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19.3: 核稳定性
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核稳定性
 
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19.3: 核稳定性

质子和中子 (统称为核) 紧密地在一个核中是堆积。 与整个原子的半径约为 10−10 米相比,一个核的半径约为 10−15 米。 与散装物质相比,核子密度非常高,平均每立方厘米 1.8 × 1014 克。 如果地球密度等于平均核密度,地球的半径将仅为 200 米。

要在核的极小体积中将正电荷质子组合在一起,就需要非常强的吸引力,因为正电荷质子在如此短的距离内彼此强烈排斥。 将核保持在一起的吸引力的力是强大的核力。 该力在质子之间,中子之间以及质子和中子之间起作用。 它与静电力有很大不同,它将负荷电子围绕正荷原子核固定。 在距离小于 10−15 米的距离内,强核力比质子之间的静电粉碎强得多;在距离较远的距离内和核外,它基本上不存在。

稳定核的中子数量与质子数量的图解表明,稳定的同位素落入狭窄的能带。 该地区被称为“稳定性的能带” (也称为传送带,区域或稳定性谷)。 图 1 中的直线表示质子与中子的比例为 1:1 的核 (n:p 比率)。 请注意,较轻的稳定核酸通常具有相同数量的质子和中子。 例如,氮 -14 有七个质子和七个中子。 但是,较重的稳定核酸比质子具有越来越多的中子。 例如:稳定的核素铁 -56 有 30 个中子和 26 个质子, n:p 比为 1.15 ,而稳定的核素铅 -207 有 125 个中子和 82 个质子, n:p 比等于 1.52。 这是因为较大的核具有更多质子 - 质子脉冲,需要更多的中子来提供补偿强力以克服这些静电脉冲并将核保持在一起。

Image1

图 1. 稳定性的能带。

稳定性能带外的核不稳定性,并表现出放射性:它们会自发变化或衰减,形成其他与稳定性能带或更接近的核。 这些核衰变反应将一种不稳定的核素 (即放射性核素) 转化为另一种核素,这种核素通常更稳定。

对于一个核的稳定性与其结构之间的关系,可以提出一些意见。

具有偶数质子,中子或两者的核子更有可能保持稳定。 核衰变的抗核能力稳定,核核核可抗核衰减,核核核可抗核抗核抗核抗核抗核抗核抗核抗核抗核抗核抗核 这些质子或中子数量 (2 , 8 , 20 , 28 , 50 , (82 ,和 126) 在核中制造完整的壳体。 这些理论上与为惰性气体观测到的稳定电子壳相似。 具有质子和中子魔数的核被 称为“双重魔法”,特别稳定。

原子数量高于 82 的核具有放射性。 83 号原子的 Bismuth-209 被认为很长一段时间内是稳定的,可以像处理非放射性原子一样处理。 尽管它具有放射性,但在放射性核素中它的半衰期却异常长。

最重元素的自然产生的放射性同位素落入连续分解或脱雾的链条中,一个链中的所有物种都构成了放射性家族或放射性衰变系列。 其中三个系列包括元素周期表的大部分自然放射性元素。 它们是铀系列,乳糜奈系列和钍系列。 镎系列是第四系列,由于所涉物种的半衰期短,在地球上已不再具有重要意义。

本文改编自 Openstax, 化学 2e, 第 21.1 节:核结构和稳定性。

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