Нуклиды: характеристика и классификация атомных ядер

Введение

Атомные виды

Нуклид (или нуклид, от ядра, также известный как ядерный вид) — это класс атомов, характеризующийся числом протонов Z, числом нейтронов N и их ядерным энергетическим состоянием. Термин "нуклид" был предложен американским физиком-ядерщиком Трумэном П. Коменом в 1947 году. Комен определил нуклид как "вид атома, характеризующийся составом его ядра", содержащим определенное количество нейтронов и протонов. Таким образом, изначально термин был ориентирован на ядро.

Нуклиды против изотопов

Нуклид – это вид атома с определенным числом протонов и нейтронов в ядре, например, углерод-13 с 6 протонами и 7 нейтронами. Понятие нуклида (касающееся отдельных ядерных видов) акцентирует внимание на ядерных свойствах, а не на химических, в то время как понятие изотопа (объединяющее все атомы каждого элемента) акцентирует внимание на химических свойствах, а не на ядерных. Число нейтронов оказывает значительное влияние на ядерные свойства, но его влияние на химические реакции для большинства элементов пренебрежимо мало. Даже в случае самых легких элементов, где соотношение числа нейтронов к атомному номеру наиболее сильно варьируется между изотопами, это обычно оказывает лишь незначительное влияние, хотя в некоторых случаях это важно. Для водорода, самого легкого элемента, изотопный эффект достаточно выражен, чтобы существенно влиять на биологические системы. В случае гелия, гелий-4 подчиняется статистике Бозе — Эйнштейна, а гелий-3 — статистике Ферми — Дирака. Поскольку термин «изотоп» более старый, он более известен, чем «нуклид», и до сих пор иногда используется в ситуациях, где более уместен термин «нуклид», например, в ядерных технологиях и ядерной медицине.

Истоки естественных радионуклидов

Природные радионуклиды можно удобно разделить на три типа. Во-первых, те, чей период полураспада t1/2 составляет не менее 2% от возраста Земли (для практических целей их трудно обнаружить при периоде полураспада менее 10% от возраста Земли) (4.6). Это остатки нуклеосинтеза, происходившего в звездах до образования Солнечной системы. Например, изотоп урана-238 (t1/2 = 4,5) до сих пор довольно распространен в природе, но более короткоживущий изотоп урана-235 (t1/2 = 0,7) в 138 раз реже. Обнаружено около 34 таких нуклидов (подробности см. в Списке нуклидов и разделе "Первичные нуклиды"). Вторая группа природных радионуклидов состоит из радиогенных нуклидов, таких как радий-226 (t1/2 = 1602), изотоп радия, которые образуются в результате радиоактивного распада. Они встречаются в цепочках распада первичных изотопов урана или тория. Некоторые из этих нуклидов очень недолговечны, например, изотопы франция. Существует около 51 такого рода дочернего нуклида, период полураспада которых слишком мал, чтобы они могли быть первичными, и которые существуют в природе исключительно благодаря распаду более долгоживущих первичных радионуклидов. Третья группа включает нуклиды, которые непрерывно образуются иным способом, нежели простой спонтанный радиоактивный распад (то есть, в процессе участвует только один атом без входящих частиц), а посредством естественной ядерной реакции. Это происходит, когда атомы взаимодействуют с природными нейтронами (от космических лучей, спонтанного деления или других источников) или подвергаются бомбардировке космическими лучами. Последние, если они не являются первичными, называются космогенными нуклидами. Другие типы естественных ядерных реакций производят нуклиды, называемые нуклеогенными нуклидами. Примером нуклидов, образующихся в результате ядерных реакций, являются космогенный углерод-14 (радиоуглерод), который образуется при бомбардировке других элементов космическими лучами, и нуклеогенный плутоний-239, который все еще образуется в результате нейтронной бомбардировки природного урана-238 в процессе естественного деления в урановых рудах. Космогенные нуклиды могут быть как стабильными, так и радиоактивными. Если они стабильны, их существование необходимо устанавливать на фоне стабильных нуклидов, поскольку каждый известный стабильный нуклид изначально присутствует на Земле.

Natural radionuclides may be conveniently subdivided into three types. First, those whose half lives t1/2 are at least 2% as long as the age of the Earth (for practical purposes, these are difficult to detect with half lives less than 10% of the age of the Earth) (4.6). These are remnants of nucleosynthesis that occurred in stars before the formation of the Solar System. For example, the isotope Uranium 238 (t1/2 = 4.5) of uranium is still fairly abundant in nature, but the shorter lived isotope Uranium 235 (t1/2 = 0.7) is 138 times rarer. About 34 of these nuclides have been discovered (see List of nuclides and Primordial nuclide for details). The second group of radionuclides that exist naturally consists of radiogenic nuclides such as Radium 226 (t1/2 = 1602), an isotope of radium, which are formed by radioactive decay. They occur in the decay chains of primordial isotopes of uranium or thorium. Some of these nuclides are very short lived, such as isotopes of francium. There exist about 51 of these daughter nuclides that have half lives too short to be primordial, and which exist in nature solely due to decay from longer lived radioactive primordial nuclides. The third group consists of nuclides that are continuously being made in another fashion that is not simple spontaneous radioactive decay (i. e., only one atom involved with no incoming particle) but instead involves a natural nuclear reaction. These occur when atoms react with natural neutrons (from cosmic rays, spontaneous fission, or other sources), or are bombarded directly with cosmic rays. The latter, if non primordial, are called cosmogenic nuclides. Other types of natural nuclear reactions produce nuclides that are said to be nucleogenic nuclides. An example of nuclides made by nuclear reactions, are cosmogenic Carbon 14 (radiocarbon) that is made by cosmic ray bombardment of other elements, and nucleogenic Plutonium 239 which is still being created by neutron bombardment of natural Uranium 238 as a result of natural fission in uranium ores. Cosmogenic nuclides may be either stable or radioactive. If they are stable, their existence must be deduced against a background of stable nuclides, since every known stable nuclide is present on Earth primordially.

Искусственно произведенные нуклиды

Помимо естественно существующих нуклидов, искусственно получено и изучено более 3000 радионуклидов с различными периодами полураспада. Известные нуклиды представлены в Таблице нуклидов. Список первичных нуклидов приведен, отсортированный по элементам, в разделе Список элементов по стабильности изотопов. Список нуклидов отсортирован по периоду полураспада для 905 нуклидов, период полураспада которых превышает один час.

Сводная таблица для количества каждого класса нуклидов

Это краткая таблица для 905 нуклидов с периодом полураспада более одного часа, представленная в списке нуклидов. Обратите внимание, что значения не являются точными и могут незначительно измениться в будущем, если некоторые "стабильные" нуклиды будут обнаружены радиоактивными с очень длительным периодом полураспада. Класс стабильности Количество нуклидов Накопительный итог Примечания к итогу Теоретически стабильны ко всем видам распада, кроме протонного 90 90 Включает первые 40 элементов. Протонный распад пока не наблюдался. Энергетически нестабильны в одном или нескольких известных каналах распада, но распад пока не зарегистрирован. Спонтанное деление возможно для "стабильных" нуклидов, начиная с ниобия-93; для более тяжелых нуклидов возможны и другие механизмы. Все считаются "стабильными" до момента обнаружения распада. 161 251 Общее количество классически стабильных нуклидов. Радиоактивные первичные нуклиды. 35 286 Общее количество первичных элементов включает висмут, торий и уран, а также все стабильные нуклиды. Радиоактивные (период полураспада > 1 час). Включает большинство полезных радиоактивных индикаторов. 619 905 Углерод-14 (и другие космогенные нуклиды, образующиеся под действием космических лучей); продукты распада радиоактивных первичных нуклидов, такие как франций и другие, а также нуклеогенные нуклиды, образующиеся в результате естественных ядерных реакций, отличных от реакций, вызванных космическими лучами (например, захват нейтронов при спонтанном ядерном делении или испускание нейтронов). Также множество синтетических нуклидов. Радиоактивные синтетические (период полураспада < 1 час). >2400 >3300 Включает все хорошо изученные синтетические нуклиды.

Ядерные свойства и стабильность

Атомные ядра, кроме водорода H 1, содержат протоны и нейтроны, связанные вместе остаточной сильной силой. Поскольку протоны имеют положительный заряд, они отталкиваются друг от друга. Нейтроны, которые электрически нейтральны, стабилизируют ядро двумя способами. Их присутствие немного увеличивает расстояние между протонами, уменьшая электростатическое отталкивание между ними, и они оказывают притягательную ядерную силу друг на друга и на протоны. Поэтому для того, чтобы два или более протона образовали ядро, необходим один или несколько нейтронов. С увеличением числа протонов возрастает и необходимое соотношение нейтронов к протонам для обеспечения стабильности ядра (см. график). Например, хотя нейтронно-протонное отношение у He 3 составляет 1:2, у U 238 оно больше, чем 3:2. У ряда более легких элементов стабильные нуклиды имеют отношение 1:1 (1=Z = N). Нуклид Ca 40 (кальций 40) является самым тяжелым стабильным нуклидом с равным числом нейтронов и протонов. Все стабильные нуклиды, тяжелее кальция 40, содержат больше нейтронов, чем протонов.