Содержание

1. Определение

2. Общее описание нуклидов (Nuclide)

- изотопы

- изобары

3. Классификация радионуклидов

4. Таблица нуклидов (Nuclide)

1. Определение

Нуклид (Nuclide) - общее название атомных ядер (и атомов), характеризующихся числом протонов в ядре Z, числом нейтронов N и общим числом нуклонов A = Z + N, которое называется массовым числом. Обозначается химическим символом Н с индексами. Радиоактивные ядра и атомы называются нуклидами (Nuclide).

Нуклид (Nuclide) - любое атомное ядро с заданным числом протонов Z и нуклонов A (массовое число). Обозначается символом химического элемента с индексами: A - слева наверху, Z - слева внизу, число нейтронов N=A-Z - справа внизу; например, 42He2. Нуклиды (Nuclide) с одинаковыми Z называются изотопами. Нуклиды (Nuclide), испытывающие радиоактивный распад, называются нуклидами.

Нуклид (Nuclide) - изотоп (физическое) ядро с определенным нуклонным составом, нуклид (Nuclide).

Нуклиды (Nuclide) - атомы, различающиеся числом нуклонов в ядре или, при одинаковом числе нуклонов, содержащие разное число протонов или нейтронов.

Радионуклид — вид атомов, характеризующийся определёнными массовым числом, атомным номером и энергетическим состоянием их ядер, и имеющий время жизни, достаточное для наблюдения.

2. Общее описание радионуклидов

Из определения нуклида (Nuclide) следует, что это совокупность одинаковых атомов с определённым числом протонов (Z) и нейтронов (N), с ядром, находящимся в определённом энергетическом состоянии (основном состоянии или одном из изомерных состояний). Сумма A = Z + N представляет собой массовое число, а число протонов Z — атомный номер. Для обозначения радионуклида элемента (E) используют запись вида: , причём индексы Z и N могут опускаться. Распространённым является обозначение E-A (например, углерод-12, уран-238). Для нуклидов (Nuclide), представляющих собой метастабильные возбуждённые состояния (изомеры), используют букву m в верхнем правом индексе, например 180Tam. Если существует более одного возбуждённого изомерного состояния с данными A и Z, то для них (в порядке возрастания энергии) используют индексы m1, m2 и т. д. либо последовательность букв m, n, p, q,…

Нуклиды (Nuclide), имеющие одинаковый атомный номер (обладающие одинаковым числом протонов) называются изотопами, нуклиды (Nuclide) различных элементов с одинаковыми значениями А - изобарами. Применение термина изотоп в единственном числе вместо термина радионуклид хотя и, строго говоря, неверно, однако широко распространено. Относительная атомная масса нуклида (Nuclide) округлённо равна его массовому числу, только для углерода-12 она по определению совершенно точно равна 12.

- изотопы

Ряд важных для практики изотопов химических элементов обладает собственными названиями. Некоторые из них устарели, но иногда ещё используются.

Изотопы водорода:

Протий — 1H - название самого лёгкого изотопа водорода. Ядро протия состоит из одного протона, отсюда и название изотопа. Протий составляет 99,985 % от общего числа атомов водорода во Вселенной и является наиболее распространенным в природе среди изотопов всех химических элементов.

Дейтерий (D) — ²H - стабильный изотоп водорода с атомным весом, равной 2. Открыт в 1932 г. американским физико-химиком Г. Юри. Природное содержание — 0,0147 %.

Тритий (T) — ³H - (сверхтяжёлый водород) — радиоактивный изотоп водорода, получается в ядерных реакциях. Ядро трития состоит из протона и двух нейтронов. В природе образуется в верхних слоях атмосферы при соударении частиц космического излучения с ядрами атомов, например азота.

Изотопы углерода — физические формы углерода, шестого элемента в таблице Дмитрия Ивановича Менделеева, отличающиеся атомным весом, но имеющие близкие химические свойства. Благодаря работам У. Либби по радиоуглеродному анализу, получили применение для абсолютного датирования в археологии

Углерод имеет два стабильных изотопа — 12C и 13C и также известны 13 радиоактивных изотопов углерода (от 8C до 22C), из которых один — 14C — встречается в природе. Углерод — лёгкий элемент, и его изотопы значительно различаются по массе, а значит и по физическим свойствам, поэтому во многих природных процессах происходит их разделение — фракционирование.

Изотоп 12C называется легким, 13C - тяжелым, а 14C радиогенным. Легкий и тяжелый изотопы в значительно количестве образовались при формировании вещества Солнечной системы. Содержание этих изотопов в природном углероде равно соответственно 98,93 % и 1,07 %. Изотоп 14C образуется при облучении 14N нейтронами по следующей реакции:

n + 14N → 14C + 1H.

Изотопы цезия

Радиоактивный изотоп цезий-137 (период полураспада 32 года) используется в гамма-дефектоскопии, измерительной технике и при стерилизации пищевых продуктов (консервы, туши птиц и животных, мяса), а также для стерилизации медицинских препаратов и лекарств, в радиотерапии для лечения злокачественных опухолей. Также цезий-137 используется в производстве радиоизотопных источников тока, где он применяется в виде хлорида (плотность 3,9 г/см³, энерговыделение около 1,27 Вт/см³).Цезий-137 используется в датчиках предельных уровней сыпучих веществ в непрозрачных бункерах.

Изотоп цезий-133 используется в атомных часах.

- изобары

Изобары — радионуклиды, имеющие одинаковое массовое число; например, изобарами являются 40Ar, 40K, 40Ca. Хотя массовое число (т. е. число нуклонов) A = N + Z в ядрах-изобарах одинаково, числа протонов Z и нейтронов N различаются: , . Совокупность изотопов с одинаковым A, но разным Z называют изобарической цепочкой. В то время как массовое число изобаров одинаково, их атомные массы совпадают лишь приближённо. Зависимость атомного веса (или избытка массы) от Z в изобарической цепочке показывает направление возможных бета-распадов. Эта зависимость в первом приближении представляет собой параболу — сечение долины стабильности плоскостью A = const.

Те виды радиоактивного распада, которые не изменяют массовое число (бета-распад, двойной бета-распад, изомерный переход), переводят одно ядро-изобар в другое. Поскольку распады такого рода происходят в направлении уменьшения избытка массы, последовательность таких распадов заканчивается на ядре, представляющем энергетический минимум в данной изобарической цепочке (бета-стабильное ядро). Для ядер с чётным массовым числом таких локальных минимумов на изобарической цепочке может быть от 1 до 3, поскольку чётно-чётные ядра (Z и N чётны) благодаря энергии спаривания имеют бо́льшую энергию связи, чем нечётно-нечётные ядра с тем же массовым числом. Локальные минимумы отличаются зарядом ядра на 2 единицы ( ), поэтому прямые бета-переходы между основными состояниями таких ядер невозможны (бета-распад изменяет заряд ядра на единицу). Переходы из локальных минимумов цепочки в глобальный возможны лишь благодаря двойным бета-процессам, которые являются процессами второго порядка по константе связи слабого взаимодействия и поэтому сильно подавлены: периоды полураспада превышают 1019 лет. Таким образом, для нечётных A существует один бета-стабильный изобар, для чётных A — от одного до трёх. Если альфа-распад (и другие виды распада, изменяющие массовое число) для бета-стабильного изотопа запрещён или сильно подавлен, то этот изотоп присутствует в природной смеси изотопов.

3. Классификация радионуклидов

Нуклиды (Nuclide) делятся на стабильные и радиоактивные (нуклиды (Nuclide)).

У каждого элемента с четным Z (до Z = 82) существует 2 или более стабильных радионуклида, встречающихся в природе, у элементов с нечетными Z может бsnm 1 или самое большее 2 стабильных нуклида (Nuclide); у "нечетных" элементов Тс (Z = 43), Pm (Z = 61) и у всех "нечетных" элементов с Z>=85 стабильных нуклидов (Nuclide) нет, все радионуклиды радиоактивны. Всего стабильных радионуклидов около 270; из всех нуклидов около 50 встречаются в природе, остальные нуклиды (около 1700) получены искусственно. В настоящее время нуклиды (Nuclide) известны практически у всех элементов.

Стабильные радионуклиды не испытывают спонтанных радиоактивных превращений из основного состояния ядра.

Нуклиды путём радиоактивных превращений переходят в другие нуклиды (Nuclide). В зависимости от типа распада, образуются либо другой нуклид (Nuclide) того же самого элемента (при нейтронном или двухнейтронном распаде), либо радионуклид другого элемента (распады, изменяющие заряд ядра без вылета нуклонов, т. е. бета-распад, электронный захват, позитронный распад, все виды двойного бета-распада), либо два или несколько новых нуклидов (Nuclide) (альфа-распад, протонный распад, кластерный распад, спонтанное деление).

Бета-распад — тип радиоактивного распада, обусловленного слабым взаимодействием и изменяющего заряд ядра на единицу. При этом ядро может излучать бета-частицу (электрон или позитрон). В случае испускания электрона он называется «бета-минус» (β−), а в случае испускания позитрона — «бета-плюс-распадом» (β+). Кроме β− и β+ -распадов, к бета-распадам относят также электронный захват, когда ядро захватывает атомный электрон. Во всех типах бета-распада ядро излучает электронное нейтрино (β+ -распад, электронный захват) или антинейтрино (β− -распад).

Электронный захват, e-захват — один из видов бета-распада атомных ядер. При электронном захвате один из протонов ядра захватывает орбитальный электрон и превращается в нейтрон, испуская электронное нейтрино. Заряд ядра при этом уменьшается на единицу. Массовое число ядра, как и во всех других видах бета-распада, не изменяется. Этот процесс характерен для протонноизбыточных ядер. Если энергетическая маржа между родительским и дочерним атомом (доступная энергия бета-распада) превышает 1,022 МэВ (удвоенную массу электрона), электронный захват всегда конкурирует с другим типом бета-распада, позитронным распадом. Например, рубидий-83 превращается в криптон-83 только посредством электронного захвата (доступная энергия около 0,9 МэВ), тогда как натрий-22 распадается в неон-22 посредством как электронного захвата, так и позитронного распада (доступная энергия около 2,8 МэВ).

Поскольку число протонов в ядре (т.е. заряд ядра) при электронном захвате уменьшается, этот процесс превращает ядро одного химического элемента в ядро другого элемента, расположенного ближе к началу таблицы Менделеева Дмитрия Ивановича.

Общая формула электронного захвата

Позитронный распад — тип бета-распада, также иногда называемый «бета-плюс-распад» (β+-распад), «дополнительный выпуск позитронов» или «позитронная дополнительный выпуск». В β+-распаде один из протонов ядра превращается посредством слабого взаимодействия в нейтрон, позитрон и электронное нейтрино. Многие изотопы испускают позитроны, в том числе углерод-11, азот-13, кислород-15, фтор-18, иод-121. Например, в следующем уравнении рассматривается превращение посредством β+-распада углерода-11 в бур-11 с испусканием позитрона e+ и электронного нейтрино νe:

Двойной бета-распад, 2β-распад, ββ-распад — общее название нескольких видов радиоактивного распада атомного ядра, которые обусловлены слабым взаимодействием и изменяют заряд ядра на две единицы. Двойной бета-распад в собственном смысле слова сопровождается увеличением заряда ядра на две единицы и излучением двух электронов:

Альфа-распад, вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испускание альфа-частицы. При этом массовое число уменьшается на 4, а атомный номер — на 2. Альфа-распад обычно происходит в тяжелых ядрах, где велико электростатическое отталкивание между протонами. Альфа-частица испытывает туннельный переход через кулоновский барьер в ядре, поэтому альфа-распад является существенно квантовым процессом. Поскольку вероятность туннельного эффекта зависит от высоты барьера экспоненциально, период полураспада альфа-активных ядер экспоненциально растёт с уменьшением энергии альфа-частицы (этот факт составляет содержание закона Гейгера-Неттола). При энергии альфа-частицы меньше 2 МэВ время жизни альфа-активных ядер существенно превышает время существования Вселенной. Поэтому, хотя большинство природных изотопов тяжелее церия в принципе способны распадаться по этому каналу, лишь для немногих из них такой распад действительно зафиксирован.

Кластерный распад — явление самопроизвольного испускания ядрами ядерных фрагментов (кластеров) тяжелее, чем α-частица.

В настоящее время экспериментально обнаружено 25 ядер от 114Ba до 241Аm (почти все они — тяжёлые), испускающих из основных состояний кластеры типа 14С, 20О, 24Ne, 26Ne, 28Mg, 30Mg, 32Si и 34Si.

Спонтанное деление — разновидность радиоактивного распада тяжёлых ядер. Спонтанное деление является делением ядра, происходящим без внешнего возбуждения, и выдаёт такие же продукты, как и вынужденное деление: два осколка и несколько нейтронов.

Спонтанное деление могут испытывать только ядра, содержащее большое количество протонов,

Среди нуклидов выделяются короткоживущие и долгоживущие. Нуклиды, существующие на Земле с момента её формирования, часто называют природными долгоживущими; такие радионуклиды имеют период полураспада, превышающий 5·108 лет. Для каждого элемента были искусственно получены нуклиды; для элементов с номером (т. е. числом протонов), близким к одному из «магических чисел», количество известных радионуклидов может доходить до нескольких десятков. Наибольшим количеством известных нуклидов (Nuclide) — по 34 — обладают платина и осмий (без учёта изомерных состояний). Некоторые элементы имеют лишь один стабильный нуклид (Nuclide) (например, золото и кобальт), а максимальным числом стабильных радионуклидов — 10 — обладает олово. У многих элементов все нуклиды (Nuclide) радиоактивны (все элементы, имеющие атомный номер больше, чем у свинца, а также технеций и прометий). Общее число известных нуклидов (Nuclide) всех элементов превышает 3100 (без учёта изомеров; на сегодня известно около 1000 радионуклидов в основных состояниях, для которых существуют одно или несколько метастабильных возбуждённых состояний с периодом полураспада, превышающим 0,1 мкс).

4. Таблица нуклидов (Nuclide)

Для систематики радионуклидов предложены различные графические формы; наибольшее распространение получила таблица нуклидов (Nuclide), разработанная учеными ФРГ.

Карты радионуклидов дают наглядную первичную информацию об основных характеристиках стабильных нуклидов (Nuclide) и свойствах распада радиоактивных ядер. Дальнейшие, более детальные сведения о характеристиках радионуклидов содержатся в различных специализированных сборниках и базах ядерных данных. Для их извлечения специалисты чаще всего используют сейчас компьютерную технику. Однако так же как электронные носители не отменили традиционную форму литературы в виде печатных книг, так и в атомной науке и технике по-прежнему сохраняют свое значение справочники и карты нуклидов (Nuclide). Благодаря им каждый желающий может быстро сориентироваться в огромном количестве радионуклидов (более 3000), ядерных изомеров, атомных масс, периодов полураспада и других характеристик. Краткая первичная информация из карты нуклидов (Nuclide) совершенно необходима экологам при анализе радиоактивных загрязнений окружающей среды, медикам – для оценки воздействия лечебных радиоактивных препаратов во времени и возможного наличия в них нежелательных примесей, и, конечно, в первую очередь, специалистам-ядерщикам – при анализе примесей в радионуклидных источниках, при планировании и проверке постоянно возникающих идей в отношении использования на практике тех или иных радиоактивных радионуклидов.

Эта таблица нуклидов (Nuclide) содержит все известные науке радионуклиды химических элементов. Количество протонов (атомный номер) увеличивается слева направо, а нейтронов — сверху вниз, то есть вертикальные столбцы включают все изотопы химического элемента, а горизонтальные строки — его изотоны.

Интересный факт: не существует стабильных или хотя бы долгоживущих радионуклидов с массовыми числами 5 и 8.

Информация об основных характеристиках нуклидов (Nuclide) содержится на карте в соответствующих нуклидных квадратах. В первой строке квадрата для всех радионуклидов указан символ химического элемента и массовое число радионуклида. Во второй строке дана массовая характеристика в энергетических единицах (миллионах электронвольт, МэВ). Это т.н. «избыток массы», разность между массой нуклида (Nuclide) и его массовым числом в энергетических единицах (по определению, для нейтрального атома углерода12 величина =0, отсюда одна массовая единица получается равной 931,4 МэВ). Для большинства нуклидов (Nuclide) величина отрицательна, лишь для радионуклидов с массовым числом она становится положительной. В третьей строке приведены квантовые характеристики основного состояния ядра – его спин и четность.

Если радионуклид обладает метастабильными возбужденными состояниями (изомерами) со временем жизни больше 1 мс, то их характеристики приводятся в том же квадрате. С этой целью нуклидный квадрат при наличии одного изомера делится на две половины, при наличии двух изомеров – на три части. В четвертой строке для радиоактивных нуклидов (Nuclide) приведена одна из самых важных характеристик ядерного распада – период полураспада нуклида. Для стабильных радионуклидов в этой строке дается процентное содержание радионуклида в природной смеси изотопов рассматриваемого химического элемента. В пятой строке для радиоактивных нуклидов (Nuclide) приведены виды ядерных превращений (распадов), которые они испытывают и др.). Для стабильных радионуклидов в этой строке дается сечение радиационного захвата тепловых нейтронов (сечение активации) в барнах.

Кроме указанных основных характеристик, размещенных в 5 строках, на оставшихся 4 строках квадратов для радиоактивных нуклидов (Nuclide) приводятся следующие дополнительные характеристики ядерного распада: полная энергия распада Q в килоэлектронвольтах (кэВ), средняя энергия бета-излучения в тех же единицах (в угловых скобках), энергии наиболее интенсивных альфа и гамма-излучений (также в кэВ).

Еще в 60-е годы прошлого века специалисты атомной науки и техники поняли, что одно или даже два измерения не обеспечивают достоверности используемого значения ядерной характеристики и правильную оценку ее погрешности. Необходимы измерения одной и той же ядерной характеристики в нескольких лабораториях с последующим определением «лучшего», наиболее достоверного значения и его погрешности в результате анализа, отбора, коррекции и статистической обработки опубликованных экспериментальных данных, проверки внутренней согласованности характеристик в рамках имеющихся теоретических моделей, балансовых соотношений и зависимостей. Эти дополнительные исследования получили название «оценки ядерных данных», и в настоящее время существуют обширные файлы оцененных данных, в том числе по характеристикам распада нуклидов. В то же время эти исследования продолжаются, и методы оценки совершенствуются, поскольку продолжается накопление более точных экспериментальных данных, далеко не всегда согласующихся друг с другом.

Таким образом, впервые для 5 важнейших нуклидных характеристик в информационных квадратах карты радионуклидов представлены оцененные значения с погрешностями, полученными из всей совокупности опубликованных экспериментальных данных.

Источники

Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия. 1990—1992.

Сивухин Д. В. Общий курс физики. — 3-e издание, стереотипное. — М.: Физматлит, 2002. — Т. V. Атомная и ядерная физика. — 784 с. — ISBN 5-9221-0230-3

Селинов И. П., Изотопы, т. 1 - 3, М., 1970; Схемы распада нуклидов (Nuclide). Энергия и интенсивность излучения, пер. с англ., ч. 1 - 2, М., 1987.

Астон Ф. Масс-спектры и изотопы. М., Физматгиз, 1948

Содди Ф. История атомной энергии. М., Атомиздат, 1979

Шемле М., Перье Ж. Разделение изотопов. М., Атомиздат, 1980

Изотопы. Свойства, получение, применение. Сб. статей под ред. В.Ю. Баранова. М., ИздАТ, 2000

Жданов В.М. Тайны разделения изотопов. М., МИФИ, 2004

Опубликовано на forexAW.com: Вторник, 20 Октябрь, 2009 года — 08:22.

Последнее редактирование: Среда, 23 Май, 2012 года — 22:17.