Строение и устойчивость атомных ядер. Изотопы

Основной геохимический закон В.М. Гольдшмидта гласит: кларки элементов зависят от строения атомного ядра, а их миграция – от наружных электронов, определяющих химические свойства элементов.
Ядра химических элементов характеризуются отсутствием четких границ, малыми размерами 10-13 – 10-14 см, значительной массой (практически равной массе атома) и очень высокой плотностью 3600 млн. – 1 млрд. тонн / см3.
Для сравнения: размеры атомов в среднем 10-8 см (1 ангстрем).

Ядро состоит из нуклонов - положительно заряженных протонов (z) и не имеющих заряда нейтронов (n).
Массы протона и нейтрона примерно равны и составляют 1/12 часть атомной массы углерода или 10-24 грамм (1 дальтон).
Количество протонов в ядре элемента совпадает с порядковым номером химического элемента в периодической таблице Менделеева и определяет суммарный положительный заряд ядра.

Если необходимо показать количество нуклонов и массовое число элемента, то следует придерживаться следующих обозначений:
О (кислород) – название (индекс) элемента,
А – массовое число элемента, равное сумме протонов (Z) и нейтронов (N), то есть А = Z + N.
Очевидно:
Z = А – N
N = А – Z

Структура ядра однозначно не расшифрована
Экспериментально установлено, что масса протонов и нейтронов в ядре всегда меньше их общей массы. Такое явление называется дефектом масс и объясняется переходом массы в энергию, которая делает ядро устойчивым. Таким образом: чем больше дефект масс – тем устойчивее ядро.
Между количеством протонов и нейтронов существует определенный баланс при нарушении которого ядро становится неустойчивым. Начиная с элемента № 83 (Bi) даже дополнительные нейтроны не делают ядро устойчивым.

Наиболее устойчивы элементы начала таблицы, у которых соотношение протонов и нейтронов равно единице

Самые устойчивые ядра с четным количеством протонов и нейтронов, самые неустойчивые с нечетными количествами протонов и нейтронов. Нечетность одного из нуклонов ведет к уменьшению количества изотопов в 3 раза.
Массовое число наиболее устойчивых атомных ядер
делится на 4 без остатка. Такие элементы обозначаются 4Q и называются «гелионы».

Ядра у которых количество протонов или нейтронов равно 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 - называются магическими.
Дваждымагические ядра имеют магическое число и протонов и нейтронов.
Общий ряд магических ядер:
24He, 816O, 2040Ca, 2860Ni, 3888Sr, 50120Sn, 56138Ba, 82208Pb
В этом ряду He, O, Ca, Pb дваждымагические, они самые устойчивые и важные из всех элементов.
He – элемент космоса, О и Са распространенные элементы земной коры.

Диаграмма нуклидов: изотопы, изотоны, изобары
в 1918 г. Ф. Содди предположил существование изотопов (от греч.: «то же самое место»). Позже было доказано, что атомный номер элемента соответствует заряду ядра, а изотопы – это атомы или «нуклиды» с одним и тем же атомным номером, но с разными массами.

Классификация нуклидов
1. Стабильные нуклиды.
2. Долгоживущие природные нестабильные нуклиды
3. Короткоживущие природные нестабильные нуклиды.
4. Короткоживущие нестабильные нуклиды не встречающиеся в природе.
Численность нуклидов
1 группа – 273 нуклидов
2 группа + 3 группа – 67 нуклидов
Всего в природе обнаружены 340 нуклидов
4 группа – 1360 нуклидов
Всего известно около 1700 нуклидов всех химических элементов