Атомные ядра характеризуются двумя фундаментальными параметрами: числом протонов Z и числом нейтронов N. Их сумма даёт массовое число A = Z + N, определяющее общую массу ядра. Различия в этих параметрах при сохранении некоторых постоянных величин позволяют ввести понятия изотопов, изобаров и изотонов — ключевых классификаций в ядерной физике.
Изотопы — это ядра одного и того же химического элемента (одинаковое Z), но с разным числом нейтронов N, а следовательно, и разным массовым числом A. Примеры:
Изобары — ядра с одинаковым массовым числом A, но различным зарядовым числом Z. Примеры:
Изотоны — ядра с одинаковым числом нейтронов N, но различным Z. Примеры:
Хотя изотопы имеют одинаковое число протонов, отличия в числе нейтронов приводят к отличиям в массе, энергии связи и, как следствие, в стабильности ядер. Эти различия отражаются в ядерных свойствах (например, вероятности радиоактивного распада), хотя химические свойства у изотопов практически идентичны, поскольку они определяются электронной оболочкой, зависящей от Z.
Изотопы делятся на:
Стабильность ядра в значительной мере зависит от соотношения числа нейтронов к числу протонов N/Z. Для лёгких элементов устойчивыми являются ядра с N ≈ Z, но по мере увеличения Z для сохранения стабильности требуется избыточное количество нейтронов — это обусловлено необходимостью компенсации кулоновского отталкивания между протонами дополнительным ядерным притяжением, создаваемым нейтронами.
Область стабильности на диаграмме N–Z образует так называемую линию стабильности, вдоль которой находятся стабильные изотопы. Ядра, находящиеся выше или ниже этой линии, как правило, являются радиоактивными и стремятся достичь стабильности путём бета-распадов:
Изобарические ядра имеют одинаковое массовое число, но различные значения Z и N, то есть состоят из разных элементов. Часто они связаны через изобарные цепочки распада, где одно изобарическое ядро превращается в другое посредством бета-распада. Например:
$$ ^{14}_6\text{C} \xrightarrow{\beta^-} ^{14}_7\text{N} $$
Такой тип превращений играет ключевую роль в процессах ядерного синтеза в звёздах, а также в радиоактивных сериях, например урана или тория.
Энергетически более выгодное состояние в изобарической группе достигается через минимизацию массы ядра (или, что то же, максимизацию энергии связи). Эти минимумы отражают стабильные конфигурации.
Изотонные ядра объединяются одинаковым числом нейтронов, что позволяет изучать вклад нейтронов в стабильность, форму и энергетическое строение ядер. Несмотря на различие в Z, изотонные ядра могут демонстрировать сходные нейтронные оболочки, позволяя прослеживать эффекты “нейтронной магии” — закрытых оболочек, аналогичных электронным в атомной физике.
Особый интерес вызывают нейтронно-избыточные изотоны — они играют важную роль в астрофизике, например, в процессе r-захвата (быстрое поглощение нейтронов), лежащем в основе образования тяжёлых элементов во взрывах сверхновых.
Разнообразие изотопов широко используется в прикладной физике и смежных науках:
Медицинская диагностика и терапия:
Геохронология и датировка:
Ядерная энергетика:
Промышленность и материалы:
Из-за различий в числе нейтронов изотопы обладают различными массами. Эти различия влияют на:
Измерение масс изотопов осуществляется с высокой точностью с помощью масс-спектрометрии и играет важную роль в определении энергии связи ядер и анализа процессов, происходящих в звёздах, реакторах и ускорителях.
В ядерной астрофизике изотопы и их трансформации лежат в основе нуклеосинтеза:
Изотопические цепочки также имеют значение в ядерных циклах реакторов, где топливо проходит через последовательность превращений, образуя новые изотопы, часть из которых может быть использована повторно, а часть подлежит переработке.
Таким образом, классификация и изучение изотопов, изобаров и изотонов открывает фундаментальные представления о строении и свойствах атомных ядер, а также предоставляет практические инструменты в научных, технологических и медицинских приложениях.