Kararlılık vadisi

Nükleer fizikte, kararlılık vadisi (aynı zamanda kararlılık kuşağı, nükleer vadi, enerji vadisi veya beta kararlılık vadisi olarak da adlandırılır), çekirdeklerin bağlanma enerjilerine dayalı olarak radyoaktiviteye karşı kararlılığının bir karakterizasyonudur. Nüklitler, proton ve nötronlardan oluşur. Vadinin şekli, en kararlı çekirdeklerin bölgesine karşılık gelen vadinin en alt kısmı ile nötron ve proton sayılarının bir fonksiyonu olarak bağlanma enerjisi profilini ifade eder. Stabilite vadisinin ortasındaki stabil çekirdek hattı, beta stabilite çizgisi olarak bilinir. Vadinin kenarları, beta bozunumuna (β⁻ veya β⁺) karşı artan istikrarsızlığa karşılık gelir. Bir çekirdek bozunması, beta kararlılık çizgisinden ne kadar uzaksa, enerjik olarak daha elverişli hale gelir. Vadinin sınırları nükleer damlama hatlarına tekabül eder, burada çekirdekler o kadar dengesiz hale gelir ki tek protonlar veya tek nötronlar yayarlar. Vadi içinde yüksek atom numarasında istikrarsızlık bölgeleri ayrıca alfa radyasyonu veya kendiliğinden fisyon ile radyoaktif bozunmayı da içerir. Vadinin şekli kabaca, nötron ve atom numaralarının bir fonksiyonu olarak çekirdek bağlanma enerjilerine karşılık gelen uzatılmış bir paraboloittir.

Stabilite vadisi içindeki çekirdekler, çekirdeklerin tüm tablosunu kapsar. Bu çekirdeklerin haritası, fizikçi Emilio Segrè'den sonra Segrè haritası olarak bilinir. Segrè haritası nükleer vadinin bir haritası olarak düşünülebilir. Stabilite vadisinin dışındaki proton ve nötron kombinasyonları bölgesi, istikrarsızlık denizi olarak adlandırılır.

1960'ların sonlarında Glenn T. Seaborg tarafından varsayıldığı üzere, bilim adamları uzun süredir kararlılık vadisinin dışında uzun ömürlü ağır izotopları araştırdılar. Bu nispeten kararlı çekirdeklerin "sihirli" atom ve nötron sayılarının belirli konfigürasyonlarına sahip olması ve sözde bir kararlılık adası oluşturması beklenmektedir.

Açıklama

Tüm atom çekirdeği, nükleer kuvvet tarafından birbirine bağlanmış proton ve nötronlardan oluşur. Yeryüzünde doğal olarak meydana gelen, her biri benzersiz bir protona karşılık gelen, atom numarası, Z ve benzersiz sayıda nötron, nötron numarası adı verilen N olarak adlandırılan 286 ilkel çekirdek vardır. Bir nüklidin kütle numarası, A, atom ve nötron sayılarının toplamıdır, A=Z+N. Bununla birlikte, tüm çekirdekler kararlı değildir. Byrne'ye göre, kararlı çekirdekler, yarı ömrü 10¹⁸ yıldan daha uzun olanlar olarak tanımlanır ve kararsız olan çekirdekleri oluşturan birçok proton ve nötron kombinasyonu vardır. Kararsız bir çekirdek için yaygın bir örnek, beta bozunması ile nitrojen-14'e dönüşen ve yarı ömrü yaklaşık 5.730 yıl olan karbon-14'tür.

14
6C
→ 14
7N
+
e−
+
ν
e

Bu bozunma biçiminde, orijinal element nükleer dönüşüm olarak bilinen bir süreçte yeni bir kimyasal element haline gelir ve bir beta parçacığı ve bir elektron antinötrinosu yayılır. Bunun ve tüm çekirdek bozunmalarının temel bir özelliği bozunma ürününün toplam enerjisinin orijinal çekirdekinkinden daha az olmasıdır. Başlangıç ve son çekirdek bağlanma enerjileri arasındaki fark, bozunma ürünlerinin kinetik enerjileri tarafından, genellikle beta parçacığı ve bununla ilişkili nötrinosu tarafından taşınır.

Kararlılık vadisi kavramı, nötron ve proton sayılarının bir fonksiyonu olarak tüm çekirdeklerin bağlanma enerjisine göre düzenlenmesinin bir yoludur. Çoğu kararlı çekirdek kabaca eşit sayıda proton ve nötron içerir, bu nedenle Z = N olan çizgi kararlı çekirdekleri tanımlayan kaba bir başlangıç çizgisi oluşturur. Proton sayısı ne kadar fazlaysa, bir nüklidi stabilize etmek için o kadar çok nötron gerekir, bu nedenle Z için daha büyük değerlere sahip olan çekirdeklerin kararlı olması için daha da fazla sayıda nötron, N> Z gerekir. Kararlılık vadisi, bağlanma enerjisinin negatifi tarafından oluşturulur; bağlanma enerjisi, çekirdeği proton ve nötron bileşenlerine ayırmak için gereken enerjidir. Kararlı çekirdeklerin yüksek bağlanma enerjisi vardır ve bu çekirdekler, kararlılık vadisinin dibinde uzanır. Daha zayıf bağlanma enerjisine sahip nüklitler, stabilite çizgisinin dışında ve kararlılık vadisinin kenarlarının daha yukarısında uzanan N ve Z kombinasyonlarına sahiptir. Kararsız çekirdekler, örneğin nükleer reaktörlerde veya süpernovalarda oluşturulabilir. Bu tür çekirdekler genellikle, sonuçta oluşan nükleitleri kararlılık vadisinin yamaçlarından aşağı doğru sırayla alan bozunma zincirleri adı verilen reaksiyon dizilerinde bozunur. Bozunma dizisi, daha büyük bağlanma enerjilerine doğru nüklitler alır ve zinciri sonlandıran çekirdekler kararlıdır. Kararlılık vadisi, hem sayısız kararlı ve kararsız çekirdeklerin tutarlı bir resim halinde nasıl organize edileceğine dair kavramsal bir yaklaşım hem de radyoaktif bozulma dizilerinin nasıl ve neden meydana geldiğini anlamanın sezgisel bir yolunu sağlar.

Stabilite vadisini gösteren, bağlanma enerjisine göre nüklitlerin (izotoplar) şeması. Köşegen çizgi eşit sayıda nötron ve protona karşılık gelir. Koyu mavi kareler, en büyük bağlanma enerjisine sahip çekirdekleri temsil eder, dolayısıyla en kararlı çekirdeklere karşılık gelirler. Bağlanma enerjisi, kararlılık vadisinin tabanı boyunca en büyüktür.	Yarı ömre göre çekirdekler tablosu. Siyah kareler, en uzun yarı ömre sahip çekirdekleri temsil eder, dolayısıyla en kararlı çekirdeklere karşılık gelirler. En istikrarlı, uzun ömürlü çekirdek kısımlar, istikrar vadisinin tabanı boyunca uzanır. 20'den fazla protona sahip çekirdeklerin kararlı olabilmesi için protonlardan daha fazla nötron içermesi gerekir.	Bozunma türüne göre çekirdeklerin haritası. Siyah kareler kararlı çekirdeklerdir. Aşırı nötron veya proton içeren nükleitler, sırasıyla β− (açık mavi) veya β+ (yeşil) bozunmaya karşı kararsızdır. Yüksek atom numarasında, alfa emisyonu (turuncu) veya kendiliğinden fisyon (koyu mavi) yaygın bozunma modları haline gelir.

Nötronların rolü

Bir atom çekirdeğini oluşturan protonlar ve nötronlar, çekirdek içinde neredeyse aynı şekilde davranır. İzospinin yaklaşık simetrisi, bu parçacıkları aynı, ancak farklı bir kuantum durumunda ele alır. Bununla birlikte, bu simetri yalnızca yaklaşıktır ve nükleonları birbirine bağlayan nükleer kuvvet, nükleon tipine, spin durumuna, elektrik yüküne, momentuma vb. Ve merkezi olmayan kuvvetlerin katkılarına bağlı olarak karmaşık bir işlevdir. Nükleer kuvvet, doğanın temel bir kuvveti değil, nükleonları çevreleyen güçlü kuvvetin artık etkilerinin bir sonucudur. Bu komplikasyonların bir sonucu, döteryumun, bir proton (p) ve bir nötronun (n) bağlı bir durumu sabit olmasına rağmen, diproton veya dineutron gibi egzotik çekirdeklerin bağlı olmamasıdır. Nükleer kuvvet, p-p veya n-n bağlı durumları oluşturmak için yeterince güçlü değildir veya eşdeğer olarak, nükleer kuvvet bu özdeş nükleonları bağlayacak kadar derin bir potansiyel oluşturmaz.

Kararlı çekirdekler yaklaşık olarak eşit sayıda proton ve nötron gerektirir. Kararlı çekirdek karbon-12 (¹²C), örneğin altı nötron ve altı protondan oluşur. Protonların pozitif bir yükü vardır, bu nedenle birçok protonlu bir çekirdek içinde, Coulomb kuvvetinden kaynaklanan protonlar arasında büyük itme kuvvetleri vardır. Protonları birbirinden ayırmak için hareket ederek, bir çekirdek içindeki nötronlar, çekirdeklerin stabilize edilmesinde önemli bir rol oynarlar. Artan atom numarasıyla birlikte, kararlılık elde etmek için daha da fazla sayıda nötron gerekir. En ağır kararlı element olan kurşun (Pb), protonlardan çok daha fazla nötron içerir. Kararlı çekirdek 206Pb, örneğin Z = 82 ve N = 124'e sahiptir. Bu nedenle, 40'tan büyük A için stabilite vadisi Z = N çizgisini takip etmez (Z = 20, kalsiyum elementidir). Nötron sayısı, beta kararlılık çizgisi boyunca atom numarasından daha hızlı bir oranda artar.

Beta kararlılık çizgisi, en kararlı çekirdeklere karşılık gelen belirli bir nötron-proton oranı eğrisini takip eder. Kararlılık vadisinin bir tarafında, bu oran küçüktür ve nükleitlerdeki nötronlara göre fazla protonlara karşılık gelir. Bu nüklitler, β⁺ bozunması veya elektron yakalama konusunda kararsız olma eğilimindedir, çünkü böyle bir bozunma bir protonu bir nötron'a dönüştürür. Bozunma, çekirdeklerin daha kararlı bir nötron-proton oranına doğru hareket etmesine hizmet eder. Kararlılık vadisinin diğer tarafında, bu oran büyüktür ve çekirdeklerdeki protonlara göre fazla nötron sayısına karşılık gelir. Bu tür bozunma nötronları protonlara dönüştürdüğünden, bu nüklitler β⁻ bozunmaya kararsız olma eğilimindedir. Kararlılık vadisinin bu tarafında, β⁻ bozunması ayrıca çekirdeklerin daha kararlı bir nötron-proton oranına doğru hareket etmesine hizmet eder.