Стабильные нуклиды — это нуклиды , которые не являются радиоактивными и поэтому (в отличие от радионуклидов ) не подвергаются самопроизвольному радиоактивному распаду . [1] Когда такие нуклиды упоминаются в отношении конкретных элементов, их обычно называют стабильными изотопами .
80 элементов с одним или несколькими стабильными изотопами включают в общей сложности 251 нуклид, о распаде которых с помощью современного оборудования не известно (см. список в конце этой статьи). Из этих 80 элементов 26 имеют только один стабильный изотоп; поэтому их называют моноизотопными . Остальные имеют более одного стабильного изотопа. Олово имеет десять стабильных изотопов — наибольшее количество стабильных изотопов, известных для элемента.
Большинство встречающихся в природе нуклидов стабильны (около 251; см. список в конце этой статьи), и еще около 35 (всего 286) известны как радиоактивные с достаточно длительными периодами полураспада (также известными), чтобы возникать в первозданном виде. Если период полураспада нуклида сопоставим или превышает возраст Земли (4,5 миллиарда лет), значительная его часть сохранилась со времени образования Солнечной системы и тогда считается первичной . Таким образом, он будет способствовать естественному изотопному составу химического элемента. Изначально присутствующие радиоизотопы легко обнаруживаются с периодом полураспада всего 700 миллионов лет (например, 235 U ). Это нынешний предел обнаружения, [ нужна ссылка ] , поскольку короткоживущие нуклиды еще не были бесспорно обнаружены в природе, за исключением тех случаев, когда они образовались недавно, например, в продуктах распада или расщеплении космическими лучами.
Многие встречающиеся в природе радиоизотопы (еще 53 или около того, всего около 339) имеют еще более короткий период полураспада, чем 700 миллионов лет, но они образуются недавно, как дочерние продукты процессов распада первичных нуклидов (например, радий из урана). ) или от продолжающихся энергетических реакций, таких как космогенные нуклиды, образующиеся в результате нынешней бомбардировки Земли космическими лучами (например, 14 C, полученный из азота).
По прогнозам, некоторые изотопы, которые классифицируются как стабильные (т.е. для них не наблюдалось радиоактивности), имеют чрезвычайно длительный период полураспада (иногда до 10–18 лет и более). [2] Если прогнозируемый период полураспада попадает в экспериментально доступный диапазон, такие изотопы имеют шанс перейти из списка стабильных нуклидов в категорию радиоактивных, как только их активность будет обнаружена. Например, 209 Bi и 180 W ранее классифицировались как стабильные, но в 2003 году были признаны альфа -активными. Однако такие нуклиды не меняют своего статуса как первичных, когда они оказываются радиоактивными.
Считается, что большинство стабильных изотопов на Земле образовались в процессах нуклеосинтеза либо во время Большого взрыва , либо в поколениях звезд, предшествовавших образованию Солнечной системы . Однако содержание некоторых стабильных изотопов на Земле также меняется в результате распада долгоживущих радиоактивных нуклидов. Эти продукты распада называются радиогенными изотопами, чтобы отличить их от гораздо большей группы «нерадиогенных» изотопов.
Из известных химических элементов 80 элементов имеют хотя бы один стабильный нуклид. К ним относятся первые 82 элемента от водорода до свинца , за двумя исключениями: технеций (элемент 43) и прометий (элемент 61), которые не имеют стабильных нуклидов. По состоянию на 2023 год всего был известен 251 «стабильный» нуклид. В этом определении «стабильный» означает нуклид, распад которого на естественном фоне никогда не наблюдался. Таким образом, период полураспада этих элементов слишком велик, чтобы его можно было измерить каким-либо способом, прямым или косвенным.
Стабильные изотопы:
Эти последние 26 элементов называются моноизотопными элементами . [3] Среднее количество стабильных изотопов для элементов, имеющих хотя бы один стабильный изотоп, составляет 251/80 = 3,1375.
На стабильность изотопов влияет соотношение протонов к нейтронам, а также наличие определенных магических чисел нейтронов или протонов, которые представляют собой замкнутые и заполненные квантовые оболочки. Эти квантовые оболочки соответствуют набору энергетических уровней внутри оболочечной модели ядра; заполненные оболочки, такие как заполненная оболочка из 50 протонов для олова, придают нуклиду необычную стабильность. Как и в случае с оловом, магическое число Z , атомный номер, имеет тенденцию увеличивать количество стабильных изотопов элемента.
Точно так же, как в случае с электронами, которые имеют наименьшее энергетическое состояние, когда они встречаются парами на данной орбитали, нуклоны (как протоны, так и нейтроны) демонстрируют более низкое энергетическое состояние, когда их число четное, а не нечетное. Эта стабильность имеет тенденцию предотвращать бета-распад (в два этапа) многих четно-четных нуклидов в другой четно-четный нуклид с тем же массовым числом, но с меньшей энергией (и, конечно, с двумя дополнительными протонами и двумя меньшими нейтронами), поскольку распад происходит на один шаг за шагом придется проходить через нечетный-нечетный нуклид более высокой энергии. Таким образом, такие ядра вместо этого подвергаются двойному бета-распаду (или, как предполагается, это происходит) с периодом полураспада, на несколько порядков превышающим возраст Вселенной . Это приводит к увеличению количества стабильных четно-четных нуклидов, на которые приходится 150 из 251 общего числа. Стабильные четно-четные нуклиды насчитывают до трех изобар для некоторых массовых чисел и до семи изотопов для некоторых атомных номеров.
И наоборот, из 251 известного стабильного нуклида только пять имеют как нечетное число протонов, так и нечетное количество нейтронов: водород-2 ( дейтерий ), литий-6 , бор-10 , азот-14 и тантал-180m . Кроме того, только четыре встречающихся в природе радиоактивных нечетных нуклида имеют период полураспада более миллиарда лет: калий-40 , ванадий-50 , лантан-138 и лютеций-176 . Первичные нечетно-нечетные нуклиды редки, потому что большинство нечетно-нечетных ядер нестабильны по отношению к бета-распаду , поскольку продукты распада четно-четные и, следовательно, более прочно связаны из-за эффектов спаривания ядер . [4]
Еще один эффект нестабильности нечетного числа нуклонов любого типа заключается в том, что элементы с нечетными номерами имеют тенденцию иметь меньше стабильных изотопов. Из 26 моноизотопных элементов (имеющих только один стабильный изотоп) все, кроме одного, имеют нечетный атомный номер, и все, кроме одного, имеют четное количество нейтронов - единственным исключением из обоих правил является бериллий.
Конец стабильных элементов в таблице Менделеева наступает после свинца , во многом из-за того, что ядра со 128 нейтронами — на два нейтрона выше магического числа 126 — чрезвычайно нестабильны и почти сразу же испускают альфа-частицы. [5] Это также способствует очень короткому периоду полураспада астата , радона и франция по сравнению с более тяжелыми элементами. Подобное явление происходит в гораздо меньшей степени с 84 нейтронами — на два нейтрона выше магического числа 82 — где различные изотопы элементов ряда лантаноидов демонстрируют альфа-распад.
В число 251 известного стабильного нуклида входит тантал-180m, поскольку, хотя его распад и нестабильность автоматически подразумеваются в обозначении «метастабильный», это до сих пор не наблюдалось. Все «стабильные» изотопы (стабильные по наблюдениям, а не по теории) являются основными состояниями ядер, за исключением тантала-180m, который является ядерным изомером или возбужденным состоянием. Основное состояние этого конкретного ядра, тантал-180, радиоактивно со сравнительно коротким периодом полураспада — 8 часов; напротив, распад возбужденного ядерного изомера чрезвычайно строго запрещен правилами отбора по спиновой четности. Экспериментально путем прямых наблюдений установлено, что период полураспада 180m Та до гамма-распада должен составлять более 10–15 лет . Другие возможные режимы распада 180m Ta (бета-распад, захват электрона и альфа-распад) также никогда не наблюдались.
Ожидается, что некоторое постоянное улучшение экспериментальной чувствительности позволит обнаружить очень умеренную радиоактивность (нестабильность) некоторых изотопов, которые сегодня считаются стабильными. Например, в 2003 году сообщалось, что висмут-209 (единственный первичный изотоп висмута) очень слабо радиоактивен, с периодом полураспада (1,9 ± 0,2) × 10 19 лет, [6] [7] подтверждает ранее теоретические предсказания [8] ядерной физики о том, что висмут-209 будет очень медленно распадаться за счет альфа-излучения .
Изотопы, которые теоретически считаются нестабильными, но распад которых не наблюдался, называются стабильными по наблюдениям . В настоящее время существует 105 «стабильных» изотопов, которые теоретически нестабильны, 40 из которых наблюдались подробно без признаков распада, причем самым легким в любом случае является 36 Ar. Многие «стабильные» нуклиды являются « метастабильными », поскольку они высвободят энергию, если произойдет радиоактивный распад, [9] и, по сути, ожидается, что они претерпят очень редкие виды радиоактивного распада , включая двойное бета-излучение .
146 нуклидов из 62 элементов с атомными номерами от 1 ( водород ) до 66 ( диспрозий ), за исключением 43 ( технеций ), 61 ( прометий ), 62 ( самарий ) и 63 ( европий ), теоретически устойчивы к любому виду ядерного распада, за исключением для теоретической возможности распада протона , который никогда не наблюдался, несмотря на обширные его поиски, и спонтанного деления , которое теоретически возможно для нуклидов с атомными массовыми числами ≥ 93. [10]
Для процессов, отличных от спонтанного деления, другие теоретические пути распада более тяжелых элементов включают: [10]
К ним относятся все нуклиды с массой 165 и выше. Аргон-36 в настоящее время является самым легким из известных «стабильных» нуклидов, который теоретически нестабильен. [10]
Положительность энерговыделения в этих процессах означает, что они разрешены кинематически (не нарушают закона сохранения энергии) и, следовательно, в принципе могут происходить. [10] Они не наблюдаются из-за сильного, но не абсолютного подавления, правил отбора по спиновой четности (для бета-распадов и изомерных переходов) или толщины потенциального барьера (для альфа- и кластерных распадов и спонтанного деления).
Это сводная таблица из Списка нуклидов . Обратите внимание, что цифры не точны и могут немного измениться в будущем, поскольку нуклиды считаются радиоактивными или новые периоды полураспада определяются с некоторой точностью.
Первичные радионуклиды включены для сравнения; они выделены курсивом и смещены от списка собственно стабильных нуклидов.
Сокращения для предсказанного ненаблюдаемого распада: [12] [2] [11]
A для альфа-распада, B для бета-распада, 2B для двойного бета-распада, E для захвата электрона, 2E для двойного захвата электрона, IT для изомерного перехода, SF для спонтанного деления, * для нуклидов, период полураспада которых имеет нижнюю границу. Двойной бета-распад упоминается только в том случае, если бета-распад также невозможен.
^ Тантал-180m — это «метастабильный изотоп», что означает, что это возбужденный ядерный изомер тантала-180. См. изотопы тантала . Однако период полураспада этого ядерного изомера настолько велик, что его распад никогда не наблюдался, и, таким образом, он встречается как «наблюдательно нерадиоактивный» первичный нуклид , как второстепенный изотоп тантала. Это единственный случай ядерного изомера, период полураспада которого настолько велик, что его распад никогда не наблюдался. Таким образом, он включен в этот список.
^^ Долгое время считалось, что висмут-209 стабилен из-за его необычно длительного периода полураспада — 2,01 · 10 19 лет, что более чем в миллиард раз превышает возраст Вселенной.
§ Европий-151 и самарий-147 являются первичными нуклидами с очень длительным периодом полураспада 5,004 · 10 18 лет и 1,061 · 10 11 лет соответственно.