一、原子核的稳定性

　　研究发现，一个原子核是否稳定，主要取决于中子与质子的比值。具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子，称之为核素。以天然存在的核素数目来统计，稳定的核素约270种，不稳定的具有放射性的核素约62种，共约332种。在以质子数（Z）为横轴，中子数（N）为纵轴的坐标上，天然核素的分布图如下：

http://xuwanmin9096.cn/d/file/fifth/second/2016-07-11/c61b070472ae00e79fb2fa43f4a6101d.jpg原子核壳层结构模型" />

　　坐标图显示，天然核素分布在一条光滑的曲线上。这条曲线的几何特征是，当Z（和N）较小（≤20）的时候，与直线N=Z相重合；而当Z（和N）增大时，曲线逐渐向上偏离直线，N渐渐大于Z。具体地来说，原子核的构成具有以下特点：

　　（1）对于原子序数比较小的元素（Z≤20的核），核内中子数有等于质子数的倾向。当质子数Z等于中子数N时，原子核最稳定，例如：⁴₂He,  ¹⁶₈O,   ²⁰₁₀Ne,  ²⁴₁₂Mg等。

　　（2）当Z＞20时，核内N/Z比值逐渐增大，但当N/Z比值超过1.6时，原子核就不稳定了，而具有放射性。原子序数小于84的每一种元素，⁹⁸₄₃Tc, ¹⁴⁵₆₁Pm除外，都有一个或一个以上稳定的核素。

　　（3）在重核区，随着质子数（Z）增多，原子核逐渐显出不稳定性。在Z=82的铅（Pb）和Z=83的铋（Bi）之后，天然存在的核素都有放射性，有的还会发生裂变，不过它们的半衰期都非常长。[2]

　　表面上看，原子核的稳定性与N/Z比值有关；但实际上，原子核的稳定性是由核力性质决定的，主要与原子核的结构有关。下面就这一问题进行讨论。

　　根据形态场原子和模型，除H、He、Li三种元素以外，所有元素的原子核都为双层圆盘状结构。在单层原子核平面内，核子之间以质量场（M场）作用为主；上下层原子核之间，以电场（Q场）作用为主；因此，核力的性质有两种：质量场作用和电场作用，这两种形式的核力对原子核的稳定性都能产生影响。

　　（一）在单层原子核平面内，核力性质是质量场作用，其本质是：核内中子分解为质子和一个电子，电子以动态形式往来于质子之间；同时，两质子质量场相互作用，产生了核子间的吸引力。核内中子与质子的最佳配比为1:1，这种组合产生的结构力最大，形成的原子核最稳定。因此，在原子序数Z≤20的轻核区，出现了中子数等于质子数的倾向。

http://xuwanmin9096.cn/d/file/fifth/second/2016-07-11/eb54a59612e020fadecf1c01ee840297.jpg原子核壳层结构模型" />

　　当Z＞20时，情况开始发生变化。由于原子核是一个扁平状圆盘，随着原子序数递增，圆盘半径增大，质子的间距也在逐渐增大。而质量场作用与质子间的距离平方成反比，因此，在原子序数增加的过程中，圆盘边缘的核力出现了减弱的趋势。为了弥补核圆盘半径增大带来的核力衰减效应，唯一途径是在外壳层中添加质子和动态电子（中子），即通过增加质子的数量方式来缩短质子间的距离，以此增强核力作用。因此，原子序数Z＞20的原子核，N/Z比值逐渐增大。

　　实验测定，随着原子序数的增加，N/Z比值由1逐渐向1.6靠近，设ƒ₀=1→1.6。当然，N/Z的比值不是越高越好，当ƒ₀超过1.6时，意味着动态电子数量偏大，原子核是不稳定的，也会产生β衰变。

　　（二）在层状原子核之间，核力性质是电场作用。在电场力的作用下，原子核的稳定性主要与核子数的奇偶性有关。

　　实验发现，质子数和中子数均为偶数的原子核（偶偶核），通常比具有奇数的质子数或中子数的核更稳定些。根据核子平均结合能曲线图，⁴₂He、⁸₄Be、¹²₆C 、¹⁶₈O、²⁰₁₀Ne等核的结合能出现极大值，说明这些原子核比较稳定。其特点是：它们的质量数A为4的倍数，并且质子数（Ｚ）与中子数（Ｎ）相等，均为偶数。而⁶₃Li、¹⁰₅B、¹⁴₇N结合能为极小，虽然质子数（Z）与中子数（N）相等，但均为奇数。质子数和中子数均为奇数的稳定同位素只有4种，即²₁H，⁶₃Li, ¹⁰₅B和¹⁴₇N的核是稳定的。

　　为什么会出现这种状况呢？这是因为当一个原子核的质子数和中子数均为偶数时，核子能够在双层原子核之间平均分配，上下层原子核所含的总质子数（含中子数）和动态电子数相等，呈对称分布。两层状原子核的电场强度相等，所产生的结合力均衡，因而，原子核的稳定性较高。反之，当质子数或中子数为奇数时，质子或中子无法在两层状原子核之间平均分配，上下层原子核所含的总质子数或动态电子数不等，所形成的电场强度也是不相等的。在这种情况下，极易诱发平均结合能较弱的一方层状原子核产生β衰变，因而，核子数为奇数的原子核稳定性较差。

　　总之，由N/Z比值决定了原子核平面结构的稳定性，由核子数的奇偶性决定了原子核双层结构的稳定性。这两种因素都与原子核的β衰变有关。

　　除此以外，原子核的稳定性还与核子的数量有关，核子数太大的原子核不稳定。现在自然界中存在的最重的核素是铀 235、铀238和少量的钚244，它们都具有放射性。原子核的这种不稳定性涉及到的是α衰变机制问题，稍后我们将在相关章节予以讨论。