Стабільні та радіоактивні ізотопи - Інформаційно-освітній портал

радіоактивні
Якщо ядра атомів складаються з протонів, то як пояснити стійкість цих ядер? Адже однойменно заряджені протони відповідно до закону Кулона, відштовхуючись один від одного, мали б розлетітися в різні боки. Однак насправді ядра атомів дуже міцні. Отже, крім кулонівських сил відштовхування в ядрі діють і сили тяжіння. Ці сили назвали ядерними силами. Вони діють між нуклонами, тобто. між протоном та протоном, протоном та нейтроном, нейтроном та нейтроном. Вони значні лише з малих відстанях, порівнянних з діаметром самих ядерних частинок (10–13см). Зі збільшенням відстані між ядерними частинками ядерні сили швидко зменшуються і стають практично рівними нулю. Так, якщо з відривом 10–15м ядерні сили приблизно 100 разів перевищують Кулонівські сили відштовхування, то вже з відривом 10–14 м вони виявляються мізерними.

Ядерні сили мають властивість насичення, тобто. кожен нуклон взаємодіє лише з обмеженою кількістю сусідніх нуклонів. Тому зі збільшенням числа нуклонів у ядрі ядерні сили значно слабшають. Цим пояснюється менша стійкість ядер важких елементів, які містять значну кількість протонів і нейтронів. Оскільки зі збільшенням атомного номера збільшення числа нейтронів переважає, говорять про «розпушуючу» дію нейтронів.

Щоб розділити ядро ​​на його протони і нейтрони і видалити з поля дії ядерних сил, треба зробити роботу, тобто. витратити енергію. Ця енергія називається енергією зв'язку ядра. Енергія зв'язку частинок у ядрах становить кілька мільйонів електрон-вольт (еВ). Наприклад, енергія зв'язку ядра гелію становить 28 МеВ, дейтерію – 2,2 МеВ, азоту – 104,5 МеВ, урану – 1800МеВ. Середня енергія зв'язку, що припадає однією нуклон, називається питомої енергією зв'язку, вона дорівнює 7 – 8,5 МеВ. Щоб «висадити в повітря» ядро, потрібно докласти таку ж енергію «ззовні».

Залежно від того, які сили в ядрі превалюють, ядро ​​є стабільним або нестабільним. Найбільшу енергію зв'язку, отже й максимальну стабільність мають ядра, які у середині таблиці Д.І. Менделєєва (у районі заліза). Стійкість ядра залежить від співвідношення кількості протонів та нейтронів у ядрі. Кількість протонів в ядрі завжди дорівнює або менше від кількості нейтронів. Відношення маси атома до протонів повинно бути одно або більше 2 (А/Z >,=2). Для легких елементів це відношення 2, для важких – 2,6. Чим менше в ядрі нейтронів, тим ядро ​​стійкіше. Якщо в ядрі занадто багато протонів або нейтронів, то такі ядра нестійкі і зазнають мимовільних радіоактивних перетворень, в результаті яких ядро ​​атома одного елемента перетворюється на ядро ​​атома іншого елемента.

Ядра з парною кількістю протонів мають більшу стабільність ізотонів і більш поширені у природі, ніж ядра з непарною кількістю протонів. Найбільш стійкими є ядра з парною кількістю протонів і парною кількістю нейтронів (парно-парні ядра). Найстійкішими є ядра, що містять по 2, 8, 20, 50, 82 протони і нейтрони («двічі магічні ядра»): Не – гелій, О – кисень, Са – кальцій.

Найменш стійкими є ядра з непарною кількістю протонів та непарною кількістю нейтронів («непарно-непарні» ядра).

На початку та середині таблиці Д.І. Менделєєва кількість протонів і нейтронів в ядрах переважно дорівнює: 2 4He, 612С, 816О, 1632S і тому ядра частіше стабільні. Зі збільшенням атомного номера Z та збільшеннямкількості нейтронів у порівнянні з протонами все більшою мірою проявляється їх «розпушуюча» дія і ядра стають менш стійкими. У елементів з атомним номером від 84 до 92 ядерні сили не здатні забезпечувати повну стійкість ядер. Ці елементи виявляються нестабільними: Rn 222, Ra 226 U 238 і т.д.

Стабільність знижується у бік більш важких, а й у бік легших елементів: кисень 16, 17, 18 – стабільний, а кисень – 13, 14, 15, 19, 20 – не стабільний; кальцій – 40, 42, 43, 44, 46, 48 – стабільний, а кальцій – 37, 38, 39, 41, 45, 47, 49, 51 – не стабільний.