最終更新日: 2021 年 12 月 13 日

原子核の安定性の谷

画像の説明: 放射性崩壊の種類別の同位体安定性の谷。
Z<20 の場合、すべての安定核が二等分線 N=Z 上に位置していることがわかります。
Z>20 の場合、すべての安定核は安定谷の線 N=Z より上に位置します。原子核は成長するにつれて、陽子に比べてより多くの中性子を統合しなければなりません。
Z>83 の場合、およそ Z=126 と推定される陽子数の観察可能な限界にもかかわらず、これ以上安定した原子核は存在しません。
不安定な核は放射性崩壊のカスケードを経て、最終的には谷の底を流れる安定した物質の川に流れ込みます。

同位体安定性の限界

自然界では、すべての物質は、原子よりも 10 万倍小さいが、すべての電子よりも数千倍重い原子核の質量エネルギーに集中しています。
物質では、多くの原子核は安定しており、その状態は永久に同じままです。同位体は、陽子と中性子の数が調和しているときに安定します。一方で、多くの原子核は陽子や中性子、あるいはその両方が多すぎるために不安定になっています。物理学者は、300 個弱の安定同位体と 3,000 近くの不安定同位体を特定しました。原子核が不安定である場合、それは陽子間の静電反発力と中性子と陽子間の核引力との間の競合を確立するクーロン障壁のためです。このため、原子核は成長するにつれてより多くの中性子を統合しなければなりません。
物質のすべての核は、エネルギー的安定性を節約することを求めています。したがって、安定した状態に戻るには、質量または放射線 (E=mc2) の形でエネルギーを放出して変形する必要があります。これを放射能といいます。

自然の放射能現象

この自然放射能の現象は、鉱物や食品（欧州共同体は食品中の放射能の線量を超えないよう設定しています）、さらには私たちの体内（炭素 14 とカリウム 40 の存在による）など、物質のあらゆる場所で働いています。

同位体

• すべての既知の同位体を陽子の数 (Z) と中性子の数 (N) でグラフ (上の画像) に表すと、すべての安定同位体 (黒い点) が線の周りにグループ化されていることがわかります。この線は「安定の谷」と呼ばれる谷の底にあります。
不安定なコアは、谷の底に流れる安定した物質の川を表すこの黒い線の両側の谷の側面に分布しています。コアが不安定であればあるほど、谷のより高い位置にあります。したがって、この谷では、安定に到達するための最短の方法は、谷の底に降りることです。
• 谷の左側にある核種（画像の青色）は、陽子の数に比べて中性子が過剰で、電子とニュートリノの放出を伴うβ崩壊のカスケードを通じて安定性を取り戻し、谷の斜面を徐々に下ることができます。
• 谷の右側 (オレンジ色) の核種は陽子が余っており、陽電子とニュートリノの放出による β+ 崩壊のカスケードを通じて安定性を取り戻します。
• 青いゾーンの周辺限界にある谷の小さな左側の頂上 (紫色) にある核種は、中性子の放出によって安定性を取り戻し、原子核は同じ原子番号 (Z) を維持しますが、原子質量は減少します。
• オレンジ色のゾーンの周辺限界にある谷の右側の小さな頂上 (赤色) に位置する核種は、陽子の放出によって安定性を取り戻し、原子核の原子番号 (Z) と原子質量が減少します。
• 非常に重い原子核の側では、核分裂が発生します。安定同位体の線 (薄緑色) を越えた核種は、1 つ以上の中性子の放出により原子核が 2 つのより軽い原子核に分裂することによって安定性を取り戻します。
• 高原子量（黄色）の核種はα崩壊を起こし、多くの場合、高エネルギー光子またはガンマ線の放出を伴います。傾きが高すぎる場合、β 減衰が α 減衰の間に挟まれます。谷の底に到達するには、一連の放射性崩壊が必要です。

安定した核

• 最後に、特に安定した原子核は、原子核の層状モデル (パウリの排他原理に基づく定量化されたエネルギー準位) に対応する特定の数の核子 (2、8、20、28、50、82、126 個) を持ちます。これらのいわゆるマジックナンバーは、黒い曲線のステップに沿って配置されています。陽子と中性子の魔法の数と、中性子の数に等しい陽子の数の両方を持つ原子核は、非常に安定しているため、二重に魔法であると言われます。
これは、陽子 82 個と中性子 126 個で構成される鉛 208 と、陽子 20 個と中性子 28 個で構成されるカルシウム 48 の場合に当てはまります。
• 中性子 (19、21、35、39、45、84、115 および 123) および陽子 (43 および 61) における黒い曲線の不連続性は、これらの量の核子を含む安定な原子核が存在しない場合に対応します。

結論

安定性の谷には、安定、不安定、非常に不安定な核種を含む約 3000 個の観測核種が含まれています。しかし、核種の安定限界（ドリップライン）はわかりません。陽子（陽子の最大数）については、メンデレーエフの表から比較的よく知られています。中性子の場合（中性子の最大数）の安定限界は、水素から酸素 15 までの最初の数元素についてのみ知られています。たとえば、Z=8 の場合、中性子の最大数は 16 で、考えられる最も重い酸素同位体は酸素 24 になります。安定の谷の全容は依然として不明であり、未発見のことは膨大であるようだ。

注: 原子核は陽子と中性子で構成されています。同じ化学元素の原子は同じ数の陽子を持ちますが、異なる数の中性子を持つことができ、これらは同位体です。安定した原子は放射性崩壊を起こしません。

原子核の安定性の谷

同位体安定性の限界

自然の放射能現象

同位体

安定した核

結論

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