| Ядерная физика |
|---|
 |
| Ядро · Нуклоны ( p , n ) · Ядерная материя · Ядерная сила · Ядерная структура · Ядерная реакция |
Нуклида (или nucleide , из ядра , также известный как ядерных видов) представляет собой атом характеризуется числом протонов , Z , его числа нейтронов , N , и его ядерной энергетики государства . [1]
Слово « нуклид» было придумано Трумэном П. Кохманом в 1947 году. [2] [3] Кохман определил нуклид как «разновидность атома, характеризующаяся строением его ядра», содержащего определенное количество нейтронов и протонов. Таким образом, термин первоначально был сосредоточен на ядре.
Нуклиды против изотопов [ править ]
Нуклид - это разновидность атома с определенным числом протонов и нейтронов в ядре, например углерод-13 с 6 протонами и 7 нейтронами. Концепция нуклидов (относящаяся к отдельным видам ядер) подчеркивает ядерные свойства над химическими свойствами, в то время как концепция изотопов (группировка всех атомов каждого элемента) подчеркивает химические свойства над ядерными. Число нейтронов имеет большое влияние на ядерные свойства, но его влияние на химические реакциидля большинства элементов пренебрежимо мало. Даже в случае самых легких элементов, где отношение числа нейтронов к атомному числу наиболее сильно различается между изотопами, это обычно имеет лишь небольшой эффект, но в некоторых случаях имеет значение. Для водорода, самого легкого элемента, изотопный эффект достаточно велик, чтобы сильно повлиять на биологические системы. Для гелия He4 подчиняется статистике Бозе – Эйнштейна , а He3 подчиняется статистике Ферми-Дирака . Поскольку изотоп - более старый термин, он более известен, чем нуклид, и до сих пор иногда используется в контекстах, в которых нуклид может быть более подходящим, например, в ядерных технологиях и ядерной медицине.
Типы нуклидов [ править ]
Хотя слова нуклид и изотоп часто используются как синонимы, быть изотопами на самом деле является лишь одной связью между нуклидами. В следующей таблице перечислены некоторые другие отношения.
| Обозначение | Характеристики | Пример | Замечания |
|---|---|---|---|
| Изотопы | одинаковое число протонов ( Z 1 = Z 2 ) | 12 6C, 13 6C, 14 6C | |
| Изотоны | одинаковое количество нейтронов ( N 1 = N 2 ) | 13 6C, 14 7N, 15 8О | |
| Изобары | равное массовое число (Z 1 + N 1 = Z 2 + N 2 ) | 17 7N, 17 8О, 17 9F | увидеть бета-распад |
| Исодиаферы | равный нейтронный избыток (N 1 - Z 1 = N 2 - Z 2 ) | 13 6C, 15 7N, 17 8О | Примеры - изодиаферы с нейтронным избытком 1. Нуклид и продукт его альфа-распада являются изодиаферами. [4] |
| Зеркальные ядра | обмен числа нейтронов и протонов (Z 1 = N 2 и Z 2 = N 1 ) | 3 1ЧАС, 3 2Он | |
| Ядерные изомеры | одинаковое количество протонов и массовое число, но с разными энергетическими состояниями | 99 43Tc, 99м 43Tc | m = метастабильное (долгоживущее возбужденное состояние) |
Набор нуклидов с одинаковым числом протонов ( атомным номером ), т. Е. Одного и того же химического элемента, но с разными числами нейтронов , называется изотопами этого элемента. Конкретные нуклиды по-прежнему часто называют «изотопами», но термин «нуклид» в целом является правильным (то есть, когда Z не фиксировано). Аналогичным образом набор нуклидов с равным массовым числом A , но различным атомным номером , называется изобарами (изобара = равный вес), а изотоны - это нуклиды с одинаковым числом нейтронов, но с различным числом протонов. Аналогично, нуклиды с таким же нейтронным избытком ( N- Z ) называются изодиаферами. [4] Название isoto п е был получен из имени isoto р е подчеркнуть , что в первой группе нуклидов это число нейтронов (N) , который является постоянным, тогда как во втором числа протонов (р). [5]
См. Раздел « Обозначение изотопов» для объяснения обозначений, используемых для различных типов нуклидов или изотопов.
Ядерные изомеры являются членами набора нуклидов с равным числом протонов и равным массовым числом (что делает их по определению одним и тем же изотопом), но с разными состояниями возбуждения. Примером могут служить два состояния одного изотопа99 43Tcпоказаны среди схем распада . Каждое из этих двух состояний (технеций-99m и технеций-99) квалифицируется как отдельный нуклид, что иллюстрирует один способ, которым нуклиды могут отличаться от изотопов (изотоп может состоять из нескольких разных нуклидов с разными состояниями возбуждения).
Самым долгоживущим ядерным изомером в неосновном состоянии является нуклид тантал-180m (180м 73Та), период полураспада которого превышает 1000 триллионов лет. Этот нуклид существует изначально и никогда не наблюдался распада до основного состояния. (Напротив, нуклид тантал-180 в основном состоянии не встречается изначально, поскольку он распадается с периодом полураспада всего 8 часов до 180 Hf (86%) или 180 Вт (14%)).
В природе существует 252 нуклида, распад которых никогда не наблюдался. Они встречаются среди 80 различных элементов, которые имеют один или несколько стабильных изотопов. См. Стабильный нуклид и первичный нуклид . Нестабильные нуклиды радиоактивны и называются радионуклидами . Продукты их распада («дочерние» продукты) называются радиогенными нуклидами . 252 стабильных и около 87 нестабильных (радиоактивных) нуклидов существуют в природе на Земле, в общей сложности около 339 естественных нуклидов на Земле. [6]
Происхождение естественных радионуклидов [ править ]
Природные радионуклиды можно условно разделить на три типа. [7] Во-первых, те, период полураспада которых t 1/2 составляет не менее 2% от возраста Земли (для практических целей их трудно обнаружить с периодом полураспада менее 10% от возраста Земли). Земной шар) (4,6 × 10 9 лет ). Это остатки нуклеосинтеза, который происходил в звездах до образования Солнечной системы . Например, изотоп238
U
(t 1/2 =4,5 × 10 9 лет ) урана все еще довольно распространен в природе, но более короткоживущий изотоп235
U
(t 1/2 =0,7 × 10 9 лет ) в 138 раз реже. Было обнаружено около 34 из этих нуклидов (подробности см. В Списке нуклидов и Первородных нуклидах ).
Вторая группа радионуклидов, которые существуют в природе, состоит из радиогенных нуклидов, таких как226
Ра
(t 1/2 =1602 года ), изотоп радия , образующийся при радиоактивном распаде . Они встречаются в цепочках распада первичных изотопов урана или тория. Некоторые из этих нуклидов очень короткоживущие, например изотопы франция . Существует около 51 из этих дочерних нуклидов, период полураспада которых слишком короткий, чтобы быть первичными, и которые существуют в природе исключительно за счет распада более долгоживущих радиоактивных первичных нуклидов.
Третья группа состоит из нуклидов, которые непрерывно производятся другим способом, который не является простым спонтанным радиоактивным распадом (т.е. задействован только один атом без входящей частицы), а вместо этого включает естественную ядерную реакцию . Это происходит, когда атомы реагируют с естественными нейтронами (от космических лучей, спонтанного деления или других источников) или подвергаются непосредственной бомбардировке космическими лучами . Последние, если они не являются первичными, называются космогенными нуклидами . Другие типы естественных ядерных реакций производят нуклиды, которые считаются нуклеогенными нуклидами.
Пример нуклидов, образованных в результате ядерных реакций, космогенных. 14
C
( радиоуглерод ), который образуется при бомбардировке космическими лучами других элементов, и нуклеогенный239
Пу
который до сих пор создается нейтронной бомбардировкой естественного 238
U
в результате естественного деления урановых руд. Космогенные нуклиды могут быть стабильными или радиоактивными. Если они стабильны, их существование должно быть выведено на фоне стабильных нуклидов, поскольку каждый известный стабильный нуклид присутствует на Земле изначально.
Искусственно произведенные нуклиды [ править ]
Помимо 339 естественных нуклидов, более 3000 радионуклидов с различным периодом полураспада были искусственно произведены и охарактеризованы.
Известные нуклиды приведены в Таблице нуклидов . Список первичных нуклидов дается отсортированным по элементам, в Списке элементов - по стабильности изотопов . Список нуклидов отсортирован по периоду полураспада, для 905 нуклидов с периодом полураспада более одного часа.
Сводная таблица для номеров каждого класса нуклидов [ править ]
Это сводная таблица [8] для 905 нуклидов с периодом полураспада более одного часа, приведенных в списке нуклидов . Обратите внимание, что числа неточные и могут немного измениться в будущем, если некоторые «стабильные» нуклиды будут радиоактивными с очень большим периодом полураспада.
| Класс устойчивости | Количество нуклидов | Общая сумма | Примечания к промежуточной сумме |
|---|---|---|---|
| Теоретически устойчив ко всем, кроме распада протона | 90 | 90 | Включает первые 40 элементов. Распад протона еще предстоит наблюдать. |
| Энергетически нестабилен по отношению к одной или нескольким известным модам распада, но распад еще не наблюдался. Самопроизвольное деление возможно для «стабильных» нуклидов, начиная с ниобия-93 ; другие механизмы возможны для более тяжелых нуклидов. Все считается «стабильным» до обнаружения распада. | 162 | 252 | Всего классически стабильных нуклидов . |
| Радиоактивные первичные нуклиды . | 34 | 286 | Общие первичные элементы включают висмут , торий и уран , а также все стабильные нуклиды. |
| Радиоактивный, не первозданный, но встречающийся в природе на Земле. | ~ 53 | ~ 339 | Углерод-14 (и другие космогенные нуклиды, генерируемые космическими лучами ); дочери радиоактивных примордиалов, таких как франций и т. д., и нуклеогенных нуклидов от естественных ядерных реакций, отличных от реакций от космических лучей (таких как поглощение нейтронов от спонтанного деления ядер или испускание нейтронов ). |
| Радиоактивный синтетический (период полураспада> 1 час). Включает в себя самые полезные радиоактивные индикаторы . | 556 | 905 | |
| Радиоактивный синтетический (период полураспада <1 час). | > 2400 | > 3300 | Включает все хорошо изученные синтетические нуклиды. |
Ядерные свойства и стабильность [ править ]
Черный - стабильный (все первичные)
Красный - первичный радиоактивный
Другой - радиоактивный, с уменьшением стабильности от оранжевого до белого
Атомные ядра кроме водорода 1
1ЧАС
протоны и нейтроны связаны остаточной сильной силой . Поскольку протоны заряжены положительно, они отталкиваются друг от друга. Нейтроны, которые электрически нейтральны, стабилизируют ядро двумя способами. Их совместное присутствие немного раздвигает протоны, уменьшая электростатическое отталкивание между протонами, и они оказывают ядерное притяжение друг на друга и на протоны. По этой причине один или несколько нейтронов необходимы для того, чтобы два или несколько протонов могли быть связаны в ядро. По мере увеличения числа протонов увеличивается и отношение нейтронов к протонам, необходимое для обеспечения стабильного ядра (см. График). Например, хотя в соотношении нейтрон-протон из3 2Он составляет 1: 2, нейтронно-протонное отношение 238
92U
больше 3: 2. Ряд более легких элементов имеет стабильные нуклиды в соотношении 1: 1 ( Z = N ). Нуклид40
20Ca
(кальций-40) по наблюдениям является самым тяжелым стабильным нуклидом с таким же количеством нейтронов и протонов (теоретически самым тяжелым стабильным является сера-32). Все стабильные нуклиды тяжелее кальция-40 содержат больше нейтронов, чем протонов.
Четные и нечетные числа нуклонов [ править ]
| А | Четное | Странный | Общий | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Z , N | EE | OO | EO | OE | |
| Стабильный | 146 | 5 | 53 | 48 | 252 |
| 151 | 101 | ||||
| Долгожитель | 21 год | 4 | 4 | 5 | 34 |
| 25 | 9 | ||||
| Все исконно | 167 | 9 | 57 | 53 | 286 |
| 176 | 110 | ||||
Отношение протон-нейтрон - не единственный фактор, влияющий на ядерную стабильность. Это зависит также от четного или нечетного паритета его атомным номером Z , число нейтронов N и, следовательно, их суммы, массового числа А . Нечеткость Z и N имеет тенденцию к снижению энергии связи ядра , делая нечетные ядра, как правило, менее стабильными. Эта замечательная разница в энергии связи ядер между соседними ядрами, особенно нечетных- A- изобар , имеет важные последствия: нестабильные изотопы с неоптимальным числом нейтронов или протонов распадаются путем бета-распада (включая распад позитронов), захват электроновили более экзотическими способами, такими как спонтанное деление и распад кластера .
Большинство стабильных нуклидов являются четно-протонно-нейтронными, где все числа Z , N и A четные. Стабильные нуклиды с нечетным A делятся (примерно поровну) на нуклиды с нечетным протоном и четным нейтроном и нуклиды с четным протоном и нечетным нейтроном. Нуклиды (и ядра) с нечетными протонами и нейтронами встречаются реже всего.
См. Также [ править ]
- Изотоп (гораздо больше информации о количестве стабильных нуклидов)
- Список элементов по стабильности изотопов
- Список нуклидов (отсортированный по периодам полураспада)
- Таблица нуклидов
- Альфа-нуклид
- Моноизотопный элемент
- Мононуклидный элемент
- Первозданный элемент
- Радионуклид
- Гиперядро
Ссылки [ править ]
- Перейти ↑ IUPAC (1997). «Нуклид» . В AD McNaught; А. Уилкинсон (ред.). Сборник химической терминологии . Научные публикации Блэквелла . DOI : 10.1351 / goldbook.N04257 . ISBN 978-0-632-01765-2.
- ^ Кохман, Трумэн П. (1947). «Предлагаемое новое слово: нуклид ». Американский журнал физики . 15 (4): 356–7. Bibcode : 1947AmJPh..15..356K . DOI : 10.1119 / 1.1990965 .
- ^ Belko, Марк (1 мая 2010). «Некролог: Трумэн П. Кохман / профессор химии, всегда смотрящий на звезды» . Pittsburgh Post-Gazette . Проверено 29 апреля 2018 года .
- ^ a b Шарма, Б.К. (2001). Ядерная и радиационная химия (7-е изд.). Кришна Пракашан СМИ. п. 78. ISBN 978-81-85842-63-9.
- ^ Коэн, ER; Джакомо, П. (1987). «Символы, единицы, номенклатура и фундаментальные константы в физике». Physica . 146 (1): 1–68. Bibcode : 1987PhyA..146 .... 1. . CiteSeerX 10.1.1.1012.880 . DOI : 10.1016 / 0378-4371 (87) 90216-0 .
- ^ [1] (Этот источник дает 339 встречающихся в природе нуклидов, но называет 269 из них стабильными, а не 252, перечисленных в стабильных нуклидах . См. Также список нуклидов для почти стабильных нуклидов. долгоживущие радионуклиды, такие как висмут-209, которые при обнаружении переводят известные первичные нуклиды из категории стабильных нуклидов в радиоактивные.категории первичных нуклидов, но не изменяют общую сумму встречающихся в природе нуклидов. Расширенный список из 339 нуклидов, естественным образом обнаруженных на Земле, будет включать такие нуклиды, как радий и углерод-14, которые обнаруживаются на Земле как продукты цепочек радиоактивного распада и естественных процессов, таких как космическое излучение, но которые не являются первичными радионуклидами. Последние легче подсчитать, и их число 34 по количеству стабильных первичных нуклидов, всего 286 первичных нуклидов.)
- ^ «Типы изотопов: радиоактивные» . САХРА . Проверено 12 ноября +2016 .
- ^ Табличные данные получаются путем подсчета членов списка; ссылки на сами данные списка приведены ниже в разделе ссылок в списке нуклидов .
Внешние ссылки [ править ]
- Периодическая таблица в Curlie
- Livechart - Таблица нуклидов в Международном агентстве по атомной энергии
