首先,这个说法是不准确的,原子序数大于83的元素都是不稳定的这个说法来源于早期,人类对原子核认识还不是很充分,当时发现的元素还非常少,才有这样的说法。现在,我们只能说原子序越大,不稳定的核越多而已。
因为现在发现,序数小于83的元素有很多都具有放射性。比如氢的同位素,原子序数为1,43号元素锝,都具有放射性。甚至以前认为是稳定的83号元素铋,其实也具有放射性,只不过半衰期比较长,辐射略小而已,所以以前才被认为是稳定的。
那么究竟到底原子核为什么会衰变,那些因素决定了原子核是否稳定呢?
我们知道,原子核是由质子和中子组成的。质子带正电,中子不带电。因为同性电荷是会相互排斥的,所以质子之间存在很强的排斥力。所以按理说世界上应该除了氢元素以外,不可能存在任何其他的元素了,这与实际情况不相符。
这是因为,当两个粒子靠的非常近的时候(10-13),会产生一种叫做强相互作用的宇宙基本力。正式强相互作用的存在,才使得宇宙中能形成各种元素。
但是,问题又来了,强相互作用的强度是小于电磁相互作用的。也就是说,强相互作用是不能把两个质子拉到一起的。所以自然界是不存在氦2的(也就是单纯由两个质子组成的氦元素)。
那么怎么办,拉上中子就好了。由于中子不带电,和质子之间没有排斥力,但是却能提供额外的强相互作用。于是质子拉上中子,就能愉快的在一起组成原子核了。
一般来说,质子和中子1:1时,会非常稳定。比如重氢,其实就是一个质子和一个中子组成的原子核,核性质非常稳定。由重氢组成的重水,可以被用来作为核反应堆的减速剂。
但是中子多的时候,也不是什么好事,由于没有足够的强相互作用来束缚,中子会脱离原子核,成为自由中子。而自由中子是非常不稳定的,寿命只有14分42秒,以后就会衰变成质子并放射出β辐射。
所以,一个质子,一个中子的重氢非常稳定,但是一个质子一个中子的超重氢就变的带有放射性了。同样的道理,地球上最常见的氦,2质子2中子,是最稳定的原子核之一,但是氦5就变得有放射性了。
当原子序数变得越来越大的时候,电磁力会变的越来越强,强相互作用就越来越难以束缚住住核子,放射性也就变得越来越常见。通常核内质子和中子的数量大于40,必须中子数多于质子数才能保证稳定。
除了中子数的保证,在原子核内,质子和中子倾向于成对出现,所以一般偶数序号的元素最稳定。
还有,研究发现,当原子核内的核子为2 8 20 28 50 82 126时,原子核相对最稳定。这个叫做幻数,当中子等于质子,并且都为幻数时,原子核最稳定。
所以氦核,由两个质子和两个中子组成,是宇宙中最稳定的原子核之一。当其他不稳定的原子核衰变时,往往会辐射出氦核这种稳定结构,这个就叫α辐射。
之所以会有核幻数,这是因为原子核内的中子和电子分布其实也是像核外电子一样分层的。满足某种层级关系,才能达到最稳定状态。这个就是原子核的壳层模型。
根据这个模型计算,82(铅)之后的幻数是129,并且还必须满足中子数是质子数1.6倍以上的条件。但是目前人类所发现的元素就排到102号。比如理论中预言,但是目前尚未被发现的元素,Ubh,理论上就应该是稳定元素。
中子可以衰变成质子,这一现象的存在,说明中子质子还存在更微小的结构,这个就是夸克。如果想更深入的理解核的变化,就只有学习标准模型,理解夸克之间的相互作用,以及胶子,介子的作用才行。
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