Ядерная стабильность

Ядро содержит большую часть массы атома, но оно крошечное по сравнению со всем атомом. Средняя ядерная плотность в девять триллионов раз превышает плотность осмия:самого плотного элемента! Земля была бы в 30000 раз меньше, если бы имела плотность ядра.

Почему у ядра такая высокая плотность? Нуклоны удерживаются вместе сильной ядерной силой ближнего действия. Баланс между протон-протонным отталкиванием и нуклон-нуклонным притяжением определяет стабильность ядра.

Когда протон-протонное отталкивание превышает ядерные силы притяжения, ядро распадается. Построение нуклидов по числу протонов и нейтронов показывает, что стабильные ядра занимают центральную область, обозначенную синим цветом, которая называется поясом или долиной стабильности. Более легкие нуклиды с отношением нейтронов к протонам, равным единице, такие как углерод-12, обладают большой стабильностью.

Когда атомный номер превышает 20, требуется больше нейтронов, чтобы уравновесить протон-протонное отталкивание. Нейтроны притягиваются друг к другу ядерными силами, тогда как между ними нет отталкивания. Таким образом, увеличение количества нейтронов значительно усиливает ядерные силы.

Все стабильные более тяжелые нуклиды имеют отношение нейтронов к протонам больше единицы. Радионуклиды с более высоким отношением нейтронов к протонам обычно подвергаются бета-минус распаду, который превращает нейтрон в протон. Таким образом, отношение нейтронов к протонам уменьшается с образованием дочернего нуклида, который находится ближе к поясу стабильности на диаграмме.

Радионуклиды с более низким отношением нейтронов к протонам испускают позитроны или подвергаются электронному захвату, чтобы преобразовать протоны в нейтроны и, таким образом, приблизиться к поясу стабильности. Интересно, что, как и электронные пары, находящиеся на орбиталях, в ядре наблюдается спаривание протон-протон и нейтрон-нейтрон. Когда числа протонов и нейтронов чётны, ядра удивительно стабильны, поскольку спаривание возможно для всех нуклонов.

Стабильны только пять нуклидов с нечетным числом нейтронов и протонов. Ядра с определенным числом протонов или нейтронов более стабильны, чем ожидалось, поэтому эти числа называют магическими числами. Ядра с магическими числами протонов и нейтронов называются дважды магическими.

Все ядра с атомными номерами выше 82 радиоактивны. Однако висмут-209 с атомным номером 83 имеет исключительно длительный период полураспада среди радионуклидов. Для радионуклида, находящегося далеко от пояса стабильности, его цепочка распада представляет собой серию процессов распада, посредством которых он в конечном итоге достигает состояния стабильного нуклида.