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 | править код]

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 | править код]

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 | править код]

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.

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

Таблица изотопов свинца

[править | править код]
Символ
нуклида
Историческое название Z (p) N (n) Масса изотопа[5]
(а. е. м.)
Период
полураспада
[6]
(T1/2)
Канал распада Продукт распада Спин и чётность
ядра[6]
Распространённость
изотопа в природе
Диапазон изменения изотопной распространённости в природе
Энергия возбуждения
178Pb 82 96 178,003830(26) 0,23(15) мс α 174Hg 0+
179Pb 82 97 179,00215(21)# 3,9(1,1) мс α 175Hg (9/2−)
180Pb 82 98 179,997918(22) 4,5(11) мс α 176Hg 0+
181Pb 82 99 180,99662(10) 45(20) мс α (98 %) 177Hg (9/2−)
β+ (2 %) 181Tl
182Pb 82 100 181,992672(15) 60(40) мс
[55(+40−35) мс]
α (98 %) 178Hg 0+
β+ (2 %) 182Tl
183Pb 82 101 182,99187(3) 535(30) мс α (94 %) 179Hg (3/2−)
β+ (6 %) 183Tl
183mPb 94(8) кэВ 415(20) мс α 179Hg (13/2+)
β+ (редко) 183Tl
184Pb 82 102 183,988142(15) 490(25) мс α 180Hg 0+
β+ (редко) 184Tl
185Pb 82 103 184,987610(17) 6,3(4) с α 181Hg 3/2−
β+ (редко) 185Tl
185mPb 60(40)# кэВ 4,07(15) с α 181Hg 13/2+
β+ (редко) 185Tl
186Pb 82 104 185,984239(12) 4,82(3) с α (56 %) 182Hg 0+
β+ (44 %) 186Tl
187Pb 82 105 186,983918(9) 15,2(3) с β+ 187Tl (3/2−)
α 183Hg
187mPb 11(11) кэВ 18,3(3) с β+ (98 %) 187Tl (13/2+)
α (2 %) 183Hg
188Pb 82 106 187,980874(11) 25,5(1) с β+ (91,5 %) 188Tl 0+
α (8,5 %) 184Hg
188m1Pb 2578,2(7) кэВ 830(210) нс (8−)
188m2Pb 2800(50) кэВ 797(21) нс
189Pb 82 107 188,98081(4) 51(3) с β+ 189Tl (3/2−)
189m1Pb 40(30)# кэВ 50,5(2,1) с β+ (99,6 %) 189Tl 13/2+
α (0,4 %) 185Hg
189m2Pb 2475(30)# кэВ 26(5) мкс (10)+
190Pb 82 108 189,978082(13) 71(1) с β+ (99,1 %) 190Tl 0+
α (0,9 %) 186Hg
190m1Pb 2614,8(8) кэВ 150 нс (10)+
190m2Pb 2618(20) кэВ 25 мкс (12+)
190m3Pb 2658,2(8) кэВ 7,2(6) мкс (11)−
191Pb 82 109 190,97827(4) 1,33(8) мин β+ (99,987 %) 191Tl (3/2−)
α (0,013 %) 187Hg
191mPb 20(50) кэВ 2,18(8) мин β+ (99,98 %) 191Tl 13/2(+)
α (0,02 %) 187Hg
192Pb 82 110 191,975785(14) 3,5(1) мин β+ (99,99 %) 192Tl 0+
α (0,0061 %) 188Hg
192m1Pb 2581,1(1) кэВ 164(7) нс (10)+
192m2Pb 2625,1(11) кэВ 1,1(5) мкс (12+)
192m3Pb 2743,5(4) кэВ 756(21) нс (11)−
193Pb 82 111 192,97617(5) 5# мин β+ 193Tl (3/2−)
193m1Pb 130(80)# кэВ 5,8(2) мин β+ 193Tl 13/2(+)
193m2Pb 2612,5(5)+X кэВ 135(+25−15) нс (33/2+)
194Pb 82 112 193,974012(19) 12,0(5) мин β+ (100 %) 194Tl 0+
α (7,3⋅10−6%) 190Hg
195Pb 82 113 194,974542(25) ~15 мин β+ 195Tl 3/2#-
195m1Pb 202,9(7) кэВ 15,0(12) мин β+ 195Tl 13/2+
195m2Pb 1759,0(7) кэВ 10,0(7) мкс 21/2−
196Pb 82 114 195,972774(15) 37(3) мин β+ 196Tl 0+
α (3⋅10−5%) 192Hg
196m1Pb 1049,20(9) кэВ <100 нс 2+
196m2Pb 1738,27(12) кэВ <1 мкс 4+
196m3Pb 1797,51(14) кэВ 140(14) нс 5−
196m4Pb 2693,5(5) кэВ 270(4) нс (12+)
197Pb 82 115 196,973431(6) 8,1(17) мин β+ 197Tl 3/2−
197m1Pb 319,31(11) кэВ 42,9(9) мин β+ (81 %) 197Tl 13/2+
ИП (19 %) 197Pb
α (3⋅10−4%) 193Hg
197m2Pb 1914,10(25) кэВ 1,15(20) мкс 21/2−
198Pb 82 116 197,972034(16) 2,4(1) ч β+ 198Tl 0+
198m1Pb 2141,4(4) кэВ 4,19(10) мкс (7)−
198m2Pb 2231,4(5) кэВ 137(10) нс (9)−
198m3Pb 2820,5(7) кэВ 212(4) нс (12)+
199Pb 82 117 198,972917(28) 90(10) мин β+ 199Tl 3/2−
199m1Pb 429,5(27) кэВ 12,2(3) мин ИП (93 %) 199Pb (13/2+)
β+ (7 %) 199Tl
199m2Pb 2563,8(27) кэВ 10,1(2) мкс (29/2−)
200Pb 82 118 199,971827(12) 21,5(4) ч β+ 200Tl 0+
201Pb 82 119 200,972885(24) 9,33(3) ч ЭЗ (99 %) 201Tl 5/2−
β+ (1 %)
201m1Pb 629,14(17) кэВ 61(2) с 13/2+
201m2Pb 2718,5+X кэВ 508(5) нс (29/2−)
202Pb 82 120 201,972159(9) 5,25(28)⋅104 лет ЭЗ (99 %) 202Tl 0+
α (1 %) 198Hg
202m1Pb 2169,83(7) кэВ 3,53(1) ч ИП (90,5 %) 202Pb 9−
ЭЗ (9,5 %) 202Tl
202m2Pb 4142,9(11) кэВ 110(5) нс (16+)
202m3Pb 5345,9(13) кэВ 107(5) нс (19−)
203Pb 82 121 202,973391(7) 51,873(9) ч ЭЗ 203Tl 5/2−
203m1Pb 825,20(9) кэВ 6,21(8) с ИП 203Pb 13/2+
203m2Pb 2949,47(22) кэВ 480(7) мс 29/2−
203m3Pb 2923,4+X кэВ 122(4) нс (25/2−)
204Pb 82 122 203,9730436(13)[прим. 1] стабилен (>1,4⋅1017 лет)[8][прим. 2] 0+ 0,014(1) 0,0104-0,0165
204m1Pb 1274,00(4) кэВ 265(10) нс 4+
204m2Pb 2185,79(5) кэВ 67,2(3) мин 9−
204m3Pb 2264,33(4) кэВ 0,45(+10−3) мкс 7−
205Pb 82 123 204,9744818(13)[прим. 3] 1,73(7)⋅107 лет[9] ЭЗ 205Tl 5/2−
205m1Pb 2,329(7) кэВ 24,2(4) мкс 1/2−
205m2Pb 1013,839(13) кэВ 5,55(2) мс 13/2+
205m3Pb 3195,7(5) кэВ 217(5) нс 25/2−
206Pb Радий G 82 124 205,9744653(13)[прим. 4] стабилен (>2,5⋅1021 лет)[8][прим. 5] 0+ 0,241(1) 0,2084-0,2748
206m1Pb 2200,14(4) кэВ 125(2) мкс 7−
206m2Pb 4027,3(7) кэВ 202(3) нс 12+
207Pb Актиний D 82 125 206,9758969(13)[прим. 6] стабилен (>1,9⋅1021 лет)[8][прим. 7] 1/2− 0,221(1) 0,1762-0,2365
207mPb 1633,368(5) кэВ 806(6) мс ИП 207Pb 13/2+
208Pb Торий D 82 126 207,9766521(13)[прим. 8] стабилен (>2,6⋅1021 лет)[8][прим. 9] 0+ 0,524(1) 0,5128-0,5621
208mPb 4895(2) кэВ 500(10) нс 10+
209Pb 82 127 208,9810901(19) 3,253(14) ч β 209Bi 9/2+
210Pb Радий D
Радио-свинец
82 128 209,9841885(16)[прим. 10] 22,20(22) года β (100 %) 210Bi 0+ следовые количества[прим. 11]
α (1,9⋅10−6%) 206Hg
210mPb 1278(5) кэВ 201(17) нс 8+
211Pb Актиний B 82 129 210,9887370(29) 36,1(2) мин β 211Bi 9/2+ следовые количества[прим. 12]
212Pb Торий B 82 130 211,9918975(24) 10,64(1) ч β 212Bi 0+ следовые количества[прим. 13]
212mPb 1335(10) кэВ 6,0(0,8) мкс ИП 212Pb (8+)
213Pb 82 131 212,996581(8) 10,2(3) мин β 213Bi (9/2+)
214Pb Радий B 82 132 213,9998054(26) 26,8(9) мин β 214Bi 0+ следовые количества[прим. 11]
214mPb 1420(20) кэВ 6,2(0,3) мкс ИП 212Pb 8+#
215Pb 82 133 215,004660(60) 2,34(0,19) мин β 215Bi 9/2+#
216Pb 82 134 216,008030(210)# 1,65(0,2) мин β 216Bi 0+
216mPb 1514(20) кэВ 400(40) нс ИП 216Pb 8+#
217Pb 82 135 217,013140(320)# 20(5) с β 217Bi 9/2+#
218Pb 82 136 218,016590(320)# 15(7) с β 218Bi 0+
  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 | править код]
  • 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 | править код]
  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.Открытый доступ
  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.Открытый доступ
  9. NuDat 2.8 (англ.). National Nuclear Data Center. Дата обращения: 7 декабря 2020. Архивировано 27 ноября 2020 года.