2. N-Z диаграмма атомных ядер

     Атомные ядра представляют собой связанные квантовые системы фермионов. Свойства атомных ядер определяются совместным действием сильного, электромагнитного и слабого взаимодействий. В настоящее время обнаружено ~ 3500 атомных ядер, представляющих собой различные сочетания чисел протонов Z и нейтронов N. По существующим оценкам число атомных ядер может составлять ~6500.
    На рис. 6 показана N-Z диаграмма атомных ядер. Черным цветом выделены стабильные ядра. Область расположения стабильных ядер обычно называют долиной стабильности. Для ядер долины стабильности характерно следующее отношение числа нейтронов к числу протонов:

N/Z = 0.98 + 0.015A^2/3,

где A = N + Z – массовое число.
    Справа от долины стабильности располагаются ядра, испытывающие β^--распад,  слева  -  ядра,  испытывающие  β⁺-распад и e-захват. В области больших A находятся ядра, испытывающие α-распад, и спонтанно делящиеся ядра.
    Легкие стабильные ядра (А < 40) имеют приблизительно равные числа нейтронов и протонов. В области более тяжелых ядер отношение числа нейтронов к числу протонов начинает возрастать и в области А ≈ 250 достигает величины 1.6. Это изменение легко понять, если учесть короткодействующий характер ядерных сил и возрастающую роль кулоновского взаимодействия протонов в ядре с ростом А.

Рис. 6. N-Z диаграмма атомных ядер. Черным цветом выделены стабильные ядра – долина стабильности. Справа от нее располагаются ядра, испытывающие β--распад, слева – ядра, испытывающие β+-распад и e-захват. В области больших A находятся ядра, испытывающие α-распад, и спонтанно делящиеся ядра. Линия Bp = 0 (proton drip-line) ограничивает область существования атомных ядер слева, линия Bn = 0 (neutron drip-line) – справа.

    Тяжелые ядра оказываются энергетически более устойчивыми, если содержат большее число нейтронов N по сравнению с числом протонов Z. Наиболее тяжелыми стабильными ядрами являются изотопы свинца (Z = 82) и висмута (Z = 83). С левой стороны от стабильных ядер находятся ядра, перегруженные протонами (протоноизбыточные ядра), справа - ядра, перегруженные нейтронами (нейтроноизбыточные ядра). Ядра, сильно перегруженные нейтронами или протонами, обычно называют экзотическими ядрами.
    Пунктирные линии очерчивают область возможного существования атомных ядер. Линия B_p = 0 (B_p - энергия отделения протона) ограничивает область существования атомных ядер слева (proton drip-line), линия B_n = 0 (B_n - энергия отделения нейтрона) - справа (neutron drip-line). Вне этих границ атомные ядра существовать не могут, так как они распадаются за характерное ядерное время (~ 10^-23c) с испусканием одного или нескольких нуклонов. Если среднее время жизни ядра τ < 10^-23 с, обычно считается, что ядра не существуют. Характерные времена жизни для радиоактивных ядер τ > 10^-20 c. Времена жизни ядер, обусловленные испусканием нуклонов 10^-23 с < τ < 10^-20 c. Ядра, имеющие такие времена жизни, обычно наблюдаются в виде резонансов в сечениях ядерных реакций. Среднее время жизни ядра τ и ширина резонанса Г связаны соотношением

τ = ћ/Г,
τ [c] = 6.6·10^-22/Г [МэВ].

    Рассчитать границы области существования атомных ядер довольно сложно, т.к. точность, с которой оцениваются энергии связи ядерв близи границ составляет несколько сотен кэВ, что недостаточно для того, чтобы определить, будет ли ядро β-радиоактивным или оно будет распадаться с испусканием нуклона. Поэтому точность предсказания границы существования атомных ядер может составлять 4 - 5 единиц по A. В первую очередь это относится к границе нейтронной радиоактивности.
    Область экспериментально обнаруженных атомных ядер практически вплотную приблизилась к левой границе области возможного существования атомных ядер (B_p = 0), граница области экспериментально обнаруженных нейтроно-избыточных ядер (за исключением легких) проходит довольно далеко от области B_n = 0.
    В правом верхнем углу N–Z диаграммы расположена интенсивно исследуемая в настоящее время область сверхтяжелых атомных ядер. Открытие и исследование сверхтяжелых атомных ядер с Z = 109 - 118 показывают, что в этой области ядер существенную роль в повышении их стабильности играют ядерные оболочки. Достаточно хорошее согласие теоретических расчетов с полученными в последнее время экспериментальными данными позволяет прогнозировать существование острова стабильности в районе Z = 110 - 114 и N = 178 - 184. Ядра на острове стабильности должны иметь повышенную устойчивость по отношению к α- и β-распаду, а также – к спонтанному делению. Теоретические оценки показывают, что времена жизни ядер, расположенных в центре острова стабильности могут составлять ~10⁵ лет. Трудность проникновения на остров стабильности связана с тем, что нет комбинации соответствующих ядер, использование которых в качестве мишени и налетающей частицы позволили бы попасть в центр острова стабильности.