تعريف منحنى الاستقرار النووي في الفيزياء

تعريف منحنى الاستقرار النووي في الفيزياء

يعرف منحنى الاستقرار النووي بأنه رسم بياني يمثل استقرارية العناصر على شكل حزام من النقاط، بحيث يمثل المحور السيني عدد البروتونات في الذرة، في حين يمثل المنحنى الصادي عدد النيوترونات فيها.

يكون في أعلى اليمين من حزام الاستقرار النويدات المشعة التي تتحلل عن طريق اضمحلال ألفا، وفي أسفل حزام الاستقرار النويدات التي تبعث بوزيترونات أو تلتقط إلكترونات، وفي أعلاه الأنوية المسؤولة عن انبعاثات بيتا، أما العناصر التي يزيد عددها الذري عن 83 فهي تكون العناصر المشعة غير المستقرة.

نسبة النيوترونات إلى البروتونات

يمكن استخدام نسبة النيوترونات إلى البروتونات في توقع الاستقرار النووي لأنوية العناصر، بحيث يحتوي منحنى الاستقرار النووي على خط مستقيم يعبر عن الأنوية التي يكون نسبة النيوترونات إلى البروتونات فيها هي 1:1، وعادةً ما تكون العناصر الخفيفة هي التي تمتلك أنوية يتساوي فيها عدد البروتونات والنيوترونات، مثل؛ ذرة النيتروجين التي تحتوي على 7 بروتونات و7 نيوترونات.

كلما أصبحت الأنوية أثقل كلما زاد عدد النيوترونات عن البروتونات وكلما ارتفعت النسبة بينهما، فعلى سبيل المثال؛ تحتوي ذرة الحديد-56 على 30 نيوترون و26 بروتون، بحيث تكون نسبة النيوترونات إلى البروتونات فيها تساوي 1.15، أما الرصاص-207 فيمتلك نواة مستقرة تمتلك 125 نيوترون و82 بروتون لتكون نسبة النيوترونات إلى البروتونات فيها 1.52.

يعود السبب في الحاجة إلى نيوترونات أكثر كلما كانت الذرة أثقل إلى زيادة قوى التنافر بين البروتونات في الأنوية الثقيلة، مما يحتاج إلى عدد أكبر من النيوترونات للتغلب على القوى المتنافرة الكبيرة والحفاظ على ترابط النواة.

تتراوح نسبة النيوترونات إلى البروتونات في أنوية الذرات المستقرة بين 1 إلى 1.5، باستثناء نظيري الهيدروجين المستقرين H-1 وH-3 اللذان لهما نسبة نيوترون إلى بروتون أقل من 1.

قاعدة الأعداد الزوجية والفردية

تميل الأنوية التي تمتلك أعدادًا زوجيةً من النيوترونات والبروتونات إلى أن تكون أكثر استقرارًا من تلك التي تمتلك عددًا فرديًا في كل من نيوتروناتها وبروتوناتها، فمن جميع نظائر الذرات المستقرة هنالك 264 نواة مستقرة؛ 157 منها تمتلك أعداد زوجية من البروتونات والنيوترونات، و5 ذات أعداد فردية لكل من البروتونات والنيوترونات، والجدول الآتي يوضح المقصود:

الأعداد السحرية

وجد أن النظائر التي تحتوي على أعداد معينة من البروتونات والنيترونات تكون أكثر استقرارًا من غيرها، سميت هذه الأعداد بالأعداد السحرية، وتكون الذرات أكثر استقرارًا إذا كان عدد النيوترونات وعدد البروتونات فيها هو العدد السحري ذاته مثل ذرات الهيليوم He₂⁴، والأكسجين O₈¹⁶، والكالسيوم Ca₂₀⁴⁰.

تدعم وجود الأعداد السحرية فرضية وجود مستويات طاقة نووية شبيهة بمستويات طاقة الإلكترونات، وفيما يأتي قائمة بالأرقام السحرية لكل من البروتونات والنيوترونات:

• الأعداد السحرية للبروتونات

2، 8، 20، 28، 50، 82، 114

• الأعداد السحرية للنيوترونات

2، 8، 20، 28، 50، 82، 126، 184