 | Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . ( июль 2016 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить это шаблонное сообщение ) |
| Ядерная физика |
|---|
 |
| Ядро · Нуклоны ( p , n ) · Ядерная материя · Ядерная сила · Ядерная структура · Ядерная реакция |
В ядерной физике , свойство ядра зависит от четности или нечетности его атомного номер Z , числа нейтронов N и, следовательно, их суммы, по массовому числу A . Наиболее важно то, что нечеткость как Z, так и N имеет тенденцию понижать энергию связи ядра , делая нечетные ядра, как правило, менее стабильными. Этот эффект не только наблюдается экспериментально, но и включен в полуэмпирическую формулу массы и объясняется некоторыми другими ядерными моделями , такими как модель ядерной оболочки.. Эта разница в энергии связи ядер между соседними ядрами, особенно нечетными- A- изобарами , имеет важные последствия для бета-распада .
Кроме того, ядерный спин является целым числом (в основном 0) для всех четных ядер A и нецелым числом (полуцелым числом) для всех нечетных ядер A.
| Четный | Странный | Общее | |
|---|---|---|---|
| Стабильный | 151 | 101 | 252 |
| Долгожитель | 25 | 9 | 34 |
| Все исконно | 176 | 110 | 286 |
Отношение нейтронов к протонам - не единственный фактор, влияющий на ядерную стабильность. Добавление нейтронов к изотопам может варьировать свои ядерные спины и ядерные формы, в результате чего различия в захвате нейтронов сечений и гамма - спектроскопии и ядерных магнитных резонанс свойствах. Если присутствует слишком много или слишком мало нейтронов по отношению к оптимуму энергии связи ядра, ядро становится нестабильным и подвергается определенным типам ядерного распада . Нестабильные нуклиды с неоптимальным числом нейтронов или протонов распадаются путем бета-распада (включая распад позитрона), захвата электронов или другими способами, такими какспонтанное деление и распад кластера .
Четное массовое число [ править ]
Ядра с четным массовым числом относительно более стабильны. Нуклиды с четным массовым числом, составляющие 151/252 = ~ 60% всех стабильных нуклидов, являются бозонами , т.е. имеют целочисленный спин . 146 из 151 - это нуклиды с четными протонами и четными нейтронами (EE), которые обязательно имеют спин 0 из-за спаривания. Остальные стабильные бозонные нуклиды представляют собой 5 стабильных нуклидов с нечетными протонами и нечетными нейтронами (2 1ЧАС, 6 3Ли, 10 5B, 14 7N а также 180м 73Та), все они имеют ненулевое целочисленное вращение.
Эффекты сопряжения [ править ]
| п, п | EE | OO | EO | OE | Общее |
|---|---|---|---|---|---|
| Стабильный | 146 | 5 | 53 | 48 | 252 |
| Долгожитель | 21 год | 4 | 4 | 5 | 34 |
| Все исконно | 167 | 9 | 57 год | 53 | 286 |
Бета-распад четно-четного ядра дает нечетно-нечетное ядро, и наоборот. Четное число протонов или нейтронов более стабильно (более высокая энергия связи ) из-за эффектов спаривания , поэтому четно-четные ядра намного стабильнее, чем нечетно-нечетные. Один эффект заключается в том, что существует несколько стабильных нечетно-нечетных нуклидов, но другой эффект заключается в предотвращении бета-распада многих четно-четных ядер в другое четно-четное ядро с тем же массовым числом, но с меньшей энергией, потому что распад происходит поэтапно. пришлось бы пройти через нечетно-нечетное ядро с большей энергией. Двойной бета-распад непосредственно от четного-четного к четному-четному с пропуском нечетно-нечетного нуклида возможен только изредка, и даже тогда с периодом полураспада, превышающим в миллиард раз большевозраст Вселенной . Например, двойной бета-излучатель116Компакт диск имеет период полураспада 2,9 × 10 19 лет. Это приводит к большему количеству стабильных четно-четных нуклидов, причем некоторые массовые числа имеют два стабильных нуклида, а некоторые элементы (атомные номера) имеют целых семь .
Например, чрезвычайная стабильность гелия-4 из-за двойного спаривания 2 протонов и 2 нейтронов препятствует тому, чтобы любые нуклиды, содержащие пять или восемь нуклонов, существовали достаточно долго, чтобы они могли служить платформой для накопления более тяжелых элементов посредством ядерного синтеза в Большом взрыве. нуклеосинтез ; только у звезд на это достаточно времени (см. процесс тройной альфы ).
Даже протон, даже нейтрон [ править ]
Существует 146 стабильных четно-четных нуклидов, что составляет ~ 58% из 252 стабильных нуклидов. Есть также 21 первичный долгоживущий четно-четный нуклид. В результате многие из 41 элемента с четными номерами от 2 до 82 имеют много первичных изотопов . Половина из этих четных элементов имеет шесть или более стабильных изотопов.
Все четно-четные нуклиды в основном состоянии имеют спин 0 из-за принципа исключения Паули ( подробнее см. Эффекты спаривания).
Нечетный протон, нечетный нейтрон [ править ]
Только пять стабильных нуклидов содержат нечетное количество протонов и нечетное количество нейтронов. Первые четыре «нечетно-нечетных» нуклида встречаются в нуклидах с малой массой, для которых изменение протона на нейтрон или наоборот привело бы к очень однобокому соотношению протон-нейтрон (2 1ЧАС, 6 3Ли, 10 5B, и 14 7N; спины 1, 1, 3, 1). Единственный другой наблюдаемый "стабильный" нечетно-нечетный нуклид - это180м 73Та(спин 9), единственный первичный ядерный изомер , распад которого еще не наблюдался, несмотря на экспериментальные попытки. [1] Кроме того, четыре долгоживущих радиоактивных нечетно-нечетных нуклида (40 19K, 50 23V,138 57Ла,176 71Лу; спины 4, 6, 5, 7) происходят естественным образом. Как и в случае с180м
73Та
распад высокоспиновых нуклидов в результате бета-распада (включая захват электронов ), гамма-распада или внутренней конверсии значительно подавляется, если возможен единственный распад между изобарными нуклидами (или в случае180м
73Та
между ядерными изомерами одного и того же нуклида) включает много кратное изменение спина на 1 единицу, «предпочтительное» изменение спина, которое связано с быстрым распадом. Это высокоспиновое ингибирование распада является причиной пяти тяжелых стабильных или долгоживущих нуклидов с нечетными протонами и нечетными нейтронами, описанных выше. В качестве примера этого эффекта, когда спиновой эффект вычитается, тантал-180, нечетно-нечетный низкоспиновый (теоретический) продукт распада первичного тантала-180m, сам по себе имеет период полураспада всего около 8 часов.
Известно много нечетных и нечетных радионуклидов (например, тантал-180) со сравнительно короткими периодами полураспада. Почти всегда они распадаются в результате положительного или отрицательного бета-распада с образованием стабильных четно-четных изотопов, которые имеют спаренные протоны и спаренные нейтроны. В некоторых нечетно-нечетных радионуклидах, где отношение протонов к нейтронам не является ни чрезмерно большим, ни чрезмерно малым (т. Е. Падает слишком далеко от отношения максимальной стабильности), этот распад может происходить в любом направлении, превращая протон в нейтрон, или наоборот. Примером является64 29Cu, который может распадаться либо эмиссией позитронов на 64 28Ni, или эмиссией электронов в 64 30Zn.
Из девяти первичных нечетно-нечетных нуклидов (пять стабильных и четыре радиоактивных с длительным периодом полураспада) только 14 7Nявляется наиболее распространенным изотопом общего элемента. Это так, потому что это часть цикла CNO . Нуклиды6 3Ли а также 10 5Bявляются изотопами меньшинства элементов, которые сами по себе редки по сравнению с другими легкими элементами, в то время как другие шесть изотопов составляют лишь крошечный процент от естественного содержания их элементов. Например,180м
73Та
считается самым редким из 252 стабильных нуклидов .
Ни один из первичных (т.е. стабильных или почти стабильных) нечетно-нечетных нуклидов не имеет спина 0 в основном состоянии. Это связано с тем, что одиночный неспаренный нейтрон и неспаренный протон имеют большее ядерное силовое притяжение друг к другу, если их спины выровнены (производя общее вращение не менее 1 единицы), а не анти-выровнены. См. Дейтерий для простейшего случая такого ядерного поведения.
Нечетное массовое число [ править ]
Для данного нечетного массового числа существует несколько бета-стабильных нуклидов , поскольку нет разницы в энергии связи между четно-нечетным и нечетно-четным, сравнимой с таковой между четно-четным и нечетно-нечетным, оставляя другие нуклиды одинаковыми. массовое число ( изобары ) свободных к бета-распаду в сторону самого низкомассового нуклида. Для массовых чисел 5, 147, 151 и 209+ бета-стабильная изобара этого массового числа может альфа-распадом . (Теоретически массовое число от 143 до 155, от 160 до 162 и 165+ также может быть альфа-распадом.) Это дает в общей сложности 101 стабильный нуклид с нечетными массовыми числами. Есть еще 9 радиоактивных первичных нуклидов (которые по определению имеют относительно длительный период полураспада, более 80 миллионов лет) с нечетными массовыми числами.
Нуклиды с нечетным массовым числом являются фермионами , т.е. имеют полуцелый спин . Вообще говоря, поскольку нуклиды с нечетным массовым числом всегда имеют четное число нейтронов или протонов, четные частицы обычно образуют часть «ядра» в ядре со спином нуля. Нуклон с нечетным числом (протоны или нейтроны) затем образуют второе ядро с нуклонами, спаренными, причем большая часть ядерного спина обусловлена орбитальным угловым моментом и спиновым угловым моментом последнего оставшегося нуклона. Всего 29 из 110 первичных нуклидов нечетной массы имеют спин 1/2, 30 - спин 3/2, 24 - спин 5/2, 17 - спин 7/2 и девять - спин 9/2. [ необходима цитата ]
Стабильные нуклиды с нечетным массовым числом делятся (примерно поровну) на нуклиды с нечетным протоном и четным нейтроном и нуклиды с нечетным нейтроном и четным протоном, которые более подробно обсуждаются ниже.
Нечетный протон, четный нейтрон [ править ]
Эти 48 стабильных нуклидов, стабилизированных их четным числом парных нейтронов, образуют большинство стабильных изотопов нечетных элементов; очень немногие странно-нечетные нуклиды составляют остальные. Существует 41 элемент с нечетными номерами с Z = от 1 до 81, из которых 30 (включая водород, поскольку ноль - четное число ) имеют один стабильный нечетно-четный изотоп, элементы технеция (
43 годTc
) и прометий (
61Вечера
) не имеют стабильных изотопов, а девять элементов: хлор (
17Cl
), калий (
19K
), медь (
29Cu
), галлий (
31 годGa
), бром (
35 годBr
), серебро (
47Ag
), сурьма (
51Sb
), иридий (
77Ir
) и таллий (
81 годTl
), имеют по два нечетно-четных стабильных изотопа каждый. Всего получается 30 × 1 + 9 × 2 = 48 стабильных нечетно-четных изотопов. Есть также пять первичных долгоживущих радиоактивных нечетно-четных изотопов,87 37Руб., 115 49В, 187 75Re, 151 63Европа, и 209 83Би. Последние два были обнаружены только недавно, с периодом полураспада более 10 18 лет.
Четный протон, нечетный нейтрон [ править ]
| Разлагаться | Период полураспада | |
|---|---|---|
| 113 48Компакт диск | бета | 7,7 × 10 15 а |
| 147 62См | альфа | 1.06 × 10 11 а |
| 235 92U | альфа | 7,04 × 10 8 а |
Эти 53 стабильных нуклида имеют четное число протонов и нечетное число нейтронов. По определению, все они являются изотопами четных Z- элементов, где их меньшинство по сравнению с четно-четными изотопами, которых примерно в 3 раза больше. Среди 41 элемента с четным Z, которые имеют стабильный нуклид, только два элемента (аргон и церий) не имеют стабильных нуклидов с четным и нечетным числом. У одного элемента (олова) их три. 24 элемента имеют один четно-нечетный нуклид и 13 элементов имеют два нечетно-четных нуклида.
Из 34 первичных радионуклидов существует три четно-нечетных нуклида (см. Таблицу справа), включая делящийся 235 92U. Из-за их нечетного числа нейтронов четно-нечетные нуклиды имеют тенденцию иметь большие сечения захвата нейтронов из-за энергии, возникающей в результате эффектов спаривания нейтронов.
Эти стабильные нуклиды с четными протонами и нечетными нейтронами имеют тенденцию быть необычными по распространенности в природе, как правило, потому что для того, чтобы образоваться и внести вклад в изначальное изобилие, они должны были избежать захвата нейтронов, чтобы сформировать еще другие стабильные четно-четные изотопы в течение обоих s-процесс и r-процесс захвата нейтронов при нуклеосинтезе в звездах. По этой причине только195 78Pt а также 9 4Бытьявляются наиболее естественными изотопами своего элемента, первые лишь с небольшим запасом, а вторые только потому, что ожидаемый бериллий-8 имеет более низкую энергию связи, чем две альфа-частицы, и поэтому немедленно альфа-распад .
Нечетное число нейтронов [ править ]
| N | Четный | Странный |
|---|---|---|
| Стабильный | 195 | 58 |
| Долгожитель | 25 | 8 |
| Все исконно | 220 | 66 |
Актиниды с нечетным числом нейтронов , как правило , делящимися (с тепловыми нейтронами ), а с четным числом нейтронов , как правило , нет, хотя они расщепляющиеся с быстрыми нейтронами . Только195
78Pt
, 9
4Быть
а также 14
7N
имеют нечетное число нейтронов и являются наиболее распространенным изотопом своего элемента.
Ссылки [ править ]
- ^ Халт, Микаэль; Элизабет Вислендер, JS; Мариссенс, Герд; Гаспарро, Жоэль; Ватьен, Уве; Мисиашек, Марцин (2009). «Поиск радиоактивности 180mTa с использованием подземного сэндвич-спектрометра HPGe». Прикладное излучение и изотопы . 67 (5): 918–21. DOI : 10.1016 / j.apradiso.2009.01.057 . PMID 19246206 .
