Изотопы азота
| |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Стандартный атомный вес A r °(N) | |||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||||||||||||||||||
Природный азот ( 7N ) состоит из двух стабильных изотопов : подавляющее большинство (99,6%) природного азота — это азот-14 , а остальное — азот-15 . Известно также тринадцать радиоизотопов с атомными массами от 9 до 23, а также три ядерных изомера . Все эти радиоизотопы являются короткоживущими, самым долгоживущим является азот-13 с периодом полураспада9,965(4) мин . Все остальные имеют период полураспада менее 7,15 секунд, причем большинство из них менее 620 миллисекунд. Большинство изотопов с атомными массовыми числами менее 14 распадаются на изотопы углерода , тогда как большинство изотопов с массами более 15 распадаются на изотопы кислорода . Самый короткоживущий известный изотоп — азот-10 с периодом полураспада143(36) йоктосекунд , хотя период полураспада азота-9 точно не измерен.
Список изотопов
| Нуклид [n 1] | З | Н | Изотопная масса ( Да ) [3] [n 2] [n 3] | Период полураспада [4] [ ширина резонанса ] | Режим распада [4] [n 4] | Дочерний изотоп [n 5] | Спин и четность [4] [n 6] [n 7] | Природная распространенность (мольная доля) | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Энергия возбуждения | Нормальная пропорция [4] | Диапазон вариаций | |||||||||||||||||
| 9 Н [5] | 7 | 2 | <1 как [5] | 5п [н 8] | 4 Он | ||||||||||||||
| 10 Н | 7 | 3 | 10.041 65 (43) | 143(36) лет | п ? [н 9] | 9 С ? | 1−, 2− | ||||||||||||
| 11 Н | 7 | 4 | 11.026 158 (5) | 585(7) гг [780,0(9,3) кэВ ] | п | 10 С | 1/2+ | ||||||||||||
| 11м Н | 740(60) кэВ | 690(80) лет | п | 1/2− | |||||||||||||||
| 12 Н | 7 | 5 | 12.018 6132 (11) | 11.000(16) мс | β + (98.07(4)% ) | 12 С | 1+ | ||||||||||||
| β + α (1,93(4)% ) | 8 Быть [н 10] | ||||||||||||||||||
| 13 Н [н 11] | 7 | 6 | 13.005 738 61 (29) | 9.965(4) мин | β + | 13 С | 1/2− | ||||||||||||
| 14 Н [н 12] | 7 | 7 | 14.003 074 004 251 (241) | Стабильный | 1+ | [0,995 78 ,0,996 63 ] [6] | |||||||||||||
| 14м Н | 2 312 .590(10) кэВ | ЭТО | 14 Н | 0+ | |||||||||||||||
| 15 Н | 7 | 8 | 15.000 108 898 266 (625) | Стабильный | 1/2− | [0,003 37 ,0,004 22 ] [6] | |||||||||||||
| 16 Н | 7 | 9 | 16.006 1019 (25) | 7.13(2) с | β − (99,998 46 (5)% ) | 16 О | 2− | ||||||||||||
| β − α (0,001 54 (5)% ) | 12 С | ||||||||||||||||||
| 16м Н | 120,42(12) кэВ | 5.25(6) мкс | ЭТО (99,999 611 (25)% ) | 16 Н | 0− | ||||||||||||||
| β − (0,000 389 (25)% ) | 16 О | ||||||||||||||||||
| 17 с.ш. | 7 | 10 | 17.008 449 (16) | 4.173(4) с | β − n (95.1(7)% ) | 16 О | 1/2− | ||||||||||||
| β − (4.9(7)% ) | 17 О | ||||||||||||||||||
| β − α (0,0025(4)% ) | 13 С | ||||||||||||||||||
| 18 Н | 7 | 11 | 18.014 078 (20) | 619,2(1,9) мс | β − (80,8(1,6)% ) | 18 О | 1− | ||||||||||||
| β − α (12.2(6)% ) | 14 С | ||||||||||||||||||
| β − n (7,0(1,5)% ) | 17 О | ||||||||||||||||||
| β − 2n ? [n 9] | 16 О ? | ||||||||||||||||||
| 19 Н | 7 | 12 | 19.017 022 (18) | 336(3) мс | β − (58.2(9)% ) | 19 О | 1/2− | ||||||||||||
| β − n (41,8(9)% ) | 18 О | ||||||||||||||||||
| 20 Н | 7 | 13 | 20.023 370 (80) | 136(3) мс | β − (57,1(1,4)% ) | 20 О | (2−) | ||||||||||||
| β − n (42,9(1,4)% ) | 19 О | ||||||||||||||||||
| β − 2n ? [n 9] | 18 О ? | ||||||||||||||||||
| 21 Н | 7 | 14 | 21.027 09 (14) | 85(5) мс | β − n (87(3)% ) | 20 О | (1/2−) | ||||||||||||
| β − (13(3)% ) | 21 О | ||||||||||||||||||
| β − 2n ? [n 9] | 19 О ? | ||||||||||||||||||
| 22 Н | 7 | 15 | 22.034 10 (22) | 23(3) мс | β − (54,0(4,2)% ) | 22 О | 0−# | ||||||||||||
| β − n (34(3)% ) | 21 О | ||||||||||||||||||
| β − 2n (12(3)% ) | 20 О | ||||||||||||||||||
| 23 Н [н 13] | 7 | 16 | 23.039 42 (45) | 13,9(1,4) мс | β − (>46,6(7,2)% ) | 23 О | 1/2−# | ||||||||||||
| β − n (42(6)% ) | 22 О | ||||||||||||||||||
| β − 2n (8(4)% ) | 21 О | ||||||||||||||||||
| β − 3n (<3,4% ) | 20 О | ||||||||||||||||||
| Заголовок и нижний колонтитул этой таблицы: | |||||||||||||||||||
- ^ m N – Возбужденный ядерный изомер .
- ^ ( ) – Неопределенность (1 σ ) приводится в краткой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
- ^ # – Атомная масса, отмеченная #: значение и неопределенность получены не из чисто экспериментальных данных, а, по крайней мере, частично из тенденций от поверхности массы (TMS).
- ^
Способы распада:
ЭТО: Изомерный переход н: Нейтронное излучение р: Эмиссия протонов - ^ Жирный символ как дочерний – Дочерний продукт стабилен.
- ^ ( ) значение спина – указывает спин со слабыми аргументами присваивания.
- ^ # – Значения, отмеченные #, получены не только из экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично из тенденций соседних нуклидов (TNN).
- ^ Распады с испусканием протонов на8
С
, который немедленно испускает два протона, образуя6
Быть
, который в свою очередь испускает два протона, образуя стабильные4
Он
[5] - ^ abcd Показанный режим распада энергетически разрешен, но его возникновение в этом нуклиде экспериментально не наблюдалось.
- ^ Немедленно распадается на две альфа-частицы в результате реакции 12 N → 3 4 He + e + .
- ^ Используется в позитронно-эмиссионной томографии.
- ^ Одно из немногих стабильных нечетно-нечетных ядер
- ^ Самый тяжелый связанный с частицами изотоп азота, см. Ядерная капельная линия
Азот-13
Азот-13 и кислород-15 образуются в атмосфере, когда гамма-лучи (например, от молнии ) выбивают нейтроны из азота-14 и кислорода-16:
- 14 Н + γ → 13 Н + н
- 16 О + γ → 15 О + н
Образующийся в результате азот-13 распадается с периодом полураспада9.965(4) мин до углерода-13, испуская позитрон . Позитрон быстро аннигилирует с электроном, производя два гамма-луча около511 кэВ . После удара молнии это гамма-излучение затухает с периодом полураспада в десять минут, но эти низкоэнергетические гамма-лучи проходят в среднем всего около 90 метров по воздуху, поэтому их можно обнаружить только в течение минуты или около того, пока «облако» 13 N и 15 O проплывает мимо, переносимое ветром. [7]
Азот-14
Азот-14 составляет около 99,636% природного азота.
Азот-14 — один из немногих стабильных нуклидов с нечетным числом протонов и нейтронов (по семь каждого) и единственный, который составляет большую часть своего элемента. Каждый протон или нейтрон вносит ядерный спин плюс или минус спин 1/2 , что дает ядру полный магнитный спин , равный единице.
Предполагается , что первоначальным источником азота-14 и азота-15 во Вселенной является звездный нуклеосинтез , где они производятся в рамках цикла CNO .
Азот-14 является источником естественного радиоактивного углерода-14 . Некоторые виды космического излучения вызывают ядерную реакцию с азотом-14 в верхних слоях атмосферы Земли, создавая углерод-14, который распадается обратно на азот-14 с периодом полураспада5700(30) лет .
Азот-15
Азот-15 — редкий стабильный изотоп азота . Два источника азота-15 — это позитронная эмиссия кислорода -15 [8] и бета-распад углерода -15 . Азот-15 имеет одно из самых низких сечений захвата тепловых нейтронов среди всех изотопов. [9]
Азот-15 часто используется в ЯМР ( спектроскопия ЯМР азота-15 ). В отличие от более распространенного азота-14, который имеет целый ядерный спин и, следовательно, квадрупольный момент , 15N имеет дробный ядерный спин , равный половине, что дает преимущества для ЯМР, такие как более узкая ширина линии.
Отслеживание азота-15 — это метод, используемый для изучения азотного цикла .
Азот-16
Радиоизотоп 16N является доминирующим радионуклидом в теплоносителе реакторов с водой под давлением или реакторов с кипящей водой во время нормальной эксплуатации. Он производится из 16O (в воде) посредством реакции (n,p) , в которой атом 16O захватывает нейтрон и испускает протон. Он имеет короткий период полураспада около 7,1 с, [4] но его распад обратно до 16O производит высокоэнергетическое гамма-излучение (от 5 до 7 МэВ). [4] [10] Из-за этого доступ к трубопроводу первичного теплоносителя в реакторе с водой под давлением должен быть ограничен во время работы реактора на мощности. [10] Это чувствительный и непосредственный индикатор утечек из первичной системы теплоносителя во вторичный паровой цикл и является основным средством обнаружения таких утечек. [10]
Изотопные сигнатуры
Ссылки
- ^ "Стандартные атомные веса: Азот". CIAAW . 2009.
- ^ Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip JH; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro AJ (2022-05-04). "Стандартные атомные веса элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)". Чистая и прикладная химия . doi :10.1515/pac-2019-0603. ISSN 1365-3075.
- ^ Ван, Мэн; Хуан, ВДж; Кондев, ФГ; Ауди, Г.; Наими, С. (2021). «Оценка атомной массы AME 2020 (II). Таблицы, графики и ссылки*». Chinese Physics C. 45 ( 3): 030003. doi :10.1088/1674-1137/abddaf.
- ^ abcdef Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). "Оценка ядерных свойств NUBASE2020" (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
- ^ abc Cho, Adrian (25 сентября 2023 г.). «Мимолетная форма азота расширяет ядерную теорию до ее пределов». science.org . Получено 27 сентября 2023 г. .
- ^ ab "Атомный вес азота | Комиссия по изотопному содержанию и атомным весам". ciaaw.org . Получено 2022-02-26 .
- ^ Teruaki Enoto; et al. (23 ноября 2017 г.). «Фотоядерные реакции, вызванные разрядом молнии». Nature . 551 (7681): 481–484. arXiv : 1711.08044 . Bibcode :2017Natur.551..481E. doi :10.1038/nature24630. PMID 29168803. S2CID 4388159.
- ^ CRC Handbook of Chemistry and Physics (64-е изд.). 1983–1984. стр. B-234.
- ^ "Извлечение и построение файла оцененных ядерных данных (ENDF)". Национальный центр ядерных данных.
- ^ abc Neeb, Karl Heinz (1997). Радиохимия атомных электростанций с легководными реакторами. Берлин-Нью-Йорк: Walter de Gruyter. стр. 227. ISBN 978-3-11-013242-7. Архивировано из оригинала 2016-02-05 . Получено 2015-12-20 .
