Список элементов по стабильности изотопов - List of elements by stability of isotopes

Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов , которые притягиваются друг к другу посредством ядерной силы , в то время как протоны отталкиваются друг от друга посредством электрической силы из-за своего положительного заряда . Эти две силы конкурируют, что приводит к тому, что некоторые комбинации нейтронов и протонов более стабильны, чем другие. Нейтроны стабилизируют ядро, потому что они притягивают протоны, что помогает компенсировать электрическое отталкивание между протонами. В результате по мере увеличения числа протонов для образования стабильного ядра требуется увеличивающееся отношение нейтронов к протонам ; если присутствует слишком много или слишком мало нейтронов по сравнению с оптимальным соотношением, ядро ​​становится нестабильным и подвержено определенным типам ядерного распада . Нестабильные изотопы распадаются различными путями радиоактивного распада , чаще всего альфа-распадом , бета-распадом или захватом электронов . Известно много редких типов распада, таких как спонтанное деление или распад кластера . (Подробности см. В разделе « Радиоактивный распад» .)

Период полураспада изотопа . Более темная область более стабильного изотопа отходит от линии протонов (Z) = нейтронов (N), когда число элементов Z становится больше.

Из первых 82 элементов периодической таблицы 80 имеют изотопы, которые считаются стабильными. 83 - й элемент, висмут, традиционно рассматриваются как имеющие тяжелый стабильный изотоп, висмут-209 , но в 2003 году исследователи в Орсе , Франция, измерил период полураспада в ²⁰⁹
Би
быть 1,9 × 10 ¹⁹  лет . Технеций и прометий ( атомные номера 43 и 61 соответственно) и все элементы с атомным номером более 82 имеют только изотопы, которые, как известно, разлагаются в результате радиоактивного распада . Ожидается, что неоткрытые элементы будут стабильными; поэтому свинец считается самым тяжелым стабильным элементом. Однако возможно, что некоторые изотопы, которые сейчас считаются стабильными, будут распадаться с чрезвычайно длинными периодами полураспада (как в случае с ²⁰⁹
Би
). В этом списке отражено то, что было согласовано научным сообществом по состоянию на 2019 год.

Для каждого из 80 стабильных элементов указано количество стабильных изотопов. Ожидается, что только 90 изотопов будут совершенно стабильными, а еще 162 изотопов энергетически нестабильны, но никогда не наблюдались распада. Таким образом, 252 изотопа ( нуклида ) являются стабильными по определению (включая тантал-180m, распад которого еще не наблюдался). Ожидается, что те, которые в будущем могут оказаться радиоактивными, будут иметь период полураспада более 10 ²² лет (например, ксенон-134).

В апреле 2019 года было объявлено, что период полураспада ксенона-124 составил 1,8 × 10 ²² года. Это самый продолжительный период полураспада, измеренный непосредственно для любого нестабильного изотопа; только период полураспада теллура-128 больше.

Из химических элементов только один элемент ( олово ) имеет 10 таких стабильных изотопов, пять - семь изотопов, восемь - шесть изотопов, десять - пять изотопов, девять - четыре изотопа, пять - три стабильных изотопа, 16 - два стабильных изотопа и 26 имеют единственный стабильный изотоп.

Кроме того, около 30 нуклидов природных элементов имеют нестабильные изотопы с периодом полураспада, превышающим возраст Солнечной системы (~ 10 ⁹ лет и более). Еще четыре нуклида имеют период полураспада более 100 миллионов лет, что намного меньше возраста Солнечной системы, но достаточно долгое, чтобы некоторые из них выжили. Эти 34 радиоактивных нуклида природного происхождения составляют первичные радиоактивные нуклиды . Общее количество первичных нуклидов тогда составляет 252 (стабильные нуклиды) плюс 34 радиоактивных первичных нуклида, всего 286 первичных нуклидов. Это число может измениться, если на Земле будут обнаружены новые, более короткоживущие первобытные существа.

Одним из первичных нуклидов является тантал-180m , период полураспада которого, по прогнозам, превышает ^10-15 лет, но никогда не наблюдалось распада. Еще более длительный период полураспада теллура-128, равный 2,2 × 10 ²⁴ года, был измерен с помощью уникального метода обнаружения его радиогенного дочернего ксенона-128, и это самый длительный из известных экспериментально измеренных периодов полураспада. Другой примечательный пример - единственный встречающийся в природе изотоп висмута, висмут-209 , который, как было предсказано, нестабилен с очень длительным периодом полураспада, но, как было обнаружено, распадается. Из-за своего длительного периода полураспада такие изотопы до сих пор встречаются на Земле в различных количествах и вместе со стабильными изотопами называются первичными изотопами . Все первичные изотопы даны в порядке уменьшения их распространенности на Земле . Список первичных нуклидов в порядке полураспада см. В Списке нуклидов .

Известно, что существует 118 химических элементов . Все элементы к элементу 94 встречаются в природе, а остальная часть из обнаруженных элементов являются искусственно, с изотопами всех известных в высшей степени радиоактивного с относительно короткими периодами полураспада (смотри ниже). Элементы в этом списке упорядочены по времени жизни их наиболее стабильного изотопа. Из них три элемента ( висмут , торий и уран ) являются первичными, потому что их период полураспада достаточно велик, чтобы их можно было еще найти на Земле, в то время как все остальные производятся либо путем радиоактивного распада, либо синтезируются в лабораториях и ядерных реакторах . Только 13 из 38 известных, но нестабильных элементов имеют изотопы с периодом полураспада не менее 100 лет. Каждый известный изотоп оставшихся 25 элементов очень радиоактивен; они используются в академических исследованиях, а иногда и в промышленности и медицине. У некоторых из более тяжелых элементов периодической таблицы могут быть обнаружены еще не открытые изотопы с более длительным временем жизни, чем перечисленные здесь.

Около 338 нуклидов естественным образом обнаружены на Земле. Они включают 252 стабильных изотопа, а с добавлением 34 долгоживущих радиоизотопов с периодом полураспада более 100 миллионов лет, всего 286 первичных нуклидов , как отмечалось выше. Обнаруженные нуклиды в природе включают не только 286 первичных, но и еще около 52 короткоживущих изотопов (с периодом полураспада менее 100 миллионов лет, слишком коротким, чтобы выжить с момента образования Земли), которые являются дочерями первичные изотопы (например, радий из урана ); или же они создаются в результате энергетических естественных процессов, таких как углерод-14, получаемый из атмосферного азота при бомбардировке космическими лучами .

Элементы по количеству первичных изотопов

Четное число протонов или нейтронов более стабильно (более высокая энергия связи ) из-за эффектов спаривания , поэтому четно-четные нуклиды намного стабильнее, чем нечетно-нечетные. Один из эффектов заключается в том, что существует несколько стабильных нечетно-нечетных нуклидов: на самом деле стабильными являются только пять, а еще четыре имеют период полураспада более миллиарда лет.

Другой эффект состоит в том, чтобы предотвратить бета-распад многих четно-четных нуклидов на другой четно-четный нуклид с тем же массовым числом, но с меньшей энергией, потому что распад, происходящий шаг за шагом, должен был бы проходить через нечетно-нечетный нуклид с более высокой энергией. ( Двойной бета-распад непосредственно от четного-четного к четно-четному, пропуская нечетно-нечетный нуклид, возможен только изредка, и этот процесс настолько сильно затруднен, что его период полураспада в миллиард раз превышает возраст нуклида. Вселенная ). Это приводит к большему количеству стабильных четно-четных нуклидов, до трех для некоторых массовых чисел , до семи для некоторых атомных (протонных) чисел и по крайней мере четырех для всех стабильных четных Z- элементов, кроме железа (кроме стронций и свинец ).

Поскольку ядро ​​с нечетным числом протонов относительно менее стабильно, элементы с нечетными номерами, как правило, имеют меньше стабильных изотопов. Из 26 « моноизотопных » элементов, которые имеют только один стабильный изотоп, все, кроме одного, имеют нечетный атомный номер - единственным исключением является бериллий . Кроме того, ни один элемент с нечетным номером не имеет более двух стабильных изотопов, в то время как каждый элемент с четным номером со стабильными изотопами, за исключением гелия, бериллия и углерода, имеет как минимум три. Только один элемент с нечетным номером, калий , имеет три первичных изотопа; ни у кого больше трех.

Столы

В следующих таблицах приведены элементы с первичными нуклидами , что означает, что элемент все еще может быть идентифицирован на Земле из естественных источников, поскольку он присутствовал с тех пор, как Земля была сформирована из солнечной туманности. Таким образом, ни одна из них не является более короткоживущими дочерями более долгоживущих родительских первоисточников, таких как радон . Были исключены два нуклида, которые имеют период полураспада, достаточный для того, чтобы быть первичными, но которые еще не были окончательно обнаружены как таковые ( ²⁴⁴ Pu и ¹⁴⁶ Sm), были исключены.

Таблицы элементов отсортированы в порядке убывания количества нуклидов, связанных с каждым элементом. (Список, полностью отсортированный по периодам полураспада нуклидов со смешиванием элементов, см. В разделе Список нуклидов .) Стабильные и нестабильные (отмеченные распады ) нуклиды даны, а символы нестабильных (радиоактивных) нуклидов выделены курсивом. Обратите внимание, что сортировка не совсем дает элементы только в порядке стабильных нуклидов, поскольку некоторые элементы имеют большее количество долгоживущих нестабильных нуклидов, что ставит их впереди элементов с большим количеством стабильных нуклидов. По соглашению, нуклиды считаются «стабильными», если их распад никогда не наблюдался экспериментально или из наблюдений продуктов распада (чрезвычайно долгоживущие нуклиды, нестабильные только теоретически, такие как тантал-180m, считаются стабильными).

Первая таблица предназначена для элементов с четными атомными номерами , которые, как правило, имеют гораздо больше первичных нуклидов из-за стабильности, обеспечиваемой протон-протонным спариванием. Вторая отдельная таблица дана для элементов с нечетными атомными номерами, которые, как правило, имеют гораздо меньше стабильных и долгоживущих (первичных) нестабильных нуклидов.

Элементы без первичных изотопов

Периодическая таблица с элементами, окрашенными в соответствии с периодом полураспада их наиболее стабильного изотопа.

   Элементы, содержащие хотя бы один стабильный изотоп.

   Слаборадиоактивные элементы: самый стабильный изотоп очень долгоживущий, с периодом полураспада более двух миллионов лет.

   Значительно радиоактивные элементы: самый стабильный изотоп имеет период полураспада от 800 до 34 000 лет.

   Радиоактивные элементы: самый стабильный изотоп имеет период полураспада от одного дня до 130 лет.

   Высокорадиоактивные элементы: самый стабильный изотоп имеет период полураспада от нескольких минут до одного дня.

   Чрезвычайно радиоактивные элементы: самый стабильный изотоп имеет период полураспада менее нескольких минут.

Смотрите также

• Остров стабильности
• Изотоп § Ядерные свойства и стабильность
• Список нуклидов
• Список радиоактивных нуклидов по периодам полураспада
• Первородный нуклид
• Стабильный нуклид
• Соотношение стабильных изотопов
• Таблица нуклидов

Сноски

• ^a См. « Стабильность изотопов технеция» для подробного обсуждения того, почему технеций и прометий не имеют стабильных изотопов.
• ^b Изотопы с периодом полураспада более 10 ⁸ лет все еще могут быть обнаружены на Земле, но только те изотопы с периодом полураспада более 7 × 10 ⁸ лет (по состоянию на ²³⁵ U) встречаются в заметных количествах. В данном списке не учтены некоторые изотопы с периодом полураспада около 10 ⁸ лет, потому что они были измерены в крошечных количествах на Земле. Уран-234 с периодом полураспада 246000 лет и естественным содержанием изотопов 0,0055% является особым случаем: это продукт распада урана-238, а не первичный нуклид.
• ^c Существуют нестабильные изотопы с чрезвычайно длительным периодом полураспада, которые также встречаются на Земле, и некоторые из них даже более распространены, чем все стабильные изотопы данного элемента (например, бета-активный ¹⁸⁷ Re в два раза больше, чем стабильный ¹⁸⁵ Re). Кроме того, большее естественное содержание изотопа просто означает, что его образованию способствовал процесс звездного нуклеосинтеза, который произвел материю, составляющую сейчас Землю (и, конечно же, остальную часть Солнечной системы ) (см. Также Формирование и эволюция Солнечная система ).
• ^d В то время как висмут имеет только один первичный изотоп, уран имеет три изотопа, которые встречаются в природе в значительных количествах ( ²³⁸
  U
  , ²³⁵
  U
  , а также ²³⁴
  U
  ; первые два являются первичными, а ²³⁴ U - радиогенным), а торий имеет два (первичный ²³²
  Чт
  и радиогенные ²³⁰
  Чт
  ).
• ^e Посмотрите множество различных промышленных и медицинских применений радиоактивных элементов в радионуклидах , ядерной медицине , обычных бета-излучателях , широко используемых изотопах гамма-излучения , фтор-18 , кобальт-60 , стронций-90 , технеций-99m , йод-123 , йод- 124 , Прометий-147 , Иридий-192 и др.
• ^f Для элементов с более высоким атомным номером, чем калифорний (с Z> 98), могут существовать неоткрытые изотопы, которые более стабильны, чем известные .
• ^g Обозначения: yr = год , d = день , h = час , min = минута , s = секунда .

Рекомендации