Отношение нейтрон -протонов ( отношение N/Z или ядерное соотношение ) атомного ядра представляет собой отношение количества нейтронов к числу протонов . Среди стабильных ядер и ядер естественного происхождения это соотношение обычно увеличивается с увеличением атомного номера. [1] Это связано с тем, что электрические силы отталкивания между протонами масштабируются с расстоянием иначе, чем сильные ядерные силы притяжения. В частности, большинство пар протонов в больших ядрах расположены недостаточно далеко друг от друга, так что электрическое отталкивание доминирует над сильным ядерным взаимодействием, и, таким образом, плотность протонов в стабильных ядрах большего размера должна быть ниже, чем в стабильных ядрах меньшего размера, где большее количество пар протонов имеет значительную Привлечение ядерных сил ближнего действия.
Для многих элементов с атомным номером Z, достаточно малым, чтобы занимать только первые три ядерные оболочки , то есть вплоть до кальция ( Z = 20), существует стабильный изотоп с соотношением N / Z , равным единице. Исключением являются бериллий ( N / Z = 1,25) и каждый элемент с нечетным атомным номером от 9 до 19 включительно (хотя в этих случаях N = Z + 1 всегда обеспечивает стабильность). Водород-1 ( отношение N / Z = 0) и гелий-3 ( отношение N / Z = 0,5) являются единственными стабильными изотопами с отношением нейтрон-протонов ниже единицы. Уран-238 имеет самое высокое соотношение N / Z среди всех первичных нуклидов - 1,587, [2] в то время как ртуть-204 имеет самое высокое соотношение N / Z среди всех известных стабильных изотопов - 1,55. Радиоактивный распад обычно протекает так, чтобы изменить соотношение N / Z для повышения стабильности. Если отношение N / Z больше 1, альфа-распад увеличивает отношение N / Z и, следовательно, обеспечивает общий путь к стабильности для распадов с участием больших ядер со слишком малым количеством нейтронов. Эмиссия позитронов и захват электронов также увеличивают это соотношение, тогда как бета-распад уменьшает это соотношение.
Ядерные отходы существуют главным образом потому, что ядерное топливо имеет более стабильное соотношение N / Z , чем продукты его деления .
Для стабильных ядер соотношение нейтрон-протон таково, что энергия связи находится на локальном минимуме или близка к минимуму.
В модели жидкой капли эта энергия связи аппроксимируется эмпирической формулой Бете – Вайцзеккера
Учитывая значение и игнорирование вкладов спаривания спинов нуклонов (т.е. игнорируя этот член), энергия связи представляет собой квадратичное выражение, которое минимизируется, когда отношение нейтрон-протон равно .
