Таблица или диаграмма нуклидов представляет собой двумерный график изотопов элементов , в котором одна ось представляет число нейтронов ( символ N ), а другая представляет число протонов (атомный номер, символ Z ) в атомном ядре . Таким образом, каждая точка, нанесенная на график, представляет собой нуклид известного или гипотетического химического элемента . Эта система упорядочения нуклидов может дать более глубокое понимание характеристик изотопов, чем более известная периодическая таблица , которая показывает только элементы, а не их изотопы. Диаграмма нуклидов также известна как диаграмма Сегре , в честь итальянского физика Эмилио Сегре . [1]
Описание и полезность
Таблица или диаграмма нуклидов отображает ядерное или радиоактивное поведение нуклидов, поскольку она различает изотопы элемента. Она контрастирует с периодической таблицей, которая отображает только их химическое поведение, поскольку изотопы (нуклиды, которые являются вариантами одного и того же элемента) химически не отличаются в какой-либо значительной степени, за исключением водорода. Диаграммы нуклидов организуют нуклиды вдоль оси X по числу нейтронов и вдоль оси Y по числу протонов , вплоть до границ нейтронных и протонных капельных линий . Это представление было впервые опубликовано Куртом Гуггенхаймером в 1934 году [2] и расширено Джорджио Феа в 1935 году [3] , Эмилио Сегре в 1945 году или Гленном Сиборгом. В 1958 году Вальтер Зеельманн-Эггеберт и Герда Пфенниг опубликовали первое издание Таблицы нуклидов Карлсруэ . Его 7-е издание было выпущено в 2006 году. Сегодня существует несколько карт нуклидов, четыре из которых имеют широкое распространение: карта нуклидов Карлсруэ, универсальная карта нуклидов Страсбурга, карта нуклидов Японского агентства по атомной энергии (JAEA) и карта нуклидов Лаборатории атомной энергетики Кноллс в США. [4] Она стала основным инструментом ядерного сообщества.
Тенденции в карте нуклидов
Тенденции в этом разделе относятся к следующей диаграмме, на которой Z увеличивается вправо, а N увеличивается вниз, что представляет собой поворот на 90° по часовой стрелке приведенных выше диаграмм альбомной ориентации.
Периоды полураспада изотопов. Более темная, более стабильная область изотопа отходит от линии протонов ( Z ) = нейтронов ( N ), так как номер элемента Z становится больше
Изотопы — это нуклиды с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов; то есть они имеют одинаковый атомный номер и, следовательно, являются одним и тем же химическим элементом . Изотопы соседствуют друг с другом по вертикали. Примерами служат углерод-12, углерод-13 и углерод-14 в таблице выше.
Изотоны — это нуклиды с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов. Изотоны соседствуют друг с другом по горизонтали. Примерами служат углерод-14, азот-15 и кислород-16 в таблице выше.
Изобары — это нуклиды с одинаковым числом нуклонов (т.е. массовым числом), но разным числом протонов и нейтронов. Изобары соседствуют друг с другом по диагонали от нижнего левого угла до верхнего правого. Примерами являются углерод-14, азот-14 и кислород-14 в таблице выше.
Изодиаферы — это нуклиды с той же разницей между их числом нейтронов и протонов ( N − Z ). Как и изобары, они следуют диагональным линиям, но под прямым углом к линиям изобар (сверху слева направо вниз). Примерами являются бор-10, углерод-12 и азот-14 (так как N − Z = 0 для каждой пары) или бор-12, углерод-14 и азот-16 (так как N − Z = 2 для каждой пары).
За линией протонной капельности вдоль правого верхнего угла нуклиды распадаются путем испускания протонов . Линии капельности установлены только для некоторых элементов.
Остров стабильности — это гипотетическая область в верхнем правом скоплении нуклидов, которая содержит изотопы, гораздо более стабильные, чем другие трансурановые элементы .
Не существует стабильных нуклидов, имеющих одинаковое число протонов и нейтронов в ядрах с атомным номером больше 20 (т.е. кальций ), как можно легко увидеть из таблицы. Ядра с большим атомным номером требуют избытка нейтронов для стабильности.
Единственными стабильными нуклидами, имеющими нечетное число протонов и нечетное число нейтронов, являются водород-2 , литий-6 , бор-10 , азот-14 и (по наблюдениям) тантал-180m . Это связано с тем, что масса-энергия таких атомов обычно выше, чем у их соседей в той же изобарной цепочке, поэтому большинство из них нестабильны к бета-распаду .
Не существует стабильных нуклидов с массовыми числами 5 или 8. Существуют стабильные нуклиды со всеми остальными массовыми числами до 208, за исключением 147 и 151, которые представлены очень долгоживущими самарием-147 и европием-151 . ( В 2003 году было обнаружено, что висмут-209 является радиоактивным, но с периодом полураспада2,01 × 10 19 лет .)
За исключением пары теллур-123 и сурьма-123 , нечетные массовые числа никогда не представлены более чем одним стабильным нуклидом. Это происходит потому, что масса-энергия является выпуклой функцией атомного номера, поэтому все нуклиды в нечетной изобарной цепочке, за исключением одного, имеют соседа с более низкой энергией, на которого они могут распадаться посредством бета-распада. См. правило изобар Маттауха . ( Ожидается, что 123 Te распадется до 123 Sb, но период полураспада, по-видимому, настолько велик, что распад никогда не наблюдался.)
Не существует стабильных нуклидов с атомным номером больше Z = 82 ( свинец ), [5] хотя висмут ( Z = 83) стабилен для всех практических человеческих целей, а торий ( Z = 90) и уран ( Z = 92) достаточно долгоживущие, чтобы встречаться на Земле в больших количествах. Все элементы с атомными номерами от 1 до 82 имеют стабильные изотопы, за исключением технеция ( Z = 43) и прометия ( Z = 61).
Таблицы
Для удобства в Википедии доступны три различных представления данных: два набора «сегментированных таблиц» и одна «единая таблица (все элементы)». Унифицированная таблица позволяет легко визуализировать тенденции количества протонов/нейтронов, но требует одновременной горизонтальной и вертикальной прокрутки. Сегментированные таблицы позволяют легче изучать конкретный химический элемент с гораздо меньшим количеством прокрутки. Для быстрого перехода между различными разделами предусмотрены ссылки.
В таблице нуклидов ниже показаны нуклиды (часто свободно называемые «изотопами», но этот термин правильно относится к нуклидам с одинаковым атомным номером, см. выше), включая все с периодом полураспада не менее одного дня. [6] Они расположены в порядке увеличения атомных номеров слева направо и увеличения числа нейтронов сверху вниз.
Цвет ячейки обозначает период полураспада каждого нуклида; если присутствует граница, ее цвет указывает на период полураспада наиболее стабильного ядерного изомера . В графических браузерах каждый нуклид также имеет подсказку , указывающую его период полураспада. Каждый цвет представляет определенный диапазон продолжительности периода полураспада, а цвет границы указывает на период полураспада его ядерного изомера. Некоторые нуклиды имеют несколько ядерных изомеров, и в этой таблице отмечен тот, у которого самый длительный период полураспада. Пунктирные границы означают, что нуклид имеет ядерный изомер с периодом полураспада в том же диапазоне, что и нуклид в основном состоянии. Пунктирные линии между несколькими нуклидами первых нескольких элементов являются экспериментально определенными протонными и нейтронными капельными линиями .
Фрагмент таблицы нуклидов, которая видна на памятнике перед Центром новых технологий Варшавского университета , с четырьмя элементами, названными в честь польских ученых («включая Po , Ra , Cm , Cn »), указанными в названии и под таблицей: полоний ( 84 Po), открытый в 1898 году, радий ( 88 Ra), открытый в 1898 году, кюрий ( 96 Cm), открытый в 1944 году, коперниций ( 112 Cn), открытый в 1996 году.
Ссылки
^ J. Byrne (2011). Нейтроны, ядра и материя: исследование физики медленных нейтронов . Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN 978-0486482385.
^ Курт Гуггенхаймер. Journal de Physique et le Radium 5 (1934) 253
^ Джорджио Феа. Иль Нуово Чименто 2 (1935) 368
^ "What We Do: The Chart of Nuclides". Лаборатория атомной энергетики Кноллса. Архивировано из оригинала 18 октября 2016 года . Получено 14 мая 2009 года .
^ Холден, CRC Справочник по химии и физике, 90-е издание §11
^ Данные для этих таблиц получены из Брукхейвенской национальной лаборатории , в которой имеется интерактивная таблица нуклидов с данными по ~3000 нуклидов.
Внешние ссылки
На Викискладе есть медиафайлы по теме «Диаграмма нуклидов» .
Карта нуклидов 2014 (Японское агентство по атомной энергии)
