Разделение изотопов и применение их в ядерном реакторе

Нуклид это атомное  ядро, имеющее специфический состав протонов и нейтронов, например, углерод -13 с 6 протонами и 7 нейтронами. Понятие  «нуклид» (ссылаясь на отдельные ядерные  классы) подчеркивает преобладание ядерных свойств над химическими свойствами, в то время как  понятие «изотоп» подчеркивает (объединяя все атомы каждого элемента), преобладание химических свойств  над ядерными. Число нейтронов  имеет радикальный эффект на ядерные свойства, но этот эффект незначителен для химических свойств  большинства элементов и еще меньше в случае очень легких элементов, где это не имеет существенного значения. Так как термин «изотоп» старее, он лучше известен, и он еще иногда используется в контексте, где термин «нуклид» может больше подходить, как например, ядерные технология и ядерная медицина.

Изотоп и/или нуклид определяются по названию конкретного  элемента (это косвенным образом  указывает на атомный номер) идущего  за дефисом и массовым числом (гелий – 3, углерод – 12, углерод – 13, йод – 131 и уран – 238).Когда химический символ используется как, например «С» для углерода, стандартная запись должна показывать число нуклонов сверху слева над химическим символом и должна показывать атомный номер снизу слева у  элемента (например, ₂³Не , ₂⁴Не, ₆¹²С,₆¹⁴С, ²³⁵₉₂ U и ²³⁹ ₉₂U). Поскольку атомный номер следует из символа элемента, это является общим положением, и указывается только массовое число верхним индексом и опускается атомный номер индексом снизу.

Некоторые изотопы радиоактивны и, следовательно, характеризуются как радиоизотопы или радионуклиды, в то время как другие не подвергаются радиоактивному распаду и они характеризуются как стабильные изотопы. Например, ¹⁴С – это радиоактивная форма углерода, в то время как ¹²С и ¹³С – стабильные изотопы. Всего где-то 339 нуклидов природного происхождения, 288 из них изначально являлись нуклидами, это означает, что они существовали с момента образования Солнечной системы. Они включают 33 нуклида с очень большим периодом полураспада (около 80 миллионов лет) и остальные 255 формально считаются «стабильными», так как они не подлежат распаду.

Много  очевидно «стабильных» изотопов предсказываются теорией  быть радиоактивными, с крайне большим  периодом полураспада (это не может считаться возможностью протонного распада, которому подвергаются все нестабильные нуклиды).255 нуклидов никогда не подвергались распаду, только 90 из них (всего из первых 40-а) являются стабильными по теории по всем известным формам распада. Элемент 41-й (ниобий), теоретически является нестабильным к спонтанному делению, но это не было обнаружено. Много других стабильных нуклидов в теории энергетически чувствительны к другим известным формам распада, такие как альфа-распад или двойной бета-распад, но, ни один распад еще не наблюдался. Период полураспада для этих процессов часто по оценкам превышает в миллион раз возраст вселенной, и в действительности существует 27 известных радионуклидов с периодом полураспада большим, чем возраст Вселенной.

Вдобавок к радиоактивным нуклидам, которые были созданы искусственно, есть еще более 3100 точно известных нуклидов. Они включают 905 нуклидов, которые либо являются стабильными или имеют период полураспада больше чем 60 минут.

Содержание

1. История термина.
2. Изменения в свойствах изотопов.
1. Химические и молекулярные свойства.
2. Ядерные свойства и стабильность.
3. Количество изотопов в химическом элементе.
4. Четное и нечетное ядерные числа.
1. Четное массовое число.
1. Четный протон – четный нейтрон.
2. Нечетный протон – нечетный нейтрон.
2. Нечетное массовое число.
1. Нечетный протон – четный нейтрон.
2. Четный протон – нечетный нейтрон.
3. Нечетное нейтронное число.
3. Нахождение в природе.
4. Атомные массы изотопов.
5. Применение изотопов.
1. Применение химических и биологических свойств.
2. Применение ядерных свойств.

История термина 

Термин изотоп был  придуман Маргарет Тодд в 1913 году, шотландским  физиком во время беседы с Фредериком Содди (с которым она была дальним  родственником по браку). Содди –  химик из университета Глазго, объяснивший, что этот термин появился из его исследований, словно, если каждая позиция в периодической системе была занята несколькими элементами. Хэнс Тодд сделал предположение, которое Содди принял, что подходящим названием для таких элементов будет греческий термин «в том же самом месте».

Собственные труды Содди  были про радиоактивные нестабильные атомы. Первое наблюдение различных  стабильных изотопов элемента было проведено  Дж. Дж. Томсоном в 1913 году. Как часть  его исследования, в состав анодных  лучей Томсон направлял потоки ионов неона через магнитное и электрические поля и измерял их отклонение, размещая фотопластинку на их пути. Каждый поток создавал яркое пятно на пластине в точке удара. Томсон наблюдал два раздельных потока света на фотопластинке (смотри изображение), которые предполагали две различные параболы отклонения. Томсон, в конце концов, пришел к выводу, что некоторые атомы в неоновом газе имели большую массу, чем остальные. Впоследствии Астон обнаружил различные стабильные изотопы для многих элементов, используя масс-спектрограф.

 Изменения  в свойствах изотопов.

Химические  и молекулярные свойства.

Нейтрально-заряженный атом имеет одинаковое число электронов и протонов. Таким образом, все  различные изотопы данного элемента имеют одинаковое число протонов и электронов и часть электронной структуры. Так как химическое поведение атома, в основном, определяется электронной структурой, различные изотопы проявляют приблизительно одинаковое химическое поведение. Главное исключение из этого это кинетический изотопный эффект: в связи с их большими массами, более тяжелые изотопы, как правило, реагируют несколько более медленно чем легкие изотопы того же элемента. Это наиболее ярко проявляется для протия  ¹Н и дейтерия ²Н, потому что дейтерий имеет две массы протия. Массовый эффект между дейтерием и относительно легким протием также влияет на поведение соответственных химических связей, посредством изменения центра тяжести (уменьшение массы) атомной системы. Однако для более тяжелых элементов, которые имеют больше нейтронов, чем легкие элементы, отношение  массы ядер к общей электронной массе намного больше, и разница в  относительных массах между изотопами гораздо меньше. По  этим двум причинам, масс-разностные эффекты в химии, как правило, незначительны.

Подобным образом, две молекулы, которые различаются только в природе изотопа их атомов (изотопологи) будут иметь одинаковую электронную структуру и, следовательно, почти неразличимые физические и химические свойства (опять же дейтерий составляет главное исключение из этого правила). Колебательные составляющие молекулы определяются их формой  и массой составляющих их атомов. Как следствие, изотопологи будут иметь различные наборы колебательных составляющих. Поскольку колебательные составляющие позволяют молекуле поглощать фотоны соответствующих энергий, изотопологи будут иметь различные оптические свойства в инфракрасном диапазоне.

 
Ядерные свойства и стабильность.

Атомные ядра состоят  из протонов и нейтронов, связанных  прочными остаточными силами. Так  как протоны заряжены положительно, они отталкивают друг друга. Нейтроны, будучи электрически нейтральными, стабилизируют атомное ядро двумя путями. Их совместное присутствие отталкивает протоны друг от  друга, уменьшая силы электростатического отталкивания между протонами, и это вызывает ядерную силу притяжения между нейтронами и протонами. По этой причине один или несколько нейтронов должны быть связаны с двумя или более протонами, чтобы образовать ядро. Так как количество протонов увеличивается, то необходимо, чтобы отношение нейтронов к протонам обеспечивало образование стабильного ядра. Например, хотя отношение нейтрон – протон для гелия   ³ ₂Не 1:2, отношение нейтрон – протон для  ²³⁸ ₉₂U является большим, чем 3:2. Количество более легких элементов имеют стабильные нуклиды с отношением 1:1 (Z=N). Нуклид ⁴⁰ ₂₀Са кальций-40 – самый тяжелый стабильный изотоп с одинаковым числом протонов и нейтронов; все остальные более тяжелые стабильные нуклиды содержат больше нейтронов, нежели протонов.

Количество  изотопов в химическом элементе.

Из 80 элементов со стабильными  изотопами, самое большое количество стабильных изотопов, наблюдающихся  для любого элемента – 10. Ксенон -  единственный  элемент, который имеет  девять стабильных изотопов. Ни один элемент  не имеет восемь стабильных изотопов. Четыре элемента имеют семь стабильных изотопов, девять имеют шесть стабильных изотопов, девять имеют пять стабильных изотопов, девять имеют четыре стабильных изотопа, пять имеют три стабильных изотопа, шестнадцать имеют два стабильных изотопа (считая  ^180m ₇₃Ta как стабильный) и двадцать шесть элементов только единственный стабильный изотоп (из них 19 так называемые мононуклидные элементы, имеющие единственный первоначальный стабильный изотоп, который преобладает и определяет атомный вес природного элемента с высокой точностью; 3 радиоактивных  мононуклидных элементов также встречаются). В общем, существует 255 нуклидов, для которых не наблюдается радиоактивный распад. Для 80 элементов, которые имеют один или несколько стабильных изотопов, среднее число стабильных изотопов 255/80=3.2 на элемент.

Четное и  нечетное ядерные числа.

Отношение протон – нейтрон  не единственный фактор, влияющий на ядерную  стабильность. Добавляя нейтроны к  изотопам можно варьировать их  ядерные спины и ядерную форму, вызывая различия в нейтронном сечении захвата, гамма - спектроскопии и свойствах ядерного магнитного резонанса.

Четное массовое число.

Бета – распад четно-четных ядер образует нечетно-нечетные ядра и  наоборот. Четное число протонов или  нейтронов являются более стабильными (ниже энергия связи) из-за эффекта спаривания, таким образом, четно-четные ядра являются более стабильными, чем нечетно-нечетные. Одним из последствий этого является существование нескольких стабильных нечетно-нечетных ядер, но другим последствием является предотвращение бета-распада многих четно-четных ядер в другие четно-четные ядра того же массового числа, но меньшей энергии, потому что распад, развивающийся последовательно, должен пройти через превращения в нечетно-нечетные ядра большей энергии. Это делается для большего числа стабильных четно-четных ядер, до трех превращений для некоторых массовых чисел и до семи для некоторых атомных (протонных) чисел. Двойной бета-распад непосредственно от четно-четного до следующего четно-четного ядра имеет проскок, минуя нечетно-нечетный нуклид, но это маловероятно, даже с периодом распада большим, чем в миллиард раз возраст вселенной. Нуклиды с четным массовым числом имеют целый спин и являются бозонами.

Четный протон - четный нейтрон.

Например, крайне устойчивый гелий – 4 из-за двойного эффекта спаривания двух протонов и двух нейтронов препятствует любым нуклидам, содержащим пять или восемь нуклонов из существующих достаточно долго,  служить в качестве платформы для построения более тяжелых элементов в процессе слияния образований в звезды (смотри тройной альфа процесс). Существует 141 стабильных четно-четных изотопов, составляя 55% из 255 стабильных изотопов. Существует также 16 первоначальных долгоживущих четно-четных изотопов. Как результат, большинство из 41  четных элементов со 2-ого по 82-ой имеют много первоначальных изотопов. Половина среди четных элементов имеют шесть или больше стабильных элементов. Все четно-четные нуклиды имеют  нулевой спин в основном состоянии.

Нечетный протон – нечетный нейтрон.

Только пять стабильных нуклидов содержат как нечетное число  протонов, так и нечетное число  нейтронов: первые четыре нечетно-нечетные нуклиды ²₁ H,  ⁶ ₃Li, ¹⁰ ₅B  и ¹⁴ ₇N (где превращения протона в нейтрон или наоборот приводит к неравномерному отношению протон-нейтрон) и   ^180m ₇₃Ta, которого не замечали в участии в радиоактивном распаде, кроме как в экспериментальных опытах. А также четыре радиоактивных нечетно – нечетных долгоживущих нуклидов (⁴⁰ ₁₉K,     ⁵⁰ ₂₃V, ¹³⁸ ₅₇La,  ¹⁷⁶ ₇₁Lu), которые имеют природное происхождение. Среди девяти первоначальных нечетно-нечетных изотопов только ¹⁴ ₇N  является самым распространенным  изотопом распространенного элемента, потому что он участвует в CNO-цикле; ⁶₃ Li  и ¹⁰ ₅B являются меньшей частью изотопов элементов, которые редки по сравнению с другими легкими элементами, в то время как другие шесть изотопов составляют только крошечный процент этих элементов. Немногие нечетно-нечетные нуклиды (и не один из первоначальных) имеют нулевой спин в основном состоянии.

Нечетное массовое число.

 Существует единственный  бета стабильный нуклид с нечетным  массовым числом, потому что нет  различия в энергии связи между  четно-нечетными и нечетно-четными  нуклидами и она  сопоставима  с энергией четно-четных и нечетно-нечетных  нуклидов и  с другими нуклидами той же массы подверженных к бета-распаду по отношению к низким энергиям. Для массовых чисел 5, 147, 151 и 209 и выше один бета - стабильный изобар способен к альфа - распаду, так что нет стабильных изотопов с этими массовыми числами. Это дает в общей сложности 101 стабильный изотоп с нечетными массовыми числами. Нуклиды с нечетными массовыми числами имеют полуцелый спин и являются фермионами.