ovat isotooppeja. Atomien käsitys jakamattomina pienimpinä aineen hiukkasina

On todettu, että jokainen luonnossa esiintyvä kemiallinen alkuaine on isotooppien seos (siis niiden atomimassat ovat murto-osia). Ymmärtääksesi, kuinka isotoopit eroavat toisistaan, on tarpeen tarkastella yksityiskohtaisesti atomin rakennetta. Atomi muodostaa ytimen ja elektronipilven. Atomin massaan vaikuttavat elektronit, jotka liikkuvat hämmästyttävällä nopeudella elektronipilven kiertoradalla, ytimen muodostavat neutronit ja protonit.

Määritelmä

isotoopit Kemiallisen alkuaineen atomityyppi. Jokaisessa atomissa on aina yhtä paljon elektroneja ja protoneja. Koska niillä on vastakkaiset varaukset (elektronit ovat negatiivisia ja protonit positiivisia), atomi on aina neutraali (tämä alkuainehiukkanen ei kanna varausta, se on yhtä suuri kuin nolla). Kun elektroni katoaa tai vangitaan, atomi menettää neutraaliuutensa ja muuttuu joko negatiiviseksi tai positiiviseksi ioniksi.

Neutroneilla ei ole varausta, mutta niiden lukumäärä saman alkuaineen atomiytimessä voi olla erilainen. Tämä ei vaikuta atomin neutraalisuuteen, mutta vaikuttaa sen massaan ja ominaisuuksiin. Esimerkiksi jokaisessa vetyatomin isotoopissa on yksi elektroni ja yksi protoni. Ja neutronien määrä on erilainen. Protiumissa on vain yksi neutroni, deuteriumissa on 2 neutronia ja tritiumissa 3 neutronia. Nämä kolme isotooppia eroavat toisistaan ​​huomattavasti ominaisuuksiltaan.

Vertailu

Niillä on eri määrä neutroneja, eri massat ja erilaiset ominaisuudet. Isotoopeilla on identtinen elektronikuoren rakenne. Tämä tarkoittaa, että ne ovat melko samanlaisia ​​​​kemiallisilta ominaisuuksiltaan. Siksi heille määrätään yksi paikka jaksollisessa järjestelmässä.

Luonnosta on löydetty stabiileja ja radioaktiivisia (epästabiileja) isotooppeja. Radioaktiivisten isotooppien atomien ytimet voivat muuttua spontaanisti toisiksi ytimiksi. Radioaktiivisen hajoamisen aikana ne lähettävät erilaisia ​​hiukkasia.

Useimmissa alkuaineissa on yli kaksi tusinaa radioaktiivista isotooppia. Lisäksi radioaktiiviset isotoopit syntetisoidaan keinotekoisesti ehdottoman kaikille alkuaineille. Isotooppien luonnollisessa seoksessa niiden pitoisuus vaihtelee hieman.

Isotooppien olemassaolo teki mahdolliseksi ymmärtää, miksi joissain tapauksissa pienemmän atomimassan alkuaineilla on suurempi sarjanumero kuin suuremmilla atomimassaisilla elementeillä. Esimerkiksi argon-kalium-parissa argon sisältää raskaita isotooppeja ja kalium sisältää kevyitä isotooppeja. Siksi argonin massa on suurempi kuin kaliumin.

Löytösivusto

1. Niissä on eri määrä neutroneja.
2. Isotoopeilla on eri atomimassat.
3. Ionien atomimassan arvo vaikuttaa niiden kokonaisenergiaan ja ominaisuuksiin.

isotoopit- kemiallisen alkuaineen atomien (ja ytimien) lajikkeet, joilla on sama järjestysluku, mutta eri massaluvut.

Termi isotooppi muodostuu kreikkalaisista juurista isos (ἴσος "tasa-arvoinen") ja topos (τόπος "paikka"), mikä tarkoittaa "samaa paikkaa"; Siten nimen merkitys on, että saman alkuaineen eri isotoopit ovat samassa paikassa jaksollisessa taulukossa.

Kolme vedyn luonnollista isotooppia. Se, että jokaisella isotoopilla on yksi protoni, sisältää muunnelmia vedystä: isotoopin identiteetti määräytyy neutronien lukumäärän mukaan. Vasemmalta oikealle isotoopit ovat protium (1H), jossa on nolla neutronia, deuterium (2H) yhdellä neutronilla ja tritium (3H), jossa on kaksi neutronia.

Protonien lukumäärää atomin ytimessä kutsutaan atomiluvuksi ja se on yhtä suuri kuin elektronien lukumäärä neutraalissa (ionisoimattomassa) atomissa. Jokainen atominumero identifioi tietyn alkuaineen, mutta ei isotooppia; Tietyn alkuaineen atomilla voi olla laaja neutronien lukumäärä. Nukleonien (sekä protonien että neutronien) lukumäärä ytimessä on atomin massaluku, ja tietyn alkuaineen jokaisella isotoopilla on eri massaluku.

Esimerkiksi hiili-12, hiili-13 ja hiili-14 ovat kolme alkuainehiilen isotooppia, joiden massaluvut ovat 12, 13 ja 14. Hiilen atomiluku on 6, mikä tarkoittaa, että jokaisessa hiiliatomissa on 6 protonia, joten näiden isotooppien neutronimäärät ovat vastaavasti 6, 7 ja 8.

Huklidit Ja isotoopit

Nuklidi kuuluu ytimeen, ei atomiin. Identtiset ytimet kuuluvat samaan nuklidiin, esimerkiksi jokainen hiili-13 nuklidiydin koostuu 6 protonista ja 7 neutronista. Nuklidien käsite (jotka viittaa yksittäisiin ydinlajeihin) korostaa ydinominaisuuksia kemiallisten ominaisuuksien sijaan, kun taas isotooppikonsepti (ryhmittelee kunkin alkuaineen kaikki atomit) korostaa kemiallista reaktiota ydinvoiman sijaan. Neutroniluvulla on suuri vaikutus ytimien ominaisuuksiin, mutta sen vaikutus kemiallisiin ominaisuuksiin on mitätön useimmille alkuaineille. Jopa kevyimmissä alkuaineissa, joissa neutronien suhde atomimäärään vaihtelee eniten isotooppien välillä, sillä on yleensä vain vähäinen vaikutus, vaikka sillä on joissakin tapauksissa merkitystä (vedylle, kevyimmälle alkuaineelle, isotooppivaikutus on suuri. Vaikuttaa suuresti biologiaan). Koska isotooppi on vanhempi termi, se tunnetaan paremmin kuin nuklidi, ja sitä käytetään edelleen toisinaan yhteyksissä, joissa nuklidi saattaa olla sopivampi, kuten ydinteknologia ja isotooppilääketiede.

Merkintä

Isotooppi tai nuklidi tunnistetaan tietyn alkuaineen nimestä (tämä osoittaa atominumeron), jota seuraa yhdysviiva ja massaluku (esimerkiksi helium-3, helium-4, hiili-12, hiili-14, uraani- 235 ja uraani-239). Kun käytetään kemiallista symbolia, esim. "C" hiilelle, standardimerkintä (tunnetaan nyt nimellä "AZE-merkintä", koska A on massaluku, Z on atomiluku ja E elementille) on osoittava massaluku (nukleonien lukumäärä) yläindeksillä kemiallisen symbolin vasemmassa yläkulmassa ja osoita atominumero alaindeksillä vasemmassa alakulmassa). Koska atominumero annetaan alkuaineen symbolilla, yleensä vain yläindeksin massaluku annetaan, atomiindeksiä ei anneta. Kirjain m liitetään joskus massaluvun perään osoittamaan ydinisomeeriä, metastabiilia tai energeettisesti virittynyttä ydintilaa (toisin kuin alhaisimman energian perustila), kuten 180m 73Ta (tantaali-180m).

Radioaktiiviset, primaariset ja vakaat isotoopit

Jotkut isotoopit ovat radioaktiivisia, ja siksi niitä kutsutaan radioisotoopeiksi tai radionuklideiksi, kun taas toisten ei ole koskaan havaittu hajoavan radioaktiivisesti, ja niitä kutsutaan stabiileiksi isotoopeiksi tai stabiileiksi nuklideiksi. Esimerkiksi 14 C on hiilen radioaktiivinen muoto, kun taas 12 C ja 13 C ovat stabiileja isotooppeja. Maapallolla on noin 339 luonnossa esiintyvää nuklidia, joista 286 on alkunuklideja, eli ne ovat olleet olemassa aurinkokunnan muodostumisesta lähtien.

Alkuperäiset nuklidit sisältävät 32 nuklidia, joilla on erittäin pitkä puoliintumisaika (yli 100 miljoonaa vuotta) ja 254, joita muodollisesti pidetään "stabiileina nuklideina", koska niiden ei ole havaittu hajoavan. Useimmissa tapauksissa, ilmeisistä syistä, jos elementillä on stabiileja isotooppeja, nämä isotoopit hallitsevat maapallon ja aurinkokunnan alkuaineiden runsautta. Kuitenkin kolmen alkuaineen (telluuri, indium ja renium) tapauksessa runsain luonnossa esiintyvä isotooppi on itse asiassa yksi (tai kaksi) erittäin pitkäikäistä alkuaineen radioisotooppia huolimatta siitä, että nämä alkuaineet niillä on yksi tai useampi stabiili isotooppi.

Teoria ennustaa, että monet näennäisesti "stabiilit" isotoopit/nuklidit ovat radioaktiivisia, ja niillä on erittäin pitkä puoliintumisaika (ei oteta huomioon protonien hajoamisen mahdollisuutta, joka tekisi kaikista nuklideista lopulta epävakaita). Niistä 254 nuklidista, joita ei ole koskaan havaittu, vain 90 (kaikki ensimmäiset 40 alkuainetta) ovat teoreettisesti vastustuskykyisiä kaikille tunnetuille hajoamismuodoille. Alkuaine 41 (niobium) on teoriassa epävakaa spontaanin fission vuoksi, mutta tätä ei ole koskaan löydetty. Monet muut stabiilit nuklidit ovat teoriassa energeettisesti herkkiä muille tunnetuille hajoamismuodoille, kuten alfahajoamiselle tai kaksoisbeetahajoamiselle, mutta hajoamistuotteita ei ole vielä havaittu, ja siksi näitä isotooppeja pidetään "havainnon kannalta stabiileina". Näiden nuklidien ennustetut puoliintumisajat ylittävät usein suuresti universumin arvioidun iän, ja itse asiassa tunnetaan myös 27 radionuklidia, joiden puoliintumisajat ovat pidempiä kuin maailmankaikkeuden ikä.

Radioaktiivisia nuklideja, keinotekoisesti luotuja, tunnetaan tällä hetkellä 3339 nuklidia. Näihin kuuluu 905 nuklidia, jotka ovat joko stabiileja tai joiden puoliintumisaika on yli 60 minuuttia.

Isotooppien ominaisuudet

Kemialliset ja molekyyliset ominaisuudet

Neutraalissa atomissa on sama määrä elektroneja kuin protoneissa. Siten tietyn alkuaineen eri isotoopeilla on sama määrä elektroneja ja niillä on samanlainen elektronirakenne. Koska atomin kemiallinen käyttäytyminen määräytyy suurelta osin sen elektronisen rakenteen perusteella, eri isotoopeilla on lähes identtinen kemiallinen käyttäytyminen.

Poikkeuksena on kineettinen isotooppivaikutus: suuren massansa vuoksi raskaammat isotoopit reagoivat jonkin verran hitaammin kuin saman alkuaineen kevyet isotoopit. Tämä on selkein protiumilla (1 H), deuteriumilla (2 H) ja tritiumilla (3 H), koska deuteriumilla on kaksinkertainen massa protiumiin ja tritiumilla on kolme kertaa protiumin massa. Nämä massaerot vaikuttavat myös niiden vastaavien kemiallisten sidosten käyttäytymiseen muuttamalla atomijärjestelmien painopistettä (vähennetty massa). Raskaampien alkuaineiden suhteellinen massaero isotooppien välillä on kuitenkin paljon pienempi, joten massaeron vaikutukset kemiassa ovat yleensä mitättömiä. (Raskaissa elementeissä on myös suhteellisesti enemmän neutroneja kuin kevyemmissä elementeissä, joten ydinmassan suhde elektronien kokonaismassaan on jonkin verran suurempi.)

Samoin kahdella molekyylillä, jotka eroavat vain atomiensa isotooppeilta (isotopologeilta), on sama elektroninen rakenne ja siten lähes erottamattomat fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet (jälleen deuterium ja tritium ovat ensisijaisia ​​poikkeuksia). Molekyylin värähtelytavat määräytyvät sen muodon ja sen muodostavien atomien massojen perusteella; Siksi eri isotopologeilla on erilaisia ​​​​värähtelymuotoja. Koska värähtelymuodot sallivat molekyylin absorboida sopivan energian fotoneja, isotopologeilla on erilaiset optiset ominaisuudet infrapunassa.

Ydinominaisuudet ja stabiilius

Atomiytimet koostuvat protoneista ja neutroneista, joita sitoo yhteen vahva jäännösvoima. Koska protonit ovat positiivisesti varautuneita, ne hylkivät toisiaan. Neutronit, jotka ovat sähköisesti neutraaleja, stabiloivat ytimen kahdella tavalla. Niiden kosketus työntää protoneja hieman taaksepäin, mikä vähentää protonien välistä sähköstaattista repulsiota, ja ne kohdistavat houkuttelevan ydinvoiman toisiinsa ja protoneihin. Tästä syystä tarvitaan yksi tai useampi neutroni kahden tai useamman protonin sitoutumiseen ytimeen. Protonien määrän kasvaessa neutronien ja protonien välinen suhde kasvaa vakaan ytimen aikaansaamiseksi (katso kuvaaja oikealla). Esimerkiksi vaikka suhde neutroni: protoni 3 2 He on 1:2, suhde neutroni: protoni 238 92 U
Yli 3:2. Useilla kevyemmillä alkuaineilla on stabiileja nuklideja, joiden suhde on 1:1 (Z = N). Nuklidi 40 20 Ca (kalsium-40) on havaittavissa painavin stabiili nuklidi, jossa on sama määrä neutroneja ja protoneja; (Teoreettisesti raskain talli on rikki-32). Kaikki vakaat nuklidit, jotka ovat raskaampia kuin kalsium-40, sisältävät enemmän neutroneja kuin protoneja.

Isotooppien lukumäärä alkuainetta kohden

81 alkuaineesta, joissa on stabiileja isotooppeja, suurin määrä stabiileja isotooppeja mille tahansa alkuaineelle on kymmenen (alkuaineelle tina). Millään alkuaineella ei ole yhdeksää stabiilia isotooppia. Ksenon on ainoa alkuaine, jolla on kahdeksan stabiilia isotooppia. Neljällä alkuaineella on seitsemän stabiilia isotooppia, joista kahdeksalla on kuusi stabiilia isotooppia, kymmenellä on viisi stabiilia isotooppia, yhdeksällä on neljä stabiilia isotooppia, viidellä on kolme stabiilia isotooppia, 16:lla on kaksi stabiilia isotooppia ja 26 alkuaineella on vain yksi (joista 19 on ns. mononuklidialkuaineet, joilla on yksi alkuperäinen stabiili isotooppi, joka hallitsee ja kiinnittää suurella tarkkuudella luonnollisen alkuaineen atomipainon, mukana on myös 3 radioaktiivista mononuklidialkuainetta). Yhteensä 254 nuklidia ei ole havaittu hajoavan. 80 alkuaineelle, joissa on yksi tai useampi stabiili isotooppi, stabiilien isotooppien keskimääräinen lukumäärä on 254/80 = 3,2 isotooppia elementtiä kohden.

Parillinen ja pariton määrä nukleoneja

Protonit: Neutronien suhde ei ole ainoa ydinvakauteen vaikuttava tekijä. Se riippuu myös sen atomiluvun Z pariteetista tai pariteetista, neutronien lukumäärästä N, eli niiden massaluvun A summasta. Pariton sekä Z että N pyrkivät vähentämään ytimen sitoutumisenergiaa, jolloin syntyy parittomia ytimiä, jotka ovat yleensä vähemmän vakaita. Tällä merkittävällä erolla naapuriytimien, erityisesti parittomien isobaarien, välisessä ydinsidosenergiassa on tärkeitä seurauksia: epästabiilit isotoopit, joissa on optimaalinen määrä neutroneja tai protoneja, hajoavat beetahajoamisen (mukaan lukien positronihajoamisen), elektronien sieppauksen tai muiden eksoottisten keinojen, kuten spontaanin fission ja rappeutuminen, klusterit.

Useimmat stabiilit nuklidit ovat parillinen määrä protoneja ja parillinen määrä neutroneja, joissa Z, N ja A ovat kaikki parillisia. Parittomat stabiilit nuklidit jaetaan (suunnilleen tasaisesti) parittomiin.

atominumero

148 parillisen protoni- ja parillisen neutronin nuklidia (EE) muodostavat ~58 % kaikista stabiileista nuklideista. Siellä on myös 22 alkuperäistä pitkäikäistä tasaista nuklidia. Tämän seurauksena jokaisella 41 parillisesta alkuaineesta 2-82 on vähintään yksi stabiili isotooppi, ja useimmilla näistä alkuaineista on useita primäärisiä isotooppeja. Puolella näistä parillisista alkuaineista on kuusi tai enemmän stabiilia isotooppia. Helium-4:n äärimmäinen stabiilius, joka johtuu kahden protonin ja kahden neutronin binäärisitoutumisesta, estää viidestä tai kahdeksasta nukleonia sisältävien nuklidien olemassaolosta riittävän kauan toimiakseen alustana raskaampien alkuaineiden kerääntymiselle ydinfuusion kautta.

Näissä 53 stabiilissa nuklidissa on parillinen määrä protoneja ja pariton määrä neutroneja. Ne ovat vähemmistö verrattuna parillisiin isotoopeihin, joita on noin 3 kertaa enemmän. Niistä 41 parillisen Z-elementin joukosta, joilla on stabiili nuklidi, vain kahdella alkuaineella (argonilla ja ceriumilla) ei ole parillisen ja parittoman stabiileja nuklideja. Yhdellä elementillä (tinalla) on kolme. On 24 elementtiä, joissa on yksi pariton nuklidi ja 13, joissa on kaksi pariton nuklidia.

Parittomien neutronilukujensa vuoksi parittomilla nuklideilla on yleensä suuret neutronien sieppauspoikkileikkaukset johtuen neutronien kytkentävaikutuksista tulevasta energiasta. Näitä stabiileja nuklideja voi olla luonnossa epätavallisen runsaasti, pääasiassa siksi, että muodostuakseen ja saavuttaakseen alkukantaisen runsauden niiden täytyy paeta neutronien sieppaamista muodostaakseen vielä muita stabiileja parittomia isotooppeja prosessin aikana ja r on neutronien sieppausprosessi nukleosynteesin aikana.

pariton atomiluku

48 stabiilia parittomien protonien ja parillisten neutronien nuklidia, jotka ovat stabiloituneet parillisella neutroniparilla, muodostavat suurimman osan parittomien alkuaineiden stabiileista isotoopeista; Hyvin harvat parittomat-protoni-parittomat neutroninuklidit muodostavat muita. Parittomia alkuaineita Z = 1 - 81 on 41, joista 39:llä on stabiileja isotooppeja (alkuaineilla teknetium (43 Tc) ja prometium (61 Pm) ei ole stabiileja isotooppeja). Näistä 39 parittomasta Z-alkuaineesta 30 alkuaineessa (mukaan lukien vety-1, jossa 0 neutronia on parillinen) on yksi stabiili pariton isotooppi ja yhdeksän alkuainetta: kloori (17 Cl), kalium (19K), kupari (29 Cu), galliumilla (31 Ga), bromilla (35 Br), hopealla (47 Ag), antimonilla (51 Sb), iridiumilla (77 Ir) ja talliumilla (81 Tl) on kummallakin kaksi parittoman tai parillisen stabiilia isotooppia. Näin saadaan 30 + 2 (9) = 48 stabiilia parillista isotooppia.

Vain viisi stabiilia nuklidia sisältää sekä parittoman määrän protoneja että parittoman määrän neutroneja. Ensimmäiset neljä "pariton-pariton" nuklidia esiintyvät pienimolekyylipainoisissa nuklideissa, joiden protonista neutroniksi tai päinvastoin muuttuminen johtaa erittäin vinoon protoni-neutronisuhteeseen.

Ainoa täysin "stabiili", pariton nuklidi on 180m 73 Ta, jota pidetään harvinaisimpana 254 stabiilista isotoopista ja se on ainoa ydinisomeeri, jonka ei ole vielä havaittu hajoavan kokeellisista yrityksistä huolimatta.

Pariton määrä neutroneja

Aktinidit, joissa on pariton määrä neutroneja, taipuvat halkeamaan (lämpöneutroneilla), kun taas ne, joilla on parillinen neutronimäärä, eivät, vaikka ne fissioivat nopeiksi neutroneiksi. Kaikilla havainnollisesti stabiileilla parittomilla ja parittomilla nuklideilla on nollasta poikkeava kokonaislukuspin. Tämä johtuu siitä, että yhdellä parittoman neutronilla ja parittoman protonilla on enemmän ydinvoiman vetovoimaa toisiaan kohtaan, jos niiden spinit ovat kohdakkain (tuottaen vähintään 1 yksikön kokonaisspin) sen sijaan, että ne ovat kohdakkain.

Esiintyminen luonnossa

Alkuaineet koostuvat yhdestä tai useammasta luonnossa esiintyvästä isotoopista. Epästabiilit (radioaktiiviset) isotoopit ovat joko ensisijaisia ​​tai jälkiesimerkkejä. Alkuperäiset isotoopit olivat tähtien nukleosynteesin tai muun tyyppisen nukleosynteesin, kuten kosmisen säteen halkeamisen, tulosta ja ovat säilyneet tähän päivään asti, koska niiden hajoamisnopeus on niin hidas (esim. uraani-238 ja kalium-40). Luonnonjälkeisiä isotooppeja on syntynyt kosmisen säteen pommituksella kosmogeenisina nuklideina (esim. tritium, hiili-14) tai radioaktiivisen alkuisotoopin hajoamisena radioaktiivisen radiogeenisen nuklidin tytärlajiksi (esim. uraanista radiumiksi). Useita isotooppeja syntetisoidaan luonnollisesti nukleogeenisinä nuklideina muissa luonnollisissa ydinreaktioissa, kuten silloin, kun luonnollisesta ydinfissiosta peräisin olevat neutronit absorboituvat toiseen atomiin.

Kuten edellä mainittiin, vain 80 alkuaineella on stabiileja isotooppeja ja 26:lla niistä on vain yksi stabiili isotooppi. Näin ollen noin kaksi kolmasosaa pysyvistä alkuaineista esiintyy luonnossa maapallolla muutamissa stabiileissa isotooppeissa, ja suurin määrä pysyviä isotooppeja alkuaineelle on kymmenen, tinalla (50Sn). Maapallolla on noin 94 alkuainetta (plutonium mukaan lukien), vaikka joitain niistä löytyy vain hyvin pieniä määriä, kuten plutonium-244. Tutkijat uskovat, että maapallolla luonnossa esiintyviä alkuaineita (jotkut vain radioisotooppeina) esiintyy yhteensä 339 isotooppina (nuklidina). Vain 254 näistä luonnossa esiintyvistä isotoopeista on pysyviä siinä mielessä, että niitä ei ole havaittu tähän mennessä. Lisäksi 35 alkunuklidia (yhteensä 289 alkunuklidia) ovat radioaktiivisia, joiden puoliintumisajat tunnetaan, mutta niiden puoliintumisajat ovat yli 80 miljoonaa vuotta, mikä mahdollistaa niiden olemassaolon aurinkokunnan alusta lähtien.

Kaikki tunnetut vakaat isotoopit esiintyvät luonnossa maapallolla; Muut luonnolliset isotoopit ovat radioaktiivisia, mutta johtuen niiden suhteellisen pitkästä puoliintumisajasta tai muista jatkuvista luonnollisista tuotantomenetelmistä. Näitä ovat edellä mainitut kosmogeeniset nuklidit, nukleogeeniset nuklidit ja kaikki radiogeeniset isotoopit, jotka ovat seurausta primäärisen radioaktiivisen isotoopin, kuten radonin ja uraanista peräisin olevan radiumin, jatkuvasta hajoamisesta.

Toiset noin 3000 radioaktiivista isotooppia, joita ei löydy luonnosta, on luotu ydinreaktoreissa ja hiukkaskiihdyttimissä. Monia lyhytikäisiä isotooppeja, joita ei luonnollisesti esiinny maapallolla, on havaittu myös spektroskooppisella analyysillä, joka on luontaisesti syntynyt tähdissä tai supernoveissa. Esimerkkinä on alumiini-26, jota ei esiinny luonnossa maapallolla, mutta sitä löytyy runsaasti tähtitieteellisessä mittakaavassa.

Alkuaineiden taulukoidut atomimassat ovat keskiarvoja, jotka selittävät useiden eri massaisten isotooppien läsnäolon. Ennen isotooppien löytämistä empiirisesti määritetyt integroimattomat arvot atomimassalle hämmentyivät tutkijoita. Esimerkiksi kloorinäyte sisältää 75,8 % kloori-35:tä ja 24,2 % kloori-37:tä, jolloin keskimääräinen atomimassa on 35,5 atomimassayksikköä.

Yleisesti hyväksytyn kosmologian teorian mukaan alkuräjähdyksessä syntyi vain vedyn ja heliumin isotooppeja, jälkiä joistakin litiumin ja berylliumin isotoopeista ja mahdollisesti myös booria, ja kaikki muut isotoopit syntetisoitiin myöhemmin tähdissä ja supernoveissa. sekä energeettisten hiukkasten, kuten kosmisten säteiden, ja aiemmin saatujen isotooppien vuorovaikutuksessa. Vastaava isotooppien isotooppien runsaus maapallolla johtuu näiden prosessien tuottamista määristä, niiden etenemisestä galaksin läpi ja isotooppien hajoamisnopeudesta, jotka ovat epävakaita. Aurinkokunnan alkuperäisen sulautumisen jälkeen isotoopit jakautuivat uudelleen massan mukaan, ja alkuaineiden isotooppinen koostumus vaihtelee hieman planeetoittain. Tämä mahdollistaa joskus meteoriittien alkuperän jäljittämisen.

Isotooppien atomimassa

Isotoopin atomimassa (mr) määräytyy pääasiassa sen massaluvun (eli nukleonien lukumäärän sen ytimessä) perusteella. Pienet korjaukset johtuvat ytimen sitoutumisenergiasta, protonin ja neutronin pienestä massaerosta sekä atomiin liittyvien elektronien massasta.

Massa numero on mittaton määrä. Atomimassa puolestaan ​​mitataan käyttämällä atomimassan yksikköä, joka perustuu hiili-12-atomin massaan. Se on merkitty symboleilla "u" (yhtenäinen atomimassayksikkö) tai "Da" (daltonia).

Alkuaineen luonnollisten isotooppien atomimassat määräävät alkuaineen atomimassan. Kun alkuaine sisältää N isotooppia, alla oleva lauseke koskee keskimääräistä atomimassaa:

Missä m 1 , m 2 , …, mN ovat kunkin yksittäisen isotoopin atomimassat ja x 1 , …, xN on näiden isotooppien suhteellinen runsaus.

Isotooppien käyttö

On olemassa useita sovelluksia, jotka hyödyntävät tietyn alkuaineen eri isotooppien ominaisuuksia. Isotooppien erottaminen on tärkeä teknologinen ongelma erityisesti raskaiden alkuaineiden, kuten uraanin tai plutoniumin, kanssa. Kevyemmät alkuaineet, kuten litium, hiili, typpi ja happi, erotetaan tavallisesti niiden yhdisteiden, kuten CO ja NO, kaasudiffuusiolla. Vedyn ja deuteriumin erottaminen on epätavallista, koska se perustuu pikemminkin kemiallisiin kuin fysikaalisiin ominaisuuksiin, kuten Girdler-sulfidiprosessissa. Uraani-isotoopit on erotettu tilavuuden mukaan kaasudiffuusiolla, kaasusentrifugoinnilla, laserionisaatioerottelulla ja (Manhattan-projektissa) massaspektrometrian tuotantotyypin mukaan.

Kemiallisten ja biologisten ominaisuuksien käyttö

• Isotooppianalyysi on isotooppitunnisteen, tietyn alkuaineen isotooppien suhteellisen runsauden määrittäminen tietyssä näytteessä. Erityisesti ravintoaineiden osalta C-, N- ja O-isotoopeissa voi esiintyä merkittäviä vaihteluita, joiden analysoinnilla on monenlaisia ​​sovelluksia, kuten elintarvikkeiden väärennösten tai elintarvikkeiden maantieteellisen alkuperän havaitseminen isomaisemien avulla. Joidenkin Marsista peräisin olevien meteoriittien tunnistaminen perustuu osittain niiden sisältämien hivenkaasujen isotooppiseen allekirjoitukseen.
• Isotooppisen substituution avulla voidaan määrittää kemiallisen reaktion mekanismi kineettisen isotooppivaikutuksen kautta.
• Toinen yleinen sovellus on isotooppileimaus, epätavallisten isotooppien käyttö merkkiaineina tai merkkiaineina kemiallisissa reaktioissa. Yleensä tietyn alkuaineen atomeja ei voi erottaa toisistaan. Massaspektrometrialla tai infrapunaspektroskopialla voidaan kuitenkin erottaa erilaisia ​​ei-radioaktiivisia stabiileja isotooppeja käyttämällä eri massaisia ​​isotooppeja. Esimerkiksi "Stable Isotope Labeling of Amino Acids in Cell Culture" (SILAC) -julkaisussa stabiileja isotooppeja käytetään proteiinien kvantifiointiin. Jos käytetään radioaktiivisia isotooppeja, ne voidaan havaita niiden lähettämän säteilyn perusteella (tätä kutsutaan radioisotooppimerkinnällä).
• Isotooppeja käytetään yleisesti eri alkuaineiden tai aineiden pitoisuuksien määrittämiseen isotooppilaimennusmenetelmällä, jossa näytteisiin sekoitetaan tunnetut määrät isotooppisesti substituoituja yhdisteitä ja syntyvien seosten isotooppiset ominaisuudet määritetään massaspektrometrialla.

Ydinominaisuuksien käyttö

• Radioisotooppitunnistuksen kaltainen menetelmä on radiometrinen ajoitus: käyttämällä epästabiilin alkuaineen tunnettua puoliintumisaikaa voidaan laskea aika, joka on kulunut tunnetun isotooppipitoisuuden olemassaolosta. Tunnetuin esimerkki on radiohiilidataus, jota käytetään hiilipitoisten materiaalien iän määrittämiseen.
• Jotkut spektroskopian muodot perustuvat tiettyjen radioaktiivisten ja stabiilien isotooppien ainutlaatuisiin ydinominaisuuksiin. Esimerkiksi ydinmagneettista resonanssispektroskopiaa (NMR) voidaan käyttää vain isotoopeille, joiden ydinspin ei ole nolla. Yleisimmät NMR-spektroskopiassa käytetyt isotoopit ovat 1 H, 2 D, 15 N, 13 C ja 31 P.
• Mössbauer-spektroskopia perustuu myös tiettyjen isotooppien, kuten 57 Fe:n, ydinsiirtymiin.

Todennäköisesti maan päällä ei ole sellaista henkilöä, joka ei olisi kuullut isotoopeista. Mutta kaikki eivät tiedä mitä se on. Ilmaus "radioaktiiviset isotoopit" kuulostaa erityisen pelottavalta. Nämä hämärät kemialliset alkuaineet pelottavat ihmiskuntaa, mutta itse asiassa ne eivät ole niin pelottavia kuin miltä ensi silmäyksellä näyttää.

Määritelmä

Radioaktiivisten alkuaineiden käsitteen ymmärtämiseksi on ensin sanottava, että isotoopit ovat näytteitä samasta kemiallisesta alkuaineesta, mutta joilla on eri massat. Mitä se tarkoittaa? Kysymykset katoavat, jos muistamme ensin atomin rakenteen. Se koostuu elektroneista, protoneista ja neutroneista. Kahden ensimmäisen alkuainehiukkasen lukumäärä atomin ytimessä on aina vakio, kun taas neutroneja, joilla on oma massa, voi esiintyä samassa aineessa eri määriä. Tämä seikka aiheuttaa useita kemiallisia alkuaineita, joilla on erilaiset fysikaaliset ominaisuudet.

Nyt voimme antaa tieteellisen määritelmän tutkittavalle käsitteelle. Isotoopit ovat siis kumulatiivinen joukko kemiallisia alkuaineita, joilla on samanlaiset ominaisuudet, mutta joilla on erilaiset massat ja fysikaaliset ominaisuudet. Nykyaikaisemman terminologian mukaan niitä kutsutaan kemiallisen alkuaineen nukleotidien galaksiksi.

Hieman historiaa

Viime vuosisadan alussa tutkijat havaitsivat, että samalla kemiallisella yhdisteellä voi eri olosuhteissa olla eri elektroniytimien massat. Puhtaasti teoreettisesta näkökulmasta katsottuna tällaisia ​​elementtejä voitaisiin pitää uutena ja ne voisivat alkaa täyttää tyhjiä soluja D. Mendelejevin jaksollisessa taulukossa. Mutta siinä on vain yhdeksän vapaata solua, ja tutkijat löysivät kymmeniä uusia elementtejä. Lisäksi matemaattiset laskelmat osoittivat, että löydettyjä yhdisteitä ei voida pitää aiemmin tuntemattomina, koska niiden kemialliset ominaisuudet vastasivat täysin olemassa olevien ominaisuuksia.

Pitkien keskustelujen jälkeen näitä alkuaineita päätettiin kutsua isotoopeiksi ja sijoittaa ne samaan soluun niiden kanssa, joiden ytimissä on sama määrä elektroneja. Tutkijat ovat pystyneet määrittämään, että isotoopit ovat vain joitain kemiallisten alkuaineiden muunnelmia. Niiden esiintymisen syitä ja eliniän kestoa tutkittiin kuitenkin lähes vuosisadan ajan. Vielä 2000-luvun alussa on mahdotonta väittää, että ihmiskunta tietää ehdottomasti kaiken isotoopeista.

Pysyvät ja ei-pysyvät vaihtelut

Jokaisella kemiallisella alkuaineella on useita isotooppeja. Koska niiden ytimissä on vapaita neutroneja, ne eivät aina muodosta stabiileja sidoksia atomin muun osan kanssa. Jonkin ajan kuluttua ytimestä poistuvat vapaat hiukkaset, mikä muuttaa sen massaa ja fysikaalisia ominaisuuksia. Näin muodostuu muita isotooppeja, jotka lopulta johtavat aineen muodostumiseen, jossa on yhtä monta protoneja, neutroneja ja elektroneja.

Aineita, jotka hajoavat hyvin nopeasti, kutsutaan radioaktiivisiksi isotoopeiksi. Ne vapauttavat suuren määrän neutroneja avaruuteen muodostaen voimakasta ionisoivaa gammasäteilyä, joka tunnetaan vahvasta läpäisevyydestään ja joka vaikuttaa negatiivisesti eläviin organismeihin.

Vakaammat isotoopit eivät ole radioaktiivisia, koska niiden vapauttamien vapaiden neutronien määrä ei pysty tuottamaan säteilyä ja vaikuttamaan merkittävästi muihin atomeihin.

Melko kauan sitten tiedemiehet loivat yhden tärkeän mallin: jokaisella kemiallisella alkuaineella on omat isotooppinsa, pysyvät tai radioaktiiviset. Mielenkiintoista on, että monet niistä saatiin laboratoriossa, ja niiden esiintyminen luonnollisessa muodossaan on vähäistä, eikä niitä aina tallenneta instrumenteilla.

Jakautuminen luonnossa

Luonnollisissa olosuhteissa useimmiten on aineita, joiden isotooppimassa määräytyy suoraan sen järjestysnumeron perusteella D. Mendeleevin taulukossa. Esimerkiksi vedyn, jota merkitään symbolilla H, sarjanumero on 1 ja sen massa on yksi. Sen isotoopit 2H ja 3H ovat luonnossa erittäin harvinaisia.

Jopa ihmiskehossa on tietty määrä radioaktiivisia isotooppeja. Ne pääsevät sisään ruuan mukana hiili-isotooppien muodossa, jotka puolestaan ​​​​imeytyvät kasveihin maaperästä tai ilmasta ja siirtyvät orgaanisen aineen koostumukseen fotosynteesin aikana. Siksi sekä ihmiset, eläimet että kasvit lähettävät tietyn säteilytaustan. Vain se on niin alhainen, että se ei häiritse normaalia toimintaa ja kasvua.

Isotooppien muodostumiseen vaikuttavia lähteitä ovat maan ytimen sisäkerrokset ja ulkoavaruudesta tuleva säteily.

Kuten tiedät, planeetan lämpötila riippuu suurelta osin sen kuumasta ytimestä. Mutta vasta äskettäin kävi selväksi, että tämän lämmön lähde on monimutkainen lämpöydinreaktio, johon radioaktiiviset isotoopit osallistuvat.

Isotooppien hajoaminen

Koska isotoopit ovat epävakaita muodostumia, voidaan olettaa, että ne hajoavat ajan myötä aina pysyvämmiksi kemiallisten alkuaineiden ytimiksi. Tämä väite on totta, koska tutkijat eivät ole pystyneet havaitsemaan valtavaa määrää radioaktiivisia isotooppeja luonnosta. Ja suurin osa laboratorioissa louhituista kesti muutamasta minuutista useisiin päiviin ja muuttui sitten takaisin tavallisiksi kemiallisiksi alkuaineiksi.

Mutta luonnossa on myös isotooppeja, jotka kestävät hyvin hajoamista. Ne voivat olla olemassa miljardeja vuosia. Tällaisia ​​alkuaineita muodostui noina kaukaisina aikoina, jolloin maa oli vielä muodostumassa, eikä sen pinnalla ollut edes kiinteää kuorta.

Radioaktiiviset isotoopit hajoavat ja muodostuvat uudelleen hyvin nopeasti. Siksi tutkijat päättivät harkita sen puoliintumisajan luokkaa isotoopin stabiilisuuden arvioinnin helpottamiseksi.

Puolikas elämä

Kaikille lukijoille ei välttämättä ole heti selvää, mitä tällä käsitteellä tarkoitetaan. Määritellään se. Isotoopin puoliintumisaika on aika, jonka aikana otetun aineen ehdollinen puolikas lakkaa olemasta.

Tämä ei tarkoita, että loput yhteydestä tuhoutuisivat samassa ajassa. Tämän puolikkaan suhteen on tarpeen harkita eri luokkaa - ajanjaksoa, jonka aikana sen toinen osa, eli neljännes aineen alkuperäisestä määrästä, katoaa. Ja tämä pohdiskelu jatkuu loputtomiin. Voidaan olettaa, että alkuperäisen ainemäärän täydellisen hajoamisajan laskeminen on yksinkertaisesti mahdotonta, koska tämä prosessi on käytännössä loputon.

Puoliintumisajan tuntevat tiedemiehet voivat kuitenkin määrittää, kuinka paljon ainetta oli olemassa alussa. Näitä tietoja käytetään menestyksekkäästi läheisissä tieteissä.

Nykyaikaisessa tieteellisessä maailmassa täydellisen rappeutumisen käsitettä ei käytännössä käytetä. Jokaiselle isotoopille on tapana ilmoittaa sen puoliintumisaika, joka vaihtelee muutamasta sekunnista useisiin miljardeihin vuosiin. Mitä pienempi puoliintumisaika, sitä enemmän aineesta tulee säteilyä ja sitä suurempi on sen radioaktiivisuus.

Mineraalien rikastaminen

Joillakin tieteen ja tekniikan aloilla suhteellisen suurten radioaktiivisten aineiden käyttöä pidetään pakollisena. Mutta samaan aikaan luonnollisissa olosuhteissa tällaisia ​​​​yhdisteitä on hyvin vähän.

Tiedetään, että isotoopit ovat kemiallisten alkuaineiden harvinaisia ​​muunnelmia. Niiden lukumäärää mitataan muutamalla prosentilla vastustuskykyisimmästä lajikkeesta. Siksi tutkijoiden on suoritettava fossiilisten materiaalien keinotekoinen rikastaminen.

Vuosien tutkimustyön aikana saatiin selville, että isotoopin hajoamiseen liittyy ketjureaktio. Yhden aineen vapautuneet neutronit alkavat vaikuttaa toiseen. Tämän seurauksena raskaat ytimet hajoavat kevyemmiksi ja saadaan uusia kemiallisia alkuaineita.

Tätä ilmiötä kutsutaan ketjureaktioksi, jonka seurauksena voidaan saada vakaampia, mutta vähemmän yleisiä isotooppeja, joita käytetään myöhemmin kansantaloudessa.

Hajoamisenergian soveltaminen

Tutkijat havaitsivat myös, että radioaktiivisen isotoopin hajoamisen aikana vapautuu valtava määrä vapaata energiaa. Sen määrä mitataan yleensä Curie-yksiköllä, joka on yhtä suuri kuin 1 g radon-222:n fissioaika 1 sekunnissa. Mitä korkeampi tämä indikaattori, sitä enemmän energiaa vapautuu.

Tämä oli syy ilmaisen energian käyttötapojen kehittämiseen. Näin syntyivät ydinreaktorit, joihin sijoitetaan radioaktiivinen isotooppi. Suurin osa sen luovuttamasta energiasta kerätään ja muunnetaan sähköksi. Näiden reaktorien pohjalta luodaan ydinvoimaloita, jotka tuottavat halvinta sähköä. Tällaisten reaktorien supistetut versiot laitetaan itseliikkuviin mekanismeihin. Onnettomuusvaara huomioon ottaen tällaiset koneet ovat useimmiten sukellusveneitä. Reaktorivian sattuessa sukellusveneen uhrien määrä on helpompi minimoida.

Toinen erittäin pelottava vaihtoehto puoliintumisajan energian käyttämiseen ovat atomipommit. Toisen maailmansodan aikana niitä testattiin ihmiskunnalla Japanin kaupungeissa Hiroshimassa ja Nagasakissa. Seuraukset olivat erittäin surullisia. Siksi maailmalla on sopimus näiden vaarallisten aseiden käyttämättä jättämisestä. Samaan aikaan suuret militarisointiin keskittyvät valtiot jatkavat tämän alan tutkimusta tänään. Lisäksi monet heistä tekevät salaa maailmanyhteisöltä atomipommeja, jotka ovat tuhansia kertoja vaarallisempia kuin Japanissa käytetyt.

Isotoopit lääketieteessä

Rauhanomaisiin tarkoituksiin radioaktiivisten isotooppien hajoamista on opittu käyttämään lääketieteessä. Ohjaamalla säteilyä vaurioituneelle kehon alueelle on mahdollista pysäyttää taudin kulku tai auttaa potilasta toipumaan kokonaan.

Mutta useammin radioaktiivisia isotooppeja käytetään diagnostiikassa. Asia on siinä, että niiden liike ja klusterin luonne on helpoin korjata niiden tuottaman säteilyn avulla. Joten tietty ei-vaarallinen määrä radioaktiivista ainetta joutuu ihmiskehoon, ja lääkärit tarkkailevat instrumenttien avulla, miten ja minne se pääsee.

Siten aivojen työn, syöpäkasvainten luonteen, endokriinisten ja ulkoisten eritysrauhasten työn ominaisuudet diagnosoidaan.

Sovellus arkeologiassa

Tiedetään, että elävissä organismeissa on aina radioaktiivista hiili-14:ää, jonka isotoopin puoliintumisaika on 5570 vuotta. Lisäksi tutkijat tietävät, kuinka paljon tätä elementtiä on kehossa hänen kuolemansa hetkeen saakka. Tämä tarkoittaa, että kaikki kaadetut puut säteilevät yhtä paljon säteilyä. Ajan myötä säteilyn voimakkuus vähenee.

Tämä auttaa arkeologeja määrittämään, kuinka kauan sitten puu, josta keittiö tai mikä tahansa muu laiva rakennettiin, kuoli, ja siten myös rakentamisajankohdan. Tätä tutkimusmenetelmää kutsutaan radioaktiivisen hiilen analyysiksi. Hänen ansiostaan ​​tutkijoiden on helpompi määrittää historiallisten tapahtumien kronologia.

Tutkijat tutkivat radioaktiivisuuden ilmiötä 1900-luvun ensimmäisellä vuosikymmenellä. löysi suuren määrän radioaktiivisia aineita - noin 40. Niitä oli huomattavasti enemmän kuin vapaita paikkoja alkuaineiden jaksollisessa taulukossa vismutin ja uraanin välillä. Näiden aineiden luonne on ollut kiistanalainen. Jotkut tutkijat pitivät niitä itsenäisinä kemiallisina alkuaineina, mutta tässä tapauksessa kysymys niiden sijoittamisesta jaksolliseen taulukkoon osoittautui liukenemattomaksi. Toiset yleensä kielsivät heiltä oikeuden tulla kutsutuksi elementeiksi klassisessa mielessä. Vuonna 1902 englantilainen fyysikko D. Martin kutsui tällaisia ​​aineita radioelementeiksi. Niitä tutkittaessa kävi ilmi, että joillakin radioelementeillä on täsmälleen samat kemialliset ominaisuudet, mutta ne eroavat atomimassaltaan. Tämä seikka oli ristiriidassa kausilain pääsäännösten kanssa. Englantilainen tiedemies F. Soddy ratkaisi ristiriidan. Vuonna 1913 hän kutsui kemiallisesti samankaltaisia ​​radioelementtejä isotoopeiksi (kreikan sanoista, jotka tarkoittavat "samaa" ja "paikkaa"), eli niillä on sama paikka jaksollisessa järjestelmässä. Radioelementit osoittautuivat luonnollisten radioaktiivisten alkuaineiden isotoopeiksi. Ne kaikki on yhdistetty kolmeen radioaktiiviseen perheeseen, joiden esi-isot ovat toriumin ja uraanin isotoopit.

Hapen isotoopit. Kaliumin ja argonin isobaarit (isobaarit ovat eri alkuaineiden atomeja, joilla on sama massaluku).

Stabiilien isotooppien määrä parillisille ja parittomille alkuaineille.

Pian kävi selväksi, että myös muilla stabiileilla kemiallisilla alkuaineilla on isotooppeja. Suurin ansio heidän löytöessään kuuluu englantilaiselle fyysikolle F. Astonille. Hän löysi stabiileja isotooppeja monista alkuaineista.

Nykyajan näkökulmasta isotoopit ovat kemiallisen alkuaineen atomien lajikkeita: niillä on eri atomimassat, mutta sama ydinvaraus.

Niiden ytimet sisältävät siis saman määrän protoneja, mutta eri määrän neutroneja. Esimerkiksi luonnolliset hapen isotoopit, joiden Z = 8, sisältävät ytimeissään 8, 9 ja 10 neutronia. Isotoopin ytimessä olevien protonien ja neutronien lukumäärien summaa kutsutaan massaluvuksi A. Tästä syystä ilmoitettujen happi-isotooppien massaluvut ovat 16, 17 ja 18. Nyt hyväksytään seuraava isotooppien nimitys: Z arvo annetaan elementin symbolin vasemmassa alakulmassa, A-arvo vasemmassa yläkulmassa. Esimerkiksi: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

Keinotekoisen radioaktiivisuuden ilmiön löytämisen jälkeen saatiin noin 1800 keinotekoista radioaktiivista isotooppia käyttämällä ydinreaktioita elementeille, joiden Z-arvo on 1-110. Suurimmalla osalla keinotekoisista radioisotoopeista on erittäin lyhyet puoliintumisajat, mitattuna sekunneissa ja sekuntien murto-osissa; vain harvoilla on suhteellisen pitkä käyttöikä (esim. 10 Be - 2,7 10 6 vuotta, 26 Al - 8 10 5 vuotta jne.).

Pysyviä alkuaineita on luonnossa noin 280 isotooppia. Jotkut niistä osoittautuivat kuitenkin lievästi radioaktiivisiksi, ja niiden puoliintumisajat olivat valtavat (esim. 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Näiden isotooppien elinikä on niin pitkä, että niitä voidaan pitää stabiileina.

Vakaiden isotooppien maailmassa on edelleen monia ongelmia. Joten ei ole selvää, miksi niiden lukumäärä eri elementeissä vaihtelee niin paljon. Noin 25 % pysyvistä alkuaineista (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) on läsnä luonto on vain yksi atomityyppi. Nämä ovat niin sanottuja yksittäisiä elementtejä. Mielenkiintoista on, että niillä kaikilla (paitsi Be:llä) on parittomat Z-arvot. Yleensä parittomille alkuaineille stabiilien isotooppien määrä ei ylitä kahta. Päinvastoin, jotkut alkuaineet, joilla on parillinen Z, koostuvat suuresta määrästä isotooppeja (esimerkiksi Xe:ssä on 9, Sn - 10 stabiilia isotooppia).

Tietyn alkuaineen stabiilien isotooppien joukkoa kutsutaan galaksiksi. Niiden sisältö galaksissa vaihtelee usein suuresti. On mielenkiintoista huomata, että isotooppien runsaus, jonka massaluvut ovat neljän kerrannaisia ​​(12 C, 16 O, 20 Ca jne.), on suurin, vaikka tähän sääntöön on poikkeuksia.

Stabiilien isotooppien löytäminen mahdollisti atomimassojen pitkäaikaisen mysteerin ratkaisemisen - niiden poikkeaman kokonaisluvuista, mikä johtuu galaksin elementtien stabiilien isotooppien eri prosenttiosuuksista.

Ydinfysiikassa "isobaarien" käsite tunnetaan. Isobaareja kutsutaan eri alkuaineiden (eli eri Z-arvojen) isotoopeiksi, joilla on samat massaluvut. Isobaarien tutkiminen auttoi vahvistamaan monia tärkeitä säännönmukaisuuksia atomiytimien käyttäytymisessä ja ominaisuuksissa. Yksi näistä säännönmukaisuuksista ilmaistaan ​​neuvostokemistin S. A. Shchukarevin ja jemeniläisen fyysikon I. Mattauchin laatimalla säännöllä. Siinä sanotaan: jos kaksi isobaaria eroavat Z-arvoista 1:llä, toinen niistä on välttämättä radioaktiivinen. Klassinen esimerkki isobaariparista on 40 18 Ar - 40 19 K. Siinä kalium-isotooppi on radioaktiivinen. Shchukarev-Mattauch-sääntö teki mahdolliseksi selittää, miksi alkuaineilla teknetium (Z = 43) ja prometium (Z = 61) ei ole stabiileja isotooppeja. Koska niillä on parittomat Z-arvot, niille ei voitu odottaa enempää kuin kahta stabiilia isotooppia. Mutta kävi ilmi, että teknetiumin ja prometiumin isobaarit, molybdeenin (Z = 42) ja ruteniumin (Z = 44), neodyymin (Z = 60) ja samariumin (Z = 62) isobaarit ovat luonnossa edustettuina stabiileja atomien lajikkeita laajalla massalukualueella. Näin ollen fysikaaliset lait kieltävät teknetiumin ja prometiumin stabiilien isotooppien olemassaolon. Siksi näitä alkuaineita ei todellisuudessa ole luonnossa, ja ne piti syntetisoida keinotekoisesti.

Tiedemiehet ovat pitkään yrittäneet kehittää jaksoittaista isotooppijärjestelmää. Tietenkin se perustuu muihin periaatteisiin kuin jaksollisen elementtijärjestelmän perustaan. Mutta nämä yritykset eivät ole vielä johtaneet tyydyttäviin tuloksiin. On totta, että fyysikot ovat osoittaneet, että atomiytimien protoni- ja neutronikuorten täyttöjärjestys on periaatteessa samanlainen kuin elektronikuorten ja atomien osakuorten rakentaminen (katso Atom).

Tietyn alkuaineen isotooppien elektronikuoret rakennetaan täsmälleen samalla tavalla. Siksi niiden kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet ovat lähes identtiset. Ainoastaan ​​vedyn isotoopit (protium ja deuterium) ja niiden yhdisteet osoittavat huomattavia eroja ominaisuuksissa. Esimerkiksi raskas vesi (D 2 O) jäätyy +3,8:ssa, kiehuu 101,4 °C:ssa, sen tiheys on 1,1059 g / cm 3, ei tue eläin- ja kasviorganismien elämää. Veden elektrolyysissä vedyksi ja hapeksi H 2 0 -molekyylit pääosin hajoavat, kun taas raskasvesimolekyylit jäävät elektrolysaattoriin.

Muiden alkuaineiden isotooppien erottaminen on erittäin vaikea tehtävä. Siitä huolimatta monissa tapauksissa tarvitaan yksittäisten alkuaineiden isotooppeja, joiden sisältö on merkittävästi muuttunut luonnolliseen runsaaseen verrattuna. Esimerkiksi atomienergiaongelmaa ratkaistaessa tuli tarpeelliseksi erottaa isotoopit 235 U ja 238 U. Tätä tarkoitusta varten käytettiin ensin massaspektrometriamenetelmää, jonka avulla saatiin ensimmäiset kilot uraani-235:tä. vuonna 1944 Yhdysvalloissa. Tämä menetelmä osoittautui kuitenkin liian kalliiksi ja korvattiin kaasudiffuusiomenetelmällä, jossa käytettiin UF 6 :ta. Nyt on olemassa useita menetelmiä isotooppien erottamiseen, mutta ne kaikki ovat melko monimutkaisia ​​ja kalliita. Siitä huolimatta "erottamattomien erottamisen" ongelma ratkaistaan ​​onnistuneesti.

Uusi tieteellinen tieteenala ilmestyi - isotooppien kemia. Se tutkii kemiallisten alkuaineiden eri isotooppien käyttäytymistä kemiallisissa reaktioissa ja isotooppien vaihtoprosesseissa. Näiden prosessien seurauksena tietyn alkuaineen isotoopit jakautuvat uudelleen reagoivien aineiden kesken. Tässä on yksinkertaisin esimerkki: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (vesimolekyyli vaihtaa protiumatomin deuteriumatomiksi). Myös isotooppien geokemia kehittyy. Se tutkii maankuoren eri alkuaineiden isotooppikoostumuksen vaihteluita.

Ns. leimatut atomit, stabiilien alkuaineiden keinotekoiset radioaktiiviset isotoopit tai stabiilit isotoopit löytävät laajimman sovelluksen. Isotooppi-indikaattoreiden - leimattujen atomien - avulla he tutkivat alkuaineiden liikkumistapoja elottomassa ja elävässä luonnossa, aineiden ja alkuaineiden jakautumisen luonnetta erilaisissa esineissä. Isotooppeja käytetään ydinteknologiassa: materiaalina ydinreaktorien rakentamiseen; ydinpolttoaineena (toriumin, uraanin, plutoniumin isotoopit); lämpöydinfuusiossa (deuterium, 6 Li, 3 He). Radioaktiivisia isotooppeja käytetään myös laajalti säteilylähteinä.

On todettu, että jokainen luonnossa esiintyvä kemiallinen alkuaine on isotooppien seos (siis niiden atomimassat ovat murto-osia). Ymmärtääksesi, kuinka isotoopit eroavat toisistaan, on tarpeen tarkastella yksityiskohtaisesti atomin rakennetta. Atomi muodostaa ytimen ja elektronipilven. Atomin massaan vaikuttavat elektronit, jotka liikkuvat hämmästyttävällä nopeudella elektronipilven kiertoradalla, ytimen muodostavat neutronit ja protonit.

Mitä isotoopit ovat

isotoopit Kemiallisen alkuaineen atomityyppi. Jokaisessa atomissa on aina yhtä paljon elektroneja ja protoneja. Koska niillä on vastakkaiset varaukset (elektronit ovat negatiivisia ja protonit positiivisia), atomi on aina neutraali (tämä alkuainehiukkanen ei kanna varausta, se on yhtä suuri kuin nolla). Kun elektroni katoaa tai vangitaan, atomi menettää neutraaliuutensa ja muuttuu joko negatiiviseksi tai positiiviseksi ioniksi.
Neutroneilla ei ole varausta, mutta niiden lukumäärä saman alkuaineen atomiytimessä voi olla erilainen. Tämä ei vaikuta atomin neutraalisuuteen, mutta vaikuttaa sen massaan ja ominaisuuksiin. Esimerkiksi jokaisessa vetyatomin isotoopissa on yksi elektroni ja yksi protoni. Ja neutronien määrä on erilainen. Protiumissa on vain yksi neutroni, deuteriumissa on 2 neutronia ja tritiumissa 3 neutronia. Nämä kolme isotooppia eroavat toisistaan ​​huomattavasti ominaisuuksiltaan.

Isotooppien vertailu

Miten isotoopit eroavat toisistaan? Niillä on eri määrä neutroneja, eri massat ja erilaiset ominaisuudet. Isotoopeilla on identtinen elektronikuoren rakenne. Tämä tarkoittaa, että ne ovat melko samanlaisia ​​​​kemiallisilta ominaisuuksiltaan. Siksi heille määrätään yksi paikka jaksollisessa järjestelmässä.
Luonnosta on löydetty stabiileja ja radioaktiivisia (epästabiileja) isotooppeja. Radioaktiivisten isotooppien atomien ytimet voivat muuttua spontaanisti toisiksi ytimiksi. Radioaktiivisen hajoamisen aikana ne lähettävät erilaisia ​​hiukkasia.
Useimmissa alkuaineissa on yli kaksi tusinaa radioaktiivista isotooppia. Lisäksi radioaktiiviset isotoopit syntetisoidaan keinotekoisesti ehdottoman kaikille alkuaineille. Isotooppien luonnollisessa seoksessa niiden pitoisuus vaihtelee hieman.
Isotooppien olemassaolo teki mahdolliseksi ymmärtää, miksi joissain tapauksissa pienemmän atomimassan alkuaineilla on suurempi sarjanumero kuin suuremmilla atomimassaisilla elementeillä. Esimerkiksi argon-kalium-parissa argon sisältää raskaita isotooppeja ja kalium sisältää kevyitä isotooppeja. Siksi argonin massa on suurempi kuin kaliumin.

TheDifference.ru määritti, että isotooppien ero toisistaan ​​on seuraava:

Niissä on eri määrä neutroneja.
Isotoopeilla on eri atomimassat.
Ionien atomimassan arvo vaikuttaa niiden kokonaisenergiaan ja ominaisuuksiin.