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原子核越大的元素越不稳定,铁元素最稳定,这种说法靠谱吗?

原子核的核子数到达一定程度,越多原子就越不稳定说法是不准确的。只能说到达一定核子数的原子核,会成为核反应的一个分水岭,而不是越小越稳定,越大越不稳定。

一般认为,原子的直径约为10^-10m(米),原子核的直径约10^-15m这样一个数量级。但实际上,原子和原子核的大小都是不一样的。

原子序数越大,原子核中所包含的质子就越多,我们假定质子、中子都是一样大,原子核里的核子越多,当然就会越大了;而核外电子越多,能级层数就越多,这样原子也就越大了。

原子核中的两种力

我们知道,世界上已知的基本力有4种,即引力、电磁力、强力、弱力。这四种力最强的力是强力,其力量是引力的10^38倍,弱力的1万倍,电磁力的100倍。但这四种基本力的作用范围,强力和弱力是最短的,分别只有10^-15m(米)和10^-17m,而引力和电磁力作用距离无限远。

在原子核中,这四种力都存在,其中对核子影响最大的是强力和电磁力两种力。把核子聚集在一起,组成紧密原子核的力是强力,由于强力十分强大,因此要通过外力把原子核分开是非常困难的,需要巨大能量。

但原子核里,起着另外一种作用的是电磁力(又叫库仑力)。电磁力的性质是根据电荷的性质,同性相斥,异性相吸。原子核由质子和中子组成,中子呈中性,质子带正电荷,质子和质子之间的斥力就具有相互分开的趋势。

质子排斥力虽然很大,但核子在10^-15m范围内,主要受到强力支配,被紧紧束缚在一起。这其中,中子也起到了稳定作用。一般当原子序数较小时,质子数量不多,原子核半径小,强力就起到了主导作用。

而库仑力比强力要弱,因此在强力范围内只能俯首称臣。但库仑力从来都是面服心不服,一直在暗暗用力,伺机反弹。这样,两种力在原子核内部就有一种相互制衡的微妙关系,随着原子核的加大,这两种力的影响就会发生变化,此消彼长,最终核子的凝聚力就发生了变化

铁26是两种力的博弈的临界点

随着原子序数的增大,强力的结合能会越来越大,但随着原子半径的增大,质子的排斥力(库仑力)也会越来越大,到达一个阈值,强力的约束力和质子的排斥力达到一个平衡,这个原子就是最稳定的原子了。

但当原子序数越来越大,突破了强力约束范围,这样库仑力就开始起主导作用了,因此原子核的核子分离的趋势就占了上风,这样,原子核里面的核子数越多就越容易分裂了。而铁原子就是原子核物理反应的一个分水岭。

经过长期试验和观测,铁56就是最稳定的原子。铁的原子序数在26号,也就是说核内有26个质子,核外有26个电子。铁元素核内还有30个中子,因此其原子量为56,分子量为55.845。研究证明,铁是最稳定的元素,具有最大的“惰性”。

何谓最大“惰性”?就是软硬不吃。其他元素或核聚变或核裂变,都会产生能量,只有到了铁元素,不管是核聚变还是核裂变,都只会贪婪地吸收能量,不会释放一点能量。

因此铁原子就成为原子核物理反应的一个分水岭,以铁为界,铁以下原子可以进行核聚变反应,而铁以上元素可以进行核裂变反应。这也是所有恒星,不管质量多大,内部核聚变反应都会到铁结束的原因。

因为恒星发光发热主要是靠热核反应输出的能量来维系,而铁不输出能量,还要吃掉能量,恒星演化后期,自顾不暇,哪有多余的能量来侍候这个铁疙瘩呢?因此大质量恒星到演化末期,核心都是一个铁疙瘩。

那么宇宙中为啥还有比铁重的元素出现呢?

既然所有恒星的热核反应就是到铁结束,那比铁重的元素,如金银铜铀等等,又是从哪里来的呢?

这其实也是铁疙瘩惹的祸。恒星演化到后期,核心铁疙瘩软硬不吃,核聚变就停止了,没有了巨大的核聚变辐射压抵御恒星巨大质量形成的向内收缩压,恒星外围物质就会急剧塌陷,那个速度最快可达四分之一甚至一半光速。

这种冲向恒星核心铁疙瘩的冲击力是惊人的,这个铁疙瘩用“铁头功”硬顶,冲击铁核的恒星物质就发生剧烈反弹,用差不多速度与冲下来的物质对抗,巨大的能量碰撞导致恒星内部热核失控,超新星大爆发就不可避免的发生了。

超新星爆发的能量,温度可达千亿度甚至万亿度,压力极高,任何物质也会被熔融聚合,这样就形成了我们现在已知的118种元素。形成这些重元素的条件还有一些大质量极端天体的碰撞,如中子星相撞等。

在元素周期表中,118种元素,最轻的是氢,为1号元素,核中只有1个质子;最重的是Og((中文读ào,汉字是一个“气”字头,下面一个“奥”字,现在的电脑还无法打出来,因此许多地方常用“气奥”表示),核内有118个质子和179个中子。

原子的稳定与中子数密切相关。

以铁元素为界,只是核裂变和核聚变的分水岭,并不是原子稳定不稳定的分水岭。当然,原子序数达到一定程度后,原子序数越高,元素稳定性就越差,也有一定道理。比如92号以上的元素,人们就很难从自然界得到,只有通过人工制造才能够取得,而且有的元素寿命极短。

元素周期表中人造元素有26个,从93号元素镎(Np)开始,到118号元素Og。虽然序数越高的元素越容易裂变,但制造这些元素的方法主要还是采取做加法,就是用核聚变的方法。科学家们在加速器里或对撞机里,将一个较小原子核用巨大能量加速到接近光速,轰击另一个相对较小的原子核,这样就让两个原子核融合到一起,从而得到一个更大的原子核。

如最重的元素Og,就是俄罗斯科学家在U400回旋加速器里,将钙-40离子加速,轰击人造元素锎-249,制造出了3个包含118个质子和179个中子的Og原子。这种元素在自然界只能存在0.9毫秒,也就是万分之九秒,就会迅速衰变为116号元素,然后又会继续衰变成114号元素、112号元素,最终分裂成两个较小其他原子而稳定存在。

但元素的稳定不稳定与核中的中子数有着更密切关系。当中子数与质子数比例达到一定值时,元素就会变得极不稳定,而不管这个原子序数是大还是小。所谓放射性元素就是这种元素,它们会从原子核中不断释放粒子和射线,衰变成另一种元素。

最小序号的氢元素,其同位素7H,原子核中只有1个质子,但却有6个中子,由此极不稳定,其半衰期只有2.3*10^-23s(秒),也就是一千万亿亿分之2.3秒。

这就是原子核稳定不稳定的原因。谢谢阅读,欢迎讨论。

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