Warum zerfallen Kerne so schnell und langsam?

Kurz gesagt, Atome zerfallen, weil sie instabil und radioaktiv sind.

Ununoctium (oder Oganesson ) hat eine Ordnungszahl von 118. Das bedeutet, dass sich im Kern eines Oganesson-Atoms 118 Protonen befinden, und das schließt die Anzahl der Neutronen im Kern nicht ein. Wir betrachten das stabilste Isotop von Oganesson,$\mathrm{{}^{294}Og}$. Die 294 bedeutet, dass es 294 Nukleonen oder insgesamt 294 Protonen und Neutronen im Kern gibt. Nun ist das größte stabile Isotop eines Elements bekannt$\mathrm{{}^{208}Pb}$oder Blei-208.

Jenseits dieser vielen Nukleonen beginnt die starke Kernkraft Probleme zu haben, all diese Nukleonen zusammenzuhalten. Sehen Sie, normalerweise würden wir den Kern für unmöglich halten, weil die Protonen (die alle eine positive Ladung haben) sich gegenseitig abstoßen würden, weil gleiche Ladungen sich abstoßen. Das ist die elektromagnetische Kraft. Aber Wissenschaftler entdeckten eine andere Kraft, die sogenannte starke Kernkraft. Die starke Kernkraft ist um ein Vielfaches stärker als die elektromagnetische Kraft (es gibt einen Grund, warum sie die starke Kraft genannt wird), aber sie wirkt nur über sehr, sehr kleine Entfernungen. Jenseits dieser Entfernungen beginnt der Kern auseinanderzufallen. Oganesson- und Uranatome sind beide groß genug, dass die starke Kraft sie nicht mehr zusammenhalten kann.

Jetzt wissen wir also, warum die Atome instabil sind und zerfallen (beachten Sie, dass dies weitere Komplikationen mit sich bringt, aber dies ist der allgemeine Überblick darüber, warum). Aber warum der Unterschied in der Abklingzeit? Lassen Sie mich zunächst ein Missverständnis ansprechen. Die Quantenmechanik sagt, dass wir nicht genau wissen, wann ein Atom zerfallen wird, oder ob es überhaupt zerfallen wird, aber für eine Ansammlung von Atomen können wir die Zerfallsgeschwindigkeit in der sogenannten Halbwertszeit eines Elements messen. Es ist die Zeit, die benötigt wird, um den Atomkörper zu halbieren.

Um also auf die Zerfallszeit zurückzukommen, hängt sie (wie Sie vielleicht erwarten) wieder mit der Größe des Kerns zusammen. Im Allgemeinen haben Isotope mit einer Ordnungszahl über 101 eine Halbwertszeit von weniger als einem Tag und$\mathrm{{}^{294}Og}$passt definitiv zu dieser Beschreibung. (Die einzige Ausnahme hier ist Dubnium-268.) Keine Elemente mit Ordnungszahlen über 82 haben stabile Isotope. Die Ordnungszahl von Uran ist 92, also ist es radioaktiv, zerfällt aber aus dem einfachen Grund, dass es kleiner ist, viel langsamer als Oganessson.

Interessanterweise kann es aus noch nicht vollständig verstandenen Gründen eine Art "Insel" mit erhöhter Stabilität um die Ordnungszahlen 110 bis 114 geben. Oganesson ist dieser Insel etwas nahe, und ihre Halbwertszeit ist länger als einige vorhergesagte Werte. verleiht dem Konzept Glaubwürdigkeit. Die Idee ist, dass Elemente mit einer Anzahl von Nukleonen, die sich zu ganzen Schalen innerhalb des Atomkerns anordnen lassen, eine höhere durchschnittliche Bindungsenergie pro Nukleon haben und daher stabiler sein können. Mehr dazu können Sie hier und hier nachlesen .

Hoffe das hilft!

In der Tat ist der Bereich möglicher Abklingzeiten viel, viel größer als der von Ihnen angegebene Bereich, wie ich kürzlich selbst herausgefunden habe . Es ist schwer, sich eine physikalische Größe vorzustellen, die stärker variiert!

Im Großen und Ganzen kann man sich dies wie folgt vorstellen: Radioaktiver Zerfall kann grob als eine Form des Quantentunnelns betrachtet werden, bei dem die Nukleonen aus dem metastabilen nuklearen gebundenen Zustand tunneln, um in den freien Raum (und hinein) zu entkommen dadurch wird der Kern völlig instabil und fliegt auseinander). Es stellt sich heraus, dass Quantentunnelwahrscheinlichkeiten im Allgemeinen eine exponentielle Abhängigkeit haben: In einem einfachen Tunnelmodell ist die Tunnelzeit beispielsweise wie folgt

wo$\Delta E$ist die Höhe der Energiebarriere, die das Teilchen am Entweichen hindert.

Die effektive Höhe der Barriere für den nuklearen Tunnelbau ist ein kompliziertes Problem, das im Detail zu lösen ist, aber der Punkt ist, dass, wenn Sie sich vorstellen, dass sie zwischen einem stabilen und einem instabilen Kern um den Faktor 1000 variiert, dies zu einem Unterschied wird in der Zerfallszeit, die ein Faktor von ist$e^{\sqrt{1000}}=10^{13}$. Diese exponentielle Abhängigkeit vergrößert also den Bereich möglicher Werte relativ zum Bereich der Energiebarrieren erheblich und garantiert unabhängig von den mikroskopischen Details ziemlich genau, dass der Bereich der Zerfallslebensdauer stark variieren wird.

Warum zerfallen Atome überhaupt?

Aus dem gleichen Grund, aus dem Felsen bergab rollen. Es gibt eine allgemeine Tendenz, dass Dinge, die sich auf einem hohen Energieniveau befinden, auf ein niedrigeres Energieniveau „fallen“.

In Bezug auf Atomkerne ist Eisen (Fe-56) die niedrigste Energie pro Nukleon. Energie kann durch Spaltung von Elementen, die schwerer als Eisen sind, und Fusion von Elementen, die leichter als Eisen sind, freigesetzt werden.

Aus dieser Perspektive lautet die Frage nicht "Warum zerfallen Atome", sondern "Warum ist Zerfall nicht augenblicklich?" Dies liegt daran, dass Zwischenzustände eine höhere Energie benötigen. Allerdings können Quantensysteme mit einiger Wahrscheinlichkeit durch eine Energiebarriere „tunneln“: https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_tunnelling#Radioactive_decay

Polonium-210-Isotope zerfallen also schneller als Uran-238-Isotope, da die Energiebarriere zwischen dem Anfangszustand und dem Zustand des Zerfallsprodukts niedriger ist.

Bei niedrigen Temperaturen findet die Fusion überhaupt nicht spontan statt, da die Energiebarriere extrem hoch ist (obwohl vermutlich eine spontane Fusion durch Quantentunneln stattfinden kann, hat sie nur eine extrem geringe Wahrscheinlichkeit). In Sternen ist die Energiebarriere viel niedriger, weil die Temperatur sehr hoch ist und die beteiligten Kerne viel kinetische Energie haben, die es ihnen ermöglicht, einige der Coulomb-Kräfte zu überwinden, die sie abstoßen (die Hauptursache der Energiebarriere).