19.3: Stabilność jądrowa

Protony i neutrony, zwane zbiorczo nukleonami, są ciasno upakowane w jądrze. Przy promieniu około 10⁻¹⁵ metrów jądro jest dość małe w porównaniu z promieniem całego atomu, który wynosi około 10⁻¹⁰ metrów. Jądra są niezwykle gęste w porównaniu z materią masową, średnio 1,8 ×^{10 14} gramów na centymetr sześcienny. Gdyby gęstość Ziemi była równa średniej gęstości jądrowej, promień Ziemi wynosiłby tylko około 200 metrów.

Utrzymanie dodatnio naładowanych protonów razem w bardzo małej objętości jądra wymaga bardzo silnych sił przyciągania, ponieważ dodatnio naładowane protony silnie odpychają się nawzajem na tak krótkich odległościach. Siła przyciągania, która utrzymuje jądro razem, jest silnym oddziaływaniem jądrowym. Siła ta działa między protonami, między neutronami oraz między protonami a neutronami. Bardzo różni się od siły elektrostatycznej, która utrzymuje ujemnie naładowane elektrony wokół dodatnio naładowanego jądra. Na odległościach mniejszych niż 10⁻¹⁵ metrów i w jądrze silne oddziaływanie jądrowe jest znacznie silniejsze niż odpychania elektrostatyczne między protonami; Na większych odległościach i poza jądrem w zasadzie nie istnieje.

Wykres liczby neutronów w stosunku do liczby protonów dla stabilnych jąder pokazuje, że stabilne izotopy mieszczą się w wąskim paśmie. Obszar ten jest znany jako pasmo stabilności (zwane również pasem, strefą lub doliną stabilności). Linia prosta na rysunku 1 przedstawia jądra, w których stosunek protonów do neutronów wynosi 1:1 (stosunek n:p). Należy zauważyć, że lżejsze, stabilne jądra mają na ogół równą liczbę protonów i neutronów. Na przykład azot-14 ma siedem protonów i siedem neutronów. Cięższe stabilne jądra mają jednak coraz więcej neutronów niż protonów. Na przykład: stabilny nuklid żelazo-56 ma 30 neutronów i 26 protonów, stosunek n:p wynosi 1,15, podczas gdy stabilny nuklid ołów-207 ma 125 neutronów i 82 protony, stosunek n:p równy 1,52. Dzieje się tak, ponieważ większe jądra mają więcej odpychania proton-proton i wymagają większej liczby neutronów, aby zapewnić kompensujące silne siły, aby przezwyciężyć te odpychania elektrostatyczne i utrzymać jądro razem.

Rysunek 1. Pasmo stabilności.

Jądra znajdujące się poza pasmem stabilności są niestabilne i wykazują radioaktywność: zmieniają się spontanicznie lub rozpadają się na inne jądra, które znajdują się w paśmie stabilności lub bliżej niego. Te reakcje rozpadu jądrowego przekształcają jeden niestabilny nuklid lub radionuklid w inny nuklid, który często jest bardziej stabilny.

Można poczynić kilka obserwacji dotyczących związku między stabilnością jądra a jego strukturą.

Jądra z parzystą liczbą protonów, neutronów lub obu tych rodzajów mają większe szanse na stabilność. Jądra o określonej liczbie nukleonów, znane jako liczby magiczne, są odporne na rozpad jądrowy. Ta liczba protonów lub neutronów (2, 8, 20, 28, 50, 82 i 126) tworzy pełne powłoki w jądrze. Są one podobne w koncepcji do stabilnych powłok elektronowych obserwowanych dla gazów szlachetnych. Jądra, które mają magiczną liczbę zarówno protonów, jak i neutronów, nazywane są “podwójnie magicznymi” i są szczególnie stabilne.

Jądra o liczbie atomowej większej niż 82 są radioaktywne. Uważano, że bizmut-209, liczba atomowa 83, jest stabilny przez bardzo długi czas i może być traktowany tak, jakby był nieradioaktywny. Chociaż jest radioaktywny, ma wyjątkowo długi okres półtrwania wśród radionuklidów.

Naturalnie występujące izotopy promieniotwórcze najcięższych pierwiastków wpadają w łańcuchy następujących po sobie rozpadów lub rozpadów, a wszystkie gatunki w jednym łańcuchu tworzą rodzinę promieniotwórczą lub serię rozpadów promieniotwórczych. Trzy z tych serii zawierają większość naturalnie promieniotwórczych pierwiastków układu okresowego pierwiastków. Są to szereg uranu, szereg aktynowców i szereg torowy. Seria neptunu jest czwartą serią, która nie ma już znaczenia na Ziemi ze względu na krótki okres półtrwania zaangażowanych gatunków.

Ten tekst jest zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 21.1: Struktura jądrowa i stabilność.