В ядерной физике свойства ядра зависят от четности или нечетности его атомного номера (числа протонов) Z , числа нейтронов N и, следовательно, их суммы — массового числа А. Самое главное, что нечетность как Z , так и N имеет тенденцию снижать энергию связи ядра , что делает нечетные ядра в целом менее стабильными. Этот эффект не только наблюдается экспериментально, но включен в полуэмпирическую формулу массы и объясняется некоторыми другими ядерными моделями , такими как модель ядерной оболочки . Эта разница в энергии связи между соседними ядрами, особенно нечетными А- изобарами , имеет важные последствия для бета-распада .
Ядерный спин равен нулю для ядер с четным Z и четным N, целому числу для всех ядер с четным A и нечетному полуцелому числу для всех ядер с нечетным A.
Отношение нейтрон -протонов — не единственный фактор, влияющий на ядерную стабильность. Добавление нейтронов к изотопам может изменить их ядерные спины и формы ядер, вызывая различия в сечениях захвата нейтронов , а также в свойствах гамма-спектроскопии и ядерного магнитного резонанса . Если присутствует слишком много или слишком мало нейтронов по отношению к оптимальной энергии связи ядра , ядро становится нестабильным и подвержено определенным типам ядерного распада . Нестабильные нуклиды с неоптимальным количеством нейтронов или протонов распадаются путем бета-распада (включая распад позитрона), захвата электронов или другими способами, такими как спонтанное деление и кластерный распад .
Нуклиды с четными массами, составляющие 150/251 = ~60% всех стабильных нуклидов, являются бозонами , т. е. имеют целый спин . 145 из 150 представляют собой нуклиды с четными протонами и четными нейтронами (EE), которые обязательно имеют спин 0 из-за спаривания. Остальная часть стабильных бозонных нуклидов представляет собой пять стабильных нуклидов с нечетными протонами и нечетными нейтронами (2
1ЧАС
,6
3Ли
,10
5Б
,14
7Н
и180 м
73Та
), все они имеют ненулевой целочисленный спин.
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 гораздо более стабильны, чем нечетно-нечетные. Одним из эффектов является то, что существует мало 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, поскольку распад происходит один шаг за раз. должен был бы пройти через нечетное-нечетное ядро более высокой энергии. Двойной бета-распад непосредственно от четного-четного к четному-четному, пропуская нечетный-нечетный нуклид, возможен лишь изредка, да и то с периодом полураспада, более чем в миллиард раз превышающим возраст Вселенной . Например, двойной бета-излучатель116
CD
имеет период полураспада2,9 × 10 19 лет. Это приводит к увеличению количества стабильных четно-четных нуклидов: некоторые массовые числа имеют два стабильных нуклида, а некоторые элементы (атомные номера) имеют целых семь .
Например, чрезвычайная стабильность гелия-4 из-за двойной пары двух протонов и двух нейтронов не позволяет любым нуклидам, содержащим пять или восемь нуклонов, существовать достаточно долго, чтобы служить платформами для накопления более тяжелых элементов посредством ядерного синтеза в результате Большого взрыва. нуклеосинтез ; только у звезд для этого достаточно времени (см. процесс тройного альфа ). Это также причина, почему8
4Быть
так быстро распадается на две альфа-частицы , что делает бериллий единственным моноизотопным элементом с четным номером .
Существует 145 стабильных четно-четных нуклидов, что составляет ~ 58% из 251 стабильного нуклида. Также существует 22 первичных долгоживущих четно-четных нуклида. В результате многие из 41 четного элемента от 2 до 82 имеют множество первичных изотопов . Половина этих четных элементов имеет шесть или более стабильных изотопов. Самый легкий стабильный четно-четный изотоп —4
2Он
и самый тяжелый208
82Pb
. Это также самые легкие и самые тяжелые из известных дважды магических нуклидов. [1] 208
82Pb
является конечным продуктом распада232
90че
, [2] первичный радионуклид с четным числом протонов и нейтронов.238
92ты
является еще одним известным первичным радионуклидом с периодом полураспада 4,468 миллиарда лет [3] и производит почти половину всего радиоактивного тепла на Земле. [4]
Все четно-четные нуклиды имеют спин 0 в основном состоянии из-за принципа исключения Паули ( более подробную информацию см. В разделе «Эффекты спаривания »).
Только пять стабильных нуклидов содержат как нечетное число протонов, так и нечетное число нейтронов. Первые четыре «нечетных» нуклида встречаются в нуклидах малой массы, для которых замена протона на нейтрон или наоборот привела бы к очень однобокому соотношению протон-нейтрон (2
1ЧАС
,6
3Ли
,10
5Б
, и14
7Н
; спины 1, 1, 3, 1). Все четыре из этих изотопов имеют одинаковое количество протонов и нейтронов, и все они имеют нечетное число их ядерного спина . Единственный другой наблюдательно «стабильный» нечетно-нечетный нуклид - это180 м
73Та
(спин 9), единственный первичный ядерный изомер , распад которого, несмотря на экспериментальные попытки, еще не наблюдался. [5] Также четыре долгоживущих радиоактивных нечетно-нечетных нуклида (40
19К
– наиболее распространенный радиоизотоп в организме человека, [6] [7] 50
23В
,138
57Ла
,176
71Лу
со спинами 4, 6, 5, 7 соответственно) возникают естественным путем. Как и в случае180 м
73Та
распад высокоспиновых нуклидов путем бета-распада (включая захват электрона ), гамма-распада или внутренней конверсии сильно тормозится, если возможен единственный распад между изобарными нуклидами (или в случае180 м
73Та
между ядерными изомерами одного и того же нуклида) предполагает изменение спина, кратное 1 единице, «предпочтительное» изменение спина, которое связано с быстрым распадом. Это высокоспиновое ингибирование распада является причиной образования пяти тяжелых стабильных или долгоживущих нуклидов с нечетными протонами и нечетными нейтронами, обсуждавшихся выше. В качестве примера этого эффекта, если вычесть эффект вращения, тантал-180, нечетно-нечетный низкоспиновый (теоретический) продукт распада первичного тантала-180m, сам по себе имеет период полураспада всего около одиннадцати часов. [8]
Известно множество нечетных-нечетных радионуклидов (например, тантала-180) со сравнительно коротким периодом полураспада. Почти всегда они распадаются путем положительного или отрицательного бета-распада с образованием стабильных четно-четных изотопов, имеющих спаренные протоны и спаренные нейтроны. В некоторых нечетных-нечетных радионуклидах, где отношение протонов к нейтронам не является ни чрезмерно большим, ни чрезмерно малым (т. е. 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 путем испускания позитронов до 64
28Ни
, или путем электронной эмиссии в64
30Зн
.
Из девяти первичных нечетно-нечетных нуклидов (пять стабильных и четыре радиоактивных с длительным периодом полураспада) только14
7Н
является наиболее распространенным изотопом общего элемента. Это происходит потому, что захват протона14
7Н
является лимитирующей стадией цикла CNO-I . Нуклиды6
3Ли
и10
5Б
представляют собой второстепенные изотопы элементов, которые сами по себе редки по сравнению с другими легкими элементами, в то время как остальные шесть изотопов составляют лишь небольшой процент естественного содержания их элементов. Например,180 м
73Та
Считается самым редким из 251 стабильного нуклида .
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 притяжение друг к другу, если их спины выровнены (с общим вращением не менее 1 единицы), а не противонаправлены. См. простейший случай такого ядерного поведения в дейтерии .
Для данного нечетного массового числа существует ровно один бета-стабильный нуклид . Нет разницы в энергии связи между четно-нечетным и нечетно-четным, сравнимой с разницей между четно-четным и нечетно-нечетным, что оставляет другие нуклиды с тем же массовым числом ( изобарами ) свободными для бета-распада в сторону нуклида с наименьшей массой. Для массовых чисел 147, 151 и 209+ было обнаружено, что бета-стабильная изобара этого массового числа подвергается альфа-распаду . (Теоретически, массовые числа от 143 до 155, от 160 до 162 и 165+ также могут альфа-распад.) Это дает в общей сложности 101 стабильный нуклид с нечетными массовыми числами. Есть еще девять радиоактивных первичных нуклидов (которые по определению имеют относительно длительный период полураспада, более 80 миллионов лет) с нечетными массовыми числами.
Нуклиды с нечетными массовыми числами являются фермионами , то есть имеют полуцелый спин . Вообще говоря, поскольку нуклиды с нечетной массой всегда имеют четное количество нейтронов или протонов, частицы с четными номерами обычно образуют часть «ядра» ядра с нулевым спином. Неспаренный нуклон с нечетным номером (будь то протон или нейтрон) отвечает за ядерный спин, который представляет собой сумму орбитального углового момента и спинового углового момента оставшегося нуклона. В общей сложности 29 из 110 первичных нуклидов нечётной массы имеют спин 1/2, 30 — спин 3/2, 24 — спин 5/2, 17 — спин 7/2 и девять — 9/2. [ нужна цитата ]
Стабильные нуклиды с нечетным массовым числом делятся (примерно поровну) на нуклиды с нечетным протоном и четным нейтроном и с нечетным нейтроном и четными протонами, которые более подробно обсуждаются ниже.
Эти 48 стабильных нуклидов, стабилизированных четным числом парных нейтронов, образуют большую часть стабильных изотопов нечетных элементов; остальные составляют очень немногие нечетно-нечетные нуклиды. Существует 41 нечетный элемент с Z = от 1 до 81, из которых 30 (включая водород, поскольку ноль — четное число ) имеют один стабильный нечетно-четный изотоп, элементы технеций (
43Тс
) и прометий (
61Вечера
) не имеют стабильных изотопов, а девять элементов: хлор (
17кл
), калий (
19К
), медь (
29Cu
), галлий (
31Га
), бром (
35Бр
), серебро (
47Аг
), сурьма (
51Сб
), иридий (
77ИК
) и таллий (
81Тл
), имеют по два нечетно-четных стабильных изотопа. Всего получается 30×1 + 9×2 = 48 стабильных нечетно-четных изотопов. Самый легкий пример нуклида этого типа —1
1ЧАС
(протий), поскольку ноль — четное число, а самый тяжелый пример —205
81Тл
. Существует также пять первичных долгоживущих радиоактивных нечетно-четных изотопов:87
37руб.
, [9] 115
49В
, [10] [11] 187
75Ре
, [12] 151
63Евросоюз
, [13] [14] и 209
83Би
. [15] [16] Лишь недавно было обнаружено, что последние два подвергаются альфа-распаду с периодом полураспада более 10–18 лет .
Эти 53 стабильных нуклида имеют четное количество протонов и нечетное количество нейтронов. По определению, все они являются изотопами четно- Z- элементов, причем их меньшинство по сравнению с четно-четными изотопами, которых примерно в 3 раза больше. Среди 41 элемента с четным Z , имеющим стабильный нуклид, только два элемента (аргон и церий) не имеют четно-нечетных стабильных нуклидов. У одного элемента (олова) их три. Существует 24 элемента, имеющих один четно-нечетный нуклид, и 13 элементов, имеющих два четно-нечетных нуклида. Самый легкий пример нуклида этого типа —3
2Он
и самый тяжелый207
82Pb
.
Из 34 первичных радионуклидов существует три четно-нечетных нуклида (см. таблицу справа), включая делящийся 235
92ты
. Из-за 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, как правило, необычны по распространенности в природе, как правило, потому, что для того, чтобы сформироваться и внести свой вклад в первичное содержание, они должны были избежать захвата нейтронов, чтобы сформировать еще другие стабильные четно-четные изотопы, во время как s-процесс и r-процесс захвата нейтронов при нуклеосинтезе в звездах. По этой причине только195
78Пт
и9
4Быть
являются наиболее распространенными в природе изотопами своего элемента, первые лишь с небольшим отрывом, а вторые только потому, что ожидаемый бериллий-8 имеет более низкую энергию связи , чем две альфа-частицы , и поэтому немедленно альфа-распадает .
Актиниды с нечетным числом нейтронов обычно делятся (с тепловыми нейтронами ), а актиниды с четными числами нейтронов, как правило, нет, хотя они способны делиться быстрыми нейтронами . Только9
4Быть
,14
7Н
, и195
78Пт
имеют нечетное число нейтронов и являются наиболее распространенным в природе изотопом своего элемента.
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)