Изотопы свинца

Изото́пы свинца́ — разновидности химического элемента свинца с разным количеством нейтронов в ядре. Известны изотопы свинца с массовыми числами от 178 до 220 (количество протонов 82, нейтронов от 96 до 138) и 48 ядерных изомеров.

Свинец — последний элемент в периодической таблице, у которого существуют стабильные изотопы. Элементы после свинца стабильных изотопов не имеют. Ядра свинца имеют замкнутую протонную оболочку Z = 82 (магическое число), что объясняет устойчивость изотопов этого элемента; ядро 208Pb является дважды магическим (Z = 82, N = 126), это один из пяти существующих в природе дважды магических нуклидов.

Природные изотопы свинца

править

Природный свинец состоит из 4 стабильных изотопов:[1]

  • 204Pb (изотопная распространённость 1,4 ± 0,6 %)
  • 206Pb (изотопная распространённость 24,1 ± 3,0 %)
  • 207Pb (изотопная распространённость 22,1 ± 5,0 %)
  • 208Pb (изотопная распространённость 52,4 ± 7,0 %)

Большие разбросы изотопной распространённости вызваны не погрешностью измерений, а наблюдаемым разбросом в различных природных минералах ввиду разных цепочек радиогенного возникновения свинца. Изотопы 206Pb, 207Pb, 208Pb являются радиогенными, то есть образуются в результате радиоактивного распада соответственно 238U, 235U и 232Th. Поэтому многие минералы имеют иной изотопный состав свинца вследствие накопления продуктов распада урана и тория. Изотопный состав, который приведён выше, характерен преимущественно для галенитов, в которых урана и тория практически нет, и пород, преимущественно осадочных, в которых количество урана находится в кларковых пределах. В радиоактивных минералах этот состав существенно отличается и зависит от вида радиоактивного элемента, слагающего минерал. В урановых минералах, таких как уранинит UO2, настуран UO2 (урановая смолка), урановые черни, в которых существенно преобладает уран, радиогенный изотоп 206Pbрад существенно преобладает над другими изотопами свинца, и его концентрации могут достигать 90 %. Например, в урановой смолке (Сан-Сильвер, Франция) концентрация 206Pb равна 92,9 %, в урановой смолке из Шинколобве (Киншаса) — 94,25 %[2]. В ториевых минералах, например, в торите ThSiO4, существенно преобладает радиогенный изотоп 208Pbрад. Так, в монаците из Казахстана концентрация 208Pb равна 94,02 %, в монаците из пегматита Бекета (Зимбабве) — 88,8 %[2]. Имеется комплекс минералов, например, монацит (Ce, La, Nd)[PO4], циркон ZrSiO4 и др., в которых в переменных соотношениях находятся уран и торий и соответственно в разных соотношениях присутствуют все или большинство изотопов свинца. Следует отметить, что в цирконах содержание нерадиогенного свинца крайне мало, что делает их удобным объектом для уран-торий-свинцового метода датирования (цирконометрия).

Помимо стабильных изотопов, в природе в следовых количествах наблюдаются другие радиоактивные изотопы свинца, входящие в состав радиоактивных рядов урана-238 (214Pb и 210Pb), урана-235 (211Pb) и тория-232 (212Pb). Эти изотопы имеют устаревшие, но ещё иногда встречающиеся исторические названия и обозначения: 210Pb — радий D (RaD), 214Pb — радий B (RaB), 211Pb — актиний B (AcB), 212Pb — торий B (ThB). Их природное содержание крайне мало, в равновесии оно соответствует содержанию родительского изотопа ряда, умноженному на отношение периодов полураспада дочернего изотопа и родоначальника ряда. Например, для свинца-212 из ряда тория это отношение равно (10,64 часа)/(1,405·1010 лет) ≈ 9·10−14; иными словами, на 11 триллионов атомов тория-232 в природном равновесии приходится лишь один атом свинца-212.

Радиоизотопы

править

Самыми долгоживущими радиоактивными изотопами свинца являются 205Pb (период полураспада — 17,3 млн лет), 202Pb (период полураспада — 52 500 лет) и 210Pb (период полураспада — 22,2 года). Период полураспада остальных радиоизотопов не превышает 3 суток.

Применение

править

Свинец-212

править

212Pb[3] является перспективным изотопом для терапии рака альфа-частицами[англ.]. Период полураспада 10 часов, конечный изотоп 208Pb. Цепочка распада создает альфа- и бета-излучение. Изотоп вводится в состав фармацевтического препарата, который селективно поглощается поражёнными клетками. Альфа-частицы имеют очень небольшую длину свободного пробега в тканях, соизмеримую с размером клетки. Таким образом, разрушительное воздействие ионизирующего излучения концентрируется в поражённых тканях, а высокая разрушительная способность альфа-излучения эффективно убивает поражённые клетки[4].

212Pb входит в цепочку распада 232U, искусственного изотопа, получаемого путём облучения природного тория 232Th нейтронами в реакторе. Для медицинских целей создают мобильные генераторы 212Pb, из которых наработанный свинец вымывается химическим способом.

Свинец-208

править

208Pb обладает низким сечением захвата нейтронов, что делает этот изотоп пригодным в качестве теплоносителя для ядерных реакторов с жидкометаллическим теплоносителем.

Таблица изотопов свинца

править
Символ
нуклида
Историческое названиеZ (p)N (n)Масса изотопа[5]
(а. е. м.)
Период
полураспада
[6]
(T1/2)
Канал распадаПродукт распадаСпин и чётность
ядра[6]
Распространённость
изотопа в природе
Диапазон изменения изотопной распространённости в природе
Энергия возбуждения
178Pb8296178,003830(26)0,23(15) мсα174Hg0+
179Pb8297179,00215(21)#3,9(1,1) мсα175Hg(9/2−)
180Pb8298179,997918(22)4,5(11) мсα176Hg0+
181Pb8299180,99662(10)45(20) мсα (98 %)177Hg(9/2−)
β+ (2 %)181Tl
182Pb82100181,992672(15)60(40) мс
[55(+40−35) мс]
α (98 %)178Hg0+
β+ (2 %)182Tl
183Pb82101182,99187(3)535(30) мсα (94 %)179Hg(3/2−)
β+ (6 %)183Tl
183mPb94(8) кэВ415(20) мсα179Hg(13/2+)
β+ (редко)183Tl
184Pb82102183,988142(15)490(25) мсα180Hg0+
β+ (редко)184Tl
185Pb82103184,987610(17)6,3(4) сα181Hg3/2−
β+ (редко)185Tl
185mPb60(40)# кэВ4,07(15) сα181Hg13/2+
β+ (редко)185Tl
186Pb82104185,984239(12)4,82(3) сα (56 %)182Hg0+
β+ (44 %)186Tl
187Pb82105186,983918(9)15,2(3) сβ+187Tl(3/2−)
α183Hg
187mPb11(11) кэВ18,3(3) сβ+ (98 %)187Tl(13/2+)
α (2 %)183Hg
188Pb82106187,980874(11)25,5(1) сβ+ (91,5 %)188Tl0+
α (8,5 %)184Hg
188m1Pb2578,2(7) кэВ830(210) нс(8−)
188m2Pb2800(50) кэВ797(21) нс
189Pb82107188,98081(4)51(3) сβ+189Tl(3/2−)
189m1Pb40(30)# кэВ50,5(2,1) сβ+ (99,6 %)189Tl13/2+
α (0,4 %)185Hg
189m2Pb2475(30)# кэВ26(5) мкс(10)+
190Pb82108189,978082(13)71(1) сβ+ (99,1 %)190Tl0+
α (0,9 %)186Hg
190m1Pb2614,8(8) кэВ150 нс(10)+
190m2Pb2618(20) кэВ25 мкс(12+)
190m3Pb2658,2(8) кэВ7,2(6) мкс(11)−
191Pb82109190,97827(4)1,33(8) минβ+ (99,987 %)191Tl(3/2−)
α (0,013 %)187Hg
191mPb20(50) кэВ2,18(8) минβ+ (99,98 %)191Tl13/2(+)
α (0,02 %)187Hg
192Pb82110191,975785(14)3,5(1) минβ+ (99,99 %)192Tl0+
α (0,0061 %)188Hg
192m1Pb2581,1(1) кэВ164(7) нс(10)+
192m2Pb2625,1(11) кэВ1,1(5) мкс(12+)
192m3Pb2743,5(4) кэВ756(21) нс(11)−
193Pb82111192,97617(5)5# минβ+193Tl(3/2−)
193m1Pb130(80)# кэВ5,8(2) минβ+193Tl13/2(+)
193m2Pb2612,5(5)+X кэВ135(+25−15) нс(33/2+)
194Pb82112193,974012(19)12,0(5) минβ+ (100 %)194Tl0+
α (7,3⋅10−6%)190Hg
195Pb82113194,974542(25)~15 минβ+195Tl3/2#-
195m1Pb202,9(7) кэВ15,0(12) минβ+195Tl13/2+
195m2Pb1759,0(7) кэВ10,0(7) мкс21/2−
196Pb82114195,972774(15)37(3) минβ+196Tl0+
α (3⋅10−5%)192Hg
196m1Pb1049,20(9) кэВ<100 нс2+
196m2Pb1738,27(12) кэВ<1 мкс4+
196m3Pb1797,51(14) кэВ140(14) нс5−
196m4Pb2693,5(5) кэВ270(4) нс(12+)
197Pb82115196,973431(6)8,1(17) минβ+197Tl3/2−
197m1Pb319,31(11) кэВ42,9(9) минβ+ (81 %)197Tl13/2+
ИП (19 %)197Pb
α (3⋅10−4%)193Hg
197m2Pb1914,10(25) кэВ1,15(20) мкс21/2−
198Pb82116197,972034(16)2,4(1) чβ+198Tl0+
198m1Pb2141,4(4) кэВ4,19(10) мкс(7)−
198m2Pb2231,4(5) кэВ137(10) нс(9)−
198m3Pb2820,5(7) кэВ212(4) нс(12)+
199Pb82117198,972917(28)90(10) минβ+199Tl3/2−
199m1Pb429,5(27) кэВ12,2(3) минИП (93 %)199Pb(13/2+)
β+ (7 %)199Tl
199m2Pb2563,8(27) кэВ10,1(2) мкс(29/2−)
200Pb82118199,971827(12)21,5(4) чβ+200Tl0+
201Pb82119200,972885(24)9,33(3) чЭЗ (99 %)201Tl5/2−
β+ (1 %)
201m1Pb629,14(17) кэВ61(2) с13/2+
201m2Pb2718,5+X кэВ508(5) нс(29/2−)
202Pb82120201,972159(9)5,25(28)⋅104 летЭЗ (99 %)202Tl0+
α (1 %)198Hg
202m1Pb2169,83(7) кэВ3,53(1) чИП (90,5 %)202Pb9−
ЭЗ (9,5 %)202Tl
202m2Pb4142,9(11) кэВ110(5) нс(16+)
202m3Pb5345,9(13) кэВ107(5) нс(19−)
203Pb82121202,973391(7)51,873(9) чЭЗ203Tl5/2−
203m1Pb825,20(9) кэВ6,21(8) сИП203Pb13/2+
203m2Pb2949,47(22) кэВ480(7) мс29/2−
203m3Pb2923,4+X кэВ122(4) нс(25/2−)
204Pb82122203,9730436(13)[прим. 1]стабилен (>1,4⋅1017 лет)[8][прим. 2]0+0,014(1)0,0104-0,0165
204m1Pb1274,00(4) кэВ265(10) нс4+
204m2Pb2185,79(5) кэВ67,2(3) мин9−
204m3Pb2264,33(4) кэВ0,45(+10−3) мкс7−
205Pb82123204,9744818(13)[прим. 3]1,73(7)⋅107 лет[9]ЭЗ205Tl5/2−
205m1Pb2,329(7) кэВ24,2(4) мкс1/2−
205m2Pb1013,839(13) кэВ5,55(2) мс13/2+
205m3Pb3195,7(5) кэВ217(5) нс25/2−
206PbРадий G82124205,9744653(13)[прим. 4]стабилен (>2,5⋅1021 лет)[8][прим. 5]0+0,241(1)0,2084-0,2748
206m1Pb2200,14(4) кэВ125(2) мкс7−
206m2Pb4027,3(7) кэВ202(3) нс12+
207PbАктиний D82125206,9758969(13)[прим. 6]стабилен (>1,9⋅1021 лет)[8][прим. 7]1/2−0,221(1)0,1762-0,2365
207mPb1633,368(5) кэВ806(6) мсИП207Pb13/2+
208PbТорий D82126207,9766521(13)[прим. 8]стабилен (>2,6⋅1021 лет)[8][прим. 9]0+0,524(1)0,5128-0,5621
208mPb4895(2) кэВ500(10) нс10+
209Pb82127208,9810901(19)3,253(14) чβ209Bi9/2+
210PbРадий D
Радио-свинец
82128209,9841885(16)[прим. 10]22,20(22) годаβ (100 %)210Bi0+следовые количества[прим. 11]
α (1,9⋅10−6%)206Hg
210mPb1278(5) кэВ201(17) нс8+
211PbАктиний B82129210,9887370(29)36,1(2) минβ211Bi9/2+следовые количества[прим. 12]
212PbТорий B82130211,9918975(24)10,64(1) чβ212Bi0+следовые количества[прим. 13]
212mPb1335(10) кэВ6,0(0,8) мксИП212Pb(8+)
213Pb82131212,996581(8)10,2(3) минβ213Bi(9/2+)
214PbРадий B82132213,9998054(26)26,8(9) минβ214Bi0+следовые количества[прим. 11]
214mPb1420(20) кэВ6,2(0,3) мксИП212Pb8+#
215Pb82133215,004660(60)2,34(0,19) минβ215Bi9/2+#
216Pb82134216,008030(210)#1,65(0,2) минβ216Bi0+
216mPb1514(20) кэВ400(40) нсИП216Pb8+#
217Pb82135217,013140(320)#20(5) сβ217Bi9/2+#
218Pb82136218,016590(320)#15(7) сβ218Bi0+
  1. Измерения массы свинца-208, опубликованные в 2022 году, улучшают точность массы свинца-204: MPb204 = 203,973 042 09(18) а.е.м.[7]
  2. Теоретически может претерпевать альфа-распад в 200Hg.
  3. Измерения массы свинца-208, опубликованные в 2022 году, улучшают точность массы свинца-205: MPb205 = 204,974 480 26(13) а.е.м.[7]
  4. Измерения массы свинца-208, опубликованные в 2022 году, улучшают точность массы свинца-206: MPb206 = 205,974 463 79(12) а.е.м.[7]
  5. Теоретически может претерпевать альфа-распад в 202Hg.
  6. Измерения массы свинца-208, опубликованные в 2022 году, улучшают точность массы свинца-207: MPb207 = 206,975 895 39(6) а.е.м.[7]
  7. Теоретически может претерпевать альфа-распад в 203Hg.
  8. Измерения массы свинца-208, опубликованные в 2022 году, улучшают точность на два порядка: MPb208 = 207,976 650 571(14) а.е.м.[7]
  9. Теоретически может претерпевать альфа-распад в 204Hg.
  10. Измерения массы свинца-208, опубликованные в 2022 году, улучшают точность массы свинца-210: MPb210 = 209,984 187 0(10) а.е.м.[7]
  11. 1 2 Промежуточный продукт распада урана-238
  12. Промежуточный продукт распада урана-235
  13. Промежуточный продукт распада тория-232

Пояснения к таблице

править
  • Распространённость изотопов приведена для большинства природных образцов. Для других источников значения могут сильно отличаться.
  • Индексами 'm', 'n', 'p' (рядом с символом) обозначены возбужденные изомерные состояния нуклида.
  • Символами, выделенными жирным шрифтом, обозначены стабильные продукты распада. Символами, выделенными жирным курсивом, обозначены радиоактивные продукты распада, имеющие периоды полураспада, сравнимые с возрастом Земли или превосходящие его и вследствие этого присутствующие в природной смеси.
  • Значения, помеченные решёткой (#), получены не из одних лишь экспериментальных данных, а (хотя бы частично) оценены из систематических трендов у соседних нуклидов (с такими же соотношениями Z и N). Неуверенно определённые значения спина и/или чётности заключены в скобки.
  • Погрешность приводится в виде числа в скобках, выраженного в единицах последней значащей цифры, означает одно стандартное отклонение (за исключением распространённости и стандартной атомной массы изотопа по данным ИЮПАК, для которых используется более сложное определение погрешности). Примеры: 29770,6(5) означает 29770,6 ± 0,5; 21,48(15) означает 21,48 ± 0,15; −2200,2(18) означает −2200,2 ± 1,8.

Примечания

править
  1. Meija J. et al. Isotopic compositions of the elements 2013 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2016. — Vol. 88, no. 3. — P. 293—306. — doi:10.1515/pac-2015-0503.
  2. 1 2 Войткевич Г. В., Мирошников А. Е., Поваренных А. С., Прохоров В. Г. Краткий справочник по геохимии. — М.: Недра, 1970.
  3. Способ получения радионуклида висмут-212. Дата обращения: 20 июля 2018. Архивировано 20 июля 2018 года.
  4. Kokov K.V., Egorova B.V., German M.N., Klabukov I.D., Krasheninnikov M.E. et al. 212Pb: Production Approaches and Targeted Therapy Applications // Pharmaceutics. — 2022. — Т. 14, вып. 1. — С. 189. — ISSN 1999-4923. — doi:10.3390/pharmaceutics14010189. Архивировано 24 июня 2022 года.
  5. Данные приведены по Wang M., Audi G., Kondev F. G., Huang W. J., Naimi S., Xu X. The Ame2016 atomic mass evaluation (I). Evaluation of input data; and adjustment procedures (англ.) // Chinese Physics C. — 2016. — Vol. 41, iss. 3. — P. 030002-1—030002-344. — doi:10.1088/1674-1137/41/3/030002.
  6. 1 2 Данные приведены по Audi G., Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S. The Nubase2016 evaluation of nuclear properties (англ.) // Chinese Physics C. — 2017. — Vol. 41, iss. 3. — P. 030001-1—030001-138. — doi:10.1088/1674-1137/41/3/030001. — Bibcode2017ChPhC..41c0001A.
  7. 1 2 3 4 5 6 "High-precision mass measurement of doubly magic 208Pb". arXiv:2210.11602. {{cite arXiv}}: Источник использует устаревший параметр |authors= (справка)
  8. 1 2 3 4 Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S., Audi G. The Nubase2020 evaluation of nuclear properties (англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Vol. 45, iss. 3. — P. 030001-1—030001-180. — doi:10.1088/1674-1137/abddae.
  9. NuDat 2.8 (англ.). National Nuclear Data Center. Дата обращения: 7 декабря 2020. Архивировано 27 ноября 2020 года.