График зависимости нейтронов от протонов в нуклидах
Таблица или диаграмма нуклидов — это двумерный график изотопов элементов , в котором одна ось представляет количество нейтронов (символ N ) , а другая — количество протонов (атомный номер, символ Z ) в атомном ядре . . Таким образом, каждая точка на графике представляет собой нуклид известного или гипотетического химического элемента . Эта система упорядочения нуклидов может дать лучшее представление о характеристиках изотопов, чем более известная таблица Менделеева , в которой показаны только элементы, а не их изотопы. Диаграмма нуклидов также известна как диаграмма Сегре , в честь итальянского физика Эмилио Сегре . [1]
Описание и полезность
Диаграмма или таблица нуклидов отображает ядерное или радиоактивное поведение нуклидов, поскольку в ней различаются изотопы элемента. Это контрастирует с периодической таблицей, которая лишь отображает их химическое поведение, поскольку изотопы (нуклиды, являющиеся вариантами одного и того же элемента) химически не различаются в сколько-нибудь существенной степени, за исключением водорода. На диаграммах нуклидов нуклиды упорядочены по оси X по количеству нейтронов и по оси Y по количеству протонов , вплоть до границ нейтронных и протонных линий капель . 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 Зильманн-Эггеберт и Герда Пфенниг опубликовали первое издание карты нуклидов Карлсруэ . Ее 7-е издание вышло в свет в 2006 году. Сегодня существует несколько карт нуклидов, четыре из которых имеют широкое распространение: Карта нуклидов Карлсруэ, Страсбургская универсальная карта нуклидов, Карта нуклидов Японского агентства по атомной энергии (JAEA). и диаграмма нуклидов из Лаборатории атомной энергии Ноллса в США. [4] Он стал основным инструментом ядерного сообщества.
Тенденции в карте нуклидов
Тенденции в этом разделе относятся к следующей диаграмме, на которой показано увеличение Z вправо и увеличение N вниз, что представляет собой поворот на 90 ° по часовой стрелке приведенных выше диаграмм с альбомной ориентацией.
Периоды полураспада изотопов. Более темная область более стабильного изотопа отходит от линии протонов ( Z ) = нейтронов ( N ), поскольку число элемента Z становится больше.
Изотопы — это нуклиды с одинаковым количеством протонов, но разным количеством нейтронов; то есть они имеют одинаковый атомный номер и, следовательно, являются одним и тем же химическим элементом . Изотопы соседствуют друг с другом по вертикали. Примеры включают 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. Примеры включают углерод-14, азот-15 и кислород-16 в таблице выше.
Изобары — это нуклиды с одинаковым количеством нуклонов (т.е. массовым числом), но разным количеством протонов и нейтронов. Изобары соседствуют друг с другом по диагонали от нижнего левого угла к верхнему правому. Примеры включают углерод-14, азот-14 и кислород-14 в таблице выше.
Изодиаферы — это нуклиды с одинаковой разницей между числом нейтронов и протонов ( N — Z ). Как и изобары, они следуют диагональным линиям, но под прямым углом к линиям изобар (от верхнего левого угла к нижнему правому). Примеры включают бор-10, углерод-12 и азот-14 (поскольку N – Z = 0 для каждой пары) или бор-12, углерод-14 и азот-16 (поскольку N – Z = 2 для каждой пары). .
За линией стекания протонов в правом верхнем углу нуклиды распадаются за счет испускания протонов . Капельные линии установлены только для некоторых элементов.
Остров стабильности — это гипотетическая область в верхнем правом скоплении нуклидов, содержащая изотопы, гораздо более стабильные, чем другие трансурановые элементы .
Не существует стабильных нуклидов, имеющих равное количество протонов и нейтронов в ядрах с атомным номером более 20 (т.е. кальций ), как можно легко увидеть на диаграмме. Ядрам с большим атомным номером для стабильности требуется избыток нейтронов.
Единственными стабильными нуклидами, имеющими нечетное количество протонов и нечетное количество 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 по той же изобарной цепочке, поэтому большинство из них неустойчивы к бета-распаду .
Стабильные нуклиды с массовыми числами 5 или 8 отсутствуют. Есть стабильные нуклиды со всеми остальными массовыми числами до 208 за исключением 147 и 151, которые представлены очень долгоживущими самарием-147 и европием-151 . ( Висмут-209 был признан радиоактивным в 2003 году, но с периодом полураспада 1,9×10 19 лет.)
За исключением пары теллур-123 и сурьма-123 , нечетные массовые числа никогда не представлены более чем одним стабильным нуклидом. Это связано с тем, что масса-энергия является выпуклой функцией атомного номера, поэтому все нуклиды в нечетной изобарной цепочке, кроме одного, имеют соседа с более низкой энергией, от которого они могут распасться путем бета-распада. См. правило изобары Маттауха . ( Ожидается, что 123 Te распадется до 123 Sb, но период полураспада оказывается настолько длительным, что распад никогда не наблюдался.)
Не существует стабильных нуклидов с атомным номером более Z = 82 ( свинец ) [5] , хотя висмут ( Z = 83) стабилен для всех практических человеческих целей, а торий ( Z = 90) и уран ( Z = 92) достаточно долгоживущие и встречаются 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 разных представления данных: два набора «сегментированных таблиц» и одна «унифицированная таблица (все элементы)». Унифицированная таблица позволяет легко визуализировать тенденции количества протонов/нейтронов, но требует одновременной горизонтальной и вертикальной прокрутки. Сегментированные таблицы позволяют упростить исследование конкретного химического элемента с меньшими затратами на прокрутку. Предусмотрены ссылки для быстрого перехода между различными разделами.
В приведенной ниже таблице нуклидов показаны нуклиды (часто условно 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 по возрастанию атомных номеров слева направо и по возрастанию числа нейтронов сверху вниз.
Цвет ячейки обозначает период полураспада каждого нуклида; если граница присутствует, ее цвет указывает период полураспада наиболее стабильного ядерного изомера . В графических браузерах у каждого нуклида также есть подсказка, указывающая период его полураспада. Каждый цвет представляет определенный диапазон продолжительности периода полураспада, а цвет границы указывает период полураспада его состояния ядерного изомера. Некоторые нуклиды имеют несколько ядерных изомеров, и в этой таблице указан тот, у которого самый длинный 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 элементов — это экспериментально определенные линии протонов и нейтронов .
Фрагмент таблицы нуклидов, изображенный на памятнике перед Центром новых технологий Варшавского университета , с четырьмя элементами, названными польскими учеными или в их честь, указанными в названии («включая Po , Ra , Cm , Cn ») и под таблицей: полоний ( 84 Po) открыт в 1898 г. радий ( 88 Ra) открыт в 1898 г. Кюрий ( 96 Cm) открыт в 1944 г. Коперниций ( 112 Cn) открыт в 1996 г.
Рекомендации
^ Дж. Бирн (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
^ «Что мы делаем: Таблица нуклидов». Лаборатория атомной энергии Ноллса. Архивировано из оригинала 18 октября 2016 года . Проверено 14 мая 2009 г.
^ Холден, Справочник CRC по химии и физике, 90-е издание, §11
^ Данные для этих таблиц были получены из Брукхейвенской национальной лаборатории , у которой есть интерактивная таблица нуклидов с данными примерно по 3000 нуклидам.
Внешние ссылки
Викискладе есть медиафайлы по теме «Диаграмма нуклидов» .
Карта нуклидов 2014 г. (Японское агентство по атомной энергии)
