Nükleer Kararlılık

Toplu olarak nükleonlar olarak adlandırılan protonlar ve nötronlar, bir çekirdekte sıkıca bir araya getirilir. Yaklaşık 10⁻¹⁵ metrelik bir yarıçapa sahip olan bir çekirdek, yaklaşık 10⁻¹⁰ metre olan tüm atomun yarıçapına kıyasla oldukça küçüktür. Çekirdek, santimetre küp başına ortalama 1,8 × 10¹⁴ gram ortalaması ile tüm madde karşılaştırıldığında son derece yoğundur. Eğer dünya yoğunluğu ortalama nükleer yoğunluğa eşit olsaydı, dünya yarıçapı sadece 200 metre olurdu.

Pozitif yüklü protonları, bir çekirdeğin çok küçük hacminde bir arada tutmak için çok güçlü çekici kuvvetler gerekir, çünkü pozitif yüklü protonlar bu kadar kısa mesafelerde birbirlerini güçlü bir şekilde iter. Çekirdeği bir arada tutan çekim kuvveti güçlü nükleer kuvvettir. Bu kuvvet protonlar arasında, nötronlar arasında ve protonlar ve nötronlar arasında hareket eder. Pozitif yüklü bir çekirdeğin etrafında negatif yüklü elektronları tutan elektrostatik kuvvetten çok farklıdır. 10⁻¹⁵ metreden daha kısa mesafelerde ve çekirdeğin içinde, güçlü nükleer kuvvet protonlar arasındaki elektrostatik itmelerden çok daha güçlüdür; daha büyük mesafelerde ve çekirdeğin dışında esasen mevcut değildir.

Kararlı çekirdekler için proton sayısına karşı nötron sayısının bir grafiği, kararlı izotopların dar bir bant içine düştüğünü ortaya koymaktadır. Bu bölge stabilite bandı olarak bilinir (ayrıca kemer, bölge veya stabilite vadisi olarak da adlandırılır). Şekil 1’deki düz çizgi, 1:1 oranında (n:p oranı) protonlara ve nötronlara sahip çekirdekleri temsil eder. Daha hafif kararlı çekirdeklerin, genel olarak, eşit sayıda proton ve nötrona sahip olduğunu unutmayın. Örneğin, azot-14, yedi proton ve yedi nötrona sahiptir. Bununla birlikte, daha ağır kararlı çekirdekler, protonlardan giderek daha fazla nötrona sahiptir. Örneğin: kararlı nüklid demir-56, 30 nötron ve 26 protona, 1,15’lik bir n:p oranına sahipken, kararlı nüklid kurşun-207, 125 nötron ve 82 protona, 1.52’ye eşit bir n:p oranına sahiptir. Bunun nedeni, daha büyük çekirdeklerin daha fazla proton-proton iticiliğine sahip olması ve bu elektrostatik iticiliğin üstesinden gelmek ve çekirdeği bir arada tutan telafi edici güçlü kuvvetler sağlamak için daha fazla sayıda nötron gerektirmesidir.

Şekil 1. Kararlılık Bandı.

Kararlılık bandının dışındaki çekirdekler kararsızdır ve radyoaktivite sergiler: kendiliğinden değişirler veya bozunurlar, kararlılık bandında veya daha yakın olan diğer çekirdeklere dönüşürler. Bu nükleer bozunma reaksiyonları, kararsız bir nüklidi veya radyonüklidi, genellikle daha kararlı olan başka bir nüklide dönüştürür.

Bir çekirdeğin stabilitesi ile yapısı arasındaki ilişki ile ilgili çeşitli gözlemler yapılabilir.

Çift sayıda proton, nötron veya her ikisine sahip çekirdeklerin kararlı olma olasılığı daha yüksektir. Sihirli sayılar olarak bilinen belirli sayıda çekirdeğe sahip çekirdekler nükleer çürümeye karşı kararlıdır. Bu proton veya nötron sayıları (2, 8, 20, 28, 50, 82 ve 126) çekirdekteki kabukları tamamlarlar. Bunlar, soy gazlar için gözlemlenen kararlı elektron kabuklarına benzerdir. Hem protonların hem de nötronların sihirli sayılarına sahip çekirdeklere “iki kat büyü” denir ve özellikle kararlıdır.

Atom numaraları 82’den yüksek olan çekirdekler radyoaktiftir. 83 atom numarası olan Bismuth-209’un çok uzun bir süre kararlı olduğu ve radyoaktif değilmiş gibi ele alınabileceği düşünülmüştür. Radyoaktif olmasına rağmen, radyonüklidler arasında son derece uzun bir yarı ömre sahiptir.

En ağır elementlerin doğal olarak oluşan radyoaktif izotopları ardışık parçalanma veya bozunma zincirlerine girer ve bir zincirdeki tüm türler radyoaktif bir aile veya radyoaktif bozunma serisini oluşturur. Bu serilerin üçü periyodik tablonun doğal radyoaktif elementlerinin çoğunu içerir. Bunlar uranyum serisi, aktinit serisi ve toryum serisidir. Neptün serisi, ilgili türlerin kısa yarı ömürleri nedeniyle Dünya’da artık önemli olmayan dördüncü bir seridir.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 21.1: Nuclear Structure and Stability.