се изотопи. Концептот на атомите како неделиви најмалите честички на материјата

Утврдено е дека секој хемиски елемент пронајден во природата е мешавина од изотопи (оттука тие имаат фракциони атомски маси). За да се разбере како изотопите се разликуваат еден од друг, неопходно е детално да се разгледа структурата на атомот. Атомот формира јадро и електронски облак. Масата на атомот е под влијание на електроните кои се движат со неверојатна брзина во орбитите во електронскиот облак, неутроните и протоните кои го сочинуваат јадрото.

Дефиниција

Неутроните немаат полнеж, но нивниот број во атомското јадро на истиот елемент може да биде различен. Ова не влијае на неутралноста на атомот, но влијае на неговата маса и својства. На пример, секој изотоп на атом на водород има по еден електрон и по еден протон. А бројот на неутрони е различен. Протиумот има само 1 неутрон, деутериумот има 2 неутрони, а тритиумот има 3 неутрони. Овие три изотопи значително се разликуваат едни од други по својства.

Споредба

Тие имаат различен број на неутрони, различни маси и различни својства. Изотопите имаат идентична структура на електронски обвивки. Тоа значи дека тие се доста слични по хемиски својства. Затоа, им се доделува едно место во периодичниот систем.

Во природата се пронајдени стабилни и радиоактивни (нестабилни) изотопи. Јадрата на атомите на радиоактивни изотопи се способни спонтано да се трансформираат во други јадра. Во процесот на радиоактивно распаѓање, тие испуштаат различни честички.

Повеќето елементи имаат над дваесетина радиоактивни изотопи. Покрај тоа, радиоактивните изотопи се вештачки синтетизирани за апсолутно сите елементи. Во природна мешавина на изотопи, нивната содржина малку флуктуира.

Постоењето на изотопи овозможи да се разбере зошто, во некои случаи, елементите со помала атомска маса имаат поголем сериски број од елементите со поголема атомска маса. На пример, во пар аргон-калиум, аргонот вклучува тешки изотопи, а калиумот вклучува лесни изотопи. Затоа, масата на аргон е поголема од онаа на калиумот.

Сајт на наоди

Тие имаат различен број на неутрони.
Изотопите имаат различни маси на атоми.
Вредноста на масата на атомите на јоните влијае на нивната вкупна енергија и својства.

изотопи- сорти на атоми (и јадра) на хемиски елемент кои имаат ист атомски (реден) број, но различен масен број.

Терминот изотоп е формиран од грчките корени isos (ἴσος „еднакво“) и topos (τόπος „место“), што значи „исто место“; Така, значењето на името е дека различни изотопи на ист елемент заземаат иста позиција во периодниот систем.

Три природни изотопи на водород. Фактот дека секој изотоп има еден протон има варијанти на водород: идентитетот на изотоп се одредува според бројот на неутрони. Од лево кон десно, изотопите се протиум (1H) со нула неутрони, деутериум (2H) со еден неутрон и тритиум (3H) со два неутрони.

Бројот на протони во јадрото на атомот се нарекува атомски број и е еднаков на бројот на електрони во неутрален (нејонизиран) атом. Секој атомски број идентификува одреден елемент, но не и изотоп; Атомот на даден елемент може да има широк опсег на бројот на неутрони. Бројот на нуклеони (и протони и неутрони) во јадрото е масениот број на атомот, а секој изотоп на даден елемент има различен масен број.

На пример, јаглерод-12, јаглерод-13 и јаглерод-14 се три изотопи на елементарен јаглерод со масени броеви 12, 13 и 14, соодветно. Атомскиот број на јаглеродот е 6, што значи дека секој јаглероден атом има 6 протони, така што неутронските броеви на овие изотопи се 6, 7 и 8, соодветно.

Хуклиди и изотопи

Нуклидот му припаѓа на јадрото, а не на атомот. Идентичните јадра припаѓаат на истиот нуклеид, на пример, секое јадро на јаглерод-13 нуклеид се состои од 6 протони и 7 неутрони. Концептот на нуклиди (се однесува на поединечни нуклеарни видови) ги нагласува нуклеарните својства над хемиските својства, додека концептот на изотоп (групирање на сите атоми на секој елемент) ја нагласува хемиската реакција над нуклеарната. Неутронскиот број има големо влијаниена својствата на јадрата, но неговиот ефект врз хемиските својства е занемарлив за повеќето елементи. Дури и во случај на најлесните елементи, каде што односот на неутроните и атомскиот број најмногу варира помеѓу изотопите, тој обично има само мал ефект, иако во некои случаи е важно (за водородот, најлесниот елемент, ефектот на изотоп е големи.Да многу влијае на биологијата). Бидејќи изотоп е постар термин, тој е подобро познат од нуклид и сè уште повремено се користи во контексти каде нуклидот може да биде посоодветен, како што се нуклеарната технологија и нуклеарната медицина.

Нотација

Изотоп или нуклид се идентификува со името на одреден елемент (ова го означува бројот на атомот) проследено со цртичка и масен број (на пример, хелиум-3, хелиум-4, јаглерод-12, јаглерод-14, ураниум- 235 и ураниум-239). Кога се користи хемиски симбол, на пр. „C“ за јаглерод, стандардната нотација (сега позната како „AZE нотација“ бидејќи A е масен број, Z е атомски број и E за елементот) е да го означи масениот број (број на нуклеони) со надреден знак на горе лево од хемискиот симбол и означете го атомскиот број со знак во долниот лев агол). Бидејќи атомскиот број е даден со симболот на елементот, обично се дава само масениот број во надписот, а атомскиот индекс не е даден. Буквата m понекогаш се додава по масовниот број за да означи нуклеарен изомер, метастабилна или енергетски возбудена нуклеарна состојба (за разлика од основната состојба со најниска енергија), како што е 180m 73Ta (тантал-180m).

Радиоактивни, примарни и стабилни изотопи

Некои изотопи се радиоактивни и затоа се нарекуваат радиоизотопи или радионуклиди, додека други никогаш не е забележано дека радиоактивно се распаѓаат и се нарекуваат стабилни изотопи или стабилни нуклиди. На пример, 14 C е радиоактивен облик на јаглерод, додека 12 C и 13 C се стабилни изотопи. На Земјата има околу 339 природни нуклиди, од кои 286 се исконски нуклиди, што значи дека постојат уште од формирањето на Сончевиот систем.

Оригиналните нуклиди вклучуваат 32 нуклиди со многу долг полуживот (над 100 милиони години) и 254 кои формално се сметаат за „стабилни нуклиди“ бидејќи не е забележано дека се распаѓаат. Во повеќето случаи, од очигледни причини, ако некој елемент има стабилни изотопи, тогаш тие изотопи доминираат со елементарното изобилство што се наоѓа на Земјата и во Сончевиот систем. Меѓутоа, во случајот на трите елементи (телуриум, индиум и рениум), најзастапениот изотоп пронајден во природата е всушност еден (или два) исклучително долготрајни радиоизотоп(и) на елементот, и покрај фактот што овие елементи имаат еден или повеќе стабилни изотопи.

Теоријата предвидува дека многу навидум „стабилни“ изотопи/нуклиди се радиоактивни, со екстремно долг полуживот (не земајќи ја предвид можноста за распаѓање на протонот, што би ги направило сите нуклиди на крајот нестабилни). Од 254 нуклиди кои никогаш не биле забележани, само 90 од нив (сите од првите 40 елементи) се теоретски отпорни на сите познати форми на распаѓање. Елементот 41 (ниобиум) е теоретски нестабилен со спонтана фисија, но тоа никогаш не е откриено. Многу други стабилни нуклиди теоретски се енергетски подложни на други познати форми на распаѓање, како што се алфа распаѓање или двојно бета распаѓање, но производите на распаѓање сè уште не се забележани, и затоа овие изотопи се сметаат за „набљудувачки стабилни“. Предвидениот полуживот за овие нуклиди често во голема мера ја надминува проценетата старост на универзумот, а всушност има и 27 познати радионуклиди со полуживот подолг од староста на универзумот.

Радиоактивни нуклиди, вештачки создадени, во моментов се познати 3339 нуклиди. Тие вклучуваат 905 нуклиди кои се или стабилни или имаат полуживот поголем од 60 минути.

Својства на изотоп

Хемиски и молекуларни својства

Неутрален атом има ист број на електрони како и протони. Така, различни изотопи на даден елемент имаат ист број на електрони и имаат слична електронска структура. Бидејќи хемиското однесување на атомот во голема мера е определено од неговата електронска структура, различни изотопи покажуваат речиси идентично хемиско однесување.

Исклучок од ова е ефектот на кинетичкиот изотоп: поради нивните големи маси, потешките изотопи имаат тенденција да реагираат нешто побавно од полесните изотопи на истиот елемент. Ова е најизразено за протиум (1 H), деутериум (2 H) и тритиум (3 H), бидејќи деутериумот има двојно поголема маса од протиум, а тритиумот има три пати поголема маса од протиум. Овие разлики во масата, исто така, влијаат на однесувањето на нивните соодветни хемиски врски со менување на центарот на гравитација (намалена маса) на атомските системи. Меѓутоа, за потешките елементи, релативната масена разлика помеѓу изотопите е многу помала, така што ефектите од масената разлика во хемијата обично се занемарливи. (Тешките елементи, исто така, имаат релативно повеќе неутрони од полесните елементи, така што односот на нуклеарната маса со вкупната маса на електрони е нешто поголем.)

Слично на тоа, две молекули кои се разликуваат само во изотопите на нивните атоми (изотополози) имаат иста електронска структура и оттука речиси неразлични физички и хемиски својства (повторно, примарни исклучоци се деутериумот и тритиумот). Вибрационите начини на молекулата се одредуваат според неговата форма и масите на нејзините составни атоми; Затоа, различни изотополози имаат различни групи на вибрациони режими. Бидејќи вибрационите режими дозволуваат молекулата да апсорбира фотони од соодветните енергии, изотополозите имаат различни оптички својства во инфрацрвената светлина.

Нуклеарни својства и стабилност

Изотопски полуживот. Графикот за стабилни изотопи отстапува од линијата Z = N како што се зголемува бројот на елементот Z

Атомските јадра се составени од протони и неутрони поврзани заедно со преостаната силна сила. Бидејќи протоните се позитивно наелектризирани, тие се одбиваат едни со други. Неутроните, кои се електрично неутрални, го стабилизираат јадрото на два начина. Нивниот контакт ги турка протоните малку наназад, намалувајќи ја електростатската одбивност помеѓу протоните и тие вршат атрактивна нуклеарна сила едни на други и на протоните. Поради оваа причина, еден или повеќе неутрони се потребни за два или повеќе протони да се врзат за јадрото. Како што се зголемува бројот на протони, така се зголемува и односот на неутроните и протоните потребни за да се обезбеди стабилно јадро (види графикон на десната страна). На пример, иако односот неутрон: протон 3 2 He е 1:2, односот неутрон: протон 238 92 U
Над 3:2. Голем број полесни елементи имаат стабилни нуклиди со сооднос 1:1 (Z = N). Нуклидот 40 20 Ca (калциум-40) е најтешкиот стабилен нуклид што може да се забележи со ист број на неутрони и протони; (Теоретски, најтешката штала е сулфур-32). Сите стабилни нуклиди потешки од калциум-40 содржат повеќе неутрони отколку протони.

Број на изотопи по елемент

Од 81 елемент со стабилни изотопи, најголемиот број на стабилни изотопи што може да се набљудуваат за кој било елемент е десет (за елементот калај). Ниту еден елемент нема девет стабилни изотопи. Ксенон е единствениот елемент со осум стабилни изотопи. Четири елементи имаат седум стабилни изотопи, од кои осум имаат шест стабилни изотопи, десет имаат пет стабилни изотопи, девет имаат четири стабилни изотопи, пет имаат три стабилни изотопи, 16 имаат два стабилни изотопи, а 26 елементи имаат само еден (од кои 19 се таканаречените мононуклидни елементи, кои имаат единствен примордијален стабилен изотоп кој доминира и со голема прецизност ја фиксира атомската тежина на природниот елемент, присутни се и 3 радиоактивни мононуклидни елементи). Вкупно има 254 нуклиди за кои не е забележано да се распаѓаат. За 80 елементи кои имаат еден или повеќе стабилни изотопи, просечниот број на стабилни изотопи е 254/80 = 3,2 изотопи по елемент.

Парен и непарен број на нуклеони

Протони: Односот на неутроните не е единствениот фактор што влијае на нуклеарната стабилност. Тоа зависи, исто така, од паритетот или паритетот на неговиот атомски број Z, бројот на неутрони N, па оттука и збирот на нивниот масен број A. Чудните и Z и N имаат тенденција да ја намалат нуклеарната енергија на врзување, создавајќи непарни јадра, генерално помалку стабилни. Оваа значајна разлика во нуклеарната врзувачка енергија помеѓу соседните јадра, особено непарните изобари, има важни последици: нестабилните изотопи со неоптимален број на неутрони или протони се распаѓаат со бета распаѓање (вклучувајќи распаѓање на позитрон), заробување електрони или други егзотични средства како спонтана фисија и распаѓање.кластери.

Повеќето стабилни нуклиди се парен број на протони и парен број на неутрони, каде Z, N и A се сите парни. Непарните стабилни нуклиди се поделени (приближно рамномерно) на непарни.

атомски број

148 парни протонски, дури и неутронски (ЕЕ) нуклиди сочинуваат ~ 58% од сите стабилни нуклиди. Има и 22 исконски долготрајни дури и нуклиди. Како резултат на тоа, секој од 41 парен елемент од 2 до 82 има најмалку еден стабилен изотоп, а повеќето од овие елементи имаат повеќе примарни изотопи. Половина од овие парни елементи имаат шест или повеќе стабилни изотопи. Екстремната стабилност на хелиум-4, поради бинарното поврзување на два протони и два неутрони, спречува какви било нуклиди што содржат пет или осум нуклеони да постојат доволно долго за да послужат како платформи за акумулација на потешки елементи преку нуклеарна фузија.

Овие 53 стабилни нуклиди имаат парен број на протони и непарен број на неутрони. Тие се малцинство во споредба со парните изотопи, кои се околу 3 пати побројни. Помеѓу 41 парен-Z елемент кои имаат стабилен нуклид, само два елементи (аргон и цериум) немаат парни-непарни стабилни нуклиди. Еден елемент (калај) има три. Постојат 24 елементи кои имаат еден пар-непарен нуклид и 13 кои имаат два парни-непарни нуклиди.

Поради нивниот непарен број на неутрони, парните-непарните нуклиди имаат тенденција да имаат големи пресеци за зафаќање на неутрони поради енергијата што доаѓа од ефектите на неутронско спојување. Овие стабилни нуклиди може да бидат невообичаено изобилни во природата, главно затоа што за да се формираат и да влезат во исконско изобилство, тие мора да избегаат од фаќање неутрони за да формираат уште други стабилни пар-непар изотопи во текот на тоа како s е процесот и r е процесот на фаќање неутрони.при нуклеосинтеза.

непарен атомски број

48-те стабилни нуклиди од непарни и парни неутрони, стабилизирани со нивниот парен број на спарени неутрони, го формираат најголемиот дел од стабилните изотопи на непарните елементи; Многу малку неутронски нуклиди непарни-протон-непарни сочинуваат други. Има 41 непарен елемент од Z = 1 до 81, од кои 39 имаат стабилни изотопи (елементите технициум (43 Tc) и прометиум (61 Pm) немаат стабилни изотопи). Од овие 39 непарни Z елементи, 30 елементи (вклучувајќи го и водород-1, каде што 0 неутрони е парен) имаат еден стабилен непарен изотоп и девет елементи: хлор (17 Cl), калиум (19 K), бакар (29 Cu), галиум (31 Ga), бром (35 Br), сребро (47 Ag), антимон (51 Sb), иридиум (77 Ir) и талиум (81 Tl) имаат по два непарни стабилни изотопи. Така, се добиваат 30 + 2 (9) = 48 стабилни дури и парни изотопи.

Само пет стабилни нуклиди содржат и непарен број протони и непарен број неутрони. Првите четири „непарни-непарни“ нуклиди се јавуваат во нуклиди со мала молекуларна тежина, за кои промената од протон во неутрон или обратно ќе резултира со многу искривен сооднос протон-неутрони.

Единствениот целосно „стабилен“, непарен-непарен нуклид е 180m 73 Ta, кој се смета за најреток од 254-те стабилни изотопи и е единствениот исконски нуклеарен изомер кој сè уште не е забележан да се распаѓа, и покрај експерименталните обиди.

Непарен број на неутрони

Актинидите со непарен број на неутрони имаат тенденција да се фисија (со термички неутрони), додека оние со парен неутронски број имаат тенденција да не, иако тие прават фисија во брзи неутрони. Сите набљудувачки стабилни непарни-непарни нуклиди имаат спин кој не е нула. Тоа е затоа што еден неспарен неутрон и неспарен протон имаат поголема привлечност на нуклеарна сила еден кон друг ако нивните вртења се порамнети (произведувајќи вкупно спин од најмалку 1 единица) наместо порамнети.

Појава во природата

Елементите се составени од еден или повеќе природни изотопи. Нестабилните (радиоактивни) изотопи се или примарни или пост-пример. Оригиналните изотопи беа производ на ѕвездена нуклеосинтеза или друг тип на нуклеосинтеза како што е разделувањето на космичките зраци и опстојуваа до денес бидејќи нивната стапка на распаѓање е толку бавна (на пр. ураниум-238 и калиум-40). Пост-природните изотопи се создадени со бомбардирање со космички зраци како космогени нуклиди (на пр. тритиум, јаглерод-14) или распаѓање на радиоактивен примордијален изотоп во ќерка на радиоактивен радиоген нуклид (на пр. ураниум во радиум). Неколку изотопи природно се синтетизираат како нуклеогени нуклиди со други природни нуклеарни реакции, како на пример кога неутроните од природната нуклеарна фисија се апсорбираат од друг атом.

Како што беше дискутирано погоре, само 80 елементи имаат стабилни изотопи, а 26 од нив имаат само еден стабилен изотоп. Така, околу две третини од стабилните елементи природно се појавуваат на Земјата во неколку стабилни изотопи, при што најголем број на стабилни изотопи за елемент е десет, за калај (50Sn). На Земјата постојат околу 94 елементи (до и вклучувајќи го и плутониумот), иако некои се наоѓаат само во многу мали количини, како што е плутониум-244. Научниците веруваат дека елементите кои природно се појавуваат на Земјата (некои само како радиоизотопи) се појавуваат како вкупно 339 изотопи (нуклиди). Само 254 од овие природни изотопи се стабилни во смисла дека до денес не се забележани. Дополнителни 35 исконски нуклиди (вкупно 289 исконски нуклиди) се радиоактивни со познат полуживот, но имаат полуживот над 80 милиони години, што им овозможува да постојат од почетокот на Сончевиот систем.

Сите познати стабилни изотопи природно се појавуваат на Земјата; Другите природни изотопи се радиоактивни, но поради нивниот релативно долг полуживот или поради други континуирани природни методи на производство. Тие ги вклучуваат космогените нуклиди споменати погоре, нуклеогените нуклиди и сите радиогени изотопи што произлегуваат од континуираното распаѓање на примарниот радиоактивен изотоп како што се радонот и радиумот од ураниумот.

Во нуклеарните реактори и акцелераторите на честички се создадени уште околу 3000 радиоактивни изотопи кои не се пронајдени во природата. Многу краткотрајни изотопи кои не се наоѓаат природно на Земјата, исто така, се забележани со спектроскопска анализа природно создадена во ѕвезди или супернови. Пример е алуминиум-26, кој природно не се појавува на Земјата, но го има во изобилство во астрономски размери.

Табеларните атомски маси на елементите се просеци кои го објаснуваат присуството на повеќе изотопи со различни маси. Пред откривањето на изотопи, емпириски утврдените неинтегрирани вредности за атомската маса ги збунија научниците. На пример, примерок од хлор содржи 75,8% хлор-35 и 24,2% хлор-37, што дава просечна атомска маса од 35,5 единици на атомска маса.

Според општо прифатената теорија на космологијата, само изотопи на водород и хелиум, траги од некои изотопи на литиум и берилиум, а можеби и малку бор, биле создадени во Големата експлозија, а сите други изотопи биле синтетизирани подоцна, во ѕвезди и супернови. , како и во интеракциите помеѓу енергетските честички, како што се космичките зраци и претходно добиените изотопи. Соодветното изотопско изобилство на изотопи на Земјата се должи на количините произведени од овие процеси, нивното ширење низ галаксијата и стапката на распаѓање на изотопите, кои се нестабилни. По првичното спојување на Сончевиот систем, изотопите беа прераспределени според масата, а изотопскиот состав на елементите малку варира од планета до планета. Ова понекогаш овозможува да се следи потеклото на метеоритите.

Атомска маса на изотопи

Атомската маса (mr) на изотоп се определува главно од неговиот масен број (т.е., бројот на нуклеони во неговото јадро). Малите корекции се должат на енергијата на врзување на јадрото, малата разлика во масата помеѓу протонот и неутронот и масата на електроните поврзани со атомот.

Масовен број е бездимензионална количина. Атомската маса, од друга страна, се мери со помош на единицата за атомска маса, врз основа на масата на атомот на јаглерод-12. Се означува со симболите „у“ (за единицата за обединета атомска маса) или „Да“ (за далтон).

Атомските маси на природните изотопи на елементот ја одредуваат атомската маса на елементот. Кога елементот содржи N изотопи, изразот подолу се однесува на просечната атомска маса:

Каде што m 1 , m 2 , …, mN се атомските маси на секој поединечен изотоп, а x 1 , …, xN е релативното изобилство на овие изотопи.

Примена на изотопи

Постојат неколку апликации кои ги искористуваат својствата на различните изотопи на даден елемент. Раздвојувањето на изотопи е важно технолошко прашање, особено со тешки елементи како што се ураниум или плутониум. Полесните елементи како што се литиум, јаглерод, азот и кислород обично се одвојуваат со гасна дифузија на нивните соединенија како што се CO и NO. Раздвојувањето на водородот и деутериумот е невообичаено бидејќи се заснова на хемиски, а не на физички својства, како на пример во процесот на сулфид на Girdler. Изотопите на ураниум се одвоени по волумен со гасна дифузија, гасна центрифугирање, ласерско јонизирачко одвојување и (во проектот Менхетен) според типот на производство на масена спектрометрија.

Употреба на хемиски и биолошки својства

Изотопската анализа е определување на изотопскиот потпис, релативното изобилство на изотопи на даден елемент во одреден примерок. Конкретно за хранливите материи, може да се појават значителни варијации во изотопите C, N и O. Анализата на таквите варијации има широк опсег на примени, како што е откривањето на фалсификување во храната или географското потекло на храната со помош на изопејзажи. Идентификацијата на некои метеорити кои потекнуваат од Марс делумно се заснова на изотопскиот потпис на гасовите во трагови што ги содржат.
Изотопската замена може да се користи за да се одреди механизмот на хемиската реакција преку ефектот на кинетичкиот изотоп.
Друга честа примена е изотопското означување, употребата на необични изотопи како трагачи или маркери во хемиските реакции. Обично атомите на даден елемент не се разликуваат едни од други. Меѓутоа, со користење на изотопи со различни маси, може да се разликуваат дури и различни нерадиоактивни стабилни изотопи со помош на масена спектрометрија или инфрацрвена спектроскопија. На пример, во „Означување на стабилни изотопи на амино киселини во клеточна култура“ (SILAC), стабилните изотопи се користат за квантифицирање на протеините. Ако се користат радиоактивни изотопи, тие може да се детектираат со зрачењето што го емитуваат (ова се нарекува означување на радиоизотоп).
Изотопите најчесто се користат за одредување на концентрацијата на различни елементи или супстанции со помош на методот на изотопско разредување, во кој познати количини на изотопски супституирани соединенија се мешаат со примероци и изотопските карактеристики на добиените мешавини се одредуваат со помош на масена спектрометрија.

Користење на нуклеарни својства

Метод сличен на означување на радиоизотоп е радиометриското датирање: користејќи го познатиот полуживот на нестабилен елемент, може да се пресмета времето што поминало од постоењето на позната концентрација на изотоп. Најпознат пример е радиојаглеродното датирање, кое се користи за одредување на староста на јаглеродните материјали.
Некои форми на спектроскопија се засноваат на уникатните нуклеарни својства на специфичните изотопи, и радиоактивни и стабилни. На пример, спектроскопијата на нуклеарна магнетна резонанца (NMR) може да се користи само за изотопи со нуклеарен спин без нула. Најчестите изотопи кои се користат во спектроскопијата NMR се 1 H, 2 D, 15 N, 13 C и 31 P.
Спектроскопијата на Мосбауер, исто така, се потпира на нуклеарните транзиции на специфични изотопи како што е 57 Fe.

Веројатно, не постои таков човек на земјата кој не би слушнал за изотопи. Но, не секој знае што е тоа. Особено застрашувачки звучи фразата „радиоактивни изотопи“. Овие нејасни хемиски елементи го преплашуваат човештвото, но всушност тие не се толку страшни како што може да изгледа на прв поглед.

Дефиниција

За да се разбере концептот на радиоактивни елементи, прво е неопходно да се каже дека изотопите се примероци од ист хемиски елемент, но со различни маси. Што значи тоа? Прашањата ќе исчезнат ако прво се потсетиме на структурата на атомот. Се состои од електрони, протони и неутрони. Бројот на првите две елементарни честички во јадрото на атомот е секогаш константен, додека неутроните, кои имаат своја маса, можат да се појават во иста супстанција во различни количини. Оваа околност доведува до појава на различни хемиски елементи со различни физички својства.

Сега можеме да дадеме научна дефиниција за концептот што се проучува. Значи, изотопите се кумулативен сет на хемиски елементи слични по својства, но со различни маси и физички својства. Според посовремената терминологија, тие се нарекуваат галаксија на нуклеотиди на хемиски елемент.

Малку историја

На почетокот на минатиот век, научниците открија дека истото хемиско соединение под различни услови може да има различни маси на електронски јадра. Од чисто теоретска гледна точка, таквите елементи би можеле да се сметаат за нови и тие би можеле да почнат да ги пополнуваат празните ќелии во периодниот систем на Д. Менделеев. Но, во него има само девет слободни клетки, а научниците открија десетици нови елементи. Покрај тоа, математичките пресметки покажаа дека откриените соединенија не можат да се сметаат за претходно непознати, бидејќи нивните хемиски својства целосно одговараат на карактеристиките на постоечките.

По долги дискусии, беше одлучено овие елементи да се наречат изотопи и да се постават во истата ќелија како оние чии јадра содржат ист број на електрони со нив. Научниците успеаја да утврдат дека изотопите се само некои варијации на хемиски елементи. Сепак, причините за нивното настанување и времетраењето на животот беа проучувани речиси еден век. Дури и на почетокот на 21 век, невозможно е да се тврди дека човештвото знае апсолутно сè за изотопи.

Постојани и неупорни варијации

Секој хемиски елемент има неколку изотопи. Поради фактот што во нивните јадра има слободни неутрони, тие не секогаш влегуваат во стабилни врски со остатокот од атомот. По некое време, слободните честички го напуштаат јадрото, што ја менува неговата маса и физички својства. Така се формираат други изотопи, што на крајот доведува до формирање на супстанца со еднаков број на протони, неутрони и електрони.

Оние супстанции кои многу брзо се распаѓаат се нарекуваат радиоактивни изотопи. Тие испуштаат голем број неутрони во вселената, формирајќи моќно јонизирачко гама зрачење, познато по својата силна продорна способност, што негативно влијае на живите организми.

Постабилните изотопи не се радиоактивни, бидејќи бројот на слободни неутрони што ги ослободуваат не е способен да произведува зрачење и значително да влијае на другите атоми.

Многу одамна, научниците воспоставија една важна шема: секој хемиски елемент има свои изотопи, постојани или радиоактивни. Интересно е што многу од нив се добиени во лабораторија, а нивното присуство во нивната природна форма е мало и не секогаш евидентирано со инструменти.

Распределба во природата

Во природни услови, најчесто постојат супстанции чија изотопска маса е директно одредена од неговиот реден број во табелата Д. Менделеев. На пример, водородот, означен со симболот H, има сериски број 1, а неговата маса е еднаква на еден. Неговите изотопи, 2H и 3H, се исклучително ретки по природа.

Дури и човечкото тело има одредена количина на радиоактивни изотопи. Тие влегуваат внатре преку храната во форма на јаглеродни изотопи, кои, пак, се апсорбираат од растенијата од почвата или воздухот и преминуваат во составот на органската материја за време на фотосинтезата. Затоа, и луѓето, животните и растенијата испуштаат одредена зрачење. Само што е толку ниско што не го попречува нормалното функционирање и растот.

Изворите кои придонесуваат за формирање на изотопи се внатрешните слоеви на јадрото на земјата и зрачењето од вселената.

Како што знаете, температурата на планетата во голема мера зависи од нејзиното топло јадро. Но, дури неодамна стана јасно дека изворот на оваа топлина е сложена термонуклеарна реакција, во која учествуваат радиоактивни изотопи.

Распаѓање на изотопи

Бидејќи изотопите се нестабилни формации, може да се претпостави дека со текот на времето тие секогаш се распаѓаат во потрајни јадра на хемиски елементи. Оваа изјава е точна, бидејќи научниците не успеале да откријат огромен број на радиоактивни изотопи во природата. И повеќето од оние што беа минирани во лаборатории траеја од неколку минути до неколку дена, а потоа се претворија во обични хемиски елементи.

Но, во природата има и изотопи кои се многу отпорни на распаѓање. Тие можат да постојат милијарди години. Ваквите елементи се формирале во тие далечни времиња, кога земјата сè уште се формирала, а на нејзината површина немала ниту цврста кора.

Радиоактивните изотопи се распаѓаат и повторно се формираат многу брзо. Затоа, со цел да се олесни проценката на стабилноста на изотопот, научниците одлучија да ја разгледаат категоријата на неговиот полуживот.

Пола живот

Можеби на сите читатели не им е веднаш јасно што се подразбира под овој концепт. Ајде да го дефинираме. Полуживотот на изотоп е времето во кое условната половина од земената супстанција престанува да постои.

Ова не значи дека остатокот од врската ќе биде уништен во исто време. Во однос на оваа половина, неопходно е да се разгледа друга категорија - временскиот период во кој нејзиниот втор дел, односно четвртина од првобитната количина на супстанцијата, ќе исчезне. И ова размислување продолжува бесконечно. Може да се претпостави дека е едноставно невозможно да се пресмета времето на целосно распаѓање на почетната количина на материја, бидејќи овој процес е практично бесконечен.

Сепак, научниците, знаејќи го полуживотот, можат да утврдат колку од супстанцијата постоела на почетокот. Овие податоци успешно се користат во сродните науки.

Во современиот научен свет, концептот на целосно распаѓање практично не се користи. За секој изотоп, вообичаено е да се означи неговиот полуживот, кој варира од неколку секунди до многу милијарди години. Колку е помал полуживотот, толку повеќе зрачење доаѓа од супстанцијата и поголема е нејзината радиоактивност.

Збогатување со минерали

Во некои гранки на науката и технологијата, употребата на релативно голема количина на радиоактивни материи се смета за задолжителна. Но, во исто време, во природни услови, има многу малку такви соединенија.

Познато е дека изотопите се невообичаени варијанти на хемиски елементи. Нивниот број се мери со неколку проценти од најотпорната сорта. Затоа научниците треба да спроведат вештачко збогатување на фосилните материјали.

Со текот на годините на истражување, беше можно да се открие дека распаѓањето на изотоп е придружено со верижна реакција. Ослободените неутрони од една супстанција почнуваат да влијаат на друга. Како резултат на ова, тешките јадра се распаѓаат на полесни и се добиваат нови хемиски елементи.

Оваа појава се нарекува верижна реакција, како резултат на која може да се добијат постабилни, но поретко изотопи, кои подоцна се користат во националната економија.

Примена на енергија на распаѓање

Научниците исто така откриле дека при распаѓањето на радиоактивен изотоп се ослободува огромна количина слободна енергија. Неговата количина обично се мери со единицата Кири, еднаква на времето на фисија на 1 g радон-222 за 1 секунда. Колку е поголем овој индикатор, толку повеќе енергија се ослободува.

Ова беше причина за развој на начини за користење на бесплатната енергија. Така се појавија нуклеарни реактори во кои е поставен радиоактивен изотоп. Поголемиот дел од енергијата што ја дава се собира и се претвора во електрична енергија. Врз основа на овие реактори се создаваат нуклеарни централи кои обезбедуваат најевтина струја. Намалените верзии на таквите реактори се ставаат на самоодни механизми. Со оглед на опасноста од несреќи, најчесто такви машини се подморниците. Во случај на дефект на реакторот, бројот на жртвите на подморницата ќе биде полесно да се минимизира.

Друга многу страшна опција за користење на енергијата на полуживот се атомските бомби. За време на Втората светска војна, тие беа тестирани на човештвото во јапонските градови Хирошима и Нагасаки. Последиците беа многу тажни. Затоа, светот има договор за неупотреба на овие опасни оружја. Во исто време, големите држави со фокус на милитаризација продолжуваат со истражувањето во оваа индустрија денес. Покрај тоа, многу од нив, тајно од светската заедница, прават атомски бомби, кои се илјадници пати поопасни од оние што се користат во Јапонија.

Изотопи во медицината

За мирни цели, распаѓањето на радиоактивните изотопи научи да се користи во медицината. Со насочување на зрачењето кон погодената област на телото, можно е да се запре текот на болеста или да му се помогне на пациентот целосно да се опорави.

Но почесто радиоактивни изотопи се користат за дијагностика. Работата е што нивното движење и природата на кластерот најлесно се поправаат со зрачењето што го произведуваат. Значи, одредена неопасна количина на радиоактивна супстанција се внесува во човечкото тело, а лекарите користат инструменти за да набљудуваат како и каде доаѓа.

Така, се врши дијагноза на работата на мозокот, природата на канцерогените тумори, карактеристиките на работата на жлездите на внатрешната секреција и надворешната секреција.

Примена во археологијата

Познато е дека во живите организми секогаш има радиоактивен јаглерод-14, чиј полуживот на изотоп е 5570 години. Покрај тоа, научниците знаат колку од овој елемент е содржан во телото до моментот на неговата смрт. Тоа значи дека сите исечени дрвја испуштаат иста количина на зрачење. Со текот на времето, интензитетот на зрачењето се намалува.

Ова им помага на археолозите да утврдат пред колку време умрело дрвото од кое е изградена галијата или кој било друг брод, а со тоа и самото време на изградба. Овој метод на истражување се нарекува анализа на радиоактивен јаглерод. Благодарение на него, на научниците им е полесно да ја утврдат хронологијата на историските настани.

Проучувајќи го феноменот на радиоактивност, научниците во првата деценија на XX век. откриле голем број радиоактивни материи - околу 40. Имало значително повеќе од слободни места во периодниот систем на елементи во интервалот помеѓу бизмут и ураниум. Природата на овие супстанции е контроверзна. Некои истражувачи ги сметаа за независни хемиски елементи, но во овој случај прашањето за нивното сместување во периодниот систем се покажа како нерастворливо. Други, генерално, им го ускратија правото да се нарекуваат елементи во класична смисла. Во 1902 година, англискиот физичар Д. Мартин таквите супстанции ги нарекол радиоелементи. Како што беа проучувани, се покажа дека некои радиоелементи имаат точно исти хемиски својства, но се разликуваат во атомските маси. Оваа околност беше во спротивност со главните одредби на периодичниот закон. Англискиот научник Ф. Соди ја решил контрадикторноста. Во 1913 година, тој ги нарекол хемиски сличните радиоелементи изотопи (од грчките зборови што значат „исто“ и „место“), т.е. заземаат исто место во периодичниот систем. Се покажа дека радиоелементите се изотопи на природни радиоактивни елементи. Сите тие се комбинирани во три радиоактивни семејства, чии предци се изотопи на ториум и ураниум.

Изотопи на кислород. Изобари на калиум и аргон (изобарите се атоми на различни елементи со ист масен број).

Број на стабилни изотопи за парни и непарни елементи.

Наскоро стана јасно дека и други стабилни хемиски елементи имаат изотопи. Главната заслуга во нивното откритие му припаѓа на англискиот физичар Ф. Астон. Тој откри стабилни изотопи во многу елементи.

Од модерна гледна точка, изотопите се сорти на атоми на хемиски елемент: тие имаат различни атомски маси, но исто нуклеарно полнење.

Така, нивните јадра содржат ист број на протони, но различен број на неутрони. На пример, природните изотопи на кислород со Z = 8 содржат 8, 9 и 10 неутрони во нивните јадра, соодветно. Збирот на броевите на протоните и неутроните во јадрото на изотопот се нарекува масен број A. Затоа, масовните броеви на наведените изотопи на кислород се 16, 17 и 18. Сега е прифатена следната ознака на изотопи: З вредноста е дадена во долниот лев агол на симболот на елементот, вредноста A е дадена горе лево. На пример: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

По откривањето на феноменот на вештачка радиоактивност, добиени се околу 1800 вештачки радиоактивни изотопи со помош на нуклеарни реакции за елементи со Z од 1 до 110. Огромното мнозинство на вештачки радиоизотопи имаат многу краток полуживот, мерено во секунди и делови од секунди; само неколку имаат релативно долг животен век (на пример, 10 Be - 2,7 10 6 години, 26 Al - 8 10 5 години, итн.).

Стабилни елементи се присутни во природата со приближно 280 изотопи. Сепак, некои од нив се покажаа како малку радиоактивни, со огромен полуживот (на пример, 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Животниот век на овие изотопи е толку долг што може да се сметаат за стабилни.

Сè уште има многу проблеми во светот на стабилните изотопи. Значи, не е јасно зошто нивниот број во различни елементи толку многу варира. Околу 25% од стабилните елементи (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) се присутни во природата само еден вид атом. Тоа се таканаречените единечни елементи. Интересно е што сите (освен Be) имаат непарни вредности на Z. Генерално, за непарните елементи, бројот на стабилни изотопи не надминува два. Напротив, некои елементи со парен Z се составени од голем број изотопи (на пример, Xe има 9, Sn - 10 стабилни изотопи).

Множеството стабилни изотопи на даден елемент се нарекува галаксија. Нивната содржина во галаксијата често варира во голема мера. Интересно е да се забележи дека изобилството на изотопи со масени броеви кои се множители на четири (12 C, 16 O, 20 Ca итн.) е најголемо, иако има исклучоци од ова правило.

Откривањето на стабилните изотопи овозможи да се реши долгорочната мистерија на атомските маси - нивното отстапување од цели броеви, поради различните проценти на стабилни изотопи на елементите во галаксијата.

Во нуклеарната физика е познат концептот на „изобари“. Изобарите се нарекуваат изотопи на различни елементи (т.е., со различни Z вредности) кои имаат исти масени броеви. Проучувањето на изобарите придонесе за воспоставување на многу важни законитости во однесувањето и својствата на атомските јадра. Една од овие законитости е изразена со правилото формулирано од советскиот хемичар С. А. Шчукарев и јеменскиот физичар И. Матауч. Тој вели: ако двата изобара се разликуваат во вредностите на Z за 1, тогаш еден од нив нужно ќе биде радиоактивен. Класичен пример за пар изобари е 40 18 Ar - 40 19 K. Во него, изотопот на калиум е радиоактивен. Правилото Шчукарев-Матауч овозможило да се објасни зошто елементите технициум (Z = 43) и прометиум (Z = 61) немаат стабилни изотопи. Бидејќи тие имаат непарни вредности на Z, за нив не може да се очекуваат повеќе од два стабилни изотопи. Но, се покажа дека изобарите на технициум и прометиум, соодветно, изотопите на молибден (Z = 42) и рутениум (Z = 44), неодимиум (Z = 60) и самариум (Z = 62), се претставени во природата со стабилни сорти на атоми во широк опсег на масени броеви. Така, физичките закони наметнуваат забрана за постоење на стабилни изотопи на технециум и прометиум. Затоа овие елементи всушност не постојат во природата и тие мораа да се синтетизираат вештачки.

Научниците долго време се обидуваат да развијат периодичен систем на изотопи. Се разбира, се заснова на други принципи освен на основата на периодичниот систем на елементи. Но, овие обиди сè уште не доведоа до задоволителни резултати. Точно, физичарите докажаа дека низата на пополнување на протонски и неутронски обвивки во атомските јадра во принцип е слична на конструкцијата на електронски обвивки и подобвивки во атомите (види Атом).

Електронските обвивки на изотопите на даден елемент се изградени на ист начин. Затоа, нивните хемиски и физички својства се речиси идентични. Само изотопите на водородот (протиум и деутериум) и нивните соединенија покажуваат забележителни разлики во својствата. На пример, тешката вода (D 2 O) замрзнува на +3,8, врие на 101,4 ° C, има густина од 1,1059 g / cm 3, не го поддржува животот на животинските и растителните организми. За време на електролизата на водата во водород и кислород, молекулите H 2 0 претежно се распаѓаат, додека молекулите на тешката вода остануваат во електролизаторот.

Одвојувањето на изотопи на други елементи е исклучително тешка задача. Сепак, во многу случаи се потребни изотопи на поединечни елементи со значително променета содржина во споредба со природното изобилство. На пример, при решавањето на проблемот со атомската енергија, стана неопходно да се одвојат изотопите 235 U и 238 U. За таа цел, најпрвин беше користен методот на масена спектрометрија, со чија помош се добиени првите килограми ураниум-235 во 1944 година во САД. Сепак, овој метод се покажа како премногу скап и беше заменет со методот на гасна дифузија, кој користеше UF 6. Сега постојат неколку методи за одвојување на изотопи, но сите од нив се прилично сложени и скапи. Сепак, проблемот со „одвојување на неразделното“ успешно се решава.

Се појави нова научна дисциплина - хемијата на изотопи. Го проучува однесувањето на различни изотопи на хемиски елементи во хемиските реакции и процесите на размена на изотопи. Како резултат на овие процеси, изотопите на даден елемент се прераспределуваат помеѓу супстанциите што реагираат. Еве го наједноставниот пример: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (молекула на вода разменува атом на протиум за атом на деутериум). Се развива и геохемијата на изотопи. Ги истражува флуктуациите во изотопскиот состав на различни елементи во земјината кора.

Таканаречените означени атоми, вештачки радиоактивни изотопи на стабилни елементи или стабилни изотопи, наоѓаат најширока примена. Со помош на индикатори за изотоп - означени атоми - тие ги проучуваат начините на движење на елементите во неживата и жива природа, природата на дистрибуцијата на супстанции и елементи во различни предмети. Изотопите се користат во нуклеарната технологија: како материјали за изградба на нуклеарни реактори; како нуклеарно гориво (изотопи на ториум, ураниум, плутониум); во термонуклеарна фузија (деутериум, 6 Li, 3 He). Радиоактивните изотопи се исто така широко користени како извори на зрачење.

Што се изотопи

изотопиВид на атом на хемиски елемент. Во секој атом секогаш има еднаков број на електрони и протони. Бидејќи тие имаат спротивни полнежи (електроните се негативни, а протоните се позитивни), атомот е секогаш неутрален (оваа елементарна честичка не носи полнеж, таа е еднаква на нула). Кога некој електрон е изгубен или заробен, атомот ја губи својата неутралност, станувајќи или негативен или позитивен јон.
Неутроните немаат полнеж, но нивниот број во атомското јадро на истиот елемент може да биде различен. Ова не влијае на неутралноста на атомот, но влијае на неговата маса и својства. На пример, секој изотоп на атом на водород има по еден електрон и по еден протон. А бројот на неутрони е различен. Протиумот има само 1 неутрон, деутериумот има 2 неутрони, а тритиумот има 3 неутрони. Овие три изотопи значително се разликуваат едни од други по својства.

Споредба на изотопи

Како се разликуваат изотопите? Тие имаат различен број на неутрони, различни маси и различни својства. Изотопите имаат идентична структура на електронски обвивки. Тоа значи дека тие се доста слични по хемиски својства. Затоа, им се доделува едно место во периодичниот систем.
Во природата се пронајдени стабилни и радиоактивни (нестабилни) изотопи. Јадрата на атомите на радиоактивни изотопи се способни спонтано да се трансформираат во други јадра. Во процесот на радиоактивно распаѓање, тие испуштаат различни честички.
Повеќето елементи имаат над дваесетина радиоактивни изотопи. Покрај тоа, радиоактивните изотопи се вештачки синтетизирани за апсолутно сите елементи. Во природна мешавина на изотопи, нивната содржина малку флуктуира.
Постоењето на изотопи овозможи да се разбере зошто, во некои случаи, елементите со помала атомска маса имаат поголем сериски број од елементите со поголема атомска маса. На пример, во пар аргон-калиум, аргонот вклучува тешки изотопи, а калиумот вклучува лесни изотопи. Затоа, масата на аргон е поголема од онаа на калиумот.

TheDifference.ru утврди дека разликата помеѓу изотопите едни од други е како што следува:

Тие имаат различен број на неутрони.
Изотопите имаат различни маси на атоми.
Вредноста на масата на атомите на јоните влијае на нивната вкупна енергија и својства.