Isotoper

Atomer af samme grundstof, der har forskellige massetal, kaldes isotoper. Atomer af isotoper af samme grundstof har det samme antal protoner (Z) og adskiller sig fra hinanden i antallet af neutroner (N).

Isotoper af forskellige grundstoffer har ikke deres egne navne, men gentager navnet på grundstoffet; i dette tilfælde afspejles atommassen af ​​en given isotop - dens eneste forskel fra andre isotoper af samme grundstof - ved hjælp af et superscript i grundstoffets kemiske formel: for eksempel for uranisotoper - 235 U, 238 U. eneste undtagelse fra reglerne for isotopnomenklaturen er grundstof nr. 1 - brint. Alle tre i øjeblikket kendte isotoper af brint har ikke kun deres egne specielle kemiske symboler, men også deres eget navn: 1 H - protium, 2 D - deuterium, 3 T - tritium; i dette tilfælde er protiumkernen blot én proton, deuteriumkernen indeholder én proton og én neutron, tritiumkernen indeholder én proton og to neutroner. Navnene på brintisotoper har historisk udviklet sig på denne måde, fordi den relative forskel i masserne af brintisotoper forårsaget af tilføjelsen af ​​en neutron er den maksimale blandt alle kemiske elementer.

Alle isotoper kan opdeles i stabile (stabile), det vil sige ikke udsat for spontant henfald af atomkerner i dele (henfald kaldes i dette tilfælde radioaktive), og ustabile (ustabile) - radioaktive, det vil sige udsat for radioaktivt henfald. De fleste grundstoffer udbredt i naturen består af en blanding af to eller flere stabile isotoper: for eksempel 16 O, 12 C. Af alle grundstofferne har tin det største antal stabile isotoper (10 isotoper), og der findes f.eks. aluminium i naturen i form af kun én stabil isotop - resten af ​​dens kendte isotoper er ustabile. Kernerne i ustabile isotoper henfalder spontant og frigiver b-partikler og c-partikler (elektroner), indtil der dannes en stabil isotop af et andet grundstof: for eksempel ender henfaldet af 238 U (radioaktivt uran) med dannelsen af ​​206 Pb (en stabil isotop). af bly). Når man studerede isotoper, fandt man ud af, at de ikke adskiller sig i kemiske egenskaber, der, som vi ved, er bestemt af ladningen af ​​deres kerner og ikke afhænger af kernernes masse.

Elektroniske skaller

Et atoms elektronskal er et område i rummet, hvor elektroner sandsynligvis er placeret, karakteriseret ved den samme værdi af det primære kvantetal n og som en konsekvens placeret ved tætte energiniveauer. Hver elektronskal kan have et vist maksimalt antal elektroner.

Med udgangspunkt i værdien af ​​hovedkvantetallet n = 1, betegnes energiniveauerne (lagene) K, L, M og N. De er opdelt i underniveauer (underlag), der adskiller sig fra hinanden i bindingsenergien med kernen. Antallet af underniveauer er lig med værdien af ​​hovedkvantetallet, men overstiger ikke fire: 1. niveau har et underniveau, 2. - to, 3. - tre, 4. - fire underniveauer. Underniveauer består til gengæld af orbitaler. Det er sædvanligt at betegne underniveauer med latinske bogstaver, s er det første underniveau af hvert energiniveau tættest på kernen; den består af en s-orbital, p - det andet underniveau, består af tre p-orbitaler; d er det tredje underniveau, det består af fem d-orbitaler; f er det fjerde underniveau, indeholder syv f orbitaler. For hver værdi af n er der således n 2 orbitaler. Hver orbital kan ikke indeholde mere end to elektroner - Pauli-princippet. Hvis der er én elektron i en orbital, så kaldes den uparrede, hvis der er to, så er disse parrede elektroner. Pauli-princippet forklarer formlen N=2n 2. Hvis det første niveau K(n=1) indeholder 1 2 = 1 orbital, og hver orbital har 2 elektroner, så vil det maksimale antal elektroner være 2*1 2 =2; L (n = 2) = 8; M (n = 3) = 18; N (n = 4) = 32.

Da man studerede radioaktive grundstoffers egenskaber, blev det opdaget, at det samme kemiske grundstof kan indeholde atomer med forskellige kernemasser. Samtidig har de den samme nukleare ladning, det vil sige, at der ikke er tale om urenheder af fremmede stoffer, men det samme stof.

Hvad er isotoper og hvorfor eksisterer de?

I Mendeleevs periodiske system optager både dette grundstof og atomer af et stof med forskellige kernemasser én celle. Baseret på ovenstående fik sådanne sorter af det samme stof navnet "isotoper" (fra det græske isos - identisk og topos - sted). Så, isotoper- disse er varianter af et givet kemisk grundstof, der adskiller sig i massen af ​​atomkerner.

Ifølge den accepterede neutron-proton-model af kernen var det muligt at forklare eksistensen af ​​isotoper som følger: kernerne i nogle atomer af et stof indeholder forskellige antal neutroner, men det samme antal protoner. Faktisk er kerneladningen af ​​isotoper af et grundstof den samme, derfor er antallet af protoner i kernen det samme. Kerner er forskellige i masse, derfor indeholder de forskellige antal neutroner.

Stabile og ustabile isotoper

Isotoper kan være stabile eller ustabile. Til dato kendes omkring 270 stabile isotoper og mere end 2000 ustabile. Stabile isotoper- Det er varianter af kemiske grundstoffer, der kan eksistere selvstændigt i lang tid.

Mest ustabile isotoper blev opnået kunstigt. Ustabile isotoper er radioaktive, deres kerner er udsat for processen med radioaktivt henfald, det vil sige spontan transformation til andre kerner, ledsaget af emission af partikler og/eller stråling. Næsten alle radioaktive kunstige isotoper har meget korte halveringstider, målt i sekunder eller endda brøkdele af sekunder.

Hvor mange isotoper kan en kerne indeholde?

Kernen kan ikke indeholde et vilkårligt antal neutroner. Følgelig er antallet af isotoper begrænset. Lige antal protoner grundstoffer, kan antallet af stabile isotoper nå ti. For eksempel har tin 10 isotoper, xenon har 9, kviksølv har 7, og så videre.

De elementer antallet af protoner er ulige, kan kun have to stabile isotoper. Nogle grundstoffer har kun én stabil isotop. Det er stoffer som guld, aluminium, fosfor, natrium, mangan og andre. Sådanne variationer i antallet af stabile isotoper af forskellige elementer er forbundet med den komplekse afhængighed af antallet af protoner og neutroner på kernens bindingsenergi.

Næsten alle stoffer i naturen findes i form af en blanding af isotoper. Antallet af isotoper i et stof afhænger af stoftype, atommasse og antallet af stabile isotoper af et givet kemisk grundstof.

Isotoper- varianter af atomer (og kerner) af et kemisk grundstof, der har samme atomare (ordinære) nummer, men samtidig forskellige massetal.

Udtrykket isotop er dannet af de græske rødder isos (ἴσος "lige") og topos (τόπος "sted"), der betyder "samme sted"; Således er betydningen af ​​navnet, at forskellige isotoper af det samme grundstof indtager samme position i det periodiske system.

Tre naturlige isotoper af brint. Det faktum, at hver isotop har én proton, har varianter af brint: isotopens identitet bestemmes af antallet af neutroner. Fra venstre mod højre er isotoperne protium (1H) med nul neutroner, deuterium (2H) med en neutron og tritium (3H) med to neutroner.

Antallet af protoner i kernen af ​​et atom kaldes atomnummeret og er lig med antallet af elektroner i et neutralt (ikke-ioniseret) atom. Hvert atomnummer identificerer et bestemt grundstof, men ikke en isotop; Et atom af et givet grundstof kan have et bredt spektrum i antallet af neutroner. Antallet af nukleoner (både protoner og neutroner) i kernen er atomets massenummer, og hver isotop af et givet grundstof har et forskelligt massetal.

For eksempel er kulstof-12, kulstof-13 og kulstof-14 tre isotoper af elementært kulstof med massetal henholdsvis 12, 13 og 14. Atomnummeret for kulstof er 6, hvilket betyder, at hvert kulstofatom har 6 protoner, så neutrontallene for disse isotoper er henholdsvis 6, 7 og 8.

Nuklides Og isotoper

Nuklid refererer til en kerne, ikke et atom. Identiske kerner hører til det samme nuklid, for eksempel består hver kerne af nuklidet carbon-13 af 6 protoner og 7 neutroner. Nuklidkonceptet (vedrørende individuelle nukleare arter) lægger vægt på nukleare egenskaber frem for kemiske egenskaber, mens isotopkonceptet (der grupperer alle atomerne i hvert element) understreger kemisk reaktion frem for nuklear reaktion. Neutrontallet har stor indflydelse på kernernes egenskaber, men dets virkning på kemiske egenskaber er ubetydelig for de fleste grundstoffer. Selv i tilfældet med de letteste grundstoffer, hvor forholdet mellem neutroner og atomnummer varierer mest mellem isotoper, har det normalt kun en mindre effekt, selvom det i nogle tilfælde betyder noget (for brint, det letteste grundstof, er isotopeffekten stor at have en stor effekt for biologi). Fordi isotop er et ældre udtryk, er det bedre kendt end nuklid og bruges stadig nogle gange i sammenhænge, ​​hvor nuklid kan være mere passende, såsom nuklear teknologi og nuklearmedicin.

Betegnelser

En isotop eller nuklid identificeres ved navnet på det specifikke grundstof (dette angiver atomnummeret), efterfulgt af en bindestreg og massetal (f.eks. helium-3, helium-4, kulstof-12, kulstof-14, uran- 235 og uran-239). Når der anvendes et kemisk symbol, f.eks. "C" for kulstof, standardnotation (nu kendt som "AZE-notation", fordi A er massetallet, Z er atomnummeret, og E er for grundstoffet) - angiv massetallet (antal nukleoner) med et superscript øverst til venstre i det kemiske symbol og angiv atomnummeret med et underskrift i nederste venstre hjørne). Fordi atomnummeret er givet af grundstoffets symbol, er det normalt kun massetallet, der er angivet i en superscript, og der er ikke givet noget atomindeks. Bogstavet m tilføjes nogle gange efter massetallet for at angive en nuklear isomer, en metastabil eller energetisk exciteret nuklear tilstand (i modsætning til den laveste energigrundtilstand), for eksempel 180m 73Ta (tantal-180m).

Radioaktive, primære og stabile isotoper

Nogle isotoper er radioaktive og kaldes derfor radioisotoper eller radionuklider, mens andre aldrig er blevet observeret at henfalde radioaktivt og kaldes stabile isotoper eller stabile nuklider. For eksempel er 14 C den radioaktive form for kulstof, mens 12 C og 13 C er stabile isotoper. Der er cirka 339 naturligt forekommende nuklider på Jorden, hvoraf 286 er primordiale nuklider, hvilket betyder, at de har eksisteret siden dannelsen af ​​solsystemet.

De oprindelige nuklider omfatter 32 nuklider med meget lange halveringstider (over 100 millioner år) og 254, der formelt betragtes som "stabile nuklider", fordi de ikke blev observeret at henfalde. I de fleste tilfælde, af indlysende årsager, hvis et grundstof har stabile isotoper, så dominerer disse isotoper den elementære overflod, der findes på Jorden og i solsystemet. I tilfælde af tre grundstoffer (tellur, indium og rhenium) er den mest almindelige isotop, der findes i naturen, faktisk en (eller to) ekstremt langlivede radioisotop(er) af grundstoffet, på trods af at disse grundstoffer har en eller mere stabile isotoper.

Teorien forudsiger, at mange tilsyneladende "stabile" isotoper/nuklider er radioaktive med ekstremt lange halveringstider (der ignoreres muligheden for protonhenfald, hvilket ville gøre alle nuklider til sidst ustabile). Af de 254 nuklider, der aldrig er blevet observeret, er kun 90 af dem (alle de første 40 grundstoffer) teoretisk resistente over for alle kendte former for henfald. Grundstof 41 (niobium) er teoretisk ustabilt ved spontan fission, men dette er aldrig blevet opdaget. Mange andre stabile nuklider er i teorien energisk modtagelige for andre kendte henfaldsformer, såsom alfa-henfald eller dobbelt beta-henfald, men henfaldsprodukterne er endnu ikke blevet observeret, og derfor anses disse isotoper for at være "observationsstabile". De forudsagte halveringstider for disse nuklider overstiger ofte i høj grad universets anslåede alder, og faktisk er der også 27 kendte radionuklider med halveringstider længere end universets alder.

Radioaktive nuklider skabt kunstigt, i øjeblikket er der 3.339 kendte nuklider. Disse omfatter 905 nuklider, der enten er stabile eller har en halveringstid på mere end 60 minutter.

Isotopers egenskaber

Kemiske og molekylære egenskaber

Et neutralt atom har det samme antal elektroner som protoner. Således har forskellige isotoper af et givet grundstof det samme antal elektroner og har lignende elektroniske strukturer. Da et atoms kemiske adfærd i vid udstrækning bestemmes af dets elektroniske struktur, udviser forskellige isotoper næsten identisk kemisk adfærd.

Undtagelsen fra dette er den kinetiske isotopeffekt: På grund af deres store masser har tungere isotoper en tendens til at reagere noget langsommere end lettere isotoper af samme grundstof. Dette er mest udtalt for protium (1 H), deuterium (2 H) og tritium (3 H), da deuterium har to gange massen af ​​protium og tritium har tre gange massen af ​​protium. Disse forskelle i masse påvirker også adfærden af ​​deres respektive kemiske bindinger, og ændrer tyngdepunktet (reduceret masse) af atomare systemer. Men for tungere grundstoffer er de relative masseforskelle mellem isotoper meget mindre, så masseforskelle effekter i kemi er normalt ubetydelige. (Tunge grundstoffer har også relativt flere neutroner end lettere grundstoffer, så forholdet mellem kernemasse og samlet elektronmasse er noget større).

Ligeledes har to molekyler, der kun adskiller sig i isotoper af deres atomer (isotopologer), den samme elektroniske struktur og dermed næsten umulige fysiske og kemiske egenskaber (igen, med de primære undtagelser er deuterium og tritium). Et molekyles vibrationsmåder bestemmes af dets form og masserne af dets atomer; Derfor har forskellige isotopologer forskellige sæt af vibrationstilstande. Fordi vibrationstilstande tillader et molekyle at absorbere fotoner af passende energier, har isotopologer forskellige optiske egenskaber i det infrarøde.

Nukleare egenskaber og stabilitet

Isotopiske halveringstider. Grafen for stabile isotoper afviger fra Z = N-linjen, når grundstoftallet Z stiger

Atomkerner består af protoner og neutroner bundet sammen af ​​en resterende stærk kraft. Fordi protoner er positivt ladede, frastøder de hinanden. Neutroner, som er elektrisk neutrale, stabiliserer kernen på to måder. Deres kontakt skubber protonerne lidt fra hinanden, hvilket reducerer den elektrostatiske frastødning mellem protonerne, og de udøver en attraktiv kernekraft på hinanden og på protonerne. Af denne grund kræves der en eller flere neutroner for at to eller flere protoner kan binde sig til en kerne. Når antallet af protoner stiger, stiger forholdet mellem neutroner og protoner, der kræves for at give en stabil kerne (se grafen til højre). For eksempel, selvom neutron:proton-forholdet på 3 2 He er 1:2, er neutron:proton-forholdet 238 92 U
Mere end 3:2. En række lettere grundstoffer har stabile nuklider med et forhold på 1:1 (Z = N). Nuklid 40 20 Ca (calcium-40) er observationsmæssigt det tungeste stabile nuklid med det samme antal neutroner og protoner; (Teoretisk set er den tungeste stabile svovl-32). Alle stabile nuklider tungere end calcium-40 indeholder flere neutroner end protoner.

Antal isotoper pr. grundstof

Af de 81 grundstoffer med stabile isotoper er det højeste antal stabile isotoper observeret for ethvert grundstof ti (for grundstoffet tin). Intet grundstof har ni stabile isotoper. Xenon er det eneste grundstof med otte stabile isotoper. Fire grundstoffer har syv stabile isotoper, hvoraf otte har seks stabile isotoper, ti har fem stabile isotoper, ni har fire stabile isotoper, fem har tre stabile isotoper, 16 har to stabile isotoper, og 26 grundstoffer har kun én (af disse har 19 er såkaldte mononuklidelementer, der har en enkelt primordial stabil isotop, der dominerer og fikserer atomvægten af ​​det naturlige grundstof med høj nøjagtighed. 3 radioaktive mononuklidelementer er også til stede). Der er i alt 254 nuklider, som ikke er blevet observeret at henfalde. For de 80 grundstoffer, der har en eller flere stabile isotoper, er det gennemsnitlige antal stabile isotoper 254/80 = 3,2 isotoper pr. grundstof.

Lige og ulige antal nukleoner

Protoner: Neutronforholdet er ikke den eneste faktor, der påvirker nuklear stabilitet. Det afhænger også af pariteten eller uligheden af ​​dets atomnummer Z, antallet af neutroner N, deraf deres sum af massenummer A. Ulige både Z og N har tendens til at sænke den nukleare bindingsenergi, hvilket skaber ulige kerner, der generelt er mindre stabile. Denne betydelige forskel i nuklear bindingsenergi mellem nabokerner, især ulige isobarer, har vigtige konsekvenser: ustabile isotoper med suboptimalt antal neutroner eller protoner henfalder ved beta-henfald (herunder positron-henfald), elektronfangst eller andre eksotiske midler såsom spontan fission og henfaldsklynger.

De fleste stabile nuklider er et lige antal protoner og et lige antal neutroner, hvor Z-, N- og A-tallene alle er lige. Ulige stabile nuklider opdeles (omtrent jævnt) i ulige.

Atomnummer

De 148 lige proton, selv neutron (NE) nuklider tegner sig for ~58% af alle stabile nuklider. Der er også 22 primordiale langlivede selv nuklider. Som et resultat har hvert af de 41 lige nummererede elementer fra 2 til 82 mindst én stabil isotop, og de fleste af disse elementer har flere primære isotoper. Halvdelen af ​​disse lige nummererede elementer har seks eller flere stabile isotoper. Den ekstreme stabilitet af helium-4, på grund af den dobbelte forbindelse af to protoner og to neutroner, forhindrer nuklider, der indeholder fem eller otte nukleoner, i at eksistere længe nok til at tjene som platforme for akkumulering af tungere grundstoffer gennem kernefusion.

Disse 53 stabile nuklider har et lige antal protoner og et ulige antal neutroner. De er en minoritet sammenlignet med de jævne isotoper, som er cirka 3 gange mere talrige. Blandt de 41 lige Z-elementer, der har et stabilt nuklid, er det kun to elementer (argon og cerium), der ikke har lige-ulige stabile nuklider. Et element (tin) har tre. Der er 24 elementer, der har et lige-ulige nuklid og 13, der har to ulige-lige nuklider.

På grund af deres ulige neutrontal har ulige-lige nuklider en tendens til at have store neutronfangstværsnit på grund af den energi, der opstår fra neutronkoblingseffekter. Disse stabile nuklider kan være usædvanligt rigelige i naturen, hovedsageligt fordi de for at danne og komme ind i primordial overflod skal undslippe neutronfangst for at danne endnu andre stabile lige-ulige isotoper under s-processen og r-neutronfangstprocessen under nukleosyntese.

Ulige atomnummer

De 48 stabile ulige-proton- og lige-neutronnuklider, stabiliseret af deres lige antal parrede neutroner, danner størstedelen af ​​de ulige grundstoffers stabile isotoper; Meget få ulige-proton-ulige neutronnuklider udgør de andre. Der er 41 ulige grundstoffer fra Z = 1 til 81, hvoraf 39 har stabile isotoper (grundstofferne technetium (43 Tc) og promethium (61 Pm) har ingen stabile isotoper). Af disse 39 ulige Z-elementer har 30 grundstoffer (inklusive hydrogen-1, hvor 0 neutroner er lige) en stabil lige-ulige isotop, og ni grundstoffer: klor (17 Cl), kalium (19K), kobber (29 Cu), gallium (31 Ga), Brom (35 Br), sølv (47 Ag), antimon (51 Sb), iridium (77 Ir) og thallium (81 Tl) har hver to ulige-lige stabile isotoper. Dette giver 30 + 2 (9) = 48 stabile lige-lige isotoper.

Kun fem stabile nuklider indeholder både et ulige antal protoner og et ulige antal neutroner. De første fire "ulige-ulige" nuklider forekommer i nuklider med lav molekylvægt, for hvilke ændring af en proton til en neutron eller omvendt vil resultere i et meget skævt proton-neutron-forhold.

Den eneste fuldstændig "stabile", ulige nuklid er 180m 73 Ta, som anses for at være den sjældneste af de 254 stabile isotoper og er den eneste primordiale nukleare isomer, der endnu ikke er blevet observeret at henfalde, på trods af eksperimentelle forsøg.

Ulige antal neutroner

Aktinider med et ulige antal neutroner har tendens til at fission (med termiske neutroner), mens dem med et lige neutrontal generelt ikke gør det, selvom de fissionerer med hurtige neutroner. Alle observationsstabile ulige nuklider har ikke-nul heltals spin. Dette skyldes, at en enkelt uparret neutron og en uparret proton har en større kernekrafttiltrækning mod hinanden, hvis deres spins er justeret (producerer et samlet spin på mindst 1 enhed) i stedet for at justeres.

Forekomst i naturen

Grundstoffer er opbygget af en eller flere naturligt forekommende isotoper. Ustabile (radioaktive) isotoper er enten primære eller postprimære. De primordiale isotoper var produktet af stjernernes nukleosyntese eller en anden type nukleosyntese såsom kosmisk stråle fission, og har bestået indtil i dag, fordi deres henfaldshastigheder er så lave (f.eks. uran-238 og kalium-40). Post-naturlige isotoper blev skabt ved kosmisk strålebombardement som kosmogene nuklider (f.eks. tritium, kulstof-14) eller henfaldet af en radioaktiv primordial isotop til datteren af ​​en radioaktiv radiogen nuklid (f.eks. uran til radium). Adskillige isotoper syntetiseres naturligt som nukleogene nuklider ved andre naturlige nukleare reaktioner, såsom når neutroner fra naturlig nuklear fission absorberes af et andet atom.

Som diskuteret ovenfor har kun 80 elementer stabile isotoper, og 26 af dem har kun en stabil isotop. Således forekommer omkring to tredjedele af de stabile grundstoffer naturligt på Jorden i flere stabile isotoper, hvor det største antal stabile isotoper for et grundstof er ti, for tin (50Sn). Der er omkring 94 grundstoffer på Jorden (op til og med plutonium), selvom nogle kun findes i meget små mængder, såsom plutonium-244. Forskere mener, at grundstoffer, der forekommer naturligt på Jorden (nogle kun som radioisotoper) forekommer som 339 isotoper (nuklider) i alt. Kun 254 af disse naturlige isotoper er stabile i den forstand, at de ikke er blevet observeret til dato. Yderligere 35 urnuklider (for i alt 289 urnuklider) er radioaktive med kendte halveringstider, men har halveringstider på mere end 80 millioner år, hvilket gør det muligt for dem at eksistere siden Solsystemets begyndelse.

Alle kendte stabile isotoper forekommer naturligt på Jorden; Andre naturligt forekommende isotoper er radioaktive, men på grund af deres relativt lange halveringstid eller andre midler til kontinuerlig naturlig produktion. Disse omfatter de kosmogene nuklider, der er nævnt ovenfor, nukleogene nuklider og alle radiogene isotoper, der er et resultat af det igangværende henfald af en primær radioaktiv isotop, såsom radon og radium fra uran.

Yderligere ~3000 radioaktive isotoper, der ikke findes i naturen, er blevet skabt i atomreaktorer og partikelacceleratorer. Mange kortlivede isotoper, der ikke findes naturligt på Jorden, er også blevet observeret ved spektroskopisk analyse, naturligt produceret i stjerner eller supernovaer. Et eksempel er aluminium-26, som ikke findes naturligt på Jorden, men findes i overflod på astronomisk skala.

De tabulerede atommasser af grundstoffer er gennemsnit, der tegner sig for tilstedeværelsen af ​​flere isotoper med forskellige masser. Før opdagelsen af ​​isotoper forvirrede empirisk bestemte, ikke-integrerede atommasseværdier forskere. For eksempel indeholder en klorprøve 75,8 % chlor-35 og 24,2 % chlor-37, hvilket giver en gennemsnitlig atommasse på 35,5 atommasseenheder.

Ifølge den almindeligt anerkendte teori om kosmologi blev kun isotoper af brint og helium, spor af nogle isotoper af lithium og beryllium, og muligvis noget bor, skabt i Big Bang, og alle andre isotoper blev syntetiseret senere, i stjerner og supernovaer, og i interaktioner mellem energiske partikler, såsom kosmiske stråler, og tidligere opnåede isotoper. De tilsvarende isotopiske mængder af isotoper på Jorden bestemmes af de mængder, der produceres af disse processer, deres udbredelse gennem galaksen og isotopernes henfaldshastighed, som er ustabile. Efter den første solsystemsammenlægning blev isotoper omfordelt efter masse, og den isotopiske sammensætning af grundstoffer varierer lidt fra planet til planet. Dette giver nogle gange mulighed for at spore meteoritternes oprindelse.

Atommasse af isotoper

Atommassen (mr) af en isotop bestemmes primært af dens massetal (dvs. antallet af nukleoner i dens kerne). Små korrektioner skyldes kernens bindingsenergi, den lille forskel i masse mellem protonen og neutronen og massen af ​​elektronerne forbundet med atomet.

Massenummer - dimensionsløs mængde. Atommasse på den anden side måles ved hjælp af en atommasseenhed baseret på massen af ​​et kulstof-12-atom. Det er angivet med symbolerne "u" (for den forenede atommasseenhed) eller "Da" (for daltonen).

Atommasserne af et grundstofs naturlige isotoper bestemmer grundstoffets atommasse. Når et grundstof indeholder N isotoper, gælder følgende udtryk for den gennemsnitlige atommasse:

Hvor m 1, m 2, ..., mN er atommasserne af hver enkelt isotop, og x 1, ..., xN er den relative mængde af disse isotoper.

Anvendelse af isotoper

Der er flere applikationer, der udnytter egenskaberne af forskellige isotoper af et givet grundstof. Isotopadskillelse er et vigtigt teknologisk problem, især med tunge grundstoffer som uran eller plutonium. Lettere grundstoffer som lithium, kulstof, nitrogen og oxygen adskilles normalt ved gasformig diffusion af deres forbindelser som CO og NO. Adskillelsen af ​​brint og deuterium er usædvanlig, fordi den er baseret på kemiske snarere end fysiske egenskaber, såsom i Girdler-sulfidprocessen. Uranisotoper blev adskilt efter volumen ved gasdiffusion, gascentrifugering, laserioniseringsseparation og (i Manhattan Project) produktion af massespektrometri.

Brug af kemiske og biologiske egenskaber

• Isotopanalyse er bestemmelsen af ​​isotopsignaturen, den relative mængde af isotoper af et givet element i en bestemt prøve. Specielt for næringsstoffer kan der forekomme betydelige variationer i C-, N- og O-isotoperne. Analysen af ​​sådanne variationer har en bred vifte af anvendelser, såsom påvisning af forfalskning i fødevarer eller produkters geografiske oprindelse ved hjælp af isoscapes. Identifikationen af ​​nogle meteoritter, der stammer fra Mars, er delvist baseret på den isotopiske signatur af de sporgasser, de indeholder.
• Isotopsubstitution kan bruges til at bestemme mekanismen for en kemisk reaktion gennem den kinetiske isotopeffekt.
• En anden almindelig anvendelse er isotopmærkning, brugen af ​​usædvanlige isotoper som indikatorer eller markører i kemiske reaktioner. Normalt kan et givet grundstofs atomer ikke skelnes fra hinanden. Men ved at bruge isotoper med forskellige masser, kan selv forskellige ikke-radioaktive stabile isotoper skelnes ved hjælp af massespektrometri eller infrarød spektroskopi. For eksempel i "stabil isotopmærkning af aminosyrer i cellekultur" (SILAC) bruges stabile isotoper til at kvantificere proteiner. Hvis der anvendes radioaktive isotoper, kan de detekteres ved den stråling, de udsender (dette kaldes radioisotopmærkning).
• Isotoper bruges almindeligvis til at bestemme koncentrationen af ​​forskellige grundstoffer eller stoffer ved hjælp af isotopfortyndingsmetoden, hvor kendte mængder af isotopisk substituerede forbindelser blandes med prøver, og isotopsignaturerne af de resulterende blandinger bestemmes ved hjælp af massespektrometri.

Brug af nukleare egenskaber

• En lignende metode til radioisotopmærkning er radiometrisk datering: ved hjælp af den kendte halveringstid af et ustabilt grundstof kan den tid, der er gået siden eksistensen af ​​en kendt koncentration af isotopen, beregnes. Det mest kendte eksempel er radiocarbondatering, som bruges til at bestemme alderen på kulstofholdige materialer.
• Nogle former for spektroskopi er baseret på de unikke nukleare egenskaber af specifikke isotoper, både radioaktive og stabile. For eksempel kan nuklear magnetisk resonans (NMR) spektroskopi kun bruges til isotoper med ikke-nul nuklear spin. De mest almindelige isotoper brugt i NMR-spektroskopi er 1H, 2D, 15N, 13C og 31P.
• Mössbauer-spektroskopi er også afhængig af nukleare overgange af specifikke isotoper, såsom 57Fe.

Et bestemt element, der har det samme, men anderledes. De har kerner med samme antal og mangfoldighed. antal, har samme struktur af elektroniske skaller og indtager samme plads i periodiciteten. kemisk system elementer. Udtrykket "isotoper" blev foreslået i 1910 af F. Soddy for at betegne kemisk udskillelige sorter, der adskiller sig i deres fysiske egenskaber. (primært radioaktive) Hellige. Stabile isotoper blev først opdaget i 1913 af J. Thomson ved hjælp af de såkaldte han udviklede. metoden med parabler - prototypen på den moderne. . Han fandt ud af, at Ne har mindst 2 varianter med en wt. del 20 og 22. Isotopers navne og symboler er normalt navnene og symbolerne for de tilsvarende kemikalier. elementer; peg øverst til venstre på symbolet. For eksempel for at angive naturligt isotoper bruger notationen 35 Cl og 37 Cl; nogle gange er elementet også angivet nederst til venstre, dvs. skriv 35 17 Cl og 37 17 Cl. Kun isotoper af det letteste grundstof, brint, med vægt. del 1, 2 og 3 har særlige. navne og symboler: henholdsvis (1 1 H), (D eller 2 1 H) og (T eller 3 1 H). På grund af den store forskel i masser adskiller disse isotopers adfærd sig væsentligt (se,). Stabile isotoper forekommer i alle lige og de fleste ulige elementer med[ 83. Antallet af stabile isotoper af grundstoffer med lige tal kan være. er lig med 10 (f.eks. y); Elementer med ulige numre har ikke mere end to stabile isotoper. Kendes ca. 280 stabile og mere end 2000 radioaktive isotoper af 116 naturlige og kunstigt opnåede grundstoffer. For hvert element, indholdet af individuelle isotoper i naturen. blandingen gennemgår små udsving, som ofte kan negligeres. Flere midler. udsving i isotopsammensætningen observeres for meteoritter og andre himmellegemer. Konstansen af ​​den isotopiske sammensætning fører til konstansen af ​​de grundstoffer, der findes på Jorden, som er den gennemsnitlige værdi af massen af ​​et givet grundstof, fundet under hensyntagen til mængden af ​​isotoper i naturen. Udsving i den isotopiske sammensætning af lette elementer er som regel forbundet med ændringer i den isotopiske sammensætning under nedbrydning. processer i naturen (osv.). For det tunge grundstof Pb er variationer i den isotopiske sammensætning af forskellige prøver forklaret af forskellige faktorer. indhold i, og andre kilder og - naturvidenskabernes forfædre. . Forskelle i egenskaberne af isotoper af et givet grundstof kaldes. . Vigtig praktisk Opgaven er at hente fra naturen. blandinger af individuelle isotoper -

Artiklens indhold

ISOTOPER– sorter af det samme kemiske grundstof, der ligner hinanden i deres fysisk-kemiske egenskaber, men har forskellige atommasser. Navnet "isotoper" blev foreslået i 1912 af den engelske radiokemiker Frederick Soddy, som dannede det ud fra to græske ord: isos - identisk og topos - sted. Isotoper indtager samme plads i cellen i Mendeleevs periodiske system af grundstoffer.

Et atom af ethvert kemisk grundstof består af en positivt ladet kerne og en sky af negativt ladede elektroner, der omgiver den. Placeringen af ​​et kemisk grundstof i Mendeleevs periodiske system (dets atomnummer) bestemmes af ladningen af ​​kernen af ​​dets atomer. Isotoper kaldes derfor varianter af det samme kemiske element, hvis atomer har den samme kerneladning (og derfor praktisk talt de samme elektronskaller), men adskiller sig i nuklear masseværdier. Ifølge det figurative udtryk af F. Soddy er isotopers atomer de samme "udenfor", men forskellige "inde".

Neutronen blev opdaget i 1932 – en partikel uden ladning med en masse tæt på massen af ​​kernen i et brintatom - en proton , og skabt proton-neutron model af kernen. Som et resultat i videnskaben er den endelige moderne definition af begrebet isotoper blevet etableret: isotoper er stoffer, hvis atomkerner består af det samme antal protoner og kun adskiller sig i antallet af neutroner i kernen . Hver isotop er normalt betegnet med et sæt symboler, hvor X er symbolet for det kemiske grundstof, Z er ladningen af ​​atomkernen (antallet af protoner), A er isotopens massenummer (det samlede antal nukleoner). - protoner og neutroner i kernen, A = Z + N). Da ladningen af ​​kernen ser ud til at være unikt forbundet med symbolet på det kemiske element, bruges blot notationen A X ofte til forkortelse.

Af alle de isotoper, vi kender, er det kun brintisotoper, der har deres egne navne. Således kaldes isotoperne 2 H og 3 H deuterium og tritium og betegnes henholdsvis D og T (isotopen 1 H kaldes nogle gange protium).

Forekommer i naturen som stabile isotoper , og ustabil - radioaktiv, hvis kerner af atomer er genstand for spontan transformation til andre kerner med emission af forskellige partikler (eller processer med såkaldt radioaktivt henfald). Der kendes nu omkring 270 stabile isotoper, og stabile isotoper findes kun i grundstoffer med atomnummer Z Ј 83. Antallet af ustabile isotoper overstiger 2000, langt de fleste af dem blev opnået kunstigt som et resultat af forskellige kernereaktioner. Antallet af radioaktive isotoper af mange grundstoffer er meget stort og kan overstige to dusin. Antallet af stabile isotoper er væsentligt mindre. Nogle kemiske grundstoffer består kun af én stabil isotop (beryllium, fluor, natrium, aluminium, fosfor, mangan, guld og en række andre grundstoffer). Det største antal stabile isotoper - 10 - blev fundet i tin, for eksempel i jern er der 4, og i kviksølv - 7.

Opdagelse af isotoper, historisk baggrund.

I 1808 introducerede den engelske videnskabsmand naturforsker John Dalton først definitionen af ​​et kemisk grundstof som et stof bestående af atomer af samme type. I 1869 opdagede kemikeren D.I. Mendeleev den periodiske lov om kemiske grundstoffer. En af vanskelighederne ved at underbygge begrebet et grundstof som et stof, der indtager en bestemt plads i en celle i det periodiske system, var de eksperimentelt observerede ikke-heltallige atomvægte af grundstoffer. I 1866 fremsatte den engelske fysiker og kemiker Sir William Crookes den hypotese, at hvert naturligt kemisk grundstof er en bestemt blanding af stoffer, der er identiske i deres egenskaber, men har forskellige atommasser, men på det tidspunkt havde en sådan antagelse endnu ikke eksperimentel bekræftelse og varede derfor ikke længe bemærket.

Et vigtigt skridt mod opdagelsen af ​​isotoper var opdagelsen af ​​fænomenet radioaktivitet og hypotesen om radioaktivt henfald formuleret af Ernst Rutherford og Frederick Soddy: radioaktivitet er intet andet end henfaldet af et atom til en ladet partikel og et atom af et andet grundstof. , forskellig i sine kemiske egenskaber fra den oprindelige. Som et resultat opstod ideen om radioaktive serier eller radioaktive familier , i begyndelsen af ​​hvilken der er det første moderelement, som er radioaktivt, og i slutningen - det sidste stabile element. Analyse af transformationskæderne viste, at i løbet af deres forløb kan de samme radioaktive elementer, der kun adskiller sig i atommasser, optræde i en celle i det periodiske system. Faktisk betød dette indførelsen af ​​begrebet isotoper.

Uafhængig bekræftelse af eksistensen af ​​stabile isotoper af kemiske grundstoffer blev derefter opnået i J. J. Thomsons og Astons eksperimenter i 1912-1920 med stråler af positivt ladede partikler (eller såkaldte kanalstråler) ) der kommer fra udledningsrøret.

I 1919 designede Aston et instrument kaldet en massespektrograf. (eller massespektrometer) . Ionkilden brugte stadig et udladningsrør, men Aston fandt en måde, hvorpå successiv afbøjning af en stråle af partikler i elektriske og magnetiske felter førte til fokusering af partikler med samme ladning-til-masse-forhold (uanset deres hastighed) kl. samme punkt på skærmen. Sammen med Aston blev der i samme år skabt et massespektrometer af lidt anderledes design af amerikaneren Dempster. Som et resultat af den efterfølgende brug og forbedring af massespektrometre gennem indsatsen fra mange forskere, var der i 1935 blevet udarbejdet en næsten fuldstændig tabel over isotopsammensætningerne af alle kemiske grundstoffer kendt på det tidspunkt.

Metoder til isotopadskillelse.

For at studere isotopers egenskaber og især for deres anvendelse til videnskabelige og anvendte formål er det nødvendigt at opnå dem i mere eller mindre mærkbare mængder. I konventionelle massespektrometre opnås næsten fuldstændig adskillelse af isotoper, men deres mængde er ubetydelig lille. Derfor var videnskabsmænds og ingeniørers indsats rettet mod at søge efter andre mulige metoder til at adskille isotoper. Først og fremmest blev fysisk-kemiske adskillelsesmetoder mestret baseret på forskelle i sådanne egenskaber af isotoper af det samme element som fordampningshastigheder, ligevægtskonstanter, hastigheder for kemiske reaktioner osv. De mest effektive blandt dem var metoderne til rektifikation og isotopudveksling, som er meget udbredt i industriel produktion af isotoper af lette elementer: brint, lithium, bor, kulstof, oxygen og nitrogen.

En anden gruppe af metoder består af de såkaldte molekylærkinetiske metoder: gasdiffusion, termisk diffusion, massediffusion (diffusion i en dampstrøm), centrifugering. Gasdiffusionsmetoder, baseret på forskellige diffusionshastigheder af isotopkomponenter i stærkt spredte porøse medier, blev brugt under Anden Verdenskrig til at organisere den industrielle produktion af uran-isotopseparation i USA som en del af det såkaldte Manhattan-projekt for at skabe atombomben. For at opnå de nødvendige mængder uran, beriget op til 90% med den lette isotop 235 U - den vigtigste "brændbare" komponent i atombomben, blev der bygget anlæg, der besatte et areal på omkring fire tusinde hektar. Mere end 2 milliarder dollars blev afsat til oprettelsen af ​​et atomcenter med anlæg til produktion af beriget uran. Efter krigen blev der udviklet anlæg til produktion af beriget uran til militære formål, også baseret på diffusionsmetoden til separation. bygget i USSR. I de senere år har denne metode givet plads til den mere effektive og billigere metode til centrifugering. I denne metode opnås effekten af ​​at adskille en isotopblanding på grund af de forskellige virkninger af centrifugalkræfter på komponenterne i isotopblandingen, der fylder centrifugerotoren, som er en tyndvægget cylinder begrænset i top og bund, der roterer ved en meget høj hastighed i et vakuumkammer. Hundredtusindvis af centrifuger forbundet i kaskader, hvis rotor hver laver mere end tusind omdrejninger i sekundet, bruges i øjeblikket i moderne separationsanlæg både i Rusland og i andre udviklede lande i verden. Centrifuger bruges ikke kun til at producere det berigede uran, der er nødvendigt for at drive atomreaktorerne i atomkraftværker, men også til at producere isotoper af omkring tredive kemiske grundstoffer i den midterste del af det periodiske system. Elektromagnetiske separationsenheder med kraftige ionkilder er også brugt til at adskille forskellige isotoper i de senere år, laserseparationsmetoder er også blevet udbredt.

Anvendelse af isotoper.

Forskellige isotoper af kemiske grundstoffer er meget udbredt i videnskabelig forskning, inden for forskellige områder af industri og landbrug, i atomenergi, moderne biologi og medicin, i miljøundersøgelser og andre områder. I videnskabelig forskning (for eksempel i kemisk analyse) kræves der som regel små mængder sjældne isotoper af forskellige elementer, beregnet i gram og endda milligram om året. Samtidig kan behovet for deres produktion for en række isotoper, der er meget udbredt i atomenergi, medicin og andre industrier, beløbe sig til mange kilogram og endda tons. På grund af brugen af ​​tungt vand D 2 O i atomreaktorer var dens globale produktion i begyndelsen af ​​1990'erne af det sidste århundrede således omkring 5000 tons om året. Brintisotopen deuterium, som er en del af tungt vand, hvis koncentration i den naturlige blanding af brint kun er 0,015%, sammen med tritium, vil i fremtiden, ifølge videnskabsmænd, blive hovedkomponenten i det termonukleare energibrændstof. reaktorer, der opererer på basis af nukleare fusionsreaktioner. I dette tilfælde vil behovet for produktion af brintisotoper være enormt.

I videnskabelig forskning bruges stabile og radioaktive isotoper i vid udstrækning som isotopindikatorer (tags) i studiet af en lang række processer, der forekommer i naturen.

I landbruget bruges isotoper ("mærkede" atomer) for eksempel til at studere fotosynteseprocesser, fordøjelighed af gødninger og til at bestemme effektiviteten af ​​planters brug af nitrogen, fosfor, kalium, sporstoffer og andre stoffer .

Isotopteknologier er meget udbredt i medicin. I USA udføres ifølge statistikker mere end 36 tusinde medicinske procedurer om dagen og omkring 100 millioner laboratorietest ved hjælp af isotoper. De mest almindelige procedurer involverer computertomografi. Kulstofisotopen C13, beriget til 99% (naturligt indhold ca. 1%), bruges aktivt i den såkaldte "diagnostiske vejrtrækningskontrol". Essensen af ​​testen er meget enkel. Den berigede isotop indføres i patientens mad og frigives efter at have deltaget i stofskifteprocessen i forskellige organer i kroppen i form af kuldioxid CO 2 udåndet af patienten, som opsamles og analyseres ved hjælp af et spektrometer. Forskellene i hastigheden af ​​processer forbundet med frigivelsen af ​​forskellige mængder kuldioxid, mærket med C 13 isotopen, gør det muligt at bedømme tilstanden af ​​patientens forskellige organer. I USA er antallet af patienter, der vil gennemgå denne test, anslået til 5 millioner om året. Nu bruges laserseparationsmetoder til at producere højt beriget C13-isotop i industriel skala.

Vladimir Zhdanov