Стабильность ядра

Стабильное или нерадиоактивное ядро — это ядро, атом которого не распадается. Теоретически такие атомы необходимо наблюдать бесконечно долго для того, чтобы убедиться, что они стабильны, иными словами, ядра, которые в действительности радиоактивны, но имеют очень большой период полураспада, могут быть ошибочно приняты за стабильные из-за недостаточной точности измерений. Как пример можно привести ядро лантана-138, ранее считавшееся стабильным и оказавшееся радиоактивным с периодом полураспада 10¹¹ лет, что в тридцать раз больше возраста Вселенной. "Дедушкой" подобных ядер является ¹²⁸Te, измеренный период полураспада которого равен 1,5·10²⁴ лет.

Можно построить график ядер, которые действительно стабильны, если вычислить для каждого из них число нейтронов N и указать атомный номер Z каждого ядра. График зависимости N от Z в стабильных ядрах, приведен на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Соотношение числа нейтронов N и протонов Z в стабильных ядрах

Оказывается, что отношение числа нейтронов к числу протонов N/Z в ядре определяет природу ядра и позволяет систематизировать почти все, что известно о ядре к настоящему времени. Для стабильных элементов, за исключением водорода, ядро которого состоит только из протона, нейтронов в ядре не бывает меньше протонов, обычно же их несколько больше. На рис. 1.2 пунктирная линия, наклон которой 45°, представляет собой ядра с N = Z, т.е. с одинаковым количеством нейтронов и протонов в ядре. Для легких ядер (элемент ниже железа в периодической таблице) количества нейтронов и протонов в ядре часто равны. С ростом атомного номера для стабильных ядер это отношение растет и будет располагаться выше линии N = Z на графике. Для наиболее тяжелого последнего полностью стабильного изотопа - висмута (А = 209, Z = 83, N= 126) отношение N/Z почти точно равно 1,5. Это объясняется наличием сил притяжения между нуклонами в ядре, получившими название ядерных сил. Эти силы действуют между протонами и протонами, протонами и нейтронами, нейтронами и нейтронами в ядре при их столкновениях. Ядерные силы, удерживающие нуклоны в ядрах атома, превосходят кулоновские силы отталкивания между протонами. Ядерные силы короткодействующие, они действуют на расстояниях, сравнимых с двумя протонными диаметрами, а затем резко убывают до нуля с увеличением расстояния. Если обозначить расстояние между нуклонами в ядре буквой А, то на расстояниях А<0,5·10^-3 см эти силы являются силами отталкивания. при 0,5·10^-13см<А<10^-12см— силами притяжения, а на расстоянии А > 10^-12 см — быстро исчезают. Ядерные силы ответственны за энергию связи, которая удерживает ядро от распада.

В большинстве случаев радиоактивный распад происходит таким образом, что дочерние ядра становятся более стабильными, чем исходные. Распад более предпочтителен, если дочернее ядро перемещается к линии стабильности N = Z. Продукты деления очень тяжелых ядер, например ²³⁵U, будут иметь большой излишек нейтронов, в результате чего они являются бета-излучателями, согласно реакции:

n → p + e¯ + , (1.10)

где e¯ — электрон, — антинейтрино.

Ниже будет показано, что бета-распад эквивалентен замене нейтрона на протон и сопровождается изменением отношения Ν/Ρ в сторону стабильности.

С другой стороны, при облучении положительными ионами мишеней и деталей ускорителя, часто получают дочерние радиоактивные ядра, испускающие нейтроны. В результате в этих ядрах наблюдается дефицит нейтронов и поэтому возрастает вероятность распада, при котором отношение Ν/Ρ растет, т.е. будет происходить позитронный распад, в результате которого протон преобразуется в нейтрон и позитрон по схеме:

n → p + e⁺ + , (1.11)

где е⁺ — позитрон, — нейтрино, т.е. если в ядре много нейтронов или много протонов, то положение дела поправляется излучением электрона или позитрона.