PRoAtom - Карта нуклидов

В.П.Чечев, д.ф.-м.н., директор отраслевого Центра радионуклидных данных, Радиевый институт им. В.Г.Хлопина

В этой статье читатели имеют возможность познакомиться со вторым изданием настенной карты нуклидов, опубликованной в России (Москва, ЦНИИАтоминформ, 2003). Первая версия карты вышла в свет в ЦНИИАтоминформ в 1998 году. Во второй версии учтена новая информация, появившаяся за прошедшие 5 лет.

Карта нуклидов разработана на основе сведений, содержащихся в базе данных Центра радионуклидных данных Радиевого института им. В.Г.Хлопина «Ядерные характеристики нуклидов». Организатором и научным руководителем работ по созданию карт и справочников нуклидов в России является профессор Т.В.Голашвили, интервью с которым представлено ниже. Ранее карты нуклидов различного содержания регулярно публиковались (и продолжают публиковаться) в Германии, США, Франции и Японии. Представленная здесь карта нуклидов названа международной, так как в ее разработке, кроме российских ученых, приняли участие также специалисты некоторых зарубежных центров ядерных данных и, в частности, Центра ядерных данных Китая.

Карты нуклидов дают наглядную первичную информацию об основных характеристиках стабильных нуклидов и свойствах распада радиоактивных ядер. Дальнейшие, более детальные сведения о характеристиках нуклидов содержатся в различных специализированных сборниках и базах ядерных данных. Для их извлечения специалисты чаще всего используют сейчас компьютерную технику. Однако так же как электронные носители не отменили традиционную форму литературы в виде печатных книг, так и в атомной науке и технике по-прежнему сохраняют свое значение справочники и карты нуклидов. Благодаря им каждый желающий может быстро сориентироваться в огромном количестве нуклидов (более 3000), ядерных изомеров, атомных масс, периодов полураспада и других характеристик. Краткая первичная информация из карты нуклидов совершенно необходима экологам при анализе радиоактивных загрязнений окружающей среды, медикам – для оценки воздействия лечебных радиоактивных препаратов во времени и возможного наличия в них нежелательных примесей, и, конечно, в первую очередь, специалистам-ядерщикам – при анализе примесей в радионуклидных источниках, при планировании и проверке постоянно возникающих идей в отношении использования на практике тех или иных радиоактивных нуклидов.

Термин «нуклид» был введен в атомную науку для того, чтобы отличать изотопы разных химических элементов по их ядерным свойствам. Нуклид – это атом с данным числом протонов в ядре Z, которое определяет заряд ядра, и числом нейтронов N. Сумма A=Z+N представляет собой массовое число нуклида. Эти три числа определяют место нуклида (его «квадрат») в обсуждаемой здесь карте нуклидов. По горизонтали на карте увеличивается число нейтронов, по вертикали – число протонов. Таким образом, так как число протонов Z является одновременно порядковым номером химического элемента в периодической системе Менделеева, на карте нуклидов горизонтальный ряд «нуклидных квадратов» соответствует изотопам одного и того же химического элемента. Вертикальные ряды квадратов составляют изотоны, т.е. нуклиды с одним и тем же числом нейтронов в ядре. Нуклиды с одним и тем же массовым числом A (изобары) располагаются по диагоналям (в направлении слева снизу направо вверх). По этим линиям происходят ядерные превращения нуклидов посредством бета-распадов и реакций (p,n), (n,p) с заменой нейтрона на протон, и наоборот. Направления других видов распада и ядерных реакций показаны в пояснительной части карты нуклидов. Для минимизации размеров карты она представлена на плакате несколькими перекрывающимися частями (секциями).

Информация об основных характеристиках нуклидов содержится на карте в соответствующих нуклидных квадратах. В первой строке квадрата для всех нуклидов указан символ химического элемента и массовое число нуклида. Во второй строке дана массовая характеристика hspace=4

в энергетических единицах (миллионах электронвольт, МэВ). Это т.н. «избыток массы», разность между массой нуклида и его массовым числом в энергетических единицах (по определению, для нейтрального атома углерода12 величина hspace=4

=0, отсюда одна массовая единица получается равной 931,4 МэВ). Для большинства нуклидов величина hspace=4

отрицательна, лишь для нуклидов с массовым числом hspace=4

она становится положительной. В третьей строке приведены квантовые характеристики основного состояния ядра – его спин и четность. Если нуклид обладает метастабильными возбужденными состояниями (изомерами) со временем жизни больше 1 мс, то их характеристики приводятся в том же квадрате. С этой целью нуклидный квадрат при наличии одного изомера делится на две половины, при наличии двух изомеров – на три части. В четвертой строке для радиоактивных нуклидов приведена одна из самых важных характеристик ядерного распада – период полураспада радионуклида. Для стабильных нуклидов в этой строке дается процентное содержание нуклида в природной смеси изотопов рассматриваемого химического элемента. В пятой строке для радиоактивных нуклидов приведены виды ядерных превращений (распадов), которые они испытывают hspace=4

и др.). Для стабильных нуклидов в этой строке дается сечение радиационного захвата тепловых нейтронов (сечение активации) в барнах.

Кроме указанных основных характеристик, размещенных в 5 строках, на оставшихся 4 строках квадратов для радиоактивных нуклидов приводятся следующие дополнительные характеристики ядерного распада: полная энергия распада Q в килоэлектронвольтах (кэВ), средняя энергия бета-излучения в тех же единицах (в угловых скобках), энергии наиболее интенсивных альфа и гамма-излучений (также в кэВ). Одно из достоинств нашей карты нуклидов, отличающее ее от аналогичных изданий в США, Франции, Германии, – это оцененные данные для наиболее важных характеристик – избытка массы, процентного содержания в смеси изотопов и сечения активации для стабильных нуклидов; избытка массы, периода полураспада и энергии распада для радиоактивных нуклидов.

Еще в 60-е годы прошлого века специалисты атомной науки и техники поняли, что одно или даже два измерения не обеспечивают достоверности используемого значения ядерной характеристики и правильную оценку ее погрешности. Необходимы измерения одной и той же ядерной характеристики в нескольких лабораториях с последующим определением «лучшего», наиболее достоверного значения и его погрешности в результате анализа, отбора, коррекции и статистической обработки опубликованных экспериментальных данных, проверки внутренней согласованности характеристик в рамках имеющихся теоретических моделей, балансовых соотношений и зависимостей. Эти дополнительные исследования получили название «оценки ядерных данных», и в настоящее время существуют обширные файлы оцененных данных, в том числе по характеристикам распада радионуклидов. В то же время эти исследования продолжаются, и методы оценки совершенствуются, поскольку продолжается накопление более точных экспериментальных данных, далеко не всегда согласующихся друг с другом. В карте нуклидов2003 использованы оцененные данные из международного файла Evaluated Nuclear Structure Data File (ENSDF), результаты оценки характеристик широко применяемых радионуклидов, полученные международной кооперацией Decay Data Evaluation Project, а также собственные оценки специалистов Центра радионуклидных данных. Таким образом, впервые для 5 важнейших нуклидных характеристик в информационных квадратах карты нуклидов представлены оцененные значения с погрешностями, полученными из всей совокупности опубликованных экспериментальных данных.

Журнал «Атомная стратегия» № 23, июль 2006 г.