[科普中国]-稳定核素

定义

核素分类是原子核基本性质规律的统一，其在自然科学中的价值与化学元素周期律相似。元素周期律的本质是原子核外电子分布与结合的规律，它决定了数十种元素组成自然界无法计数的物质，核内质子与中子排布或融合的规律，它决定着原子核，即同位素的存在，在核素分类基础上将能完成原子核理论统一。

核素可分为稳定核素和不稳定核素（具有放射性）两类。原子核稳定，不会发生自发衰变的核素是稳定核素。已发现的天然稳定核素只有270余种，而放射性核素约有2500种，其中绝大部分是人工制造的。

原子序数Z≤82的核元素，每种核素都有一个或几个稳定的同位素（除锝和钜外）；Z≥83的核素只有放射性核素，Z>92的核素称为超铀核素。

放射性核素衰变核素常用符号AZX 表示，其中X是元素符号，Z是原子序数，A是质量数，A-Z=N，N是该核素中的中子数。由于元素符号X已经确定了它的原子序数，因此，通常核素也可简记为AX。

科学研究表明，稳定性核素对核子总数有一定限度（一般为A≤209），而且中子数和质子数应保持一定的比例（一般为N/Z=1～1.5，也有个别例外）。任何含有过多核子或N/Z不适当的核素，都是不稳定的。A≥209的核素，即元素周期表中钋（Po）之后的所有元素的核素都具有放射性（钋之前的元素，有的核素也具有放射性），它们或是自发地放射出α射线（即He核），而转变成A较小的新核；或是因核素的N/Z不适当，其核内的中子与质子会自发地相互转变，从而改变N/Z的值，并同时放出一个β-（或β+）粒子。核素衰变后产生的新核几乎都是处在激发态，这样的核或是自发地放射出γ光子而转变到基态或较低能态，或是继续进行α衰变（或β衰变），直到变成一个稳定的核素为止。1

稳定核素的应用稳定核素标记，活化稳定核素示踪法广泛应用于生物学、医学、考古学、地质学等学科。

以土壤侵蚀研究为例。采用可活化稳定核素示踪法，可以实现以下两个研究目的：( 1) 利用不同部位或不同地段土壤中的元素丰度分布特征及含量差异 , 通过中子活化分析等分析技术 , 判测泥沙来源与侵蚀强度分布 ( 2)将人工施放的具有可活化的稳定性核素的元素化合物作为示踪剂，利用 INAA分析方法，研究侵蚀泥沙分布运动变化规律。2

S-H图传统核素图中，人们以质子数Z、中子数N分析稳定核素的线性分布，找到了幻数质子中子数，成为传统核理论研究的基础。但在这种图中，稳定区长是宽的许多倍，难以看出隐藏在其中的许多线性列，只能看出过剩中子数N-Z=I的由核素7Li,9Be,35Cl组成的15核长核素列。

在引入两参量S=2Z-N H=N-Z代替基本变量Z、N的图中¨，核素稳定区收长增宽，核素分布紧凑，其线性分布表现出一系列规律性。

定义核素分布的线性列，当以某一常数分析核素分布时，这常数列核素排布不出现中断的排列，这类核素列又可分为偶偶核素列、奇偶混合列与奇A核素列。偶偶核列，核素坐标值以偶数值递变，而奇偶数的核索列，相邻核的坐标值以△S=1、△H=1或△H=2递变。 当以坐标S轴的正方向为始边依反时针方向旋转，始终边所成角大小为序，再以终边的平行线 系统地分析稳定核素的线性核列的特点．可以发现核素线性列的一些规律性。这些核素常数列主要有成角0度坐标H、90度的S常数列、角45度的坐标差K、质子数Z常数以坐标表示为 S+H，中子数N常数为S+2H、还有坐标的S-2H，S．3H，⋯，H，2S，H-3S，⋯等常数 方向，虽不好以角度确切表示，但能以两坐标的比值以序表示，依角度大小，主要核素列的排序为 H， S-nH，⋯S-4H，S-3H，S-2H，S-H；2S-H，3S-H，4S-H；⋯nS-H，S， S+H，S+2H，S+3H，S+nH， 2S+H，3S+H，⋯nS+H。3

稳定核素分布的七律1、坐标S18～6连续核素的有序分布在坐标为S=2Z—N，H=N—Z的核素图中闭，稳定核素区的下界是坐标S轴,该数轴上分布着等质子与中子数的核素．在偶坐标S18～6的7常数列上，下界核素 (18，0)，(16，0)，～，(6，0)都是只有氘结团的核素，这些坐标的下界分别有18，16， 14，⋯，6个氘结团．在同一坐标S常数列上的不同核素都具有相同个数的氘结团， 而对于同列相邻核素，当坐标H以1个单位向上递变分布时，相邻核素的上面核素 比下一核素多一氚结团．坐标S18的连续核素排列着(18，0)，(18，1)，～，(18，6)7核素， 坐标S16与S14两列从H0～4都有连续5核素，坐标s12，S10，S8，拍的4列坐标 H0～2都有连续3核素．这7列连续分布的核素依次是1列7核素，2列5核素，4 列3核素。这里偶坐标S18～6的7列连续核素的上界坐标Ⅱ依次为：

Ⅱ=6；4，4；2，2，2，2． 就是1个6，2个4，4个2，形成核素个数1，2，4相同的分布．见图I左部．

2、稳定区中部的两个7×7菱形区域2．1 新稳定区的偶偶核素

在坐标(S，H)处以参量(2K，2x)联系核素新的稳定区[41，在S一Ⅳ图中，以该坐标 对应的(2K，2X)表示新坐标，则新坐标是2K=2(S一/4)，2X=2(S一2H)，2倍时只 联系着偶偶核素．

2．2稳定区的两个7 X 7菱形区域

2稳定区的两个7 X 7菱形区域 在传统核素图中，以质子数Z与中子数N为坐标，核素区是窄长条形，核素分布长是宽的许多倍网。这种图中以两坐标为边的最大正方形区只是一边为3偶偶核素。如存在稳定区中部的3种3等值核子数A 124，A 130，A 136核素处，分别以这3 核子数为中线，联系着一个边长为3核素的正方形区．在氘氚结团图中，两坐标为边的最大正方形区是一边为6偶偶核素，区内有36种核素。这个区域位于坐标S28～ 38与H16～26的区域，可联系不重复的9核素正方形16个。

在稳定区中的各种图形并不会因坐标变换而增加或消失，但由于坐标变量选取的不同，会出现严重变形导致很难辩认，而坐标选取合适则无此问题．在稳定核素分布中，实际存在的最大正方形区是边长为7核素的区．在坐标S—Z图的坐标差K13与 K19两平行线之间，以坐标s18为左界，坐标H11为上界，存在两个边长7坐标的菱形区域．它们中间部分重叠，形成一个等腰梯形区．当以坐标(2K，2X)联系新稳定区 时，就对应着两个7×7偶偶核素区，见图1中部。

2．3两菱形区对应的稳定核素区

当在坐标(S,H)处以(2K，2X)作新坐标联系新核素时，上述的两个菱形在新稳定区内，这里7×7的49个坐标一一对应着49种稳定核素，两个菱形区域各对应联系 两个7 X7稳定核素区。

坐标H5与H11联系的4顶点核素是(26，16)，(38，28)．(26，4)，(38，16)，4边是 坐标S26与S38，K10与K22的区域，四边形的中心核素是(32，16)。坐标S18与S24 联系的4顶点核素是(38，4())，(26，16)，(38，28)，(26，4)，4边是坐标S26，S38与2S-H=36，48，四边形区中心核素是(32，22)。

在这两个菱形区中，有3顶点坐标(18，5)，(24，5)，(24，11)相同，只有最外侧的 第4坐标(30，11)与最下端的(18，-1)不同，这两个菱形中部重叠后的3个相同坐标再加外侧的2坐标，就合并成4顶点为(18，5)，(24，11)，(30，11)，(18，一1)的梯形．以 (2K，2X)变换联系的新核素区，对应着4顶点为核素(26，16)，(26，4)，(38，16)，(38， 40)的梯形。这梯形4边为坐标S26与S38，差K22与参量2S-H=36。两个7 X 7菱 形核素区的中心核素是(32，16)与(32，22)。

3、坐标差上界的7核素对称分布在坐标H11上右侧，是坐标H12，H13，H14组成的坐标(29，12)，(30，12)，(30， 13)，(32，13)，(32，14)，(33，14)构成的7坐标折线，并以(2K，2X)作新坐标联系着原稳定区边界的差K24，K26，K28三列核素．这7坐标对应的是差K24，K26，K28的2，3， 2核素，其中有差K26，K28的上界(38，12)，(38，lo)与下界(34，8)，(36，8)，差K24的 上界(36，12)与局部下界(34，l())．剩余的K26一核素(36，10)是偶Z46的下界，以这核素为中点，7核素以坐标S36，H10，差K26在3方向呈3列3点共线对称， 而这个中点是由稳定区整数联系四边形的核素(31，13)联系着。4