Izotopy

Atomy tego samego pierwiastka, które mają różne liczby masowe, nazywane są izotopami. Atomy izotopów tego samego pierwiastka mają tę samą liczbę protonów (Z) i różnią się między sobą liczbą neutronów (N).

Izotopy różnych pierwiastków nie mają własnych nazw, ale powtarzają nazwę pierwiastka; w tym przypadku masa atomowa danego izotopu – jedyna jej różnica w stosunku do innych izotopów tego samego pierwiastka – jest odzwierciedlona za pomocą indeksu górnego we wzorze chemicznym pierwiastka: np. dla izotopów uranu – 235 U, 238 U. jedynym wyjątkiem od zasad nazewnictwa izotopów jest pierwiastek nr 1 – wodór. Wszystkie trzy obecnie znane izotopy wodoru mają nie tylko swoje specjalne symbole chemiczne, ale także własną nazwę: 1 H - prot, 2 D - deuter, 3 T - tryt; w tym przypadku jądro protu to po prostu jeden proton, jądro deuteru zawiera jeden proton i jeden neutron, jądro trytu zawiera jeden proton i dwa neutrony. Nazwy izotopów wodoru ewoluowały w ten sposób w przeszłości, ponieważ względna różnica mas izotopów wodoru spowodowana dodaniem jednego neutronu jest największa spośród wszystkich pierwiastków chemicznych.

Wszystkie izotopy można podzielić na stabilne (stabilne), to znaczy niepodlegające samorzutnemu rozpadowi jąder atomowych na części (rozpad w tym przypadku nazywa się radioaktywnym) i niestabilne (niestabilne) - radioaktywne, to znaczy podlegające rozpadowi radioaktywnemu. Większość pierwiastków szeroko rozpowszechnionych w przyrodzie składa się z mieszaniny dwóch lub więcej stabilnych izotopów: na przykład 16 O, 12 C. Ze wszystkich pierwiastków cyna ma największą liczbę stabilnych izotopów (10 izotopów) i istnieje na przykład aluminium w przyrodzie w postaci tylko jednego stabilnego izotopu – pozostałe znane mu izotopy są niestabilne. Jądra niestabilnych izotopów rozpadają się samoistnie, uwalniając cząstki b i cząstki c (elektrony), aż do powstania stabilnego izotopu innego pierwiastka: na przykład rozpad 238 U (radioaktywnego uranu) kończy się utworzeniem 206 Pb (stabilnego izotopu ołowiu). Badając izotopy, stwierdzono, że nie różnią się one właściwościami chemicznymi, które, jak wiemy, zależą od ładunku ich jąder i nie zależą od masy jąder.

Elektroniczne muszle

Powłoka elektronowa atomu to obszar przestrzeni, w którym prawdopodobne jest umiejscowienie elektronów, charakteryzujący się tą samą wartością głównej liczby kwantowej n i w konsekwencji znajdujący się na bliskich poziomach energetycznych. Każda powłoka elektronowa może mieć określoną maksymalną liczbę elektronów.

Zaczynając od wartości głównej liczby kwantowej n = 1, oznacza się poziomy (warstwy) energii K, L, M i N. Dzielą się one na podpoziomy (podwarstwy), które różnią się między sobą energią wiązania z jądrem. Liczba podpoziomów jest równa wartości głównej liczby kwantowej, ale nie przekracza czterech: poziom 1 ma jeden podpoziom, poziom drugi – dwa, trzeci – trzy, czwarty – cztery podpoziomy. Podpoziomy z kolei składają się z orbitali. Zwyczajowo oznacza się podpoziomy literami łacińskimi, s jest pierwszym podpoziomem każdego poziomu energii najbliżej jądra; składa się z jednego s-orbitala, p - drugi podpoziom, składa się z trzech p-orbitali; d jest trzecim podpoziomem, składa się z pięciu orbitali d; f jest czwartym podpoziomem, zawiera siedem orbitali f. Zatem dla każdej wartości n przypada n 2 orbitali. Każdy orbital może zawierać nie więcej niż dwa elektrony – zasada Pauliego. Jeśli na orbicie znajduje się jeden elektron, nazywa się go niesparowanym; jeśli są dwa, wówczas są to elektrony sparowane. Zasada Pauliego wyjaśnia wzór N=2n 2. Jeżeli pierwszy poziom K(n=1) zawiera 1 2 = 1 orbital, a każdy orbital ma 2 elektrony, to maksymalna liczba elektronów wyniesie 2*1 2 =2; L (n = 2) = 8; M (n = 3) =18; N (n = 4) =32.

Badając właściwości pierwiastków promieniotwórczych odkryto, że ten sam pierwiastek chemiczny może zawierać atomy o różnych masach jądrowych. Jednocześnie mają ten sam ładunek jądrowy, to znaczy nie są to zanieczyszczenia obcymi substancjami, ale ta sama substancja.

Co to są izotopy i dlaczego istnieją?

W układzie okresowym Mendelejewa zarówno ten pierwiastek, jak i atomy substancji o różnych masach jądrowych zajmują jedną komórkę. Na podstawie powyższego takim odmianom tej samej substancji nadano nazwę „izotopy” (od greckiego isos - identyczny i topos - miejsce). Więc, izotopy- są to odmiany danego pierwiastka chemicznego, różniące się masą jąder atomowych.

Zgodnie z przyjętym modelem jądra neutronowo-protonowy istnienie izotopów można było wyjaśnić w następujący sposób: jądra niektórych atomów substancji zawierają różną liczbę neutronów, ale tę samą liczbę protonów. W rzeczywistości ładunek jądrowy izotopów jednego pierwiastka jest taki sam, dlatego liczba protonów w jądrze jest taka sama. Jądra różnią się masą, dlatego zawierają różną liczbę neutronów.

Izotopy stabilne i niestabilne

Izotopy mogą być stabilne lub niestabilne. Do chwili obecnej znanych jest około 270 stabilnych izotopów i ponad 2000 niestabilnych. Stabilne izotopy- Są to odmiany pierwiastków chemicznych, które mogą istnieć niezależnie przez długi czas.

Bardzo niestabilne izotopy uzyskano sztucznie. Izotopy niestabilne są radioaktywne, ich jądra podlegają procesowi rozpadu promieniotwórczego, czyli samoistnej przemianie w inne jądra, której towarzyszy emisja cząstek i/lub promieniowania. Prawie wszystkie sztuczne izotopy radioaktywne mają bardzo krótkie okresy półtrwania, mierzone w sekundach lub nawet ułamkach sekund.

Ile izotopów może zawierać jądro?

Jądro nie może zawierać dowolnej liczby neutronów. W związku z tym liczba izotopów jest ograniczona. Parzysta liczba protonów pierwiastki liczba stabilnych izotopów może osiągnąć dziesięć. Na przykład cyna ma 10 izotopów, ksenon ma 9, rtęć ma 7 i tak dalej.

Te elementy liczba protonów jest nieparzysta, może mieć tylko dwa stabilne izotopy. Niektóre pierwiastki mają tylko jeden stabilny izotop. Są to substancje takie jak złoto, glin, fosfor, sód, mangan i inne. Takie różnice w liczbie stabilnych izotopów różnych pierwiastków są związane ze złożoną zależnością liczby protonów i neutronów od energii wiązania jądra.

Prawie wszystkie substancje w przyrodzie występują w postaci mieszaniny izotopów. Liczba izotopów w substancji zależy od rodzaju substancji, masy atomowej i liczby trwałych izotopów danego pierwiastka chemicznego.

Izotopy- odmiany atomów (i jąder) pierwiastka chemicznego, które mają tę samą liczbę atomową (porządkową), ale jednocześnie różne liczby masowe.

Termin izotop składa się z greckich rdzeni isos (ἴσος „równy”) i topos (τόπος „miejsce”), co oznacza „to samo miejsce”; Zatem znaczenie nazwy jest takie, że różne izotopy tego samego pierwiastka zajmują tę samą pozycję w układzie okresowym.

Trzy naturalne izotopy wodoru. Fakt, że każdy izotop ma jeden proton, ma odmiany wodoru: tożsamość izotopu zależy od liczby neutronów. Od lewej do prawej, izotopy to prot (1H) z zerem neutronów, deuter (2H) z jednym neutronem i tryt (3H) z dwoma neutronami.

Liczba protonów w jądrze atomowym nazywana jest liczbą atomową i jest równa liczbie elektronów w atomie obojętnym (niezjonizowanym). Każda liczba atomowa identyfikuje konkretny pierwiastek, ale nie izotop; Atom danego pierwiastka może mieć szeroki zakres liczby neutronów. Liczba nukleonów (zarówno protonów, jak i neutronów) w jądrze jest liczbą masową atomu, a każdy izotop danego pierwiastka ma inną liczbę masową.

Na przykład węgiel-12, węgiel-13 i węgiel-14 to trzy izotopy węgla pierwiastkowego o liczbach masowych odpowiednio 12, 13 i 14. Liczba atomowa węgla wynosi 6, co oznacza, że ​​każdy atom węgla ma 6 protonów, więc liczby neutronów tych izotopów wynoszą odpowiednio 6, 7 i 8.

Nuklides I izotopy

Nuklid odnosi się do jądra, a nie atomu. Identyczne jądra należą do tego samego nuklidu, na przykład każde jądro nuklidu węgiel-13 składa się z 6 protonów i 7 neutronów. Koncepcja nuklidów (odnosząca się do poszczególnych gatunków jądrowych) kładzie nacisk na właściwości jądrowe ponad właściwości chemiczne, podczas gdy koncepcja izotopów (grupująca wszystkie atomy każdego pierwiastka) kładzie nacisk na reakcję chemiczną nad reakcją jądrową. Liczba neutronów ma duży wpływ na właściwości jąder, jednak w przypadku większości pierwiastków jej wpływ na właściwości chemiczne jest znikomy. Nawet w przypadku najlżejszych pierwiastków, gdzie stosunek neutronów do liczby atomowej różni się najbardziej pomiędzy izotopami, zwykle ma to niewielki wpływ, chociaż w niektórych przypadkach ma to znaczenie (w przypadku wodoru, najlżejszego pierwiastka, efekt izotopowy jest duży mieć duży wpływ na biologię). Ponieważ izotop jest terminem starszym, jest lepiej znany niż nuklid i nadal jest czasami używany w kontekstach, w których nuklid może być bardziej odpowiedni, np. w technologii nuklearnej i medycynie nuklearnej.

Oznaczenia

Izotop lub nuklid identyfikuje się na podstawie nazwy konkretnego pierwiastka (wskazuje to liczbę atomową), po której następuje łącznik i liczba masowa (na przykład hel-3, hel-4, węgiel-12, węgiel-14, uran- 235 i uran-239). Gdy używany jest symbol chemiczny, np. „C” dla węgla, notacja standardowa (obecnie znana jako „notacja AZE”, ponieważ A to liczba masowa, Z to liczba atomowa, a E to pierwiastek) - liczbę masową (liczbę nukleonów) należy wskazać indeksem górnym w lewym górnym rogu symbolu chemicznego i wskazać liczbę atomową z indeksem dolnym w lewym dolnym rogu). Ponieważ liczba atomowa jest podana przez symbol pierwiastka, zwykle w indeksie górnym podaje się tylko liczbę masową i nie podaje się indeksu atomowego. Czasami po liczbie masowej dodaje się literę m, aby wskazać izomer jądrowy, metastabilny lub energetycznie wzbudzony stan jądrowy (w przeciwieństwie do stanu podstawowego o najniższej energii), na przykład 180m 73Ta (tantal-180m).

Izotopy promieniotwórcze, pierwotne i trwałe

Niektóre izotopy są radioaktywne i dlatego nazywane są radioizotopami lub radionuklidami, podczas gdy w przypadku innych nigdy nie zaobserwowano rozpadu radioaktywnego i nazywane są stabilnymi izotopami lub stabilnymi nuklidami. Na przykład 14 C jest radioaktywną formą węgla, podczas gdy 12 C i 13 C to stabilne izotopy. Na Ziemi występuje około 339 naturalnie występujących nuklidów, z czego 286 to nuklidy pierwotne, co oznacza, że ​​istniały od powstania Układu Słonecznego.

Oryginalne nuklidy obejmują 32 nuklidy o bardzo długim okresie półtrwania (ponad 100 milionów lat) i 254, które są formalnie uważane za „stabilne nuklidy”, ponieważ nie zaobserwowano ich rozpadu. W większości przypadków, z oczywistych powodów, jeśli pierwiastek ma stabilne izotopy, to te izotopy dominują w obfitości pierwiastków występujących na Ziemi i w Układzie Słonecznym. Jednakże w przypadku trzech pierwiastków (teluru, indu i renu) najpowszechniejszym izotopem występującym w przyrodzie jest w rzeczywistości jeden (lub dwa) niezwykle długożyciowe radioizotopy pierwiastka, mimo że pierwiastki te mają jeden lub bardziej stabilne izotopy.

Teoria przewiduje, że wiele pozornie „stabilnych” izotopów/nuklidów jest radioaktywnych i ma niezwykle długie okresy półtrwania (pomijając możliwość rozpadu protonu, który ostatecznie spowodowałby niestabilność wszystkich nuklidów). Spośród 254 nuklidów, których nigdy nie zaobserwowano, tylko 90 z nich (wszystkie z pierwszych 40 pierwiastków) jest teoretycznie odpornych na wszystkie znane formy rozpadu. Pierwiastek 41 (niob) jest teoretycznie niestabilny w wyniku spontanicznego rozszczepienia, ale nigdy tego nie odkryto. Wiele innych stabilnych nuklidów jest teoretycznie podatnych energetycznie na inne znane formy rozpadu, takie jak rozpad alfa lub podwójny rozpad beta, ale produkty rozpadu nie zostały jeszcze zaobserwowane, dlatego izotopy te uważa się za „stabilne obserwacyjnie”. Przewidywane okresy półtrwania tych nuklidów często znacznie przekraczają szacowany wiek Wszechświata, a tak naprawdę znanych jest również 27 radionuklidów o okresach półtrwania dłuższych niż wiek Wszechświata.

Nuklidy promieniotwórcze powstałe sztucznie, obecnie znanych jest 3339 nuklidów. Należą do nich 905 nuklidów, które są albo stabilne, albo mają okres półtrwania dłuższy niż 60 minut.

Właściwości izotopów

Właściwości chemiczne i molekularne

Neutralny atom ma taką samą liczbę elektronów jak protonów. Zatem różne izotopy danego pierwiastka mają tę samą liczbę elektronów i podobne struktury elektronowe. Ponieważ zachowanie chemiczne atomu jest w dużej mierze zdeterminowane jego strukturą elektronową, różne izotopy wykazują prawie identyczne zachowanie chemiczne.

Wyjątkiem jest kinetyczny efekt izotopowy: ze względu na duże masy cięższe izotopy mają tendencję do reagowania nieco wolniej niż lżejsze izotopy tego samego pierwiastka. Jest to najbardziej widoczne w przypadku protu (1 H), deuteru (2 H) i trytu (3 H), ponieważ deuter ma masę dwukrotnie większą od protu, a tryt ma masę trzy razy większą od protu. Te różnice w masie wpływają również na zachowanie odpowiednich wiązań chemicznych, zmieniając środek ciężkości (zmniejszoną masę) układów atomowych. Jednak w przypadku cięższych pierwiastków względne różnice mas między izotopami są znacznie mniejsze, więc skutki różnicy mas w chemii są zwykle pomijalne. (Ciężkie pierwiastki mają również stosunkowo więcej neutronów niż lżejsze pierwiastki, więc stosunek masy jądrowej do całkowitej masy elektronów jest nieco większy).

Podobnie dwie cząsteczki, które różnią się jedynie izotopami swoich atomów (izotopologami), mają tę samą strukturę elektronową, a zatem prawie nie do odróżnienia właściwości fizyczne i chemiczne (ponownie, z głównymi wyjątkami są deuter i tryt). Mody wibracyjne cząsteczki są określone przez jej kształt i masy tworzących ją atomów; Dlatego różni izotopolodzy mają różne zestawy modów wibracyjnych. Ponieważ mody wibracyjne pozwalają cząsteczce absorbować fotony o odpowiednich energiach, izotopolodzy mają różne właściwości optyczne w podczerwieni.

Właściwości i stabilność jądrowa

Izotopowe okresy półtrwania. Wykres stabilnych izotopów odbiega od linii Z = N wraz ze wzrostem liczby pierwiastków Z

Jądra atomowe składają się z protonów i neutronów połączonych ze sobą resztkowym silnym oddziaływaniem. Ponieważ protony są naładowane dodatnio, odpychają się. Neutrony, które są elektrycznie obojętne, stabilizują jądro na dwa sposoby. Ich kontakt nieznacznie odpycha protony, zmniejszając odpychanie elektrostatyczne między protonami, a także wywierają przyciągającą siłę jądrową na siebie nawzajem i na protony. Z tego powodu, aby dwa lub więcej protonów związały się z jądrem, potrzebny jest jeden lub więcej neutronów. Wraz ze wzrostem liczby protonów rośnie również stosunek neutronów do protonów wymagany do zapewnienia stabilnego jądra (patrz wykres po prawej). Na przykład, chociaż stosunek neutronów do protonów wynosi 3 2 He wynosi 1:2, to stosunek neutronów do protonów wynosi 238 92 U
Więcej niż 3:2. Wiele lżejszych pierwiastków ma stabilne nuklidy w stosunku 1:1 (Z = N). Nuklid 40 20 Ca (wapń-40) jest obserwacyjnie najcięższym stabilnym nuklidem o tej samej liczbie neutronów i protonów; (Teoretycznie najcięższą stabilną jest siarka-32). Wszystkie stabilne nuklidy cięższe od wapnia-40 zawierają więcej neutronów niż protonów.

Liczba izotopów na pierwiastek

Spośród 81 pierwiastków o stabilnych izotopach, największa liczba stabilnych izotopów zaobserwowana dla dowolnego pierwiastka wynosi dziesięć (dla pierwiastka cyny). Żaden pierwiastek nie ma dziewięciu stabilnych izotopów. Ksenon jest jedynym pierwiastkiem posiadającym osiem stabilnych izotopów. Cztery pierwiastki mają siedem stabilnych izotopów, z których osiem ma sześć stabilnych izotopów, dziesięć ma pięć stabilnych izotopów, dziewięć ma cztery stabilne izotopy, pięć ma trzy stabilne izotopy, 16 ma dwa stabilne izotopy, a 26 pierwiastków ma tylko jeden (wśród nich 19 to tak zwane pierwiastki mononuklidowe, posiadające pojedynczy pierwotny stabilny izotop, który dominuje i ustala masę atomową pierwiastka naturalnego z dużą dokładnością; występują również 3 radioaktywne pierwiastki mononuklidowe). W sumie istnieje 254 nuklidów, których rozpadu nie zaobserwowano. W przypadku 80 pierwiastków, które mają jeden lub więcej stabilnych izotopów, średnia liczba stabilnych izotopów wynosi 254/80 = 3,2 izotopów na pierwiastek.

Parzysta i nieparzysta liczba nukleonów

Protony: Stosunek neutronów nie jest jedynym czynnikiem wpływającym na stabilność jądrową. Zależy to również od parzystości lub nieparzystości jego liczby atomowej Z, liczby neutronów N, stąd ich suma liczby masowej A. Dziwne, że zarówno Z, jak i N mają tendencję do obniżania energii wiązania jądrowego, tworząc dziwne jądra, które są generalnie mniej stabilne. Ta znacząca różnica w energii wiązania jądrowego między sąsiednimi jądrami, zwłaszcza nieparzystymi izobarami, ma ważne konsekwencje: niestabilne izotopy z suboptymalną liczbą neutronów lub protonów rozpadają się w wyniku rozpadu beta (w tym rozpadu pozytonów), wychwytu elektronów lub innych egzotycznych sposobów, takich jak spontaniczne rozszczepienie i klastry rozpadu.

Najbardziej stabilne nuklidy to parzysta liczba protonów i parzysta liczba neutronów, gdzie wszystkie liczby Z, N i A są parzyste. Nieparzyste stabilne nuklidy dzielą się (w przybliżeniu równomiernie) na nieparzyste.

Liczba atomowa

Nuklidy zawierające 148 parzystych protonów i neutronów (NE) stanowią ~ 58% wszystkich stabilnych nuklidów. Istnieją również 22 pierwotne, długowieczne nawet nuklidy. W rezultacie każdy z 41 pierwiastków o numerach parzystych od 2 do 82 ma co najmniej jeden stabilny izotop, a większość z tych pierwiastków ma wiele izotopów pierwotnych. Połowa z tych pierwiastków parzystych ma sześć lub więcej stabilnych izotopów. Ekstremalna stabilność helu-4, wynikająca z podwójnego związku dwóch protonów i dwóch neutronów, uniemożliwia istnienie nuklidów zawierających pięć lub osiem nukleonów wystarczająco długo, aby służyły jako platformy do akumulacji cięższych pierwiastków w wyniku syntezy jądrowej.

Te 53 stabilne nuklidy mają parzystą liczbę protonów i nieparzystą liczbę neutronów. Stanowią mniejszość w porównaniu z parzystymi izotopami, których jest około 3 razy więcej. Spośród 41 pierwiastków parzystych Z, które mają stabilny nuklid, tylko dwa pierwiastki (argon i cer) nie mają stabilnych nuklidów parzystych i nieparzystych. Jeden element (cyna) ma trzy. Istnieją 24 pierwiastki, które mają jeden parzysty i nieparzysty nuklid i 13, które mają dwa nieparzyste i parzyste nuklidy.

Ze względu na nieparzystą liczbę neutronów, nieparzyste i parzyste nuklidy mają zwykle duże przekroje wychwytu neutronów ze względu na energię powstającą w wyniku efektów sprzęgania neutronów. Te stabilne nuklidy mogą występować w przyrodzie niezwykle licznie, głównie dlatego, że aby uformować się i wejść do pierwotnej obfitości, muszą uniknąć wychwytu neutronów, aby utworzyć jeszcze inne stabilne izotopy parzyste i nieparzyste podczas procesu i procesu wychwytywania neutronów podczas nukleosyntezy.

Nieparzysta liczba atomowa

48 stabilnych nuklidów nieparzystych protonów i parzystych neutronów, stabilizowanych parzystą liczbą sparowanych neutronów, tworzy większość stabilnych izotopów pierwiastków nieparzystych; Pozostałe nuklidy neutronów nieparzystych, protonowych i nieparzystych tworzą bardzo niewiele. Istnieje 41 pierwiastków nieparzystych od Z = 1 do 81, z czego 39 ma stabilne izotopy (pierwiastki technet (43 Tc) i promet (61 µm) nie mają stabilnych izotopów). Z tych 39 nieparzystych pierwiastków Z 30 pierwiastków (w tym wodór-1, w którym 0 neutronów jest parzystych) ma jeden stabilny parzysto-nieparzysty izotop, a dziewięć pierwiastków: chlor (17 Cl), potas (19K), miedź (29 Cu), gal (31 Ga), brom (35 Br), srebro (47 Ag), antymon (51 Sb), iryd (77 Ir) i tal (81 Tl) mają po dwa stabilne izotopy nieparzyste i parzyste. Daje to 30 + 2 (9) = 48 stabilnych parzystych izotopów.

Tylko pięć stabilnych nuklidów zawiera zarówno nieparzystą liczbę protonów, jak i nieparzystą liczbę neutronów. Pierwsze cztery nuklidy „nieparzyste” występują w nuklidach o niskiej masie cząsteczkowej, w przypadku których zmiana protonu na neutron i odwrotnie spowoduje bardzo nierówny stosunek protonu do neutronu.

Jedynym całkowicie „stabilnym” nuklidem nieparzystym jest 180m 73 Ta, który jest uważany za najrzadszy z 254 stabilnych izotopów i jest jedynym pierwotnym izomerem jądrowym, którego rozkładu nie zaobserwowano jeszcze pomimo prób eksperymentalnych.

Nieparzysta liczba neutronów

Aktynowce o nieparzystej liczbie neutronów mają tendencję do rozszczepiania (w przypadku neutronów termicznych), podczas gdy te o parzystej liczbie neutronów na ogół nie, chociaż rozszczepiają się z szybkimi neutronami. Wszystkie obserwacyjnie stabilne nuklidy nieparzyste mają niezerowy spin całkowity. Dzieje się tak, ponieważ pojedynczy niesparowany neutron i niesparowany proton przyciągają się do siebie większymi siłami jądrowymi, jeśli ich spiny są wyrównane (tworząc całkowity spin wynoszący co najmniej 1 jednostkę), a nie wyrównane.

Występowanie w przyrodzie

Pierwiastki składają się z jednego lub większej liczby naturalnie występujących izotopów. Niestabilne (radioaktywne) izotopy są pierwotne lub wtórne. Pierwotne izotopy były produktem gwiezdnej nukleosyntezy lub innego rodzaju nukleosyntezy, takiego jak rozszczepienie promieni kosmicznych, i przetrwały do ​​dnia dzisiejszego, ponieważ tempo ich rozpadu jest tak niskie (np. uran-238 i potas-40). Izotopy postnaturalne powstały w wyniku bombardowania promieniami kosmicznymi w postaci nuklidów kosmogenicznych (np. trytu, węgla-14) lub rozpadu radioaktywnego pierwotnego izotopu na pochodną radioaktywnego nuklidu promieniotwórczego (np. uranu do radu). Kilka izotopów jest naturalnie syntetyzowanych jako nuklidy nukleogenne w wyniku innych naturalnych reakcji jądrowych, na przykład gdy neutrony powstałe w wyniku naturalnego rozszczepienia jądrowego są absorbowane przez inny atom.

Jak omówiono powyżej, tylko 80 pierwiastków ma stabilne izotopy, a 26 z nich ma tylko jeden stabilny izotop. Zatem około dwie trzecie stabilnych pierwiastków występuje naturalnie na Ziemi w kilku stabilnych izotopach, przy czym największa liczba stabilnych izotopów dla pierwiastka wynosi dziesięć, dla cyny (50Sn). Na Ziemi występuje około 94 pierwiastków (włącznie z plutonem), chociaż niektóre, np. pluton-244, występują tylko w bardzo małych ilościach. Naukowcy uważają, że pierwiastki naturalnie występujące na Ziemi (niektóre jedynie jako radioizotopy) występują łącznie w postaci 339 izotopów (nuklidów). Tylko 254 z tych naturalnych izotopów są stabilne w tym sensie, że nie zaobserwowano ich dotychczas. Kolejnych 35 pierwotnych nuklidów (w sumie 289 pierwotnych nuklidów) jest radioaktywnych ze znanymi okresami półtrwania, ale ich okresy półtrwania przekraczają 80 milionów lat, co pozwala im istnieć od początków Układu Słonecznego.

Wszystkie znane stabilne izotopy występują naturalnie na Ziemi; Inne naturalnie występujące izotopy są radioaktywne, ale ze względu na ich stosunkowo długi okres półtrwania lub inne sposoby ciągłej naturalnej produkcji. Należą do nich wspomniane powyżej nuklidy kosmogeniczne, nuklidy nukleogenne i wszelkie izotopy radiogenne powstające w wyniku ciągłego rozpadu pierwotnego izotopu promieniotwórczego, takiego jak radon i rad z uranu.

Kolejnych około 3000 izotopów promieniotwórczych niewystępujących w naturze powstało w reaktorach jądrowych i akceleratorach cząstek. Za pomocą analizy spektroskopowej zaobserwowano również wiele krótkotrwałych izotopów, które nie występują naturalnie na Ziemi, i które powstają naturalnie w gwiazdach lub supernowych. Przykładem jest aluminium-26, które nie występuje naturalnie na Ziemi, ale występuje w dużych ilościach w skali astronomicznej.

Tabelaryczne masy atomowe pierwiastków są średnimi, które uwzględniają obecność wielu izotopów o różnych masach. Przed odkryciem izotopów, ustalone empirycznie, niezintegrowane wartości mas atomowych dezorientowały naukowców. Na przykład próbka chloru zawiera 75,8% chloru-35 i 24,2% chloru-37, co daje średnią masę atomową 35,5 jednostek masy atomowej.

Zgodnie z ogólnie przyjętą teorią kosmologii, w Wielkim Wybuchu powstały jedynie izotopy wodoru i helu, ślady niektórych izotopów litu i berylu oraz być może trochę boru, a wszystkie inne izotopy zostały zsyntetyzowane później, w gwiazdach i supernowych, oraz w oddziaływaniach między cząstkami energetycznymi, takimi jak promienie kosmiczne, a wcześniej otrzymanymi izotopami. Odpowiednia liczebność izotopów izotopów na Ziemi jest określona przez ilości wytwarzane w tych procesach, ich propagację w galaktyce oraz szybkość rozpadu izotopów, które są niestabilne. Po początkowym połączeniu Układu Słonecznego izotopy zostały rozdzielone według masy, a skład izotopowy pierwiastków różni się nieznacznie w zależności od planety. Czasami pozwala to na prześledzenie pochodzenia meteorytów.

Masa atomowa izotopów

Masę atomową (mr) izotopu określa się przede wszystkim na podstawie jego liczby masowej (tj. liczby nukleonów w jądrze). Niewielkie poprawki wynikają z energii wiązania jądra, małej różnicy mas między protonem i neutronem oraz masy elektronów związanych z atomem.

Numer masowy - ilość bezwymiarowa. Z drugiej strony masę atomową mierzy się za pomocą jednostki masy atomowej opartej na masie atomu węgla-12. Jest ona oznaczona symbolami „u” (dla ujednoliconej jednostki masy atomowej) lub „Da” (dla daltona).

Masy atomowe naturalnych izotopów pierwiastka określają masę atomową pierwiastka. Gdy pierwiastek zawiera N izotopów, poniższe wyrażenie dotyczy średniej masy atomowej:

Gdzie m 1, m 2, ..., mN to masy atomowe każdego pojedynczego izotopu, a x 1, ..., xN to względna liczebność tych izotopów.

Zastosowanie izotopów

Istnieje kilka zastosowań, które wykorzystują właściwości różnych izotopów danego pierwiastka. Separacja izotopów jest ważnym problemem technologicznym, szczególnie w przypadku ciężkich pierwiastków, takich jak uran czy pluton. Lżejsze pierwiastki, takie jak lit, węgiel, azot i tlen, są zwykle oddzielane przez dyfuzję gazową ich związków, takich jak CO i NO. Oddzielenie wodoru i deuteru jest niezwykłe, ponieważ opiera się na właściwościach chemicznych, a nie fizycznych, takich jak proces siarczkowy Girdlera. Izotopy uranu rozdzielano objętościowo za pomocą dyfuzji gazu, wirowania gazu, separacji przy użyciu jonizacji laserowej i (w Projekcie Manhattan) metodą spektrometrii mas.

Wykorzystanie właściwości chemicznych i biologicznych

• Analiza izotopowa polega na określeniu sygnatury izotopowej, czyli względnej liczebności izotopów danego pierwiastka w konkretnej próbce. Zwłaszcza w przypadku składników odżywczych mogą wystąpić znaczne różnice w izotopach C, N i O. Analiza takich zmian ma szeroki zakres zastosowań, takich jak wykrywanie zafałszowań w produktach spożywczych lub pochodzenie geograficzne produktów za pomocą izotopów. Identyfikacja niektórych meteorytów powstałych na Marsie opiera się częściowo na sygnaturze izotopowej zawartych w nich gazów śladowych.
• Podstawienie izotopowe można zastosować do określenia mechanizmu reakcji chemicznej poprzez kinetyczny efekt izotopowy.
• Innym powszechnym zastosowaniem jest znakowanie izotopów, czyli wykorzystanie nietypowych izotopów jako wskaźników lub markerów w reakcjach chemicznych. Zwykle atomy danego pierwiastka są od siebie nie do odróżnienia. Jednakże stosując izotopy o różnych masach, za pomocą spektrometrii mas lub spektroskopii w podczerwieni można rozróżnić nawet różne nieradioaktywne stabilne izotopy. Na przykład w „znakowaniu stabilnych izotopów aminokwasów w hodowli komórkowej” (SILAC) stabilne izotopy wykorzystuje się do ilościowego oznaczania białek. Jeśli stosowane są izotopy promieniotwórcze, można je wykryć na podstawie emitowanego przez nie promieniowania (nazywa się to znakowaniem radioizotopowym).
• Izotopy są powszechnie stosowane do oznaczania stężeń różnych pierwiastków lub substancji metodą rozcieńczania izotopów, podczas której znane ilości związków podstawionych izotopowo miesza się z próbkami, a sygnatury izotopowe powstałych mieszanin określa się za pomocą spektrometrii mas.

Korzystanie z właściwości jądrowych

• Metodą podobną do znakowania radioizotopowego jest datowanie radiometryczne: wykorzystując znany okres półtrwania niestabilnego pierwiastka, można obliczyć czas, jaki upłynął od istnienia znanego stężenia izotopu. Najbardziej znanym przykładem jest datowanie radiowęglowe, które służy do określania wieku materiałów zawierających węgiel.
• Niektóre formy spektroskopii opierają się na unikalnych właściwościach jądrowych określonych izotopów, zarówno radioaktywnych, jak i stabilnych. Na przykład spektroskopię magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) można stosować tylko w przypadku izotopów o niezerowym spinie jądrowym. Najpopularniejszymi izotopami stosowanymi w spektroskopii NMR są 1H, 2D, 15N, 13C i 31P.
• Spektroskopia Mössbauera opiera się również na przejściach jądrowych określonych izotopów, takich jak 57Fe.

Pewien element, który ma ten sam, ale inny. Mają jądra o tej samej liczbie i różnorodności. mają tę samą strukturę powłok elektronicznych i zajmują to samo miejsce w okresowości. układ chemiczny elementy. Termin „izotopy” został zaproponowany w 1910 r. przez F. Soddy’ego na określenie chemicznie nierozróżnialnych odmian, które różnią się właściwościami fizycznymi. (głównie radioaktywni) Święci. Izotopy trwałe zostały po raz pierwszy odkryte w 1913 roku przez J. Thomsona za pomocą opracowanego przez niego tzw. metoda paraboli - prototyp współczesnej. . Odkrył, że Ne ma co najmniej 2 odmiany o masie ciała. części 20 i 22. Nazwy i symbole izotopów są zwykle nazwami i symbolami odpowiednich substancji chemicznych. elementy; wskaż lewy górny róg symbolu. Na przykład, aby wskazać naturalny izotopy należy oznaczać 35 Cl i 37 Cl; czasami element jest również wskazany w lewym dolnym rogu, tj. napisz 35 17 Cl i 37 17 Cl. Tylko izotopy najlżejszego pierwiastka, wodoru, o masie. części 1, 2 i 3 mają charakter specjalny. nazwy i symbole: odpowiednio (1 1 H), (D lub 2 1 H) i (T lub 3 1 H). Ze względu na dużą różnicę mas zachowanie tych izotopów znacznie się różni (patrz,). Stabilne izotopy występują we wszystkich elementach parzystych i najbardziej nieparzystych[ 83. Liczba stabilnych izotopów pierwiastków o liczbach parzystych może wynosić równa się 10 (np. y); Pierwiastki nieparzyste mają nie więcej niż dwa stabilne izotopy. Znany ok. 280 stabilnych i ponad 2000 radioaktywnych izotopów 116 pierwiastków naturalnych i sztucznie uzyskanych. Dla każdego pierwiastka zawartość poszczególnych izotopów w przyrodzie. mieszanina podlega niewielkim wahaniom, które często można pominąć. Więcej środków. W przypadku meteorytów i innych ciał niebieskich obserwuje się wahania składu izotopowego. Stałość składu izotopowego prowadzi do stałości pierwiastków występujących na Ziemi, czyli średniej wartości masy danego pierwiastka, stwierdzonej przy uwzględnieniu liczebności izotopów w przyrodzie. Wahania składu izotopowego lekkich pierwiastków są z reguły związane ze zmianami składu izotopowego podczas rozkładu. procesy zachodzące w przyrodzie (itp.). W przypadku ciężkiego pierwiastka Pb różnice w składzie izotopowym różnych próbek wyjaśniają różne czynniki. treść i inne źródła oraz - przodkowie nauk przyrodniczych. . Nazywa się różnice we właściwościach izotopów danego pierwiastka. . Ważne praktyczne Zadanie polega na uzyskaniu od natury. mieszaniny poszczególnych izotopów -

Treść artykułu

IZOTOPY– odmiany tego samego pierwiastka chemicznego, które mają podobne właściwości fizykochemiczne, ale różnią się masami atomowymi. Nazwę „izotopy” zaproponował w 1912 roku angielski radiochemik Frederick Soddy, tworząc ją z dwóch greckich słów: isos – identyczny i topos – miejsce. Izotopy zajmują to samo miejsce w komórce układu okresowego pierwiastków Mendelejewa.

Atom dowolnego pierwiastka chemicznego składa się z dodatnio naładowanego jądra i otaczającej go chmury ujemnie naładowanych elektronów. Położenie pierwiastka chemicznego w układzie okresowym Mendelejewa (jego liczba atomowa) zależy od ładunku jądra jego atomów. Izotopy są zatem tzw odmiany tego samego pierwiastka chemicznego, których atomy mają ten sam ładunek jądrowy (a zatem praktycznie te same powłoki elektronowe), ale różnią się wartościami mas jądrowych. Według przenośnego wyrażenia F. Soddy'ego atomy izotopów są takie same „na zewnątrz”, ale różne „wewnątrz”.

Neutron został odkryty w 1932 r – cząstka nie posiadająca ładunku, o masie zbliżonej do masy jądra atomu wodoru – proton , i stworzył model protonowo-neutronowy jądra. W rezultacie w nauce ustalono ostateczną współczesną definicję pojęcia izotopów: izotopy to substancje, których jądra atomowe składają się z tej samej liczby protonów i różnią się jedynie liczbą neutronów w jądrze . Każdy izotop jest zwykle oznaczony za pomocą zestawu symboli, gdzie X to symbol pierwiastka chemicznego, Z to ładunek jądra atomowego (liczba protonów), A to liczba masowa izotopu (całkowita liczba nukleonów - protony i neutrony w jądrze, A = Z + N). Ponieważ wydaje się, że ładunek jądra jest jednoznacznie powiązany z symbolem pierwiastka chemicznego, często używa się po prostu zapisu A X w skrócie.

Ze wszystkich znanych nam izotopów tylko izotopy wodoru mają swoje własne nazwy. Zatem izotopy 2H i 3H nazywane są deuterem i trytem i są oznaczone odpowiednio jako D i T (izotop 1H jest czasami nazywany protem).

Występuje w przyrodzie w postaci stabilnych izotopów , i niestabilny - radioaktywny, którego jądra atomów ulegają samoistnej przemianie w inne jądra z emisją różnych cząstek (lub procesami tzw. rozpadu promieniotwórczego). Obecnie znanych jest około 270 izotopów stabilnych, a izotopy stabilne występują jedynie w pierwiastkach o liczbie atomowej Z Ј 83. Liczba izotopów niestabilnych przekracza 2000, zdecydowana większość z nich została otrzymana sztucznie w wyniku różnych reakcji jądrowych. Liczba radioaktywnych izotopów wielu pierwiastków jest bardzo duża i może przekraczać dwa tuziny. Liczba stabilnych izotopów jest znacznie mniejsza. Niektóre pierwiastki chemiczne składają się tylko z jednego stabilnego izotopu (beryl, fluor, sód, glin, fosfor, mangan, złoto i szereg innych pierwiastków). Największą liczbę stabilnych izotopów - 10 - znaleziono w cynie, na przykład w żelazie jest ich 4, a w rtęci - 7.

Odkrycie izotopów, tło historyczne.

W 1808 roku angielski naukowiec, przyrodnik John Dalton po raz pierwszy wprowadził definicję pierwiastka chemicznego jako substancji składającej się z atomów tego samego typu. W 1869 roku chemik D.I. Mendelejew odkrył okresowe prawo pierwiastków chemicznych. Jedną z trudności w uzasadnieniu koncepcji pierwiastka jako substancji zajmującej określone miejsce w komórce układu okresowego były zaobserwowane eksperymentalnie niecałkowite masy atomowe pierwiastków. W 1866 roku angielski fizyk i chemik Sir William Crookes wysunął hipotezę, że każdy naturalny pierwiastek chemiczny jest pewną mieszaniną substancji o identycznych właściwościach, ale różnych masach atomowych, ale wówczas takie założenie jeszcze nie obowiązywało. potwierdzenie eksperymentalne i dlatego nie zostało długo zauważone.

Ważnym krokiem w kierunku odkrycia izotopów było odkrycie zjawiska radioaktywności i hipoteza rozpadu promieniotwórczego sformułowana przez Ernsta Rutherforda i Fredericka Soddy'ego: radioaktywność to nic innego jak rozpad atomu na cząstkę naładowaną i atom innego pierwiastka , różniący się właściwościami chemicznymi od pierwotnego. W rezultacie zrodził się pomysł szeregów radioaktywnych lub rodzin radioaktywnych , na początku którego znajduje się pierwszy pierwiastek macierzysty, czyli radioaktywny, a na końcu ostatni pierwiastek stabilny. Analiza łańcuchów przemian wykazała, że ​​w trakcie ich przebiegu w jednej komórce układu okresowego mogą pojawić się te same pierwiastki promieniotwórcze, różniące się jedynie masami atomowymi. W rzeczywistości oznaczało to wprowadzenie pojęcia izotopów.

Samodzielne potwierdzenie istnienia stabilnych izotopów pierwiastków chemicznych uzyskano następnie w doświadczeniach J. J. Thomsona i Astona w latach 1912–1920 z wiązkami cząstek dodatnio naładowanych (tzw. wiązkami kanałowymi ) wydobywającego się z rury wylotowej.

W 1919 roku Aston zaprojektował instrument zwany spektrografem masowym. (Lub spektrometr mas) . Źródło jonów nadal wykorzystywało rurkę wyładowczą, ale Aston znalazł sposób, w jaki kolejne odchylanie wiązki cząstek w polach elektrycznych i magnetycznych prowadziło do skupiania cząstek o tym samym stosunku ładunku do masy (niezależnie od ich prędkości) przy ten sam punkt na ekranie. Wraz z Astonem w tych samych latach powstał spektrometr masowy o nieco innej konstrukcji, autorstwa amerykańskiego Dempstera. W wyniku późniejszego wykorzystania i udoskonalenia spektrometrów mas, dzięki wysiłkom wielu badaczy, do 1935 roku powstała niemal kompletna tabela składów izotopowych wszystkich znanych wówczas pierwiastków chemicznych.

Metody rozdziału izotopów.

Aby zbadać właściwości izotopów, a zwłaszcza ich wykorzystanie do celów naukowych i stosowanych, konieczne jest uzyskanie ich w mniej lub bardziej zauważalnych ilościach. W konwencjonalnych spektrometrach mas osiąga się prawie całkowite rozdzielenie izotopów, lecz ich ilość jest znikoma. Dlatego też wysiłki naukowców i inżynierów ukierunkowane były na poszukiwanie innych możliwych metod rozdzielania izotopów. Przede wszystkim opanowano fizykochemiczne metody separacji, oparte na różnicach we właściwościach izotopów tego samego pierwiastka, takich jak szybkość parowania, stałe równowagi, szybkość reakcji chemicznych itp. Najbardziej efektywne były wśród nich metody rektyfikacji i wymiany izotopów, które znajdują szerokie zastosowanie w przemysłowej produkcji izotopów pierwiastków lekkich: wodoru, litu, boru, węgla, tlenu i azotu.

Kolejną grupę metod stanowią tzw. metody kinetyki molekularnej: dyfuzja gazu, dyfuzja termiczna, dyfuzja masowa (dyfuzja w strumieniu pary), wirowanie. Metody dyfuzji gazowej, oparte na różnych szybkościach dyfuzji składników izotopowych w silnie rozproszonych ośrodkach porowatych, zostały wykorzystane podczas II wojny światowej do zorganizowania przemysłowej produkcji separacji izotopów uranu w Stanach Zjednoczonych w ramach tzw. Projektu Manhattan mającego na celu utworzenie bomba atomowa. Aby uzyskać wymagane ilości uranu wzbogaconego do 90% w lekki izotop 235 U – główny „palny” składnik bomby atomowej, zbudowano zakłady zajmujące obszar około czterech tysięcy hektarów. Na utworzenie centrum atomowego z zakładami do produkcji wzbogaconego uranu przeznaczono ponad 2 miliardy dolarów. Po wojnie opracowano i rozwinięto zakłady do produkcji wzbogaconego uranu do celów wojskowych, również w oparciu o metodę separacji dyfuzyjnej. zbudowany w ZSRR. W ostatnich latach metoda ta ustąpiła miejsca skuteczniejszej i tańszej metodzie wirowania. W tej metodzie efekt rozdzielenia mieszaniny izotopów uzyskuje się poprzez różne działanie sił odśrodkowych na składniki mieszaniny izotopów wypełniającej wirnik wirówki, który jest cienkościennym cylindrem ograniczonym u góry i u dołu, obracającym się z prędkością bardzo dużą prędkość w komorze próżniowej. Setki tysięcy wirówek połączonych kaskadami, z których każdy wykonuje ponad tysiąc obrotów na sekundę, są obecnie stosowane w nowoczesnych instalacjach separacyjnych zarówno w Rosji, jak i w innych rozwiniętych krajach świata. Wirówki służą nie tylko do produkcji wzbogaconego uranu potrzebnego do zasilania reaktorów jądrowych elektrowni jądrowych, ale także do produkcji izotopów około trzydziestu pierwiastków chemicznych ze środkowej części układu okresowego. Do oddzielania różnych izotopów stosuje się również jednostki separacji elektromagnetycznej z silnymi źródłami jonów, w ostatnich latach powszechne stały się również metody separacji laserowej.

Zastosowanie izotopów.

Różne izotopy pierwiastków chemicznych są szeroko stosowane w badaniach naukowych, w różnych dziedzinach przemysłu i rolnictwa, w energetyce jądrowej, współczesnej biologii i medycynie, w badaniach środowiskowych i innych dziedzinach. Badania naukowe (na przykład analiza chemiczna) zwykle wymagają małych ilości rzadkich izotopów różnych pierwiastków, obliczanych w gramach, a nawet miligramach rocznie. Jednocześnie w przypadku szeregu izotopów szeroko stosowanych w energetyce jądrowej, medycynie i innych gałęziach przemysłu zapotrzebowanie na ich produkcję może sięgać wielu kilogramów, a nawet ton. Tak więc, ze względu na zastosowanie ciężkiej wody D 2 O w reaktorach jądrowych, jej światowa produkcja na początku lat 90. ubiegłego wieku wynosiła około 5000 ton rocznie. Izotop wodoru, deuter, będący częścią ciężkiej wody, której stężenie w naturalnej mieszaninie wodoru wynosi zaledwie 0,015%, wraz z trytem, ​​staną się w przyszłości, zdaniem naukowców, głównym składnikiem paliwa energetycznego termojądrowego reaktory działające w oparciu o reakcje syntezy jądrowej. W tym przypadku zapotrzebowanie na produkcję izotopów wodoru będzie ogromne.

W badaniach naukowych izotopy stabilne i radioaktywne są szeroko stosowane jako wskaźniki izotopowe (znaczniki) w badaniu różnorodnych procesów zachodzących w przyrodzie.

W rolnictwie izotopy („znakowane” atomy) wykorzystuje się m.in. do badania procesów fotosyntezy, strawności nawozów, a także do określania efektywności wykorzystania przez rośliny azotu, fosforu, potasu, pierwiastków śladowych i innych substancji .

Technologie izotopowe mają szerokie zastosowanie w medycynie. I tak, według statystyk, w USA dziennie wykonuje się ponad 36 tysięcy zabiegów medycznych i około 100 milionów badań laboratoryjnych z wykorzystaniem izotopów. Do najczęściej stosowanych zabiegów zalicza się tomografię komputerową. Izotop węgla C13 wzbogacony do 99% (zawartość naturalna ok. 1%) jest aktywnie wykorzystywany w tzw. „diagnostycznej kontroli oddechu”. Istota testu jest bardzo prosta. Wzbogacony izotop wprowadzany jest do pożywienia pacjenta i po wzięciu udziału w procesie metabolicznym w różnych narządach organizmu uwalnia się w postaci wydychanego przez pacjenta dwutlenku węgla CO 2, który jest zbierany i analizowany za pomocą spektrometru. Różnice w szybkości procesów związanych z wydzielaniem różnych ilości dwutlenku węgla znakowanego izotopem C 13 pozwalają ocenić stan poszczególnych narządów pacjenta. W USA liczbę pacjentów poddawanych temu badaniu szacuje się na 5 milionów rocznie. Obecnie metody separacji laserowej są wykorzystywane do produkcji wysoko wzbogaconego izotopu C13 na skalę przemysłową.

Władimir Żdanow