Как се различават изотопите на един и същи елемент? Идеята за атомите като неделими най-малки частици материя

Изучавайки явлението радиоактивност, учените през първото десетилетие на 20 век. откриха голям брой радиоактивни вещества - около 40. Те бяха значително повече, отколкото имаше свободни места в периодичната таблица на елементите между бисмут и уран. Естеството на тези вещества е противоречиво. Някои изследователи ги смятаха за независими химични елементи, но в този случай въпросът за тяхното място в периодичната таблица се оказа неразрешим. Други като цяло им отказаха правото да бъдат наричани елементи в класическия смисъл. През 1902 г. английският физик Д. Мартин нарича такива вещества радиоелементи. При изследването им стана ясно, че някои радиоелементи имат абсолютно еднакви химични свойства, но се различават по атомни маси. Това обстоятелство противоречи на основните разпоредби на периодичния закон. Английският учен Ф. Соди разрешава противоречието. През 1913 г. той нарича подобни по химичен състав радиоелементи изотопи (от гръцки думи, означаващи „еднакво” и „място”), т.е. те заемат едно и също място в периодичната система. Радиоелементите се оказаха изотопи на естествени радиоактивни елементи. Всички те са обединени в три радиоактивни семейства, предците на които са изотопи на торий и уран.

Изотопи на кислорода. Изобари на калий и аргон (изобарите са атоми на различни елементи с еднакво масово число).

Брой стабилни изотопи за четни и нечетни елементи.

Скоро стана ясно, че други стабилни химични елементи също имат изотопи. Основната заслуга за откриването им е на английския физик Ф. Астън. Той открива стабилни изотопи на много елементи.

От съвременна гледна точка изотопите са разновидности на атоми на химичен елемент: те имат различни атомни маси, но еднакъв ядрен заряд.

Следователно техните ядра съдържат еднакъв брой протони, но различен брой неутрони. Например естествените изотопи на кислорода с Z = 8 съдържат съответно 8, 9 и 10 неутрона в своите ядра. Сумата от броя на протоните и неутроните в ядрото на изотоп се нарича масово число А. Следователно масовите числа на посочените изотопи на кислорода са 16, 17 и 18. В днешно време се приема следното обозначение за изотопи: стойността Z е дадена по-долу вляво от символа на елемента, стойността A е дадена в горния ляв ъгъл, например: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

От откриването на явлението изкуствена радиоактивност са произведени приблизително 1800 изкуствени радиоактивни изотопа чрез ядрени реакции за елементи със Z от 1 до 110. По-голямата част от изкуствените радиоизотопи имат много кратък период на полуразпад, измерен в секунди и части от секунди ; само няколко имат относително дълга продължителност на живота (например 10 Be - 2,7 10 6 години, 26 Al - 8 10 5 години и т.н.).

Стабилните елементи са представени в природата от приблизително 280 изотопа. Някои от тях обаче се оказаха слабо радиоактивни, с огромен период на полуразпад (например 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Продължителността на живота на тези изотопи е толкова дълга, че могат да се считат за стабилни.

Все още има много предизвикателства в света на стабилните изотопи. По този начин не е ясно защо техният брой варира толкова много между различните елементи. Около 25% от стабилните елементи (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) присъстват в природата има само един вид атом. Това са така наречените единични елементи. Интересно е, че всички те (с изключение на Be) имат нечетни стойности на Z. По принцип за нечетните елементи броят на стабилните изотопи не надвишава два. За разлика от това, някои четни Z елементи се състоят от голям брой изотопи (например Xe има 9, Sn има 10 стабилни изотопа).

Наборът от стабилни изотопи на даден елемент се нарича галактика. Съдържанието им в галактиката често варира значително. Интересно е да се отбележи, че най-високото съдържание на изотопи с масови числа, които са кратни на четири (12 C, 16 O, 20 Ca и т.н.), въпреки че има изключения от това правило.

Откриването на стабилните изотопи направи възможно разрешаването на дългогодишната мистерия на атомните маси - тяхното отклонение от цели числа, обяснено с различния процент на стабилни изотопи на елементите в галактиката.

В ядрената физика е известно понятието „изобари“. Изобарите са изотопи на различни елементи (т.е. с различни Z стойности), които имат еднакви масови числа. Изследването на изобарите допринесе за установяването на много важни модели в поведението и свойствата на атомните ядра. Една от тези закономерности се изразява в правилото, формулирано от съветския химик С. А. Шчукарев и немския физик И. Маттаух. Той казва: ако две изобари се различават в стойностите на Z с 1, тогава една от тях определено ще бъде радиоактивна. Класически пример за двойка изобари е 40 18 Ar - 40 19 K. В нея калиевият изотоп е радиоактивен. Правилото на Шчукарев-Матаух даде възможност да се обясни защо в елементите технеций (Z = 43) и прометий (Z = 61) няма стабилни изотопи. Тъй като имат нечетни Z стойности, за тях не може да се очакват повече от два стабилни изотопа. Но се оказа, че изобарите на технеций и прометий, съответно изотопите на молибден (Z = 42) и рутений (Z = 44), неодим (Z = 60) и самарий (Z = 62), са представени в природата от стабилни разновидности на атоми в широк диапазон от масови числа. По този начин физическите закони забраняват съществуването на стабилни изотопи на технеций и прометий. Ето защо тези елементи всъщност не съществуват в природата и трябваше да бъдат синтезирани изкуствено.

Учените отдавна се опитват да разработят периодична система от изотопи. Разбира се, тя се основава на различни принципи от основата на периодичната таблица на елементите. Но тези опити все още не са довели до задоволителни резултати. Вярно е, че физиците са доказали, че последователността на запълване на протонни и неутронни обвивки в атомните ядра по принцип е подобна на конструкцията на електронните обвивки и подобвивки в атомите (виж Атом).

Електронните обвивки на изотопите на даден елемент са изградени по абсолютно същия начин. Следователно техните химични и физични свойства са почти идентични. Само изотопите на водорода (протий и деутерий) и техните съединения показват забележими разлики в свойствата. Например тежката вода (D 2 O) замръзва при +3,8, кипи при 101,4 ° C, има плътност 1,1059 g/cm 3 и не поддържа живота на животните и растителните организми. По време на електролизата на водата на водород и кислород се разграждат предимно молекули Н 2 О, докато молекулите на тежката вода остават в електролизера.

Разделянето на изотопи на други елементи е изключително трудна задача. В много случаи обаче са необходими изотопи на отделни елементи със значително променено изобилие в сравнение с естественото изобилие. Например при решаването на проблема с атомната енергия стана необходимо да се разделят изотопите 235 U и 238 U. За тази цел за първи път беше използван методът на масовата спектрометрия, с помощта на който бяха получени първите килограми уран-235 в САЩ през 1944г. Този метод обаче се оказва твърде скъп и е заменен от газодифузионния метод, който използва UF 6. Сега има няколко метода за разделяне на изотопи, но всички те са доста сложни и скъпи. И все пак проблемът с „разделянето на неделимото“ се решава успешно.

Появи се нова научна дисциплина - изотопна химия. Тя изучава поведението на различни изотопи на химични елементи в химични реакции и процеси на изотопна обмяна. В резултат на тези процеси изотопите на даден елемент се преразпределят между реагиращите вещества. Ето най-простият пример: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (водна молекула обменя протиев атом с деутериев атом). Развива се и геохимията на изотопите. Тя изучава вариациите в изотопния състав на различни елементи в земната кора.

Най-широко използвани са така наречените белязани атоми - изкуствени радиоактивни изотопи на стабилни елементи или стабилни изотопи. С помощта на изотопни индикатори - белязани атоми - те изучават пътищата на движение на елементите в неживата и живата природа, характера на разпределението на веществата и елементите в различни обекти. Изотопите се използват в ядрената техника: като материали за изграждане на ядрени реактори; като ядрено гориво (изотопи на торий, уран, плутоний); при термоядрен синтез (деутерий, 6 Li, 3 He). Радиоактивните изотопи също се използват широко като източници на радиация.

Изотопи

Атомите на един и същи елемент, които имат различни масови числа, се наричат ​​изотопи. Атомите на изотопите на един и същи елемент имат еднакъв брой протони (Z) и се различават един от друг по броя на неутроните (N).

Изотопите на различни елементи нямат собствени имена, а повтарят името на елемента; в този случай атомната маса на даден изотоп - единствената му разлика от другите изотопи на същия елемент - се отразява с горен индекс в химичната формула на елемента: например за уранови изотопи - 235 U, 238 U. единственото изключение от правилата на изотопната номенклатура е елемент №1 - водород. И трите известни понастоящем изотопа на водорода имат не само свои специални химически символи, но и собствено име: 1 H - протий, 2 D - деутерий, 3 T - тритий; в този случай ядрото на протия е просто един протон, ядрото на деутерия съдържа един протон и един неутрон, ядрото на трития съдържа един протон и два неутрона. Имената на водородните изотопи исторически са се развили по този начин, тъй като относителната разлика в масите на водородните изотопи, причинена от добавянето на един неутрон, е максималната сред всички химични елементи.

Всички изотопи могат да бъдат разделени на стабилни (стабилни), т.е. не подлежат на спонтанен разпад на атомните ядра на части (разпадът в този случай се нарича радиоактивен) и нестабилни (нестабилни) - радиоактивни, т.е. подложени на радиоактивен разпад. Повечето широко разпространени в природата елементи се състоят от смес от два или повече стабилни изотопа: например 16 O, 12 C. От всички елементи калаят има най-голям брой стабилни изотопи (10 изотопа) и например алуминият съществува в природата под формата само на един стабилен изотоп - останалите му известни изотопи са нестабилни. Ядрата на нестабилните изотопи се разпадат спонтанно, освобождавайки b частици и c частици (електрони), докато се образува стабилен изотоп на друг елемент: например разпадането на 238 U (радиоактивен уран) завършва с образуването на 206 Pb (стабилен изотоп от олово). При изучаването на изотопите беше установено, че те не се различават по химични свойства, които, както знаем, се определят от заряда на техните ядра и не зависят от масата на ядрата.

Електронни черупки

Електронната обвивка на атома е област от пространството, където има вероятност да се намират електрони, характеризираща се със същата стойност на главното квантово число n и, като следствие, разположена на близки енергийни нива. Всяка електронна обвивка може да има определен максимален брой електрони.

Като се започне от стойността на главното квантово число n = 1, енергийните нива (слоеве) се обозначават с K, L, M и N. Те са разделени на поднива (подслоеве), които се различават помежду си по енергията на свързване с ядрото. Броят на поднивата е равен на стойността на главното квантово число, но не надвишава четири: 1-во ниво има едно подниво, 2-ро - две, 3-то - три, 4-то - четири поднива. Поднивата от своя страна се състоят от орбитали. Обичайно е поднивата да се обозначават с латински букви, s е първото подниво на всяко енергийно ниво, най-близо до ядрото; състои се от една s-орбитала, p - второто подниво, състои се от три p-орбитали; d е третото подниво, то се състои от пет d-орбитали; f е четвъртото подниво, съдържа седем f орбитали. Така за всяка стойност на n има n 2 орбитали. Всяка орбитала може да съдържа не повече от два електрона – принципът на Паули. Ако има един електрон в орбитала, тогава той се нарича несдвоен; ако има два, тогава това са сдвоени електрони. Принципът на Паули обяснява формулата N=2n 2. Ако първото ниво K(n=1) съдържа 1 2 = 1 орбитала и всяка орбитала има 2 електрона, тогава максималният брой електрони ще бъде 2*1 2 =2; L (n = 2) = 8; М (п = 3) = 18; N (n = 4) =32.

Вероятно няма човек на земята, който да не е чувал за изотопите. Но не всеки знае какво е това. Изразът „радиоактивни изотопи” звучи особено плашещо. Тези странни химични елементи ужасяват човечеството, но в действителност не са толкова страшни, колкото изглеждат на пръв поглед.

Определение

За да разберем понятието радиоактивни елементи, е необходимо първо да кажем, че изотопите са проби от един и същ химичен елемент, но с различни маси. Какво означава? Въпросите ще изчезнат, ако първо си спомним структурата на атома. Състои се от електрони, протони и неутрони. Броят на първите две елементарни частици в ядрото на атома винаги е постоянен, докато неутроните, които имат собствена маса, могат да се срещат в едно и също вещество в различни количества. Това обстоятелство поражда различни химични елементи с различни физични свойства.

Сега можем да дадем научно определение на изследваното понятие. И така, изотопите са сборен набор от химични елементи, които са сходни по свойства, но имат различни маси и физични свойства. Според по-съвременната терминология те се наричат ​​галактика от нуклеотиди на химичен елемент.

Малко история

В началото на миналия век учените откриха, че едно и също химично съединение при различни условия може да има различна маса на електронните ядра. От чисто теоретична гледна точка такива елементи могат да се считат за нови и те могат да започнат да запълват празните клетки в периодичната таблица на Д. Менделеев. Но в него има само девет свободни клетки, а учените откриха десетки нови елементи. Освен това математическите изчисления показаха, че откритите съединения не могат да се считат за неизвестни досега, тъй като техните химични свойства напълно съответстват на характеристиките на съществуващите.

След дълги дискусии беше решено тези елементи да се нарекат изотопи и да се поставят в същата кутия като тези, чиито ядра съдържат същия брой електрони. Учените са успели да установят, че изотопите са само някои вариации на химични елементи. Въпреки това, причините за тяхното възникване и продължителността на живота са изследвани почти век. Дори в началото на 21 век е невъзможно да се каже, че човечеството знае абсолютно всичко за изотопите.

Устойчиви и нестабилни вариации

Всеки химичен елемент има няколко изотопа. Поради факта, че в техните ядра има свободни неутрони, те не винаги влизат в стабилни връзки с останалата част от атома. След известно време свободните частици напускат ядрото, което променя неговата маса и физични свойства. По този начин се образуват други изотопи, което в крайна сметка води до образуването на вещество с равен брой протони, неутрони и електрони.

Тези вещества, които се разпадат много бързо, се наричат ​​радиоактивни изотопи. Те освобождават голям брой неутрони в космоса, образувайки мощно йонизиращо гама лъчение, известно със силната си проникваща способност, което влияе негативно на живите организми.

По-стабилните изотопи не са радиоактивни, тъй като броят на свободните неутрони, освободени от тях, не е в състояние да генерира радиация и да повлияе значително на други атоми.

Преди доста време учените установиха един важен модел: всеки химичен елемент има свои собствени изотопи, устойчиви или радиоактивни. Интересното е, че много от тях са получени в лабораторни условия, а присъствието им в естествен вид е малко и не винаги се отчита с уреди.

Разпространение в природата

В естествени условия най-често се срещат вещества, чиято изотопна маса се определя пряко от неговия пореден номер в таблицата на Д. Менделеев. Например водородът, обозначен със символа H, има атомен номер 1 и масата му е равна на единица. Неговите изотопи, 2H и 3H, са изключително редки в природата.

Дори човешкото тяло има някои радиоактивни изотопи. Те влизат чрез храната под формата на въглеродни изотопи, които от своя страна се абсорбират от растенията от почвата или въздуха и стават част от органичната материя по време на процеса на фотосинтеза. Следователно хората, животните и растенията излъчват определен радиационен фон. Само че е толкова ниско, че не пречи на нормалното функциониране и растеж.

Източниците, които допринасят за образуването на изотопи, са вътрешните слоеве на земното ядро ​​и радиацията от космоса.

Както знаете, температурата на една планета до голяма степен зависи от нейното горещо ядро. Но съвсем наскоро стана ясно, че източникът на тази топлина е сложна термоядрена реакция, в която участват радиоактивни изотопи.

Изотопно разпадане

Тъй като изотопите са нестабилни образувания, може да се предположи, че с течение на времето те винаги се разпадат на по-постоянни ядра на химични елементи. Това твърдение е вярно, защото учените не са успели да открият огромни количества радиоактивни изотопи в природата. И повечето от тези, които са били извлечени в лаборатории, са продължили от няколко минути до няколко дни, след което са се превърнали обратно в обикновени химически елементи.

Но в природата има и изотопи, които се оказват много устойчиви на разпад. Те могат да съществуват милиарди години. Такива елементи са се образували в онези далечни времена, когато земята все още се е образувала и на повърхността й дори не е имало твърда кора.

Радиоактивните изотопи се разпадат и образуват отново много бързо. Ето защо, за да се улесни оценката на стабилността на изотопа, учените решиха да разгледат категорията на неговия полуживот.

Половин живот

Може да не е веднага ясно за всички читатели какво се разбира под това понятие. Нека го дефинираме. Времето на полуразпад на изотоп е времето, през което конвенционалната половина от взетото вещество ще престане да съществува.

Това не означава, че останалата част от връзката ще бъде унищожена за същия период от време. Във връзка с тази половина е необходимо да се вземе предвид друга категория - периодът от време, през който втората му част, тоест една четвърт от първоначалното количество вещество, ще изчезне. И това разглеждане продължава до безкрайност. Може да се предположи, че е просто невъзможно да се изчисли времето за пълно разпадане на първоначалното количество вещество, тъй като този процес е практически безкраен.

Учените обаче, знаейки времето на полуразпад, могат да определят колко от веществото е съществувало в началото. Тези данни се използват успешно в сродните науки.

В съвременния научен свят концепцията за пълно разпадане практически не се използва. За всеки изотоп е обичайно да се посочва неговият полуживот, който варира от няколко секунди до много милиарди години. Колкото по-нисък е полуживотът, толкова повече радиация идва от веществото и толкова по-висока е неговата радиоактивност.

Обогатяване на изкопаеми

В някои отрасли на науката и технологиите използването на относително големи количества радиоактивни вещества се счита за задължително. В естествени условия обаче има много малко такива съединения.

Известно е, че изотопите са необичайни варианти на химичните елементи. Техният брой се измерва в няколко процента от най-устойчивия сорт. Ето защо учените трябва изкуствено да обогатят изкопаемите материали.

През годините на изследвания научихме, че разпадането на изотоп е придружено от верижна реакция. Освободените неутрони от едно вещество започват да влияят на друго. В резултат на това тежките ядра се разпадат на по-леки и се получават нови химични елементи.

Това явление се нарича верижна реакция, в резултат на което могат да се получат по-стабилни, но по-рядко срещани изотопи, които впоследствие се използват в националната икономика.

Приложение на енергията на разпад

Учените също установиха, че по време на разпадането на радиоактивен изотоп се освобождава огромно количество свободна енергия. Количеството му обикновено се измерва с единицата Кюри, равна на времето на делене на 1 g радон-222 за 1 секунда. Колкото по-висок е този показател, толкова повече енергия се отделя.

Това стана причина за разработването на начини за използване на безплатна енергия. Така се появиха ядрени реактори, в които се поставя радиоактивен изотоп. По-голямата част от освободената от него енергия се събира и преобразува в електричество. На базата на тези реактори се създават атомни електроцентрали, които осигуряват най-евтината електроенергия. По-малки версии на такива реактори са инсталирани на самоходни механизми. Предвид опасността от аварии най-често като такива превозни средства се използват подводници. В случай на повреда на реактора броят на жертвите на подводницата ще бъде по-лесен за минимизиране.

Друго много страшно използване на енергията от полуразпад са атомните бомби. По време на Втората световна война те са тествани върху хора в японските градове Хирошима и Нагасаки. Последствията бяха много тъжни. Следователно в света има споразумение за неизползване на тези опасни оръжия. В същото време големи държави с фокус върху милитаризацията продължават изследванията в тази област днес. Освен това много от тях, тайно от световната общност, произвеждат атомни бомби, които са хиляди пъти по-опасни от използваните в Япония.

Изотопи в медицината

За мирни цели те са се научили да използват разпадането на радиоактивни изотопи в медицината. Чрез насочване на радиация към засегнатата област на тялото можете да спрете хода на заболяването или да помогнете на пациента да се възстанови напълно.

Но по-често за диагностика се използват радиоактивни изотопи. Работата е там, че тяхното движение и естеството на клъстера се определят най-лесно от излъчването, което произвеждат. Така в човешкото тяло се въвежда определено неопасно количество радиоактивно вещество и лекарите с инструменти наблюдават как и къде попада то.

По този начин те диагностицират функционирането на мозъка, естеството на раковите тумори и особеностите на функционирането на ендокринните и екзокринните жлези.

Приложение в археологията

Известно е, че живите организми винаги съдържат радиоактивен въглерод-14, чийто период на полуразпад е 5570 години. Освен това учените знаят колко от този елемент се съдържа в тялото, докато умре. Това означава, че всички отсечени дървета излъчват еднакво количество радиация. С течение на времето интензивността на радиацията намалява.

Това помага на археолозите да определят преди колко време е умряла дървесината, от която е построена галерата или който и да е друг кораб, и следователно времето на самото изграждане. Този метод на изследване се нарича анализ на радиоактивен въглерод. Благодарение на него за учените е по-лесно да установят хронологията на историческите събития.

При изучаване на свойствата на радиоактивните елементи беше открито, че един и същ химичен елемент може да съдържа атоми с различна ядрена маса. В същото време те имат еднакъв ядрен заряд, тоест това не са примеси от чужди вещества, а едно и също вещество.

Какво представляват изотопите и защо съществуват?

В периодичната таблица на Менделеев както този елемент, така и атомите на вещество с различна ядрена маса заемат една клетка. Въз основа на горното, такива разновидности на едно и също вещество бяха наречени „изотопи“ (от гръцки isos - идентичен и topos - място). Така, изотопи- това са разновидности на даден химичен елемент, различаващи се по масата на атомните ядра.

Съгласно приетия неутронно-протонен модел на ядрото е възможно да се обясни съществуването на изотопи по следния начин: ядрата на някои атоми на веществото съдържат различен брой неутрони, но същия брой протони. Всъщност ядреният заряд на изотопите на един елемент е еднакъв, следователно броят на протоните в ядрото е еднакъв. Съответно ядрата се различават по маса, те съдържат различен брой неутрони.

Стабилни и нестабилни изотопи

Изотопите могат да бъдат стабилни или нестабилни. Към днешна дата са известни около 270 стабилни изотопа и повече от 2000 нестабилни. Стабилни изотопи- Това са разновидности на химични елементи, които могат да съществуват независимо дълго време.

Повечето от нестабилни изотопие получено по изкуствен път. Нестабилните изотопи са радиоактивни, техните ядра са обект на процес на радиоактивен разпад, т.е. спонтанна трансформация в други ядра, придружена от излъчване на частици и/или радиация. Почти всички радиоактивни изкуствени изотопи имат много кратък полуживот, измерен в секунди или дори части от секунди.

Колко изотопа може да съдържа едно ядро?

Ядрото не може да съдържа произволен брой неутрони. Съответно броят на изотопите е ограничен. Четен брой протониелементи, броят на стабилните изотопи може да достигне десет. Например калайът има 10 изотопа, ксенонът има 9, живакът има 7 и т.н.

Тези елементи броят на протоните е нечетен, може да има само два стабилни изотопа. Някои елементи имат само един стабилен изотоп. Това са вещества като злато, алуминий, фосфор, натрий, манган и др. Такива вариации в броя на стабилните изотопи на различни елементи са свързани със сложната зависимост на броя на протоните и неутроните от енергията на свързване на ядрото.

Почти всички вещества в природата съществуват под формата на смес от изотопи. Броят на изотопите в едно вещество зависи от вида на веществото, атомната маса и броя на стабилните изотопи на даден химичен елемент.

Изотопи- разновидности на атоми (и ядра) на химичен елемент, които имат един и същ атомен (порядков) номер, но в същото време различни масови числа.

Терминът изотоп се образува от гръцките корени isos (ἴσος „равен“) и topos (τόπος „място“), което означава „едно и също място“; По този начин значението на името е, че различни изотопи на един и същи елемент заемат една и съща позиция в периодичната таблица.

Три естествени изотопа на водорода. Фактът, че всеки изотоп има един протон, има варианти на водорода: идентичността на изотопа се определя от броя на неутроните. Отляво надясно изотопите са протий (1H) с нула неутрона, деутерий (2H) с един неутрон и тритий (3H) с два неутрона.

Броят на протоните в ядрото на атома се нарича атомен номер и е равен на броя на електроните в неутрален (нейонизиран) атом. Всеки атомен номер идентифицира специфичен елемент, но не и изотоп; Атом на даден елемент може да има широк диапазон в броя на неутроните. Броят на нуклоните (както протони, така и неутрони) в ядрото е масовото число на атома и всеки изотоп на даден елемент има различно масово число.

Например въглерод-12, въглерод-13 и въглерод-14 са три изотопа на елементарен въглерод с масови числа съответно 12, 13 и 14. Атомният номер на въглерода е 6, което означава, че всеки въглероден атом има 6 протона, така че неутронните числа на тези изотопи са съответно 6, 7 и 8.

нuklides И изотопи

Нуклидът се отнася до ядро, а не до атом. Идентични ядра принадлежат към един и същ нуклид, например всяко ядро ​​на нуклида въглерод-13 се състои от 6 протона и 7 неутрона. Концепцията за нуклид (свързана с отделни ядрени видове) набляга на ядрените свойства над химичните свойства, докато концепцията за изотоп (групиране на всички атоми на всеки елемент) набляга на химичната реакция над ядрената реакция. Неутронното число има голямо влияние върху свойствата на ядрата, но ефектът му върху химичните свойства е незначителен за повечето елементи. Дори в случай на най-леките елементи, където съотношението на неутроните към атомния номер варира най-много между изотопите, обикновено има само малък ефект, въпреки че има значение в някои случаи (за водорода, най-лекият елемент, изотопният ефект е голям да има голям ефект за биологията). Тъй като изотопът е по-стар термин, той е по-известен от нуклид и все още понякога се използва в контексти, където нуклидът може да е по-подходящ, като ядрени технологии и ядрена медицина.

Наименования

Изотоп или нуклид се идентифицира с името на конкретния елемент (това показва атомния номер), последвано от тире и масово число (например хелий-3, хелий-4, въглерод-12, въглерод-14, уран- 235 и уран-239). Когато се използва химически символ, напр. „C“ за въглерод, стандартна нотация (сега известна като „AZE-нотация“, защото A е масовото число, Z е атомното число, а E е за елемента) – посочете масовото число (броя нуклони) с горен индекс в горния ляв ъгъл на химическия символ и посочете атомния номер с долен индекс в долния ляв ъгъл). Тъй като атомният номер се дава от символа на елемента, обикновено само масовото число се дава в горен индекс и не се дава атомен индекс. Буквата m понякога се добавя след масовото число, за да посочи ядрен изомер, метастабилно или енергийно възбудено ядрено състояние (за разлика от основното състояние с най-ниска енергия), например 180m 73Ta (тантал-180m).

Радиоактивни, първични и стабилни изотопи

Някои изотопи са радиоактивни и затова се наричат ​​радиоизотопи или радионуклиди, докато други никога не са наблюдавани да се разпадат радиоактивно и се наричат ​​стабилни изотопи или стабилни нуклиди. Например 14 C е радиоактивната форма на въглерода, докато 12 C и 13 C са стабилни изотопи. На Земята има приблизително 339 естествено срещащи се нуклиди, от които 286 са първични нуклиди, което означава, че съществуват от формирането на Слънчевата система.

Оригиналните нуклиди включват 32 нуклида с много дълъг период на полуразпад (над 100 милиона години) и 254, които официално се считат за "стабилни нуклиди", тъй като не е наблюдавано да се разпадат. В повечето случаи, по очевидни причини, ако даден елемент има стабилни изотопи, тогава тези изотопи доминират в елементарното изобилие, открито на Земята и в Слънчевата система. Въпреки това, в случай на три елемента (телур, индий и рений), най-често срещаният изотоп в природата всъщност е един (или два) радиоизотоп(а) с изключително дълъг живот на елемента, въпреки факта, че тези елементи имат един или по-стабилни изотопи.

Теорията предвижда, че много привидно „стабилни“ изотопи/нуклиди са радиоактивни, с изключително дълъг период на полуразпад (пренебрегвайки възможността за разпадане на протони, което би направило всички нуклиди в крайна сметка нестабилни). От 254 нуклида, които никога не са били наблюдавани, само 90 от тях (всички от първите 40 елемента) са теоретично стабилни на всички известни форми на разпад. Елемент 41 (ниобий) е теоретично нестабилен поради спонтанно делене, но това никога не е било открито. Много други стабилни нуклиди на теория са енергийно податливи на други известни форми на разпад, като алфа разпад или двоен бета разпад, но продуктите на разпадане все още не са наблюдавани и затова тези изотопи се считат за "стабилни от наблюдение". Прогнозираните периоди на полуразпад за тези нуклиди често значително надвишават изчислената възраст на Вселената и всъщност има също 27 известни радионуклида с период на полуразпад, по-дълъг от възрастта на Вселената.

Радиоактивни нуклиди, създадени изкуствено, в момента има 3339 известни нуклиди. Те включват 905 нуклида, които са стабилни или имат период на полуразпад над 60 минути.

Свойства на изотопите

Химични и молекулярни свойства

Неутралният атом има същия брой електрони като протоните. По този начин различните изотопи на даден елемент имат еднакъв брой електрони и имат сходни електронни структури. Тъй като химичното поведение на атома до голяма степен се определя от неговата електронна структура, различните изотопи проявяват почти идентично химично поведение.

Изключение от това е кинетичният изотопен ефект: поради големите си маси по-тежките изотопи са склонни да реагират малко по-бавно от по-леките изотопи на същия елемент. Това е най-ясно изразено за протий (1 H), деутерий (2 H) и тритий (3 H), тъй като деутерият има два пъти по-голяма маса от протия, а тритият има три пъти по-голяма маса от протия. Тези разлики в масата също влияят на поведението на съответните им химични връзки, променяйки центъра на тежестта (намалена маса) на атомните системи. За по-тежките елементи обаче разликите в относителната маса между изотопите са много по-малки, така че ефектите от разликата в масата в химията обикновено са незначителни. (Тежките елементи също имат относително повече неутрони от по-леките елементи, така че съотношението на ядрената маса към общата електронна маса е малко по-голямо).

По същия начин две молекули, които се различават само по изотопите на своите атоми (изотопози), имат една и съща електронна структура и следователно почти неразличими физични и химични свойства (отново, с основните изключения са деутерий и тритий). Вибрационните режими на една молекула се определят от нейната форма и масите на нейните съставни атоми; Следователно различните изотополози имат различни набори от вибрационни режими. Тъй като вибрационните режими позволяват на молекулата да абсорбира фотони с подходяща енергия, изотополозите имат различни оптични свойства в инфрачервения диапазон.

Ядрени свойства и стабилност

Атомните ядра се състоят от протони и неутрони, свързани заедно с остатъчна силна сила. Тъй като протоните са положително заредени, те се отблъскват един друг. Неутроните, които са електрически неутрални, стабилизират ядрото по два начина. Техният контакт раздалечава леко протоните, намалявайки електростатичното отблъскване между протоните и те упражняват притегателна ядрена сила един върху друг и върху протоните. Поради тази причина са необходими един или повече неутрони, за да могат два или повече протона да се свържат с ядрото. С нарастването на броя на протоните нараства и съотношението на неутроните към протоните, необходими за осигуряване на стабилно ядро ​​(вижте графиката вдясно). Например, въпреки че съотношението неутрон:протон на 3 2 He е 1:2, съотношението неутрон:протон е 238 92 U
Повече от 3:2. Редица по-леки елементи имат стабилни нуклиди със съотношение 1:1 (Z = N). Нуклид 40 20 Ca (калций-40) е наблюдателно най-тежкият стабилен нуклид със същия брой неутрони и протони; (Теоретично най-тежкият стабилен е сярата-32). Всички стабилни нуклиди, по-тежки от калций-40, съдържат повече неутрони, отколкото протони.

Брой изотопи на елемент

От 81 елемента със стабилни изотопи, най-големият брой стабилни изотопи, наблюдавани за всеки елемент, е десет (за елемента калай). Никой елемент няма девет стабилни изотопа. Ксенонът е единственият елемент с осем стабилни изотопа. Четири елемента имат седем стабилни изотопа, осем от които имат шест стабилни изотопа, десет имат пет стабилни изотопа, девет имат четири стабилни изотопа, пет имат три стабилни изотопа, 16 имат два стабилни изотопа и 26 елемента имат само един (от които 19 са така наречените мононуклидни елементи, имащи един първичен стабилен изотоп, който доминира и фиксира атомното тегло на природния елемент с висока точност; присъстват и 3 радиоактивни мононуклидни елемента). Има общо 254 нуклида, за които не е наблюдаван разпад. За 80 елемента, които имат един или повече стабилни изотопи, средният брой стабилни изотопи е 254/80 = 3,2 изотопа на елемент.

Четен и нечетен брой нуклони

Протони: Неутронното съотношение не е единственият фактор, влияещ върху ядрената стабилност. Зависи също от четността или нечетността на неговия атомен номер Z, броя на неутроните N, следователно тяхната сума на масовото число A. Нечетните Z и N са склонни да понижават ядрената свързваща енергия, създавайки нечетни ядра, които обикновено са по-малко стабилни. Тази значителна разлика в ядрената енергия на свързване между съседните ядра, особено странните изобари, има важни последствия: нестабилни изотопи с неоптимален брой неутрони или протони се разпадат чрез бета разпадане (включително позитронно разпадане), улавяне на електрони или други екзотични средства като спонтанно делене и клъстери на разпад.

Повечето стабилни нуклиди са четен брой протони и четен брой неутрони, където числата Z, N и A са четни. Нечетните стабилни нуклиди се разделят (приблизително равномерно) на нечетни.

Атомно число

148-те четни протони, четни неутрони (NE) нуклиди представляват ~58% от всички стабилни нуклиди. Има и 22 първични дългоживеещи равни нуклида. В резултат на това всеки от 41 елемента с четен номер от 2 до 82 има поне един стабилен изотоп и повечето от тези елементи имат множество първични изотопи. Половината от тези четни елементи имат шест или повече стабилни изотопа. Изключителната стабилност на хелий-4, дължаща се на двойното съединение от два протона и два неутрона, предотвратява съществуването на нуклиди, съдържащи пет или осем нуклона, достатъчно дълго, за да служат като платформи за натрупване на по-тежки елементи чрез ядрен синтез.

Тези 53 стабилни нуклида имат четен брой протони и нечетен брой неутрони. Те са малцинство в сравнение с четните изотопи, които са приблизително 3 пъти по-изобилни. Сред 41 елемента с четно Z, които имат стабилен нуклид, само два елемента (аргон и церий) нямат стабилни нуклиди с четно и нечетно число. Един елемент (калай) има три. Има 24 елемента, които имат един четен-нечетен нуклид и 13, които имат два нечетни-четни нуклида.

Поради техния нечетен брой неутрони, нечетните и четните нуклиди са склонни да имат големи напречни сечения на улавяне на неутрони поради енергията, която възниква от ефектите на свързване на неутрони. Тези стабилни нуклиди може да са необичайно изобилни в природата, главно защото, за да се образуват и навлязат в първичното изобилие, те трябва да избягат от улавянето на неутрони, за да образуват още други стабилни четни-нечетни изотопи по време на s процеса и r процеса на улавяне на неутрони по време на нуклеосинтеза.

Нечетен атомен номер

48-те стабилни нуклида с нечетни протони и четни неутрони, стабилизирани от техния четен брой сдвоени неутрони, образуват по-голямата част от стабилните изотопи на нечетните елементи; Много малко нечетни протони-нечетни неутронни нуклиди съставляват останалите. Има 41 нечетни елемента от Z = 1 до 81, от които 39 имат стабилни изотопи (елементите технеций (43 Tc) и прометий (61 Pm) нямат стабилни изотопи). От тези 39 нечетни Z елемента, 30 елемента (включително водород-1, където 0 неутрона са четни) имат един стабилен четен-нечетен изотоп и девет елемента: хлор (17 Cl), калий (19K), мед (29 Cu), галий (31 Ga), бром (35 Br), сребро (47 Ag), антимон (51 Sb), иридий (77 Ir) и талий (81 Tl) всеки има два нечетни-четни стабилни изотопа. Това дава 30 + 2 (9) = 48 стабилни четни изотопи.

Само пет стабилни нуклида съдържат както нечетен брой протони, така и нечетен брой неутрони. Първите четири "нечетни" нуклида се срещат в нуклиди с ниско молекулно тегло, за които промяната на протон в неутрон или обратното ще доведе до много неравномерно съотношение протон-неутрон.

Единственият напълно "стабилен", нечетен-нечетен нуклид е 180m 73 Ta, който се счита за най-редкия от 254 стабилни изотопа и е единственият първичен ядрен изомер, който все още не е наблюдаван да се разпада, въпреки експерименталните опити.

Нечетен брой неутрони

Актинидите с нечетен брой неутрони са склонни към делене (с топлинни неутрони), докато тези с четен брой неутрони обикновено не го правят, въпреки че те правят делене с бързи неутрони. Всички наблюдателно стабилни нечетни-нечетни нуклиди имат ненулево цяло число. Това е така, защото един несдвоен неутрон и несдвоен протон имат по-голямо ядрено привличане един към друг, ако техните завъртания са подравнени (произвеждайки общо завъртане от поне 1 единица), а не подравнени.

Възникване в природата

Елементите са съставени от един или повече естествено срещащи се изотопи. Нестабилните (радиоактивни) изотопи са първични или постпървични. Първичните изотопи са били продукт на звездна нуклеосинтеза или друг вид нуклеосинтеза, като делене на космически лъчи, и са се запазили до наши дни, защото техните скорости на разпадане са толкова ниски (напр. уран-238 и калий-40). Пост-естествените изотопи са създадени чрез бомбардиране с космически лъчи като космогенни нуклиди (напр. тритий, въглерод-14) или разпадането на радиоактивен първичен изотоп в дъщерния продукт на радиоактивен радиогенен нуклид (напр. уран до радий). Няколко изотопа се синтезират естествено като нуклеогенни нуклиди чрез други естествени ядрени реакции, като например когато неутрони от естествено ядрено делене се абсорбират от друг атом.

Както беше обсъдено по-горе, само 80 елемента имат стабилни изотопи, а 26 от тях имат само един стабилен изотоп. По този начин около две трети от стабилните елементи се срещат естествено на Земята в няколко стабилни изотопа, като най-големият брой стабилни изотопи за даден елемент е десет за калай (50Sn). На Земята има около 94 елемента (до и включително плутоний), въпреки че някои се срещат само в много малки количества, като плутоний-244. Учените смятат, че елементите, които се срещат естествено на Земята (някои само като радиоизотопи), се срещат като общо 339 изотопа (нуклиди). Само 254 от тези естествени изотопи са стабилни в смисъл, че не са наблюдавани досега. Други 35 първични нуклида (за общо 289 първични нуклида) са радиоактивни с известен период на полуразпад, но имат период на полуразпад от повече от 80 милиона години, което им позволява да съществуват от началото на Слънчевата система.

Всички известни стабилни изотопи се срещат естествено на Земята; Други естествено срещащи се изотопи са радиоактивни, но поради техния относително дълъг период на полуразпад или други начини за непрекъснато естествено производство. Те включват космогенните нуклиди, споменати по-горе, нуклеогенните нуклиди и всички радиогенни изотопи в резултат на продължаващото разпадане на първичен радиоактивен изотоп като радон и радий от уран.

Други ~3000 радиоактивни изотопа, които не се срещат в природата, са създадени в ядрени реактори и ускорители на частици. Много краткотрайни изотопи, които не се срещат естествено на Земята, също са наблюдавани чрез спектроскопски анализ, естествено произведени в звезди или свръхнови. Пример за това е алуминий-26, който не се среща естествено на Земята, но се намира в изобилие в астрономически мащаб.

Табличните атомни маси на елементите са средни стойности, които отчитат наличието на множество изотопи с различни маси. Преди откриването на изотопи, емпирично определени, неинтегрирани стойности на атомната маса объркваха учените. Например проба от хлор съдържа 75,8% хлор-35 и 24,2% хлор-37, което дава средна атомна маса от 35,5 единици атомна маса.

Според общоприетата теория на космологията, само изотопи на водород и хелий, следи от някои изотопи на литий и берилий и вероятно малко бор са били създадени в Големия взрив, а всички останали изотопи са били синтезирани по-късно, в звезди и свръхнови, и във взаимодействията между енергийни частици, като космически лъчи, и предварително получени изотопи. Съответното изотопно изобилие на изотопи на Земята се определя от количествата, произведени от тези процеси, тяхното разпространение през галактиката и скоростта на разпадане на изотопите, които са нестабилни. След първоначалното сливане на слънчевата система изотопите бяха преразпределени според масата и изотопният състав на елементите варира леко от планета на планета. Това понякога позволява да се проследи произхода на метеоритите.

Атомна маса на изотопите

Атомната маса (mr) на един изотоп се определя основно от неговото масово число (т.е. броят на нуклоните в неговото ядро). Малките корекции се дължат на енергията на свързване на ядрото, малката разлика в масата между протона и неутрона и масата на електроните, свързани с атома.

Масово число - безразмерна величина. Атомната маса, от друга страна, се измерва с помощта на единица за атомна маса, базирана на масата на атом въглерод-12. Обозначава се със символите "u" (за унифицираната единица за атомна маса) или "Da" (за далтон).

Атомните маси на естествените изотопи на даден елемент определят атомната маса на елемента. Когато даден елемент съдържа N изотопи, за средната атомна маса се прилага следният израз:

Където m 1, m 2, ..., mN са атомните маси на всеки отделен изотоп, а x 1, ..., xN са относителното изобилие на тези изотопи.

Приложение на изотопи

Има няколко приложения, които се възползват от свойствата на различни изотопи на даден елемент. Изотопното разделяне е важен технологичен проблем, особено при тежки елементи като уран или плутоний. По-леките елементи като литий, въглерод, азот и кислород обикновено се разделят чрез газова дифузия на техните съединения като CO и NO. Разделянето на водород и деутерий е необичайно, защото се основава на химични, а не на физични свойства, като например при сулфидния процес на Гирдлер. Урановите изотопи бяха разделени по обем чрез газова дифузия, газово центрофугиране, лазерно йонизационно разделяне и (в проекта Манхатън) производство от тип масспектрометрия.

Използване на химични и биологични свойства

• Изотопният анализ е определянето на изотопната сигнатура, относителното изобилие на изотопи на даден елемент в определена проба. По-специално за хранителните вещества могат да се появят значителни вариации в изотопите на C, N и O. Анализът на такива вариации има широк спектър от приложения, като например откриване на фалшифициране на хранителни продукти или географски произход на продукти с помощта на изотопи. Идентифицирането на някои метеорити, произхождащи от Марс, се основава отчасти на изотопния подпис на следите от газове, които съдържат.
• Изотопното заместване може да се използва за определяне на механизма на химическа реакция чрез кинетичния изотопен ефект.
• Друго често срещано приложение е изотопното маркиране, използването на необичайни изотопи като индикатори или маркери в химични реакции. Обикновено атомите на даден елемент са неразличими един от друг. Въпреки това, чрез използване на изотопи с различни маси, дори различни нерадиоактивни стабилни изотопи могат да бъдат разграничени с помощта на масспектрометрия или инфрачервена спектроскопия. Например, при „маркиране на стабилен изотоп на аминокиселини в клетъчна култура“ (SILAC), стабилни изотопи се използват за количествено определяне на протеини. Ако се използват радиоактивни изотопи, те могат да бъдат открити чрез радиацията, която излъчват (това се нарича радиоизотопно маркиране).
• Изотопите обикновено се използват за определяне на концентрацията на различни елементи или вещества, като се използва методът на изотопно разреждане, при който известни количества изотопно заместени съединения се смесват с проби и изотопните сигнатури на получените смеси се определят с помощта на масспектрометрия.

Използване на ядрени свойства

• Метод, подобен на радиоизотопното маркиране, е радиометричното датиране: като се използва известният полуживот на нестабилен елемент, може да се изчисли времето, изминало от съществуването на известна концентрация на изотопа. Най-широко известният пример е радиовъглеродното датиране, което се използва за определяне на възрастта на въглеродните материали.
• Някои форми на спектроскопия се основават на уникалните ядрени свойства на специфични изотопи, както радиоактивни, така и стабилни. Например спектроскопията с ядрено-магнитен резонанс (ЯМР) може да се използва само за изотопи с ненулево ядрено въртене. Най-често срещаните изотопи, използвани в ЯМР спектроскопията, са 1 Н, 2 D, 15 N, 13 С и 31 Р.
• Спектроскопията на Mössbauer също разчита на ядрени преходи на специфични изотопи, като 57Fe.