Ядерная стабильность

Протоны и нейтроны, совместно называемые нуклеонами, плотно упакованы в ядро. При радиусе около 10^-15 метров ядро довольно мало по сравнению с радиусом всего атома, который составляет около 10^-10 метров. Ядра чрезвычайно плотны по сравнению с объемным веществом, в среднем 1.8 × 1014 грамм на кубический сантиметр. Если бы плотность земли равнялась средней ядерной плотности, радиус земли составлял бы всего около 200 метров.

Для удержания положительно заряженных протонов вместе в очень небольшом объеме ядра требуется очень сильный силы притяжения, поскольку положительно заряженные протоны отталкивают друг друга на таких коротких расстояниях. Сила притяжения, которая держит ядро вместе, является сильной ядерной силой. Эта сила действует между протонами, между нейтронами и между протонами и нейтронами. Он сильно отличается от электростатического давления, которое удерживает отрицательно заряженные электроны вокруг положительно заряженного ядра. На расстояниях менее 10^-15 метров и внутри ядра сильная ядерная сила гораздо сильнее электростатических отталкиваний между протонами; на больших расстояниях и вне ядра она, по сути, отсутствует.

График количества нейтронов против количества протонов для стабильных ядер показывает, что стабильные изотопы попадают в узкую полосу. Эта область известна как полоса стабильности (также называемая поясом, зоной или долиной стабильности). Прямая линия на рис. 1 представляет ядра, имеющие отношение протонов к нейтронам (отношение n:p) в соотношении 1:1. Обратите внимание, что более легкие стабильные ядра, как правило, имеют одинаковое количество протонов и нейтронов. Например, азот-14 имеет семь протонов и семь нейтронов. Однако более тяжелые стабильные ядра имеют все больше нейтронов, чем протоны. Например: Стабильный нуклид железа-56 имеет 30 нейтронов и 26 протонов, отношение n:p равно 1.15, тогда как стабильный нуклид свинца-207 имеет 125 нейтронов и 82 протонов, отношение n:p равно 1.52. Это связано с тем, что более крупные ядра имеют больше протонных репульсаций и требуют большего количества нейтронов, чтобы обеспечить компенсирующие сильные силы для преодоления этих электростатических репульсаций и удержания ядра вместе.

Рисунок 1. Полоса устойчивости.

Ядра за пределами полосы стабильности нестабильны и проявляют радиоактивность: Они самопроизвольно изменяются или разложение на другие ядра, находящиеся либо в полосе стабильности, либо ближе к ней. Эти реакции ядерного распада преобразуют один нестабильный нуклид, или радионуклид, в другой нуклид, который часто более стабилен.

Можно сделать несколько замечаний относительно взаимосвязи между стабильностью ядра и его структурой.

Ядра с четным количеством протонов, нейтронов или и того, и другого более стабильны. Ядра с определённым количеством нуклеонов, известные как магические числа, устойчивы к ядерному разложению. Эти числа протонов или нейтронов (2, 8, 20, 28, 50, 82, и 126) сделать полные оболочки в ядре. Они по своей концепции схожи с устойчивыми электронными оболочками, наблюдаемыми для благородных газов. Ядра, имеющие магическое количество протонов и нейтронов , называются “вдвойне магией” и особенно стабильны.

Ядра с атомными числами выше 82 радиоактивны. Висмут-209, атомный номер 83, считался стабильным в течение очень долгого времени и может быть обработан, как если бы он был нерадиоактивным. Несмотря на то, что он радиоактивный, он имеет исключительно длительный период полураспада среди радионуклидов.

Естественные радиоактивные изотопы самых тяжелых элементов попадают в цепи последовательных дезинтеграции или распадов, а все виды в одной цепи представляют собой радиоактивную семью или серию радиоактивного распада. Три из этих серий включают большинство естественно радиоактивных элементов периодической таблицы. Это урановая серия, серия actinide и серия тория. Серия Neptunium — четвёртая серия, которая уже не знача на земле из-за коротких полужизней задействованных видов.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 21.1: Ядерная структура и стабильность.