Изоба́ры (в ед.ч. изоба́р ; др.-греч. ἴσος [isos] «одинаковый» + βάρος [baros] «вес») — нуклиды разных элементов, имеющие одинаковое массовое число ; например, изобарами являются ⁴⁰ Ar , ⁴⁰ K , ⁴⁰ Ca . 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: ${\displaystyle Z_{1}\neq Z_{2}}$ , ${\displaystyle N_{1}\neq N_{2}}$ . 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 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 имеют бо́льшую энергию связи , чем нечётно-нечётные ядра с тем же массовым числом. Локальные минимумы отличаются зарядом ядра на 2 единицы ( ${\displaystyle \Delta Z=\pm 2}$ ), 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 10 ¹⁹ 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	${\displaystyle {\mathsf {_{16}S\ \ _{18}Ar}}}$	21	104	${\displaystyle {\mathsf {_{44}Ru\ \ _{46}Pd}}}$	41	152	${\displaystyle {\mathsf {_{62}Sm\ \ _{64}Gd}}}$ (α)
2	46	${\displaystyle {\mathsf {_{20}Ca\ \ _{22}Ti}}}$	22	106	${\displaystyle {\mathsf {_{46}Pd\ \ _{48}Cd}}}$	42	154	${\displaystyle {\mathsf {_{62}Sm\ \ _{64}Gd}}}$
3	48	${\displaystyle {\mathsf {_{20}Ca}}}$ (2β − ) ${\displaystyle {\mathsf {_{22}Ti}}}$	23	108	${\displaystyle {\mathsf {_{46}Pd\ \ _{48}Cd}}}$	43	156	${\displaystyle {\mathsf {_{64}Gd\ \ _{66}Dy}}}$
4	54	${\displaystyle {\mathsf {_{24}Cr\ \ _{26}Fe}}}$	24	110	${\displaystyle {\mathsf {_{46}Pd\ \ _{48}Cd}}}$	44	158	${\displaystyle {\mathsf {_{64}Gd\ \ _{66}Dy}}}$
5	58	${\displaystyle {\mathsf {_{26}Fe\ \ _{28}Ni}}}$	25	112	${\displaystyle {\mathsf {_{48}Cd\ \ _{50}Sn}}}$	45	160	${\displaystyle {\mathsf {_{64}Gd\ \ _{66}Dy}}}$
6	64	${\displaystyle {\mathsf {_{28}Ni\ \ _{30}Zn}}}$	26	113	${\displaystyle {\mathsf {_{48}Cd}}}$ (β − ) ${\displaystyle {\mathsf {_{49}In}}}$	46	162	${\displaystyle {\mathsf {_{66}Dy\ \ _{68}Er}}}$
7	70	${\displaystyle {\mathsf {_{30}Zn\ \ _{32}Ge}}}$	27	114	${\displaystyle {\mathsf {_{48}Cd\ \ _{50}Sn}}}$	47	164	${\displaystyle {\mathsf {_{66}Dy\ \ _{68}Er}}}$
8	74	${\displaystyle {\mathsf {_{32}Ge\ \ _{34}Se}}}$	28	115	${\displaystyle {\mathsf {_{49}In}}}$ (β − ) ${\displaystyle {\mathsf {_{50}Sn}}}$	48	168	${\displaystyle {\mathsf {_{68}Er\ \ _{70}Yb}}}$
9	76	${\displaystyle {\mathsf {_{32}Ge}}}$ (2β − ) ${\displaystyle {\mathsf {_{34}Se}}}$	29	116	${\displaystyle {\mathsf {_{48}Cd}}}$ (2β − ) ${\displaystyle {\mathsf {_{50}Sn}}}$	49	170	${\displaystyle {\mathsf {_{68}Er\ \ _{70}Yb}}}$
10	78	${\displaystyle {\mathsf {_{34}Se\ \ _{36}Kr}}}$ (2ε)	30	120	${\displaystyle {\mathsf {_{50}Sn\ \ _{52}Te}}}$	50	174	${\displaystyle {\mathsf {_{70}Yb\ \ _{72}Hf}}}$ (α)
11	80	${\displaystyle {\mathsf {_{34}Se\ \ _{36}Kr}}}$	31	122	${\displaystyle {\mathsf {_{50}Sn\ \ _{52}Te}}}$	51	184	${\displaystyle {\mathsf {_{74}W\ \ _{76}Os}}}$ (α)
12	82	${\displaystyle {\mathsf {_{34}Se}}}$ (2β − ) ${\displaystyle {\mathsf {_{36}Kr}}}$	32	123	${\displaystyle {\mathsf {_{51}Sb\ \ _{52}Te}}}$	52	186	${\displaystyle {\mathsf {_{74}W\ \ _{76}Os}}}$ (α)
13	84	${\displaystyle {\mathsf {_{36}Kr\ \ _{36}Sr}}}$	33	126	${\displaystyle {\mathsf {_{52}Te\ \ _{54}Xe}}}$	53	187	${\displaystyle {\mathsf {_{75}Re}}}$ (β − ) ${\displaystyle {\mathsf {_{76}Os}}}$
14	86	${\displaystyle {\mathsf {_{36}Kr\ \ _{38}Sr}}}$	34	128	${\displaystyle {\mathsf {_{52}Te}}}$ (2β − ) ${\displaystyle {\mathsf {_{54}Xe}}}$	54	190	${\displaystyle {\mathsf {_{76}Os\ \ _{78}Pt}}}$ (α)
15	87	${\displaystyle {\mathsf {_{37}Rb}}}$ (β − ) ${\displaystyle {\mathsf {_{38}Sr}}}$	35	132	${\displaystyle {\mathsf {_{54}Xe\ \ _{56}Ba}}}$	55	192	${\displaystyle {\mathsf {_{76}Os\ \ _{78}Pt}}}$
16	92	${\displaystyle {\mathsf {_{40}Zr\ \ _{42}Mo}}}$	36	134	${\displaystyle {\mathsf {_{54}Xe\ \ _{56}Ba}}}$	56	196	${\displaystyle {\mathsf {_{78}Pt\ \ _{80}Hg}}}$
17	94	${\displaystyle {\mathsf {_{40}Zr\ \ _{42}Mo}}}$	37	142	${\displaystyle {\mathsf {_{58}Ce\ \ _{60}Nd}}}$	57	198	${\displaystyle {\mathsf {_{78}Pt\ \ _{80}Hg}}}$
18	98	${\displaystyle {\mathsf {_{42}Mo\ \ _{44}Ru}}}$	38	144	${\displaystyle {\mathsf {_{60}Nd}}}$ (α) ${\displaystyle {\mathsf {_{62}Sm}}}$	58	204	${\displaystyle {\mathsf {_{80}Hg\ \ _{82}Pb}}}$
19	100	${\displaystyle {\mathsf {_{42}Mo}}}$ (2β − ) ${\displaystyle {\mathsf {_{44}Ru}}}$	39	148	${\displaystyle {\mathsf {_{60}Nd\ \ _{62}Sm}}}$ (α)
20	102	${\displaystyle {\mathsf {_{44}Ru\ \ _{46}Pd}}}$	40	150	${\displaystyle {\mathsf {_{60}Nd}}}$ (2β − ) ${\displaystyle {\mathsf {_{62}Sm}}}$

Примордиальные изобарные триады

№	Массовое число	Изобарная триада
1	40	${\displaystyle {\mathsf {_{18}Ar\ \ _{19}K}}}$ (β + , β − , ε) ${\displaystyle {\mathsf {_{20}Ca}}}$
2	50	${\displaystyle {\mathsf {_{22}Ti\ \ _{23}V}}}$ (β + , β − ) ${\displaystyle {\mathsf {_{24}Cr}}}$
3	96	${\displaystyle {\mathsf {_{40}Zr}}}$ (2β − ) ${\displaystyle {\mathsf {_{42}Mo\ \ _{44}Ru}}}$
4	124	${\displaystyle {\mathsf {_{50}Sn\ \ _{52}Te\ \ _{54}Xe}}}$ (2ε)
5	130	${\displaystyle {\mathsf {_{52}Te}}}$ (2β − ) ${\displaystyle {\mathsf {_{54}Xe\ \ _{56}Ba}}}$ (2ε)
6	136	${\displaystyle {\mathsf {_{54}Xe}}}$ (2β − ) ${\displaystyle {\mathsf {_{56}Ba\ \ _{58}Ce}}}$
7	138	${\displaystyle {\mathsf {_{56}Ba\ \ _{57}La}}}$ (ε, β − ) ${\displaystyle {\mathsf {_{58}Ce}}}$
8	176	${\displaystyle {\mathsf {_{70}Yb\ \ _{71}Lu}}}$ (β − ) ${\displaystyle {\mathsf {_{72}Hf}}}$
9	180	${\displaystyle {\mathsf {_{72}Hf\ \ _{73}Ta}}}$ (изомер) ${\displaystyle {\mathsf {_{74}W}}}$ (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 ¹⁶ O ¹ H ² H ( полутяжёлой воды ) являются молекулярными изобарами к атому ¹⁹ F . 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

Примечания

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 .