Нуклид

Нуклид — это вид атомов, характеризующийся определённым массовым числом и атомным номером (зарядом ядра). Иными словами, нуклид — это совокупность атомов с одинаковым числом протонов и одинаковым числом нейтронов в ядре. Термин используется в ядерной физике и химии для точного обозначения конкретного ядерного изотопа, в отличие от более общего термина «изотоп», который применим только к разным формам одного и того же химического элемента. Каждый нуклид однозначно идентифицируется символической записью: \( ^{A}_{Z}X \), где \( X \) — химический символ элемента, \( Z \) — атомный номер (число протонов), \( A \) — массовое число (сумма числа протонов и нейтронов).

История термина

Термин «нуклид» (от лат. nucleus — ядро) был предложен американским физиком Трумэном Кохманом (Truman Kohman) в 1947 году. До этого в науке использовалось понятие «изотоп», введённое Фредериком Содди в 1913 году. Однако термин «изотоп» оказался неудобным для описания атомов разных элементов, так как он буквально означает «занимающий то же место» (в периодической таблице). Для атомов с разным числом протонов (разных элементов) это понятие не подходит. Кохман предложил «нуклид» как общий термин для любого вида атомов, независимо от их принадлежности к одному элементу. В 1950-х годах термин был принят Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC) и Международным союзом геологических наук (IUGS). В русскоязычной научной литературе термин «нуклид» активно используется с 1960-х годов, хотя в популярных текстах часто сохраняется традиционное слово «изотоп».

Классификация нуклидов

Нуклиды классифицируются по нескольким признакам: стабильности, происхождению и ядерным свойствам.

По стабильности

• Стабильные нуклиды — ядра которых не претерпевают самопроизвольного радиоактивного распада. На сегодняшний день известно 252 стабильных нуклида (для 81 химического элемента). Наибольшее число стабильных нуклидов имеет олово (10), затем кадмий (8), ксенон (7) и др. Элементы с атомным номером больше 83 (висмут) не имеют стабильных нуклидов.
• Радиоактивные нуклиды (радионуклиды) — ядра которых нестабильны и самопроизвольно распадаются с испусканием частиц или гамма-излучения. Радиоактивные нуклиды подразделяются на:
• Природные — встречающиеся в земной коре (например, \( ^{238}U \), \( ^{232}Th \), \( ^{40}K \), \( ^{14}C \)).
• Искусственные — полученные в ядерных реакторах или ускорителях (например, \( ^{60}Co \), \( ^{137}Cs \), \( ^{99m}Tc \)).
• Короткоживущие — с периодом полураспада от долей секунды до нескольких лет.
• Долгоживущие — с периодом полураспада от тысяч до миллиардов лет.

По происхождению

• Первичные нуклиды — образовавшиеся в процессе нуклеосинтеза в ранней Вселенной (преимущественно водород и гелий) или в звёздах (все остальные элементы). К ним относятся как стабильные, так и долгоживущие радиоактивные нуклиды (например, \( ^{235}U \), \( ^{238}U \), \( ^{232}Th \)).
• Радиогенные нуклиды — образующиеся в результате радиоактивного распада других нуклидов. Например, \( ^{206}Pb \) — конечный продукт распада урана-238.
• Космогенные нуклиды — образующиеся под действием космических лучей в атмосфере Земли или на поверхности других тел. Примеры: \( ^{14}C \), \( ^{10}Be \), \( ^{36}Cl \).

По ядерным свойствам

• Изотопы — нуклиды одного химического элемента (с одинаковым \( Z \)), но с разным числом нейтронов (\( N \)). Например, \( ^{1}H \), \( ^{2}H \), \( ^{3}H \) — изотопы водорода.
• Изобары — нуклиды с одинаковым массовым числом \( A \), но разными \( Z \). Например, \( ^{40}Ar \), \( ^{40}K \), \( ^{40}Ca \).
• Изотоны — нуклиды с одинаковым числом нейтронов \( N \), но разными \( Z \). Например, \( ^{13}C \) и \( ^{14}N \) (оба имеют 7 нейтронов).
• Изомеры — нуклиды, находящиеся в возбуждённом энергетическом состоянии ядра. Обозначаются буквой \( m \) (метастабильный) после массового числа, например \( ^{99m}Tc \).

Обозначение и номенклатура

Нуклид обозначается символом химического элемента с указанием массового числа слева вверху и, при необходимости, атомного номера слева внизу. Например:

• \( ^{12}C \) — углерод-12 (6 протонов, 6 нейтронов).
• \( ^{235}U \) — уран-235 (92 протона, 143 нейтрона).
• \( ^{14}C \) — углерод-14 (радиоактивный, используется в радиоуглеродном датировании).

В тексте часто используют словесное обозначение: «нуклид урана-235», «радиоактивный нуклид цезия-137». Для метастабильных изомеров добавляют букву \( m \): «технеций-99m» (\( ^{99m}Tc \)).

Распространённость в природе

В природе встречается около 339 нуклидов (включая стабильные и радиоактивные). Из них 252 стабильных и 87 радиоактивных с периодом полураспада, сопоставимым с возрастом Земли или образующихся в цепочках распада. Наиболее распространённые нуклиды в земной коре: \( ^{16}O \), \( ^{28}Si \), \( ^{27}Al \), \( ^{56}Fe \), \( ^{40}Ca \). В атмосфере преобладают \( ^{14}N \), \( ^{16}O \), \( ^{40}Ar \). В составе живых организмов доминируют \( ^{12}C \), \( ^{16}O \), \( ^{1}H \), \( ^{14}N \).

Распространённость изотопов одного элемента может сильно различаться. Например, углерод в природе состоит на 98,9% из \( ^{12}C \) и на 1,1% из \( ^{13}C \), а \( ^{14}C \) присутствует в ничтожных количествах (около 1×10⁻¹² %).

Применение

Нуклиды, особенно радиоактивные, находят широкое применение в науке, технике, медицине и промышленности.

В науке

• Радиоуглеродное датирование (\( ^{14}C \)) — определение возраста археологических и геологических образцов (до 50 000 лет).
• Изотопная геохронология — определение возраста горных пород и минералов по распаду \( ^{238}U \), \( ^{235}U \), \( ^{232}Th \), \( ^{40}K \), \( ^{87}Rb \).
• Изотопная маркировка — использование стабильных и радиоактивных изотопов для изучения химических и биологических процессов (например, меченые атомы в биохимии).
• Ядерная физика — изучение свойств ядер, ядерных реакций, синтез новых нуклидов.

В медицине

• Диагностика — использование короткоживущих радионуклидов (\( ^{99m}Tc \), \( ^{18}F \), \( ^{123}I \)) для позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ).
• Терапия — применение \( ^{60}Co \), \( ^{137}Cs \), \( ^{192}Ir \) для лучевой терапии опухолей; \( ^{131}I \) — для лечения заболеваний щитовидной железы.
• Стерилизация — облучение медицинских инструментов и материалов гамма-излучением от \( ^{60}Co \).

В промышленности и энергетике

• Ядерная энергетика — использование \( ^{235}U \) и \( ^{239}Pu \) в качестве топлива для ядерных реакторов.
• Дефектоскопия — просвечивание изделий гамма-излучением для выявления внутренних дефектов (гамма-дефектоскопия).
• Радиоизотопные источники энергии — радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) на основе \( ^{238}Pu \) для космических аппаратов и удалённых станций.
• Измерительные приборы — толщиномеры, плотномеры, уровнемеры, использующие ослабление излучения.

В сельском хозяйстве

• Радиационная селекция — мутагенез семян для получения новых сортов растений.
• Контроль качества — определение содержания влаги, плотности почвы с помощью нейтронных и гамма-методов.

Интересные факты

• Самым тяжёлым стабильным нуклидом является \( ^{209}Bi \) (висмут-209), хотя долгое время его считали радиоактивным с очень большим периодом полураспада (около 1,9×10¹⁹ лет).
• Самый лёгкий нуклид — \( ^{1}H \) (протий), ядро которого состоит из одного протона.
• Нуклид \( ^{99m}Tc \) (технеций-99m) является самым распространённым радиофармпрепаратом в мире: около 80% всех диагностических процедур в ядерной медицине проводятся с его использованием.
• В 2018 году российские учёные из Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне синтезировали новый нуклид — \( ^{117}Ts \) (теннессин-117), который является одним из самых тяжёлых известных нуклидов.
• Разница в массе между нуклидами одного элемента (изотопами) может приводить к изотопному фракционированию — разделению изотопов в природных процессах, что используется в палеоклиматологии и геохимии.

Источники

• Kohman T. P. (1947). Proposed new word: nuclide. American Journal of Physics, 15(4), 356.
• IUPAC. (1997). Compendium of Chemical Terminology (the «Gold Book»). 2nd ed. Oxford: Blackwell Scientific Publications.
• Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. (2003). The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. Nuclear Physics A, 729, 3–128.
• Firestone R. B. (1998). Table of Isotopes. 8th ed. Wiley-Interscience.
• Мурин А. Н. (1970). Введение в радиохимию. М.: Атомиздат.
• Химическая энциклопедия: в 5 т. / гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Советская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 345–346.