Изотопы гадолиния
Изото́пы гадоли́ния — разновидности (изотопы) химического элемента гадолиния, отличающиеся количеством нейтронов в ядре. Известны 50 изотопов гадолиния с массовыми числами от 133 до 172 (количество протонов 64, нейтронов от 69 до 108) и 16 ядерных изомеров[1].
Природный гадолиний представляет собой смесь семи изотопов[2]. Из них шесть стабильны:
- 154Gd (изотопная распространённость 2,18 ± 0,02 %),
- 155Gd (14,80 ± 0,09 %),
- 156Gd (20,47 ± 0,03 %),
- 157Gd (15,65 ± 0,04 %),
- 158Gd (24,84 ± 0,08 %),
- 160Gd (21,86 ± 0,03 %),
а один радиоактивен с огромным периодом полураспада, много больше возраста Вселенной:
- 152Gd (изотопная распространённость 0,20 ± 0,03 %; период полураспада 1,08⋅1014 лет; альфа-распад в самарий-148).
Самым долгоживущим искусственным изотопом является 150Gd с периодом полураспада 1,8⋅106 лет.
Благодаря радиоактивности 152Gd природный гадолиний обладает незначительной удельной активностью около 1,5 Бк/кг.[3]
Теоретически 160Gd также может быть нестабилен по отношению к двойному бета-распаду, однако эксперименты не обнаружили его радиоактивности, установлено лишь нижнее ограничение на период полураспада 3,1·1019 лет по двухнейтринному каналу в основное состояние 160Dy (этот канал распада считается наиболее вероятным)[4].
Гадолиний-155 и гадолиний-157
Изотопы 155Gd и 157Gd имеют огромные сечения захвата тепловых нейтронов:[5]
Благодаря этим изотопам природный гадолиний также обладает высоким сечением захвата тепловых нейтронов порядка 49 тыс. барн.
Оба изотопа входят в продукты деления ядер урана и плутония (для урана-235 выход 155Gd составляет 10−5 на деление, 157Gd — 7·10−5 на деление)[5]. Поэтому эти изотопы являются значимыми «нейтронными ядами»[англ.], усложняющими управление ядерным реактором.
Также определённое применение эти изотопы (в составе природной изотопной смеси гадолиния) получили в конструкции современных ядерных реакторов в качестве экранирующих выгорающих поглотителей, призванных продлить топливную кампанию реактора.
Гадолиний-153
153Gd распадается через электронный захват в стабильный европий-153, имеет период полураспада 240,6 суток[1] и испускает гамма-излучение с пиками на 41 и 102 кэВ. Используется в медицине для диагностики остеопороза, блокады клеток Купфера при лечении печени.
Таблица изотопов гадолиния
| Символ нуклида | Z(p) | N(n) | Масса изотопа[6] (а. е. м.) | Период полураспада[1] (T1/2) | Канал распада | Продукт распада | Спин и чётность ядра[1] | Распространённость изотопа в природе | Диапазон изменения изотопной распространённости в природе |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Энергия возбуждения | |||||||||
| 134Gd | 64 | 70 | 133,95537(43)# | 0,4# с | 0+ | ||||
| 135Gd | 64 | 71 | 134,95257(54)# | 1,1(2) с | 3/2− | ||||
| 136Gd | 64 | 72 | 135,94734(43)# | 1# с [>200 нс] | β+ | 136Eu | |||
| 137Gd | 64 | 73 | 136,94502(43)# | 2,2(2) с | β+ | 137Eu | 7/2+# | ||
| β+p?[прим. 1] | 136Sm | ||||||||
| 138Gd | 64 | 74 | 137,94012(21)# | 4,7(9) с | β+ | 138Eu | 0+ | ||
| 138mGd | 2232,7(11) кэВ | 6(1) мкс | (8−) | ||||||
| 139Gd | 64 | 75 | 138,93824(21)# | 5,7(3) с | β+ | 139Eu | 9/2−# | ||
| β+p?[прим. 1] | 138Sm | ||||||||
| 139mGd | 250(150)# кэВ | 4,8(9) с | 1/2+# | ||||||
| 140Gd | 64 | 76 | 139,93367(3) | 15,8(4) с | β+ | 140Eu | 0+ | ||
| 141Gd | 64 | 77 | 140,932126(21) | 14(4) с | β+ (99,97 %) | 141Eu | (1/2+) | ||
| β+p (0,03 %) | 140Sm | ||||||||
| 141mGd | 377,8(2) кэВ | 24,5(5) с | β+ (89 %) | 141Eu | (11/2−) | ||||
| ИП (11 %) | 141Gd | ||||||||
| 142Gd | 64 | 78 | 141,92812(3) | 70,2(6) с | β+ | 142Eu | 0+ | ||
| 143Gd | 64 | 79 | 142,92675(22) | 39(2) с | β+ | 143Eu | (1/2)+ | ||
| β+α?[прим. 1] | 139Pm | ||||||||
| β+p?[прим. 1] | 142Sm | ||||||||
| 143mGd | 152,6(5) кэВ | 110,0(14) с | β+ | 143Eu | (11/2−) | ||||
| β+α?[прим. 1] | 139Pm | ||||||||
| β+p?[прим. 1] | 142Sm | ||||||||
| 144Gd | 64 | 80 | 143,92296(3) | 4,47(6) мин | β+ | 144Eu | 0+ | ||
| 145Gd | 64 | 81 | 144,921709(20) | 23,0(4) мин | β+ | 145Eu | 1/2+ | ||
| 145mGd | 749,1(2) кэВ | 85(3) с | ИП (94,3 %) | 145Gd | 11/2− | ||||
| β+ (5,7 %) | 145Eu | ||||||||
| 146Gd | 64 | 82 | 145,918311(5) | 48,27(10) сут | ЭЗ | 146Eu | 0+ | ||
| 147Gd | 64 | 83 | 146,919094(3) | 38,06(12) ч | β+ | 147Eu | 7/2− | ||
| 147mGd | 8587,8(4) кэВ | 510(20) нс | (49/2+) | ||||||
| 148Gd | 64 | 84 | 147,918115(3) | 71,3(10) года | α | 144Sm | 0+ | ||
| β+β+?[прим. 1] | 148Sm | ||||||||
| 149Gd | 64 | 85 | 148,919341(4) | 9,28(10) сут | β+ | 149Eu | 7/2− | ||
| α (4,34⋅10−4%) | 145Sm | ||||||||
| 150Gd | 64 | 86 | 149,918659(7) | 1,79(8)⋅106 лет | α | 146Sm | 0+ | ||
| β+β+?[прим. 1] | 150Sm | ||||||||
| 151Gd | 64 | 87 | 150,920348(4) | 124(1) сут | ЭЗ | 151Eu | 7/2− | ||
| α (10−6%) | 147Sm | ||||||||
| 152Gd | 64 | 88 | 151,9197910(27) | 1,08(8)⋅1014 лет | α | 148Sm | 0+ | 0,0020(1) | |
| 153Gd | 64 | 89 | 152,9217495(27) | 240,4(10) сут | ЭЗ | 153Eu | 3/2− | ||
| 153m1Gd | 95,1737(12) кэВ | 3,5(4) мкс | (9/2+) | ||||||
| 153m2Gd | 171,189(5) кэВ | 76,0(14) мкс | (11/2−) | ||||||
| 154Gd | 64 | 90 | 153,9208656(27) | стабилен | 0+ | 0,0218(3) | |||
| 155Gd | 64 | 91 | 154,9226220(27) | стабилен | 3/2− | 0,1480(12) | |||
| 155mGd | 121,05(19) кэВ | 31,97(27) мс | ИП | 155Gd | 11/2− | ||||
| 156Gd | 64 | 92 | 155,9221227(27) | стабилен | 0+ | 0,2047(9) | |||
| 156mGd | 2137,60(5) кэВ | 1,3(1) мкс | 7- | ||||||
| 157Gd | 64 | 93 | 156,9239601(27) | стабилен | 3/2− | 0,1565(2) | |||
| 158Gd | 64 | 94 | 157,9241039(27) | стабилен | 0+ | 0,2484(7) | |||
| 159Gd | 64 | 95 | 158,9263887(27) | 18,479(4) ч | β− | 159Tb | 3/2− | ||
| 160Gd | 64 | 96 | 159,9270541(27) | стабилен (>3,1⋅1019 лет)[прим. 2] | 0+ | 0,2186(19) | |||
| 161Gd | 64 | 97 | 160,9296692(29) | 3,646(3) мин | β− | 161Tb | 5/2− | ||
| 162Gd | 64 | 98 | 161,930985(5) | 8,4(2) мин | β− | 162Tb | 0+ | ||
| 163Gd | 64 | 99 | 162,93399(32)# | 68(3) с | β− | 163Tb | 7/2+# | ||
| 164Gd | 64 | 100 | 163,93586(43)# | 45(3) с | β− | 164Tb | 0+ | ||
| 165Gd | 64 | 101 | 164,93938(54)# | 10,3(16) с | β− | 165Tb | 1/2−# | ||
| 166Gd | 64 | 102 | 165,94160(64)# | 4,8(10) с | β− | 166Tb | 0+ | ||
| 167Gd | 64 | 103 | 166,94557(64)# | 3# с | β− | 167Tb | 5/2−# | ||
| 168Gd | 64 | 104 | 167,94836(75)# | 300# мс | β− | 168Tb | 0+ | ||
| 169Gd | 64 | 105 | 168,95287(86)# | 0,75(21) с | β−; β−n? | 169Tb | 7/2−# | ||
| 170Gd | 64 | 106 | 169,95615(54)# | 0,42(13) с | β−; β−n? | 170Tb | 0+ | ||
| 171Gd | 64 | 107 | 170,96113(54)# | 0,3 с# | β−?; β−n? | 171Tb? | 9/2+# | ||
| 172Gd | 64 | 108 | 171,96461(32)# | 0,16 с# | β−?; β−n? | 172Tb? | 0+# | ||
Пояснения к таблице
- Распространённость изотопов приведена для большинства природных образцов. Для других источников значения могут сильно отличаться.
- Индексами 'm', 'n', 'p' (рядом с символом) обозначены возбуждённые изомерные состояния нуклида.
- Символами, выделенными жирным шрифтом, обозначены стабильные продукты распада. Символами, выделенными жирным курсивом, обозначены радиоактивные продукты распада, имеющие периоды полураспада, сравнимые с возрастом Земли или превосходящие его и вследствие этого присутствующие в природной смеси.
- Значения, помеченные решёткой (#), получены не из одних лишь экспериментальных данных, а (хотя бы частично) оценены из систематических трендов у соседних нуклидов (с такими же соотношениями Z и N). Неуверенно определённые значения спина и/или чётности заключены в скобки.
- Погрешность приводится в виде числа в скобках, выраженного в единицах последней значащей цифры, означает одно стандартное отклонение (за исключением распространённости и стандартной атомной массы изотопа по данным ИЮПАК, для которых используется более сложное определение погрешности). Примеры: 29770,6(5) означает 29770,6 ± 0,5; 21,48(15) означает 21,48 ± 0,15; −2200,2(18) означает −2200,2 ± 1,8.
- Обозначение β+ означает конкурирующие позитронный распад (e+) и электронный захват (ЭЗ).
- Обозначения β+p, β+α, β−n означают бета-запаздывающий распад[англ.]: бета-переход (с испусканием электрона, позитрона или с захватом электрона) на возбуждённый уровень дочернего изотопа с последующим быстрым распадом этого уровня, сопровождающимся вылетом частицы (p — протонный распад, α — альфа-распад, n — нейтронный распад), без заселения основного уровня дочернего изотопа. См. также Запаздывающие нейтроны.
Примечания
- ↑ 1 2 3 4 Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S., Audi G. The Nubase2020 evaluation of nuclear properties (англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Vol. 45, iss. 3. — P. 030001-1—030001-180. — doi:10.1088/1674-1137/abddae.
- ↑ Meija J. et al. Isotopic compositions of the elements 2013 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2016. — Vol. 88, no. 3. — P. 293—306. — doi:10.1515/pac-2015-0503.
- ↑ Лисаченко Э. П. Оценка радиологической значимости редкоземельных металлов, имеющих природные радиоактивные изотопы. Архивная копия от 4 мая 2018 на Wayback Machine Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт радиационной гигиены имени профессора П. В. Рамзаева, Санкт-Петербург.
- ↑ Danevich F. A. et al. Quest for double beta decay of 160Gd and Ce isotopes (англ.) // Nuclear Physics A. — 2001. — Vol. 694, no. 1—2. — P. 375—391. — doi:10.1016/S0375-9474(01)00983-6. — . — arXiv:nucl-ex/0011020.
- ↑ 1 2 64. ГАДОЛИНИЙ. Дата обращения: 9 июля 2019. Архивировано 9 июля 2019 года.
- ↑ Данные приведены по Wang M., Audi G., Kondev F. G., Huang W. J., Naimi S., Xu X. The Ame2016 atomic mass evaluation (I). Evaluation of input data; and adjustment procedures (англ.) // Chinese Physics C. — 2016. — Vol. 41, iss. 3. — P. 030002-1—030002-344. — doi:10.1088/1674-1137/41/3/030002.
