Четные и нечетные атомные ядра
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( июль 2016 г. ) |
| Ядерная физика |
|---|
 |
В ядерной физике свойства ядра зависят от четности или нечетности его атомного номера (числа протонов) Z , числа нейтронов N следовательно, их суммы — массового числа А. и , Самое главное, что нечетность как Z, так и N имеет тенденцию снижать энергию связи ядра , что делает нечетные ядра в целом менее стабильными. Этот эффект не только наблюдается экспериментально, но включен в полуэмпирическую формулу массы и объясняется некоторыми другими ядерными моделями , такими как модель ядерной оболочки . Эта разница в энергии связи между соседними ядрами, особенно нечетными А- изобарами , имеет важные последствия для бета-распада .
Ядерный спин равен нулю для ядер с четным Z и четным N, целому числу для всех ядер с четным A и нечетному полуцелому числу для всех с нечетным A. ядер
| Даже | Странный | Общий | |
|---|---|---|---|
| Стабильный | 150 | 101 | 251 |
| Долговечный | 26 | 9 | 35 |
| Все первозданное | 176 | 110 | 286 |
Отношение нейтрон -протонов — не единственный фактор, влияющий на ядерную стабильность. Добавление нейтронов к изотопам может изменить их ядерные спины и формы ядер, вызывая различия в захвата нейтронов сечениях , а также в свойствах гамма-спектроскопии и ядерного магнитного резонанса . Если присутствует слишком много или слишком мало нейтронов по отношению к оптимальной энергии связи ядра , ядро становится нестабильным и подвержено определенным типам ядерного распада . Нестабильные нуклиды с неоптимальным количеством нейтронов или протонов распадаются путем бета-распада (включая распад позитрона), захвата электронов или другими способами, такими как спонтанное деление и кластерный распад .
Четное массовое число
[ редактировать ]Нуклиды с четными массами, составляющие 150/251 = ~60% всех стабильных нуклидов, являются бозонами , т. е. имеют целый спин . 145 из 150 представляют собой нуклиды с четными протонами и четными нейтронами (EE), которые обязательно имеют спин 0 из-за спаривания. Остальная часть стабильных бозонных нуклидов представляет собой пять стабильных нуклидов с нечетными протонами и нечетными нейтронами ( 2
1 час
, 6
3 Ли
, 10
5 Б
, 14
7 Н
и 180 м
73 Та
), все они имеют ненулевой целочисленный спин.
Эффекты сопряжения
[ редактировать ]| п, н | ЭЭ | оо | ЭО | ТЫ | Общий |
|---|---|---|---|---|---|
| Стабильный | 145 | 5 | 53 | 48 | 251 |
| Долговечный | 22 | 4 | 4 | 5 | 35 |
| Все первозданное | 167 | 9 | 57 | 53 | 286 |
Бета-распад четно-четного ядра дает нечетно-нечетное ядро, и наоборот. Четное число протонов или нейтронов более стабильно (более высокая энергия связи ) из-за эффектов спаривания , поэтому четно-четные ядра гораздо более стабильны, 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 меньшей энергией, поскольку распад происходит один шаг за раз. должен был бы пройти через нечетное-нечетное ядро более высокой энергии. Двойной бета-распад напрямую от четного-четного к четному-четному с пропуском нечетно-нечетного нуклида возможен лишь изредка, да и то с периодом полураспада , более чем в миллиард раз превышающим возраст Вселенной . Например, двойной бета-излучатель 116
компакт-диск
имеет период полураспада 2,9 × 10 19 годы. Это приводит к увеличению количества стабильных четно-четных нуклидов: некоторые массовые числа имеют два стабильных нуклида, а некоторые элементы (атомные номера) имеют целых семь .
Например, чрезвычайная стабильность гелия-4 из-за двойной пары 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 результате Большого взрыва. нуклеосинтез ; только у звезд для этого достаточно времени (см. процесс тройного альфа ). Это также причина, почему 8
4 Будь
так быстро распадается на две альфа-частицы , что делает бериллий единственным моноизотопным элементом с четным номером .
Хоть протон, хоть нейтрон
[ редактировать ]Существует 145 стабильных четно-четных нуклидов, что составляет ~ 58% из 251 стабильного нуклида. Также существует 22 первичных долгоживущих четно-четных нуклида. В результате многие из 41 четного элемента от 2 до 82 имеют множество первичных изотопов . Половина этих четных элементов имеет шесть или более стабильных изотопов. Самый легкий стабильный четно-четный изотоп — 4
2 Он
и самый тяжелый 208
82 Пб
. Это также самые легкие и самые тяжелые из известных дважды магических нуклидов. [ 1 ] 208
82 Пб
является конечным продуктом распада 232
90 тыс.
, [ 2 ] первичный радионуклид с четным числом протонов и нейтронов. 238
9292У
— еще один примечательный первичный радионуклид 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 ( см. В разделе «Эффекты спаривания более подробную информацию »).
Нечетный протон, странный нейтрон
[ редактировать ]Только пять стабильных нуклидов содержат как нечетное число протонов, так и нечетное число нейтронов. Первые четыре «нечетных» нуклида встречаются в нуклидах малой массы, для которых замена протона на нейтрон или наоборот привела бы к очень однобокому соотношению протон-нейтрон ( 2
1 час
, 6
3 Ли
, 10
5 Б
, и 14
7 Н
; спины 1, 1, 3, 1). Все четыре из этих изотопов имеют одинаковое количество протонов и нейтронов, и все они имеют нечетное число их ядерного спина . Единственный другой наблюдательно «стабильный» нечетно-нечетный нуклид - это 180 м
73 Та
(спин 9), единственный первичный ядерный изомер , распад которого, несмотря на экспериментальные попытки, еще не наблюдался. [ 5 ] Кроме того, четыре долгоживущих радиоактивных нечетно-нечетных нуклида ( 40
19 К
– наиболее распространенный радиоизотоп в организме человека, [ 6 ] [ 7 ] 50
23 В
, 138
57 дней
, 176
71 Пн
со спинами 4, 6, 5, 7 соответственно) возникают естественным путем. Как и в случае 180 м
73 Та
распад высокоспиновых нуклидов путем бета-распада (включая захват электрона ), гамма-распада или внутренней конверсии сильно тормозится, если возможен единственный распад между изобарными нуклидами (или в случае 180 м
73 Та
между ядерными изомерами одного и того же нуклида) предполагает изменение спина, кратное 1 единице, «предпочтительное» изменение спина, которое связано с быстрым распадом. Это высокоспиновое ингибирование распада является причиной образования пяти тяжелых стабильных или долгоживущих нуклидов с нечетными протонами и нечетными нейтронами, обсуждавшихся выше. В качестве примера этого эффекта, если вычесть эффект вращения, тантал-180, нечетно-нечетный низкоспиновый (теоретический) продукт распада первичного тантала-180m, сам по себе имеет период полураспада всего около одиннадцати часов. [ 8 ]
Известно множество нечетных-нечетных радионуклидов (например, тантала-180) со сравнительно коротким периодом полураспада. Почти всегда они распадаются путем положительного или отрицательного бета-распада с образованием стабильных четно-четных изотопов, имеющих спаренные протоны и спаренные нейтроны. В некоторых нечетных-нечетных радионуклидах, где отношение протонов к нейтронам не является ни чрезмерно большим, ни чрезмерно малым (т. е. слишком далеко от отношения максимальной стабильности), этот распад может происходить в любом направлении, превращая протон в нейтрон, или наоборот. Примером является 64
29 у.е.
, который может распадаться либо путем испускания позитронов до 64
28 Ни
, или путем электронной эмиссии в 64
30 Зн
.
Из девяти первичных нечетно-нечетных нуклидов (пять стабильных и четыре радиоактивных с длительным периодом полураспада) только 14
7 Н
является наиболее распространенным изотопом общего элемента. Это происходит потому, что захват протона 14
7 Н
является лимитирующей стадией цикла CNO-I . Нуклиды 6
3 Ли
и 10
5 Б
представляют собой второстепенные изотопы элементов, которые сами по себе редки по сравнению с другими легкими элементами, в то время как остальные шесть изотопов составляют лишь небольшой процент естественного содержания их элементов. Например, 180 м
73 Та
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 связано с тем, что одиночный неспаренный нейтрон и неспаренный протон имеют большее ядерное притяжение друг к другу, если их спины выровнены (с общим вращением не менее 1 единицы), а не противонаправлены. См. в дейтерии простейший случай такого ядерного поведения .
Нечетное массовое число
[ редактировать ]Для данного нечетного массового числа существует ровно один бета-стабильный нуклид . Нет разницы в энергии связи между четно-нечетным и нечетно-четным, сравнимой с разницей между четно-четным и нечетно-нечетным, что оставляет другие нуклиды с тем же массовым числом ( изобарами ) свободными для бета-распада в сторону нуклида с наименьшей массой. Для массовых чисел 147, 151 и 209+ наблюдалось, что бета-стабильная изобара этого массового числа подвергается альфа-распаду . (Теоретически, массовые числа от 143 до 155, от 160 до 162 и 165+ также могут альфа-распад.) Это дает в общей сложности 101 стабильный нуклид с нечетными массовыми числами. Есть еще девять радиоактивных первичных нуклидов (которые по определению имеют относительно длительный период полураспада, более 80 миллионов лет) с нечетными массовыми числами.
Нуклиды с нечетными массовыми числами являются фермионами , то есть имеют полуцелый спин . Вообще говоря, поскольку нуклиды с нечетными массовыми числами всегда имеют четное количество нейтронов или протонов, частицы с четными номерами обычно образуют часть «ядра» ядра с нулевым спином. Неспаренный нуклон с нечетным номером (будь то протон или нейтрон) отвечает за ядерный спин, который представляет собой сумму 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 с нечетным нейтроном и четным протоном, которые более подробно обсуждаются ниже.
Нечетный протон, четный нейтрон
[ редактировать ]Эти 48 стабильных нуклидов, стабилизированных четным числом парных нейтронов, образуют большую часть стабильных изотопов нечетных элементов; остальные составляют очень немногие нечетно-нечетные нуклиды. Существует 41 нечетный элемент с Z = от 1 до 81, из которых 30 (включая водород, поскольку ноль — четное число ) имеют один стабильный нечетно-четный изотоп, элементы технеций (
43 Тк
) и прометий (
18:00
) не имеют стабильных изотопов, а девять элементов: хлор (
17 кл
),
калий (
19 К
),
медь (
29 у.е.
),
галлий (
31 млрд лет
),
бром (
3535Br
),
серебро (
47 Аг
),
сурьма (
51 Сб
),
иридий (
77 ИК
) и таллий (
81 Тл
), имеют по два нечетно-четных стабильных изотопа. Всего получается 30×1 + 9×2 = 48 стабильных нечетно-четных изотопов. Самый легкий пример нуклида этого типа — 1
1 час
(протий), поскольку ноль — четное число , а самый тяжелый пример — 205
81 Тл
. Существует также пять первичных долгоживущих радиоактивных нечетно-четных изотопов: 87
37 руб.
, [ 9 ] 115
4949В
, [ 10 ] [ 11 ] 187
75 Ре
, [ 12 ] 151
63 евро
, [ 13 ] [ 14 ] и 209
83 Как
. [ 15 ] [ 16 ] Лишь недавно было обнаружено, что последние два подвергаются альфа-распаду с периодом полураспада более 10. 18 годы.
Четный протон, нечетный нейтрон
[ редактировать ]| Разлагаться | Период полураспада | |
|---|---|---|
| 113 48 компакт-дисков |
бета | 7.7 × 10 15 а |
| 147 62 см |
альфа | 1.06 × 10 11 а |
| 235 9292У |
альфа | 7.04 × 10 8 а |
Эти 53 стабильных нуклида имеют четное количество протонов и нечетное количество нейтронов. По определению, все они являются изотопами четных Z- элементов, причем их меньшинство по сравнению с четно-четными изотопами, которых примерно в 3 раза больше. Среди 41 элемента с четным Z , имеющим стабильный нуклид, только два элемента (аргон и церий) не имеют четно-нечетных стабильных нуклидов. У одного элемента (олова) их три. Существует 24 элемента, имеющих один четно-нечетный нуклид, и 13 элементов, имеющих два четно-нечетных нуклида. Самый легкий пример нуклида этого типа — 3
2 Он
и самый тяжелый 207
82 Пб
.
Из 34 первичных радионуклидов существует три четно-нечетных нуклида (см. таблицу справа), включая делящийся 235
9292У
. Из-за нечетного числа нейтронов четно-нечетные нуклиды имеют тенденцию иметь большие захвата нейтронов сечения из-за энергии, возникающей в результате эффектов спаривания нейтронов.
Эти стабильные нуклиды с четными протонами и нечетными нейтронами, как правило, необычны по распространенности в природе, как правило, потому, что для того, чтобы сформироваться и внести свой вклад в первичное содержание, они должны были избежать захвата нейтронов, чтобы сформировать еще другие стабильные четно-четные изотопы, во время как s-процесс и r-процесс захвата нейтронов при нуклеосинтезе в звездах. По этой причине только 195
78 баллов
и 9
4 Будь
являются наиболее распространенными в природе изотопами своего элемента, первые лишь с небольшим отрывом, а вторые только потому, что ожидаемый бериллий-8 имеет более низкую энергию связи , чем две альфа-частицы , и поэтому немедленно альфа-распадает .
Нечетное число нейтронов
[ редактировать ]| Н | Даже | Странный |
|---|---|---|
| Стабильный | 193 | 58 |
| Долговечный | 27 | 8 |
| Все первозданное | 220 | 66 |
Актиниды с нечетным числом нейтронов обычно делятся (с тепловыми нейтронами ), а актиниды с четными числами нейтронов, как правило, нет, хотя они способны делиться быстрыми нейтронами .
Только 9
4 Будь
, 14
7 Н
, и 195
78 баллов
имеют нечетное число нейтронов и являются наиболее распространенным в природе изотопом своего элемента.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Бланк, Б.; Риган, PH (2000). «Магические и дважды магические ядра» . Новости ядерной физики . 10 (4): 20–27. дои : 10.1080/10506890109411553 . S2CID 121966707 .
- ^ А. Ю. Смирнов; В.Д. Борисевич; А. Сулаберидзе (июль 2012 г.). «Оценка удельной стоимости получения изотопа свинца-208 газовыми центрифугами из различного сырья». Теоретические основы химической технологии . 46 (4): 373–378. дои : 10.1134/S0040579512040161 . S2CID 98821122 .
- ^ Макклейн, Делавэр; Миллер, AC; Калинич, Дж. Ф. (20 декабря 2007 г.). «Состояние проблем со здоровьем по поводу военного использования обедненного урана и суррогатных металлов в бронебойных боеприпасах» (PDF) . НАТО . Архивировано из оригинала (PDF) 19 апреля 2011 года . Проверено 14 ноября 2010 г.
- ^ Аревало, Рикардо; Макдонаф, Уильям Ф.; Луонг, Марио (2009). «Отношение KU силикатной Земли: понимание состава, структуры и термической эволюции мантии». Письма о Земле и планетологии . 278 (3–4): 361–369. Бибкод : 2009E&PSL.278..361A . дои : 10.1016/j.epsl.2008.12.023 .
- ^ Хульт, Микаэль; Элизабет Вислендер, JS; Мариссенс, Герд; Гаспарро, Жоэль; Вятен, Уве; Мисиашек, Марцин (2009). «Поиск радиоактивности 180mTa с помощью подземного сэндвич-спектрометра HPGe». Прикладное излучение и изотопы . 67 (5): 918–21. дои : 10.1016/j.apradiso.2009.01.057 . ПМИД 19246206 .
- ^ «Радиация и радиоактивный распад. Радиоактивное тело человека» . Демонстрации лекций по естественным наукам в Гарварде . Проверено 2 июля 2016 г.
- ^ Винтерингем, FP W; Эффекты, Постоянный комитет ФАО по радиации, Отдел освоения земель и водных ресурсов, Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций (1989). Радиоактивные осадки в почвах, сельскохозяйственных культурах и продуктах питания: общий обзор . Продовольственная и сельскохозяйственная организация. п. 32. ISBN 978-92-5-102877-3 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ П. Мор, Ф. Кеппелер и Р. Галлино (2007). «Выживание редчайшего в природе изотопа 180Ta в звездных условиях». Физ. Преподобный С. 75 : 012802. arXiv : astro-ph/0612427 . дои : 10.1103/PhysRevC.75.012802 . S2CID 44724195 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Сотрудничество Планка (2016). «Результаты Планка 2015. XIII. Космологические параметры (см. Таблицу 4 на стр. 31 п.п.м.)». Астрономия и астрофизика . 594 : А13. arXiv : 1502.01589 . Бибкод : 2016A&A...594A..13P . дои : 10.1051/0004-6361/201525830 . S2CID 119262962 .
- ^ Ауди, Жорж; Берсильон, Оливье; Блашо, Жан; Вапстра, Аалдерт Хендрик (2003), « Оценка NUBASE свойств ядра и распада» , Nuclear Physics A , 729 : 3–128, Бибкод : 2003NuPhA.729....3A , doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11 .001
- ^ Дворницкий Р.; Шимкович, Ф. (13–16 июня 2011 г.). «Второй уникальный запрещенный β-распад 115 In и масса нейтрино». AIP Conf. Proc . AIP Conference Proceedings. 1417 (33): 33. Bibcode : 2011AIPC.1417...33D . doi : 10.1063/1.3671032 .
- ^ Бош, Ф.; Фастерманн, Т.; Фризе, Дж.; и др. (1996). «Наблюдение связанного состояния β − распад полностью ионизированного 187 Ре: 187 повторно 187 Os Cosmochronometry». Physical Review Letters . 77 (26): 5190–5193. Bibcode : 1996PhRvL..77.5190B . doi : 10.1103/PhysRevLett.77.5190 . PMID 10062738 .
- ^ Белли, П.; и др. (2007). «Поиски α-распада природного европия». Ядерная физика А . 789 (1–4): 15–29. Бибкод : 2007НуФА.789...15Б . doi : 10.1016/j.nuclphysa.2007.03.001 .
- ^ Казали, Н.; Нагорный, СС; Орио, Ф.; Паттавина, Л.; и др. (2014). «Открытие 151 Распад Eu α». Журнал физики G: Ядерная физика и физика элементарных частиц . 41 (7): 075101. arXiv : 1311.2834 . Bibcode : 2014JPhG...41g5101C . doi : 10.1088/0954-3899/41/7/075101 . S2CID 116920467 .
- ^ Дюме, Белль (23 апреля 2003 г.). «Висмут бьет рекорд периода полураспада альфа-распада» . Физикавеб.
- ^ Марсильяк, Пьер де; Ноэль Корон; Жерар Дамбье; Жак Леблан; Жан-Пьер Моалик (апрель 2003 г.). «Экспериментальное обнаружение α-частиц радиоактивного распада природного висмута». Природа . 422 (6934): 876–878. Бибкод : 2003Natur.422..876D . дои : 10.1038/nature01541 . ПМИД 12712201 . S2CID 4415582 .