Чётные и нечётные атомные ядра

Метод ядерно-физической классификации

В ядерной физике свойства ядра зависят от четности или нечетности его атомного числа (числа протонов) Z , числа нейтронов N и, следовательно, их суммы, массового числа A. Самое главное, что нечетность как Z , так и N имеет тенденцию к снижению энергии ядерной связи , делая нечетные ядра в целом менее стабильными. Этот эффект не только наблюдается экспериментально, но и включен в полуэмпирическую формулу массы и объясняется некоторыми другими ядерными моделями , такими как модель ядерных оболочек . Эта разница в энергии ядерной связи между соседними ядрами, особенно нечетных изобар A , имеет важные последствия для бета-распада .

Ядерный спин равен нулю для ядер с четным числом Z и четным числом N, целому числу для всех ядер с четным числом A и нечетному полуцелому числу для всех ядер с нечетным числом A.

Соотношение нейтронов и протонов — не единственный фактор, влияющий на ядерную стабильность. Добавление нейтронов к изотопам может изменить их ядерные спины и ядерные формы, вызывая различия в сечениях захвата нейтронов , гамма-спектроскопии и свойствах ядерного магнитного резонанса . Если присутствует слишком много или слишком мало нейтронов относительно оптимальной энергии связи ядра , ядро ​​становится нестабильным и подверженным определенным типам ядерного распада . Нестабильные нуклиды с неоптимальным числом нейтронов или протонов распадаются посредством бета-распада (включая распад позитронов), электронного захвата или другими способами, такими как спонтанное деление и кластерный распад .

Чётное массовое число

Нуклиды с четным массовым числом, которые составляют 150/251 = ~60% всех стабильных нуклидов, являются бозонами , т.е. имеют целый спин . 145 из 150 являются нуклидами с четным протоном и четным нейтроном (EE), которые обязательно имеют спин 0 из-за спаривания. Остальные стабильные бозонные нуклиды являются пятью стабильными нуклидами с нечетным протоном и нечетным нейтроном (²
₁ЧАС
,⁶
₃Ли
,¹⁰
₅Б
,¹⁴
₇Н
и^180м
₇₃Та
), все имеющие ненулевой целый спин.

Эффекты сопряжения

Бета-распад четно-четного ядра производит нечетно-нечетное ядро, и наоборот. Четное число протонов или нейтронов более стабильно (более высокая энергия связи ) из-за эффектов спаривания , поэтому четно-четные ядра намного стабильнее, чем нечетно-нечетные. Один эффект заключается в том, 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 более низкой энергией, поскольку распад, происходящий по одному шагу за раз, должен был бы проходить через нечетно-нечетное ядро ​​с более высокой энергией. Двойной бета-распад напрямую из четно-четного в четно-четный, пропуская нечетно-нечетный нуклид, возможен лишь изредка, и даже тогда с периодом полураспада, превышающим возраст Вселенной в миллиард раз . Например, двойной бета-излучатель¹¹⁶
Кд
имеет период полураспада2,9 × 10 ¹⁹ лет. Это приводит к большему числу стабильных четно-четных нуклидов, при этом некоторые массовые числа имеют два стабильных нуклида, а некоторые элементы (атомные номера) имеют до семи .

Например, чрезвычайная стабильность гелия-4 из-за двойного спаривания 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 нуклеосинтезе Большого взрыва ; только в звездах для этого есть достаточно времени (см. тройной альфа-процесс ). Это также является причиной того, почему⁸
₄Быть
распадается очень быстро на две альфа-частицы , что делает бериллий единственным четным элементом, который является моноизотопным .

Даже протон, даже нейтрон

Существует 145 стабильных четно-четных нуклидов, образующих ~58% от 251 стабильного нуклида. Существует также 22 первичных долгоживущих четно-четных нуклида. В результате многие из 41 четных элементов от 2 до 82 имеют много первичных изотопов . Половина этих четных элементов имеет шесть или более стабильных изотопов. Самый легкий стабильный четно-четный изотоп —⁴
₂Он
и самый тяжелый -²⁰⁸
₈₂свинец
. Это также самые легкие и самые тяжелые известные дважды магические нуклиды. ^{[1] 208}
₈₂свинец
является конечным продуктом распада²³²
₉₀Чт
, ^[2] первичный радионуклид с четным числом протонов и нейтронов.²³⁸
₉₂У
является еще одним примечательным 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 ).

Нечетный протон, нечетный нейтрон

Только пять стабильных нуклидов содержат как нечетное число протонов, так и нечетное число нейтронов. Первые четыре "нечетных–нечетных" нуклида встречаются в нуклидах с низкой массой, для которых замена протона на нейтрон или наоборот приведет к очень неравномерному соотношению протонов и нейтронов (²
₁ЧАС
,⁶
₃Ли
,¹⁰
₅Б
, и¹⁴
₇Н
; спины 1, 1, 3, 1). Все четыре из этих изотопа имеют одинаковое число протонов и нейтронов, и все они имеют нечетное число для своего ядерного спина . Единственный другой наблюдаемо «стабильный» нечетно-нечетный нуклид — это^180м
₇₃Та
(спин 9), единственный первичный ядерный изомер , распад которого до сих пор не наблюдался, несмотря на экспериментальные попытки. ^[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) встречаются в природе. Как и в случае^180м
₇₃Та
распад высокоспиновых нуклидов путем бета-распада (включая захват электронов ), гамма-распада или внутренней конверсии значительно замедляется, если возможен только распад между изобарными нуклидами (или в случае^180м
₇₃Та
между ядерными изомерами одного и того же нуклида) включает в себя высокие кратности изменения спина на 1 единицу, «предпочтительное» изменение спина, которое связано с быстрым распадом. Это высокоспиновое торможение распада является причиной пяти тяжелых стабильных или долгоживущих нечетно-протонных, нечетно-нейтронных нуклидов, обсуждавшихся выше. Для примера этого эффекта, где вычитается спиновый эффект, тантал-180, нечетно-нечетный низкоспиновый (теоретический) продукт распада первичного тантала-180m, сам по себе имеет период полураспада всего около одиннадцати часов. ^[8]

Известно много нечетно-нечетных радионуклидов (например, тантал-180) со сравнительно короткими периодами полураспада. Почти всегда они распадаются путем положительного или отрицательного бета-распада, чтобы произвести стабильные четно-четные изотопы, которые имеют спаренные протоны и спаренные нейтроны. В некоторых нечетно-нечетных радионуклидах, где отношение протонов к нейтронам не является ни чрезмерно большим, ни чрезмерно малым (т. е. падает 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 позитрона на ⁶⁴
₂₈Ни
, или путем электронной эмиссии в⁶⁴
₃₀Zn
.

Из девяти первичных нечетно-нечетных нуклидов (пяти стабильных и четырех радиоактивных с длительным периодом полураспада) только¹⁴
₇Н
является наиболее распространенным изотопом распространенного элемента. Это происходит из-за захвата протона на¹⁴
₇Н
является лимитирующим этапом цикла CNO-I . Нуклиды⁶
₃Ли
и¹⁰
₅Б
являются миноритарными изотопами элементов, которые сами по себе редки по сравнению с другими легкими элементами, в то время как остальные шесть изотопов составляют лишь крошечный процент от естественного содержания своих элементов. Например,^180м
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 происходит потому, что один неспаренный нейтрон и неспаренный протон имеют большую ядерную силу притяжения друг к другу, если их спины выровнены (создавая общий спин не менее 1 единицы), а не антивыровнены. См. дейтерий для простейшего случая такого ядерного поведения.

Нечетное массовое число

Для данного нечетного массового числа существует ровно один бета-стабильный нуклид . Нет разницы в энергии связи между четно-нечетным и нечетно-четным, сравнимой с таковой между четно-четным и нечетно-нечетным, что оставляет другие нуклиды с тем же массовым числом ( изобары ) свободными для бета-распада в направлении нуклида с наименьшей массой. Для массовых чисел 147, 151 и 209+ было обнаружено, что бета-стабильная изобара с этим массовым числом претерпевает альфа-распад . (Теоретически, массовые числа 143–155, 160–162 и 165+ также могут распадаться альфа-частицами.) Это дает в общей сложности 101 стабильный нуклид с нечетными массовыми числами. Есть еще девять радиоактивных первичных нуклидов (которые по определению имеют относительно долгие периоды полураспада, более 80 миллионов лет) с нечетными массовыми числами.

Нуклиды с нечетной массой являются фермионами , т. е. имеют полуцелый спин . Вообще говоря, поскольку нуклиды с нечетной массой всегда имеют четное число нейтронов или протонов, четные частицы обычно образуют часть «ядра» в ядре со спином, равным нулю. Неспаренный нуклон с нечетным числом (будь то протон или нейтрон) затем отвечает за ядерный спин, который является суммой орбитального углового момента и спинового углового момента оставшегося нуклона.

Стабильные нуклиды с нечетным массовым числом делятся (примерно поровну) на нуклиды с нечетным протоном и четным нейтроном и нечетным нейтроном и четным протоном, которые более подробно обсуждаются ниже.

Нечетный протон, четный нейтрон

Эти 48 стабильных нуклидов, стабилизированных четным числом парных нейтронов, образуют большинство стабильных изотопов нечетных элементов; очень немногие нечетно-нечетные нуклиды составляют остальные. Существует 41 нечетный элемент с Z = 1 через 81, из которых 30 (включая водород, поскольку ноль является четным числом ) имеют один стабильный нечетно-четный изотоп, элементы технеций (
₄₃Тс
) и прометий (
₆₁ПМ
) не имеют стабильных изотопов, и девять элементов: хлор (
₁₇Кл
), калий (
₁₉К
), медь (
₂₉Cu
), галлий (
₃₁Га
), бром (
₃₅Бр
), серебро (
₄₇Аг
), сурьма (
₅₁Сб
), иридий (
₇₇Ир
) и таллий (
₈₁Тл
), имеют по два нечетно-четных стабильных изотопа каждый. Это дает в общей сложности 30×1 + 9×2 = 48 стабильных нечетно-четных изотопов. Самый легкий пример этого типа нуклида —¹
₁ЧАС
(протий), так как ноль — четное число , а самый тяжелый пример —²⁰⁵
₈₁Тл
. Также существует пять первичных долгоживущих радиоактивных нечетно-четных изотопов,⁸⁷
₃₇Руб.
, ^{[9] 115}
₄₉В
, ^{[10] [11] 187}
₇₅Повторно
, ^{[12] 151}
₆₃Евросоюз
, ^{[13] [14]} и ²⁰⁹
₈₃Би
. ^{[15] [16]} Последние два элемента лишь недавно были обнаружены в состоянии альфа-распада с периодом полураспада более 10 ¹⁸ лет.

Четный протон, нечетный нейтрон

Эти 53 стабильных нуклида имеют четное число протонов и нечетное число нейтронов. По определению, все они являются изотопами четных Z -элементов, где они составляют меньшинство по сравнению с четно-четными изотопами, которых примерно в 3 раза больше. Среди 41 четного Z- элемента, имеющих стабильный нуклид, только два элемента (аргон и церий) не имеют четно-нечетных стабильных нуклидов. Один элемент (олово) имеет три. Существует 24 элемента, которые имеют один четно-нечетный нуклид, и 13, которые имеют два четно-нечетных нуклида. Самый легкий пример этого типа нуклида —³
₂Он
и самый тяжелый -²⁰⁷
₈₂свинец
.

Из 34 первичных радионуклидов существуют три четно-нечетных нуклида (см. таблицу справа), включая делящийся ²³⁵
₉₂У
Из-за нечетного числа нейтронов четно-нечетные нуклиды, как правило, имеют большие сечения захвата нейтронов из-за энергии, которая возникает в результате эффектов спаривания нейтронов.

Эти стабильные четно-протонные нечетно-нейтронные нуклиды, как правило, нечасты по распространенности в природе, в основном потому, что для того, чтобы образоваться и внести вклад в изначальное распространенность, они должны были избежать захвата нейтронов, чтобы сформировать другие стабильные четно-четные изотопы, как во время s-процесса , так и r-процесса захвата нейтронов, во время нуклеосинтеза в звездах. По этой причине только¹⁹⁵
₇₈Пт
и⁹
₄Быть
являются наиболее распространенными в природе изотопами своего элемента, первые лишь с небольшим отрывом, а последние только потому, что ожидаемый бериллий-8 имеет более низкую энергию связи , чем две альфа-частицы , и поэтому немедленно распадается на альфа- частицы .

Нечетное число нейтронов

Актиниды с нечетным числом нейтронов, как правило, делятся (с тепловыми нейтронами ), в то время как актиниды с четным числом нейтронов, как правило, нет, хотя они делятся с быстрыми нейтронами . Только⁹
₄Быть
,¹⁴
₇Н
, и¹⁹⁵
₇₈Пт
имеют нечетное число нейтронов и являются наиболее распространенным в природе изотопом своего элемента.

Ссылки

1. Бланк, Б.; Реган, П. Х. (2000). «Магические и дважды магические ядра». Новости ядерной физики . 10 (4): 20–27. doi :10.1080/10506890109411553. S2CID  121966707.
2. А. Ю. Смирнов; В. Д. Борисевич; А. Сулаберидзе (июль 2012). «Оценка удельной стоимости получения изотопа свинца-208 газовыми центрифугами с использованием различного сырья». Теоретические основы химической технологии . 46 (4): 373–378. doi :10.1134/S0040579512040161. S2CID  98821122.
3. Макклейн, Д. Э.; Миллер, А. С.; Калинич, Дж. Ф. (20 декабря 2007 г.). «Состояние проблем со здоровьем в связи с военным использованием обедненного урана и суррогатных металлов в бронебойных боеприпасах» (PDF) . НАТО . Архивировано из оригинала (PDF) 19 апреля 2011 г. Получено 14 ноября 2010 г.
4. Аревало, Рикардо; Макдоноу, Уильям Ф.; Луонг, Марио (2009). «Отношение KU силикатной Земли: взгляд на состав мантии, структуру и термическую эволюцию». Earth and Planetary Science Letters . 278 (3–4): 361–369. Bibcode : 2009E&PSL.278..361A. doi : 10.1016/j.epsl.2008.12.023.
5. Hult, Mikael; Elisabeth Wieslander, JS; Marissens, Gerd; Gasparro, Joël; Wätjen, Uwe; Misiaszek, Marcin (2009). «Поиск радиоактивности 180mTa с использованием подземного HPGe-сэндвич-спектрометра». Applied Radiation and Isotopes . 67 (5): 918–21. doi :10.1016/j.apradiso.2009.01.057. PMID  19246206.
6. "Радиация и радиоактивный распад. Радиоактивное человеческое тело". Демонстрации лекций по естественным наукам в Гарварде . Получено 2 июля 2016 г.
7. Winteringham, FP W; Эффекты, Постоянный комитет ФАО по радиации, Отдел развития земельных и водных ресурсов, Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций (1989). Радиоактивные осадки в почвах, сельскохозяйственных культурах и продуктах питания: обзор истории вопроса. Продовольственная и сельскохозяйственная организация. стр. 32. ISBN 978-92-5-102877-3.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
8. P. Mohr, F. Kaeppeler и R. Gallino (2007). "Выживание самого редкого изотопа природы 180Ta в звездных условиях". Phys. Rev. C. 75 : 012802. arXiv : astro-ph/0612427 . doi : 10.1103/PhysRevC.75.012802. S2CID  44724195.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
9. Planck Collaboration (2016). "Planck 2015 results. XIII. Cosmological settings (See Table 4 on page 31 of pfd)". Astronomy & Astrophysics . 594 : A13. arXiv : 1502.01589 . Bibcode :2016A&A...594A..13P. doi :10.1051/0004-6361/201525830. S2CID  119262962.
10. Оди, Жорж; Берсильон, Оливье; Блашо, Жан; Вапстра, Олдерт Хендрик (2003), «Оценка ядерных и распадающихся свойств с помощью NUBASE», Nuclear Physics A , 729 : 3–128, Bibcode : 2003NuPhA.729....3A, doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001
11. Дворницкий, Р.; Шимкович, Ф. (13–16 июня 2011 г.). «Второй уникальный запрещенный β-распад ¹¹⁵ In и масса нейтрино». AIP Conf. Proc . Труды конференции AIP. 1417 (33): 33. Bibcode :2011AIPC.1417...33D. doi :10.1063/1.3671032.
12. Bosch, F.; Faestermann, T.; Friese, J.; et al. (1996). "Наблюдение связанного состояния β ⁻ распада полностью ионизированного ¹⁸⁷ Re: ¹⁸⁷ Re- ¹⁸⁷ Os Cosmochronometry". Physical Review Letters . 77 (26): 5190–5193. Bibcode :1996PhRvL..77.5190B. doi :10.1103/PhysRevLett.77.5190. PMID  10062738.
13. Belli, P.; et al. (2007). «Поиск α-распада природного европия». Nuclear Physics A. 789 ( 1–4): 15–29. Bibcode : 2007NuPhA.789...15B. doi : 10.1016/j.nuclphysa.2007.03.001.
14. Casali, N.; Nagorny, SS; Orio, F.; Pattavina, L.; et al. (2014). "Открытие распада α-излучения ¹⁵¹ Eu". Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics . 41 (7): 075101. arXiv : 1311.2834 . Bibcode :2014JPhG...41g5101C. doi :10.1088/0954-3899/41/7/075101. S2CID  116920467.
15. Дюме, Белль (2003-04-23). ​​«Висмут побил рекорд периода полураспада для альфа-распада». Physicsweb.
16. Marcillac, Pierre de; Noël Coron; Gérard Dambier; Jacques Leblanc; Jean-Pierre Moalic (апрель 2003 г.). «Экспериментальное обнаружение α-частиц при радиоактивном распаде природного висмута». Nature . 422 (6934): 876–878. Bibcode :2003Natur.422..876D. doi :10.1038/nature01541. PMID  12712201. S2CID  4415582.