На примере элементарных частиц хорошо иллюстрируется относительность понятия устойчивости по времени. Свободный нейтрон по сравнению с неустойчивыми частицами (время жизни 10^-23÷ 10^-6 сек.) считается устойчивым, а по сравнению со стабильными частицами считается неустойчивым, так как время его жизни ограничено (t = 12 ∙ мин).

Кроме того, нейтрон, сам по себе являясь неустойчивой частицей для явлений с характерным временем, превышающим час, взаимодействуя с протоном или протонами, может образовать устойчивое ядро. То есть образовывает динамически устойчивую совокупность элементарных частиц устойчивого атома с огромным, по сравнению с часом, временем полураспада. То есть наличие относительно неустойчивых частиц в системе не предопределяет неустойчивость всей системы.

Элементарные частицы (или их какие-либо совокупности), каждая сама по себе стремящаяся к устойчивому состоянию и находящаяся в относительно устойчивых состояниях, взаимодействуя между собой (сталкиваясь, притягиваясь и отталкиваясь), при определённых условиях (например, характеризуемых достаточной плотностью) образуют различные системы элементарных частиц. Неустойчивые системы из-за неуравновешенности каких-либо сил распадаются, и их составляющие частицы в конце концов либо образуют устойчивые системы, либо становятся содержимым таковых. Наиболее простыми устойчивыми системами элементарных частиц являются атомы, в которых вокруг устойчивого ядра – совокупности протонов и нейтронов (удерживаемых сильным взаимодействием), – устойчиво удерживается электростатическими силами соответствующее число электронов.

При этом силы притяжения и отталкивания, действующие между частицами, обеспечивают уравновешенное, устойчивое состояние этой системы.

Силы ядерного притяжения между протонами преобладают над электростатическими силами отталкивания только на малых расстояниях (меньше 2,5 ∙ 10^-13 см). Поэтому ядра с большим числом (Z) протонов неустойчивы. Для всех ядер с Z = 82 (свинец) ядро оказывается только относительно устойчивым в земных условиях и претерпевает α-распад с различным периодом полураспада. При Z, равном 92 (уран), период полураспада 4,5 ∙ 10⁹ лет сравним с возрастом Земли, который считается примерно равным 5 млрд лет. При Z, превышающем 92, период полураспада уже настолько мал, что в естественных условиях их уже не находят. Физики сумели получить тяжёлые атомы с Z вплоть до 105, но их создание требует специфических (и дорогих) условий.

Неустойчивыми могут быть и атомные ядра с малым Z. Дело в том, что в атомных ядрах, кроме протонов, большую роль играют и нейтроны. При этом энергия связи нейтрона в ядре настолько уменьшает его массу, что последняя оказывается меньше массы протона в соответствующей ситуации. А масса протона является наименьшей из возможных у нуклонов. Если масса атомного ядра благодаря его энергии связи оказывается меньше массы любой возможной комбинации продуктов распада, то такое ядро будет устойчивым по закону сохранения энергии. В этом причина того, что лишь определённые изотопы оказываются стабильными, а все остальные радиоактивными. К примеру, водород и дейтерий стабильны, а тритий (с ядром, содержащим один протон и два нейтрона, то есть Z = 1, A = 3) не стабилен. Период полураспада трития в стандартных условиях 12 лет, и распадается он с образованием гелия.

Удерживаемые атомным ядром электроны находятся в различных состояниях – на определённых «орбитах»-оболочках. На каждой оболочке может находиться ограниченное число электронов. Сами оболочки-уровни строго определяются атомным ядром и тем обстоятельством, что электрон, как и устойчивая волна, может существовать в ограниченном пространстве только в том случае, когда в этом пространстве укладывается целое количество волн. На каждой оболочке при соответствующем атомном ядре энергия электрона строго определена.

Отдельный атом находится в наиболее устойчивом или, как говорят физики, в основном состоянии, когда электронами заполнены всевозможные (при данном количестве электронов) состоянии с наименьшей энергией.

В определённых условиях – при достаточно сильном воздействии окружающей среды (подводе энергии из окружающей среды) – атом выводится из основного состояния, но быстро возвращается в основное состояние, испустив лишнюю энергию в виде γ-кванта. Энергия γ-кванта, или фотона, при этом соответствует разности уровня энергий покинутого состояния приобретённого.

При очень большом воздействии окружающей среды какой-либо электрон (находившийся в наименее устойчивом состоянии с относительно большим уровнем энергии) может получить энергию, позволяющую ему покинуть атом. Минимальная такая энергия называется ионизационным потенциалом рассматриваемого атома. На фигуре 5 приведены уровни энергий отдельного атома водорода. В газообразном водороде при комнатной температуре практически все атомы находятся в основном состоянии, а электроны находятся на оболочке с уровнем энергии – 13,6 эв. Если этот газ нагреть достаточно сильно, то некоторые атомы, сталкиваясь между собой, уже смогут приобрести кинетическую энергию, превышающую 10,2 эв. Электрон перейдёт с низшего уровня на более высокие. Наличие вакантного места на оболочке первого уровня заставит электрон, испустив соответствующий фотон или фотоны, вернуться в прежнее состояние.

Фиг. 5

При переходе с высокого уровня на первый в атоме водорода излучается ультрафиолетовый свет, при переходе с высокого уровня на второй – излучается фотон видимого спектра.

Если при столкновении кинетическая энергия превысит 13,6 эв., то электрон может получить энергию, позволяющую ему покинуть протон – ядро водорода, то есть 13,6 эв., – ионизационный потенциал электрона.

Как было сказано выше, количество электронов, способных находиться на определённой оболочке, ограничено.

Количество электронов на внешней оболочке атома, находящегося в основном состоянии (и соответствующее количество электронов, недостающих до полной заполненности внешней оболочки) определяет основные химические свойства атомов (валентность, ионизационные потенциалы и т. д.).

Этим обусловлена периодичность свойств атомов, при возрастании атомного номера определяющая таблицу Менделеева. Замыкают каждый период атомы с полностью укомплектованными оболочками – инертные газы.

Чтобы вывести стабильный, отдельный атом из устойчивого состояния, необходимо внешнее достаточно мощное воздействие, имеющее энергию не меньше, чем энергия ионизации этого атома. На фигуре 6 приведён график зависимости энергии ионизации от атомного номера.

Фиг. 6. Ионизационные потенциалы атомов

На графике видно, что с увеличением номера периода средняя энергия ионизации атомов периода уменьшается. То есть с увеличением номера периода устойчивость атомов – необходимая энергия воздействия для ионизации – сравнительно падает. Напомним, что атомное ядро при увеличении Z также становится менее устойчивым. Этими обстоятельствами предопределяется сравнительно большая распространённость «лёгких» атомов как на Земле, так и в исследованной Вселенной.

На фигуре 6 видно, что ионизационный потенциал лития равен 5,4 эв. То есть для того, чтобы наименьше связанный электрон (электрон внешней оболочки) лития покинул систему атома, достаточно энергии в 5,4 эв. Такая энергия вполне достижима при давлении 1 атм. и определённой температуре. Для сравнения напомним, что электрон в атоме водорода возбуждается (переходит с первой оболочки на вторую) при получении энергии в 10,2 эв.