Почему ядра распадаются так быстро и медленно?

Короче говоря, атомы распадаются, потому что они нестабильны и радиоактивны.

Унуноктий (или Оганессон ) имеет атомный номер 118. Это означает, что в ядре одного атома Оганессона 118 протонов, и это не включает количество нейтронов в ядре. Мы рассмотрим самый стабильный изотоп Оганесона,$\mathrm{{}^{294}Og}$. Число 294 означает, что в ядре 294 нуклона или всего 294 протона и нейтрона. Теперь самым большим стабильным изотопом известного элемента является$\mathrm{{}^{208}Pb}$, или свинец-208.

Помимо этого количества нуклонов сильное ядерное взаимодействие начинает с трудом удерживать все эти нуклоны вместе. Видите ли, обычно мы считаем ядро ​​невозможным, потому что протоны (все с положительным зарядом) отталкиваются друг от друга, потому что одинаковые заряды отталкиваются. Это электромагнитная сила. Но ученые открыли другую силу, названную сильным ядерным взаимодействием. Сильное ядерное взаимодействие во много раз сильнее, чем электромагнитное взаимодействие (недаром оно называется сильным взаимодействием), но оно действует только на очень и очень малых расстояниях. За пределами этих расстояний ядро ​​начинает распадаться. Атомы Оганесона и Урана достаточно велики, чтобы сильное взаимодействие больше не могло удерживать их вместе.

Итак, теперь мы знаем, почему атомы нестабильны и распадаются (обратите внимание, что здесь есть дополнительные сложности, но это общий обзор того, почему). Но почему разница во времени затухания? Во-первых, позвольте мне устранить одно заблуждение. Квантовая механика утверждает, что мы не знаем точно, когда атом распадется и распадется ли он вообще, но для набора атомов мы можем измерить скорость распада в так называемом периоде полураспада элемента. Это время, необходимое для того, чтобы тело атомов сократилось пополам.

Итак, если вернуться ко времени распада, то оно (как и следовало ожидать) снова связано с размером ядра. Как правило, изотопы с атомным номером выше 101 имеют период полураспада менее суток.$\mathrm{{}^{294}Og}$определенно подходит под это описание. (Единственным исключением здесь является дубний-268.) Никакие элементы с атомными номерами выше 82 не имеют стабильных изотопов. Атомный номер урана 92, поэтому он радиоактивен, но распадается гораздо медленнее, чем Оганессон, по той простой причине, что он меньше.

Интересно, что по причинам, еще не до конца понятым, может существовать своего рода «остров» повышенной стабильности вокруг атомных номеров от 110 до 114. Оганесон несколько близок к этому острову, и его период полураспада больше, чем некоторые предсказанные значения, придает некоторую достоверность концепции. Идея состоит в том, что элементы с таким количеством нуклонов, что они могут быть организованы в полные оболочки внутри атомного ядра, имеют более высокую среднюю энергию связи на нуклон и, следовательно, могут быть более стабильными. Подробнее об этом можно прочитать здесь и здесь .

Надеюсь это поможет!

Действительно, диапазон возможных времен затухания намного, намного шире, чем даже указанный вами диапазон, в чем я недавно убедился сам . Трудно представить себе физическую величину, которая варьируется сильнее!

В широком смысле один из способов представить это таков: радиоактивный распад можно грубо представить как форму квантового туннелирования , когда нуклоны туннелируют из метастабильного связанного с ядром состояния, чтобы уйти в свободное пространство (и в таким образом сделать ядро ​​совершенно нестабильным и разлететься на части). Оказывается, вероятности квантового туннелирования в общем случае имеют экспоненциальную зависимость: например, в простой модели туннелирования время туннелирования составляет

куда$\Delta E$высота энергетического барьера, препятствующего вылету частицы.

Эффективная высота барьера для ядерного туннелирования представляет собой сложную проблему, требующую подробного решения, но дело в том, что если представить, что она различается, скажем, в 1000 раз между стабильным и нестабильным ядром, это становится разницей. во время затухания, что является фактором$e^{\sqrt{1000}}=10^{13}$. Таким образом, эта экспоненциальная зависимость значительно увеличивает диапазон возможных значений по сравнению с диапазоном энергетических барьеров и, независимо от микроскопических деталей, в значительной степени гарантирует, что диапазон времени жизни распада будет широко варьироваться.

Почему атомы вообще распадаются?

По той же причине, по которой камни катятся вниз. Существует общая тенденция для вещей, находящихся на высоком энергетическом уровне, «падать» на более низкий энергетический уровень.

Что касается атомных ядер, наименьшая энергия на нуклон приходится на железо (Fe-56). Энергия может выделяться при делении элементов тяжелее железа и при синтезе элементов легче железа.

С этой точки зрения вопрос не в том, «почему атомы распадаются», а в том, «почему распад не происходит мгновенно?» Это связано с тем, что промежуточные состояния требуют более высокой энергии. Однако квантовые системы с некоторой вероятностью могут «туннелировать» через энергетический барьер: https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_tunnelling#Radioactive_decay

Таким образом, изотопы полония-210 распадаются с большей скоростью, чем изотопы урана-238, потому что энергетический барьер между начальным состоянием и состоянием продукта распада ниже.

При низких температурах слияние вообще не происходит спонтанно, потому что энергетический барьер чрезвычайно высок (хотя, предположительно, спонтанное слияние через квантовое туннелирование может произойти, просто его вероятность крайне мала). В звездах энергетический барьер намного ниже, потому что температура очень высока, а вовлеченные ядра обладают большой кинетической энергией, которая позволяет им преодолевать некоторые отталкивающие их кулоновские силы (основная причина энергетического барьера).