در بحث ایزوتوپ های یک عنصر سوالی که معمولاً بین دانش آموزان مطرح می شود این است که چرا فراوانی ایزوتوپ های یک عنصر با هم تفاوت دارند؟ و چه عامل یا عواملی بر فروانی یک ایزوتوپ موثرند؟ مطلب زیر می تواند تا حد زیادی پاسخ این دو سوال را بدهد.

ایزوتوپ پایدار، ایزوتوپی است که هسته آن خود به خود واپاشیده نشود. هسته ناپایدار هسته ای است که خود به خود دچار نوعی تغییر می شود. با استفاده از سه قاعده زیر می توانیم تخمین بزنیم که کدام نوکلئیدها بیشترین پایداری را دارند.

قاعده 1: هر قدر انرژی اتصال به ازای هر نوکلئون بیشتر باشد، هسته پایدارتر است. انرژی اتصال، انرژی لازم برای جدا کردن هسته به پروتون ها و نوترون های مجزا است. هسته اتم اکسیزن (16 = A ، 8 = Z) هشت پروتون، هشت الکترون و هشت نوترون دارد. این اتم را می توانیم به عنوان هشت اتم هیدروژن (پروتیوم) در نظر بگیریم که هر اتم شامل یک پروتون، یک الکترون و هشت نوترون است. جرم هر اتم پروتیوم 1.0078252 u است. جرم هر نوترون 1.0086654 u است. بنابر این جرم کل یک اتم اکسیژن باید، 16.1319232 u باشد. اما جرم واقعی این ایزوتوپ اکسیژن 15.9949150 u  است. تفاوت بین جرم حساب شده و جرم واقعی را نقص جرم می نامند. در مورد اتم اکسیژن نقص جرم .1370082 u است. این جرم به هنگام تشکیل هسته اکسیژن به انرژی تبدیل و آزاد می شود. بنابر این برای جدا کردن نوکلئون ها از یک دیگر نیز همین مقدار انرژی باید به هسته باز گردانده شود. اگر کل انرژی اتصال را در اتم اکسیژن به تعداد کل نوکلئون ها تقسیم کنیم، انرزی اتصال به ازای هر نوکلئون به دست می آید. هر قدر انرژی اتصال به ازای هر نوکلئون بزرگ تر باشد، پایداری هسته بیشتر است. انرژی از دو نوع واکنش با مشارکت هسته آزاد می شود. وقتی یک هسته بزرگ شکافته شده و دو هسته متوسط تشکیل می شود. همچنین وقتی دو هسته کوچک به یک دیگر بپیوندند و یک هسته متوسط تشکیل شود. در هر دو مورد انرژی اتصال به ازای هر نوکلئون در هسته های با اندازه متوسط، بزرگ تر از انرژی های اتصال در هسته های اولیه است.

قاعده 2: هسته هایی با عددهای اتمی کوچک و نسبت نوترون به پروتون 1 : 1 بسیار پایدارند. در مورد عددهای اتمی کوچک، این نسبت یک بوده یا خیلی به یک نزدیک است. (اتم اکسیژن با 8 پروتون و 8 نوترون یا اتم پتاسیم با 19 پروتون و 20 نوترون) اما به تدریج با افزایش عدد اتمی، نسبت نوترون به پروتون به طور ثابت افزوده می شود.

قاعده 3: پایدارترین هسته ها تمایل دارند تعداد پروتون ها و نوترون های آنها زوج باشد. از بین هسته های شناخته شده پایدار، 57.8 درصد تعداد پروتون و تعداد نوترون زوج دارند. 19.8 درصد از هسته های پایدار، تعداد نوترون زوج و پروتون فرد دارند و 20.9 درصد هسته های پایدار تعداد پروتون زوج و نوترون فرد دارند. فقط 1.5 درصد از هسته های پایدار، تعداد نوترون و پروتون هایشان فرد است.

برای تشریح پایداری از روی مقادیر نوترون و پروتون زوج، یک فرض اساسی برای مدل ساختار هسته این است که پروتون ها و نوترون ها در سطوح انرژی نوکلئون قرار دارند، و پایداری بیشتر در نتیجه جفت شدن اسپین های نوکلئون های مشابه است. ( شبیه سطوح انرژی الکترونی و پایداری حاصل از جفت شدن اسپین الکترون ها)

منبع: شیمی عمومی با نگرش کاربردی نوشته اسمیت، اسموت، پرایس ترجمه دکتر علی سیدی، مرتضی خلخالی. جلد سوم

اصول شیمی عمومی نوشته مارتین سیلبربرگ ترجمه دکتر مجید میرمحمد صادقی، دکتر غلامعباس پارسافر، دکتر محمدرضا سعیدی. جلد دوم