אותו יסוד, משקל אחר
הגרעין של אטום בנוי משני סוגי חלקיקים: פרוטונים, שנושאים מטען חיובי, ונייטרונים, שאין להם מטען. מספר הפרוטונים קובע איזה יסוד הוא האטום. שישה פרוטונים הם פחמן, תמיד; שבעה היו הופכים אותו לחנקן. הפרוטונים קובעים גם כמה אלקטרונים יש לאטום, והאלקטרונים הם שעושים את כל הכימיה שלו.
מספר הנייטרונים יכול להשתנות. אטומים של אותו יסוד עם מספר שונה של נייטרונים הם האיזוטופים שלו. השם של כל אחד נקבע לפי המספר הכולל של הפרוטונים והנייטרונים שלו, מספר המסה: בפחמן־12 יש 6 פרוטונים ו־6 נייטרונים, בפחמן־13 יש 6 ו־7, ובפחמן־14 יש 6 ו־8. מבחינה כימית הם מתנהגים כמעט באותו אופן, ולכן אטום של פחמן־14 נקשר לסוכר או לעצם בדיוק כמו פחמן־12. מה שמשתנה הוא המסה, ואצל חלקם גם השאלה אם הגרעין מחזיק מעמד.
מה מחזיק את הגרעין
פרוטונים דוחים זה את זה, ובתוך הגרעין הם דחוסים כל כך קרוב שהדחייה עצומה. מה שמחזיק אותם יחד הוא הכוח הגרעיני החזק, משיכה בין כל זוג שכנים של פרוטונים ונייטרונים. היא חזקה בהרבה מהדחייה החשמלית, אבל מגיעה רק למרחק של בערך רוחב של חלקיק אחד. נייטרונים מוסיפים את האחיזה הזאת בלי להוסיף שום דחייה, ולכן הם פועלים כמו דבק.
ובכל זאת, יותר דבק זה לא תמיד יותר טוב. הפרוטונים והנייטרונים ממלאים כל אחד סדרה משלו של רמות אנרגיה בתוך הגרעין, בערך כמו מושבים באולם תיאטרון שמתמלאים מהשורות הקדמיות. דחסו פנימה יותר מדי נייטרונים, והעודפים ייאלצו לשבת במושבים גבוהים ויקרים, בזמן שמושבי פרוטונים נמוכים יותר נשארים ריקים. הכי נוח לגרעין עם תערובת מאוזנת, ועד כמה הוא מתרחק מהאיזון הזה קובע את גורלו.
נסו: גררו את נייטרונים מפחמן־12 למטה עד 3 ולמעלה עד 14. שימו לב איך התווית שמתחת לגרעין מתחלפת מ“יציב” לדעיכת β+ בצד אחד ולדעיכת β− בצד השני, וזמני מחצית החיים מתקצרים מאלפי שנים לאלפיות שנייה ככל שמתרחקים.
מעט מדי, יותר מדי, הרבה יותר מדי
גרעין עם נייטרון אחד יותר מדי יכול לתקן את עצמו: הוא הופך נייטרון לפרוטון. אלקטרון ואנטינייטרינו, חלקיק חמקמק כמעט חסר מסה, עפים החוצה. זוהי דעיכת בטא מינוס, והאטום הופך ליסוד הבא אחריו בטבלה: פחמן־14 הופך לחנקן־14. גרעין עם מעט מדי נייטרונים עושה את ההפך. פרוטון הופך לנייטרון ופולט פוזיטרון, התאום של האלקטרון בעל המטען החיובי (דעיכת בטא פלוס), או לוכד במקום זאת אחד מהאלקטרונים של האטום עצמו. כך פחמן־11 הופך לבור־11.
ככל שהגרעין רחוק יותר מהתערובת המאוזנת, כך הוא יכול לשחרר יותר אנרגיה, וכך הוא דועך מהר יותר. פחמן־14 רחוק ממנה בנייטרון אחד בלבד ומחזיק מעמד אלפי שנים; פחמן־20, רחוק בשבעה נייטרונים, מאבד מחצית מכמותו תוך 16 אלפיות שנייה. התרחקו מספיק, והנייטרון או הפרוטון האחרון כבר לא מוחזק בכלל: פחמן־21 מאבד נייטרון ברגע שהוא נוצר, ואף פחמן כבד מפחמן־22 לא נוצר מעולם. הגבול הזה נקרא קו הטפטוף.
עמק היציבות
שרטטו כל גרעין מוכר על רשת, עם מספר הנייטרונים לאורך הציר התחתון ומספר הפרוטונים לאורך הצד, ותקבלו את טבלת הנוקלידים: כ־3,300 משבצות, ורק כ־250 מהן יציבות. המשבצות היציבות יושבות ברצועה צרה. הגביהו כל משבצת לפי כמות האנרגיה שיש בה לעומת הגרעין היציב ביותר בעל אותו מספר מסה, והרצועה הופכת לקרקעית של עמק עמוק. כל גרעין לא יציב יושב גבוה על אחת מדפנות העמק ודועך במורד, צעד אחר צעד, עד שהוא מגיע לקרקעית.
אצל היסודות הקלים הקרקעית עוברת לאורך מספרים שווים של פרוטונים ונייטרונים. בגרעינים כבדים יותר יש כל כך הרבה פרוטונים שדוחים זה את זה, שהם צריכים נייטרונים נוספים כדי להישאר שלמים, והעמק מתעקל ומתרחק מהאלכסון: בברזל־56 יש 26 פרוטונים ו־30 נייטרונים, ובעופרת־208 יש 82 ו־126. מעבר לעופרת אין שום דבר יציב. הגרעינים הכבדים ביותר משילים במקום זאת גושים שלמים, חלקיקי אלפא של שני פרוטונים ושני נייטרונים, וכך, עם כמה דעיכות בטא בדרך, אורניום הופך לאט לעופרת.
נסו: הזיזו את התרחקות לכל הגרעינים אל גרעינים קלים ועקבו אחרי החרוזים מאיזוטופ הפחמן שלכם במורד, אל קרקעית העמק. אחר כך עברו אל כל הגרעינים ומצאו את העיקול.
איזוטופים בפעולה
לאיזוטופים יש אותה כימיה, אבל לא אותה מסה ואותה יציבות, ולכן הם משמשים נותבים ושעונים מצוינים. יצורים חיים קולטים פחמן־14 מהאוויר, ואחרי מותם כמותו יורדת בחצי כל 5,730 שנה, וכך אפשר לתארך עץ, עצם ובד בני עד כ־50,000 שנה. בבתי חולים מזריקים פולטי בטא פלוס קצרי חיים כמו פלואור־18, ומצלמים את המקומות שבהם הפוזיטרונים שנפלטו פוגשים אלקטרונים. כורים גרעיניים צריכים אורניום־235, שהוא רק 0.7% מהאורניום הטבעי, ולכן מעשירים את האורניום: מפרידים בין האיזוטופים שלו לפי ההבדל הזעיר במסה שלהם. אפילו מים אינם אחידים: בערך אטום מימן אחד מכל 6,400 הוא דאוטריום, שיש נייטרון בגרעין שלו.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
הגרעין מצויר כצביר של כדורים צמודים. גרעין אמיתי הוא ערפל מטושטש של חלקיקים שמתואר בידי מכניקת הקוונטים, והוא קטן בערך פי מאה אלף מהאטום שלו, שהאלקטרונים שלו לא מוצגים. דעיכות קורות ברגעים אקראיים; הסצנה חוזרת על דעיכה מדי פעם כדי להראות את סוגה, לא את קצבה. כששרשרת דעיכה מתפצלת, למשל כשדעיכת בטא משחררת גם נייטרון, מצויר רק המסלול העיקרי.
המידע אילו גרעינים יציבים בא ממדידות, וכך גם זמני מחצית החיים של הפחמן, אבל גובהי המשבצות והקצה החיצוני של הטבלה מעבר לסידן באים ממודל הטיפה, נוסחה פשוטה שמתייחסת לגרעין כמו לטיפה טעונה. הוא מקבל נכון את צורת העמק, ומחמיץ פרטים כמו היציבות הנוספת של גרעינים עם מספרי “קסם” מסוימים של פרוטונים או נייטרונים. ביקוע ספונטני, הדרך שבה חלק מהגרעינים הכבדים ביותר דועכים, לא מוצג.