Встановлено, кожен хімічний елемент, що у природі – це суміш ізотопів (звідси вони мають дробові атомні маси). Щоб зрозуміти, чим відрізняються один від одного ізотопи, необхідно детально розглянути будову атома. Атом утворює ядро ​​та електронну хмару. На масу атома впливають електрони, що рухаються з приголомшливою швидкістю орбіталями в електронній хмарі, нейтрони і протони, що входять до складу ядра.

Що таке ізотопи

Ізотопи– це різновид атомів будь-якого хімічного елемента. Електронів та протонів у будь-якому атомі завжди дорівнює кількість. Оскільки вони мають протилежні заряди (електрони – негативні, а протони – позитивні), атом завжди нейтральний (ця елементарна частка не несе заряду, він дорівнює у неї нулю). При втраті або захопленні електрона атом втрачає нейтральність, стаючи або негативним або позитивним іоном.
Нейтрони не мають заряду, зате їх кількість в атомному ядрі одного і того ж елемента може бути різною. Це не позначається на нейтральності атома, але впливає його масу і властивості. Наприклад, у будь-якому ізотопі атома водню є по одному електрону та протону. А кількість нейтронів різна. У протиї є лише 1 нейтрон, в дейтерії – 2 нейтрони й у тритії – 3 нейтрони. Ці три ізотопи помітно відрізняються один від одного за властивостями.

Порівняння ізотопів

Чим відрізняються ізотопи? У них різна кількість нейтронів, неоднакова маса та різні властивості. Ізотопи мають ідентичну будову електронних оболонок. Це означає, що вони досить близькі за хімічними властивостями. Тому їм відведено у періодичній системі одне місце.
У природі виявлені ізотопи стабільні та радіоактивні (нестабільні). Ядра атомів радіоактивних ізотопів здатні мимоволі перетворюватися на інші ядра. У процесі радіоактивного розпаду вони випромінюють різні частинки.
Більшість елементів має понад два десятки радіоактивних ізотопів. До того ж, радіоактивні ізотопи штучно синтезовані абсолютно для всіх елементів. У природній суміші ізотопів їх вміст трохи коливається.
Існування ізотопів дозволило зрозуміти, чому в окремих випадках елементи з меншою атомною масою мають більший порядковий номер, ніж елементи з більшою атомною масою. Наприклад, у парі аргон-калій аргон містить важкі ізотопи, а калій – легкі ізотопи. Тому маса аргону більша, ніж калію.

ImGist визначив, що відмінність ізотопів один від одного полягає в наступному:

Вони мають різну кількість нейтронів.
Ізотопи мають різну масу атомів.
Значення маси атомів іонів впливає на їхню повну енергію та властивості.

При вивченні властивостей радіоактивних елементів було виявлено, що в того самого хімічного елемента можна зустріти атоми з різною масою ядра. Заряд ядра при цьому вони мають однаковий, тобто це не домішки сторонніх речовин, а те саме речовина.

Що таке і чому існують ізотопи

У періодичній системі Менделєєва і даний елемент, і атоми речовини з масою ядра, що відрізняється, займають одну клітину. Виходячи з вищезгаданого таким різновидам однієї й тієї ж речовини було дано назву «ізотопи» (від грецької isos – однаковий та topos – місце). Отже, ізотопи- Це різновиди даного хімічного елемента, що різняться за масою атомних ядер.

За прийнятою нейтронно-протонною моделлю ядра пояснити існування ізотопів вдалося таким чином: ядра деяких атомів речовини містять різну кількість нейтронів, але однакову кількість протонів. Насправді заряд ядра ізотопів одного елемента однаковий, отже, кількість протонів в ядрі однакова. Ядра різняться по масі, відповідно, вони містять різну кількість нейтронів.

Стабільні та нестабільні ізотопи

Ізотопи бувають стабільними та нестабільними. На сьогоднішній день відомо близько 270 стабільних ізотопів та понад 2000 нестабільних. Стабільні ізотопи– це різновиди хімічних елементів, які можуть самостійно існувати тривалий час.

Більша частина нестабільних ізотопівбула отримана штучним шляхом. Нестабільні ізотопи радіоактивні, їх ядра схильні до процесу радіоактивного розпаду, тобто мимовільному перетворенню на інші ядра, що супроводжується випромінюванням частинок та/або випромінювань. Майже всі радіоактивні штучні ізотопи мають дуже короткі періоди напіврозпаду, що вимірюються секундами і навіть частками секунд.

Скільки ізотопів може містити ядро

Ядро неспроможна містити довільну кількість нейтронів. Відповідно, кількість ізотопів обмежена. У парних за кількістю протонівКількість елементів стабільних ізотопів може досягати десяти. Наприклад, олово має 10 ізотопів, ксенон – 9, ртуть – 7 тощо.

Ті елементи, кількість протонів яких непарна, можуть мати лише по два стабільні ізотопи. У ряду елементів є лише один стабільний ізотоп. Це такі речовини, як золото, алюміній, фосфор, натрій, марганець та інші. Такі варіації за кількістю стабільних ізотопів у різних елементів пов'язані зі складною залежністю числа протонів і нейтронів від енергії зв'язку ядра.

Практично всі речовини у природі існують у вигляді суміші ізотопів. Кількість ізотопів у складі речовини залежить від виду речовини, атомної маси та кількості стабільних ізотопів даного хімічного елемента.

Певного елемента, що мають однаковий, але різні. Мають ядри з однаковим числом і разл. числом мають однакову будову електронних оболонок і займають одне і те ж місце в періодич. системі хім. елементів. Термін "ізотопи" запропонований в 1910 Ф. Содді для позначення хімічно невиразних різновидів, що відрізняються за своїми фіз. (Насамперед радіоактивним) св-вам. Стабільні ізотопи вперше виявлені в 1913 р. Дж. Томсоном за допомогою розробленого ним т. зв. методу парабол – прообразу совр. . Він встановив, що Ne має, принаймні, 2 різновиди з мас. ч. 20 та 22. Назвами та символами ізотопів зазвичай служать назви та символи відповідних хім. елементів; вказують зверху ліворуч від символу. Напр., для позначення прір. ізотопів використовують запис 35 Сl і 37 С1; іноді внизу зліва вказують також елемента, тобто. пишуть 35 17 Сl і 37 17 Cl. Тільки ізотопи найлегшого елемента -водню з мас. ч. 1, 2 та 3 мають спец. назви та символи: (1 1 Н), (D, або 2 1 Н) та (Т, або 3 1 H) відповідно. Через велику різницю в масах поведінка цих ізотопів значно відрізняється (див. , ). Стабільні ізотопи зустрічаються у всіх парних та більшості непарних елементів з[ 83. Число стабільних ізотопів у елементів із парними номерами м. б. дорівнює 10 (напр., у); у елементів з непарними номерами трохи більше двох стабільних ізотопів. Відомо прибл. 280 стабільних та більше 2000 радіоактивних ізотопів у 116 природних та штучно отриманих елементів. Для кожного елемента вміст окремих ізотопів у прир. суміші зазнає невеликих коливань, яких часто можна знехтувати. Більше означає. коливання ізотопного складу спостерігаються для метеоритів та інших небесних тіл. Постійність ізотопного складу призводить до сталості елементів Землі, що є середнє значення маси даного елемента, знайдене з урахуванням поширеності ізотопів у природі. Коливання ізотопного складу легких елементів пов'язані, зазвичай, зі зміною ізотопного складу при разл. процесах, які у природі ( , тощо.). Для важкого елемента Рb коливання ізотопного складу різних зразків пояснюються разл. змістом у , та інших. джерелах і - родоначальників єств. . Відмінності св-в ізотопів цього елемента зв. . Важливий практич. завданням є отримання з прир. сумішей окремих ізотопів -

Зміст статті

ІЗОТОПИ- Різновиди одного і того ж хімічного елемента, близькі за своїми фізико-хімічними властивостями, але мають різну атомну масу. Назва «ізотопи» була запропонована в 1912 англійським радіохіміком Фредеріком Содді, який утворив його з двох грецьких слів: isos – однаковий та topos – місце. Ізотопи займають те саме місце в клітині періодичної системи елементів Менделєєва.

Атом будь-якого хімічного елемента складається з позитивно зарядженого ядра і навколишнього хмари негативно заряджених електронів. Положення хімічного елемента у періодичній системі Менделєєва (його порядковий номер) визначається зарядом ядра його атомів. Ізотопами називаються тому різновиди того самого хімічного елемента, атоми яких мають однаковий заряд ядра (і, отже, практично однакові електронні оболонки), але відрізняються значеннями маси ядра. За образним висловом Ф.Содді, атоми ізотопів однакові «зовні», але різні «всередині».

У 1932 було відкрито нейтрон – частка, що не має заряду, з масою, близькою до маси ядра атома водню - протона , та створена протонно-нейтронна модель ядра. В результаті у науці встановилося остаточне сучасне визначення поняття ізотопів: ізотопи - це речовини, ядра атомів яких складаються з однакового числа протонів і відрізняються лише числом нейтронів в ядрі . Кожен ізотоп прийнято позначати набором символів , де X – символ хімічного елемента, Z – заряд ядра атома (кількість протонів), А – масове число ізотопу (загальна кількість нуклонів – протонів і нейтронів у ядрі, A = Z + N). Оскільки заряд ядра виявляється однозначно пов'язаним із символом хімічного елемента, часто для скорочення використовується просто позначення AX.

Зі всіх відомих нам ізотопів тільки ізотопи водню мають власні назви. Так, ізотопи 2 H і 3 H носять назви дейтерію та тритію і отримали позначення відповідно D і T (ізотоп 1 H називають іноді протиєм).

У природі зустрічаються як стабільні ізотопи , так і нестабільні - радіоактивні, ядра атомів яких схильні до мимовільного перетворення на інші ядра з випромінюванням різних частинок (або процесів так званого радіоактивного розпаду). Зараз відомо близько 270 стабільних ізотопів, причому стабільні ізотопи зустрічаються тільки у елементів з атомним номером Z 83. Число нестабільних ізотопів перевищує 2000, переважна більшість їх отримано штучним шляхом в результаті здійснення різних ядерних реакцій. Число радіоактивних ізотопів у багатьох елементів дуже велике і може перевищувати два десятки. Число стабільних ізотопів істотно менше, деякі хімічні елементи складаються лише з одного стабільного ізотопу (берилій, фтор, натрій, алюміній, фосфор, марганець, золото та ряд інших елементів). Найбільше стабільних ізотопів – 10 виявлено в олова, у заліза, наприклад, їх – 4, у ртуті – 7.

Відкриття ізотопів, довідка.

У 1808 р. англійський вчений натураліст Джон Дальтон вперше ввів визначення хімічного елемента як речовини, що складається з атомів одного виду. У 1869 хіміком Д.І.Менделєєвим було відкрито періодичний закон хімічних елементів. Одна з труднощів в обґрунтуванні поняття елемента як речовини, що займає певне місце в клітині періодичної системи, полягала в нецілочисельності атомних ваг елементів. У 1866 англійський фізик і хімік - сер Вільям Крукс висунув гіпотезу, що кожен природний хімічний елемент є деякою сумішшю речовин, однакових за своїми властивостями, але мають різні атомні маси, проте в той час таке припущення не мало ще експериментального підтвердження і тому пройшло мало поміченим.

Важливим кроком на шляху до відкриття ізотопів стало виявлення явища радіоактивності і сформульована Ернстом Резерфордом і Фредеріком Содді гіпотеза радіоактивного розпаду: радіоактивність є не що інше, як розпад атома на заряджену частинку та атом іншого елемента, що за своїми хімічними властивостями відрізняється від вихідного. В результаті виникло уявлення про радіоактивні ряди або радіоактивні сімейства , на початку яких є перший материнський елемент, що є радіоактивним, і в кінці останній стабільний елемент. Аналіз ланцюжків перетворень показав, що в їх ході в одній клітинці періодичної системи можуть виявлятися ті самі радіоактивні елементи, що відрізняються лише атомними масами. Фактично це означало введення поняття ізотопів.

Незалежне підтвердження існування стабільних ізотопів хімічних елементів було отримано в експериментах Дж. Дж. Томсона і Астона в 1912-1920 з пучками позитивно заряджених частинок (або так званих каналових променів ) , що виходять із розрядної трубки.

У 1919 році Астон сконструював прилад, названий мас-спектрографом. (або мас-спектрометром) . Як джерело іонів, як і раніше, використовувалася розрядна трубка, проте Астон знайшов спосіб, при якому послідовне відхилення пучка частинок в електричному і магнітному полях призводило до фокусування частинок з однаковим значенням відношення заряду до маси (незалежно від їх швидкості) в одній і тій же точці на екрані. Поряд з Астоном мас-спектрометр дещо іншої конструкції в ті ж роки був створений американцем Демпстером. В результаті подальшого використання та вдосконалення мас-спектрометрів зусиллями багатьох дослідників до 1935 року було складено майже повну таблицю ізотопних складів усіх відомих на той час хімічних елементів.

Методи поділу ізотопів.

Для вивчення властивостей ізотопів і особливо їх застосування в наукових і прикладних цілях потрібне їх отримання більш-менш помітних кількостях. У звичайних мас-спектрометрах досягається практично повний поділ ізотопів, проте їх кількість мізерно мала. Тому зусилля вчених та інженерів були спрямовані на пошуки інших можливих методів розподілу ізотопів. У першу чергу були освоєні фізико-хімічні методи поділу, засновані на відмінностях у таких властивостях ізотопів одного всього елемента, як швидкості випаровування, константи рівноваги, швидкості хімічних реакцій і т.п. Найбільш ефективними серед них виявилися методи ректифікації та ізотопного обміну, які знайшли широке застосування у промисловому виробництві ізотопів легких елементів: водню, літію, бору, вуглецю, кисню та азоту.

Іншу групу методів утворюють так звані молекулярно-кінетичні методи: газова дифузія, термодифузія, мас-дифузія (дифузія в потоці пари), центрифугування. Методи газової дифузії, засновані на різній швидкості дифузії ізотопних компонентів високодисперсних пористих середовищах, були використані в роки Другої світової війни при організації промислового виробництва поділу ізотопів урану в США в рамках так званого Манхеттенського проекту зі створення атомної бомби. Для отримання необхідних кількостей урану, збагаченого до 90% легким ізотопом 235 U – головною «горючою» складовою атомної бомби, було збудовано заводи, що займали площі близько чотирьох тисяч гектарів. На створення атомного центру із заводами для отримання збагаченого урану було асигновано понад 2-х млрд. дол. Після війни в СРСР були розроблені та побудовані заводи з виробництва збагаченого урану для військових цілей, також засновані на дифузійному методі поділу. В останні роки цей метод поступився місцем більш ефективному і менш витратному методу центрифугування. У цьому методі ефект поділу ізотопної суміші досягається за рахунок різної дії відцентрових сил на компоненти ізотопної суміші, що заповнює ротор центрифуги, який є тонкостінним і обмеженим зверху і знизу циліндр, що обертається з дуже високою швидкістю у вакуумній камері. Сотні тисяч з'єднаних у каскади центрифуг, ротор кожної з яких здійснює понад тисячу обертів на секунду, використовуються в даний час на сучасних розділових виробництвах як в Росії, так і в інших розвинутих країнах світу. Центрифуги використовуються не тільки для отримання збагаченого урану, необхідного для забезпечення роботи ядерних реакторів атомних електростанцій, а й для виробництва ізотопів приблизно 30 хімічних елементів середньої частини періодичної системи. Для поділу різних ізотопів використовуються також установки електромагнітного поділу з потужними джерелами іонів, в останні роки набули поширення також лазерні методи поділу.

Застосування ізотопів.

Різноманітні ізотопи хімічних елементів знаходять широке застосування у наукових дослідженнях, у різних галузях промисловості та сільського господарства, в ядерній енергетиці, сучасній біології та медицині, у дослідженнях навколишнього середовища та інших галузях. У наукових дослідженнях (наприклад, у хімічному аналізі) потрібні, зазвичай, невеликі кількості рідкісних ізотопів різних елементів, обчислювані грамами і навіть міліграмами на рік. Разом з тим, для низки ізотопів, які широко використовуються в ядерній енергетиці, медицині та інших галузях, потреба в їх виробництві може становити багато кілограмів і навіть тонн. Так, у зв'язку з використанням важкої води D 2 O в ядерних реакторах її загальносвітове виробництво на початок 1990-х минулого століття становило близько 5000 т на рік. Ізотоп водню, що входить до складу важкої води, дейтерій, концентрація якого в природній суміші водню становить всього 0,015%, поряд з тритієм стане в майбутньому, на думку вчених, основним компонентом палива енергетичних термоядерних реакторів, що працюють на основі реакцій ядерного синтезу. У цьому випадку потреба у виробництві ізотопів водню виявиться величезною.

У наукових дослідженнях стабільні та радіоактивні ізотопи широко застосовуються як ізотопні індикатори (мітки) при вивченні різних процесів, що відбуваються в природі.

У сільському господарстві ізотопи («мічені» атоми) застосовуються, наприклад, вивчення процесів фотосинтезу, засвоюваності добрив й у визначення ефективності використання рослинами азоту, фосфору, калію, мікроелементів та інших. речовин.

Ізотопні технології знаходять широке застосування у медицині. Так, у США, згідно зі статистичними даними, проводиться понад 36 тис. медичних процедур на день і близько 100 млн. лабораторних тестів з використанням ізотопів. Найбільш поширені процедури, пов'язані з комп'ютерною томографією. Ізотоп вуглецю C 13 збагачений до 99% (природний вміст близько 1%), активно використовується в так званому «діагностичному контролі дихання». Суть тесту дуже проста. Збагачений ізотоп вводиться в їжу пацієнта і після участі в процесі обміну речовин в різних органах тіла виділяється у вигляді вуглекислого газу, що видихається пацієнтом, СО 2 , який збирається і аналізується за допомогою спектрометра. Відмінність у швидкостях процесів, пов'язаних з виділенням різних кількостей вуглекислого газу, помічених ізотопом С 13 дозволяють судити про стан різних органів пацієнта. У США кількість пацієнтів, які проходитимуть цей тест, оцінюється у 5 млн. осіб на рік. Зараз для виробництва високозбагаченого ізотопу С13 у промислових масштабах використовуються лазерні методи поділу.

Володимир Жданов

Ізотопи- різновиди атомів (і ядер) будь-якого хімічного елемента, які мають однаковий атомний (порядковий) номер, але різні масові числа.

Термін ізотоп формується з грецького коріння isos (ἴσος «equal») і topos (τόπος «місце»), що означає «те саме місце»; Таким чином, значення імені полягає в тому, що різні ізотопи одного елемента займають однакове положення в періодичній таблиці.

Три природні ізотоп водню. Той факт, що кожен ізотоп має один протон, має варіанти водню: тотожність ізотопу визначається кількістю нейтронів. Зліва направо ізотопи є протий (1H) з нульовими нейтронами, дейтерій (2H) з одним нейтроном і тритій (3H) з двома нейтронами.

Число протонів в ядрі атома називається атомним числом і дорівнює числу електронів у нейтральному (неіонізованому) атомі. Кожне атомне число ідентифікує певний елемент, але не ізотоп; Атом даного елемента може мати широкий діапазон нейтронів. Число нуклонів (як протонів, так і нейтронів) в ядрі - це масове число атома, і кожен ізотоп цього елемента має різне масове число.

Наприклад, вуглець-12, вуглець-13 і вуглець-14 являють собою три ізотопи елементарного вуглецю з масовими числами 12, 13 і 14 відповідно. Атомний номер вуглецю дорівнює 6, що означає, що кожен атом вуглецю має 6 протонів, тому нейтронні числа цих ізотопів становлять 6, 7 і 8 відповідно.

Нукліди і ізотопи

Нуклід відноситься до ядра, а не атома. Ідентичні ядра належать одному нукліду, наприклад, кожне ядро ​​нукліду вуглець-13 складається з 6 протонів та 7 нейтронів. Концепція нуклідів (що відноситься до окремих ядерних видів) підкреслює ядерні властивості порівняно з хімічними властивостями, тоді як ізотопна концепція (що угруповує всі атоми кожного елемента) підкреслює хімічну реакцію над ядерною. Нейтронне число впливає на властивості ядер, але його вплив на хімічні властивості дуже мало для більшості елементів. Навіть у випадку найлегших елементів, де відношення кількості нейтронів до атомного номера змінюється найбільшою мірою між ізотопами, воно зазвичай має лише незначний ефект, хоча це має значення в деяких випадках (для водню, найлегшого елемента, ізотопний ефект є великим.) на біологію). Оскільки ізотоп - це більш давній термін, він краще відомий, ніж нуклід, і досі іноді використовується в контекстах, де нуклід може бути більш відповідним, наприклад, ядерні технології та ядерна медицина.

Позначення

Ізотоп або нуклід визначається на ім'я конкретного елемента (це вказує номер атома), за яким слідує дефіс і масове число (наприклад, гелій-3, гелій-4, вуглець-12, вуглець-14, уран-235 і Уран-239). При використанні хімічного символу, наприклад. "C" для вуглецю, стандартна нотація (тепер відома як "AZE-нотація", тому що A - це масове число, Z - атомний номер і E для елемента) - вказати масове число (число нуклонів) з верхнім індексом у верхній Зліва від хімічного символу та вказати атомний номер з нижнім індексом у лівому нижньому кутку). Оскільки атомний номер визначається символом елемента, зазвичай вказується тільки масове число у верхньому індексі і не вказується індекс атома. Букву m іноді приєднують після масового числа, щоб вказати ядерний ізомер, метастабільний або енергетично збуджений ядерний стан (на відміну від основного стану з найменшою енергією), наприклад, 180м 73Ta (тантал-180м).

Радіоактивні, первинні та стабільні ізотопи

Деякі ізотопи є радіоактивними і тому називаються радіоізотопами або радіонуклідами, тоді як інші ніколи не спостерігалися радіоактивного розпаду і називаються стабільними ізотопами або стабільними нуклідами. Наприклад, 14°С являє собою радіоактивну форму вуглецю, тоді як 12°С та 13°С є стабільними ізотопами. На землі існує близько 339 природних нуклідів, з яких 286 є первинними нуклідами, що означає, що вони існують з моменту утворення Сонячної системи.

Початкові нукліди включають 32 нукліди з дуже великим періодом напіврозпаду (понад 100 мільйонів років) та 254, які формально вважаються "стабільними нуклідами", оскільки вони не спостерігалися для розпаду. У більшості випадків, з очевидних причин, якщо елемент має стабільні ізотопи, то ці ізотопи переважають в елементарній поширеності, виявленій на Землі і в Сонячній системі. Однак у випадку трьох елементів (телур, індій та реній) найбільш поширеним ізотопом, виявленим у природі, є фактично один (або два) надзвичайно довгоживучий радіоізотоп(и) елемента, незважаючи на те, що ці елементи мають один або більше стійких ізотопів.

Теорія передбачає, що багато, мабуть, «стабільні» ізотопи/нукліди є радіоактивними, з надзвичайно довгими періодами напіврозпаду (не враховуючи можливість розпаду протонів, що зробить усі нукліди зрештою нестійкими). З 254 нуклідів, які ніколи не спостерігалися, лише 90 з них (усі з перших 40 елементів) теоретично стійкі до всіх відомих форм розпаду. Елемент 41 (ніобій) теоретично нестабільний спонтанним розподілом, але це ніколи не було виявлено. Багато інших стійких нуклідів теорії енергетично сприйнятливі до інших відомих форм розпаду, таких як альфа-розпад або подвійний бета-розпад, але продукти розпаду ще не спостерігалися, і тому вважається, що ці ізотопи є «стабільними за спостереженнями». Прогнозовані періоди напіврозпаду для цих нуклідів часто значно перевищують розрахунковий вік Всесвіту, і насправді існує також 27 відомих радіонуклідів із періодами напіврозпаду, що перевищують вік Всесвіту.

Радіоактивні нукліди, створені штучно, наразі їх відомо 3339 нуклідів. До них відносяться 905 нуклідів, які або стабільні, або мають період напіввиведення більше 60 хвилин.

Властивості ізотопів

Хімічні та молекулярні властивості

Нейтральний атом має таку кількість електронів, як і протони. Таким чином, різні ізотопи даного елемента мають однакову кількість електронів та мають подібну електронну структуру. Оскільки хімічна поведінка атома значною мірою визначається його електронною структурою, різні ізотопи демонструють майже ідентичну хімічну поведінку.

Винятком з цього є кінетичний ізотопний ефект: через їх великі маси більш важкі ізотопи мають тенденцію реагувати дещо повільніше, ніж легші ізотопи того ж елемента. Це найбільш яскраво виражено для протию (1 H), дейтерію (2 H) і тритію (3 H), так як дейтерій має вдвічі більше маси протию, а тритій має втричі більше маси протию. Ці відмінності в масі також впливають на поведінку відповідних хімічних зв'язків, змінюючи центр тяжкості (зменшену масу) атомних систем. Однак для більш важких елементів відносна різниця мас між ізотопами набагато менша, так що ефекти різниці мас в хімії зазвичай незначні. (Тяжкі елементи також мають відносно більше нейтронів, ніж легші елементи, тому відношення маси ядра до сукупної електронної маси дещо більше).

Аналогічно, дві молекули, які відрізняються лише ізотопами їх атомів (ізотопологи), мають однакову електронну структуру і відтак майже невиразні фізичні та хімічні властивості (знову ж таки з первинними винятками є дейтерій і тритій). Коливальні моди молекули визначаються її формою та масами складових її атомів; Тому різні ізотопологи мають різні набори вібраційних мод. Оскільки коливальні моди дозволяють молекулі поглинати фотони відповідних енергій, ізотопологи мають різні оптичні властивості в інфрачервоному діапазоні.

Ядерні властивості та стабільність

Атомні ядра складаються з протонів та нейтронів, пов'язаних один з одним залишковою сильною силою. Оскільки протони позитивно заряджені, вони відштовхують один одного. Нейтрони, які електрично нейтральні, стабілізують ядро ​​двома способами. Їх дотик трохи відсуває протони, зменшуючи електростатичне відштовхування між протонами, і вони надають привабливу ядерну силу один на одного та на протони. Тому один або кілька нейтронів необхідні для того, щоб два або більше протони зв'язувалися з ядром. У міру збільшення числа протонів збільшується і ставлення нейтронів до протонів, необхідне забезпечення стабільного ядра (див. графік справа). Наприклад, хоча відношення нейтрон: протон 3 2 He становить 1:2, відношення нейтрон: протон 238 92 U
Більше 3:2. Ряд легших елементів має стійкі нукліди із ставленням 1:1 (Z = N). Нуклід 40 20 Ca (кальцій-40) є найважчим спостережливим стабільним нуклідом з таким же числом нейтронів і протонів; (Теоретично, найважчий стабільний – це сірка-32). Усі стабільні нукліди, важчі, ніж кальцій-40, містять більше нейтронів, ніж протони.

Число ізотопів на один елемент

З 81 елемента зі стабільними ізотопами, найбільше стабільних ізотопів спостерігаються для будь-якого елемента становить десять (для елемента олова). Жоден елемент не має дев'яти стабільних ізотопів. Ксенон - єдиний елемент із вісьмома стабільними ізотопами. Чотири елементи мають сім стабільних ізотопів, вісім з яких мають шість стабільних ізотопів, десять мають п'ять стабільних ізотопів, дев'ять мають чотири стабільні ізотопи, п'ять мають три стабільні ізотопи, 16 мають два стабільні ізотопи, а 26 елементів мають тільки один (З них 19 є так званими мононуклідними елементами, що мають єдиний стабільний примордіальний ізотоп, який домінує і фіксує атомну вагу природного елемента з високою точністю, 3 також присутні радіоактивні мононуклідні елементи). Загалом є 254 нукліди, які не спостерігалися для розпаду. Для 80 елементів, які мають один або більше стабільних ізотопів, середня кількість стабільних ізотопів становить 254/80 = 3,2 ізотопів на елемент.

Парні та непарні числа нуклонів

Протони: ставлення нейтронів перестав бути єдиним чинником, що впливає ядерну стабільність. Це також від парності чи непарності його атомного номера Z, числа нейтронів N, отже їх суми масового числа A. Непарні як Z і N має тенденцію до зниження ядерної енергії зв'язку, створюючи непарні ядра, зазвичай менш стабільні. Це значне відмінність ядерної енергії зв'язку між сусідніми ядрами, особливо непарні ізобари, мають важливі наслідки: нестійкі ізотопи з неоптимальним числом нейтронів або протонів розпадаються на бета-розпад (включаючи позитронний розпад), захоплення електронів або інші екзотичні засоби, такі як спонтанний поділ кластерів.

Більшість стійких нуклідів є парним числом протонів та парним числом нейтронів, де всі числа Z, N та A парні. Непарні стабільні нукліди діляться (приблизно рівномірно) на непарні.

Атомний номер

148 парних протонних, парних нейтронів (ЕЕ) нуклідів становлять ~58% всіх стабільних нуклідів. Є також 22 первинних довгоживучих парних нуклідів. В результаті кожен з 41 парних елементів від 2 до 82 має принаймні один стабільний ізотоп, і більшість цих елементів мають кілька первинних ізотопів. Половина цих парних елементів має шість чи більше стабільних ізотопів. Крайня стабільність гелію-4 через подвійне з'єднання двох протонів і двох нейтронів запобігає існування будь-яких нуклідів, що містять п'ять або вісім нуклонів, досить довго, щоб служити платформами для накопичення важчих елементів за допомогою ядерного синтезу.

Ці 53 стабільні нукліди мають парне число протонів і непарне число нейтронів. Вони є меншістю у порівнянні з парними ізотопами, які приблизно в 3 рази численні. Серед 41 парно-Z елементів, які мають стабільний нуклід, лише два елементи (аргон та церій) не мають парних непарних стійких нуклідів. Один елемент (олово) має три. Є 24 елементи, які мають один парно-непарний нуклід і 13, які мають два непарно-парні нукліди.

Через їх непарних нейтронних чисел, парно-непарні нукліди мають тенденцію мати великі перерізи захоплення нейтронів через енергію, що виникає через ефекти з'єднання нейтронів. Ці стабільні нукліди можуть бути незвичайними за великою кількістю в природі, в основному тому що для утворення і вступу в первісну велику кількість вони повинні уникнути захоплення нейтронів, щоб утворити ще інші стабільні парно-непарні ізотопи протягом, як s - процес і r - процес захоплення нейтронів при нуклеосинтезі.

Непарний атомний номер

48 стабільних непарно-протонних і парно-нейтронних нуклідів, стабілізованих їх парним числом спарених нейтронів, утворюють більшість стабільних ізотопів непарних елементів; Дуже небагато непарні нейтронні нукліди становлять інші. Є 41 непарних елементів з Z = 1 до 81, з яких 39 мають стабільні ізотопи (у елементів технеція (43 Tc) і прометія (61 Pm) немає стабільних ізотопів). З цих 39 непарних Z елементів 30 елементів (включаючи водень-1, де 0 нейтронів парний) мають один стабільний парно-непарний ізотоп, а дев'ять елементів: хлор (17 Cl), калій (19K), мідь (29 Cu), галій ( 31 Ga), Бром (35 Br), срібло (47 Ag), сурма (51 Sb), іридій (77 Ir) та талій (81 Tl) мають по два непарно-парні стабільні ізотопи. Таким чином виходить 30 + 2(9) = 48 стабільних парно-парних ізотопів.

Тільки п'ять стійких нуклідів містять як непарне число протонів, і непарне число нейтронів. Перші чотири "непарно-непарні" нукліди відбуваються в низькомолекулярних нуклідах, для яких зміна протона на нейтрон або навпаки призведе до дуже однобокого співвідношення протон-нейтрон.

Єдиною повністю «стабільною», непарно-непарним нуклідом є 180m 73 Ta, який вважається найрідкіснішим із 254 стабільних ізотопів та є єдиним початковим ядерним ізомером, який ще не спостерігався до розпаду, незважаючи на експериментальні спроби.

Непарна кількість нейтронів

Актиніди з непарним числом нейтронів, зазвичай, діляться (з тепловими нейтронами), тоді як із парним нейтронним числом, зазвичай, немає, хоча вони діляться на швидкі нейтрони. Усі спостережливо стійкі непарно-непарні нукліди мають ненульовий цілісний спин. Це пояснюється тим, що одиночний неспарений нейтронний і неспарений протон мають більше тяжіння ядерної сили один до одного, якщо їх спини вирівняні (виробляючи повний спин принаймні на 1 одиницю), а не вирівняні.

Виникнення у природі

Елементи складаються з одного або більше природних ізотопів. Нестабільні (радіоактивні) ізотопи є або первинними, або постприкладними. Початкові ізотопи були продуктом зоряного нуклеосинтезу або іншого типу нуклеосинтезу, такого як розщеплення космічних променів, і зберігалися аж до теперішнього часу, тому що їхня швидкість розпаду настільки низька (наприклад, уран-238 і калій-40). Постприродні ізотопи були створені шляхом бомбардування космічними променями як космогенні нукліди (наприклад, тритій, вуглець-14) або розпад первинного радіоізотопу на дочку радіоактивного радіогенного нукліду (наприклад, від урану до радію). Декілька ізотопів природно синтезуються як нуклеогенні нукліди, іншими природними ядерними реакціями, наприклад, коли нейтрони від природного поділу ядер поглинаються іншим атомом.

Як обговорювалося вище, лише 80 елементів мають стабільні ізотопи, а 26 з них мають лише один стабільний ізотоп. Таким чином, близько двох третин стабільних елементів відбуваються природним чином на Землі в декількох стабільних ізотопах, причому найбільше стабільних ізотопів для елемента становить десять, для олова (50Sn). На Землі існує близько 94 елементів (до включно плутонію), хоча деякі виявлені тільки в дуже малих кількостях, таких як плутоній-244. Вчені вважають, що елементи, які відбуваються природним чином на Землі (деякі лише як радіоізотопи), зустрічаються у вигляді 339 ізотопів (нуклідів) загалом. Тільки 254 з цих природних ізотопів стійкі у тому сенсі, що на сьогоднішній день їх не спостерігали. Ще 35 первинних нуклідів (у сумі 289 первинних нуклідів) є радіоактивними з відомими періодами напіврозпаду, але мають періоди напіврозпаду понад 80 мільйонів років, що дозволяє їм існувати від початку Сонячної системи.

Усі відомі стабільні ізотопи природно відбуваються Землі; Інші природні ізотопи є радіоактивними, але через їх відносно тривалого періоду напіврозпаду або через інші способи безперервного природного виробництва. До них відносяться згадані вище космогенні нукліди, нуклеогенні нукліди і будь-які радіогенні ізотопи, що утворюються в результаті розпаду первинного радіоактивного ізотопу, такого як радон і радій з урану.

У ядерних реакторах та прискорювачах частинок створено ще ~ 3000 радіоактивних ізотопів, не виявлених у природі. Багато короткоживучих ізотопів, не знайдених природним шляхом на Землі, також спостерігалися спектроскопічним аналізом, що природно створюється в зірках або наднових. Прикладом може бути алюміній-26, який, природно, немає на Землі, але зустрічається удосталь в астрономічних масштабах.

Табульовані атомні маси елементів є середні величини, які пояснюють наявність множинних ізотопів з різними масами. До відкриття ізотопів емпірично визначені неінтегровані значення атомної маси плутали вчених. Наприклад, зразок хлору містить 75,8% хлору-35 та 24,2% хлору-37, що дає середню атомну масу 35,5 атомних одиниць маси.

Відповідно до загальноприйнятої теорії космології, тільки ізотопи водню і гелію, сліди деяких ізотопів літію і берилію і можливо, деякі бори, були створені при Великому вибуху, а решта ізотопів були синтезовані пізніше, в зірках і наднових зірках, а також в Взаємодії між енергійними , такими як космічні промені, та раніше отриманими ізотопами. Відповідний ізотопний вміст ізотопів на Землі обумовлений величинами, утвореними цими процесами, їх поширенням через галактику та швидкістю розпаду ізотопів, які є нестійкими. Після початкового злиття Сонячної системи ізотопи були перерозподілені відповідно до маси і ізотопний склад елементів злегка змінюється від планети до планети. Це іноді дозволяє простежити походження метеоритів.

Атомна маса ізотопів

Атомна маса (mr) ізотопу визначається головним чином його масовим числом (тобто числом нуклонів у його ядрі). Невеликі поправки зумовлені енергією зв'язку ядра, невеликою відмінністю в масі між протоном і нейтроном і масою електронів, пов'язаних з атомом.

Масове число - Безрозмірна величина. З іншого боку, атомна маса вимірюється з використанням одиниці атомної маси, заснованої на масі атома вуглецю-12. Він позначається символами u (для уніфікованої атомної одиниці маси) або Da (для дальтона).

Атомні маси природних ізотопів елемента визначають атомну масу елемента. Коли елемент містить N ізотопів, наведений нижче вираз застосовується для середньої атомної маси:

Де m 1 , m 2 , …, mN – атомні маси кожного окремого ізотопу, а x 1 , …, xN – відносна велика кількість цих ізотопів.

Застосування ізотопів

Існує кілька застосувань, які використовують властивості різних ізотопів цього елемента. Поділ ізотопів є важливою технологічною проблемою, особливо з важкими елементами, такими як уран або плутоній. Більш легкі елементи, такі як літій, вуглець, азот та кисень, зазвичай поділяються газовою дифузією їх сполук, таких як СО та NO. Поділ водню та дейтерію незвичайний, оскільки він заснований на хімічних, а не фізичних властивостях, наприклад, у сульфідному процесі Гірдлера. Ізотопи урану були розділені за обсягом шляхом дифузії газів, газового центрифугування, лазерного іонізаційного поділу та (у Манхеттенському проекті) за типом мас-спектрометрії виробництва.

Використання хімічних та біологічних властивостей

• Ізотопний аналіз – це визначення ізотопної сигнатури, відносної поширеності ізотопів даного елемента у конкретному зразку. Для біогенних речовин, зокрема, можуть мати місце суттєві зміни ізотопів С, N та О. Аналіз таких варіацій має широкий спектр застосування, таких як виявлення фальсифікації у харчових продуктах або географічне походження продуктів з використанням ізоскапії. Ідентифікація деяких метеоритів, що виникли на Марсі, заснована частково на ізотопній сигнатурі слідових газів, що містяться в них.
• Ізотопічне заміщення може бути використане для визначення механізму хімічної реакції за допомогою кінетичного ізотопного ефекту.
• Іншим поширеним застосуванням є ізотопне маркування, використання незвичайних ізотопів як індикатори або маркери в хімічних реакціях. Зазвичай атоми даного елемента не відрізняються друг від друга. Однак, використовуючи ізотопи різних мас, навіть різні нерадіоактивні стабільні ізотопи можна відрізнити за допомогою мас-спектрометрії або інфрачервоної спектроскопії. Наприклад, при "стабільному маркуванні ізотопів амінокислотами в культурі клітин" (SILAC), стабільні ізотопи використовуються для кількісного визначення білків. Якщо використовуються радіоактивні ізотопи, вони можуть бути виявлені випромінюваним ними випромінюванням (це називається радіоізотопним маркуванням).
• Ізотопи зазвичай використовуються для визначення концентрації різних елементів або речовин з використанням методу ізотопного розведення, при якому відомі кількості ізотопічно заміщених сполук змішуються із зразками, та ізотопні характеристики отриманих сумішей визначаються за допомогою мас-спектрометрії.

Використання ядерних властивостей

• Методом, подібним до радіоізотопних міток, є радіометричне датування: з використанням відомого періоду напіврозпаду нестійкого елемента можна обчислити час, що минув з існування відомої концентрації ізотопу. Найбільш широко відомий приклад - радіовуглецеве датування, що використовується для визначення віку вуглецевих матеріалів.
• Деякі форми спектроскопії ґрунтуються на унікальних ядерних властивостях конкретних ізотопів, як радіоактивних, так і стабільних. Наприклад, спектроскопія ядерного магнітного резонансу (ЯМР) може бути використана тільки для ізотопів з відмінним від нуля ядерним спином. Найбільш поширеними ізотопами, що використовуються при ЯМР-спектроскопії, є 1 H, 2 D, 15 N, 13 C та 31 P.
• Мессбауерівська спектроскопія також спирається на ядерні переходи конкретних ізотопів, таких як 57 Fe.