Нуклид (или нуклеид , от ядра , также известного как ядерный вид) — это класс атомов, характеризующихся числом протонов , Z , числом нейтронов , N , и состоянием ядерной энергии . [1]
Слово «нуклид» было придумано американским физиком-ядерщиком Трумэном П. Кохманом в 1947 году. [2] [3] Кохман определил нуклид как «вид атома, характеризующийся строением своего ядра», содержащего определенное количество нейтронов и протонов. Таким образом, изначально термин был сосредоточен на ядре.
Нуклид — это разновидность атома с определенным числом протонов и нейтронов в ядре, например, углерод-13 с 6 протонами и 7 нейтронами. Концепция нуклида (относящаяся к отдельным ядерным видам) подчеркивает ядерные свойства по сравнению с химическими свойствами, в то время как концепция изотопа (группировка всех атомов каждого элемента) подчеркивает химические свойства по сравнению с ядерными. Число нейтронов оказывает большое влияние на ядерные свойства, но его влияние на химические реакции пренебрежимо мало для большинства элементов. Даже в случае самых легких элементов, где отношение числа нейтронов к атомному номеру больше всего варьируется между изотопами, оно обычно оказывает лишь небольшое влияние, но в некоторых обстоятельствах имеет значение. Для водорода, самого легкого элемента, изотопный эффект достаточно велик, чтобы сильно влиять на биологические системы. В случае гелия гелий-4 подчиняется статистике Бозе-Эйнштейна , в то время как гелий-3 подчиняется статистике Ферми-Дирака . Поскольку «изотоп» является более старым термином, он более известен, чем «нуклид» , и до сих пор иногда используется в контекстах, в которых «нуклид» может быть более уместным, например, в ядерных технологиях и ядерной медицине.
Хотя слова нуклид и изотоп часто используются как взаимозаменяемые, быть изотопами на самом деле является лишь одной связью между нуклидами. В следующей таблице перечислены некоторые другие связи.
Набор нуклидов с одинаковым числом протонов ( атомным числом ), т. е. одного и того же химического элемента , но разным числом нейтронов , называется изотопами элемента. Конкретные нуклиды все еще часто свободно называют «изотопами», но термин «нуклид» является правильным в общем случае (т. е. когда Z не фиксировано). Аналогичным образом набор нуклидов с одинаковым массовым числом A , но разным атомным числом , называется изобарами (изобара = равный по весу), а изотоны — это нуклиды с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов. Аналогично, нуклиды с одинаковым избытком нейтронов ( N − Z ) называются изодиаферами. [4] Название изотон e было получено из названия изотоп e , чтобы подчеркнуть, что в первой группе нуклидов постоянным является число нейтронов (n), тогда как во второй — число протонов (p). [5]
Объяснение обозначений, используемых для различных типов нуклидов или изотопов, см. в разделе Обозначение изотопов .
Ядерные изомеры являются членами набора нуклидов с одинаковым числом протонов и одинаковым массовым числом (что делает их по определению одним и тем же изотопом), но разными состояниями возбуждения. Примером являются два состояния одного изотопа99
43Тс
показано среди схем распада . Каждое из этих двух состояний (технеций-99m и технеций-99) квалифицируется как отдельный нуклид, иллюстрируя один из способов, которым нуклиды могут отличаться от изотопов (изотоп может состоять из нескольких различных нуклидов с различными состояниями возбуждения).
Самым долгоживущим неосновным ядерным изомером является нуклид тантал-180m (180м
73Та
), период полураспада которого превышает 1000 триллионов лет. Этот нуклид встречается изначально, и его распад до основного состояния никогда не наблюдался. (В отличие от этого, нуклид основного состояния тантал-180 изначально не встречается, поскольку он распадается с периодом полураспада всего 8 часов до 180 Hf (86%) или 180 W (14%).)
В природе существует 251 нуклид, распад которых никогда не наблюдался. Они встречаются среди 80 различных элементов, имеющих 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 .
Естественные радионуклиды можно условно разделить на три типа. [6] Во-первых, те, период полураспада которых t 1/2 составляет не менее 2% от возраста Земли ( для практических целей их трудно обнаружить, так как период полураспада составляет менее 10% от возраста Земли) (4,6 × 10 9 лет ). Это остатки нуклеосинтеза , который происходил в звездах до образования Солнечной системы . Например, изотоп238
У
(т 1/2 =4,5 × 10 9 лет ) урана все еще довольно распространен в природе, но более короткоживущий изотоп235
У
(т 1/2 =0,7 × 10 9 лет ) встречается в 138 раз реже. Было обнаружено около 34 таких нуклидов ( подробнее см. Список нуклидов и Первичный нуклид ).
Вторая группа радионуклидов, существующих в природе, состоит из радиогенных нуклидов, таких как226
Ра
(т 1/2 =1602 года ), изотоп радия , который образуется в результате радиоактивного распада . Они встречаются в цепочках распада первичных изотопов урана или тория. Некоторые из этих нуклидов очень короткоживущие, например изотопы франция . Существует около 51 таких дочерних нуклидов, период полураспада которых слишком короток, 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. только один атом участвует без входящей частицы), а вместо этого включает естественную ядерную реакцию . Они происходят, когда атомы реагируют с естественными нейтронами (из космических лучей, спонтанного деления или других источников) или бомбардируются непосредственно космическими лучами . Последние, если они не являются первичными, называются космогенными нуклидами . Другие типы естественных ядерных реакций производят нуклиды, которые называются нуклеогенными нуклидами.
Примером нуклидов, полученных в результате ядерных реакций, являются космогенные14
С
( радиоуглерод ), который образуется при бомбардировке других элементов космическими лучами , и нуклеогенный239
Пу
который все еще создается путем нейтронной бомбардировки природных238
У
в результате естественного деления в урановых рудах. Космогенные нуклиды могут быть как стабильными, так и радиоактивными. Если они стабильны, их существование должно быть выведено на фоне стабильных нуклидов, поскольку каждый известный стабильный нуклид изначально присутствовал на Земле.
Помимо встречающихся в природе нуклидов, искусственно получены и охарактеризованы более 3000 радионуклидов с различными периодами полураспада.
Известные нуклиды показаны в Таблице нуклидов . Список первичных нуклидов дан в сортировке по элементам, в Списке элементов по стабильности изотопов . Список нуклидов отсортирован по периоду полураспада, для 905 нуклидов с периодом полураспада более одного часа.
Это сводная таблица [7] для 905 нуклидов с периодами полураспада более одного часа, приведенных в списке нуклидов . Обратите внимание, что цифры не точны и могут немного измениться в будущем, если некоторые «стабильные» нуклиды будут обнаружены как радиоактивные с очень длительными периодами полураспада.
Атомные ядра, отличные от водорода1
1ЧАС
имеют протоны и нейтроны, связанные вместе остаточной сильной силой . Поскольку протоны заряжены положительно, они отталкиваются друг от друга. Нейтроны, которые электрически нейтральны, стабилизируют ядро двумя способами. Их совместное присутствие слегка отталкивает протоны, уменьшая электростатическое отталкивание между протонами, и они оказывают притягивающую ядерную силу друг на друга и на протоны. По этой причине для связывания двух или более протонов в ядро необходим один или несколько нейтронов. По мере увеличения числа протонов увеличивается и соотношение нейтронов к протонам, необходимое для обеспечения стабильности ядра (см. график). Например, хотя соотношение нейтронов и протонов3
2Он
составляет 1:2, соотношение нейтронов и протонов238
92У
больше 3:2. Ряд более легких элементов имеют стабильные нуклиды с соотношением 1:1 ( Z = N ). Нуклид40
20Ca
(кальций-40) является наблюдаемо самым тяжелым стабильным нуклидом с одинаковым числом нейтронов и протонов. Все стабильные нуклиды тяжелее кальция-40 содержат больше нейтронов, чем протонов.
Соотношение протонов и нейтронов — не единственный фактор, влияющий на стабильность ядра. Оно зависит также от четности или нечетности его атомного числа Z , числа нейтронов N и, следовательно, их суммы, массового числа A. Нечетность как Z , так и N имеет тенденцию к снижению энергии ядерной связи , делая нечетные ядра, как правило, менее стабильными. Эта примечательная разница в энергии ядерной связи между соседними ядрами, особенно нечетных изобар A , имеет важные последствия: нестабильные изотопы с неоптимальным числом нейтронов или протонов распадаются путем бета-распада (включая распад позитрона), электронного захвата или более экзотических способов, таких как спонтанное деление и кластерный распад .
Большинство стабильных нуклидов являются четно-протонно-четно-нейтронными, где все числа Z , N и A четные. Нечетно - A стабильные нуклиды делятся (примерно поровну) на нечетно-протонно-четно-нейтронные и четно-протонно-нечетно-нейтронные нуклиды. Нечетно-протонно-нечетно-нейтронные нуклиды (и ядра) являются наименее распространенными.