Stabiilsed tuumad

Meie maailmas on tooniandvaks püsivad ehk stabiilsed tuumad. Tegelikult on nende puhul tegemist ainult teatud väikse osaga kõik­võimalikest tuumadest, nii ootamatu kui see ka esma­pilgul näib. Vaatame, mida on vaja tuuma stabiilsuseks.

Reegel on lihtne ja selge: stabiilne on tuum siis, kui tema energia on oma­taoliste hulgas minimaalne, nii nagu on stabiilne vertikaal­selt rippuv pendel või lohku vajunud vesi. Mikro­maailmas peab aga arvestama, et energia lubatud väärtused on üks­teisest mingil määral lahutatud, seepärast võib miinimumi lähedal esineda mitu stabiilset seisundit, mille vahel pole üle­mineku­teed.

Tuuma stabiilsuseks peab olema täidetud kolm tingimust. ESITEKS, püsiva tuuma suurus on piiratud. Kui varieerida osakeste arvu A tuumas ja mõõta seejuures ühe osakese seotust tuumas – eri­seose­energiat, siis on see kõige suurem tuumadel, mille suurus on lähedane raua tuuma mõõtmetele (seda maksi­maalset tõmbe­jõudude energiat tuleb vaadata tegelikult kui miinimumi, sest tavaliselt võetakse vaba, tuumaga mitte seotud osakese energia nulliks, osakese vabastamiseks tuumast tuleks talle aga energiat lisada).

Väiksemate tuumade puhul osakeste lisandumisel eriseose­energia kasvab, sest lisandub uusi tugeva jõu sidemeid. On ju kahe osakese vahel 1 side, kolme vahel 3, nelja puhul 6 sidet jne. Hiljem, suurte tuumade puhul aga on lisanduvate sidemete arv piiratud, sest tugev jõud seob ainult lähemaid naaber­osakesi. Jõudsalt kasvab aga elektro­staatiline tõukumine, sest tema mõju ulatus pole nii piiratud. Tulemuseks on, et pole olemas stabiilseid tuumi, kus A > 210. Teame, et uraan (Z = 92) on suurima järje­numbriga looduses esinev element, kuid temalgi pole päris stabiilseid isotoope.

TEISEKS stabiilsuse nõudeks on, et nii prootonite kui ka neutronite energia­tasemed peavad olema täidetud alates madalaimast ehk tuum peab olema energeeti­li­selt põhi­seisundis.

KOLMANDAKS tuleb tõdeda, et tuuma energia on antud osakeste arvu juures minimaalne, kui prootonite ja neutronite energia­tasemed on täidetud võrdses ulatuses. Neutroneid on siis reeglina veidi rohkem, sest prootonite energia­tasemed paiknevad tänu elektro­staatilisele tõukumisele hõredamalt. See efekt on eriti märgatav raskete tuumade juures.