النوى الذرية الزوجية والفردية

في الفيزياء النووية ، تعتمد خصائص النواة على زوجية أو فردية عددها الذري (عدد البروتونات) Z ، وعدد النيوترونات N ، وبالتالي مجموعهما، أي العدد الكتلي A. والأهم من ذلك، أن فردية كل من Z و N تميل إلى خفض طاقة الربط النووي ، مما يجعل النوى الفردية أقل استقرارًا بشكل عام. هذا التأثير ليس فقط مُلاحَظًا تجريبيًا، بل هو مُضمَّن في صيغة الكتلة شبه التجريبية ، ويُفسَّر بواسطة بعض النماذج النووية الأخرى ، مثل نموذج الغلاف النووي . هذا الاختلاف في طاقة الربط النووي بين النوى المتجاورة، وخاصةً بين النوى المتساوية الكتلة ذات العدد الكتلي الفردي A ، له آثار مهمة على اضمحلال بيتا .

يكون الدوران النووي صفراً بالنسبة للنوى ذات العدد الذري الزوجي Z، والنوى ذات العدد الذري الزوجي N، وعدداً صحيحاً بالنسبة لجميع النوى ذات العدد الذري الزوجي A ، ونصف عدد صحيح فردي بالنسبة لجميع النوى ذات العدد الذري الفردي A.

العدد الكتلي الزوجي مقابل العدد الكتلي الفردي ( A ).
حتىغريبالمجموع
مستقر150101251
معمرة27835
جميع البدائيين177109286

نسبة النيوترونات إلى البروتونات ليست العامل الوحيد المؤثر على استقرار النواة. فإضافة النيوترونات إلى النظائر يمكن أن تُغير من دورانها النووي وأشكالها، مما يُسبب اختلافات في مقاطع امتصاص النيوترونات وخصائص طيف أشعة غاما والرنين المغناطيسي النووي . إذا وُجد عدد كبير جدًا أو قليل جدًا من النيوترونات مقارنةً بطاقة الربط النووي المثلى، تصبح النواة غير مستقرة وعرضة لأنواع معينة من الاضمحلال النووي . تتحلل النوى غير المستقرة التي تحتوي على عدد غير مثالي من النيوترونات أو البروتونات عن طريق اضمحلال بيتا (بما في ذلك اضمحلال البوزيترون)، أو امتصاص الإلكترونات ، أو بوسائل أخرى، مثل الانشطار التلقائي واضمحلال التجمعات .

البيانات المتعلقة بالنظائر المحددة أدناه مأخوذة من قاعدة بيانات NUBASE2020 [ 1 ] ما لم يُذكر خلاف ذلك. انظر أيضًا قائمة النظائر للاطلاع على تعداد كامل.

عدد الكتلة الزوجي

النوى ذات العدد الكتلي الزوجي، والتي تشكل 60% تقريبًا من جميع النوى المستقرة (150/251)  ،  هي بوزونات ، أي أنها تمتلك عزمًا مغزليًا صحيحًا. 145 من هذه النوى هي نوى ذات عدد زوجي من البروتونات والنيوترونات (EE)، والتي يكون عزمها المغزلي صفرًا بالضرورة بسبب الازدواج. أما بقية النوى البوزونية المستقرة فهي خمس نوى مستقرة ذات عدد فردي من البروتونات والنيوترونات ( 2H ، 6Li ، 10B ، 14N ، و 180 m73Ta ) ، وجميعها تمتلك عزمًا مغزليًا صحيحًا غير صفري.

تأثيرات الاقتران

زوجي/فردي Z ، N (الهيدروجين-1 هو OE )
ص، نEEOOEOOEالمجموع
مستقر14555348251
معمرة2343535
جميع البدائيين16895653286

ينتج عن تحلل بيتا لنواة ذات عدد زوجي من البروتونات أو النيوترونات نواة ذات عدد فردي من البروتونات أو النيوترونات، والعكس صحيح. تكون النوى ذات العدد الزوجي من البروتونات أو النيوترونات أكثر استقرارًا ( طاقة ربط أعلى ) بسبب تأثيرات الازدواج ، لذا فإن النوى ذات العدد الزوجي من البروتونات أو النيوترونات أكثر استقرارًا بكثير من النوى ذات العدد الفردي من النيوترونات أو النيوترونات. أحد هذه التأثيرات هو قلة عدد النوى المستقرة ذات العدد الفردي من النيوترونات أو النيوترونات، ولكن تأثيرًا آخر هو منع تحلل بيتا للعديد من النوى ذات العدد الزوجي من البروتونات أو النيوترونات إلى نواة أخرى ذات عدد زوجي من البروتونات أو النيوترونات لها نفس العدد الكتلي ولكن بطاقة أقل، لأن التحلل الذي يحدث خطوة بخطوة سيمر عبر نواة ذات عدد فردي من النيوترونات أو النيوترونات ذات طاقة أعلى. يُعد تحلل بيتا المزدوج المباشر من نواة ذات عدد زوجي من البروتونات أو النيوترونات إلى نواة ذات عدد زوجي من البروتونات أو النيوترونات، متجاوزًا نواة ذات عدد فردي من النيوترونات أو النيوترونات، نادرًا جدًا، وحتى في هذه الحالة، يكون عمر النصف أكثر من مليار ضعف عمر الكون . على سبيل المثال، نظير نظير بيتا المزدوج 116يبلغ عمر النصف للكادميوم 10 ...2.69 × 10^ 19 سنة. وهذا يؤدي إلى عدد أكبر من النوى الزوجية المستقرة، حيث تحتوي بعض الأعداد الكتلية على نواتين مستقرتين، وعنصر واحد (عدد ذري)، وهو القصدير ، يحتوي على ما يصل إلى سبع نوى مستقرة .

على سبيل المثال، يمنع الاستقرار الشديد للهيليوم-4، الناتج عن الاقتران المزدوج (بروتونان ونيوترونان، يملآن الغلاف الأدنى)، أي نوى تحتوي على خمسة أو ثمانية نيوكليونات من البقاء لفترة كافية لتكون بمثابة منصات لتكوين عناصر أثقل عبر الاندماج النووي في عملية التخليق النووي للانفجار العظيم ؛ فقط في النجوم يتوفر الوقت الكافي لذلك (انظر عملية ألفا الثلاثية ). وهذا أيضًا هو السبب في أن نظير البريليوم -84 يتحلل بسرعة كبيرة إلى جسيمين ألفا ، مما يجعل البريليوم العنصر الوحيد ذو العدد الزوجي الذي يكون أحادي النظير .

زوجي-زوجي (بروتون زوجي، نيوترون زوجي)

يوجد 145 نظيرًا مستقرًا زوجيًا-زوجيًا، تُشكّل ما يقارب 58% من إجمالي النظائر المستقرة البالغ عددها 251 نظيرًا. كما يوجد 23 نظيرًا بدائيًا زوجيًا-زوجيًا معروفًا حاليًا بنشاطه الإشعاعي. ونتيجةً لذلك، فإن العديد من العناصر الـ 41 ذات الأعداد الزوجية من 2 إلى 82 لها العديد من النظائر البدائية . وبوجود 145 نظيرًا، يبلغ متوسط ​​عدد النظائر المستقرة لكل عنصر 145/41، أي ما يقارب 3.54 نظيرًا. أخف نظير مستقر زوجي-زوجي هو الهيليوم -42، وأثقلها هو الرصاص-82 . وهما أيضًا أخف وأثقل النظائر السحرية المزدوجة المعروفة . [ 2 ] الرصاص -82 هو ناتج التحلل النهائي للثوريوم -90 ، وهو نظير مشع بدائي ذو عدد زوجي من البروتونات والنيوترونات. يُعدّ اليورانيوم -238 92 نظيراً مشعاً بدائياً آخر، ويبلغ عمر النصف له 4.463 مليار سنة؛ هذان النظيران، مع نواتج تحللهما، ينتجان ما يقرب من نصف الحرارة الإشعاعية داخل الأرض. [ 3 ]

جميع النوى ذات العدد الزوجي من الذرات تمتلك عزمًا مغزليًا يساوي صفرًا في حالتها الأرضية، وذلك بسبب مبدأ استبعاد باولي . (انظر تأثير الاقتران لمزيد من التفاصيل.)

فردي-فردي (بروتون فردي، نيوترون فردي)

خمسة نظائر مستقرة فقط تحتوي على عدد فردي من البروتونات وعدد فردي من النيوترونات. توجد النظائر الأربعة الأولى ذات العدد الفردي من البروتونات والنيوترونات في العناصر الخفيفة، حيث يؤدي استبدال بروتون بنيوترون أو العكس إلى اختلال كبير في نسبة البروتونات إلى النيوترونات ( 2: 1H ، 6: 3Li ، 10 : 5B ، و 14 : 7 N ؛ اللف المغزلي 1، 1، 3، 1). جميع هذه النظائر الأربعة لها نفس عدد البروتونات والنيوترونات، وجميعها ذات عدد فردي من البروتونات والنيوترونات . أما النظير الوحيد الآخر المستقر رصديًا ذو العدد الفردي من البروتونات والنيوترونات فهو 180m73Ta ( اللف المغزلي 9)، وهو النظير النووي البدائي الوحيد الذي لم يُرصد تحلله حتى الآن رغم المحاولات التجريبية. [ 4 ] كذلك، توجد أربعة نظائر مشعة طويلة العمر ذات عدد فردي من الذرات - البوتاسيوم -40 ( النظير المشع الأكثر شيوعًا في جسم الإنسان [ 5 ] [ 6 ]والفاناديوم -50 ، واللانثانوم -57 ، واللوتيتيوم -71 ، ذات اللف المغزلي 4، 6، 5، 7 على التوالي - بشكل طبيعي. وكما هو الحال في حالة التنتالوم -73، فإن تحلل النظائر ذات اللف المغزلي العالي عن طريق تحلل بيتا (بما في ذلك أسر الإلكترون )، أو تحلل غاما ، أو (بدرجة أقل) التحويل الداخلي ، يكون مثبطًا بشكل كبير إذا كان التحلل الوحيد الممكن بين النظائر المتساوية الكتلة (أو في حالة التنتالوم -73 بين المتماكبات النووية) ينطوي على تغيير كبير في اللف المغزلي، حيث يكون التغيير "المفضل" في اللف المغزلي المرتبط بالتحلل السريع هو 0 أو 1 لتحلل بيتا ، و2 لتحلل غاما . يُعدّ تثبيط الاضمحلال الناتج عن الدوران العالي سببًا في وجود خمسة نظائر ثقيلة مستقرة أو طويلة العمر ذات عدد فردي من البروتونات والنيوترونات، والتي نوقشت سابقًا. فعلى سبيل المثال، عند طرح تأثير الدوران، نجد أن التنتالوم-180، وهو ناتج الاضمحلال النظري ذو الدوران المنخفض (الفردي-الفردي) للتنتالوم-180m البدائي، يبلغ عمر النصف له 8.15 ساعة فقط.

تُعرف العديد من النويدات المشعة ذات عدد البروتونات والنيوترونات الفردي (مثل الحالة الأرضية للتنتالوم-180) والتي تتميز بعمر نصف قصير نسبيًا. تتحلل هذه النويدات في الغالب عن طريق تحلل بيتا الموجب أو السالب، لإنتاج نظائر مستقرة ذات عدد بروتونات ونيوترونات مزدوج. في بعض النويدات المشعة ذات عدد البروتونات والنيوترونات الفردي، حيث تكون نسبة البروتونات إلى النيوترونات قريبة من خط الاستقرار، يمكن أن يحدث هذا التحلل في أي من الاتجاهين، محولًا البروتون إلى نيوترون، أو العكس. ومن الأمثلة على ذلك 6429Cu ، الذي يمكن أن يتحلل عن طريق انبعاث البوزيترون أو التقاط الإلكترون إلى 6428Ni أو عن طريق انبعاث الإلكترون إلى 6430Zn .

من بين النظائر التسعة البدائية ذات العدد الفردي-الفردي (خمسة مستقرة وأربعة مشعة)، يُعدّ النيتروجين -14 ( 147N) النظير الأكثر شيوعًا لعنصر شائع. ويعود ذلك إلى أن التقاط البروتون في النيتروجين -14 هو الخطوة المحددة لمعدل دورة CNO-I . أما الليثيوم -6 (63Li ) والبورون -10 (105B ) فهما نظيران ثانويان لعناصر نادرة بدورها مقارنةً بالعناصر الخفيفة الأخرى، بينما لا تُمثّل النظائر الستة الأخرى سوى نسبة ضئيلة من الوفرة الطبيعية لعناصرها. فعلى سبيل المثال، يُعتقد أن التنتالوم -180 ( 180m73Ta ) هو أندر النظائر المستقرة .

لا يوجد أي نواة بدائية فردية-فردية ذات عزم مغزلي يساوي صفرًا في حالتها الأرضية. ويعود ذلك إلى أن النيوترون والبروتون غير المزدوجين يمتلكان قوة تجاذب نووية أكبر فيما بينهما إذا كانت عزماتهما المغزلية متوازية (مما ينتج عنه عزم مغزلي كلي لا يقل عن وحدة واحدة)، بدلًا من أن تكون متقابلة. انظر إلى الديوتيريوم كمثال على أبسط حالة لهذا السلوك النووي.

عدد الكتلة الفردي

لكل عدد كتلي فردي، يوجد نويدة واحدة مستقرة بيتا . لا يوجد فرق في طاقة الربط بين الأعداد الزوجية-الفردية والفردية-الزوجية يُقارن بالفرق بين الأعداد الزوجية-الزوجية والفردية-الفردية، مما يترك النوى الأخرى ذات العدد الكتلي نفسه (النوى المتساوية الكتلة ) حرة في التحلل بيتا باتجاه النواة ذات الكتلة الأقل. بالنسبة للأعداد الكتلية 147 و151 و209+، لوحظ أن النواة المتساوية الكتلة المستقرة بيتا لهذا العدد الكتلي تخضع لتحلل ألفا . (نظريًا، يمكن للأعداد الكتلية من 143 إلى 155، ومن 160 إلى 162، و165+ أن تخضع أيضًا لتحلل ألفا). هذا يعطينا إجمالي 101 نويدة مستقرة ذات أعداد كتلية فردية. هناك تسع نوى بدائية مشعة أخرى ذات أعداد كتلية فردية.

النوى ذات العدد الكتلي الفردي هي فرميونات ، أي أن لها عزمًا مغزليًا نصف صحيح . وبشكل عام، بما أن النوى ذات العدد الكتلي الفردي تحتوي دائمًا على عدد زوجي من النيوترونات أو البروتونات، فإن الجسيمات ذات العدد الزوجي عادةً ما تُشكّل جزءًا من "نواة" في النواة ذات عزم مغزلي يساوي صفرًا. ويكون النيوكليون غير المزدوج ذو العدد الفردي (سواء كان بروتونًا أو نيوترونًا) مسؤولًا عن العزم المغزلي النووي، وهو مجموع العزم الزاوي المداري والعزم الزاوي المغزلي للنيوكليون المتبقي.

تنقسم النوى المستقرة ذات العدد الكتلي الفردي (بشكل متساوٍ تقريبًا) إلى نوى ذات عدد بروتون فردي وعدد نيوترون زوجي، ونوى ذات عدد نيوترون فردي وعدد بروتون زوجي، والتي ستتم مناقشتها بمزيد من التفصيل أدناه.

فردي-زوجي (بروتون فردي، نيوترون زوجي)

تشكل هذه النوى المستقرة البالغ عددها 48، والتي تستقر بفضل أعدادها الزوجية من النيوترونات المزدوجة، معظم النظائر المستقرة للعناصر ذات الأعداد الفردية؛ أما النوى القليلة جدًا ذات الأعداد الفردية-الزوجية فتشكل البقية. هناك 41 عنصرًا فرديًا بأعداد ذرية تتراوح من 1 إلى 81، منها 30 عنصرًا (بما في ذلك الهيدروجين، لأن الصفر عدد زوجي ) لها نظير مستقر واحد ذو عدد فردي-زوجي، وهو عنصر التكنيتيوم (43 Tc)والبروميثيوم(لا تحتوي ذرات الهيدروجين (61 Pm) على نظائر مستقرة، وتسعة عناصر:الكلور(17 Cl), بوتاسيوم(19 قيراطًانحاس(29 Cu), الغاليوم(31 غابروم(35 برونزيفضة(47 Ag), الأنتيمون(51 Sb), إيريديوم(77 إيريديوموالثاليوم(يحتوي كل من الثاليوم -81 ( Tl-) على نظيرين مستقرين فرديين-زوجيين، ليصبح المجموع 48 نظيرًا مستقرًا فرديًا-زوجيًا. أخف مثال على هذا النوع من النوى هو البروتون -1 ( H - 1 )، بينما أثقل مثال هوالثاليوم-81 (Tl -81) -205 . يوجد أيضًا خمسة نظائر مشعة بدائية فردية-زوجية، هي: الروبيديوم -87 ( Rb -87 ) ، والإنديوم -115 ( In - 115 ) ، والرينيوم -187 ( Re- 187 )، واليوروبيوم-151 ( Eu -151) ، والبزموت -209 ( Bi -209 ). وقد اكتُشف مؤخرًا أن النظيرين الأخيرين يخضعان لتحلل ألفا، ويبلغ عمر النصف لهما أكثر من 10^18سنة.

زوجي-فردي (بروتون زوجي، نيوترون فردي)

زوجي – فردي طويل العمر
فسادنصف العمر
113 48 Cdبيتا8.04 × 1015 أ
147 62 سمألفا1.066 × 1011 أ
235 92 Uألفا7.04 × 108 أ

تحتوي هذه النوى المستقرة البالغ عددها 53 على عدد زوجي من البروتونات وعدد فردي من النيوترونات. وبحسب التعريف، فهي جميعها نظائر لعناصر ذات عدد ذري ​​زوجي ، حيث تُشكّل أقلية مقارنةً بالنظائر ذات العدد الزوجي-الزوجي التي يبلغ عددها حوالي ثلاثة أضعاف. من بين العناصر الـ 41 ذات العدد الذري الزوجي التي تمتلك نويدة مستقرة، عنصران فقط (الأرجون والسيريوم) لا يمتلكان أي نويدة مستقرة ذات عدد زوجي-فردي. بينما يمتلك عنصر واحد (القصدير) ثلاث نوى مستقرة. هناك 24 عنصرًا تمتلك نويدة مستقرة واحدة ذات عدد زوجي-فردي ، و13 عنصرًا تمتلك نواتين مستقرتين من هذا النوع. أخف مثال على هذا النوع من النوى هو الهيليوم -3 ، وأثقلها هو الرصاص -207 .

من بين النظائر المشعة البدائية الـ 35 المعروفة ، توجد ثلاث نظائر زوجية-فردية (انظر الجدول على اليمين)، بما في ذلك اليورانيوم 235-92 القابل للانشطار . ونظرًا لأعداد النيوترونات الفردية فيها، تميل هذه النظائر إلى امتلاك مقاطع عرضية كبيرة لالتقاط النيوترونات ، وذلك بسبب الطاقة الناتجة عن تأثيرات اقتران النيوترونات.

تميل هذه النوى المستقرة ذات العدد الزوجي-الفردي إلى أن تكون أقل شيوعًا في الطبيعة، ويعود ذلك عمومًا إلى أنه لكي تتشكل وتساهم في الوفرة البدائية، يجب أن تكون قد أفلتت من التقاط النيوترونات لتكوين نظائر مستقرة أخرى ذات عدد زوجي-زوجي، وبالتالي فهي غير مفضلة خلال عملية التخليق النووي البطيء (s-process ) في النجوم. لهذا السبب، يُعدّ كل من البلاتين -195 ( عنصر ناتج بالكامل تقريبًا عن عملية التخليق النووي السريع r-process ) والبريليوم -9 أكثر نظائر عنصرهما وفرةً في الطبيعة، الأول بفارق ضئيل، والثاني فقط لأن طاقة ربط البريليوم-8 المتوقعة أقل من طاقة ربط جسيمين ألفا ، وبالتالي يتحلل فورًا بجسيم ألفا .

عدد النيوترونات الفردي

عدد النيوترون وتكافؤه
شمالحتىغريب
مستقر19358
معمرة277
جميع البدائيين22065

الأكتينيدات ذات الأعداد الفردية من النيوترونات قابلة للانشطار عمومًا ( بالنيوترونات الحرارية )، بينما تلك ذات الأعداد الزوجية من النيوترونات غير قابلة للانشطار عمومًا، على الرغم من أنها قابلة للانشطار بالنيوترونات السريعة . فقط نظائر البريليوم -9 ، والنيتروجين -14 ، والبلاتين -195 لها عدد فردي من النيوترونات ، وهي أكثر نظائر عناصرها وفرة في الطبيعة.

مراجع

  1. كونديڤ، إف جي؛ وانغ، إم؛ هوانغ، دبليو جي؛ نعيمي، إس؛ أودي، جي. (2021). "تقييم NUBASE2020 للخواص النووية" (ملف PDF) . الفيزياء الصينية ج . 45 (3) 030001. doi : 10.1088/1674-1137/abddae .
  2. بلانك، ب.؛ ريغان، ب.هـ. (2000). "النوى السحرية والنوى السحرية المزدوجة" . أخبار الفيزياء النووية . 10 (4): 20-27 . doi : 10.1080/10506890109411553 . S2CID 121966707 . 
  3. أريفالو، ريكاردو؛ ماكدونو، ويليام ف.؛ لونغ، ماريو (2009). "نسبة KU للأرض السيليكاتية: رؤى حول تكوين الوشاح وبنيته وتطوره الحراري". رسائل علوم الأرض والكواكب . 278 ( 3-4 ): 361-369 . Bibcode : 2009E & PSL.278..361A . doi : 10.1016/j.epsl.2008.12.023 .
  4. ^ أرنكويست، آي جيه؛ أفينيون الثالث، قدم. باراباش، ع. بارتون، سي جيه؛ بهيماني، خ. بلالوك، إي. بوس، ب. بوش، م. بوك، م. كالدويل، تيسي؛ كريستوفرسون، قرص مضغوط؛ تشو، P.-H؛ كلارك، ML؛ كويستا، C .؛ ديتويلر، JA؛ إفريمينكو، يو؛ إيجيري، ه.؛ إليوت، ريال. جيوفانيتي، حارس مرمى. جويت، J.؛ جرين، النائب؛ جروسزكو، J.؛ جين، IS؛ جوزيبي، VE؛ هوف، سي آر؛ هينينج، ر. أغيلار، د. هيرفاس؛ هوبي، إي دبليو؛ هوستيوك، أ. كيم، أنا. كوزيس، آر تي؛ لانين ف، تي إي؛ لي، أ.؛ لوبيز كاستانيو، JM؛ ماسارشيك، ر. ماير، SJ. ماير، دبليو؛ أولي، المعارف التقليدية؛ باودل، LS؛ بيتوس، دبليو؛ بون، أوب. رادفورد، العاصمة؛ رين، AL؛ ريلاج، ك.؛ روير، أ.؛ روف، شمال غرب؛ شابر، العاصمة؛ شليش، SJ. سميث جاندي، تا؛ تيديشي، د.؛ طومسون، دينار؛ فارنر، ر.ل. فاسيليف، س. واتكينز، إس إل؛ ويلكرسون، JF. وايزمان، C .؛ شو، دبليو؛ يو، سي.-ه. (13 أكتوبر 2023). “القيود على اضمحلال 180 مليون تا”. فيز. القس ليت . 131 (15) 152501. أرخايف : 2306.01965 . doi : 10.1103/PhysRevLett.131.152501 . PMID 37897780 . 
  5. "الإشعاع والتحلل الإشعاعي. جسم الإنسان المشع" . عروض توضيحية لمحاضرات العلوم الطبيعية بجامعة هارفارد . تم الاطلاع عليه في 2 يوليو 2016 .
  6. وينترينغهام، إف بي دبليو؛ الآثار، اللجنة الدائمة المعنية بالإشعاع التابعة لمنظمة الأغذية والزراعة، قسم تنمية الأراضي والمياه، منظمة الأغذية والزراعة للأمم المتحدة (1989). التساقط الإشعاعي في التربة والمحاصيل والغذاء: مراجعة أساسية . منظمة الأغذية والزراعة. ص 32. ISBN  978-92-5-102877-3.{{cite book}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )