穩定核素

穩定核素

核素可分為穩定核素和不穩定核素(具有放射性)兩類。原子核穩定,的核素是穩不會發生自發衰變定核素。已發現的天然穩定核素只有270餘種,而放射性核素約有2500種,其中絕大部分是人工製造的。

原子序數Z≤82的核元素,每種核素都有一個或幾個穩定的同位素(除鎝和鉅外);Z≥83的核素只有放射性核素,Z>92的核素稱為超鈾核素。

基本介紹

  • 中文名:穩定核素
  • 外文名: stable nuclide
  • 領域:原子核物理學
  • 特點:不發生自發衰變
  • 套用:生物學、醫學、考古學、地質學等
  • 天然穩定核素:270餘種
定義,放射性核素衰變,穩定核素的套用,S-H圖,穩定核素分布的七律,1、坐標S18~6連續核素的有序分布,2、穩定區中部的兩個7×7菱形區域,3、坐標差上界的7核素對稱分布,

定義

核素分類是原子核基本性質規律的統一,其在自然科學中的價值與化學元素周期律相似。元素周期律的本質是原子核外電子分布與結合的規律,它決定了數十種元素組成自然界無法計數的物質,核內質子與中子排布或融合的規律,它決定著原子核,即同位素的存在,在核素分類基礎上將能完成原子核理論統一。
核素可分為穩定核素和不穩定核素(具有放射性)兩類。原子核穩定,不會發生自發衰變的核素是穩定核素。已發現的天然穩定核素只有270餘種,而放射性核素約有2500種,其中絕大部分是人工製造的。
原子序數Z≤82的核元素,每種核素都有一個或幾個穩定的同位素(除鎝和鉅外);Z≥83的核素只有放射性核素,Z>92的核素稱為超鈾核素。

放射性核素衰變

核素常用符號AZX 表示,其中X是元素符號,Z是原子序數,A是質量數,A-Z=N,N是該核素中的中子數。由於元素符號X已經確定了它的原子序數,因此,通常核素也可簡記為AX。
科學研究表明,穩定性核素對核子總數有一定限度(一般為A≤209),而且中子數和質子數應保持一定的比例(一般為N/Z=1~1.5,也有個別例外)。任何含有過多核子或N/Z不適當的核素,都是不穩定的。A≥209的核素,即元素周期表中釙(Po)之後的所有元素的核素都具有放射性(釙之前的元素,有的核素也具有放射性),它們或是自發地放射出α射線(即He核),而轉變成A較小的新核;或是因核素的N/Z不適當,其核內的中子與質子會自發地相互轉變,從而改變N/Z的值,並同時放出一個β-(或β+)粒子。核素衰變後產生的新核幾乎都是處在激發態,這樣的核或是自發地放射出γ光子而轉變到基態或較低能態,或是繼續進行α衰變(或β衰變),直到變成一個穩定的核素為止。

穩定核素的套用

穩定核素標記,活化穩定核素示蹤法廣泛套用於生物學、醫學、考古學、地質學等學科。
以土壤侵蝕研究為例。採用可活化穩定核素示蹤法,可以實現以下兩個研究目的:( 1) 利用不同部位或不同地段土壤中的元素豐度分布特徵及含量差異 , 通過中子活化分析等分析技術 , 判測泥沙來源與侵蝕強度分布 ( 2)將人工施放的具有可活化的穩定性核素的元素化合物作為示蹤劑,利用 INAA分析方法,研究侵蝕泥沙分布運動變化規律。

S-H圖

傳統核素圖中,人們以質子數Z、中子數N分析穩定核素的線性分布,找到了幻數質子中子數,成為傳統核理論研究的基礎。但在這種圖中,穩定區長是寬的許多倍,難以看出隱藏在其中的許多線性列,只能看出過剩中子數N-Z=I的由核素7Li,9Be,35Cl組成的15核長核素列。
在引入兩參量S=2Z-N H=N-Z代替基本變數Z、N的圖中¨,核素穩定區收長增寬,核素分布緊湊,其線性分布表現出一系列規律性。
定義核素分布的線性列,當以某一常數分析核素分布時,這常數列核素排布不出現中斷的排列,這類核素列又可分為偶偶核素列、奇偶混合列與奇A核素列。偶偶核列,核素坐標值以偶數值遞變,而奇偶數的核索列,相鄰核的坐標值以△S=1、△H=1或△H=2遞變。 當以坐標S軸的正方向為始邊依反時針方向旋轉,始終邊所成角大小為序,再以終邊的平行線 系統地分析穩定核素的線性核列的特點.可以發現核素線性列的一些規律性。這些核素常數列主要有成角0度坐標H、90度的S常數列、角45度的坐標差K、質子數Z常數以坐標表示為 S+H,中子數N常數為S+2H、還有坐標的S-2H,S.3H,⋯,H,2S,H-3S,⋯等常數 方向,雖不好以角度確切表示,但能以兩坐標的比值以序表示,依角度大小,主要核素列的排序為 H, S-nH,⋯S-4H,S-3H,S-2H,S-H;2S-H,3S-H,4S-H;⋯nS-H,S, S+H,S+2H,S+3H,S+nH, 2S+H,3S+H,⋯nS+H。

穩定核素分布的七律

1、坐標S18~6連續核素的有序分布

在坐標為S=2Z—N,H=N—Z的核素圖中閉,穩定核素區的下界是坐標S軸,該數軸上分布著等質子與中子數的核素.在偶坐標S18~6的7常數列上,下界核素 (18,0),(16,0),~,(6,0)都是只有氘結團的核素,這些坐標的下界分別有18,16, 14,⋯,6個氘結團.在同一坐標S常數列上的不同核素都具有相同個數的氘結團, 而對於同列相鄰核素,當坐標H以1個單位向上遞變分布時,相鄰核素的上面核素 比下一核素多一氚結團.坐標S18的連續核素排列著(18,0),(18,1),~,(18,6)7核素, 坐標S16與S14兩列從H0~4都有連續5核素,坐標s12,S10,S8,拍的4列坐標 H0~2都有連續3核素.這7列連續分布的核素依次是1列7核素,2列5核素,4 列3核素。這裡偶坐標S18~6的7列連續核素的上界坐標Ⅱ依次為:
Ⅱ=6;4,4;2,2,2,2. 就是1個6,2個4,4個2,形成核素個數1,2,4相同的分布.見圖I左部.
圖1  穩定區的兩個7×7核索區及上下的7核索分布圖1 穩定區的兩個7×7核索區及上下的7核索分布

2、穩定區中部的兩個7×7菱形區域

2.1 新穩定區的偶偶核素
在坐標(S,H)處以參量(2K,2x)聯繫核素新的穩定區[41,在S一Ⅳ圖中,以該坐標 對應的(2K,2X)表示新坐標,則新坐標是2K=2(S一/4),2X=2(S一2H),2倍時只 聯繫著偶偶核素.
2.2穩定區的兩個7 X 7菱形區域
2穩定區的兩個7 X 7菱形區域 在傳統核素圖中,以質子數Z與中子數N為坐標,核素區是窄長條形,核素分布長是寬的許多倍網。這種圖中以兩坐標為邊的最大正方形區只是一邊為3偶偶核素。如存在穩定區中部的3種3等值核子數A 124,A 130,A 136核素處,分別以這3 核子數為中線,聯繫著一個邊長為3核素的正方形區.在氘氚結團圖中,兩坐標為邊的最大正方形區是一邊為6偶偶核素,區內有36種核素。這個區域位於坐標S28~ 38與H16~26的區域,可聯繫不重複的9核素正方形16個。
在穩定區中的各種圖形並不會因坐標變換而增加或消失,但由於坐標變數選取的不同,會出現嚴重變形導致很難辯認,而坐標選取合適則無此問題.在穩定核素分布中,實際存在的最大正方形區是邊長為7核素的區.在坐標S—Z圖的坐標差K13與 K19兩平行線之間,以坐標s18為左界,坐標H11為上界,存在兩個邊長7坐標的菱形區域.它們中間部分重疊,形成一個等腰梯形區.當以坐標(2K,2X)聯繫新穩定區 時,就對應著兩個7×7偶偶核素區,見圖1中部。
2.3兩菱形區對應的穩定核素區
當在坐標(S,H)處以(2K,2X)作新坐標聯繫新核素時,上述的兩個菱形在新穩定區內,這裡7×7的49個坐標一一對應著49種穩定核素,兩個菱形區域各對應聯繫 兩個7 X7穩定核素區。
坐標H5與H11聯繫的4頂點核素是(26,16),(38,28).(26,4),(38,16),4邊是 坐標S26與S38,K10與K22的區域,四邊形的中心核素是(32,16)。坐標S18與S24 聯繫的4頂點核素是(38,4()),(26,16),(38,28),(26,4),4邊是坐標S26,S38與2S-H=36,48,四邊形區中心核素是(32,22)。
在這兩個菱形區中,有3頂點坐標(18,5),(24,5),(24,11)相同,只有最外側的 第4坐標(30,11)與最下端的(18,-1)不同,這兩個菱形中部重疊後的3個相同坐標再加外側的2坐標,就合併成4頂點為(18,5),(24,11),(30,11),(18,一1)的梯形.以 (2K,2X)變換聯繫的新核素區,對應著4頂點為核素(26,16),(26,4),(38,16),(38, 40)的梯形。這梯形4邊為坐標S26與S38,差K22與參量2S-H=36。兩個7 X 7菱 形核素區的中心核素是(32,16)與(32,22)。

3、坐標差上界的7核素對稱分布

在坐標H11上右側,是坐標H12,H13,H14組成的坐標(29,12),(30,12),(30, 13),(32,13),(32,14),(33,14)構成的7坐標折線,並以(2K,2X)作新坐標聯繫著原穩定區邊界的差K24,K26,K28三列核素.這7坐標對應的是差K24,K26,K28的2,3, 2核素,其中有差K26,K28的上界(38,12),(38,lo)與下界(34,8),(36,8),差K24的 上界(36,12)與局部下界(34,l()).剩餘的K26一核素(36,10)是偶Z46的下界,以這核素為中點,7核素以坐標S36,H10,差K26在3方向呈3列3點共線對稱, 而這箇中點是由穩定區整數聯繫四邊形的核素(31,13)聯繫著。

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