Войти
В ядерной физике свойства ядра зависят от четности или нечетности его атомного число Z, нейтронное число N и, следовательно, их сумма, массовое число A. Наиболее важно то, что нечеткость как Z, так и N имеет тенденцию к снижению энергии связи ядра, делая нечетные ядра, как правило, менее стабильными. Этот эффект не только наблюдается экспериментально, но и включен в полуэмпирическую формулу массы и объясняется некоторыми другими ядерными моделями, такими как модель ядерной оболочки. Эта разница в энергии связи ядер между соседними ядрами, особенно нечетных A изобар, имеет важные последствия для бета-распада.
Кроме того, ядерный спин является целым числом (в основном 0) для всех ядер с четным A и нецелое число (полуцелое число) для всех ядер с нечетным A.
| Даже | Работа | Всего | |
|---|---|---|---|
| Стабильная | 151 | 101 | 252 |
| Долгоживущая | 25 | 9 | 34 |
| Все изначальные | 176 | 110 | 286 |
нейтронно-протонное отношение - не единственный фактор, влияющий на ядерную стабильность. Добавление нейтронов к изотопам может изменять их ядерные спины и формы ядер, вызывая различия в сечениях захвата нейтронов и гамма-спектроскопии и ядерного магнитного резонанса свойства. Если присутствует слишком много или слишком мало нейтронов относительно оптимума энергии связи ядра, ядро становится нестабильным и подвергается определенным типам ядерного распада. Нестабильные нуклиды с неоптимальным числом нейтронов или протонов распадаются посредством бета-распада (включая распад позитрона), захвата электрона или другими способами, такими как спонтанное деление и распад кластера.
Ядра с четным массовым числом относительно более стабильны. Нуклиды с четным массовым числом, которые составляют 151/252 = ~ 60% всех стабильных нуклидов, являются бозонами, т.е. они имеют целочисленный спин. 146 из 151 - это нуклиды с четными протонами и четными нейтронами (EE), которые обязательно имеют спин 0 из-за спаривания. Остальные стабильные бозонные нуклиды представляют собой 5 стабильных нуклидов с нечетными протонами и нечетными нейтронами (. 1H., . 3Li., . 5B., . 7N. и . 73Ta. ), все из которых имеют ненулевой целочисленный спин.
| p, n | EE | OO | EO | OE | Всего |
|---|---|---|---|---|---|
| Стабильный | 146 | 5 | 53 | 48 | 252 |
| Долгоживущие | 21 | 4 | 4 | 5 | 34 |
| Все изначальные | 167 | 9 | 57 | 53 | 286 |
Бета-распад четно-четного ядра дает нечетно-нечетное ядро, и наоборот. Четное число протонов или нейтронов более стабильны (более высокая энергия связи ) из-за эффектов спаривания, поэтому четно-четные ядра намного стабильнее, чем нечетно-нечетные. Один из эффектов - что существует несколько 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, потому что распад, происходящий постепенно, должен был бы проходят через нечетно-нечетное ядро с более высокой энергией. Двойной бета-распад непосредственно от четно-четного к четно-четному пропуску нечетно-нечетного нуклида возможен лишь изредка, и даже тогда с половиной -жизнь больше чем в миллиард раз возраст вселенной. Например, двойной бета-излучатель . Cd. имеет период полураспада 2,9 × 10 лет. Это приводит к большему количеству стабильных четно-четных нуклидов, причем некоторые массовые числа имеют два стабильных нуклида, а некоторые элементы (атомные номера) имеют целых семь.
Например, Чрезвычайная стабильность гелия-4 благодаря двойному спариванию 2 протонов и 2 нейтронов предотвращает существование каких-либо нуклидов, содержащих пять или восемь нуклонов, в течение достаточно длительного времени, чтобы они могли служить платформой для накопления более тяжелых элементов посредством ядерного синтеза в нуклеосинтез Большого взрыва ; только в звездах на это достаточно времени (см. процесс тройной альфы ).
Существует 146 стабильных четно-четных нуклидов, составляющих ~ 58% из 252 стабильных нуклидов. Существует также 21 первичный долгоживущий четно-четный нуклид. В результате многие из 41 элемента с четными номерами от 2 до 82 имеют множество первичных изотопов. Половина из этих четных элементов имеет шесть или более стабильных изотопов.
Все четно-четные нуклиды имеют спин 0 в основном состоянии из-за принципа исключения Паули (см. Эффекты парного соединения для более подробной информации.).
Только пять стабильных нуклидов содержат нечетное количество протонов и нечетное количество нейтронов. Первые четыре «нечетно-нечетных» нуклида встречаются в нуклидах с малой массой, для которых изменение протона на нейтрон или наоборот приведет к очень однобокому отношению протон-нейтрон (. 1H., . 3Li., . 5B. и . 7N. ; спины 1, 1, 3, 1). Единственный другой наблюдаемый «стабильный» нечетно-нечетный нуклид - это . 73Ta. (спин 9), единственный первичный ядерный изомер, распад которого еще не наблюдался, несмотря на экспериментальные попытки. Кроме того, в природе встречаются четыре долгоживущих радиоактивных нечетно-нечетных нуклида (. 19K., . 23V.,. 57La.,. 71Lu. ; спины 4, 6, 5, 7). Как и в случае. 73Ta. распада высокоспиновых нуклидов посредством бета-распада (включая захват электронов ), гамма-распада или внутренней конверсии значительно подавляется, если единственный возможный распад между нуклидами изобары (или, в случае. 73Ta., между ядерными изомерами одного и того же нуклида) включает в себя многократное изменение спина на 1 единицу, " предпочтительна «смена спина», связанная с быстрым распадом. Это высокоспиновое ингибирование распада является причиной пяти тяжелых стабильных или долгоживущих нуклидов с нечетными протонами и нечетными нейтронами, описанных выше. В качестве примера этого эффекта, когда спиновой эффект вычитается, тантал-180, нечетно-нечетный низкоспиновый (теоретический) продукт распада первичного тантала-180m, сам по себе имеет период полураспада всего около 8 часов.
Известно много нечетно-нечетных радионуклидов (например, тантал-180) со сравнительно коротким периодом полураспада. Почти всегда они распадаются в результате положительного или отрицательного бета-распада с образованием стабильных четно-четных изотопов, 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. Слишком далеко от отношения максимальной стабильности), этот распад может происходить в любом направлении, превращая протон в нейтрон, или наоборот. Примером является . 29Cu., который может распадаться либо излучением позитронов до . 28Ni., либо излучением электронов до . 30Zn..
. Из девяти первичных нечетно-нечетных нуклидов (пять стабильных и четыре радиоактивных с длительным периодом полураспада) только . 7N. является наиболее распространенным изотопом обычного элемента. Это так, потому что это часть цикла CNO. Нуклиды . 3Li. и . 5B. представляют собой меньшие изотопы элементов, которые сами по себе редки по сравнению с другими легкими элементами, в то время как другие шесть изотопов составляют лишь крошечный процент от естественного содержания их элементов. Например,. 73Ta. считается самым редким из 252 стабильных нуклидов..
Ни один из первичных (т.е. стабильных или почти стабильных) нечетно-нечетных нуклидов не имеет спина 0 в основном состоянии. Это происходит потому, что одиночный неспаренный нейтрон и неспаренный протон имеют большую ядерную силу притяжения друг к другу, если их спины выровнены (производя общий спин, по меньшей мере, 1 единица), а не анти-выровнены. См. дейтерий для простейшего случая такого ядерного поведения.
Для данного нечетного массового числа существует несколько бета-стабильных нуклидов, поскольку нет разницы в энергии связи между четно-нечетным и нечетно-четное сопоставимо с таковым между четно-четным и нечетно-нечетным, оставляя другие нуклиды с таким же массовым числом (изобары ) свободными для бета-распада в сторону нуклида с наименьшей массой. Для массовых чисел 5, 147, 151 и 209+ бета-стабильная изобара этого массового числа может альфа-распад. (Теоретически массовое число от 143 до 155, от 160 до 162 и 165+ также может быть альфа-распадом.) Это дает в общей сложности 101 стабильный нуклид с нечетными массовыми числами. Есть еще 9 радиоактивных первичных нуклидов (которые по определению имеют относительно длительный период полураспада, более 80 миллионов лет) с нечетными массовыми числами.
Нуклиды с нечетным массовым числом - это фермионы, то есть имеют полуцелое спин. Вообще говоря, поскольку нуклиды с нечетными массовыми числами всегда имеют четное число нейтронов или протонов, частицы с четными номерами обычно образуют часть «ядра» в ядре со спином нуля. Нуклон с нечетным номером (протоны или нейтроны) затем формирует второе ядро с нуклонами, спаренными, причем большая часть ядерного спина связана с орбитальным угловым моментом и спиновым угловым моментом последнего оставшегося нуклона. Всего 29 из 110 первичных нуклидов нечетной массы имеют спин 1/2, 30 - спин 3/2, 24 - спин 5/2, 17 - спин 7/2 и девять - спин 9/2.
Стабильные нуклиды с нечетным массовым числом делятся (примерно поровну) на нуклиды с нечетным протоном и четным нейтроном, и нуклиды с нечетным нейтроном и четным протоном, которые более подробно рассматриваются ниже.
Эти 48 стабильных нуклидов, стабилизированных их четным числом парных нейтронов, образуют большинство стабильных изотопов элементов с нечетными номерами; очень немногие странно-нечетные нуклиды составляют остальные. Имеется 41 элемент с нечетными номерами с Z = от 1 до 81, из которых 30 (включая водород, поскольку ноль является четным числом ) имеют один стабильный нечетно-четный изотоп, элементы технеций (. 43Tc.) и прометий (. 61Pm.) не имеют стабильных изотопов, а девять элементов: хлор (. 17Cl.), калий (. 19K.), медь (. 29Cu.), галлий (. 31Ga.), бром (. 35Br.), серебро (. 47Ag.), сурьма (. 51Sb.), иридий (. 77Ir.) и таллий (. 81Tl.), имеют по два нечетно-четных стабильных изотопа каждый. Всего получается 30 × 1 + 9 × 2 = 48 стабильных нечетно-четных изотопов. Есть также пять первичных долгоживущих радиоактивных нечетно-четных изотопов, . 37Rb., . 49In., . 75Re., . 63Eu. и . 83Bi.. Последние два были обнаружены только недавно, с периодом полураспада более 10 лет.
| Распад | Период полураспада | |
|---|---|---|
| . 48Cd. | бета | 7,7 × 10 a |
| . 62Sm. | альфа | 1,06 × 10 a |
| . 92U. | альфа | 7,04 × 10 a |
Эти 53 стабильных нуклида имеют четное число протонов и нечетное число нейтронов. По определению, все они являются изотопами четно-Z элементов, где их меньшинство по сравнению с четно-четными изотопами, которых примерно в 3 раза больше. Среди 41 элемента с четным Z, которые имеют стабильный нуклид, только два элемента (аргон и церий) не имеют четно-нечетных стабильных нуклидов. У одного элемента (олова) их три. 24 элемента имеют один четно-нечетный нуклид и 13 элементов имеют два нечетно-четных нуклида.
Из 34 первичных радионуклидов существует три четно-нечетных нуклида (см. Таблицу справа), включая делящийся . 92U.. Из-за их нечетного числа нейтронов четно-нечетные нуклиды имеют тенденцию иметь большие сечения захвата нейтронов из-за энергии, возникающей в результате эффектов спаривания нейтронов.
Эти стабильные нуклиды с четными протонами и нечетными нейтронами имеют тенденцию быть необычными по распространенности в природе, как правило, потому что для того, чтобы образоваться и внести свой вклад в изначальное изобилие, они должны были избежать захвата нейтронов, чтобы сформировать еще один стабильный четный - даже изотопы, как во время s-процесса, так и r-процесса захвата нейтронов, во время нуклеосинтеза в звездах. По этой причине только . 78Pt. и . 4Be. являются наиболее распространенными изотопами своего элемента, первые - лишь с небольшим отрывом, а вторые - только потому, что ожидаемый бериллий-8 имеет меньшее количество энергия связи, чем у двух альфа-частиц и, следовательно, немедленно альфа-распад.
| N | Четное | Нечетное |
|---|---|---|
| Стабильный | 195 | 58 |
| Долгоживущий | 25 | 8 |
| Все изначальные | 220 | 66 |
Актиниды с нечетным числом нейтронов обычно делящимися (с тепловыми нейтронами ), в то время как нейтроны с четным числом нейтронов обычно не являются, хотя они делятся с быстрыми нейтроны. Только. 78Pt.,. 4Be. и. 7N. имеют нечетное число нейтронов и являются наиболее распространенным изотопом своего элемента.
