Нуклид

Нуклид нуклид (или — это класс атомов , , от ядра количеством протонов Z N , количеством нейтронов , также известный как ядерные виды ) характеризующийся и их ядерным энергетическим состоянием .

Слово «нуклид» было введено американским физиком-ядерщиком Трумэном П. Команом в 1947 году. Коман определил нуклид как «разновидность атома, характеризующуюся строением ядра», содержащую определенное количество нейтронов и протонов. Таким образом, этот термин первоначально был сосредоточен на ядре.

Нуклиды против изотопов

Нуклид — это разновидность атома с определенным количеством протонов и нейтронов в ядре, например углерод-13 с 6 протонами и 7 нейтронами. Концепция нуклида (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 — более старый термин, он более известен, чем нуклид , и до сих пор иногда используется в контекстах, в которых нуклиды могут быть более подходящими, например, ядерные технологии и ядерная медицина.

Виды нуклидов

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.

Обозначение	Характеристики	Пример	Примечания
изотопы	равное число протонов ( Z 1 = Z 2 )	12 6 С , 13 6 С , 14 6 С	см . захват нейтронов
Изотоны	равное число нейтронов ( N 1 = N 2 )	13 6 С , 14 7 Н , 15 8 О	см. захват протона
Изобары	равное массовое число (Z 1 + N 1 = Z 2 + N 2 )	17 7 Н , 17 8 О , 17 99F	увидеть бета-распад
изодиаферы	равный избыток нейтронов (N 1 - Z 1 = N 2 - Z 2 )	13 6 С , 15 7 Н , 17 8 О	Примерами являются изодиаферы с нейтронным избытком 1. Нуклид и продукт его альфа-распада – изодиаферы.
Зеркальные ядра	количество нейтронов и протонов поменялось местами (Z 1 = N 2 и Z 2 = N 1 )	3 1 час , 3 2 Он	см . эмиссию позитронов
Ядерные изомеры	одинаковое число протонов и массовое число, но с разными энергетическими состояниями	99 43 Тк , 99 м 43 Тк	m = метастабильный (долгоживущее возбужденное состояние)

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 изобарой (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. Название изотон е произошло от названия изотоп е , чтобы подчеркнуть, что в первой группе нуклидов число нейтронов (n) является постоянным, тогда как во второй — число протонов (р).

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
₄₃ Тк
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}
₇₃ Та
), период полураспада которого превышает 1000 триллионов лет. Этот нуклид существует изначально, и никогда не наблюдалось его распада в основное состояние. (Напротив, нуклид тантал-180 в основном состоянии не возникает изначально, поскольку он распадается с периодом полураспада всего 8 часов до ¹⁸⁰ Hf (86%) или ¹⁸⁰ В (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 . их Продукты распада («дочерние» продукты) называются радиогенными нуклидами .

Происхождение радионуклидов природного происхождения

Природные радионуклиды можно условно разделить на три типа. которых Во-первых, те, период полураспада t _1/2 составляет не менее 2% от возраста Земли ( для практических целей их трудно обнаружить с периодом полураспада менее 10% от возраста Земли) ( 4,6 × 10 ⁹ годы ). Это остатки нуклеосинтеза , произошедшего в звездах до образования Солнечной системы . Например, изотоп ²³⁸
В
(t _1/2 = 4,5 × 10 ⁹ лет ) урана все еще довольно много в природе, но короткоживущий изотоп ²³⁵
В
(t _1/2 = 0,7 × 10 ⁹ лет ) встречается в 138 раз реже. Было обнаружено около 34 из этих нуклидов ( см. В Списке нуклидов и Первичных нуклидах подробнее ).

Вторая группа радионуклидов, существующих в природе, состоит из радиогенных нуклидов, таких как ²²⁶
Солнце
(t _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, который не является простым спонтанным радиоактивным распадом (т. е. участвует только один атом без прибывающих частиц), а вместо этого включает естественную ядерную реакцию . Они возникают, 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 нуклеогенного ²³⁹
Мог
который до сих пор создается нейтронной бомбардировкой природных ²³⁸
В
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.

Искусственно полученные нуклиды

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.

Сводная таблица численности каждого класса нуклидов

Это сводная таблица 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.

Класс устойчивости	Количество нуклидов	Промежуточная сумма	Примечания о промежуточной сумме
Теоретически стабилен ко всему, кроме распада протона.	90	90	Включает первые 40 элементов. Распад протона еще предстоит наблюдать.
Энергетически неустойчив по отношению к одному или нескольким известным режимам распада, но распад пока не наблюдается. Спонтанное деление возможно для «стабильных» нуклидов, начиная с ниобия-93 ; другие механизмы возможны для более тяжелых нуклидов. Все считается «стабильным», пока не будет обнаружен распад.	161	251	Сумма классически стабильных нуклидов .
Радиоактивные первичные нуклиды .	35	286	Общее количество первичных элементов включает висмут , торий и уран , а также все стабильные нуклиды.
Радиоактивен (период полураспада > 1 часа). Включает наиболее полезные радиоактивные индикаторы .	619	905	Углерод-14 (и другие космогенные нуклиды, генерируемые космическими лучами ); дочери радиоактивных первичных элементов, таких как франций и т. д., и нуклеогенные нуклиды естественных ядерных реакций, отличных от реакций космических лучей (например, поглощение нейтронов в результате спонтанного ядерного деления или испускание нейтронов ). Также много синтетических нуклидов.
Радиоактивный синтетический (период полураспада < 1 часа).	>2400	>3300	Включает все хорошо изученные синтетические нуклиды.

Ядерные свойства и стабильность

Стабильность нуклидов по ( Z , N ) , пример таблицы нуклидов :
Черный – стабильный (все первозданные)
Красный – первичная радиоактивность.
Прочие – радиоактивные, с уменьшающейся стабильностью от оранжевого до белого.

Смотрите также: Стабильный нуклид

Атомные ядра, кроме водорода ¹
₁ час
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 отношение ³
₂ Он
составляет 1:2, нейтронно-протонное отношение ²³⁸
₉₂92У
больше 3:2. Ряд более легких элементов имеет стабильные нуклиды с соотношением 1:1 ( Z = N ). Нуклид ⁴⁰
₂₀ Калифорния
(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.

Четные и нечетные числа нуклонов

Основная статья: Четные и нечетные атомные ядра

Четные/нечетные Z , N и A

А	Даже		Странный		Общий
З , Н	ЭЭ	оо	ЭО	ТЫ
Стабильный	145	5	53	48	251
	150		101
Долговечный	22	4	4	5	35
	26		9
Все первозданное	167	9	57	53	286
	176		110

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 их суммы, массового числа A. и, следовательно , 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 A 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.

См. также

• Изотоп (гораздо больше информации о распространенности стабильных нуклидов)
• Список элементов по стабильности изотопов
• Список нуклидов (отсортированный по периоду полураспада)
• Таблица нуклидов
• Альфа-нуклид
• Моноизотопный элемент
• Мононуклидный элемент
• Первородный элемент
• Радионуклид
• Гиперядро

Внешние ссылки

• Таблица Менделеева в Керли
• Живая диаграмма - Таблица нуклидов в Международном агентстве по атомной энергии