Ευσταθή νουκλίδια

Τα ευσταθή νουκλίδια είναι νουκλίδια που δεν είναι ραδιενεργά και έτσι (σε αντίθεση με τα ραδιονουκλίδια ) δεν υφίστανται αυθόρμητα ραδιενεργή διάσπαση . Όταν αυτά τα νουκλίδια αναφέρονται σε σχέση με συγκεκριμένα στοιχεία, συνήθως ονομάζονται ευσταθή ισότοπα . Τα 80 στοιχεία με ένα ή περισσότερα ευσταθή ισότοπα περιλαμβάνουν ένα σύνολο 252 νουκλιδίων που δεν είναι γνωστό ότι αποσυντίθενται χρησιμοποιώντας της υπάρχουσες πειραματικές διατάξεις (βλ. κατάλογο στο τέλος αυτού του άρθρου). Από αυτά τα στοιχεία, 26 έχουν μόνο ένα ευσταθές ισότοπο και ονομάζονται μονοϊσοτοπικά. Τα υπόλοιπα έχουν περισσότερα από ένα ευσταθές ισότοπο. Ο κασσίτερος έχει δέκα σταθερά ισότοπα, το μεγαλύτερο αριθμό ευσταθών ισοτόπων γνωστών για ένα στοιχείο.

 Τα περισσότερα φυσικά απαντώμενα νουκλίδια είναι σταθερά (περίπου 252, βλέπε λίστα στο τέλος αυτού του άρθρου) και περίπου ακόμη 34 (σύνολο 286) είναι γνωστό ότι είναι ραδιενεργά με αρκετά μεγάλο και γνωστό χρόνο ημιζωής ώστε να υπάρχουν από τη δημιουργία του σύμπαντος. Εάν ο χρόνος ημιζωής ενός νουκλιδίου είναι συγκρίσιμος ή μεγαλύτερος από την ηλικία της Γης (4,5 δισεκατομμύρια χρόνια), μια σημαντική ποσότητά του θα έχει επιβιώσει από την δημιουργία του Ηλιακού συστήματος και αποκαλείται αρχέγονο νουκλίδιο. Συνεπώς τα αρχέγονα νουκλίδια θα συμβάλουν με αυτόν τον τρόπο στη φυσική ισοτοπική σύνθεση ενός χημικού στοιχείου. Αρχέγονα ραδιοϊσότοπα με χρόνο ημιζωής ακόμη και μόλις 700 εκατομμύρια χρόνια (π.χ. 235U ) ανιχνεύονται αρκετά εύκολα. Αυτό είναι και το παρόν όριο ανίχνευσης, καθώς νουκλίδια με μικρότερο χρόνο ημιζωής δεν έχουν ακόμη ανιχνευθεί με βεβαιότητα στη φύση. Πολλά ραδιοϊσότοπα που απαντώνται στη φύση (σχεδόν 53 από ένα σύνολο περίπου 339) εμφανίζουν ακόμη μικρότερη ημιζωή από 700 εκατομμύρια χρόνια, αλλά έχουν δημιουργηθεί πρόσφατα, ως θυγατρικά προϊόντα διεργασιών διάσπασης των αρχέγονων νουκλιδίων (για παράδειγμα, το ράδιο από το ουράνιο) ή από συνεχιζόμενες ενεργειακές αντιδράσεις, όπως κοσμογονικά νουκλίδια που παράγονται συνεχώς από το βομβαρδισμό της Γης από κοσμικές ακτίνες (για παράδειγμα, ο 14C δημιουργείται από το άζωτο). Ορισμένα ισότοπα που θεωρούνται ευσταθή (δηλαδή δεν έχει παρατηρηθεί ραδιενέργεια για αυτά) προβλέπεται να έχουν πολύ μεγάλο χρόνο ημιζωής (μερικές φορές έως 1018 έτη ή περισσότερο). Ισότοπα των οποίων ο αναμενόμνος χρόνος ημίσειας ζωής έχει τιμή που θα μπορούσε να επιβεβαιωθεί πειραματικά, μπορεί να μετακινηθούν από τη λίστα των ευσταθών νουκλιδίων στην ραδιενεργή κατηγορία, μόλις παρατηρηθεί η δραστηριότητά τους. Για παράδειγμα, τα 209 Bi και 180 W είχαν ταξινομηθεί στο παρελθόν ως ευσταθή, αλλά το 2003 βρέθηκε ότι ήταν ραδιενεργά με διάσπαση σωματίων άλφα. Ωστόσο, τέτοια νουκλίδια δεν παύουν να θεωρούνται ως αρχέγονα όταν διαπιστωθεί ότι είναι ραδιενεργά. Τα περισσότερα ευσταθή ισότοπα στη Γη πιστεύεται ότι έχουν σχηματιστεί σε διεργασίες πυρηνοσύνθεσης, είτε στηΜεγάλη Έκρηξη, είτε σε γενιές αστεριών που προηγήθηκαν του σχηματισμού του Ηλιακού συστήματος . Ωστόσο, ορισμένα ευσταθή ισότοπα εμφανίζουν επίσης παραλλαγές αφθονίας στη Γη ως αποτέλεσμα της διάσπασης από μακράς διάρκειας ραδιενεργά νουκλίδια. Αυτά τα προϊόντα διάσπασης ονομάζονται ραδιογενή ισότοπα, προκειμένου να τα διακρίνουμε από την πολύ μεγαλύτερη ομάδα «μη ραδιογενών» ισοτόπων. Από τα γνωστά χημικά στοιχεία, 80 στοιχεία έχουν τουλάχιστον ένα ευσταθές νουκλίδιο. Αυτά περιλαμβάνουν τα πρώτα 82 στοιχεία από το υδρογόνο έως το μόλυβδο, με δύο εξαιρέσεις, το τεχνήτιο (στοιχείο 43) και το προμήθειο (στοιχείο 61), που δεν έχουν ευσταθή νουκλίδια. Έως το Δεκέμβριο του 2016, είχαν ανακαλυφθεί συνολικά 252 γνωστά "ευσταθή" νουκλίδια. Με τον όρο "ευσταθές" χαρακτηρίζεται ένα νουκλίδιο που δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ ότι αποσυντίθεται στο φυσικό περιβάλλον. Έτσι, αυτά τα στοιχεία έχουν πολύ μεγάλο χρόνο ημιζωής για να μετρηθούν με οποιοδήποτε μέσο, άμεσο ή έμμεσο. Ευσταθή ισότοπα: 1 στοιχείο (κασσίτερος) έχει 10 ευσταθή ισότοπα 5 στοιχεία έχουν 7 ευσταθή ισότοπα 7 στοιχεία έχουν 6 ευσταθή ισότοπα 11 στοιχεία έχουν 5 ευσταθή ισότοπα 9 στοιχεία έχουν 4 ευσταθή ισότοπα 5 στοιχεία έχουν 3 ευσταθή ισότοπα 16 στοιχεία έχουν 2 ευσταθή ισότοπα 26 στοιχεία έχουν 1 μονό ευσταθές ισότοπο.Αυτά τα τελευταία 26 ονομάζονται επομένως μονοϊσοτοπικά στοιχεία. Ο μέσος αριθμός ευσταθών ισοτόπων για στοιχεία που έχουν τουλάχιστον ένα σταθερό ισότοπο είναι 252/80 = 3.15. Η ευστάθεια των ισοτόπων επηρεάζεται από την αναλογία των πρωτονίων προς τα νετρόνια και επίσης από την παρουσία ορισμένων λεγόμενων "μαγικών αριθμών" νετρονίων ή πρωτονίων που αντιπροσωπεύουν κλειστά και γεμάτα κβαντικά κελύφη. Αυτά τα κβαντικά κελύφη αντιστοιχούν σε ένα σύνολο ενεργειακών επιπέδων εντός του μοντέλου κελύφους του πυρήνα. Τα γεμισμένα κελύφη, όπως το γεμισμένο κέλυφος των 50 πρωτονίων για το κασσίτερο, παρέχουν ασυνήθιστη σταθερότητα στο νουκλίδιο. Όπως στην περίπτωση του κασσίτερου, ένας μαγικός αριθμός για το Ζ, τον ατομικό αριθμό, τείνει να αυξάνει τον αριθμό των σταθερών ισοτόπων για το στοιχείο. Ακριβώς όπως στην περίπτωση των ηλεκτρονίων, τα οποία έχουν τη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση όταν εμφανίζονται σε ζεύγη σε ένα δεδομένο τροχιακό, τα νουκλεόνια (τόσο πρωτόνια όσο και νετρόνια) εμφανίζουν χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση όταν ο αριθμός τους είναι άρτιος, παρά περιττός. Αυτή η σταθερότητα τείνει να αποτρέψει τη διάσπαση βήτα (σε δύο στάδια) πολλών άρτιων-άρτιων νουκλιδίων σε ένα άλλο άρτιο-άρτιο νουκλίδιο με τον ίδιο μαζικό αριθμό αλλά χαμηλότερη ενέργεια (και φυσικά με δύο περισσότερα πρωτόνια και δύο λιγότερα νετρόνια), επειδή η διάσπαση προχωρά ένα βήμα τη φορά και θα πρέπει να περάσει από ένα περιττό-περιττό νουκλίδιο υψηλότερης ενέργειας. Αυτοί οι πυρήνες, επομένως, υφίστανται διπλή διάσπαση βήτα (ή θεωρούνται ότι το κάνουν) με χρόνους ημιζωής αρκετές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερους από την ηλικία του σύμπαντος . Αυτό δημιουργεί μεγαλύτερο αριθμό ευσταθών άρτιων-άρτιων νουκλιδίων, που αντιστοιχούν στα 151 από τα 252 συνολικά νουκλίδια. Ευσταθή άρτια-άρτια νουκλίδια έχουν μέχρι και τρία ισοβαρή για ορισμένους μαζικούς αριθμούς και έως επτά ισότοπα για ορισμένους ατομικούς αριθμούς. Αντίθετα, από τα 252 γνωστά ευσταθή νουκλίδια, μόνο πέντε έχουν τόσο περιττό αριθμό πρωτονίων όσο και περιττό αριθμό νετρονίων: υδρογόνο-2 (δευτέριο), λίθιο-6, βόριο-10, άζωτο-14 και ταντάλιο-180m. Επίσης, μόνο τέσσερα φυσικώς απαντώμενα, ραδιενεργά περιττά-περιττά νουκλίδια έχουν χρόνο ημιζωής πάνω από ένα δισεκατομμύριο χρόνια: κάλιο-40, βανάδιο-50, λανθάνιο-138 και λουτίτιο-176 . Τα περιττά-περιττά αρχέγονα νουκλίδια είναι σπάνια επειδή οι περισσότεροι περιττοί-περιττοί πυρήνες είναι ασταθείς στην διάσπαση βήτα, επειδή τα προϊόντα αποσύνθεσης είναι άρτια-άρτια και επομένως πιο έντονα δεσμευμένα, λόγω του φαινομένου των πυρηνικών ζευγών. Ακόμα ένα άλλο αποτέλεσμα της αστάθειας ενός περιττού αριθμού οποιουδήποτε τύπου νουκλεονίου είναι ότι τα στοιχεία με περιττό αριθμό τείνουν να έχουν λιγότερα ευσταθή ισότοπα. Από τα 26 μονοϊσοτοπικά στοιχεία (εκείνα με μόνο ένα ευσταθές ισότοπο), όλα εκτός από ένα έχουν περιττό ατομικό αριθμό και όλα εκτός από ένα έχουν ζυγό αριθμό νετρονίων - η μοναδική εξαίρεση και στους δύο κανόνες είναι το βηρύλλιο. Το τέλος των σταθερών στοιχείων στον περιοδικό πίνακα εμφανίζεται μετά τον μόλυβδο, κυρίως λόγω του γεγονότος ότι οι πυρήνες με 128 νετρόνια είναι εξαιρετικά ασταθείς και σχεδόν αμέσως εκπέμπουν σωματίδια άλφα. Αυτό συμβάλλει επίσης στον πολύ μικρό χρόνο ημιζωής της αστατίνης, του ραδονίου και του φράγκιου σε σχέση με τα βαρύτερα στοιχεία. Αυτό μπορεί επίσης να παρατηρηθεί, αλλά σε πολύ μικρότερο βαθμό, σε πυρήνες με 84 νετρόνια, τα οποία παρουσιάζουν αποσύνθεση άλφα, όπως ορισμένος αριθμός ισοτόπων στη σειρά λανθανίδων. Ο αριθμός των 252 γνωστών ευσταθών νουκλιδίων περιλαμβάνει ταντάλιο-180m, καθώς παρόλο που η αποσύνθεση και η αστάθεια του υποδηλώνεται αυτόματα από την ένδειξη "metastable", αυτό δεν έχει ακόμη παρατηρηθεί. Όλα τα "ευσταθή" ισότοπα (ευσταθή με παρατήρηση, όχι θεωρητικά) είναι βασικές ενεργειακές καταστάσεις πυρήνων, με εξαίρεση το ταντάλιο-180m, το οποίο είναι πυρηνικό ισομερές ή διεγερμένη κατάσταση. Η βασική κατάσταση αυτού του συγκεκριμένου πυρήνα, το ταντάλιο-180, είναι ραδιενεργή με συγκριτικά μικρό χρόνο ημίσειας ζωής 8 ωρών. Αντιθέτως, η διάσπαση του διεγερμένου πυρηνικού ισομερούς απαγορεύεται από τους κανόνες επιλογής ισοτιμίας. Έχει αναφερθεί πειραματικά με άμεση παρατήρηση ότι ο χρόνος ημιζωής του 180mTa με ακτινοβολία γάμμα πρέπει να είναι μεγαλύτερος από 1015 χρόνια. Άλλες πιθανές δίοδοι της διάσπασης 180m Ta (αποσύνθεση βήτα, δέσμευση ηλεκτρονίων και άλφα διάσπαση) δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ. Αναμένεται ότι κάποια συνεχής βελτίωση της πειραματικής ευαισθησίας θα επιτρέψει την ανακάλυψη πολύ ήπιας ραδιενέργειας (αστάθειας) ορισμένων ισοτόπων που θεωρούνται σήμερα ευσταθή. Ως παράδειγμα πρόσφατης ανακάλυψης, μόλις το 2003 ανακαλύφθηκε ότι το βισμούθιο-209 (το μόνο αρχέγονο ισότοπο του βισμούθιου) είναι πολύ ελαφρά ραδιενεργό, επιβεβαιώνοντας τις θεωρητικές προβλέψεις της πυρηνικής φυσικής ότι το βισμούθιο-209 θα διασπόταν πολύ αργά με διάσπαση άλφα . Τα ισότοπα που θεωρητικά θεωρούνται ασταθή αλλά δεν έχουν παρατηρηθεί ότι αποσυντίθενται χαρακτηρίζονται ως παρατηρησιακά ευσταθή . Αυτός είναι ένας συνοπτικός πίνακας από τη λίστα των νουκλιδίων . Σημειώστε ότι οι αριθμοί δεν είναι ακριβείς και ενδέχεται να αλλάξουν ελαφρώς στο μέλλον, καθώς νουκλίδια μπορεί να παρατηρηθούν ως ραδιενεργά ή διότι οι χρόνοι ημιζωής μπορεί να καθοριστούν με μεγαλύτερη ακρίβεια. Συντομογραφίες για προβλεπόμενη μη παρατηρημένη αποσύνθεση : A για διάσπαση άλφα, B για διάσπαση βήτα, 2B για διπλή διάσπαση βήτα, E για δέσμευση ηλεκτρονίων, 2E για διπλή δέσμευση ηλεκτρονίων, IT για ισομερική μετάβαση, SF για αυθόρμητη σχάση, * για τα νουκλεΐδια των οποίων ο χρόνος ημιζωής έχει χαμηλότερο όριο. ^Το Tantalum-180m είναι ένα "μετασταθές ισότοπο" που σημαίνει ότι είναι ένα διεγερμένο πυρηνικό ισομερές του τανταλίου-180 . Ωστόσο, ο χρόνος ημιζωής αυτού του πυρηνικού ισομερούς είναι τόσο μεγάλος που ποτέ δεν έχει παρατηρηθεί ότι διασπάται, και έτσι εμφανίζεται ως ένα "παρατηρησιακά μη ραδιενεργό" αρχέγονο νουκλίδιο, ως ένα μικρό ισότοπο του τανταλίου. Αυτή είναι η μόνη περίπτωση ενός πυρηνικού ισομερούς που έχει χρόνο ημιζωής τόσο πολύ που ποτέ δεν έχει παρατηρηθεί ότι αποσυντίθεται. Περιλαμβάνεται έτσι σε αυτήν τη λίστα. ^^ Το Bismuth-209 θεωρήθηκε από παλαιά ως ευσταθές, λόγω του ασυνήθιστα μεγάλου χρόνου ημιζωής του 2,01×1019 ετών, που είναι περισσότερο από ένα δισεκατομμύριο (1000 εκατομμύρια) φορές την ηλικία του σύμπαντος. Γεωχημεία ισοτόπων Κατάλογος στοιχείων ανά σταθερότητα ισοτόπων Λίστα νουκλεϊδίων (989 νουκλεΐδια σε σειρά σταθερότητας, όλα με ημιζωή> μία ώρα) Μονοκυκλικό στοιχείο Περιοδικός Πίνακας Αρχέγονο νουκλίδιο Ραδιονουκλίδιο Σταθερή αναλογία ισοτόπων Πίνακας νουκλεϊδίων Το LIVEChart of Nuclides - IAEA AlphaDelta: Υπολογιστής κλασμάτωσης σταθερού ισοτόπου Εθνικό Κέντρο Ανάπτυξης Ισοτόπων Πληροφορίες αναφοράς για τα ισότοπα και συντονισμός και διαχείριση της παραγωγής, διαθεσιμότητας και διανομής των ισοτόπων Ανάπτυξη και παραγωγή ισοτόπων για έρευνα και εφαρμογές (IDPRA) Πρόγραμμα Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ για έρευνα και ανάπτυξη παραγωγής ισοτόπων Ισοεπιστήμες Αρχειοθετήθηκε 2021-01-18 στο Wayback Machine. Χρήση και ανάπτυξη σταθερών ετικετών ισότοπων σε συνθετικά και βιολογικά μόρια