Nuclide

Нуклид — это тип атома, определяемый конкретным числом протонов и нейтронов в его ядре, а также его ядерным энергетическим состоянием. Термин был введён в 1947 году американским физиком Трумэном П. Команом, который описал его как «вид атома, характеризующийся строением его ядра». Это определение изначально подчёркивало само ядро.

Понятие нуклида отличается от понятия изотопа. В то время как изотопы относятся к атомам одного и того же элемента (одинаковое число протонов) с разным количеством нейтронов, термин нуклид был создан для акцента на ядерных свойствах, независимо от химического поведения. Например, углерод-13 (⁶¹³C) имеет 6 протонов и 7 нейтронов. Хотя «изотоп» остаётся распространённым в таких областях, как ядерные технологии и медицина, «нуклид» является более точным термином при обсуждении ядерных характеристик. В ядерной физике число нейтронов может быть так же важно, как и число протонов — в отличие от химии, где количество нейтронов оказывает лишь незначительное влияние, за исключением водорода и гелия. Для водорода изотопный эффект достаточно силён, чтобы влиять на биологические системы. Для гелия ⁴₂He подчиняется статистике Бозе — Эйнштейна, в то время как ³₂He подчиняется статистике Ферми — Дирака, что приводит к существенным различиям в физических свойствах при низких температурах.

Хотя часто используются как взаимозаменяемые, «нуклид» и «изотоп» описывают разные соотношения. Изотопы — это нуклиды с одинаковым числом протонов (один и тот же элемент), но разным числом нейтронов. Изобары — это нуклиды с одинаковым массовым числом, но разными атомными номерами. Изотоны имеют одинаковое число нейтронов, но различаются числом протонов. Изодиаферы имеют одинаковый избыток нейтронов (N − Z). Термин «изотон» был смоделирован по образцу «изотопа», чтобы подчеркнуть, что постоянной характеристикой является количество нейтронов. Ядерные изомеры представляют собой особый случай: это нуклиды с одинаковым числом протонов и массовым числом (то есть один и тот же изотоп), но в разных возбуждённых состояниях. Например, технеций-99m и технеций-99 — это два разных нуклида одного и того же изотопа. Самым долгоживущим ядерным изомером является тантал-180m с периодом полураспада, превышающим 10¹⁷ лет; он встречается в природе и никогда не наблюдался в распаде до своего основного состояния. Напротив, тантал-180 в основном состоянии распадается примерно за 8 часов.

В природе существует 251 нуклид, у которых никогда не наблюдался распад; они встречаются среди 80 элементов, имеющих хотя бы один стабильный изотоп. Нестабильные нуклиды являются радиоактивными и называются радионуклидами; продукты их распада называются радиогенными нуклидами.

Природные радионуклиды делятся на три группы. Первая — первичные радионуклиды, имеющие достаточно длинные периоды полураспада, чтобы сохраниться со времени образования Земли (около 4,6×10⁹ лет назад); они возникли в результате звёздного нуклеосинтеза до формирования Солнечной системы. Например, уран-238 (период полураспада 4,463×10⁹ лет) всё ещё распространён, в то время как уран-235 (период полураспада 0,704×10⁹ лет) теперь встречается в 138 раз реже. Известно тридцать пять таких первичных радионуклидов. Вторая группа состоит из радиогенных нуклидов, таких как радий-226 (период полураспада 1600 лет), которые образуются в результате радиоактивного распада в цепочках распада первичного урана или тория. Некоторые из них, например изотопы франция, очень короткоживущие; около 50 дочерних нуклидов существуют исключительно за счёт распада более долгоживущих первичных материнских нуклидов. Третья группа включает нуклиды, образующиеся в результате природных ядерных реакций, а не простого самопроизвольного распада. Они возникают, когда атомы взаимодействуют с природными нейтронами (от космических лучей, спонтанного деления или других источников) или подвергаются прямой бомбардировке космическими лучами. Те, что образуются от космических лучей, называются космогенными нуклидами; другие, образующиеся в результате природных ядерных реакций, — нуклеогенными нуклидами. Продукты спонтанного деления сильно различаются, но быстро распадаются — в геологических масштабах времени — либо до первичных нуклидов, либо до одного из семи долгоживущих продуктов деления, которые, таким образом, встречаются в природе.