Stabiles Nuklid - Stable nuclide

Nuklide (Isotope) nach Art des Zerfalls. Orange und blaue Nuklide sind instabil, wobei die schwarzen Quadrate zwischen diesen Regionen stabile Nuklide darstellen. Die durchgehende Linie, die unter den meisten Nukliden verläuft, umfasst die Positionen auf dem Graphen der (meist hypothetischen) Nuklide, für die die Protonenzahl gleich der Neutronenzahl wäre. Die Grafik spiegelt die Tatsache wider, dass Elemente mit mehr als 20 Protonen entweder mehr Neutronen als Protonen haben oder instabil sind.

Stabile Nuklide sind Nuklide , die nicht radioaktiv sind und daher (im Gegensatz zu Radionukliden ) nicht spontan radioaktiv zerfallen . Wenn solche Nuklide in Bezug auf bestimmte Elemente genannt werden, werden sie normalerweise als stabile Isotope bezeichnet .

Die 80 Elemente mit einem oder mehreren stabilen Isotopen umfassen insgesamt 252 Nuklide, deren Zerfall mit aktuellen Geräten nicht bekannt ist (siehe Liste am Ende dieses Artikels). Von diesen Elementen haben 26 nur ein stabiles Isotop; sie werden daher als monoisotop bezeichnet . Der Rest hat mehr als ein stabiles Isotop. Zinn hat zehn stabile Isotope, die größte Anzahl stabiler Isotope, die für ein Element bekannt sind.

Definition von Stabilität und natürlich vorkommenden Nukliden

Die meisten natürlich vorkommenden Nuklide sind stabil (ca. 252; siehe Liste am Ende dieses Artikels), und ca. 34 weitere (insgesamt 286) sind bekanntermaßen radioaktiv mit ausreichend langen Halbwertszeiten (auch bekannt), um primordial auftreten zu können. Wenn die Halbwertszeit eines Nuklids mit dem Erdalter (4,5 Milliarden Jahre) vergleichbar oder größer ist, wird seit der Entstehung des Sonnensystems ein erheblicher Teil überlebt haben und dann als primordial bezeichnet werden . Es trägt dann auf diese Weise zur natürlichen Isotopenzusammensetzung eines chemischen Elements bei. Ursprünglich vorhandene Radioisotope lassen sich leicht mit Halbwertszeiten von nur 700 Millionen Jahren (zB 235 U ) nachweisen. Dies ist die gegenwärtige Nachweisgrenze, da kürzerlebige Nuklide in der Natur bisher unbestritten noch nicht nachgewiesen wurden, außer wenn sie erst kürzlich entstanden sind, wie z. B. Zerfallsprodukte oder kosmische Strahlungsspallation.

Viele natürlich vorkommende Radioisotope (weitere etwa 53, insgesamt etwa 339) weisen noch kürzere Halbwertszeiten als 700 Millionen Jahre auf, werden aber frisch hergestellt, als Folgeprodukte von Zerfallsprozessen von Urnukliden (zum Beispiel Radium aus Uran ) oder aus laufenden energetischen Reaktionen, wie kosmogenen Nukliden, die durch den gegenwärtigen Beschuss der Erde mit kosmischer Strahlung erzeugt werden (z. B. 14 C aus Stickstoff).

Für einige als stabil eingestufte Isotope (dh für sie wurde keine Radioaktivität beobachtet) wird eine extrem lange Halbwertszeit (manchmal bis zu 10 18 Jahre oder mehr) vorhergesagt . Wenn die vorhergesagte Halbwertszeit in einen experimentell zugänglichen Bereich fällt, haben solche Isotope eine Chance, von der Liste der stabilen Nuklide in die Kategorie der radioaktiven Stoffe zu gelangen, sobald ihre Aktivität beobachtet wird. Beispielsweise galten 209 Bi und 180 W früher als stabil, wurden aber 2003 als alpha-aktiv befunden. Solche Nuklide ändern jedoch ihren Status als primordial nicht, wenn sie radioaktiv sind.

Es wird angenommen , dass die stabilsten Isotope auf der Erde in Prozessen der Nukleosynthese entstanden sind , entweder im Urknall oder in Generationen von Sternen , die der Entstehung des Sonnensystems vorausgingen . Einige stabile Isotope zeigen jedoch auch Häufigkeitsschwankungen in der Erde als Folge des Zerfalls langlebiger radioaktiver Nuklide. Diese Zerfallsprodukte werden radiogene Isotope genannt, um sie von der viel größeren Gruppe der 'nicht-radiogenen' Isotope zu unterscheiden.

Isotope pro Element

Von den bekannten chemischen Elementen weisen 80 Elemente mindestens ein stabiles Nuklid auf. Diese umfassen die ersten 82 Elemente von Wasserstoff bis Blei , mit den beiden Ausnahmen Technetium (Element 43) und Promethium (Element 61), die keine stabilen Nuklide aufweisen. Im Dezember 2016 waren insgesamt 252 „stabile“ Nuklide bekannt. In dieser Definition bedeutet "stabil" ein Nuklid, bei dem noch nie ein Zerfall vor dem natürlichen Hintergrund beobachtet wurde. Daher haben diese Elemente Halbwertszeiten, die zu lang sind, um mit irgendwelchen Mitteln, direkt oder indirekt, gemessen zu werden.

Stabile Isotope:

  • 1 Element ( Zinn ) hat 10 stabile Isotope
  • 5 Elemente haben jeweils 7 stabile Isotope
  • 7 Elemente haben jeweils 6 stabile Isotope
  • 11 Elemente haben jeweils 5 stabile Isotope
  • 9 Elemente haben jeweils 4 stabile Isotope
  • 5 Elemente haben jeweils 3 stabile Isotope
  • 16 Elemente haben jeweils 2 stabile Isotope
  • 26 Elemente haben 1 einziges stabiles Isotop.

Diese letzten 26 werden daher als monoisotope Elemente bezeichnet . Die mittlere Anzahl stabiler Isotope für Elemente mit mindestens einem stabilen Isotop beträgt 252/80 = 3,15.

Physikalische magische Zahlen und ungerade und gerade Protonen- und Neutronenzählung

Die Stabilität von Isotopen wird durch das Verhältnis von Protonen zu Neutronen beeinflusst und auch durch das Vorhandensein bestimmter magischer Zahlen von Neutronen oder Protonen, die geschlossene und gefüllte Quantenschalen darstellen. Diese Quantenschalen entsprechen einer Reihe von Energieniveaus innerhalb des Schalenmodells des Kerns; gefüllte Schalen, wie die gefüllte Schale mit 50 Protonen für Zinn, verleiht dem Nuklid eine ungewöhnliche Stabilität. Wie beim Zinn erhöht eine magische Zahl für Z , die Ordnungszahl, tendenziell die Zahl der stabilen Isotope für das Element.

Genau wie bei Elektronen, die den niedrigsten Energiezustand haben, wenn sie paarweise in einem bestimmten Orbital auftreten, weisen Nukleonen (sowohl Protonen als auch Neutronen) einen niedrigeren Energiezustand auf, wenn ihre Zahl eher gerade als ungerade ist. Diese Stabilität verhindert tendenziell den Betazerfall (in zwei Schritten) vieler gerader – gerader Nuklide in ein anderes gerades – gerades Nuklid der gleichen Massenzahl, aber niedrigerer Energie (und natürlich mit zwei Protonen mehr und zwei Neutronen weniger), weil der Zerfall eins Schritt für Schritt müsste ein ungerades Nuklid mit höherer Energie passieren. Solche Kerne durchlaufen also stattdessen einen doppelten Beta-Zerfall (oder es wird dies theoretisiert) mit Halbwertszeiten, die mehrere Größenordnungen größer sind als das Alter des Universums . Dies führt zu einer größeren Anzahl stabiler gerader Nuklide, die 151 der insgesamt 252 ausmachen. Stabile gerade–gerade Nuklide zählen bis zu drei Isobaren für einige Massenzahlen und bis zu sieben Isotope für einige Ordnungszahlen.

Umgekehrt haben von den 252 bekannten stabilen Nukliden nur fünf sowohl eine ungerade Anzahl von Protonen als auch eine ungerade Anzahl von Neutronen: Wasserstoff-2 ( Deuterium ), Lithium-6 , Bor-10 , Stickstoff-14 und Tantal-180m . Außerdem haben nur vier natürlich vorkommende radioaktive ungerade Nuklide eine Halbwertszeit von über einer Milliarde Jahren: Kalium-40 , Vanadium-50 , Lanthan-138 und Lutetium-176 . Ungerade-ungerade- Primordialnuklide sind selten, weil die meisten ungeraden-ungerade-Kerne bezüglich des Beta-Zerfalls instabil sind , weil die Zerfallsprodukte gerade-gerade und daher aufgrund von Kernpaarungseffekten stärker gebunden sind .

Ein weiterer Effekt der Instabilität einer ungeraden Anzahl von Nukleonentypen besteht darin, dass ungeradzahlige Elemente dazu neigen, weniger stabile Isotope zu haben. Von den 26 monoisotopischen Elementen (die mit nur einem einzigen stabilen Isotop) haben alle bis auf eines eine ungerade Ordnungszahl und alle bis auf eines eine gerade Anzahl von Neutronen – die einzige Ausnahme von beiden Regeln ist Beryllium.

Das Ende der stabilen Elemente im Periodensystem tritt nach Blei ein , hauptsächlich aufgrund der Tatsache, dass Kerne mit 128 Neutronen außerordentlich instabil sind und fast sofort Alphateilchen abstoßen. Dies trägt auch zu den sehr kurzen Halbwertszeiten von Astat , Radon und Francium im Vergleich zu schwereren Elementen bei. Dies ist auch in viel geringerem Maße bei 84 Neutronen zu sehen, die als eine bestimmte Anzahl von Isotopen in der Lanthanoid-Reihe aufweisen, die einen Alpha-Zerfall aufweisen.

Kernisomere, einschließlich eines "stabilen"

Die Zahl der 252 bekannten stabilen Nuklide schließt Tantal-180m ein, denn obwohl sein Zerfall und seine Instabilität automatisch durch die Bezeichnung "metastabil" impliziert wird, wurde dies noch nicht beobachtet. Alle "stabilen" Isotope (stabil durch Beobachtung, nicht durch Theorie) sind die Grundzustände von Kernen, mit Ausnahme von Tantal-180m, das ein Kernisomer oder angeregter Zustand ist. Der Grundzustand dieses speziellen Kerns, Tantal-180, ist radioaktiv mit einer vergleichsweise kurzen Halbwertszeit von 8 Stunden; im Gegensatz dazu ist der Zerfall des angeregten Kernisomers durch Spinparitätsselektionsregeln extrem stark verboten. Es wurde experimentell durch direkte Beobachtung berichtet, dass die Halbwertszeit von 180m Ta bis zum Gammazerfall mehr als 10 15 Jahre betragen muss . Andere mögliche Modi des 180m- Ta-Zerfalls (Beta-Zerfall, Elektroneneinfang und Alpha-Zerfall) wurden ebenfalls nie beobachtet.

Bindungsenergie pro Nukleon üblicher Isotope.

Noch unbeobachteter Zerfall

Es wird erwartet, dass eine kontinuierliche Verbesserung der experimentellen Empfindlichkeit die Entdeckung einer sehr schwachen Radioaktivität (Instabilität) einiger Isotope ermöglichen wird, die heute als stabil gelten. Als Beispiel für eine neuere Entdeckung wurde erst 2003 gezeigt, dass Bismut-209 (das einzige ursprüngliche Isotop von Bismut) sehr schwach radioaktiv ist, was die theoretischen Vorhersagen der Kernphysik bestätigt, dass Bismut-209 durch Alpha-Emission sehr langsam zerfallen würde .

Isotopen, die theoretisch angenommen werden , instabil zu sein , aber noch nicht zu zerfallen beobachtet worden ist, bezeichnet als beobachtungs stabil . Derzeit gibt es 162 theoretisch instabile Isotope, von denen 45 ohne Anzeichen eines Zerfalls im Detail beobachtet wurden, wobei das leichteste auf jeden Fall 36 Ar ist.


Übersichtstabelle für die Zahlen jeder Klasse von Nukliden

Dies ist eine zusammenfassende Tabelle aus der Liste der Nuklide . Beachten Sie, dass die Zahlen nicht genau sind und sich in Zukunft leicht ändern können, da beobachtet wird, dass Nuklide radioaktiv sind oder neue Halbwertszeiten mit einiger Genauigkeit bestimmt werden.

Nuklidart nach Stabilitätsklasse Anzahl der Nuklide in der Klasse Laufende Gesamtzahl der Nuklide in allen Klassen bis zu diesem Punkt Anmerkungen
Theoretisch stabil gegen alles außer Protonenzerfall 90 90 Enthält die ersten 40 Elemente. Wenn Protonen zerfallen , gibt es keine stabilen Nuklide.
Theoretisch stabil gegenüber Alpha-Zerfall , Beta-Zerfall , Isomerenübergang und doppeltem Beta-Zerfall, aber nicht spontaner Spaltung , was bei "stabilen" Nukliden ≥ Niob-93 . möglich ist 56 146 Beachten Sie, dass bei Nukliden mit einer Massenzahl < 230 nie eine spontane Spaltung beobachtet wurde.
Energetisch instabil gegenüber einem oder mehreren bekannten Decay-Modi, aber noch kein Decay gesehen. Gilt als stabil, bis die Radioaktivität bestätigt wurde. 106
252 Gesamt sind die beobachtungsstabilen Nuklide.
Radioaktive Urnuklide . 34 286 Enthält Bi, Do, U
Radioaktives Nichtprimordial, aber natürlich auf der Erde vorkommend. ~61 signifikant ~347 signifikant Kosmogene Nuklide aus kosmischer Strahlung; Tochter radioaktiver Urformen wie Francium usw.

Liste der stabilen Nuklide

  1. Wasserstoff-1
  2. Wasserstoff-2
  3. Helium-3
  4. Helium-4
    keine Massenzahl 5
  5. Lithium-6
  6. Lithium-7
    keine Massenzahl 8
  7. Beryllium-9
  8. Bor-10
  9. Bor-11
  10. Kohlenstoff-12
  11. Kohlenstoff-13
  12. Stickstoff-14
  13. Stickstoff-15
  14. Sauerstoff-16
  15. Sauerstoff-17
  16. Sauerstoff-18
  17. Fluor-19
  18. Neon-20
  19. Neon-21
  20. Neon-22
  21. Natrium-23
  22. Magnesium-24
  23. Magnesium-25
  24. Magnesium-26
  25. Aluminium-27
  26. Silizium-28
  27. Silizium-29
  28. Silizium-30
  29. Phosphor-31
  30. Schwefel-32
  31. Schwefel-33
  32. Schwefel-34
  33. Schwefel-36
  34. Chlor-35
  35. Chlor-37
  36. Argon-36 (2E)
  37. Argon-38
  38. Argon-40
  39. Kalium-39
  40. Kalium-41
  41. Calcium-40 (2E)*
  42. Kalzium-42
  43. Kalzium-43
  44. Kalzium-44
  45. Calcium-46 (2B)*
  46. Scandium-45
  47. Titan-46
  48. Titan-47
  49. Titan-48
  50. Titan-49
  51. Titan-50
  52. Vanadium-51
  53. Chrom-50 (2E)*
  54. Chrom-52
  55. Chrom-53
  56. Chrom-54
  57. Mangan-55
  58. Eisen-54 (2E)*
  59. Eisen-56
  60. Eisen-57
  61. Eisen-58
  62. Kobalt-59
  63. Nickel-58 (2E)*
  64. Nickel-60
  65. Nickel-61
  66. Nickel-62
  67. Nickel-64
  68. Kupfer-63
  69. Kupfer-65
  70. Zink-64 (2E)*
  71. Zink-66
  72. Zink-67
  73. Zink-68
  74. Zink-70 (2B)*
  75. Gallium-69
  76. Gallium-71
  77. Germanium-70
  78. Germanium-72
  79. Germanium-73
  80. Germanium-74
  81. Arsen-75
  82. Selen-74 (2E)
  83. Selen-76
  84. Selen-77
  85. Selen-78
  86. Selen-80 (2B)
  87. Brom-79
  88. Brom-81
  89. Krypton-80
  90. Krypton-82
  91. Krypton-83
  92. Krypton-84
  93. Krypton-86 (2B)
  94. Rubidium-85
  95. Strontium-84 (2E)
  96. Strontium-86
  97. Strontium-87
  98. Strontium-88
  99. Yttrium-89
  100. Zirkonium-90
  101. Zirkonium-91
  102. Zirkonium-92
  103. Zirkonium-94 (2B)*
  104. Niob-93
  105. Molybdän-92 (2E)*
  106. Molybdän-94
  107. Molybdän-95
  108. Molybdän-96
  109. Molybdän-97
  110. Molybdän-98 (2B)*
    Technetium - keine stabilen Isotope
  111. Ruthenium-96 (2E)*
  112. Ruthenium-98
  113. Ruthenium-99
  114. Ruthenium-100
  115. Ruthenium-101
  116. Ruthenium-102
  117. Ruthenium-104 (2B)
  118. Rhodium-103
  119. Palladium-102 (2E)
  120. Palladium-104
  121. Palladium-105
  122. Palladium-106
  123. Palladium-108
  124. Palladium-110 (2B)*
  125. Silber-107
  126. Silber-109
  127. Cadmium-106 (2E)*
  128. Cadmium-108 (2E)*
  129. Cadmium-110
  130. Cadmium-111
  131. Cadmium-112
  132. Cadmium-114 (2B)*
  133. Indium-113
  134. Zinn-112 (2E)
  135. Zinn-114
  136. Zinn-115
  137. Zinn-116
  138. Zinn-117
  139. Zinn-118
  140. Zinn-119
  141. Zinn-120
  142. Zinn-122 (2B)
  143. Zinn-124 (2B)*
  144. Antimon-121
  145. Antimon-123
  146. Tellur-120 (2E)*
  147. Tellur-122
  148. Tellur-123 (E)*
  149. Tellur-124
  150. Tellur-125
  151. Tellur-126
  152. Jod-127
  153. Xenon-126 (2E)
  154. Xenon-128
  155. Xenon-129
  156. Xenon-130
  157. Xenon-131
  158. Xenon-132
  159. Xenon-134 (2B)*
  160. Cäsium-133
  161. Barium-132 (2E)*
  162. Barium-134
  163. Barium-135
  164. Barium-136
  165. Barium-137
  166. Barium-138
  167. Lanthan-139
  168. Cer-136 (2E)*
  169. Cer-138 (2E)*
  170. Cer-140
  171. Cer-142 (A, 2B)*
  172. Praseodym-141
  173. Neodym-142
  174. Neodym-143 (A)
  175. Neodym-145 (A)*
  176. Neodym-146 (2B)
    keine Massenzahl 147
  177. Neodym-148 (A, 2B)*
    Promethium - keine stabilen Isotope
  178. Samarium-144 (2E)
  179. Samarium-149 (A)*
  180. Samarium-150 (A)
    keine Massenzahl 151
  181. Samarium-152 (A)
  182. Samarium-154 (2B)*
  183. Europium-153 (A)
  184. Gadolinium-154 (A)
  185. Gadolinium-155 (A)
  186. Gadolinium-156
  187. Gadolinium-157
  188. Gadolinium-158
  189. Gadolinium-160 (2B)*
  190. Terbium-159
  191. Dysprosium-156 (A, 2E)*
  192. Dysprosium-158 (A)
  193. Dysprosium-160 (A)
  194. Dysprosium-161 (A)
  195. Dysprosium-162 (A)
  196. Dysprosium-163
  197. Dysprosium-164
  198. Holmium-165 (A)
  199. Erbium-162 (A, 2E)*
  200. Erbium-164 (A)
  201. Erbium-166 (A)
  202. Erbium-167 (A)
  203. Erbium-168 (A)
  204. Erbium-170 (A, 2B)*
  205. Thulium-169 (A)
  206. Ytterbium-168 (A, 2E)*
  207. Ytterbium-170 (A)
  208. Ytterbium-171 (A)
  209. Ytterbium-172 (A)
  210. Ytterbium-173 (A)
  211. Ytterbium-174 (A)
  212. Ytterbium-176 (A, 2B)*
  213. Lutetium-175 (A)
  214. Hafnium-176 (A)
  215. Hafnium-177 (A)
  216. Hafnium-178 (A)
  217. Hafnium-179 (A)
  218. Hafnium-180 (A)
  219. Tantal-180m (A, B, E, IT)* ^
  220. Tantal-181 (A)
  221. Wolfram-182 (A)*
  222. Wolfram-183 (A)*
  223. Wolfram-184 (A)*
  224. Wolfram-186 (A, 2B)*
  225. Rhenium-185 (A)
  226. Osmium-184 (A, 2E)*
  227. Osmium-187 (A)
  228. Osmium-188 (A)
  229. Osmium-189 (A)
  230. Osmium-190 (A)
  231. Osmium-192 (A, 2B)*
  232. Iridium-191 (A)
  233. Iridium-193 (A)
  234. Platin-192 (A)*
  235. Platin-194 (A)
  236. Platin-195 (A)
  237. Platin-196 (A)
  238. Platin-198 (A, 2B)*
  239. Gold-197 (A)
  240. Merkur-196 (A, 2E)*
  241. Quecksilber-198 (A)
  242. Quecksilber-199 (A)
  243. Quecksilber-200 (A)
  244. Quecksilber-201 (A)
  245. Quecksilber-202 (A)
  246. Merkur-204 (2B)
  247. Thallium-203 (A)
  248. Thallium-205 (A)
  249. Blei-204 (A)*
  250. Blei-206 (A)
  251. Blei-207 (A)
  252. Blei-208 (A)*
    Wismut ^^ und höher –
    keine stabilen Isotope
    keine Massenzahl 209 und höher

Abkürzungen für vorhergesagten unbeobachteten Zerfall:

A für Alpha-Zerfall, B für Beta-Zerfall, 2B für doppelten Beta-Zerfall, E für Elektroneneinfang, 2E für doppelten Elektroneneinfang, IT für isomeren Übergang, SF für spontane Spaltung, * für die Nuklide, deren Halbwertszeit eine untere Schranke hat.

^ Tantal-180m ist ein "metastabiles Isotop", was bedeutet, dass es ein angeregtes Kernisomer von Tantal-180 ist. Siehe Isotope von Tantal . Die Halbwertszeit dieses Kernisomers ist jedoch so lang, dass noch nie ein Zerfall beobachtet wurde, und es tritt daher als "beobachtet nicht radioaktives" Primordialnuklid , als Nebenisotop von Tantal auf. Dies ist der einzige Fall eines Kernisomers mit einer so langen Halbwertszeit, dass noch nie ein Zerfall beobachtet wurde. Es ist somit in dieser Liste enthalten.

^^ Bismut-209 galt aufgrund seiner ungewöhnlich langen Halbwertszeit von 2,01 · 10 19 Jahren, die mehr als eine Milliarde (1000 Millionen) mal so alt ist wie das Universum, lange als stabil .

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Belli, S.; Bernabei, R.; Danevich, FA; et al. (2019). „Experimentelle Suche nach seltenen Alpha- und Beta-Zerfällen“. Europäische Physikalische Zeitschrift A . 55 (8): 140–1–140–7. arXiv : 1908.11458 . doi : 10.1140/epja/i2019-12823-2 . ISSN  1434-601X .
  2. ^ Sonzogni, Alejandro. "Interaktives Diagramm der Nuklide" . National Nuclear Data Center: Brook Haven National Laboratory . Abgerufen 2008-06-06 .
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  4. ^ "WWW-Tabelle der radioaktiven Isotope" .
  5. ^ "Nucleonica :: Web-getriebene Nuklearwissenschaft" .

Buchreferenzen

Externe Links