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) Z; liczbę neutronów w jądrze wyraża się za pomocą liczby neutronów N; sumę protonów i neutronów (nukleonów) wyraża się za pomocą liczby 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:

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 (t_1/2) 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 (t_1/2 = 4,5 · 10⁹ lat);
• nuklidy radiogenne powstałe w wyniku rozpadu promieniotwórczego radionuklidów, np. izotop radu ²²⁶Ra (t_1/2 = 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 ²³⁹Pu;</sup>
• 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.