Мононуклидный элемент или монотопный элемент [1] — один из 21 химического элемента , который встречается в природе на Земле в основном в виде одного нуклида (который может быть, а может и не быть, стабильным нуклидом ). Этот один нуклид будет иметь характерную атомную массу . Таким образом, в естественном изотопном составе элемента доминирует один изотоп , который является либо стабильным, либо очень долгоживущим. В первой категории находится 19 элементов (которые являются как моноизотопными, так и мононуклидными), и 2 ( висмут [a] и протактиний ) во второй категории (мононуклидные, но не моноизотопные, поскольку у них нет ни одного, а есть ноль стабильных нуклидов). Список из 21 мононуклидных элементов приведен в конце этой статьи.
Из 26 моноизотопных элементов , которые по определению имеют только один стабильный изотоп, семь не считаются мононуклидными из-за наличия значительной доли очень долгоживущего ( первичного ) радиоизотопа. Этими элементами являются ванадий , рубидий , индий , лантан , европий , лютеций и рений .
Многие единицы измерения исторически определялись или до сих пор определяются на основе свойств конкретных веществ, которые во многих случаях встречаются в природе в виде смесей нескольких изотопов, например:
Поскольку образцы, взятые из разных природных источников, могут иметь слегка различающиеся изотопные соотношения, соответствующие свойства могут различаться между образцами. Если определение просто относится к веществу, не обращаясь к изотопному составу, это может привести к некоторому уровню двусмысленности в определении и вариации в практических реализациях единицы разными лабораториями, как это наблюдалось с кельвином до 2007 года. [9] Если определение относится только к одному изотопу (как это делает дальтон) или к определенному изотопному соотношению, например, Венский стандарт средней океанской воды , это устраняет источник двусмысленности и вариации, но добавляет уровни технической сложности (подготовка образцов с желаемым изотопным соотношением) и неопределенности (относительно того, насколько фактический эталонный образец отличается от номинального соотношения). Использование мононуклидных элементов в качестве эталонного материала обходит эти проблемы, и, в частности, единственным веществом, упомянутым в последней итерации СИ, является цезий, мононуклидный элемент.
Мононуклидные элементы также имеют научное значение, поскольку их атомные веса могут быть измерены с высокой точностью, поскольку существует минимальная неопределенность, связанная с изотопным содержанием, присутствующим в данном образце. Другими словами, для этих элементов стандартный атомный вес и атомная масса одинаковы. [10]
На практике в стандартной атомной метрологии веса используются только 11 мононуклидных элементов. Это алюминий , висмут , цезий , кобальт , золото , марганец , фосфор, скандий , натрий, тербий и торий . [11]
В спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) тремя наиболее чувствительными стабильными ядрами являются водород-1 ( 1 H), фтор-19 ( 19 F) и фосфор-31 ( 31 P). Фтор и фосфор являются моноизотопными, водород почти так же. 1 H ЯМР , 19 F ЯМР и 31 P ЯМР позволяют идентифицировать и изучать соединения, содержащие эти элементы.
Следовые концентрации нестабильных изотопов некоторых мононуклидных элементов обнаружены в природных образцах. Например, бериллий-10 ( 10Be ), с периодом полураспада 1,4 миллиона лет, производится космическими лучами в верхних слоях атмосферы Земли ; йод-129 ( 129I ), с периодом полураспада 15,7 миллионов лет, производится различными космогенными и ядерными механизмами; цезий-137 ( 137Cs ), с периодом полураспада 30 лет, генерируется при ядерном делении . Такие изотопы используются в различных аналитических и судебно-медицинских приложениях.
Данные по массе изотопов из книги «Атомные веса и изотопные составы» под ред. Дж. С. Курси, Д. Д. Шваба и Р. А. Драгосета, Национальный институт стандартов и технологий (2005).