Sudá a lichá atomová jádra - Even and odd atomic nuclei

V jaderné fyziky , vlastnosti jádra závisí na stejnoměrnosti nebo zvláštnost jeho atomovým číslem Z , neutronové číslo N , a tedy jejich součtu, na hmotnostní číslo A . A co je nejdůležitější, zvláštnost obou Z a N má tendenci snižovat jadernou vazebnou energii , což činí lichá jádra obecně méně stabilní. Tento účinek je nejen experimentálně pozorován, ale je zahrnut do semi-empirického hmotnostního vzorce a vysvětlen některými dalšími jadernými modely , jako je model jaderného pláště . Tento rozdíl jaderné vazebné energie mezi sousedními jádry, zejména z lichých A isobars , má významné důsledky pro beta rozpadu .

Také jaderná rotace je celé číslo (většinou 0) pro všechna sudá - A jádra a necelé (poloviční) pro všechna lichá - A jádra.

Sudé vs. liché hromadné číslo ( A ).
Dokonce Zvláštní Celkový
Stabilní 151 101 252
Dlouho žil 25 9 34
Vše prvotní 176 110 286

Poměr neutronů a protonů není jediným faktorem ovlivňujícím jadernou stabilitu. Přidání neutronů k izotopům může měnit jejich jaderné spiny a jaderné tvary, což způsobuje rozdíly v průřezech záchytu neutronů a gama spektroskopii a vlastnostech nukleární magnetické rezonance . Pokud je s ohledem na optimum jaderné vazebné energie přítomno příliš mnoho nebo příliš málo neutronů , jádro se stává nestabilním a podléhá určitým druhům jaderného rozpadu . Nestabilní nuklidy s neoptimálním počtem neutronů nebo protonů se rozpadají rozpadem beta (včetně rozpadu pozitronu), elektronovým záchytem nebo jinými prostředky, jako je spontánní štěpení a rozpad klastru .

Dokonce i hromadné číslo

Jádra se sudým počtem jsou relativně stabilnější. Nuklidy sudého množství, které tvoří 151/252 = ~ 60% všech stabilních nuklidů, jsou bosony , tj. Mají celočíselný spin . 146 ze 151 jsou nuklidy sudých protonů, sudých neutronů (EE), které nutně mají spin 0 kvůli párování. Zbývající část stabilních bosonových nuklidů je 5 lichých protonů a lichých neutronů stabilních nuklidů (2
1
H
, 6
3
Li
, 10
5
B
, 14
7
N
a 180 m
73
Ta
), všechny s nenulovým celočíselným spinem.

Párovací efekty

Sudý / lichý Z , N (vodík-1 zahrnut jako OE )
p, n EE OO EO OE Celkový
Stabilní 146 5 53 48 252
Dlouho žil 21 4 4 5 34
Vše prvotní 167 9 57 53 286

Beta rozpad sudého – sudého jádra vytváří liché – liché jádro a naopak. Sudý počet protonů nebo neutronů je díky párovacím efektům stabilnější (vyšší vazebná energie ) , takže sudá – sudá jádra jsou mnohem stabilnější než lichá – lichá. Jedním z efektů je, že existuje několik stabilních lichých-lichých nuklidů, ale dalším efektem je zabránění rozpadu beta mnoha sudých i sudých jader na další sudá-sudá jádra se stejným hmotnostním číslem, ale nižší energií, protože rozpad postupuje jeden krok po druhém bude muset projít lichým – lichým jádrem vyšší energie. Dvojitý rozpad beta přímo z sudého – sudého na sudý – sudý skok přes lichý – lichý nuklid je možný jen příležitostně, a to i tehdy, když je poločas rozpadu více než miliardkrát starší než vesmír . Například dvojitý emitor beta116
CD
má poločas rozpadu 2,9 × 10 19 let. Díky tomu je větší počet stabilních sudých i nuklidů, přičemž některá hmotnostní čísla mají dva stabilní nuklidy a některé prvky (atomová čísla) mají až sedm .

Například extrémní stabilita helia-4 v důsledku dvojitého párování 2 protonů a 2 neutronů brání tomu, aby jakékoli nuklidy obsahující pět nebo osm nukleonů existovaly dostatečně dlouho na to, aby sloužily jako platformy pro hromadění těžších prvků pomocí jaderné fúze ve Velkém třesku nukleosyntéza ; pouze ve hvězdách je na to dostatek času (viz trojitý alfa proces ).

Dokonce proton, dokonce neutron

Existuje 146 stabilních rovnoměrných nuklidů, které tvoří ~ 58% z 252 stabilních nuklidů. Existuje také 21 prvotních dlouhotrvajících rovnoměrných i nuklidů. Ve výsledku má mnoho ze 41 sudých prvků od 2 do 82 mnoho prvotních izotopů . Polovina těchto sudých prvků má šest nebo více stabilních izotopů.

Všechny sudé i nuklidy mají spin 0 ve svém základním stavu, kvůli Pauliho principu vyloučení ( další podrobnosti viz Pairing Effects ).

Zvláštní proton, lichý neutron

Pouze pět stabilních nuklidů obsahuje lichý počet protonů a lichý počet neutronů. První čtyři „liché-liché“ nuklidy se vyskytují v nuklidech s nízkou hmotností, u nichž by změna protonu na neutron nebo naopak vedla k velmi nakloněnému poměru proton – neutron (2
1
H
, 6
3
Li
, 10
5
B
, a 14
7
N
; roztočení 1, 1, 3, 1). Jediný další pozorovatelně „stabilní“ lichý-lichý nuklid je180 m
73
Ta
(spin 9), jediný prvotní jaderný izomer , u kterého dosud nebylo pozorováno, že se rozpadá navzdory experimentálním pokusům. Také čtyři radioaktivní liché-liché nuklidy s dlouhou životností (40
19
K.
, 50
23
PROTI
,138
57
Los Angeles
,176
71
Lu
; roztočení 4, 6, 5, 7) se vyskytují přirozeně. Stejně jako v případě180 m
73
Ta
rozpad vysoce spinových nuklidů rozpadem beta (včetně elektronového záchytu ), rozpadem gama nebo vnitřní přeměnou je výrazně potlačen, pokud je možný jediný rozpad mezi isobarovými nuklidy (nebo v případě180 m
73
Ta
mezi jadernými izomery stejného nuklidu) zahrnuje vysoké násobky změny rotace 1 jednotky, „preferovanou“ změnu rotace, která je spojena s rychlým rozpadem. Tato vysokootáčková inhibice rozpadu je příčinou pěti těžkých stabilních nebo dlouhodobých lichých protonových a lichých neutronových nuklidů diskutovaných výše. Pro příklad tohoto efektu, kde je odečítán efekt odstřeďování, má tantal-180, lichý-lichý (teoretický) produkt s nízkým odstřeďováním prvotního tantalu-180m, sám o sobě poločas pouze asi 8 hodin.

Je známo mnoho lichých-lichých radionuklidů (jako je tantal-180) s poměrně krátkými poločasy. Téměř vždy se tyto rozpadají pozitivním nebo negativním beta rozpadem, aby se vytvořily stabilní sudé izotopy, které mají spárované protony a spárované neutrony. U některých lichých-lichých radionuklidů, kde poměr protonů k neutronům není ani příliš velký, ani příliš malý (tj. Příliš daleko od poměru maximální stability), může tento rozpad pokračovat v obou směrech, čímž se proton změní na neutron nebo naopak. Příkladem je64
29
Cu
, které se mohou rozpadat buď pozitronovou emisí na 64
28
Ni
nebo elektronovou emisí do 64
30
Zn
.

Pouze z devíti prvotních lichých-lichých nuklidů (pět stabilních a čtyři radioaktivní s dlouhými poločasy) 14
7
N
je nejběžnějším izotopem společného prvku. Je tomu tak proto, že je součástí cyklu CNO . Nuklidy6
3
Li
a 10
5
B
jsou menšinové izotopy prvků, které jsou samy o sobě vzácné ve srovnání s jinými světelnými prvky, zatímco dalších šest izotopů tvoří jen malé procento přirozené hojnosti jejich prvků. Například,180 m
73
Ta
je považován za nejvzácnější z 252 stabilních nuklidů .

Žádný z prvotních (tj. Stabilních nebo téměř stabilních) lichých-lichých nuklidů nemá spin 0 v základním stavu. Je to proto, že jediný nepárový neutron a nepárový proton mají k sobě větší přitažlivost jaderné síly, pokud jsou jejich spiny zarovnány (produkují celkovou rotaci alespoň 1 jednotky), namísto anti-aligned. Nejjednodušší případ tohoto jaderného chování viz deuterium .

Zvláštní hmotnostní číslo

Pro dané liché hmotnostní číslo existuje několik beta-stabilních nuklidů , protože není rozdíl ve vazebné energii mezi sudým – lichým a lichým – sudým srovnatelným s tím mezi sudým – sudým a lichým – lichým, takže ostatní nuklidy jsou stejné hmotnostní číslo ( izobary ) volné k beta rozpadu směrem k nuklidu s nejnižší hmotností. U hmotnostních čísel 5, 147, 151 a 209+ se beta stabilní izobar tohoto hromadného čísla může alfa rozpadat . (Teoreticky se hmotnostní číslo 143 až 155, 160 až 162 a 165+ může také rozpadat alfa.) To dává celkem 101 stabilních nuklidů s lichými hmotnostními čísly. Existuje dalších 9 radioaktivních primordiálních nuklidů (které podle definice mají všechny relativně dlouhý poločas, více než 80 milionů let) s lichými hmotnostními čísly.

Liché hromadné nuklidy jsou fermiony , tj. Mají poloviční celočíselný spin . Obecně řečeno, protože nuklidy s lichým hmotným číslem mají vždy sudý počet neutronů nebo protonů, sudé částice obvykle tvoří část „jádra“ v jádru s nulovou rotací. Nukleon s lichým počtem (ať už protony nebo neutrony) poté tvoří druhé jádro s párovanými nukleony, přičemž většina jaderného spinu je způsobena orbitálním momentem hybnosti a momentem hybnosti posledního zbývajícího nukleonu. Celkem 29 ze 110 prvotních lichých nuklidů má spin 1/2, 30 spin 3/2, 24 spin 5/2, 17 spin 7/2 a devět spin 9/2.

Stabilní nuklidy s lichým počtem hmot se dělí (zhruba rovnoměrně) na liché-protonové-sudé-neutronové a liché-neutronové-sudé-protonové nuklidy, které jsou podrobněji popsány níže.

Zvláštní proton, dokonce neutron

Těchto 48 stabilních nuklidů stabilizovaných sudým počtem spárovaných neutronů tvoří většinu stabilních izotopů lichých prvků; velmi málo lichých nuklidů tvoří ostatní. Existuje 41 lichých prvků se Z = 1 až 81, z nichž 30 (včetně vodíku, protože nula je sudé číslo ) má jeden stabilní lichý-sudý izotop, prvky technecium (
43
Tc
) a promethium (
61
Odpoledne
) nemají stabilní izotopy a devět prvků: chlor (
17
Cl
), draslík (
19
K.
), měď (
29
Cu
), galium (
31
Ga
), brom (
35
Br
), stříbro (
47
Ag
), antimon (
51
Sb
), iridium (
77
Ir
), a thalium (
81
Tl
), mít každý dva sudé stabilní izotopy. Díky tomu je celkem 30 × 1 + 9 × 2 = 48 stabilních lichých-sudých izotopů. Existuje také pět prvotních radioaktivních lichých a sudých izotopů s dlouhou životností,87
37
Rb
, 115
49
v
, 187
75
Re
, 151
63
Eu
, a 209
83
Bi
. U posledních dvou se zjistilo, že se rozpadají teprve nedávno, s poločasy delšími než 10 18 let.

Dokonce proton, lichý neutron

Sudý - lichý s dlouhou životností
Rozklad Poločas rozpadu
113
48
CD
beta 7,7 × 10 15 a
147
62
Sm
alfa 1,06 × 10 11 a
235
92
U
alfa 7,04 × 10 8 a

Těchto 53 stabilních nuklidů má sudý počet protonů a lichý počet neutronů. Podle definice jsou to všechny izotopy sudých prvků Z , kde jsou ve srovnání s rovnoměrnými izotopy, které jsou asi třikrát početnější, menšinou. Mezi 41 sudými prvky Z, které mají stabilní nuklid, nemají pouze dva prvky (argon a cer) žádné sudé liché stabilní nuklidy. Jeden prvek (cín) má tři. Existuje 24 prvků, které mají jeden sudý - lichý nuklid a 13, které mají dva liché - sudé nuklidy.

Z 34 prvotních radionuklidů existují tři sudé liché nuklidy (viz tabulka vpravo), včetně štěpné 235
92
U
. Kvůli jejich lichému počtu neutronů mají sudé liché nuklidy tendenci mít velké průřezy pro zachycení neutronů kvůli energii, která je výsledkem účinků párování neutronů.

Tyto stabilní sudé protonové liché neutronové nuklidy mají tendenci být vzhledem k hojnosti v přírodě neobvyklé, obecně proto, že aby se vytvořily a přispěly k prvotní hojnosti, musely uniknout zachycení neutronů, aby vytvořily ještě další stabilní sudé izotopy během obou s-proces a r-proces zachycení neutronů během nukleosyntézy ve hvězdách. Pouze z tohoto důvodu195
78
Pt
a 9
4
Být
jsou přirozeně nejhojnější izotopy svého prvku, první pouze s malým okrajem a druhý pouze proto, že očekávané berylium-8 má nižší vazebnou energii než dvě alfa částice, a proto se alfa rozpadá .

Liché neutronové číslo

Parita neutronového čísla
N Dokonce Zvláštní
Stabilní 195 58
Dlouho žil 25 8
Vše prvotní 220 66

Aktinidy s lichým počtem neutronů jsou obecně štěpné (s tepelnými neutrony ), zatímco ty s párným počtem neutronů obecně nejsou, i když jsou štěpitelné s rychlými neutrony . Pouze195
78
Pt
, 9
4
Být
a 14
7
N
mají liché neutronové číslo a jsou přirozeně nejhojnějším izotopem svého prvku.

Reference