nuklid
Nuklid — Nuklid – rodzaj atomu o jądrze atomowym składającym się z określonej liczby nukleonów (protonów i neutronów).
Definicja
Pojęcie nuklidu jako rodzaju atomu o danym składzie jądra atomowego wyrażonego liczbą protonów i neutronów zostało wprowadzone przez Trumana Paula Kohmana w 1947 r.
Liczbę protonów w jądrze atomu wyraża się za pomocą liczby atomowej (liczby porządkowej) ZNliczby masowej A (nuklidu):
Jądro atomu pierwiastka o liczbach Z, N i A oznacza się:
gdzie:
- X – symbol chemiczny pierwiastka
- A – liczba masowa (nuklid)
- Z – liczba atomowa (porządkowa)
- N – liczba neutronów
Rodzaje nuklidów
Izotopy
Nuklidy o takiej samej liczbie protonów (takiej samej liczbie atomowej), ale różniące się między sobą liczbą neutronów (różniące się liczbą masową) oraz atomy z takimi nuklidami (jako jądra) określa się mianem izotopów danego pierwiastka chemicznego:
Izotopy danego pierwiastka chemicznego różnią się między sobą właściwościami fizycznymi oraz chemicznymi (gęstością, temperaturą wrzenia, topnienia i sublimacji oraz reaktywnością wpływającą na szybkość reakcji chemicznych).
Bardzo często pojęcie nuklidu używa się zamiennie z pojęciem izotopu; co jest założeniem błędnym. Koncepcja nuklidów skupia się na właściwościach jądra atomowego, o których w dużym stopniu decyduje liczba neutronów obecnych w jądrze. Równocześnie neutrony mają znikomy wpływ na właściwości chemiczne danego pierwiastka; co kłóci się z koncepcją izotopów, która skupia się na właściwościach fizycznych i chemicznych atomów danego pierwiastka.
Izotony
Nuklidy o takiej samej liczbie neutronów i różnej liczbie protonów w jądrze atomu (różnej liczbie atomowej Z) określa się mianem izotonów:
zawierające po 7 neutronów w jądrze;
zawierające po 20 neutronów w jądrze.
Izobary
Nuklidy o takiej samej liczbie masowej A, czyli o takiej samej liczbie protonów i neutronów w jądrze atomu oraz różniące się ładunkiem (liczbą atomową Z) określa się mianem izobarów. Izobarami są atomy różnych pierwiastków:
Szczególnym rodzajem izobarów są jądra lustrzane – jądra izobaryczne, czyli jądra atomowe różnych pierwiastków chemicznych, w których liczba protonów w atomie jednego pierwiastka jest taka sama, jak liczba neutronów w atomie drugiego pierwiastka; liczby masowe A obu pierwiastków są równe:
Jądra lustrzane są charakterystyczne dla jąder lekkich. Cechują się podobna strukturą, mają identyczny spin (moment pędu) oraz parzystość.
Izomery jądrowe
Nuklidy o takiej samej liczbie protonów i takiej samej liczbie masowej A (według definicji będące izotopami tego samego pierwiastka) oraz różniące się stanem kwantowym określa się mianem izomerów jądrowych:
gdzie:
- m – metatrwały, wzbudzony stan izotopu
Granica pomiędzy trwałym (stabilnym) stanem izotopu a jego stanem wzbudzonym jest płynna i wynosi od kilku nanosekund do kilku sekund.
Występowanie nuklidów
W stanie naturalnym istnieje ok. 250 stabilnych nuklidów, które nie są radioaktywne i nie ulegają rozpadowi promieniotwórczemu. Występują wśród 80 różnych pierwiastków o jednym lub większej ilości stabilnych izotopów.
Nuklidy niestabilne są radioaktywne i podlegają rozpadowi promieniotwórczemu; są nazywane radionuklidami. Produkty rozpadu radionuklidów określa się mianem nuklidów radiogennych. W stanie naturalnym występuje ok. 86 radionuklidów.
Wyróżnia się następujące rodzaje naturalnie występujących radionuklidów:
- radionuklidy, których okres połowicznego rozkładu (t1/2) wynosi co najmniej 2% wieku Ziemi; w praktyce trudne do wykrycia; powstałe w wyniku nukleosyntezy zachodzącej w gwiazdach przed powstaniem Układu Słonecznego, np. izotop uranu ²³⁸U (t1/2 = 4,5 · 109 lat);
- nuklidy radiogenne powstałe w wyniku rozpadu promieniotwórczego radionuklidów, np. izotop radu ²²⁶Ra (t1/2 = 1602 lat); występują w szeregach promieniotwórczych uranu lub toru;
- nuklidy nukleotydowe powstające w wyniku reakcji atomów z naturalnie występującymi neutronami pochodzącymi z promieniowania kosmicznego lub uwolnionymi w wyniku reakcji samorzutnego rozszczepienia jądra atomowego, np. izotop plutonu 239
- nuklidy kosmogenne powstające w wyniku bezpośredniego zderzania się atomów pierwiastków z cząstkami promieniowania kosmicznego, np. promieniotwórczy izotop węgla 14C.
Oprócz ok. 340 naturalnie występujących nuklidów stabilnych i radioaktywnych istnieje ponad 3 tys. sztucznie wytworzonych nuklidów o różnych okresach połowicznego rozkładu.
Tabela nuklidów
Tabela nuklidów przedstawia wszystkie znane nuklidy w dwuwymiarowej tabeli:
- w pionie przedstawione są nuklidy o takiej samej liczbie protonów w jądrze komórkowym (izotopy danego pierwiastka chemicznego);
- w poziomie przedstawione są nuklidy o takiej samej liczbie neutronów w jądrze atomowym (izotony);
- ukośnie przedstawione są nuklidy o takiej samej liczbie masowej A, czyli o takiej samej liczbie protonów i neutronów w jądrze atomu (izobary).
Tabela nuklidów umożliwia śledzenie procesów promieniotwórczego rozpadu jąder atomowych; zawiera ponadto informacje o okresie połowicznego rozpadu izotopów pierwiastków, typie i energii rozpadu oraz izomerach jądrowych. Nuklidy różniące się typem rozpadu jądra przedstawione są odmiennymi kolorami.