Четные и нечетные атомные ядра - Even and odd atomic nuclei

В ядерная физика, свойства ядро зависит от ровность или нечеткость своего атомный номер Z, число нейтронов N и, следовательно, из их суммы массовое число А. Самое главное, странность обоих Z и N имеет тенденцию понижать энергия связи ядра, что делает нечетные ядра обычно менее стабильными. Этот эффект не только наблюдается экспериментально, но и входит в полуэмпирическая формула массы и объяснил некоторые другие ядерные модели, такой как модель ядерной оболочки. Эта разница ядерной энергии связи между соседними ядрами, особенно нечетнымиА изобары, имеет важные последствия для бета-распад.

Так же ядерное вращение является целым числом (обычно 0) для всех четныхА ядра и нецелые (полуцелые) для всех нечетныхА ядра.

Четное против нечетного массового числа (А).

	Четное	Странный	Общий
Стабильный	151	101	252
Долгожитель	25	9	34
Все исконно	176	110	286

В нейтронно-протонное отношение это не единственный фактор, влияющий на ядерную стабильность. Добавление нейтронов к изотопам может изменять их ядерные спины и формы ядер, вызывая различия в захват нейтронов поперечные сечения и гамма-спектроскопия и ядерный магнитный резонанс характеристики. Если присутствует слишком много или слишком мало нейтронов относительно энергия связи ядра оптимальным, ядро ​​становится нестабильным и подвержено определенным типам ядерный распад. Нестабильные нуклиды с неоптимальным числом нейтронов или протонов распадаются на бета-распад (включая распад позитрона), захват электронов, или другие средства, такие как спонтанное деление и кластерный распад.

Четное массовое число

Ядра с четным массовым числом относительно более стабильны. Нуклиды с четным массовым числом, которые составляют 151/252 = ~ 60% всех стабильных нуклидов, являются бозоны, т.е. они имеют целое число вращение. 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 (²
₁ЧАС
, ⁶
₃Ли
, ¹⁰
₅B
, ¹⁴
₇N
и ^{180 м}
₇₃Та
), все они имеют ненулевое целочисленное вращение.

Эффекты сопряжения

Даже странно Z, N (Водород-1 включены как OE )

п, п	EE	OO	EO	OE	Общий
Стабильный	146	5	53	48	252
Долгожитель	21	4	4	5	34
Все исконно	167	9	57	53	286

Бета-распад четно-четного ядра дает нечетно-нечетное ядро, и наоборот. Четное число протонов или нейтронов более стабильно (выше энергия связи ) потому что парные эффекты, поэтому четно-четные ядра гораздо более стабильны, чем нечетно-нечетные. Один эффект заключается в том, 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 более низкой энергией, потому что распад происходит постепенно пришлось бы пройти через нечетно-нечетное ядро ​​с большей энергией. Двойной бета-распад непосредственно от четно-четного к четно-четному пропуску нечетно-нечетного нуклида возможен только изредка, и даже тогда с период полураспада более чем в миллиард раз больше возраст вселенной. Например, двойной бета-излучатель ¹¹⁶
CD
имеет период полураспада 2.9×10¹⁹ годы. Это обеспечивает большее количество стабильных четно-четных нуклидов с некоторые массовые числа с двумя стабильными нуклидами и некоторыми элементами (атомными номерами), имеющими до Семь.

Например, чрезвычайная стабильность гелия-4 из-за двойного спаривания 2 протонов и 2 нейтронов препятствует тому, чтобы любые нуклиды, содержащие пять или восемь нуклонов, существовали достаточно долго, чтобы служить платформой для накопления более тяжелых элементов через термоядерная реакция в Нуклеосинтез Большого взрыва; только у звезд на это достаточно времени (см. тройной альфа-процесс ).

Даже протон, даже нейтрон

Существует 146 стабильных четно-четных нуклидов, что составляет ~ 58% из 252 стабильных нуклидов. Есть также 21 первичный долгоживущий четно-четный нуклид. В результате многие из 41 четных элементов от 2 до 82 имеют много первичных изотопов. Половина из этих четных элементов имеет шесть или более стабильных изотопов.

Все четные нуклиды имеют вращение 0 в основном состоянии из-за Принцип исключения Паули (Видеть Эффекты сопряжения Больше подробностей).

Нечетный протон, нечетный нейтрон

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 привело бы к очень однобокому соотношению протон-нейтрон (²
₁ЧАС
, ⁶
₃Ли
, ¹⁰
₅B
, и ¹⁴
₇N
; спины 1, 1, 3, 1). Единственный другой наблюдаемый "стабильный" нечетно-нечетный нуклид - это ^{180 м}
₇₃Та
(вращение 9), единственный изначальный ядерный изомер, распад которого, несмотря на экспериментальные попытки, пока не наблюдался.^[1] Также четыре долгоживущих радиоактивных нечетно-нечетных нуклида (⁴⁰
₁₉K
, ⁵⁰
₂₃V
,¹³⁸
₅₇Ла
,¹⁷⁶
₇₁Лу
; спины 4, 6, 5, 7) происходят естественным образом. Как и в случае с ^{180 м}
₇₃Та
распад высокоспиновых нуклидов бета-распад (включая захват электронов ), гамма-распад, или же внутренняя конверсия сильно подавляется, если единственный возможный распад между изобара нуклиды (или в случае ^{180 м}
₇₃Та
между ядерными изомерами одного и того же нуклида) включает много кратное изменение спина на 1 единицу, «предпочтительное» изменение спина, которое связано 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 спиновый 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 нечетных и нечетных радионуклидов (например, тантал-180) со сравнительно короткими периодами 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 устойчивости), этот распад может происходить в любом направлении, превращая протон в нейтрон, или наоборот. Примером является ⁶⁴
₂₉Cu
, который может распадаться либо эмиссией позитронов на ⁶⁴
₂₈Ni
, или эмиссией электронов в ⁶⁴
₃₀Zn
.

Из девяти первичных нечетно-нечетных нуклидов (пять стабильных и четыре радиоактивных с длительным периодом полураспада) только ¹⁴
₇N
является наиболее распространенным изотопом общего элемента. Это так, потому что это часть Цикл CNO. Нуклиды ⁶
₃Ли
и ¹⁰
₅B
являются изотопами меньшинства элементов, которые сами по себе редки по сравнению с другими легкими элементами, в то время как остальные шесть изотопов составляют лишь крошечный процент от естественного содержания их элементов. Например, ^{180 м}
₇₃Та
считается самым редким из 252 стабильные нуклиды.

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 большую ядерная сила притяжение друг к другу, если их вращения выровнены (производя общее вращение не менее 1 единицы), а не анти-выровнены. Видеть дейтерий для простейшего случая такого ядерного поведения.

Нечетное массовое число

Для данного нечетного массового числа существует несколько бета-стабильные нуклиды, поскольку нет разницы в энергии связи между четно-нечетным и нечетно-четным образом, сравнимой с энергией связи между четно-четным и нечетно-нечетным, оставляя другие нуклиды того же массового числа (изобары ) бесплатно бета-распад 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 фермионы, т.е. иметь полуцелое число вращение. Вообще говоря, поскольку нуклиды с нечетным массовым числом всегда имеют четное количество нейтронов или протонов, четные частицы обычно образуют часть «ядра» в ядре со спином нуля. Нуклон с нечетным числом (протоны или нейтроны) затем формирует второе ядро ​​с нуклонами, спаренными, причем большая часть ядерного спина обусловлена ​​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.^{[нужна цитата ]}

Стабильные нуклиды с нечетным массовым числом делятся (примерно поровну) на нуклиды с нечетными протонами и четными нейтронами и с нечетными нейтронами и четными протонами, которые более подробно обсуждаются ниже.

Нечетный протон, четный нейтрон

Эти 48 стабильных нуклидов, стабилизированных их четным числом парных нейтронов, образуют большинство стабильных изотопов нечетных элементов; очень немногие странно-нечетные нуклиды составляют остальные. Есть 41 элемент с нечетными номерами, Z = От 1 до 81, из которых 30 (включая водород, поскольку ноль - четное число ) имеют один стабильный нечетно-четный изотоп, элементы технеций (
₄₃Tc
) и прометий (
₆₁Вечера
) 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. Всего получается 30 × 1 + 9 × 2 = 48 стабильных нечетно-четных изотопов. Есть также пять первичных долгоживущих радиоактивных нечетно-четных изотопов, ⁸⁷
₃₇Руб.
, ¹¹⁵
₄₉В
, ¹⁸⁷
₇₅Re
, ¹⁵¹
₆₃Европа
, и ²⁰⁹
₈₃Би
. Последние два были обнаружены только недавно, с периодом полураспада более 10¹⁸ годы.

Четный протон, нечетный нейтрон

Четный – нечетный долгоживущий

	Разлагаться	Период полураспада
^113 48CD	бета	7.7×1015 а
^147 62См	альфа	1.06×1011 а
^235 92U	альфа	7.04×108 а

Эти 53 стабильных нуклида имеют четное число протонов и нечетное число нейтронов. По определению, все они являются изотопами четныхZ элементов, где их меньшинство по сравнению с четно-четными изотопами, которых примерно в 3 раза больше. Среди 41 даже-Z элементы, 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 ²³⁵
₉₂U
. Из-за нечетного числа нейтронов четно-нечетные нуклиды имеют тенденцию иметь большие захват нейтронов сечения, обусловленные энергией, 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 вклад в изначальное изобилие, они должны были избежать захвата нейтронов, чтобы сформировать еще другие стабильные четно-четные изотопы в течение обоих периодов. s-процесс и r-процесс захвата нейтронов во время нуклеосинтеза в звездах. По этой причине только ¹⁹⁵
₇₈Pt
и ⁹
₄Быть
являются наиболее распространенными изотопами своего элемента, первые - лишь с небольшим отрывом, а вторые - только потому, что ожидаемые бериллий-8 имеет более низкий энергия связи чем два альфа-частицы и поэтому сразу альфа-распад.

Нечетное нейтронное число

Нейтронное число паритет

N	Четное	Странный
Стабильный	195	58
Долгожитель	25	8
Все исконно	220	66

Актиниды с нечетным числом нейтронов обычно делящийся (с тепловые нейтроны ), а с четным числом нейтронов, как правило, нет, хотя они расщепляющийся с быстрые нейтроны.Только ¹⁹⁵
₇₈Pt
, ⁹
₄Быть
и ¹⁴
₇N
имеют нечетное число нейтронов и являются наиболее распространенным изотопом своего элемента.

Рекомендации

1. Халт, Микаэль; Элизабет Вислендер, J.S .; Мариссенс, Герд; Гаспарро, Жоэль; Wätjen, Uwe; Мисиашек, Марцин (2009). «Поиск радиоактивности 180mTa с использованием подземного сэндвич-спектрометра HPGe». Прикладное излучение и изотопы. 67 (5): 918–21. Дои:10.1016 / j.apradiso.2009.01.057. PMID  19246206.