są izotopami. Pojęcie atomów jako niepodzielnych najmniejszych cząstek materii

Ustalono, że każdy pierwiastek chemiczny występujący w przyrodzie jest mieszaniną izotopów (stąd mają ułamkowe masy atomowe). Aby zrozumieć, czym izotopy różnią się od siebie, konieczne jest szczegółowe rozważenie budowy atomu. Atom tworzy jądro i chmurę elektronową. Na masę atomu wpływają elektrony poruszające się z oszałamiającą prędkością po orbitach w chmurze elektronowej, neutrony i protony tworzące jądro.

Definicja

Neutrony nie mają ładunku, ale ich liczba w jądrze atomowym tego samego pierwiastka może być różna. Nie wpływa to na neutralność atomu, ale wpływa na jego masę i właściwości. Na przykład każdy izotop atomu wodoru ma jeden elektron i jeden proton. A liczba neutronów jest inna. Prot ma tylko 1 neutron, deuter ma 2 neutrony, a tryt ma 3 neutrony. Te trzy izotopy różnią się znacznie od siebie właściwościami.

Porównanie

Mają różną liczbę neutronów, różne masy i różne właściwości. Izotopy mają identyczną strukturę powłok elektronowych. Oznacza to, że mają dość podobne właściwości chemiczne. Dlatego przypisuje im się jedno miejsce w układzie okresowym.

W przyrodzie znaleziono stabilne i radioaktywne (niestabilne) izotopy. Jądra atomów izotopów promieniotwórczych mogą samorzutnie przekształcać się w inne jądra. W procesie rozpadu radioaktywnego emitują różne cząstki.

Większość pierwiastków ma ponad dwa tuziny radioaktywnych izotopów. Ponadto izotopy promieniotwórcze są sztucznie syntetyzowane dla absolutnie wszystkich pierwiastków. W naturalnej mieszaninie izotopów ich zawartość ulega niewielkim wahaniom.

Istnienie izotopów pozwoliło zrozumieć, dlaczego w niektórych przypadkach pierwiastki o mniejszej masie atomowej mają wyższy numer seryjny niż pierwiastki o większej masie atomowej. Na przykład w parze argon-potas argon zawiera ciężkie izotopy, a potas obejmuje lekkie izotopy. Dlatego masa argonu jest większa niż potasu.

Strona wyników

Mają różną liczbę neutronów.
Izotopy mają różne masy atomów.
Wartość masy atomów jonów wpływa na ich całkowitą energię i właściwości.

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

Termin izotop pochodzi od greckich korzeni isos (ἴσος „równy”) i topos (τόπος „miejsce”), co oznacza „to samo miejsce”; Tak więc znaczenie nazwy jest takie, że różne izotopy tego samego pierwiastka zajmują tę samą pozycję w układzie okresowym.

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

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

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

Huklidy oraz izotopy

Nuklid należy do jądra, a nie do atomu. Identyczne jądra należą do tego samego nuklidu, na przykład każde jądro nuklidu węgla-13 składa się z 6 protonów i 7 neutronów. Pojęcie nuklidów (odnoszące się do poszczególnych rodzajów jądrowych) przedkłada właściwości jądrowe nad właściwości chemiczne, podczas gdy pojęcie izotopowe (grupujące wszystkie atomy każdego pierwiastka) przedkłada reakcję chemiczną nad jądrowe. Liczba neutronów ma duży wpływ na właściwości jąder, ale jego wpływ na właściwości chemiczne jest znikomy dla większości pierwiastków. Nawet w przypadku najlżejszych pierwiastków, gdzie stosunek neutronów do liczby atomowej różni się najbardziej między izotopami, zwykle ma to niewielki wpływ, chociaż w niektórych przypadkach ma to znaczenie (w przypadku wodoru, najlżejszego pierwiastka, efekt izotopowy jest duży, duży wpływ na biologię). Ponieważ izotop jest terminem starszym, jest lepiej znany niż nuklid i wciąż jest czasami używany w kontekstach, w których nuklid może być bardziej odpowiedni, takich jak technologia jądrowa i medycyna nuklearna.

Notacja

Izotop lub nuklid jest identyfikowany przez nazwę konkretnego pierwiastka (wskazuje to na numer atomu), po której następuje myślnik i liczba masowa (na przykład hel-3, hel-4, węgiel-12, węgiel-14, uran- 235 i uran-239). Gdy używany jest symbol chemiczny, np. „C” dla węgla, notacja standardowa (obecnie znana jako „notacja AZE”, ponieważ A to liczba masowa, Z to liczba atomowa, a E dla pierwiastka) oznacza liczbę masową (liczbę nukleonów) z indeksem górnym na w lewym górnym rogu symbolu chemicznego i wskaż liczbę atomową z indeksem dolnym w lewym dolnym rogu). Ponieważ liczba atomowa jest podana przez symbol pierwiastka, zwykle podana jest tylko liczba masowa w indeksie górnym, a indeks atomowy nie jest podany. Litera m jest czasami dołączana po liczbie masowej, aby wskazać izomer jądrowy, metastabilny lub wzbudzony energetycznie stan jądrowy (w przeciwieństwie do stanu podstawowego o najniższej energii), na przykład 180m 73Ta (tantal-180m).

Radioaktywne, pierwotne i stabilne izotopy

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

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

Teoria przewiduje, że wiele pozornie „stabilnych” izotopów/nuklidów jest radioaktywnych, z wyjątkowo długimi okresami półtrwania (nie biorąc pod uwagę możliwości rozpadu protonu, który spowodowałby, że wszystkie nuklidy byłyby ostatecznie niestabilne). Spośród 254 nuklidów, których nigdy nie zaobserwowano, tylko 90 (wszystkie z pierwszych 40 pierwiastków) jest teoretycznie odpornych na wszystkie znane formy rozpadu. Pierwiastek 41 (niob) jest teoretycznie niestabilny przez spontaniczne rozszczepienie, ale nigdy tego nie odkryto. Wiele innych stabilnych nuklidów jest teoretycznie energetycznie podatnych na inne znane formy rozpadu, takie jak rozpad alfa lub podwójny rozpad beta, ale produkty rozpadu nie zostały jeszcze zaobserwowane, a zatem te izotopy są uważane za „obserwacyjnie stabilne”. Przewidywane okresy połowicznego rozpadu tych nuklidów często znacznie przekraczają szacowany wiek wszechświata, aw rzeczywistości istnieje również 27 znanych radionuklidów, których okres połowicznego rozpadu jest dłuższy niż wiek wszechświata.

Nuklidy promieniotwórcze, sztucznie wytworzone, obecnie znanych jest 3339 nuklidów. Obejmują one 905 nuklidów, które są stabilne lub mają okres półtrwania dłuższy niż 60 minut.

Właściwości izotopowe

Właściwości chemiczne i molekularne

Neutralny atom ma taką samą liczbę elektronów jak protony. Zatem różne izotopy danego pierwiastka mają taką samą liczbę elektronów i mają podobną strukturę elektronową. Ponieważ zachowanie chemiczne atomu jest w dużej mierze zdeterminowane przez jego strukturę elektronową, różne izotopy wykazują prawie identyczne zachowanie chemiczne.

Wyjątkiem jest kinetyczny efekt izotopowy: ze względu na duże masy cięższe izotopy reagują nieco wolniej niż lżejsze izotopy tego samego pierwiastka. Jest to najbardziej widoczne w przypadku protu (1 H), deuteru (2 H) i trytu (3 H), ponieważ deuter ma dwukrotnie większą masę protu, a tryt trzy razy większą masę protu. Te różnice w masie wpływają również na zachowanie ich odpowiednich wiązań chemicznych poprzez zmianę środka ciężkości (zmniejszonej masy) układów atomowych. Jednak w przypadku cięższych pierwiastków względna różnica mas między izotopami jest znacznie mniejsza, tak że wpływ różnicy masy w chemii jest zwykle pomijalny. (Ciężkie pierwiastki mają również stosunkowo więcej neutronów niż lżejsze pierwiastki, więc stosunek masy jądrowej do całkowitej masy elektronów jest nieco większy).

Podobnie dwie cząsteczki, które różnią się tylko izotopami swoich atomów (izotopologów), mają taką samą strukturę elektronową, a zatem prawie nieodróżnialne właściwości fizyczne i chemiczne (znowu, z deuterem i trytem jako podstawowymi wyjątkami). Mody oscylacyjne cząsteczki są określone przez jej kształt i masy atomów składowych; Dlatego różne izotopologi mają różne zestawy trybów wibracyjnych. Ponieważ mody oscylacyjne pozwalają cząsteczce absorbować fotony o odpowiednich energiach, izotopologi mają różne właściwości optyczne w podczerwieni.

Właściwości jądrowe i stabilność

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

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

Liczba izotopów na element

Spośród 81 pierwiastków o stabilnych izotopach największa liczba stabilnych izotopów obserwowanych dla dowolnego pierwiastka wynosi dziesięć (dla pierwiastka cyny). Żaden pierwiastek nie ma dziewięciu stabilnych izotopów. Ksenon jest jedynym pierwiastkiem posiadającym osiem stabilnych izotopów. Cztery pierwiastki mają siedem stabilnych izotopów, z których osiem ma sześć stabilnych izotopów, dziesięć ma pięć stabilnych izotopów, dziewięć ma cztery stabilne izotopy, pięć ma trzy stabilne izotopy, 16 ma dwa stabilne izotopy, a 26 pierwiastków ma tylko jeden (z czego 19 to tak zwane pierwiastki mononuklidowe, które mają pojedynczy pierwotny stabilny izotop, który dominuje i ustala masę atomową pierwiastka naturalnego z dużą precyzją, obecne są również 3 pierwiastki promieniotwórcze mononuklidowe). W sumie istnieją 254 nuklidy, w których nie zaobserwowano rozpadu. Dla 80 pierwiastków, które mają jeden lub więcej stabilnych izotopów, średnia liczba stabilnych izotopów wynosi 254/80 = 3,2 izotopów na pierwiastek.

Liczby parzyste i nieparzyste nukleonów

Protony: Stosunek neutronów nie jest jedynym czynnikiem wpływającym na stabilność jądrową. Zależy to również od parzystości lub nieparzystości jego liczby atomowej Z, liczby neutronów N, stąd suma ich liczby masowej A. Nieparzystość zarówno Z, jak i N ma tendencję do obniżania energii wiązania jądra, tworząc nieparzyste jądra, które są ogólnie mniej stabilne . Ta znacząca różnica w energii wiązania jądrowego między sąsiednimi jądrami, zwłaszcza dziwnymi izobarami, ma ważne konsekwencje: niestabilne izotopy z suboptymalną liczbą neutronów lub protonów rozpadu przez rozpad beta (w tym rozpad pozytonów), wychwyt elektronów lub inne egzotyczne sposoby, takie jak spontaniczne rozszczepienie i rozpad klastry.

Większość stabilnych nuklidów to parzysta liczba protonów i parzysta liczba neutronów, gdzie Z, N i A są parzyste. Nieparzyste stabilne nuklidy dzieli się (w przybliżeniu równo) na nieparzyste.

Liczba atomowa

148 nuklidów parzystych protonów, parzystych neutronów (EE) stanowi ~58% wszystkich stabilnych nuklidów. Istnieją również 22 pierwotne, długowieczne nuklidy parzyste. W rezultacie każdy z 41 parzystych pierwiastków od 2 do 82 ma co najmniej jeden stabilny izotop, a większość tych pierwiastków ma wiele izotopów pierwszorzędowych. Połowa z tych parzystych pierwiastków ma sześć lub więcej stabilnych izotopów. Ekstremalna stabilność helu-4, wynikająca z binarnego wiązania dwóch protonów i dwóch neutronów, uniemożliwia istnienie nuklidów zawierających pięć lub osiem nukleonów wystarczająco długo, aby służyć jako platformy do akumulacji cięższych pierwiastków poprzez fuzję jądrową.

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

Ze względu na ich nieparzystą liczbę neutronów, nuklidy parzysto-nieparzyste mają zwykle duże przekroje wychwytywania neutronów ze względu na energię pochodzącą z efektów sprzężenia neutronów. Te stabilne nuklidy mogą być niezwykle obfite w przyrodzie, głównie dlatego, że aby się uformować i wejść w pierwotną obfitość, muszą uciec przed wychwytywaniem neutronów, aby utworzyć jeszcze inne stabilne izotopy parzysto-nieparzyste w trakcie tego, jak s jest procesem, a r jest proces wychwytywania neutronów podczas nukleosyntezy.

nieparzysta liczba atomowa

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

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

Jedyny całkowicie „stabilny”, nieparzysty nuklid to 180 m 73 Ta, który jest uważany za najrzadszy z 254 stabilnych izotopów i jest jedynym pierwotnym izomerem jądrowym, którego nie zaobserwowano, pomimo prób eksperymentalnych.

Nieparzysta liczba neutronów

Aktynowce o nieparzystej liczbie neutronów mają tendencję do rozszczepiania (z neutronami termicznymi), podczas gdy te o parzystej liczbie neutronów mają tendencję do nie, chociaż rozszczepiają się na szybkie neutrony. Wszystkie obserwacyjnie stabilne nuklidy nieparzyste i nieparzyste mają spin liczb całkowitych niezerowych. Dzieje się tak, ponieważ pojedynczy niesparowany neutron i niesparowany proton silniej przyciągają do siebie siły jądrowe, jeśli ich spiny są wyrównane (tworząc całkowity spin co najmniej 1 jednostki), a nie wyrównane.

Występowanie w przyrodzie

Pierwiastki składają się z jednego lub więcej naturalnie występujących izotopów. Izotopy niestabilne (radioaktywne) to izotopy pierwotne lub postprzykładowe. Pierwotne izotopy były produktem gwiezdnej nukleosyntezy lub innego rodzaju nukleosyntezy, takiego jak rozszczepianie promieni kosmicznych i przetrwały do dziś, ponieważ ich tempo rozpadu jest tak powolne (np. uran-238 i potas-40). Izotopy postnaturalne powstały w wyniku bombardowania promieniowaniem kosmicznym jako nuklidy kosmogeniczne (np. tryt, węgiel-14) lub rozpad promieniotwórczego izotopu pierwotnego na potomną radioaktywnego nuklidu promieniotwórczego (np. uran do radu). Kilka izotopów jest naturalnie syntetyzowanych jako nuklidy nukleogenne w innych naturalnych reakcjach jądrowych, na przykład gdy neutrony z naturalnego rozszczepienia jądra są absorbowane przez inny atom.

Jak omówiono powyżej, tylko 80 pierwiastków ma stabilne izotopy, a 26 z nich ma tylko jeden stabilny izotop. Tak więc około dwie trzecie stabilnych pierwiastków występuje naturalnie na Ziemi w kilku stabilnych izotopach, przy czym największa liczba stabilnych izotopów dla pierwiastka wynosi dziesięć, dla cyny (50Sn). Na Ziemi istnieje około 94 pierwiastków (włącznie z plutonem), chociaż niektóre występują tylko w bardzo małych ilościach, na przykład pluton-244. Naukowcy uważają, że pierwiastki występujące naturalnie na Ziemi (niektóre tylko jako radioizotopy) występują w sumie jako 339 izotopów (nuklidów). Tylko 254 z tych naturalnie występujących izotopów jest stabilnych w tym sensie, że nie zaobserwowano ich do tej pory. Dodatkowe 35 pierwotnych nuklidów (w sumie 289 pierwotnych nuklidów) jest radioaktywnych ze znanymi okresami półtrwania, ale mają okres półtrwania przekraczający 80 milionów lat, co pozwala im istnieć od początku Układu Słonecznego.

Wszystkie znane stabilne izotopy występują naturalnie na Ziemi; Inne naturalne izotopy są radioaktywne, ale ze względu na ich stosunkowo długi okres półtrwania lub z powodu innych ciągłych naturalnych metod produkcji. Obejmują one nuklidy kosmogeniczne wspomniane powyżej, nuklidy nukleogenne i wszelkie izotopy radiogeniczne powstałe w wyniku ciągłego rozpadu pierwotnego izotopu promieniotwórczego, takiego jak radon i rad z uranu.

Kolejne ~3000 radioaktywnych izotopów, których nie ma w naturze, powstało w reaktorach jądrowych i akceleratorach cząstek. Wiele krótkożyciowych izotopów, które nie występują naturalnie na Ziemi, zaobserwowano również w analizach spektroskopowych naturalnie utworzonych w gwiazdach lub supernowych. Przykładem jest glin-26, który nie występuje naturalnie na Ziemi, ale występuje w obfitości w skali astronomicznej.

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

Zgodnie z ogólnie przyjętą teorią kosmologiczną w Wielkim Wybuchu powstały tylko izotopy wodoru i helu, śladowe ilości niektórych izotopów litu i berylu, a być może także boru, podczas gdy wszystkie inne izotopy zostały zsyntetyzowane później, w gwiazdach i supernowych. , a także w oddziaływaniach między cząstkami energetycznymi, takimi jak promieniowanie kosmiczne, a uzyskanymi wcześniej izotopami. Odpowiednia obfitość izotopów izotopów na Ziemi wynika z ilości wytwarzanych przez te procesy, ich propagacji w galaktyce oraz tempa rozpadu izotopów, które są niestabilne. Po początkowym połączeniu Układu Słonecznego izotopy zostały rozłożone według masy, a skład izotopowy pierwiastków różni się nieznacznie w zależności od planety. Pozwala to czasami prześledzić pochodzenie meteorytów.

Masa atomowa izotopów

Masa atomowa (mr) izotopu jest określana głównie przez jego liczbę masową (tj. liczbę nukleonów w jego jądrze). Małe poprawki wynikają z energii wiązania jądra, małej różnicy masy między protonem i neutronem oraz masy elektronów związanych z atomem.

Liczba masowa jest wielkością bezwymiarową. Z drugiej strony masę atomową mierzy się za pomocą jednostki masy atomowej, opartej na masie atomu węgla-12. Jest oznaczony symbolami „u” (dla zunifikowanej jednostki masy atomowej) lub „Da” (dla daltona).

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

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

Zastosowanie izotopów

Istnieje kilka zastosowań wykorzystujących właściwości różnych izotopów danego pierwiastka. Separacja izotopów jest ważnym zagadnieniem technologicznym, zwłaszcza w przypadku ciężkich pierwiastków, takich jak uran czy pluton. Lżejsze pierwiastki, takie jak lit, węgiel, azot i tlen, są zwykle oddzielane przez dyfuzję gazową ich związków, takich jak CO i NO. Oddzielenie wodoru i deuteru jest niezwykłe, ponieważ opiera się na właściwościach chemicznych, a nie fizycznych, tak jak w procesie siarczkowym Girdlera. Izotopy uranu zostały rozdzielone objętościowo przez dyfuzję gazową, wirowanie gazu, separację laserową jonizacją oraz (w projekcie Manhattan) według rodzaju produkcji spektrometrii masowej.

Wykorzystanie właściwości chemicznych i biologicznych

Analiza izotopowa to określenie sygnatury izotopowej, względnej liczebności izotopów danego pierwiastka w określonej próbce. W szczególności w przypadku składników odżywczych mogą wystąpić znaczne różnice w izotopach C, N i O. Analiza takich różnic ma szeroki zakres zastosowań, takich jak wykrywanie zafałszowań w żywności lub pochodzenie geograficzne żywności za pomocą izoscape'ów. Identyfikacja niektórych meteorytów pochodzących z Marsa opiera się częściowo na sygnaturze izotopowej zawartych w nich gazów śladowych.
Podstawienie izotopowe może być wykorzystane do określenia mechanizmu reakcji chemicznej poprzez kinetyczny efekt izotopowy.
Innym powszechnym zastosowaniem jest znakowanie izotopowe, czyli wykorzystanie nietypowych izotopów jako znaczników lub markerów w reakcjach chemicznych. Zwykle atomy danego pierwiastka są nie do odróżnienia od siebie. Jednak stosując izotopy o różnych masach, nawet różne nieradioaktywne izotopy stabilne można rozróżnić za pomocą spektrometrii mas lub spektroskopii w podczerwieni. Na przykład w „Stable Isotope Labelling of Amino Acids in Cell Culture” (SILAC) do ilościowego oznaczania białek stosuje się stabilne izotopy. Jeśli stosuje się izotopy radioaktywne, można je wykryć na podstawie emitowanego przez nie promieniowania (nazywa się to znakowaniem radioizotopowym).
Izotopy są powszechnie stosowane do oznaczania stężenia różnych pierwiastków lub substancji metodą rozcieńczania izotopowego, w której znane ilości izotopowo podstawionych związków miesza się z próbkami, a charakterystykę izotopową otrzymanych mieszanin określa się za pomocą spektrometrii masowej.

Korzystanie z właściwości jądrowych

Metodą podobną do znakowania radioizotopowego jest datowanie radiometryczne: wykorzystując znany okres półtrwania niestabilnego pierwiastka, można obliczyć czas, jaki upłynął od istnienia znanego stężenia izotopów. Najbardziej znanym przykładem jest datowanie radiowęglowe, które służy do określania wieku materiałów węglowych.
Niektóre formy spektroskopii opierają się na unikalnych właściwościach jądrowych określonych izotopów, zarówno radioaktywnych, jak i stabilnych. Na przykład spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) może być stosowana tylko do izotopów o niezerowym spinu jądrowym. Najczęstsze izotopy stosowane w spektroskopii NMR to 1 H, 2 D, 15 N, 13 C i 31 P.
Spektroskopia mössbauerowska opiera się również na przejściach jądrowych określonych izotopów, takich jak 57 Fe.

Chyba nie ma na ziemi takiej osoby, która nie słyszałaby o izotopach. Ale nie wszyscy wiedzą, co to jest. Wyrażenie „izotopy radioaktywne” brzmi szczególnie przerażająco. Te niejasne pierwiastki chemiczne przerażają ludzkość, ale w rzeczywistości nie są tak przerażające, jak mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka.

Definicja

Aby zrozumieć pojęcie pierwiastków promieniotwórczych, należy najpierw powiedzieć, że izotopy to próbki tego samego pierwiastka chemicznego, ale o różnych masach. Co to znaczy? Pytania znikną, jeśli najpierw przypomnimy sobie strukturę atomu. Składa się z elektronów, protonów i neutronów. Liczba pierwszych dwóch cząstek elementarnych w jądrze atomu jest zawsze stała, podczas gdy neutrony posiadające własną masę mogą występować w tej samej substancji w różnych ilościach. Ta okoliczność powoduje powstanie wielu pierwiastków chemicznych o różnych właściwościach fizycznych.

Teraz możemy podać naukową definicję badanego pojęcia. Tak więc izotopy są skumulowanym zbiorem pierwiastków chemicznych o podobnych właściwościach, ale o różnych masach i właściwościach fizycznych. Według bardziej nowoczesnej terminologii nazywa się je galaktyką nukleotydów pierwiastka chemicznego.

Trochę historii

Na początku ubiegłego wieku naukowcy odkryli, że ten sam związek chemiczny w różnych warunkach może mieć różne masy jąder elektronowych. Z czysto teoretycznego punktu widzenia takie pierwiastki można by uznać za nowe i mogłyby zacząć wypełniać puste komórki w układzie okresowym D. Mendelejewa. Ale jest w nim tylko dziewięć wolnych komórek, a naukowcy odkryli dziesiątki nowych pierwiastków. Ponadto obliczenia matematyczne wykazały, że odkryte związki nie mogą być uważane za nieznane wcześniej, ponieważ ich właściwości chemiczne w pełni odpowiadały charakterystyce istniejących.

Po długich dyskusjach postanowiono nazwać te pierwiastki izotopami i umieścić je w tej samej komórce, co te, których jądra zawierają taką samą liczbę elektronów. Naukowcom udało się ustalić, że izotopy to tylko niektóre odmiany pierwiastków chemicznych. Jednak przyczyny ich występowania i długość życia badano przez prawie sto lat. Nawet na początku XXI wieku nie można twierdzić, że ludzkość wie absolutnie wszystko o izotopach.

Trwałe i nietrwałe odmiany

Każdy pierwiastek chemiczny ma kilka izotopów. Ze względu na to, że w ich jądrach znajdują się wolne neutrony, nie zawsze wchodzą one w trwałe wiązania z resztą atomu. Po pewnym czasie wolne cząstki opuszczają rdzeń, który zmienia jego masę i właściwości fizyczne. W ten sposób powstają inne izotopy, co ostatecznie prowadzi do powstania substancji o równej liczbie protonów, neutronów i elektronów.

Substancje, które bardzo szybko się rozpadają, nazywane są izotopami promieniotwórczymi. Uwalniają one w kosmos dużą liczbę neutronów, tworząc silne jonizujące promieniowanie gamma, znane ze swojej silnej zdolności penetracyjnej, co negatywnie wpływa na organizmy żywe.

Bardziej stabilne izotopy nie są radioaktywne, ponieważ liczba uwalnianych przez nie wolnych neutronów nie jest w stanie wytworzyć promieniowania i znacząco wpłynąć na inne atomy.

Dość dawno temu naukowcy ustalili jeden ważny wzorzec: każdy pierwiastek chemiczny ma swoje własne izotopy, trwałe lub radioaktywne. Co ciekawe, wiele z nich uzyskano w laboratorium, a ich obecność w postaci naturalnej jest niewielka i nie zawsze rejestrowana przez instrumenty.

Dystrybucja w przyrodzie

W warunkach naturalnych najczęściej występują substancje, których masa izotopowa jest bezpośrednio określona przez liczbę porządkową w tablicy D. Mendelejewa. Na przykład wodór, oznaczony symbolem H, ma numer seryjny 1, a jego masa jest równa jeden. Jego izotopy, 2H i 3H, są w przyrodzie niezwykle rzadkie.

Nawet ludzkie ciało ma pewną ilość radioaktywnych izotopów. Dostają się do środka poprzez pokarm w postaci izotopów węgla, który z kolei jest wchłaniany przez rośliny z gleby lub powietrza i przechodzi w skład materii organicznej podczas fotosyntezy. Dlatego zarówno ludzie, zwierzęta, jak i rośliny emitują określone tło promieniowania. Tyle że jest tak niski, że nie zakłóca normalnego funkcjonowania i wzrostu.

Źródłami, które przyczyniają się do powstawania izotopów, są wewnętrzne warstwy jądra Ziemi i promieniowanie z kosmosu.

Jak wiecie, temperatura na planecie w dużej mierze zależy od jej gorącego jądra. Ale dopiero niedawno stało się jasne, że źródłem tego ciepła jest złożona reakcja termojądrowa, w której uczestniczą izotopy radioaktywne.

Rozpad izotopów

Ponieważ izotopy są formacjami nietrwałymi, można przypuszczać, że z biegiem czasu zawsze rozpadają się na trwalsze jądra pierwiastków chemicznych. To stwierdzenie jest prawdziwe, ponieważ naukowcy nie byli w stanie wykryć ogromnej liczby izotopów promieniotwórczych w przyrodzie. A większość tych, które wydobywano w laboratoriach, trwała od kilku minut do kilku dni, a następnie zamieniała się z powrotem w zwykłe pierwiastki chemiczne.

Ale są też w naturze izotopy, które są bardzo odporne na rozkład. Mogą istnieć przez miliardy lat. Takie pierwiastki powstały w tych odległych czasach, kiedy ziemia jeszcze się kształtowała, a na jej powierzchni nie było nawet solidnej skorupy.

Izotopy promieniotwórcze rozpadają się i bardzo szybko tworzą się ponownie. Dlatego, aby ułatwić ocenę stabilności izotopu, naukowcy postanowili rozważyć kategorię jego okresu półtrwania.

Pół życia

Może nie być od razu jasne dla wszystkich czytelników, co oznacza ta koncepcja. Zdefiniujmy to. Okres półtrwania izotopu to czas, w którym warunkowa połowa przyjętej substancji przestaje istnieć.

Nie oznacza to, że reszta połączenia zostanie zniszczona w tym samym czasie. W odniesieniu do tej połowy należy wziąć pod uwagę inną kategorię - okres czasu, w którym zniknie jej druga część, czyli jedna czwarta pierwotnej ilości substancji. I to rozważanie trwa w nieskończoność. Można założyć, że po prostu niemożliwe jest obliczenie czasu całkowitego rozpadu początkowej ilości materii, ponieważ proces ten jest praktycznie nieskończony.

Jednak naukowcy, znając okres półtrwania, mogą określić, ile substancji istniało na początku. Dane te są z powodzeniem wykorzystywane w naukach pokrewnych.

We współczesnym świecie naukowym praktycznie nie stosuje się koncepcji całkowitego rozpadu. Dla każdego izotopu zwyczajowo wskazuje się jego okres półtrwania, który waha się od kilku sekund do wielu miliardów lat. Im niższy okres półtrwania, tym więcej promieniowania pochodzi z substancji i tym wyższa jest jej radioaktywność.

Wzbogacanie minerałów

W niektórych dziedzinach nauki i techniki stosowanie stosunkowo dużej ilości substancji promieniotwórczych jest uważane za obowiązkowe. Ale jednocześnie w warunkach naturalnych takich związków jest bardzo mało.

Wiadomo, że izotopy są rzadkimi odmianami pierwiastków chemicznych. Ich liczbę mierzy kilka procent najbardziej odpornej odmiany. Dlatego naukowcy muszą przeprowadzać sztuczne wzbogacanie materiałów kopalnych.

Przez lata badań okazało się, że rozpadowi izotopu towarzyszy reakcja łańcuchowa. Uwolnione neutrony jednej substancji zaczynają wpływać na inną. W wyniku tego ciężkie jądra rozpadają się na lżejsze i powstają nowe pierwiastki chemiczne.

Zjawisko to nazywane jest reakcją łańcuchową, w wyniku której można uzyskać bardziej stabilne, ale mniej powszechne izotopy, które są później wykorzystywane w gospodarce narodowej.

Zastosowanie energii rozpadu

Naukowcy odkryli również, że podczas rozpadu radioaktywnego izotopu uwalniana jest ogromna ilość darmowej energii. Jego ilość jest zwykle mierzona jednostką Curie, równą czasowi rozszczepienia 1 g radonu-222 w ciągu 1 sekundy. Im wyższy ten wskaźnik, tym więcej energii jest uwalniane.

To był powód rozwoju sposobów wykorzystania darmowej energii. Tak pojawiły się reaktory jądrowe, w których umieszczony jest izotop promieniotwórczy. Większość energii, którą oddaje, jest gromadzona i przekształcana w energię elektryczną. Na bazie tych reaktorów powstają elektrownie jądrowe, które dostarczają najtańszą energię elektryczną. Zredukowane wersje takich reaktorów są umieszczane na mechanizmach samobieżnych. Biorąc pod uwagę niebezpieczeństwo wypadków, najczęściej takimi maszynami są okręty podwodne. W przypadku awarii reaktora, liczba ofiar na łodzi podwodnej będzie łatwiejsza do zminimalizowania.

Inną bardzo przerażającą opcją wykorzystania energii półtrwania są bomby atomowe. Podczas II wojny światowej zostały przetestowane na ludzkości w japońskich miastach Hiroszima i Nagasaki. Konsekwencje były bardzo smutne. Dlatego świat ma porozumienie w sprawie nieużywania tej niebezpiecznej broni. Jednocześnie duże stany skoncentrowane na militaryzacji kontynuują dziś badania w tej branży. Ponadto wielu z nich, potajemnie ze społeczności światowej, produkuje bomby atomowe, które są tysiące razy bardziej niebezpieczne niż te używane w Japonii.

Izotopy w medycynie

W celach pokojowych rozpad izotopów promieniotwórczych nauczył się wykorzystywać w medycynie. Kierując promieniowanie na dotknięty obszar ciała, można zatrzymać przebieg choroby lub pomóc pacjentowi w całkowitym wyzdrowieniu.

Częściej jednak do diagnostyki stosuje się izotopy radioaktywne. Chodzi o to, że ich ruch i charakter gromady najłatwiej naprawić promieniowaniem, które wytwarzają. Tak więc pewna nieszkodliwa ilość substancji radioaktywnej jest wprowadzana do ludzkiego ciała, a lekarze używają przyrządów, aby obserwować, jak i gdzie się ona dostaje.

W ten sposób przeprowadza się diagnozę pracy mózgu, charakter guzów nowotworowych, cechy pracy gruczołów dokrewnych i zewnętrznych.

Zastosowanie w archeologii

Wiadomo, że w organizmach żywych zawsze występuje radioaktywny węgiel-14, którego okres półtrwania izotopu wynosi 5570 lat. Ponadto naukowcy wiedzą, ile tego pierwiastka znajduje się w organizmie aż do momentu jego śmierci. Oznacza to, że wszystkie ścięte drzewa emitują taką samą ilość promieniowania. Z biegiem czasu intensywność promieniowania maleje.

Pomaga to archeologom określić, jak dawno temu zginęło drzewo, z którego zbudowano galerę lub inny statek, a tym samym czas budowy. Ta metoda badawcza nazywa się analizą węgla radioaktywnego. Dzięki niemu naukowcom łatwiej jest ustalić chronologię wydarzeń historycznych.

Badając zjawisko promieniotwórczości naukowcy w pierwszej dekadzie XX wieku. odkrył dużą liczbę substancji promieniotwórczych - około 40. Było ich znacznie więcej niż wolnych miejsc w układzie okresowym pierwiastków w przedziale między bizmutem a uranem. Charakter tych substancji budzi kontrowersje. Niektórzy badacze uważali je za niezależne pierwiastki chemiczne, ale w tym przypadku kwestia ich umiejscowienia w układzie okresowym okazała się nierozwiązalna. Inni na ogół odmawiali im prawa do nazywania ich elementami w klasycznym sensie. W 1902 r. angielski fizyk D. Martin nazwał takie substancje pierwiastkami promieniotwórczymi. W trakcie ich badań okazało się, że niektóre pierwiastki promieniotwórcze mają dokładnie takie same właściwości chemiczne, ale różnią się masami atomowymi. Okoliczność ta była sprzeczna z głównymi przepisami ustawy o okresach. Angielski naukowiec F. Soddy rozwiązał tę sprzeczność. W 1913 nazwał chemicznie podobne izotopy pierwiastków promieniotwórczych (od greckich słów oznaczających „ten sam” i „miejsce”), tj. zajmujące to samo miejsce w układzie okresowym. Radiopierwiastki okazały się być izotopami naturalnych pierwiastków promieniotwórczych. Wszystkie są połączone w trzy rodziny radioaktywne, których przodkami są izotopy toru i uranu.

Izotopy tlenu. Izobary potasu i argonu (izobary to atomy różnych pierwiastków o tej samej liczbie masowej).

Liczba stabilnych izotopów dla parzystych i nieparzystych pierwiastków.

Wkrótce stało się jasne, że inne stabilne pierwiastki chemiczne również zawierają izotopy. Główna zasługa w ich odkryciu należy do angielskiego fizyka F. Astona. Odkrył stabilne izotopy w wielu pierwiastkach.

Z nowoczesnego punktu widzenia izotopy to odmiany atomów pierwiastka chemicznego: mają różne masy atomowe, ale ten sam ładunek jądrowy.

Ich jądra zawierają więc tę samą liczbę protonów, ale inną liczbę neutronów. Na przykład naturalne izotopy tlenu o Z = 8 zawierają odpowiednio 8, 9 i 10 neutronów w swoich jądrach. Suma liczb protonów i neutronów w jądrze izotopu nazywana jest liczbą masową A. Dlatego liczby masowe wskazanych izotopów tlenu wynoszą 16, 17 i 18. Obecnie przyjmuje się następujące oznaczenie izotopów: Z wartość jest podana w lewym dolnym rogu symbolu elementu, wartość A jest podana w lewym górnym rogu, na przykład: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

Po odkryciu zjawiska sztucznej promieniotwórczości uzyskano około 1800 sztucznych izotopów promieniotwórczych stosując reakcje jądrowe dla pierwiastków o Z od 1 do 110. Zdecydowana większość sztucznych radioizotopów ma bardzo krótkie okresy półtrwania, mierzone w sekundach i ułamkach sekund; tylko nieliczne mają stosunkowo długą żywotność (np. 10 Be - 2,7 10 6 lat, 26 Al - 8 10 5 lat itd.).

Pierwiastki stabilne występują w przyrodzie z około 280 izotopami. Jednak niektóre z nich okazały się lekko radioaktywne, z ogromnymi okresami półtrwania (np. 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Żywotność tych izotopów jest tak długa, że można je uznać za stabilne.

W świecie stabilnych izotopów wciąż istnieje wiele problemów. Nie jest więc jasne, dlaczego ich liczba w różnych pierwiastkach tak bardzo się różni. Około 25% stabilnych pierwiastków (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) jest obecnych w natura tylko jeden rodzaj atomu. Są to tak zwane pojedyncze elementy. Co ciekawe, wszystkie (oprócz Be) mają nieparzyste wartości Z. Ogólnie dla nieparzystych pierwiastków liczba stabilnych izotopów nie przekracza dwóch. Wręcz przeciwnie, niektóre pierwiastki o parzystym Z składają się z dużej liczby izotopów (na przykład Xe ma 9, Sn - 10 stabilnych izotopów).

Zbiór stabilnych izotopów danego pierwiastka nazywamy galaktyką. Ich zawartość w galaktyce często ulega dużym wahaniom. Warto zauważyć, że obfitość izotopów o liczbach masowych będących wielokrotnościami czterech (12 C, 16 O, 20 Ca itd.) jest najwyższa, chociaż są od tej reguły wyjątki.

Odkrycie stabilnych izotopów umożliwiło rozwiązanie odwiecznej zagadki mas atomowych - ich odchyleń od liczb całkowitych, ze względu na różny udział procentowy stabilnych izotopów pierwiastków w galaktyce.

W fizyce jądrowej znane jest pojęcie „izobarów”. Izobary są nazywane izotopami różnych pierwiastków (tj. o różnych wartościach Z), które mają te same liczby masowe. Badanie izobarów przyczyniło się do ustalenia wielu ważnych prawidłowości w zachowaniu i właściwościach jąder atomowych. Jedną z tych prawidłowości wyraża reguła sformułowana przez sowieckiego chemika S. A. Szczukarewa i jemeńskiego fizyka I. Mattaucha. Mówi: jeśli dwie izobary różnią się wartościami Z o 1, to jedna z nich z konieczności będzie radioaktywna. Klasycznym przykładem pary izobar jest 40 18 Ar - 40 19 K. W nim izotop potasu jest radioaktywny. Reguła Szczukariewa-Mattaucha pozwoliła wyjaśnić, dlaczego pierwiastki technet (Z = 43) i promet (Z = 61) nie mają stabilnych izotopów. Ponieważ mają nieparzyste wartości Z, nie można było oczekiwać dla nich więcej niż dwóch stabilnych izotopów. Okazało się jednak, że izobary odpowiednio technetu i prometu, izotopy molibdenu (Z = 42) i rutenu (Z = 44), neodymu (Z = 60) i samaru (Z = 62), są reprezentowane w przyrodzie przez stabilne odmiany atomów w szerokim zakresie liczb masowych. Tym samym prawa fizyczne zabraniają istnienia stabilnych izotopów technetu i prometu. Dlatego te pierwiastki w rzeczywistości nie istnieją w przyrodzie i musiały zostać sztucznie zsyntetyzowane.

Naukowcy od dawna próbują opracować układ okresowy izotopów. Oczywiście opiera się na innych zasadach niż podstawa układu okresowego pierwiastków. Ale te próby nie przyniosły jeszcze zadowalających rezultatów. To prawda, fizycy udowodnili, że kolejność wypełniania powłok protonowych i neutronowych w jądrach atomowych jest w zasadzie podobna do budowy powłok elektronowych i podpowłok w atomach (patrz Atom).

Dokładnie w ten sam sposób zbudowane są powłoki elektronowe izotopów danego pierwiastka. Dlatego ich właściwości chemiczne i fizyczne są prawie identyczne. Jedynie izotopy wodoru (prot i deuter) oraz ich związki wykazują zauważalne różnice we właściwościach. Na przykład ciężka woda (D 2 O) zamarza w temperaturze +3,8, wrze w 101,4 ° C, ma gęstość 1,1059 g / cm 3, nie wspiera życia organizmów zwierzęcych i roślinnych. Podczas elektrolizy wody na wodór i tlen, molekuły H 2 0 ulegają głównie rozkładowi, podczas gdy molekuły ciężkiej wody pozostają w elektrolizerze.

Rozdzielenie izotopów innych pierwiastków to niezwykle trudne zadanie. Niemniej jednak w wielu przypadkach potrzebne są izotopy poszczególnych pierwiastków o znacznie zmienionej zawartości w stosunku do naturalnej obfitości. Na przykład przy rozwiązywaniu problemu energii atomowej konieczne stało się oddzielenie izotopów 235 U i 238 U. W tym celu po raz pierwszy zastosowano metodę spektrometrii masowej, za pomocą której uzyskano pierwsze kilogramy uranu-235 w 1944 w USA. Jednak metoda ta okazała się zbyt kosztowna i została zastąpiona metodą dyfuzji gazowej, która wykorzystywała UF 6 . Obecnie istnieje kilka metod rozdzielania izotopów, ale wszystkie są dość złożone i drogie. Mimo to problem „oddzielenia tego, co nierozłączne” jest pomyślnie rozwiązywany.

Pojawiła się nowa dyscyplina naukowa - chemia izotopów. Bada zachowanie różnych izotopów pierwiastków chemicznych w reakcjach chemicznych i procesach wymiany izotopów. W wyniku tych procesów izotopy danego pierwiastka ulegają redystrybucji pomiędzy reagującymi substancjami. Oto najprostszy przykład: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (cząsteczka wody zamienia atom protu na atom deuteru). Rozwija się również geochemia izotopów. Bada wahania składu izotopowego różnych pierwiastków w skorupie ziemskiej.

Najszersze zastosowanie znajdują tzw. atomy znakowane, sztuczne izotopy promieniotwórcze pierwiastków stabilnych lub izotopy stabilne. Za pomocą wskaźników izotopowych - oznaczonych atomami - badają sposoby poruszania się pierwiastków w przyrodzie nieożywionej i żywej, charakter rozmieszczenia substancji i pierwiastków w różnych obiektach. Izotopy są wykorzystywane w technologii jądrowej: jako materiały do budowy reaktorów jądrowych; jako paliwo jądrowe (izotopy toru, uranu, plutonu); w fuzji termojądrowej (deuter, 6 Li, 3 He). Izotopy promieniotwórcze są również szeroko stosowane jako źródła promieniowania.

Czym są izotopy

izotopy Rodzaj atomu pierwiastka chemicznego. W każdym atomie zawsze jest taka sama liczba elektronów i protonów. Ponieważ mają przeciwne ładunki (elektrony są ujemne, a protony dodatnie), atom jest zawsze obojętny (ta cząsteczka elementarna nie ma ładunku, jest równa zeru). Kiedy elektron zostaje utracony lub wychwycony, atom traci swoją neutralność, stając się jonem ujemnym lub dodatnim.
Neutrony nie mają ładunku, ale ich liczba w jądrze atomowym tego samego pierwiastka może być różna. Nie wpływa to na neutralność atomu, ale wpływa na jego masę i właściwości. Na przykład każdy izotop atomu wodoru ma jeden elektron i jeden proton. A liczba neutronów jest inna. Prot ma tylko 1 neutron, deuter ma 2 neutrony, a tryt ma 3 neutrony. Te trzy izotopy różnią się znacznie od siebie właściwościami.

Porównanie izotopów

Czym różnią się izotopy? Mają różną liczbę neutronów, różne masy i różne właściwości. Izotopy mają identyczną strukturę powłok elektronowych. Oznacza to, że mają dość podobne właściwości chemiczne. Dlatego przypisuje im się jedno miejsce w układzie okresowym.
W przyrodzie znaleziono stabilne i radioaktywne (niestabilne) izotopy. Jądra atomów izotopów promieniotwórczych mogą samorzutnie przekształcać się w inne jądra. W procesie rozpadu radioaktywnego emitują różne cząstki.
Większość pierwiastków ma ponad dwa tuziny radioaktywnych izotopów. Ponadto izotopy promieniotwórcze są sztucznie syntetyzowane dla absolutnie wszystkich pierwiastków. W naturalnej mieszaninie izotopów ich zawartość ulega niewielkim wahaniom.
Istnienie izotopów pozwoliło zrozumieć, dlaczego w niektórych przypadkach pierwiastki o mniejszej masie atomowej mają wyższy numer seryjny niż pierwiastki o większej masie atomowej. Na przykład w parze argon-potas argon zawiera ciężkie izotopy, a potas obejmuje lekkie izotopy. Dlatego masa argonu jest większa niż potasu.

TheDifference.ru ustalił, że różnica między izotopami jest następująca:

Mają różną liczbę neutronów.
Izotopy mają różne masy atomów.
Wartość masy atomów jonów wpływa na ich całkowitą energię i właściwości.