Изобары

Изоба́ры (в ед.ч. изоба́р; др.-греч. ἴσος [isos] «одинаковый» + βάρος [baros] «вес») — нуклиды разных элементов, имеющие одинаковое массовое число; например, изобарами являются ⁴⁰Ar, ⁴⁰K, ⁴⁰Ca. Термин предложен в 1918 году британским химиком Альфредом Уолтером Стюартом.

В ядерной физике

Описание

Хотя массовое число (то есть число нуклонов) A = N + Z в ядрах-изобарах одинаково, числа протонов Z и нейтронов N различаются: $Z_1\ne Z_2$, $N_1\ne N_2$. Совокупность нуклидов с одинаковым A, но разным Z называют изобарической цепочкой. В то время как массовое число изобаров одинаково, их атомные массы совпадают лишь приближённо. Зависимость атомной массы (или избытка массы) от Z в изобарической цепочке показывает направление возможных бета-распадов. Эта зависимость в первом приближении представляет собой параболу (см. формула Вайцзеккера) — сечение долины стабильности плоскостью A = const.

Те виды радиоактивного распада, которые не изменяют массовое число (бета-распад, двойной бета-распад, изомерный переход), переводят одно ядро-изобар в другое. Поскольку распады такого рода происходят в направлении уменьшения избытка массы, последовательность таких распадов заканчивается на ядре, представляющем энергетический минимум в данной изобарической цепочке (бета-стабильное ядро). Для ядер с чётным массовым числом таких локальных минимумов на изобарической цепочке может быть от 1 до 3, поскольку чётно-чётные ядра (Z и N чётны) благодаря энергии спаривания имеют бо́льшую энергию связи, чем нечётно-нечётные ядра с тем же массовым числом. Локальные минимумы отличаются зарядом ядра на 2 единицы ($\mathrm{\Delta }Z=\pm 2$), поэтому прямые бета-переходы между основными состояниями таких ядер невозможны (бета-распад изменяет заряд ядра на единицу). Переходы из локальных минимумов цепочки в глобальный возможны лишь благодаря двойным бета-процессам, которые являются процессами второго порядка по константе связи слабого взаимодействия и поэтому сильно подавлены: периоды полураспада превышают 10¹⁹ лет. Таким образом, для нечётных A существует один бета-стабильный изобар, для чётных A — от одного до трёх. Если альфа-распад (и другие виды распада, изменяющие массовое число) для бета-стабильного изотопа запрещён или сильно подавлен, то этот изотоп присутствует в природной смеси изотопов.

Для изобаров справедливо правило Щукарева — Маттауха, объясняющее, в частности, отсутствие стабильных изотопов у технеция.

Примордиальные изобарные пары и триады

Существуют 58 примордиальных изобарных пар и 9 примордиальных изобарных триад, которые в основном включают в себя стабильные изотопы элементов с чётными Z, отличающимися на 2 единицы, и ряд радиоактивных, но с огромными периодами полураспада, сопоставимыми со временем существования Вселенной. Если учитывать только стабильные нуклиды, то существуют 47 изобарных пар:

Примордиальные изобарные пары

№	Массовое число	Изобарная пара	№	Массовое число	Изобарная пара	№	Массовое число	Изобарная пара
1	36	${}_{\mathsf{1}\mathsf{6}}\mathsf{S}{}_{\mathsf{1}\mathsf{8}}\mathsf{A}\mathsf{r}$	21	104	${}_{\mathsf{4}\mathsf{4}}\mathsf{R}\mathsf{u}{}_{\mathsf{4}\mathsf{6}}\mathsf{P}\mathsf{d}$	41	152	${}_{\mathsf{6}\mathsf{2}}\mathsf{S}\mathsf{m}{}_{\mathsf{6}\mathsf{4}}\mathsf{G}\mathsf{d}$ (α)
2	46	${}_{\mathsf{2}\mathsf{0}}\mathsf{C}\mathsf{a}{}_{\mathsf{2}\mathsf{2}}\mathsf{T}\mathsf{i}$	22	106	${}_{\mathsf{4}\mathsf{6}}\mathsf{P}\mathsf{d}{}_{\mathsf{4}\mathsf{8}}\mathsf{C}\mathsf{d}$	42	154	${}_{\mathsf{6}\mathsf{2}}\mathsf{S}\mathsf{m}{}_{\mathsf{6}\mathsf{4}}\mathsf{G}\mathsf{d}$
3	48	${}_{\mathsf{2}\mathsf{0}}\mathsf{C}\mathsf{a}$ (2β−) ${}_{\mathsf{2}\mathsf{2}}\mathsf{T}\mathsf{i}$	23	108	${}_{\mathsf{4}\mathsf{6}}\mathsf{P}\mathsf{d}{}_{\mathsf{4}\mathsf{8}}\mathsf{C}\mathsf{d}$	43	156	${}_{\mathsf{6}\mathsf{4}}\mathsf{G}\mathsf{d}{}_{\mathsf{6}\mathsf{6}}\mathsf{D}\mathsf{y}$
4	54	${}_{\mathsf{2}\mathsf{4}}\mathsf{C}\mathsf{r}{}_{\mathsf{2}\mathsf{6}}\mathsf{F}\mathsf{e}$	24	110	${}_{\mathsf{4}\mathsf{6}}\mathsf{P}\mathsf{d}{}_{\mathsf{4}\mathsf{8}}\mathsf{C}\mathsf{d}$	44	158	${}_{\mathsf{6}\mathsf{4}}\mathsf{G}\mathsf{d}{}_{\mathsf{6}\mathsf{6}}\mathsf{D}\mathsf{y}$
5	58	${}_{\mathsf{2}\mathsf{6}}\mathsf{F}\mathsf{e}{}_{\mathsf{2}\mathsf{8}}\mathsf{N}\mathsf{i}$	25	112	${}_{\mathsf{4}\mathsf{8}}\mathsf{C}\mathsf{d}{}_{\mathsf{5}\mathsf{0}}\mathsf{S}\mathsf{n}$	45	160	${}_{\mathsf{6}\mathsf{4}}\mathsf{G}\mathsf{d}{}_{\mathsf{6}\mathsf{6}}\mathsf{D}\mathsf{y}$
6	64	${}_{\mathsf{2}\mathsf{8}}\mathsf{N}\mathsf{i}{}_{\mathsf{3}\mathsf{0}}\mathsf{Z}\mathsf{n}$	26	113	${}_{\mathsf{4}\mathsf{8}}\mathsf{C}\mathsf{d}$ (β−)${}_{\mathsf{4}\mathsf{9}}\mathsf{I}\mathsf{n}$	46	162	${}_{\mathsf{6}\mathsf{6}}\mathsf{D}\mathsf{y}{}_{\mathsf{6}\mathsf{8}}\mathsf{E}\mathsf{r}$
7	70	${}_{\mathsf{3}\mathsf{0}}\mathsf{Z}\mathsf{n}{}_{\mathsf{3}\mathsf{2}}\mathsf{G}\mathsf{e}$	27	114	${}_{\mathsf{4}\mathsf{8}}\mathsf{C}\mathsf{d}{}_{\mathsf{5}\mathsf{0}}\mathsf{S}\mathsf{n}$	47	164	${}_{\mathsf{6}\mathsf{6}}\mathsf{D}\mathsf{y}{}_{\mathsf{6}\mathsf{8}}\mathsf{E}\mathsf{r}$
8	74	${}_{\mathsf{3}\mathsf{2}}\mathsf{G}\mathsf{e}{}_{\mathsf{3}\mathsf{4}}\mathsf{S}\mathsf{e}$	28	115	${}_{\mathsf{4}\mathsf{9}}\mathsf{I}\mathsf{n}$ (β−) ${}_{\mathsf{5}\mathsf{0}}\mathsf{S}\mathsf{n}$	48	168	${}_{\mathsf{6}\mathsf{8}}\mathsf{E}\mathsf{r}{}_{\mathsf{7}\mathsf{0}}\mathsf{Y}\mathsf{b}$
9	76	${}_{\mathsf{3}\mathsf{2}}\mathsf{G}\mathsf{e}$ (2β−) ${}_{\mathsf{3}\mathsf{4}}\mathsf{S}\mathsf{e}$	29	116	${}_{\mathsf{4}\mathsf{8}}\mathsf{C}\mathsf{d}$ (2β−) ${}_{\mathsf{5}\mathsf{0}}\mathsf{S}\mathsf{n}$	49	170	${}_{\mathsf{6}\mathsf{8}}\mathsf{E}\mathsf{r}{}_{\mathsf{7}\mathsf{0}}\mathsf{Y}\mathsf{b}$
10	78	${}_{\mathsf{3}\mathsf{4}}\mathsf{S}\mathsf{e}{}_{\mathsf{3}\mathsf{6}}\mathsf{K}\mathsf{r}$ (2ε)	30	120	${}_{\mathsf{5}\mathsf{0}}\mathsf{S}\mathsf{n}{}_{\mathsf{5}\mathsf{2}}\mathsf{T}\mathsf{e}$	50	174	${}_{\mathsf{7}\mathsf{0}}\mathsf{Y}\mathsf{b}{}_{\mathsf{7}\mathsf{2}}\mathsf{H}\mathsf{f}$ (α)
11	80	${}_{\mathsf{3}\mathsf{4}}\mathsf{S}\mathsf{e}{}_{\mathsf{3}\mathsf{6}}\mathsf{K}\mathsf{r}$	31	122	${}_{\mathsf{5}\mathsf{0}}\mathsf{S}\mathsf{n}{}_{\mathsf{5}\mathsf{2}}\mathsf{T}\mathsf{e}$	51	184	${}_{\mathsf{7}\mathsf{4}}\mathsf{W}{}_{\mathsf{7}\mathsf{6}}\mathsf{O}\mathsf{s}$ (α)
12	82	${}_{\mathsf{3}\mathsf{4}}\mathsf{S}\mathsf{e}$ (2β−) ${}_{\mathsf{3}\mathsf{6}}\mathsf{K}\mathsf{r}$	32	123	${}_{\mathsf{5}\mathsf{1}}\mathsf{S}\mathsf{b}{}_{\mathsf{5}\mathsf{2}}\mathsf{T}\mathsf{e}$	52	186	${}_{\mathsf{7}\mathsf{4}}\mathsf{W}{}_{\mathsf{7}\mathsf{6}}\mathsf{O}\mathsf{s}$ (α)
13	84	${}_{\mathsf{3}\mathsf{6}}\mathsf{K}\mathsf{r}{}_{\mathsf{3}\mathsf{6}}\mathsf{S}\mathsf{r}$	33	126	${}_{\mathsf{5}\mathsf{2}}\mathsf{T}\mathsf{e}{}_{\mathsf{5}\mathsf{4}}\mathsf{X}\mathsf{e}$	53	187	${}_{\mathsf{7}\mathsf{5}}\mathsf{R}\mathsf{e}$ (β−) ${}_{\mathsf{7}\mathsf{6}}\mathsf{O}\mathsf{s}$
14	86	${}_{\mathsf{3}\mathsf{6}}\mathsf{K}\mathsf{r}{}_{\mathsf{3}\mathsf{8}}\mathsf{S}\mathsf{r}$	34	128	${}_{\mathsf{5}\mathsf{2}}\mathsf{T}\mathsf{e}$ (2β−) ${}_{\mathsf{5}\mathsf{4}}\mathsf{X}\mathsf{e}$	54	190	${}_{\mathsf{7}\mathsf{6}}\mathsf{O}\mathsf{s}{}_{\mathsf{7}\mathsf{8}}\mathsf{P}\mathsf{t}$ (α)
15	87	${}_{\mathsf{3}\mathsf{7}}\mathsf{R}\mathsf{b}$ (β−) ${}_{\mathsf{3}\mathsf{8}}\mathsf{S}\mathsf{r}$	35	132	${}_{\mathsf{5}\mathsf{4}}\mathsf{X}\mathsf{e}{}_{\mathsf{5}\mathsf{6}}\mathsf{B}\mathsf{a}$	55	192	${}_{\mathsf{7}\mathsf{6}}\mathsf{O}\mathsf{s}{}_{\mathsf{7}\mathsf{8}}\mathsf{P}\mathsf{t}$
16	92	${}_{\mathsf{4}\mathsf{0}}\mathsf{Z}\mathsf{r}{}_{\mathsf{4}\mathsf{2}}\mathsf{M}\mathsf{o}$	36	134	${}_{\mathsf{5}\mathsf{4}}\mathsf{X}\mathsf{e}{}_{\mathsf{5}\mathsf{6}}\mathsf{B}\mathsf{a}$	56	196	${}_{\mathsf{7}\mathsf{8}}\mathsf{P}\mathsf{t}{}_{\mathsf{8}\mathsf{0}}\mathsf{H}\mathsf{g}$
17	94	${}_{\mathsf{4}\mathsf{0}}\mathsf{Z}\mathsf{r}{}_{\mathsf{4}\mathsf{2}}\mathsf{M}\mathsf{o}$	37	142	${}_{\mathsf{5}\mathsf{8}}\mathsf{C}\mathsf{e}{}_{\mathsf{6}\mathsf{0}}\mathsf{N}\mathsf{d}$	57	198	${}_{\mathsf{7}\mathsf{8}}\mathsf{P}\mathsf{t}{}_{\mathsf{8}\mathsf{0}}\mathsf{H}\mathsf{g}$
18	98	${}_{\mathsf{4}\mathsf{2}}\mathsf{M}\mathsf{o}{}_{\mathsf{4}\mathsf{4}}\mathsf{R}\mathsf{u}$	38	144	${}_{\mathsf{6}\mathsf{0}}\mathsf{N}\mathsf{d}$ (α) ${}_{\mathsf{6}\mathsf{2}}\mathsf{S}\mathsf{m}$	58	204	${}_{\mathsf{8}\mathsf{0}}\mathsf{H}\mathsf{g}{}_{\mathsf{8}\mathsf{2}}\mathsf{P}\mathsf{b}$
19	100	${}_{\mathsf{4}\mathsf{2}}\mathsf{M}\mathsf{o}$ (2β−) ${}_{\mathsf{4}\mathsf{4}}\mathsf{R}\mathsf{u}$	39	148	${}_{\mathsf{6}\mathsf{0}}\mathsf{N}\mathsf{d}{}_{\mathsf{6}\mathsf{2}}\mathsf{S}\mathsf{m}$ (α)
20	102	${}_{\mathsf{4}\mathsf{4}}\mathsf{R}\mathsf{u}{}_{\mathsf{4}\mathsf{6}}\mathsf{P}\mathsf{d}$	40	150	${}_{\mathsf{6}\mathsf{0}}\mathsf{N}\mathsf{d}$ (2β−) ${}_{\mathsf{6}\mathsf{2}}\mathsf{S}\mathsf{m}$

Примордиальные изобарные триады

№	Массовое число	Изобарная триада
1	40	${}_{\mathsf{1}\mathsf{8}}\mathsf{A}\mathsf{r}{}_{\mathsf{1}\mathsf{9}}\mathsf{K}$ (β+, β−, ε) ${}_{\mathsf{2}\mathsf{0}}\mathsf{C}\mathsf{a}$
2	50	${}_{\mathsf{2}\mathsf{2}}\mathsf{T}\mathsf{i}{}_{\mathsf{2}\mathsf{3}}\mathsf{V}$ (β+, β−) ${}_{\mathsf{2}\mathsf{4}}\mathsf{C}\mathsf{r}$
3	96	${}_{\mathsf{4}\mathsf{0}}\mathsf{Z}\mathsf{r}$ (2β−) ${}_{\mathsf{4}\mathsf{2}}\mathsf{M}\mathsf{o}{}_{\mathsf{4}\mathsf{4}}\mathsf{R}\mathsf{u}$
4	124	${}_{\mathsf{5}\mathsf{0}}\mathsf{S}\mathsf{n}{}_{\mathsf{5}\mathsf{2}}\mathsf{T}\mathsf{e}{}_{\mathsf{5}\mathsf{4}}\mathsf{X}\mathsf{e}$ (2ε)
5	130	${}_{\mathsf{5}\mathsf{2}}\mathsf{T}\mathsf{e}$ (2β−) ${}_{\mathsf{5}\mathsf{4}}\mathsf{X}\mathsf{e}{}_{\mathsf{5}\mathsf{6}}\mathsf{B}\mathsf{a}$ (2ε)
6	136	${}_{\mathsf{5}\mathsf{4}}\mathsf{X}\mathsf{e}$ (2β−) ${}_{\mathsf{5}\mathsf{6}}\mathsf{B}\mathsf{a}{}_{\mathsf{5}\mathsf{8}}\mathsf{C}\mathsf{e}$
7	138	${}_{\mathsf{5}\mathsf{6}}\mathsf{B}\mathsf{a}{}_{\mathsf{5}\mathsf{7}}\mathsf{L}\mathsf{a}$ (ε, β−) ${}_{\mathsf{5}\mathsf{8}}\mathsf{C}\mathsf{e}$
8	176	${}_{\mathsf{7}\mathsf{0}}\mathsf{Y}\mathsf{b}{}_{\mathsf{7}\mathsf{1}}\mathsf{L}\mathsf{u}$ (β−) ${}_{\mathsf{7}\mathsf{2}}\mathsf{H}\mathsf{f}$
9	180	${}_{\mathsf{7}\mathsf{2}}\mathsf{H}\mathsf{f}{}_{\mathsf{7}\mathsf{3}}\mathsf{T}\mathsf{a}$ (изомер) ${}_{\mathsf{7}\mathsf{4}}\mathsf{W}$ (α)

В масс-спектрометрии

В масс-спектрометрии изобарами называются как ядра с одинаковым массовым числом, так и молекулы с (приблизительно) одинаковой молекулярной массой. Так, молекулы ¹⁶O¹H²H (полутяжёлой воды) являются молекулярными изобарами к атому ¹⁹F. Ионы таких молекул и атомов имеют почти одинаковое отношение масса/заряд (при равном заряде) и, следовательно, движутся в электромагнитных полях масс-спектрометра по почти одинаковой траектории, являясь источником фона для своих изобар.

См. также

• Изотопы
• Изотоны

Литература

• Б. М. Яворский, А. А. Детлаф, А. К. Лебедев. Справочник по физике. — М.: «ОНИКС», «Мир и Образование», 2006. — 1056 с. — 7000 экз. — ISBN 5-488-00330-4.