Почему технеций нестабилен?

Это действительно комментарий, так как я не думаю, что есть ответ на ваш вопрос, но он получился немного длинным, чтобы вставить его в качестве комментария.

Если вы погуглите «Почему технеций нестабилен», вы обнаружите, что этот вопрос задавался много раз на разных форумах, но я никогда не видел удовлетворительного ответа. Проблема в том, что структура ядра гораздо сложнее электронной структуры и простых правил здесь немного.

На самом деле вопрос не в том, «почему технеций нестабилен», а в том, «почему технеций менее стабилен, чем молибден и рутений», которые являются основными продуктами распада. Предположительно, имея достаточно компьютерного времени, вы могли бы рассчитать энергии этих трех ядер, хотя вопрос о том, действительно ли это ответит на вопрос «почему», является спорным.

Ответ на комментарий:

Двумя распространенными (относительно) простыми моделями ядра являются жидкостно-капельная и оболочечная модели. Существует достаточно базовое описание модели оболочки здесь и модели жидкой капли здесь (этот сайт не имеет особого значения, за исключением того, что после долгих поисков в Google он дал лучшие описания).

Однако, если вы посмотрите на раздел этого веб-сайта о бета-распаде , в конце параграфа 14.19.2 вы найдете утверждение:

Поскольку теоретическая стабильная линия наклонена вправо на рис. 14.49, только один из двух нечетно-четных изотопов рядом с технецием-98 должен быть нестабильным, и то же самое должно быть для изотопов рядом с прометием-146. Однако энергия, высвобождаемая при распаде этих четно-нечетных ядер, в каждом случае составляет всего несколько сотен кэВ, что намного ниже уровня, для которого формула фон Вайцзеккера вообще имеет смысл. Для технеция и прометия ни один соседний изотоп не является стабильным. Это качественный провал модели фон Вайцзеккера. Но это редко; это происходит только для этих двух из 82 нижних элементов.

Таким образом, эти модели не могут объяснить, почему изотопы Tc не являются стабильными, хотя в целом они работают довольно хорошо. Это просто показывает, насколько сложна проблема.

это просто отодвигает для меня загадку на один шаг назад: почему ядра с четным атомным номером более стабильны?

В этом нет большой тайны. В ядрах существует парное взаимодействие. Это примерно аналогично куперовским парам в сверхпроводнике.

Легко привести аргумент, почему, если вы ищете элемент без стабильных изотопов, Tc является хорошим кандидатом.

Любой четный атомный номер гарантированно имеет четно-четный изотоп, устойчивый к бета-распаду, потому что четно-четные изотопы более стабильны, чем нечетно-нечетные, из-за спаривания.

В целом мы ожидаем более богатого разнообразия стабильных изотопов для элементов, чьи атомные номера близки к магическому числу протонов, или для элементов, для которых линия стабильности приближается к магическому числу нейтронов.

Исходя из этих соображений, если бы мы надеялись найти легкий элемент без стабильных изотопов, это был бы странный элемент.$Z$, тот, чей$Z$был далек от любого магического числа протонов и такого, для которого линия стабильности не близка к магическому числу нейтронов. Этим требованиям отвечает технеций.

Теоретически ретроспективно, самое простое, что мы могли бы попробовать, — это использовать полуэмпирическую массовую формулу , которая по существу представляет собой классическую энергию заряженной жидкой капли, с добавлением пары терминов для аппроксимации квантово-механических эффектов. Как описывает ответ Джона Ренни, это работает на удивление хорошо, в том смысле, что, хотя это невероятно грубо, оно правильно предсказывает, что, например, 97Tc очень и очень близок к разделительной линии между стабильностью и нестабильностью.

Следующим шагом в усложнении будет техника смазывания Струтинского (Strutinsky 1968; также описана в Salamon 2010). Этот метод включает использование классической энергии жидкой капли и добавление поправки на квантовые эффекты. Он правильно воспроизводит потерю или увеличение энергии связи из-за более высокой или более низкой плотности уровней отдельных частиц. Например, он правильно предсказывает, что магические числа гораздо более связаны. Этот метод имеет то преимущество, что он дешев в вычислительном отношении и работает как для ядер вблизи закрытых оболочек, так и для ядер в средней оболочке.

Если вы хотите знать, достаточно ли хороша методика Струтинского, чтобы ретроспективно предсказать бета-нестабильность 97Tc и 99Tc, я думаю, что ответ в основном состоит в том, что вопрос неоднозначен. Эти модели имеют довольно большое количество настраиваемых параметров, может быть около 30, которые необходимо подогнать под экспериментальные данные. Есть также качественный выбор, например, использование потенциала Вудса-Саксона в отличие от потенциала Нильссона. Когда вы используете эти ~30 параметров для предсказания очень большого числа экспериментальных наблюдаемых величин по всей таблице ядер (десятки тысяч масс, электрические квадрупольные моменты, спины основного состояния и т. д.), вы получаете баллы за честность, но вы не получите наилучшей точности. Люди, интересующиеся определенной областью диаграммы ядер, например, сверхтяжелыми элементами, будут соответствовать своим параметрам этой небольшой области и получат гораздо лучшую точность. Если вы продолжаете вот так сужать свой фокус и делаете ретроспективные прогнозы по хорошо изученным областям диаграммы ядер, то, в конце концов, то, что вы делаете, — просто причудливое упражнение в интерполяции. Я уверен, что на этом уровне можно было бы правильно рассчитать очень небольшую разницу в энергии связи между 97Tc и 97Mo с точностью, необходимой для того, чтобы показать, что 97Tc бета-нестабилен, но все, что вы действительно будете делать, это интерполировать .

Струтинский, Nucl. физ. А122 (1968) 1

П. Саламон, http://arxiv.org/abs/1004.0079

вот взгляд чистого математика в абстрактном идеальном мире, не обеспокоенном сложностями реального мира. Я надеюсь, что это полезно, даже если это грубое упрощение реальности.

Атомные оболочки чувствуют себя сбалансированными, когда их размер равен удвоенному квадратному числу, то есть 2, 8, 18, 32, 50, 72, 98, 128 и т. д. Каждый период в периодической таблице имеет число элементов, равное единице. из этих чисел, а элементы, занимающие места в конце этих периодов, настолько удовлетворительно уравновешены, что у них нет никакого желания изменяться или реагировать вообще. Элементы по обе стороны от этих благородных газов реактивно отчаянно пытаются подражать гармоничной нирване своих непосредственных соседей, но элементы в середине периода (такие как углерод) тянутся в двух разных направлениях и, следовательно, могут оказаться завернутыми в очень сложные молекулы.

Атомные ядра наиболее стабильны, когда число их протонов четно и близко к одному из перечисленных выше чисел. Технеций (43) и прометий (61) не удовлетворяют ни одному из этих критериев и нестабильны.

Я давно задавался вопросом, почему ядра одних элементов более нестабильны, чем другие. Одним из примеров является технеций. У него нечетный атомный номер, но нет причин быть менее стабильным, чем другие фермионоподобные атомы, некоторые из которых тяжелее, но стабильнее, как золото. Я объясню дальше (поскольку я тоже не уверен), но постараюсь объяснить, насколько смогу, без расплывчатого использования «неопределенности» и «магических чисел».

На первый взгляд кажется, что виноваты магические числа. Но нет. При ближайшем рассмотрении атомы действительно имеют структуру ядра. Посмотрите на элементы класса Уран. Более массивны, но значительно более стабильны. Магические числа рассчитываются через вращение, и эти вращающиеся частицы должны иметь конфигурацию, в которой они покоятся при самых низких энергиях. Да, я согласен, что это также неопределенность, но неопределенность ЕСТЬ неопределенность из-за незначительной массы и размера и непредсказуемости траекторий этих частиц. Атомы связаны сильной силой, где цвет заряда взаимодействует между нейтронами и протонами со спиновым обменом мюонов. Они меняются местами. Обычно это приводит к тому, что некоторые физики расплывчато заявляют, что атомные ядра — это просто суп из протонов и нейтронов. И снова они совершенно «неправы» в том, что субатомные частицы имеют структуру, не в том смысле, в котором он остается жестким, а в том, что имеет наименьшую энергию. Водород 3 распадается на гелий 3 из-за энергии (массы).

Подводя итог моей теме, я предполагаю, что технеций нестабилен из-за нестабильности оболочки ядра (прошу прощения за мою расплывчатость), где даже некоторые ядра (метастабильные «m») с более сильным спином могут быть более стабильными, чем его состояние с более низким спином. Атомные ядра действительно представляют собой очень сложную структуру, которую, я надеюсь, физики будущего смогут объяснить. Я благодарю все предыдущие ответы за их идеи.

Я не очень хорошо разбираюсь в ядерных моделях, и многие из приведенных выше ответов, вероятно, намного точнее и глубже, но, исходя из моего базового понимания, ядра распадаются, когда они тяжелее, чем массы их потенциальных продуктов, что означает, что они более стабильны, поскольку они являются продуктами.

Все изотопы технеция тяжелее своих продуктов распада и поэтому будут распадаться на них, переходя в более стабильное состояние, например tc-97, который является наиболее стабильным изотопом технеция, весит больше, чем его продукт распада mo-97 (96,9060215 а.е.м. против 96,9060215аму) и так распадутся на него, а вот почему нет стабильной конфигурации технеция с 43 изотопами, я не знаю.