Нуклид (или нуклид , от ядра , также известный как ядерные виды) — это класс атомов , характеризующийся количеством протонов Z , количеством нейтронов N и их ядерным энергетическим состоянием . [1]
Слово «нуклид» было придумано американским физиком-ядерщиком Трумэном П. Команом в 1947 году. [2] [3] Коман определил нуклид как «разновидность атома, характеризующуюся строением своего ядра», содержащего определенное количество нейтронов и протонов. Таким образом, этот термин первоначально был сосредоточен на ядре.
Нуклид — это разновидность атома с определенным количеством протонов и нейтронов в ядре, например углерод-13 с 6 протонами и 7 нейтронами. Концепция нуклидов (относящаяся к отдельным видам ядер) делает упор на ядерные свойства, а не на химические свойства, тогда как концепция изотопов (группировка всех атомов каждого элемента) делает упор на химические свойства, а не на ядерные. Число нейтронов оказывает большое влияние на ядерные свойства, но для большинства элементов его влияние на химические реакции незначительно. Даже в случае самых легких элементов, где соотношение числа нейтронов к атомному номеру наиболее сильно различается между изотопами, это обычно оказывает лишь небольшой эффект, но в некоторых обстоятельствах это имеет значение. Для водорода, самого легкого элемента, изотопный эффект достаточно велик, чтобы сильно повлиять на биологические системы. В случае гелия гелий-4 подчиняется статистике Бозе-Эйнштейна , а 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 подходящим, например, в ядерных технологиях и ядерной медицине.
Хотя слова «нуклид» и «изотоп» часто используются как синонимы, на самом деле «изотопы» — это лишь одно из отношений между нуклидами. В следующей таблице перечислены некоторые другие отношения.
Совокупность нуклидов с одинаковым числом протонов ( атомным номером ), т. е. одного и того же химического элемента , но с разными числами нейтронов , называется изотопами элемента. Отдельные нуклиды до сих пор часто называют «изотопами», но термин «нуклид» в целом является правильным (т. е. когда Z не фиксировано). Аналогичным образом набор нуклидов с одинаковым массовым числом A , но разным атомным номером называется изобарами (изобара = равный по весу), а изотоны - это нуклиды с одинаковым числом нейтронов, но с разными числами протонов. Аналогично, нуклиды с одинаковым избытком нейтронов ( N − Z ) называются изодиаферами. [4] Название изотон е было получено от названия изотоп е , чтобы подчеркнуть, что в первой группе нуклидов число нейтронов (n) является постоянным, тогда как во второй — число протонов (p). [5]
См. Isotope#Notation для объяснения обозначений, используемых для различных типов нуклидов или 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 с разными состояниями возбуждения. Примером являются два состояния одного изотопа.99
43Тс
показан 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 разных нуклидов в разных состояниях возбуждения).
Самым долгоживущим изомером ядра в неосновном состоянии является нуклид тантал-180m (180 м
73Та
), период полураспада которого превышает 1000 триллионов лет. Этот нуклид существует изначально, и никогда не наблюдалось его распада в основное состояние. (Напротив, нуклид основного состояния тантал-180 не встречается изначально, поскольку он распадается с периодом полураспада всего 8 часов до 180 Hf (86%) или 180 Вт (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 .
Природные радионуклиды можно условно разделить на три типа. [6] Во-первых, те, чей период полураспада t 1/2 составляет не менее 2% от возраста Земли ( для практических целей их трудно обнаружить, период полураспада менее 10% от возраста Земли). Земля) (4,6 × 10 9 лет ). Это остатки нуклеосинтеза , произошедшего в звездах до образования Солнечной системы . Например, изотоп238
ты
(т 1/2 =4,5 × 10 9 лет ) урана все еще довольно распространена в природе, но более короткоживущий изотоп235
ты
(т 1/2 =0,7 × 10 9 лет ) встречается в 138 раз реже. Было обнаружено около 34 из этих нуклидов ( подробнее см. В Списке нуклидов и Первичных нуклидах ).
Вторая группа радионуклидов, существующих в природе, состоит из радиогенных нуклидов, таких как226
Ра
(т 1/2 =1602 года ), изотоп радия , образующийся при радиоактивном распаде . Они встречаются в цепочках распада первичных изотопов урана или тория. Некоторые из этих нуклидов очень недолговечны, например, изотопы франция . Существует около 51 из этих 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 постоянно образуются другим способом, а не простым спонтанным радиоактивным распадом (т. е. участвует только один атом без прибывающих частиц), а вместо этого включает естественную ядерную реакцию . Они происходят, когда атомы реагируют с естественными нейтронами (от космических лучей, спонтанного деления или других источников) или подвергаются прямой бомбардировке космическими лучами . Последние, если они непервичные, называются космогенными нуклидами . Другие типы естественных ядерных реакций производят нуклиды, которые называются нуклеогенными нуклидами.
Примером нуклидов, образующихся в результате ядерных реакций, являются космогенные.14
С
( радиоуглерод ), который образуется в результате бомбардировки космическими лучами других элементов и нуклеогенного239
Пу
который до сих пор создается нейтронной бомбардировкой природных238
ты
в результате естественного деления урановых руд. Космогенные нуклиды могут быть стабильными или радиоактивными. Если они стабильны, их существование должно быть выведено на фоне стабильных нуклидов, поскольку каждый известный стабильный нуклид присутствует на Земле изначально.
Помимо встречающихся в природе нуклидов, искусственно получено и охарактеризовано более 3000 радионуклидов с различным периодом полураспада.
Известные нуклиды показаны в Таблице нуклидов . Приведен список первичных нуклидов, отсортированный 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 периодом полураспада более одного часа, приведенных в списке нуклидов . Обратите внимание, что цифры не точны и могут немного измениться в будущем, если некоторые «стабильные» нуклиды окажутся радиоактивными с очень длительным периодом полураспада.
Атомные ядра, кроме водорода1
1ЧАС
протоны и нейтроны связаны друг с другом остаточной сильной силой . Поскольку протоны заряжены положительно, они отталкивают друг друга. Нейтроны, которые электрически нейтральны, стабилизируют ядро двумя способами. Их совместное присутствие слегка раздвигает протоны, уменьшая электростатическое отталкивание между протонами, и они оказывают ядерное притяжение 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 нейтронно-протонное отношение3
2Он
составляет 1:2, нейтронно-протонное отношение238
92ты
больше 3:2. Ряд более легких элементов имеет стабильные нуклиды с соотношением 1:1 ( Z = N ). Нуклид40
20Калифорния
(кальций-40) по наблюдениям является самым тяжелым стабильным нуклидом с одинаковым количеством нейтронов и протонов. Все стабильные нуклиды тяжелее кальция-40 содержат больше нейтронов, чем протонов.
Отношение протонов и нейтронов — не единственный фактор, влияющий на ядерную стабильность. Оно зависит также от четности или нечетности его атомного номера Z , числа нейтронов N и, следовательно, их суммы, массового числа A. Нечетность как Z , так и N имеет тенденцию снижать энергию связи ядра , что делает нечетные ядра, как правило, менее стабильными. Эта замечательная разница в энергии связи между соседними ядрами, особенно нечетными А- изобарами , имеет важные последствия: нестабильные изотопы с неоптимальным числом нейтронов или протонов распадаются путем бета-распада (включая распад позитрона), захвата электронов или более экзотическими способами, такими как как спонтанное деление и распад кластеров .
Большинство стабильных нуклидов являются четно-протонно-четными нейтронами, где все числа Z , N и A четны. Стабильные нуклиды с нечетным А делятся (примерно поровну) на нуклиды с нечетным протоном и четным нейтроном и с нуклидом с четным протоном и нечетным нейтроном. Нуклиды (и ядра) нечетных протонов и нечетных нейтронов встречаются реже всего.