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-157

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»^[англ.], 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-153

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 гадолиния

Символ нуклида	Z(p)	N(n)	Масса изотопа[6] (а. е. м.)	Период полураспада[1] (T1/2)	Канал распада	Продукт распада	Спин и чётность ядра[1]	Распространённость изотопа в природе	Диапазон изменения изотопной распространённости 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)⋅10^6 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)⋅10^14 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⋅10^19 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. Теоретически предсказанный распад, экспериментально не наблюдался.
2. Теоретически может претерпевать двойной бета-распад в ¹⁶⁰Dy.

Пояснения к таблице

• 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 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.

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

• Обозначения β⁺p, β⁺α, β⁻n означают бета-запаздывающий распад^[англ.]: 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.

Примечания

1. 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.
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.
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.
5. 64. ГАДОЛИНИЙ  (неопр.). Дата обращения: 9 июля 2019. Архивировано 9 июля 2019 года.
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.