Изотопы свинца: происхождение, стабильность и применение

Введение

Изотопы свинца

Свинец (82Pb) имеет четыре наблюдательно стабильных изотопа: 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb. Свинец-204 является полностью первичным нуклидом и не является радиогенным. Три изотопа – свинец-206, свинец-207 и свинец-208 – представляют собой конечные продукты трех цепей распада: урановой серии (или радиевой серии), актиниевой серии и ториевой серии, соответственно; четвертая цепь распада, нептуниевая серия, завершается изотопом таллия 205Tl. Три серии, заканчивающиеся свинцом, представляют собой продукты распада долгоживущих первичных 238U, 235U и 232Th. Каждый изотоп также присутствует, в некоторой степени, в виде первичных изотопов, образовавшихся в сверхновых, а не как радиогенные дочерние продукты. Фиксированное соотношение свинца-204 к первичным количествам других изотопов свинца может использоваться в качестве базового уровня для оценки дополнительных количеств радиогенного свинца, присутствующего в породах в результате распада урана и тория. (См. свинец-свинцовое датирование и уран-свинцовое датирование). Самыми долгоживущими радиоизотопами являются 205Pb с периодом полураспада 17,3 миллиона лет и 202Pb с периодом полураспада 52 500 лет. Более короткоживущий природный радиоизотоп 210Pb с периодом полураспада 22,2 года полезен для изучения хронологии осаждения образцов окружающей среды в масштабах времени менее 100 лет. Относительные концентрации четырех стабильных изотопов составляют приблизительно 1,5%, 24%, 22% и 52,5%, что в сумме дает стандартную атомную массу (средневзвешенное значение стабильных изотопов) 207,2(1). Свинец – это элемент с самым тяжелым стабильным изотопом, 208Pb. (Более массивный 209Bi, долгое время считавшийся стабильным, на самом деле имеет период полураспада 2,01 × 1019 лет). 208Pb также является «двойным магическим» изотопом, поскольку содержит 82 протона и 126 нейтронов. Это самый тяжелый известный «двойной магический» нуклид. В настоящее время известно 43 изотопа свинца, включая очень нестабильные синтетические изотопы. Четыре первичных изотопа свинца являются наблюдательно стабильными, что означает, что, как предполагается, они подвергаются радиоактивному распаду, но распад пока не наблюдался. Предполагается, что эти четыре изотопа подвергаются альфа-распаду и превращаются в изотопы ртути, которые сами могут быть радиоактивными или наблюдательно стабильными. В полностью ионизированном состоянии бета-распад изотопа 210Pb не приводит к испусканию свободного электрона; образовавшийся электрон вместо этого захватывается свободными орбиталями атома.

Lead (82Pb) has four observationally stable isotopes: 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb. Lead 204 is entirely a primordial nuclide and is not a radiogenic nuclide. The three isotopes lead 206, lead 207, and lead 208 represent the ends of three decay chains: the uranium series (or radium series), the actinium series, and the thorium series, respectively; a fourth decay chain, the neptunium series, terminates with the thallium isotope 205Tl. The three series terminating in lead represent the decay chain products of long lived primordial 238U, 235U, and 232Th. Each isotope also occurs, to some extent, as primordial isotopes that were made in supernovae, rather than radiogenically as daughter products. The fixed ratio of lead 204 to the primordial amounts of the other lead isotopes may be used as the baseline to estimate the extra amounts of radiogenic lead present in rocks as a result of decay from uranium and thorium. (See lead–lead dating and uranium–lead dating.) The longest lived radioisotopes are 205Pb with a half life of 17.3 million years and 202Pb with a half life of 52,500 years. A shorter lived naturally occurring radioisotope, 210Pb with a half life of 22.2 years, is useful for studying the sedimentation chronology of environmental samples on time scales shorter than 100 years. The relative abundances of the four stable isotopes are approximately 1.5%, 24%, 22%, and 52.5%, combining to give a standard atomic weight (abundance weighted average of the stable isotopes) of 207.2(1). Lead is the element with the heaviest stable isotope, 208Pb. (The more massive 209Bi, long considered to be stable, actually has a half life of 2.01×1019 years.) 208Pb is also a doubly magic isotope, as it has 82 protons and 126 neutrons. It is the heaviest doubly magic nuclide known. A total of 43 lead isotopes are now known, including very unstable synthetic species. The four primordial isotopes of lead are all observationally stable, meaning that they are predicted to undergo radioactive decay but no decay has been observed yet. These four isotopes are predicted to undergo alpha decay and become isotopes of mercury which are themselves radioactive or observationally stable. In its fully ionized state, the beta decay of isotope 210Pb does not release a free electron; the generated electron is instead captured by the atom's empty orbitals.

Свинца-204, -207 и -208

204Pb является полностью первичным и, таким образом, полезен для оценки доли других изотопов свинца в данной пробе, которые также имеют первичное происхождение, поскольку относительные доли различных первичных изотопов свинца постоянны повсюду. Любой избыток свинца 206, 207 и 208, таким образом, считается радиогенным, 208Pb является самым тяжелым известным стабильным нуклидом и также самым тяжелым известным ядром с двойной магичностью, поскольку Z = 82 и N = 126 соответствуют заполненным ядерным оболочкам. Как следствие этой особенно стабильной конфигурации, его сечение захвата нейтронов очень мало (даже меньше, чем у дейтерия в тепловом спектре), что делает его интересным для быстронейтронных реакторов с водяным охлаждением.

Свинцовый-212

Радиофармпрепараты, содержащие 212Pb, изучались в качестве терапевтических средств при экспериментальной терапии рака с использованием альфа-частичной терапии.