Warto przeczytać

Zanim omówimy zagadnienie związane z trwałością jąder atomowych, przypomnijmy sobie kilka podstawowych pojęć. Szczegółowe ich rozwinięcie znajdziesz w „Słowniczku”. Zacznijmy od atomuAtomatomu. Atom jest uznawany za podstawowy, choć nie najmniejszy składnik materii. Jest zbudowany z jądraJądro atomowejądra atomowego oraz otaczających je elektronów. Jądro atomowe, stanowiące centralny element atomu, jest zbudowane z nukleonówNukleonnukleonów, czyli protonów i neutronów. Zbiór atomów o tej samej liczbie protonów w jądrze nazywamy pierwiastkiem chemicznymPierwiastek chemicznypierwiastkiem chemicznym. Przykładowymi pierwiastkami są węgiel, wodór, złoto. Atomy jednego pierwiastka mogą się różnić liczbą neutronów w jądrze, mówimy wtedy o różnych izotopachIzotopizotopach. Wodór, czyli pierwiastek chemiczny złożony z atomów posiadających jeden proton w jądrach atomowych, posiada 3 znane izotopy – prot, nie posiadający neutronów w jądrze atomowym, deuter, posiadający jeden neutron oraz tryt, posiadający 2 neutrony w jądrze. Inne pierwiastki również posiadają szereg izotopów. Niektóre z nich, zwane naturalnymi izotopami, występują na Ziemi, np. w skorupie ziemskiej, inne są wytwarzane i badane w laboratoriach.

Niektóre izotopy są trwałe (stabilne), to znaczy, że nie ulegają żadnym przemianom jądrowym. Skład ich jąder atomowych nie zmienia się, nawet po bardzo długim czasie. Większość izotopów, z którymi mamy do czynienia na co dzień jest stabilna.

Drugą grupą są izotopy nietrwałe, czyli takie, które ulegają przemianom jądrowym, najczęściej rozpadom beta plus, beta minus lub rozpadom alfa. Efekt każdej z tych przemian jest taki, że zmienia się w jądrze liczba nukleonów.

Co sprawia, że niektóre izotopy są stabilne, a inne nie? Zanim odpowiemy na to pytanie, zapoznajmy się z kilkoma przykładami. Poniższa tabela zawiera informację o stabilnych izotopach niektórych pierwiastków chemicznych. Jeśli pierwiastek ma więcej niż jeden stabilny izotop, w tabeli umieszczono ten izotop, który najpowszechniej występuje na Ziemi. Ostatnia kolumna tabeli zawiera wartość stosunku liczby neutronów do liczby protonów ($N/Z$) dla danego izotopu. Pierwiastki zostały uszeregowane z rosnącą liczbą atomową, a tym samym ich masą.

Tabela 1. Lista wybranych pierwiastków i ich stabilnych izotopów

Dla pierwiastków najlżejszych stabilne izotopy mają w jądrze atomowym tyle samo protonów co neutronów, co objawia się stosunkiem $N/Z$ równym 1. Wraz z rosnącą liczbą atomową stosunek $N/Z$ rośnie, uzyskując wartość 1,5 dla jądra bizmutu Indeks górny 209²⁰⁹Bi, będącego najcięższym, stabilnym izotopem.

Te same dane zostały zaprezentowane na Rys. 1. Przedstawia on wykres liczby neutronów w funkcji liczby protonów dla stabilnych izotopów. Umieszczone na wykresie gwiazdki reprezentują każdy z zamieszczonych w Tabeli 1. izotopów. Na osi x znajduje się liczba atomowa danego izotopu, zaś na osi y liczba neutronów w jądrze. Dodatkowo wykres zawiera zieloną prostą $N=Z$, czyli obszar w którym liczba neutronów równa jest liczbie protonów.

Położenie punktów reprezentujących izotopy o małych masach pokrywają się z prostą $N=Z$, czyli dla nich liczba protonów w jądrze atomowym równa jest liczbie neutronów. Wraz ze wzrostem liczby atomowej wykres odchyla się w górę. Oznacza to, że aby jądro było stabilne musi mieć nadmiar neutronów w stosunku do protonów, a im jądro jest cięższe, tym bardziej ta dysproporcja rośnie.

R1HisriUMKijJ

Rys. 1. Ilustracja przedstawia prostokątny układ współrzędnych, narysowany czarnymi liniami. Oś pionowa układu współrzędnych skierowana jest w górę i przedstawia liczbę neutronów w jądrze atomowym stabilnego pierwiastka wielka litera N. Oś pozioma układu skierowana jest w prawo i przedstawia liczbę nukleonów w jądrze jądra stabilnego wielka litera Z. Na osi pionowej zaznaczono wartości od zera do stu czterdziestu, co dwadzieścia. Na osi poziomej zaznaczono wartości od zera do dziewięćdziesięciu, co dziesięć. W układzie widoczne są punkty pomiarowe widoczne w postaci niebieskich gwiazdek. Dla stabilnych jąder atomowych o małej liczbie wielka litera Z liczba protonów stanowi mniej więcej połowę wszystkich nukleonów. Sytuacja taka obserwowana jest dla jąder atomowych, których liczba masowa jest mniejsza od dwudziestu. Dla stabilnych jąder atomowych o większej liczbie masowej funkcja zaczyna rosnąć wykładniczo. Do pierwszych kilku punktów na wykresie dopasowano funkcję liniową narysowaną w postaci zielonej i ciągłej linii prostej. Dopasowana funkcja liniowa ma swój początek w zero, zero. Współczynnik kierunkowy prostej jest równy pięć dziesiątych.

Ostatni punkt na wykresie reprezentuje izotop bizmutu Indeks górny 109¹⁰⁹Bi. Jest to najcięższy znany izotop stabilny. Okazuje się, że cięższe jądra, bez względu na stosunek ich liczby atomowej do liczby neutronów, ulegają przemianom jądrowym. Liczba atomowa bizmutu $Z$ = 83 wyznacza więc granicę istnienia izotopów stabilnych.

Podsumujmy. Dla pierwiastków o małej liczbie atomowej, do ok. $Z$ = 20, czyli do wapnia, izotopy stabilne to takie, dla których liczba neutronów w jądrze atomowym równa jest liczbie protonów. Wraz ze wzrostem liczby atomowej stosunek liczby neutronów do liczby protonów rośnie, osiągając wartość 1,5 dla najcięższego stabilnego izotopu – bizmutu Indeks górny 209²⁰⁹Bi.

Na koniec wróćmy do pytania o to, co sprawia, że niektóre izotopy są stabilne, a inne nie? Aby znaleźć odpowiedź, należy zrozumieć, co w ogóle scala nukleony w jądra atomowe. Jak wiesz, jądra atomowe składają się z obojętnych elektrycznie neutronów oraz dodatnio naładowanych protonów. Nukleony są ze sobą związane bardzo silnymi oddziaływaniami jądrowymi, o krótkim zasięgu. Z drugiej strony ze względu na obecność sił oddziaływania kulombowskiegoOddziaływanie kulombowskieoddziaływania kulombowskiego, protony odpychają się od siebie. W jądrach atomowych musi być więc tak duża liczba neutronów w stosunku do protonów, żeby siły jądrowe przeważały nad siłami oddziaływań elektrostatycznych. Wraz ze wzrostem liczby protonów, wymagana jest coraz większa liczba neutronów na jeden proton, aby uzyskać ten efekt.

Możesz więc zapytać, dlaczego stabilnymi izotopami nie są te z bardzo dużą liczbą neutronów w stosunku do protonów. Okazuje się, że na energię wiązania jąder atomowych ma wpływ więcej czynników, w tym asymetria pomiędzy liczbą protonów i neutronów. Im większa różnica pomiędzy liczbą protonów a neutronów, tym czynnik asymetrii rośnie, zmniejszając energię wiązania jądra. Podsumowując, neutronów w jądrze atomowym musi być tyle, aby energia wiązania jądra, wynikająca z sił jądrowych, oddziaływań elektrostatycznych oraz czynnika asymetrii, była największa. Ile dokładnie wynosi ich liczba? To już wiesz, jest ona zapisana w Tabeli 1 oraz na wykresie (Rys. 1.).

Słowniczek