Почему синтетические элементы нестабильны?

Протоны заряжены положительно, а нейтроны нейтральны, поэтому большие ядра заряжены сильно положительно. Положительно заряженная сфера энергетически предпочтет разбиться на две отдельные заряженные капли, которые удаляются далеко друг от друга, это уменьшает электростатическую энергию, так как электростатическое поле работает во время этого процесса.

Эта вещь, спонтанное деление, обычно маловероятна в фазовом пространстве, поскольку вам нужно, чтобы большой кусок ядра туннелировал отдельно от другого большого куска, и маловероятно, чтобы все эти частицы туннелировали вместе. Но при больших атомных числах вы нестабильны даже для того, чтобы выпустить альфа-частицу, и это не требует заговора, поэтому большие ядра Z альфа-нестабильны, обычно с длительным периодом полураспада.

Положительный заряд на ядрах ставит предел стабильным. Причина просто в том, что электростатическая сила имеет большой радиус действия, а сила сцепления — короткий. То же явление вызывает нестабильность капель воды, так что, если вы зарядите одну из них, она превратится в мелкий туман. Сцепление капель локальное, а электростатическое отталкивание носит дальнодействующий характер.

Масштаб, в котором вы непосредственно получаете нестабильность деления, можно оценить из соображений поверхностного натяжения. Если разбить сферу на две смежные сферы одинакового общего объема, радиус уменьшится на кубический корень из двух, так что площадь поверхности уменьшится на квадрат этого, и вы умножите на 2 (поскольку есть две сферы ), поэтому чистый коэффициент равен кубическому корню из 2, что составляет около 1,3. Таким образом, дополнительная энергия поверхностного натяжения увеличивается в 1,3 раза, или на 30%.

Но, разделив две сферы, вы взяли один заряженный шар с энергией$Q^2\over R$и разделил его на два соседних шара уменьшенного радиуса и половинного заряда. Суммируя электростатическую энергию, получается около 80% первоначальной электростатической энергии в одной сфере.

Таким образом, спонтанное деление капель произойдет, когда у вас есть заряженный шар, для которого 30% энергии поверхностного натяжения меньше, чем 20% энергии заряда. Поскольку заряд увеличивается почти как объем (не совсем, но близко), а поверхностное натяжение увеличивается как площадь, возникает пересечение, и заряженные капли самопроизвольно отделяются, когда становятся слишком большими.

Поверхностное натяжение можно найти по кривой энергии связи ядер, и эти простые соображения ограничивают стабильный размер ядра примерно размером с уран. Ядро U может спонтанно делиться с чрезвычайно низкой скоростью, но трансурановые соединения становятся все более нестабильными, поскольку их электростатическая энергия увеличивается по мере увеличения объема в степени, превышающей 2/3, в то время как их энергия поверхностного натяжения увеличивается по мере увеличения площади поверхности, которая растет как 2/3 степени объема.

Эти соображения в гораздо более сложной форме принадлежат Нильсу Бору в 1940-х гг. Эта модель количественно объясняла кривую энергии связи ядер и хорошо учитывала явления деления. Единственная важная вещь, оставшаяся за пределами этого, - это модель оболочки и магические числа, которые были предоставлены Майером.

Я хотел бы ответить в другом направлении: если бы один из них был стабильным, мы бы нашли его в природе, значит, он не синтетический. Также (теперь) синтетические элементы были созданы в процессе развития Вселенной, но они распались, потому что были нестабильны.

Искусственные элементы искусственны, потому что они быстро радиоактивны и не восстанавливаются в результате распада. 81 из первых 83 элементов, а также № 90 (торий) и 92 (уран) практически можно считать стабильными для большинства целей. Исключение составляют технеций (43) и прометий (61). Некоторые другие элементы быстро радиоактивны, например полоний (84), радон (86) и радий (88), но встречаются в природе как продукты распада более тяжелых элементов, таких как торий и уран. Элементы № 43, 61, 85 (астат), 87 (франций), 93 (нептуний) и 94 (плутоний) также встречаются в природе, так как они встречаются в очень малых ветвях распада элементов 90 и 92. Кроме того, элементы # 1 (водород)-94 либо образовался в результате Большого взрыва, либо в звездах. Более тяжелые элементы производятся искусственно. См. http://ryanmarciniak.com/archives/1627 ;https://en.wikipedia.org/wiki/Transuranium_element ; и https://en.wikipedia.org/wiki/Торий .