Ядерная физика. Лекция 5. Условия стабильности ядер.
По стабильности ядра бывают стабильные и нестабильные.
Нестабильные ядра распадаются, превращаясь в ядра других химических элементов.
То есть нестабильные ядра являются радиоактивными.
В зависимости от того, как быстро ядро распадается, можно говорить о разной степени стабильности ядер.
Одни нестабильные ядра распадаются очень быстро - за очень малые доли секунды, а другие могут жить в нестабильном состоянии миллиарды лет.
Отметим, что к настоящему времени открыто около 3000 атомных ядер.
Теория предсказывает, что общее число относительно стабильных ядер около 7000, причём из них полностью стабильными являются всего 272 ядра, а остальные ядра нестабильные.
Стабильность ядра зависит от его нуклонного состава, и главным образом от соотношения числа протонов и числа нейтронов в ядре.
Нестабильными являются те ядра, в которых имеется избыток протонов или нейтронов.
Если в ядре имеется избыток протонов, то лишние протоны в нём превращаются в нейтроны и позитроны.
Поэтому в процессе радиоактивного превращения из такого ядра вылетают позитроны.
Такой тип радиоактивности называется позитронным бета-распадом.
Если в ядре имеется избыток нейтронов, то лишние нейтроны в нём превращаются в протоны и электроны.
Следовательно, из таких ядер вылетают электроны.
Такой тип радиоактивности называется электронным бета-распадом.
Существуют и другие типы радиоактивных превращений нестабильных ядер.
Достаточно тяжёлые ядра распадаются также путём деления.
Для стабильных ядер отношение числа нейтронов и к числу протонов равно:
Из этой формулы следует, что лёгкие ядра, то есть ядра с массовым числом меньше 40, устойчивы, когда число нейтронов в них примерно равно числу протонов.
С ростом массового числа область устойчивости ядер сдвигается в сторону преобладания нейтронов над протонами.
Это объясняется тем, что по мере роста числа протонов в ядре, более заметным становится электростатическое отталкивание между протонами.
Ядерное притяжение может компенсировать это отталкивание только при условии, что число нейтронов возрастает быстрее числа протонов.
Например, в ядре цезия 55 протонов и 76 нейтронов, то есть отношение числа нейтронов к числу протонов равно примерно 1.4.
В ядре свинца 82 протона и 125 нейтронов, и это отношение ещё больше и равно примерно 1.5.
У ядер с числом протонов больше 83 из-за большого количества протонов полная стабильность вообще оказывается невозможной.
ЧЁТНОСТЬ ЯДЕР.
Помимо соотношения протонов и нейтронов,
стабильность ядер существенно зависит от чётности чисел протонов и нейтронов в ядре.
Все стабильные ядра можно разделить на 4 группы в зависимости от того, четны или нечётны в них числа протонов и нейтронов.
1группа: Чётно-чётные ядра.
Это ядра, в которых числа протонов и нейтронов чётные.
К этой группе принадлежит 160 стабильных ядер.
2 группа: Чётно-нечётные ядра.
Это ядра, в которых число протонов чётное, а число нейтронов - нечётное.
К этой группе принадлежит 56 стабильных ядер.
3 группа: Нечётно-чётные ядра.
Это ядра, в которых число протонов нечётное, а число нейтронов - чётное.
К этой группе принадлежит 52 стабильных ядра.
4 группа: Нечётно-нечётные ядра.
Это ядра, в которых числа протонов и нейтронов нечётные.
К этой группе принадлежит лишь 4 стабильных ядра.
Это ядра дейтерия, лития-6, бора-10 и лития-14.
Таким образом, природа предпочитает комбинации из четных чисел протонов и нейтронов.
МАГИЧЕСКИЕ ЯДРА.
Некоторые ядра обладают повышенной стабильностью.
Это ядра, число протонов или число нейтронов в которых равно одному из так называемых магических чисел.
Это числа 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.
Такие ядра называются магическими.
Если оба числа магические, то ядро называется дважды магическим.
Существует всего пять дважды магических ядер; это гелий, кислород, кальций-40, кальций-48, свинец.
Существование магических ядер объясняется в оболочечной модели ядра.
Согласно этой модели, ядро, подобно атому, состоит из оболочек, содержащих протоны и нейтроны, которые обращаются вокруг друг друга.
Повышенная стабильность магических ядер обусловлена тем, что протоны и нейтроны в них образуют заполненные оболочки, подобные заполненным оболочкам в атоме.
ВЫВОД.
Таким образом, существует 3 фактора, которые влияют на стабильность ядра:
1) соотношение чисел протонов нейтронов.
2) чётность чисел протов и нейтронов.
3) равенство чисел протонов и нейтонов магическим числам.