Изотопы гадолиния

Изото́пы гадоли́ния — разновидности (изотопы) химического элемента гадолиния, отличающиеся количеством нейтронов в ядре. Известны 50 изотопов гадолиния с массовыми числами от 133 до 172 (количество протонов 64, нейтронов от 69 до 108) и 16 ядерных изомеров^[1].

Природный гадолиний представляет собой смесь семи изотопов^[2]. Из них шесть стабильны:

¹⁵⁴Gd (изотопная распространённость 2,18 ± 0,02 %),
¹⁵⁵Gd (14,80 ± 0,09 %),
¹⁵⁶Gd (20,47 ± 0,03 %),
¹⁵⁷Gd (15,65 ± 0,04 %),
¹⁵⁸Gd (24,84 ± 0,08 %),
¹⁶⁰Gd (21,86 ± 0,03 %),

а один радиоактивен с огромным периодом полураспада, много больше возраста Вселенной:

¹⁵²Gd (изотопная распространённость 0,20 ± 0,03 %; период полураспада 1,08⋅10¹⁴ лет; альфа-распад в самарий-148).

Самым долгоживущим искусственным изотопом является ¹⁵⁰Gd с периодом полураспада 1,8⋅10⁶ лет.

Благодаря радиоактивности ¹⁵²Gd природный гадолиний обладает незначительной удельной активностью около 1,5 Бк/кг.^[3]

Теоретически ¹⁶⁰Gd также может быть нестабилен по отношению к двойному бета-распаду, однако эксперименты не обнаружили его радиоактивности, установлено лишь нижнее ограничение на период полураспада 3,1·10¹⁹ лет по двухнейтринному каналу в основное состояние ¹⁶⁰Dy (этот канал распада считается наиболее вероятным)^[4].

Гадолиний-155 и гадолиний-157Править

Изотопы ¹⁵⁵Gd и ¹⁵⁷Gd имеют огромные сечения захвата тепловых нейтронов:^[5]

¹⁵⁵Gd свыше 60 тыс. барн,
¹⁵⁷Gd свыше 253 тыс. барн.

Благодаря этим изотопам природный гадолиний также обладает высоким сечением захвата тепловых нейтронов порядка 49 тыс. барн.

Оба изотопа входят в продукты деления ядер урана и плутония (для урана-235 выход ¹⁵⁵Gd составляет 10⁻⁵ на деление, ¹⁵⁷Gd — 7·10⁻⁵ на деление)^[5]. Поэтому эти изотопы являются значимыми «нейтронными ядами»^[en], усложняющими управление ядерным реактором.

Также определённое применение эти изотопы (в составе природной изотопной смеси гадолиния) получили в конструкции современных ядерных реакторов в качестве экранирующих выгорающих поглотителей, призванных продлить топливную кампанию реактора.

Гадолиний-153Править

¹⁵³Gd распадается через электронный захват в стабильный европий-153, имеет период полураспада 240,6 суток^[1] и испускает гамма-излучение с пиками на 41 и 102 кэВ. Используется в медицине для диагностики остеопороза, блокады клеток Купфера при лечении печени.

Таблица изотопов гадолинияПравить

Символ нуклида	Z(p)	N(n)	Масса изотопа^[6] (а. е. м.)	Период полураспада^[1] (T_1/2)	Канал распада	Продукт распада	Спин и чётность ядра^[1]	Распространённость изотопа в природе
Энергия возбуждения
¹³⁴Gd	64	70	133,95537(43)#	0,4# с			0+
¹³⁵Gd	64	71	134,95257(54)#	1,1(2) с			3/2−
¹³⁶Gd	64	72	135,94734(43)#	1# с [>200 нс]	β⁺	¹³⁶Eu
¹³⁷Gd	64	73	136,94502(43)#	2,2(2) с	β⁺	¹³⁷Eu	7/2+#
β⁺p?^{[прим. 1]}	¹³⁶Sm
¹³⁸Gd	64	74	137,94012(21)#	4,7(9) с	β⁺	¹³⁸Eu	0+
^138mGd	2232,7(11) кэВ	6(1) мкс			(8−)
¹³⁹Gd	64	75	138,93824(21)#	5,7(3) с	β⁺	¹³⁹Eu	9/2−#
β⁺p?^{[прим. 1]}	¹³⁸Sm
^139mGd	250(150)# кэВ	4,8(9) с			1/2+#
¹⁴⁰Gd	64	76	139,93367(3)	15,8(4) с	β⁺	¹⁴⁰Eu	0+
¹⁴¹Gd	64	77	140,932126(21)	14(4) с	β⁺ (99,97 %)	¹⁴¹Eu	(1/2+)
β⁺p (0,03 %)	¹⁴⁰Sm
^141mGd	377,8(2) кэВ	24,5(5) с	β⁺ (89 %)	¹⁴¹Eu	(11/2−)
ИП (11 %)	¹⁴¹Gd
¹⁴²Gd	64	78	141,92812(3)	70,2(6) с	β⁺	¹⁴²Eu	0+
¹⁴³Gd	64	79	142,92675(22)	39(2) с	β⁺	¹⁴³Eu	(1/2)+
β⁺α?^{[прим. 1]}	¹³⁹Pm
β⁺p?^{[прим. 1]}	¹⁴²Sm
^143mGd	152,6(5) кэВ	110,0(14) с	β⁺	¹⁴³Eu	(11/2−)
β⁺α?^{[прим. 1]}	¹³⁹Pm
β⁺p?^{[прим. 1]}	¹⁴²Sm
¹⁴⁴Gd	64	80	143,92296(3)	4,47(6) мин	β⁺	¹⁴⁴Eu	0+
¹⁴⁵Gd	64	81	144,921709(20)	23,0(4) мин	β⁺	¹⁴⁵Eu	1/2+
^145mGd	749,1(2) кэВ	85(3) с	ИП (94,3 %)	¹⁴⁵Gd	11/2−
β⁺ (5,7 %)	¹⁴⁵Eu
¹⁴⁶Gd	64	82	145,918311(5)	48,27(10) сут	ЭЗ	¹⁴⁶Eu	0+
¹⁴⁷Gd	64	83	146,919094(3)	38,06(12) ч	β⁺	¹⁴⁷Eu	7/2−
^147mGd	8587,8(4) кэВ	510(20) нс			(49/2+)
¹⁴⁸Gd	64	84	147,918115(3)	71,3(10) года	α	¹⁴⁴Sm	0+
β⁺β⁺?^{[прим. 1]}	¹⁴⁸Sm
¹⁴⁹Gd	64	85	148,919341(4)	9,28(10) сут	β⁺	¹⁴⁹Eu	7/2−
α (4,34⋅10⁻⁴%)	¹⁴⁵Sm
¹⁵⁰Gd	64	86	149,918659(7)	1,79(8)⋅10⁶ лет	α	¹⁴⁶Sm	0+
β⁺β⁺?^{[прим. 1]}	¹⁵⁰Sm
¹⁵¹Gd	64	87	150,920348(4)	124(1) сут	ЭЗ	¹⁵¹Eu	7/2−
α (10⁻⁶%)	¹⁴⁷Sm
¹⁵²Gd	64	88	151,9197910(27)	1,08(8)⋅10¹⁴ лет	α	¹⁴⁸Sm	0+	0,0020(1)
¹⁵³Gd	64	89	152,9217495(27)	240,4(10) сут	ЭЗ	¹⁵³Eu	3/2−
^153m1Gd	95,1737(12) кэВ	3,5(4) мкс			(9/2+)
^153m2Gd	171,189(5) кэВ	76,0(14) мкс			(11/2−)
¹⁵⁴Gd	64	90	153,9208656(27)	стабилен	0+	0,0218(3)
¹⁵⁵Gd	64	91	154,9226220(27)	стабилен	3/2−	0,1480(12)
^155mGd	121,05(19) кэВ	31,97(27) мс	ИП	¹⁵⁵Gd	11/2−
¹⁵⁶Gd	64	92	155,9221227(27)	стабилен	0+	0,2047(9)
^156mGd	2137,60(5) кэВ	1,3(1) мкс			7-
¹⁵⁷Gd	64	93	156,9239601(27)	стабилен	3/2−	0,1565(2)
¹⁵⁸Gd	64	94	157,9241039(27)	стабилен	0+	0,2484(7)
¹⁵⁹Gd	64	95	158,9263887(27)	18,479(4) ч	β⁻	¹⁵⁹Tb	3/2−
¹⁶⁰Gd	64	96	159,9270541(27)	стабилен (>3,1⋅10¹⁹ лет)^{[прим. 2]}	0+	0,2186(19)
¹⁶¹Gd	64	97	160,9296692(29)	3,646(3) мин	β⁻	¹⁶¹Tb	5/2−
¹⁶²Gd	64	98	161,930985(5)	8,4(2) мин	β⁻	¹⁶²Tb	0+
¹⁶³Gd	64	99	162,93399(32)#	68(3) с	β⁻	¹⁶³Tb	7/2+#
¹⁶⁴Gd	64	100	163,93586(43)#	45(3) с	β⁻	¹⁶⁴Tb	0+
¹⁶⁵Gd	64	101	164,93938(54)#	10,3(16) с	β⁻	¹⁶⁵Tb	1/2−#
¹⁶⁶Gd	64	102	165,94160(64)#	4,8(10) с	β⁻	¹⁶⁶Tb	0+
¹⁶⁷Gd	64	103	166,94557(64)#	3# с	β⁻	¹⁶⁷Tb	5/2−#
¹⁶⁸Gd	64	104	167,94836(75)#	300# мс	β⁻	¹⁶⁸Tb	0+
¹⁶⁹Gd	64	105	168,95287(86)#	0,75(21) с	β⁻; β⁻n?	¹⁶⁹Tb	7/2−#
¹⁷⁰Gd	64	106	169,95615(54)#	0,42(13) с	β⁻; β⁻n?	¹⁷⁰Tb	0+
¹⁷¹Gd	64	107	170,96113(54)#	0,3 с#	β⁻?; β⁻n?	¹⁷¹Tb?	9/2+#
¹⁷²Gd	64	108	171,96461(32)#	0,16 с#	β⁻?; β⁻n?	¹⁷²Tb?	0+#

↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ Теоретически предсказанный распад, экспериментально не наблюдался.
↑ Теоретически может претерпевать двойной бета-распад в ¹⁶⁰Dy.

Пояснения к таблицеПравить

Распространённость изотопов приведена для большинства природных образцов. Для других источников значения могут сильно отличаться.

Индексами 'm', 'n', 'p' (рядом с символом) обозначены возбуждённые 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 $\text{[math]}$ Z и $\text{[math]}$ 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.

Обозначение β⁺ означает конкурирующие позитронный распад (e⁺) и электронный захват (ЭЗ).

Обозначения β⁺p, β⁺α, β⁻n означают бета-запаздывающий распад^[en]: бета-переход (с испусканием электрона, позитрона или с захватом электрона) на возбуждённый уровень дочернего изотопа с последующим быстрым распадом этого уровня, сопровождающимся вылетом частицы (p — протонный распад, α — альфа-распад, n — нейтронный распад), без заселения основного уровня дочернего изотопа. См. также Запаздывающие нейтроны.

ПримечанияПравить

↑ 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.
↑ 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.
↑ Лисаченко Э. П. Оценка радиологической значимости редкоземельных металлов, имеющих природные радиоактивные изотопы. Архивная копия от 4 мая 2018 на Wayback Machine Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт радиационной гигиены имени профессора П. В. Рамзаева, Санкт-Петербург.
↑ Danevich F. A. et al. Quest for double beta decay of ¹⁶⁰Gd and Ce isotopes (англ.) // Nuclear Physics A. — 2001. — Vol. 694, no. 1—2. — P. 375—391. — doi:10.1016/S0375-9474(01)00983-6. — Bibcode: 2001NuPhA.694..375D. — arXiv:nucl-ex/0011020.
↑ ¹ ² 64. ГАДОЛИНИЙ (неопр.). Дата обращения: 9 июля 2019. Архивировано 9 июля 2019 года.
↑ 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.

[no-7] ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ Теоретически предсказанный распад, экспериментально не наблюдался.

[8] Теоретически может претерпевать двойной бета-распад в ¹⁶⁰Dy.

[Nubase2020-1] 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.

[ic13-2] 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.

[3] Лисаченко Э. П. Оценка радиологической значимости редкоземельных металлов, имеющих природные радиоактивные изотопы. Архивная копия от 4 мая 2018 на Wayback Machine Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт радиационной гигиены имени профессора П. В. Рамзаева, Санкт-Петербург.

[DBD-4] Danevich F. A. et al. Quest for double beta decay of ¹⁶⁰Gd and Ce isotopes (англ.) // Nuclear Physics A. — 2001. — Vol. 694, no. 1—2. — P. 375—391. — doi:10.1016/S0375-9474(01)00983-6. — Bibcode: 2001NuPhA.694..375D. — arXiv:nucl-ex/0011020.

[ipp-5] ¹ ² 64. ГАДОЛИНИЙ (неопр.). Дата обращения: 9 июля 2019. Архивировано 9 июля 2019 года.

[AME2016-6] 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.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[прим. 1]

[прим. 2]