Почему более тяжелые ядра нестабильны?

Ответы Алекса и пользователя TLK правильные, но неполные.

Это правда, что хотя сильное взаимодействие по существу действует только между ближайшими соседями, тогда как кулоновское отталкивание действует между всеми протонами, на самом деле именно слабое взаимодействие препятствует строительству чрезвычайно больших ядер.

Например, нужно объяснить, почему нельзя строить ядра со все большим и большим количеством нейтронов, просто увеличивая отношение нейтронов к протонам.

Ответ заключается в том, что нейтроны распадаются (через слабое взаимодействие) на протоны (и электроны) , если есть запасное квантовое состояние, в которое протон может перейти . Если это не так, то бета-распад «заблокирован» принципом запрета Паули. Таким образом, сильно нейтронно-богатые ядра будут неустойчивы к бета-распаду.

Интересно, что в коре нейтронной звезды бета-распад также может блокироваться окружающими вырожденными электронами (если их энергия Ферми достаточно высока). Там можно построить огромные (атомная масса более 300) нейтронно-избыточные ядра.

Причина в том, что сильное взаимодействие не кумулятивно, а электромагнитное. Итак, сильное взаимодействие немного сложнее, так как оно меняется в зависимости от количества протонов и нейтронов, но оно не увеличивается непрерывно, поскольку все больше протонов или нейтронов связывается с ядром, в отличие от электромагнитного взаимодействия.

Скажем, у вас есть атом гелия, 2 протона, 2 нейтрона, каждый из которых тесно связан сильным взаимодействием, и 2 протона отталкиваются только друг от друга. Итак, есть 1 сильная сила притяжения и 1 электромагнитная сила отталкивания, и побеждает сильная сила. Сильная сила в 137 раз сильнее

Теперь возьмем Уран, 92 протона. Каждый протон и нейтрон связаны с ядром сильным взаимодействием, но это только одно сильное притяжение, но каждый протон теперь отталкивается 91 другим положительно заряженным протоном. Следовательно, у вас есть 91 маленькая сила, отталкивающая его. Это гораздо менее стабильно.

Квантовая нестабильность всегда возникает при 83 или более протонах (1-82 в основном стабильны, за исключением технеция и прометия с 43 и 61 протонами соответственно), что само по себе довольно любопытно. Сильное взаимодействие сильнее связывает определенные комбинации, и, как правило, четное число протонов более стабильно, чем нечетное. Я не уверен, почему это так, но это кажется неизменно верным.

Подробнее об этом здесь: https://en.wikipedia.org/wiki/Even_and_odd_atomic_nuclei и, в общих чертах, здесь: http://io9.com/the-oddo-harkins-rule-shows-the-universe-hates-the -нечетный-1446581327

Кроме того, посмотрите ответ Роба Джеффриса, поскольку он упоминает слабое взаимодействие - я думаю, что его ответ более правильный, чем мой.

Хотя нейтронов для противодействия электростатическому отталкиванию больше, чем протонов, отталкивание протонов все же существует. Это отталкивание растет с увеличением размеров атомов. Испуская альфа-излучение или ядра гелия, атом может переходить из состояния с высокой энергией в состояние с более низкой энергией. Вот почему его предпочитают как распад. Чем больше протонов, тем больше отталкивание и выше энергетическое состояние.

Это похоже на электроны, которые переходят из более высоких энергетических состояний в более низкие, испуская фотоны. Чем более энергичен электрон, тем больше вероятность того, что он испустит фотон и перейдет к более низкой энергии. Ядра подобны, но находятся под влиянием разных сил.

По мере увеличения массового числа эффект отталкивания становится более значительным, потому что сильное ядерное взаимодействие (связывающее все нуклоны) имеет очень малый радиус действия, а кулоновская сила — нет: поэтому энергия, связанная в отталкивающей кулоновской силе, связанной между протонами, увеличивается. быстрее по мере увеличения массовых чисел, чем энергия, связанная с сильным ядерным взаимодействием притяжения, связанным между любыми двумя нуклонами.

Вот почему тяжелые ядра становятся нестабильными.

большие ядра содержат большее количество протонов. В результате колумбовская сила отталкивания между протонами увеличивается и становится доминирующей над короткодействующей ядерной силой притяжения между нуклонами. В результате увеличивается нестабильность больших ядер.