19.3 : الاستقرار النووي

البروتونات والنيوترونات، التي تسمى مجتمعة النوكليونات، متجمعة معاً بإحكام في نواة. مع نصف قطر يبلغ حوالي 10⁻¹⁵ متراً، تكون النواة صغيرة جداً مقارنة بنصف قطر الذرة بأكملها، وهي حوالي 10⁻¹⁰ متر. النوى كثيفة للغاية مقارنة بالمادة الاجمالية، بمتوسط 1.8 × 10¹⁴ جرام لكل سنتيمتر مكعب. إذا كانت كثافة الأرض’ تساوي متوسط ​​الكثافة النووية، فإن نصف قطر الأرض’ سيكون حوالي 200 متر فقط.

يتطلب تجميع البروتونات موجبة الشحنة معاً في الحجم الصغير جداً للنواة قوى جذب قوية جدًا لأن البروتونات موجبة الشحنة تتنافر بقوة في مثل هذه المسافات القصيرة. قوة الجذب التي تربط النواة معاً هي القوة النووية القوية. تعمل هذه القوة بين البروتونات والنيوترونات وبين البروتونات والنيوترونات. إنها مختلفة تماماً عن القوة الكهروستاتيكية التي تحمل إلكترونات سالبة الشحنة حول نواة موجبة الشحنة. على مسافات تقل عن 10⁻¹⁵ متر وداخل النواة، تكون القوة النووية القوية أقوى بكثير من التنافر الإلكتروستاتيكي بين البروتونات ؛ على مسافات أكبر وخارج النواة، فهي غير موجودة أساساً.

يوضح مخطط عدد النيوترونات مقابل عدد البروتونات للنواة المستقرة أن النظائر المستقرة تقع في نطاق ضيق. تُعرف هذه المنطقة باسم نطاق الاستقرار (وتسمى أيضاً الحزام أو المنطقة أو وادي الاستقرار). يمثل الخط المستقيم في الشكل 1 نواة لها نسبة 1: 1 من البروتونات إلى النيوترونات (نسبة n:p). لاحظ أن النوى المستقرة الأخف، بشكل عام، لها أعداد متساوية من البروتونات والنيوترونات. على سبيل المثال، يحتوي النيتروجين -14 على سبعة بروتونات وسبعة نيوترونات. ومع ذلك، تحتوي النوى الأثقل ثباتاً على نيوترونات أكثر من البروتونات. على سبيل المثال: تحتوي نواة الحديد 56 المستقر على 30 نيوتروناً و 26 بروتوناً، ونسبة n:p 1.15، بينما تحتوي نواة الرصاص المستقر 207 على 125 نيوتروناً و 82 بروتوناً، ونسبة n:p تساوي 1.52. وذلك لأن النوى الأكبر لديها المزيد من تنافر البروتونات وتتطلب أعداداً أكبر من النيوترونات لتوفير قوى قوية تعويضية للتغلب على هذه التنافرات الكهروستاتيكية وتثبيت النواة معاً.

الشكل 1. نطاق الاستقرار.

تعتبر النوى الموجودة خارج نطاق الاستقرار غير مستقرة وتظهر نشاطًا إشعاعيًا: فهي تتغير تلقائياً أو تتحلل إلى نوى أخرى تكون إما داخل نطاق الاستقرار أو أقرب إليه. تعمل تفاعلات التحلل النووي هذه على تحويل نواة أو نويدة مشعة غير مستقرة إلى نواة أخرى، والتي غالبًا ما تكون أكثر استقرارًا.

يمكن تقديم عدة ملاحظات بخصوص العلاقة بين استقرار النواة وهيكلها.

من المرجح أن تكون النوى التي تحتوي على أعداد زوجية من البروتونات أو النيوترونات أو كليهما أكثر استقرارًا. النوى التي تحتوي على أعداد معينة من النوى ، والمعروفة باسم الأعداد السحرية ، تكون مستقرة ضد التحلل النووي. تشكل هذه الأعداد من البروتونات أو النيوترونات (2, 8, 20, 28, 50, 82, و 126) أغلفة كاملة في النواة. هذه تشبه من حيث المفهوم أغلفة الإلكترون المستقرة التي لوحظت للغازات النبيلة. تسمى النوى التي تحتوي على أعداد سحرية من البروتونات والنيوترونات على حد سواء “سحر مضاعف” ومستقرة بشكل خاص.

تعتبر النوى ذات الأعداد الذرية الأعلى من 82 مشعة. يُعتقد أن البزموت -209، العدد الذري 83، كان مستقرًا لفترة طويلة جدًا ويمكن التعامل معه كما لو كان غير مشع. على الرغم من أنه مادة مشعة، إلا أنه يتمتع بعمر نصفي طويل للغاية بين النوى المشعة.

تقع النظائر المشعة التي تحدث بشكل طبيعي لأثقل العناصر في سلاسل من التفكك المتتالي أو التحلل، وتشكل جميع الأنواع في سلسلة واحدة عائلة مشعة أو سلسلة تحلل إشعاعي. ثلاثة من هذه السلاسل تشمل معظم العناصر المشعة بشكل طبيعي في الجدول الدوري. هم سلسلة اليورانيوم وسلسلة الأكتينيد وسلسلة الثوريوم. سلسلة النبتونيوم هي سلسلة رابعة، والتي لم تعد مهمة على الأرض بسبب فترات نصف العمر القصيرة للأنواع المعنية.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 21.1: Nuclear Structure and Stability.