Nükleer Kararlılık

Bir çekirdek, bir atomun kütlesinin çoğunu içerir ve tüm atoma kıyasla çok küçüktür. Ortalama nükleer yoğunluk, en yoğun element olan osmiyumun yoğunluğundan dokuz trilyon kat daha fazladır. Çekirdeğin yoğunluğuna sahip olsaydı, dünya 30.000 kat daha küçük olurdu.

Çekirdeğin yoğunluğu neden bu kadar yüksektir? Nükleonlar, yakın mesafeli güçlü nükleer kuvvet tarafından bir arada tutulur. Proton-proton itme ve nükleon-nükleon çekimleri arasındaki denge, çekirdeğin kararlılığını belirler.

Proton proton itmesi çekici nükleer kuvvetlerden ağır bastığında çekirdek parçalanır. Çekirdekçiklerin proton ve nötron sayılarına göre çizilmesi, kararlı çekirdeklerin, mavi ile gösterilen, kararlılık kemeri veya vadisi olarak adlandırılan merkezi bir bölgede yer aldığını gösterir. Karbon-12 gibi nötron-proton oranları bir olan daha hafif çekirdekler, büyük bir kararlılığa sahiptir.

Atom numarası 20'nin üzerine çıktığında, proton-proton itmesini dengelemek için daha fazla nötron gerekir. Nötronlar nükleer kuvvetler tarafından birbirlerine çekilirken, aralarında itici bir etkileşim yoktur. Böylece nötron sayısındaki artış, nükleer kuvveti önemli ölçüde güçlendirir.

Tüm kararlı ağır çekirdeklerin nötron-proton oranları birden büyüktür. Daha yüksek nötron-proton oranlarına sahip radyonüklitler tipik olarak bir nötronu protona dönüştüren beta-eksi bozunmaya uğrar. Böylece, nötron-proton oranı, tablodaki kararlılık kuşağına daha yakın olan bir yavru çekirdek verecek şekilde azalır.

Daha düşük nötron-proton oranlarına sahip radyonüklitler, pozitronlar yayar veya protonları nötronlara dönüştürmek için elektron yakalamaya maruz kalır ve böylece kararlılık kuşağına daha yakın hareket eder. İlginç bir şekilde, orbitallerde bulunan elektron çiftleri gibi, çekirdekte proton-proton ve nötron-nötron eşleşmeleri gözlenir. Hem protonların hem de nötronların sayıları eşit olduğunda, tüm nükleonlar için çiftleşme mümkün olduğundan, çekirdekler dikkate değer ölçüde kararlıdır.

Tek sayıda nötron ve proton içeren yalnızca beş çekirdek kararlıdır. Belirli sayıda proton veya nötron içeren çekirdekler beklenenden daha kararlıdır ve bu sayıların sihirli sayılar olarak adlandırılmasına neden olur. Hem proton hem de nötronları sihirli sayılar olan çekirdeklere çifte sihirli denir.

Atom numarası 82'den büyük olan tüm çekirdekler radyoaktiftir. Bununla birlikte, atom numarası 83 olan bizmut-209, radyonüklitler arasında son derece uzun bir yarı ömre sahiptir. Stabilite kuşağından uzak bir radyonüklid için, bozunma zinciri, sonunda kararlı bir çekirdekte ulaştığı bozunma süreçleri dizisidir.