最后更新：2021年12月13日

原子核的稳定谷

同位素稳定谷 — 同位素按放射性衰变类型的稳定谷。可以观察到，当Z<20时，所有稳定核都位于N=Z的等分线上。当Z>20时，所有稳定核都位于稳定谷中N=Z线的上方。随着核的增大，它们必须相对于质子掺入越来越多的中子。当Z>83时，尽管质子数的可观测极限估计约为Z=126，但不存在稳定核。不稳定的核会经历一系列放射性衰变，最终汇入谷底流动的稳定物质之河。

同位素的稳定极限

在自然界中，所有物质都集中在比原子小十万倍、但比其所有电子重数千倍的原子核质量能量中。物质中许多原子核是稳定的，其状态会无限期保持不变。当同位素拥有和谐数量的质子和中子时，它就是稳定的。另一方面，许多原子核不稳定，因为它们含有过多的质子或中子，或两者皆多。物理学家已识别出不到300种稳定同位素和近3000种不稳定同位素。原子核不稳定是由于库仑势垒的存在，这导致了质子间的静电斥力与中子-质子间的核吸引力之间的竞争。因此，原子核在增大时必须纳入越来越多的中子。所有物质的原子核都追求节俭的能量稳定。因此，为了回归稳定状态，它们必须通过以质量或辐射形式释放能量（E=mc²）进行转化。这就是我们所说的放射性。

天然放射性现象

这种天然放射性现象在物质中无处不在，既存在于矿物中，也存在于我们的食物中（欧洲共同体已为食物中的放射性设定了限值），甚至存在于我们的身体内（由于碳-14和钾-40的存在）。

同位素

• 当所有已知同位素按其质子数（Z）和中子数（N）绘制在图表上（上图）时，可观察到所有稳定同位素（黑点）聚集在一条线附近。这条线位于一个被称为"稳定谷"的谷底。不稳定核素分布在这条代表稳定物质河流（流淌于谷底）的黑线两侧的谷坡上。核素越不稳定，其在谷中的位置就越高。因此，在这个山谷中，通往稳定的最短路径就是下降到谷底。 • 位于谷左坡（图中蓝色区域）的核素，其中子数相对于质子数过剩，通过一系列β⁻衰变（释放电子和中微子）逐步沿谷坡下降，从而获得稳定。 • 位于谷右坡（橙色区域）的核素，质子数过剩，通过一系列β⁺衰变（释放正电子和中微子）获得稳定。 • 位于蓝色区域外缘谷左小脊（紫色区域）的核素，通过中子发射获得稳定；核素保持相同原子序数（Z），但原子质量减少。 • 位于橙色区域外缘谷右小脊（红色区域）的核素，通过质子发射获得稳定；核素的原子序数（Z）和原子质量均减少。 • 在超重核素一侧，发生裂变。超出稳定同位素线（浅绿色区域）的核素通过分裂为两个较轻核素（同时释放一个或多个中子）获得稳定。 • 高原子质量核素（黄色区域）发生α衰变，常伴随高能光子或伽马射线发射。若坡度过陡，β衰变会与α衰变交替进行。必须经历一系列放射性衰变才能到达谷底。

稳定原子核

• 最后，特别稳定的原子核具有特定数量的核子（2、8、20、28、50、82和126），这些数字对应于原子核的壳层模型（基于泡利不相容原理的量子化能级）。这些所谓的幻数沿着黑色曲线的阶梯标记。质子数和中子数均为幻数，且质子数等于中子数的原子核被称为双幻核，因为它们非常稳定。例如铅-208，由82个质子和126个中子组成，以及钙-48，由20个质子和28个中子组成。• 黑色曲线在中子数（19、21、35、39、45、84、115和123）和质子数（43和61）处的不连续性，对应于不存在具有这些核子数量的稳定原子核的情况。

结论

稳定谷包含约3000个已观测到的原子核，包括稳定的、不稳定的以及极不稳定的。但我们尚不清楚原子核的稳定极限（滴线）。对于质子（最大质子数），通过门捷列夫表已有相对了解。对于中子（最大中子数），稳定极限仅已知前几种元素，从氢到氧-15。例如，对于Z=8，最大中子数为16，因此氧-24是氧元素可能存在的同位素中最重的。稳定谷的完整范围仍未知，且尚未发现的部分似乎极为庞大。

注：原子核由质子和中子组成。同一化学元素的原子具有相同数量的质子，但中子数量可能不同，这些被称为同位素。稳定原子不会发生放射性衰变。

原子核的稳定谷

同位素的稳定极限

天然放射性现象

同位素

稳定原子核

结论

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