Mille poolest erinevad sama elemendi isotoobid? Arusaam aatomitest kui aine jagamatutest väikseimatest osakestest

Radioaktiivsuse fenomeni uurides uurisid teadlased XX sajandi esimesel kümnendil. avastas suure hulga radioaktiivseid aineid - umbes 40. Vismuti ja uraani vahelises intervallis oli neid oluliselt rohkem kui vabu kohti elementide perioodilises tabelis. Nende ainete olemus on olnud vastuoluline. Mõned teadlased pidasid neid iseseisvateks keemilisteks elementideks, kuid antud juhul osutus nende perioodilisustabelisse paigutamise küsimus lahustumatuks. Teised üldiselt eitasid neil õigust nimetada elementideks klassikalises tähenduses. 1902. aastal nimetas inglise füüsik D. Martin selliseid aineid radioelementideks. Neid uurides selgus, et mõnel radioelemendil on täpselt samad keemilised omadused, kuid need erinevad üksteisest aatommasside poolest. See asjaolu läks vastuollu perioodilise seaduse põhisätetega. Inglise teadlane F. Soddy lahendas vastuolu. 1913. aastal nimetas ta keemiliselt sarnaseid radioelemente isotoopideks (kreeka sõnadest, mis tähendavad "sama" ja "koht"), s.t. nad hõivavad perioodilisuse süsteemis sama koha. Radioelemendid osutusid looduslike radioaktiivsete elementide isotoopideks. Kõik need on ühendatud kolme radioaktiivsesse perekonda, mille esivanemad on tooriumi ja uraani isotoobid.

Hapniku isotoobid. Kaaliumi ja argooni isobaarid (isobaarid on sama massiarvuga erinevate elementide aatomid).

Stabiilsete isotoopide arv paaris- ja paaritute elementide jaoks.

Peagi selgus, et isotoope on ka teistel stabiilsetel keemilistel elementidel. Nende avastamise põhiteene kuulub inglise füüsikule F. Astonile. Ta avastas paljudes elementides stabiilsed isotoobid.

Kaasaegsest vaatenurgast on isotoobid keemilise elemendi aatomite sordid: neil on erinev aatommass, kuid sama tuumalaeng.

Nende tuumad sisaldavad seega sama arvu prootoneid, kuid erineva arvu neutroneid. Näiteks looduslikud hapniku isotoobid, mille Z = 8, sisaldavad oma tuumades vastavalt 8, 9 ja 10 neutronit. Isotoobi tuumas olevate prootonite ja neutronite arvu summat nimetatakse massiarvuks A. Seetõttu on näidatud hapniku isotoopide massiarvud 16, 17 ja 18. Nüüd on aktsepteeritud järgmine isotoopide tähistus: Z väärtus on antud elemendi sümboli vasakus alanurgas, väärtus A on antud vasakus ülanurgas. Näiteks: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

Pärast kunstliku radioaktiivsuse fenomeni avastamist saadi tuumareaktsioonide abil umbes 1800 tehisradioaktiivset isotoopi elementide jaoks, mille Z on vahemikus 1 kuni 110. Valdav enamus tehisradioisotoope on väga lühikese poolestusajaga, mõõdetuna sekundites ja sekundi murdosades; vaid vähesed on suhteliselt pika elueaga (näiteks 10 Be - 2,7 10 6 aastat, 26 Al - 8 10 5 aastat jne).

Stabiilseid elemente leidub looduses ligikaudu 280 isotoobiga. Mõned neist osutusid aga kergelt radioaktiivseteks, tohutu poolestusajaga (näiteks 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Nende isotoopide eluiga on nii pikk, et neid võib pidada stabiilseteks.

Stabiilsete isotoopide maailmas on endiselt palju probleeme. Seega pole selge, miks nende arv erinevates elementides nii palju erineb. Umbes 25% stabiilsetest elementidest (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) loodus on ainult ühte tüüpi aatom. Need on nn üksikud elemendid. Huvitaval kombel on neil kõigil (v.a Be) paaritu Z. Üldiselt paaritute elementide puhul stabiilsete isotoopide arv ei ületa kahte. Vastupidi, mõned paaris Z-ga elemendid koosnevad suurest hulgast isotoopidest (näiteks Xe-l on 9, Sn-l 10 stabiilset isotoopi).

Antud elemendi stabiilsete isotoopide kogumit nimetatakse galaktikaks. Nende sisaldus galaktikas kõigub sageli suuresti. Huvitav on märkida, et neljakordsete (12 C, 16 O, 20 Ca jne) massinumbritega isotoopide arvukus on suurim, kuigi sellest reeglist on ka erandeid.

Stabiilsete isotoopide avastamine võimaldas lahendada aatommasside pikaajalist mõistatust – nende kõrvalekallet täisarvudest, mis on tingitud elementide stabiilsete isotoopide erinevast protsendist galaktikas.

Tuumafüüsikas on mõiste "isobaarid" tuntud. Isobaare nimetatakse erinevate elementide (st erinevate Z-väärtustega) isotoopideks, millel on samad massiarvud. Isobaaride uurimine aitas kaasa paljude oluliste seaduspärasuste väljaselgitamisele aatomituumade käitumises ja omadustes. Ühte neist seaduspärasustest väljendab nõukogude keemiku S. A. Štšukarevi ja Jeemeni füüsiku I. Mattauchi sõnastatud reegel. See ütleb: kui kaks isobaari erinevad Z väärtuste poolest 1 võrra, on üks neist tingimata radioaktiivne. Isobaaride paari klassikaline näide on 40 18 Ar - 40 19 K. Selles on kaaliumi isotoop radioaktiivne. Štšukarevi-Mattauchi reegel võimaldas selgitada, miks elementidel tehneetsiumil (Z = 43) ja prometiumil (Z = 61) pole stabiilseid isotoope. Kuna neil on paaritu Z väärtused, ei saanud nende puhul oodata rohkem kui kahte stabiilset isotoopi. Kuid selgus, et tehneetsiumi ja prometiumi isobaarid, vastavalt molübdeeni (Z = 42) ja ruteeniumi (Z = 44), neodüümi (Z = 60) ja samariumi (Z = 62) isotoobid on looduses esindatud: stabiilsed aatomite variandid laias massinumbrite vahemikus. Seega keelavad füüsikalised seadused tehneetsiumi ja prometiumi stabiilsete isotoopide olemasolu. Seetõttu neid elemente looduses tegelikult ei eksisteeri ja neid tuli kunstlikult sünteesida.

Teadlased on pikka aega püüdnud välja töötada perioodilist isotoopide süsteemi. Loomulikult põhineb see muudel põhimõtetel kui elementide perioodilise süsteemi alus. Kuid need katsed ei ole veel andnud rahuldavaid tulemusi. Tõsi, füüsikud on tõestanud, et aatomituumade prooton- ja neutronkestade täitmise järjekord on põhimõtteliselt sarnane aatomite elektronkestade ja alamkestade ehitusega (vt Aatom).

Täpselt samamoodi on üles ehitatud antud elemendi isotoopide elektronkestad. Seetõttu on nende keemilised ja füüsikalised omadused peaaegu identsed. Ainult vesiniku isotoopide (protium ja deuteerium) ja nende ühendite omadused on märgatavad. Näiteks raske vesi (D 2 O) külmub temperatuuril +3,8, keeb temperatuuril 101,4 ° C, selle tihedus on 1,1059 g / cm 3, see ei toeta loomsete ja taimsete organismide elu. Vee elektrolüüsil vesinikuks ja hapnikuks lagunevad valdavalt H 2 0 molekulid, raske vee molekulid aga jäävad elektrolüsaatorisse.

Teiste elementide isotoopide eraldamine on äärmiselt keeruline ülesanne. Sellest hoolimata on paljudel juhtudel vaja üksikute elementide isotoope, mille sisaldus on võrreldes loodusliku arvukusega oluliselt muutunud. Näiteks aatomienergia probleemi lahendamisel tekkis vajadus eraldada isotoobid 235 U ja 238 U. Selleks kasutati esmalt massispektromeetria meetodit, mille abil saadi esimesed kilogrammid uraan-235. 1944. aastal USA-s. See meetod osutus aga liiga kalliks ja asendati gaasdifusioonimeetodiga, milles kasutati UF 6 . Nüüd on isotoopide eraldamiseks mitu meetodit, kuid kõik need on üsna keerulised ja kallid. Sellegipoolest on "lahutamatute eraldamise" probleem edukalt lahendatud.

Ilmus uus teaduslik distsipliin - isotoopide keemia. See uurib keemiliste elementide erinevate isotoopide käitumist keemilistes reaktsioonides ja isotoopide vahetusprotsessides. Nende protsesside tulemusena jaotuvad antud elemendi isotoobid ümber reageerivate ainete vahel. Siin on kõige lihtsam näide: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (veemolekul vahetab protiumi aatomi deuteeriumi aatomi vastu). Areneb ka isotoopide geokeemia. See uurib maakoore erinevate elementide isotoopkoostise kõikumisi.

Nn märgistatud aatomid, stabiilsete elementide kunstlikud radioaktiivsed isotoobid või stabiilsed isotoobid leiavad kõige laiemat rakendust. Isotoopindikaatorite - märgistatud aatomite - abil uuritakse elementide liikumisviise elu- ja eluslooduses, ainete ja elementide jaotumise olemust erinevates objektides. Isotoope kasutatakse tuumatehnoloogias: materjalidena tuumareaktorite ehitamisel; tuumakütusena (tooriumi, uraani, plutooniumi isotoobid); termotuumasünteesis (deuteerium, 6 Li, 3 He). Radioaktiivseid isotoope kasutatakse laialdaselt ka kiirgusallikatena.

isotoobid

Sama elemendi erineva massiarvuga aatomeid nimetatakse isotoopideks. Sama elemendi isotoopide aatomitel on sama arv prootoneid (Z) ja need erinevad üksteisest neutronite arvu (N) poolest.

Erinevate elementide isotoopidel ei ole oma nimesid, vaid nad kordavad elemendi nime; samas kui antud isotoobi aatommass – selle ainus erinevus sama elemendi teistest isotoopidest – kajastub elemendi keemilises valemis ülaindeksi abil: näiteks uraani isotoopide puhul – 235 U, 238 U. Ainus erand isotoopide nomenklatuuri reeglid on element nr 1 – vesinik. Kõigil kolmel hetkel teadaoleval vesiniku isotoobil pole mitte ainult oma erilised keemilised sümbolid, vaid ka oma nimi: 1 H - protium, 2 D - deuteerium, 3 T - triitium; kui prootiumituum on vaid üks prooton, siis deuteeriumituum sisaldab ühte prootonit ja ühte neutronit, triitiumituum aga ühte prootonit ja kahte neutronit. Vesiniku isotoopide nimetustega juhtus see ajalooliselt, sest ühe neutroni lisamisest tingitud vesiniku isotoopide masside suhteline erinevus on kõigi keemiliste elementide suurim.

Kõik isotoobid võib jagada stabiilseteks (stabiilseks), see tähendab, et need ei allu aatomituumade spontaansele lagunemisele osadeks (lagunemist nimetatakse sel juhul radioaktiivseks) ja ebastabiilseteks (ebastabiilseteks) - radioaktiivseteks, st radioaktiivseks lagunemiseks. Enamik looduses laialt levinud elemente koosneb kahe või enama stabiilse isotoobi segust: näiteks 16 O, 12 C. Kõigist elementidest on tina kõige rohkem stabiilseid isotoope (10 isotoopi) ja nt. , alumiinium eksisteerib looduses ainult ühe stabiilse isotoobi kujul – selle teised teadaolevad isotoobid on ebastabiilsed. Ebastabiilsete isotoopide tuumad lagunevad spontaanselt, vabastades β-osakesi ja β-osakesi (elektrone), kuni moodustub mõne muu elemendi stabiilne isotoop: näiteks 238 U (radioaktiivne uraan) lagunemine lõpeb 206 Pb (stabiilne) moodustumisega. plii isotoop). Isotoope uurides selgus, et need ei erine keemiliste omaduste poolest, mis teatavasti on määratud nende tuumade laenguga ega sõltu tuumade massist.

Elektroonilised kestad

Aatomi elektronkiht on ruumipiirkond, kus elektronid tõenäoliselt paiknevad, mida iseloomustab põhikvantarvu n sama väärtus ja mis sellest tulenevalt paikneb lähedastel energiatasemetel. Igal elektronkihil võib olla teatud maksimaalne arv elektrone.

Põhikvantarvu n = 1 väärtusest lähtudes tähistatakse energiatasemeid (kihte) K, L, M ja N. Need jagunevad alamtasanditeks (alamkihtideks), mis erinevad üksteisest tuumaga seondumise energia poolest. Alamtasandite arv on võrdne põhikvantarvu väärtusega, kuid ei ületa nelja: 1. tasemel on üks alamtase, 2. - kaks, 3. - kolm, 4. - neli alamtasandit. Alamtasandid koosnevad omakorda orbitaalidest. Tavapärane on alamtasandite tähistamine ladina tähtedega, s on iga energiataseme esimene alamtase, mis on tuumale kõige lähemal; see koosneb ühest s-orbitaalist, p - teisest alamtasandist, koosneb kolmest p-orbitaalist; d - kolmas alamtase, see koosneb viiest d-orbitaalist; f - neljas alamtase, sisaldab seitset f-orbitaali. Seega on iga n väärtuse jaoks n 2 orbitaali. Iga orbitaal võib sisaldada mitte rohkem kui kahte elektroni – Pauli põhimõte. Kui orbitaalil on üks elektron, siis nimetatakse seda paarituks, kui kaks, siis on need paaritud elektronid. Pauli printsiip selgitab valemit N=2n 2 . Kui esimene tase K(n=1) sisaldab 1 2 = 1 orbitaali ja iga orbitaal sisaldab 2 elektroni, siis on elektronide maksimaalne arv 2*1 2 =2; L(n=2)=8; M(n=3)=18; N(n=4)=32.

Tõenäoliselt pole maa peal sellist inimest, kes poleks isotoopidest kuulnud. Kuid mitte kõik ei tea, mis see on. Eriti hirmutavalt kõlab väljend "radioaktiivsed isotoobid". Need ebaselged keemilised elemendid hirmutavad inimkonda, kuid tegelikult pole need nii hirmutavad, kui esmapilgul võib tunduda.

Definitsioon

Radioaktiivsete elementide mõiste mõistmiseks tuleb kõigepealt öelda, et isotoobid on sama keemilise elemendi proovid, kuid erineva massiga. Mida see tähendab? Küsimused kaovad, kui me kõigepealt mäletame aatomi struktuuri. See koosneb elektronidest, prootonitest ja neutronitest. Kahe esimese elementaarosakese arv aatomituumas on alati konstantne, samas kui neutronid, millel on oma mass, võivad samas aines esineda erinevates kogustes. See asjaolu põhjustab mitmesuguseid keemilisi elemente, millel on erinevad füüsikalised omadused.

Nüüd saame anda uuritava mõiste teadusliku definitsiooni. Seega on isotoobid keemiliste elementide kumulatiivne kogum, millel on sarnased omadused, kuid millel on erinevad massid ja füüsikalised omadused. Moodsama terminoloogia järgi nimetatakse neid keemilise elemendi nukleotiidide galaktikaks.

Natuke ajalugu

Möödunud sajandi alguses avastasid teadlased, et ühel ja samal keemilisel ühendil võib erinevates tingimustes olla erinev elektroni tuumade mass. Puhtteoreetilisest vaatenurgast võiks selliseid elemente pidada uuteks ja need võiksid hakata täitma tühje lahtreid D. Mendelejevi perioodilisustabelis. Kuid selles on ainult üheksa vaba rakku ja teadlased avastasid kümneid uusi elemente. Lisaks näitasid matemaatilised arvutused, et avastatud ühendeid ei saa pidada varem tundmatuteks, sest nende keemilised omadused vastasid täielikult olemasolevate omadustele.

Pärast pikki arutelusid otsustati neid elemente nimetada isotoopideks ja paigutada samasse rakku nendega, mille tuumad sisaldavad nendega sama palju elektrone. Teadlased on suutnud kindlaks teha, et isotoobid on vaid mõned keemiliste elementide variatsioonid. Nende esinemise põhjuseid ja eluea kestust uuriti aga ligi sajandi. Isegi 21. sajandi alguses on võimatu väita, et inimkond teab isotoopide kohta absoluutselt kõike.

Püsivad ja mittepüsivad variatsioonid

Igal keemilisel elemendil on mitu isotoopi. Kuna nende tuumades on vabu neutroneid, ei loo nad alati ülejäänud aatomiga stabiilseid sidemeid. Mõne aja pärast lahkuvad tuumast vabad osakesed, mis muudab selle massi ja füüsikalisi omadusi. Nii tekivad teised isotoobid, mis lõpuks viib aine moodustumiseni, millel on võrdne arv prootoneid, neutroneid ja elektrone.

Neid aineid, mis lagunevad väga kiiresti, nimetatakse radioaktiivseteks isotoopideks. Nad vabastavad kosmosesse suure hulga neutroneid, moodustades võimsa ioniseeriva gammakiirguse, mis on tuntud oma tugeva läbitungimisvõime poolest, mis mõjutab elusorganisme negatiivselt.

Stabiilsemad isotoobid ei ole radioaktiivsed, kuna nendest vabanevate vabade neutronite arv ei ole võimeline tekitama kiirgust ega mõjuta oluliselt teisi aatomeid.

Üsna kaua aega tagasi kehtestasid teadlased ühe olulise mustri: igal keemilisel elemendil on oma isotoobid, püsivad või radioaktiivsed. Huvitav on see, et paljud neist saadi laboris ja nende esinemine loomulikul kujul on väike ja seda ei registreerita alati instrumentidega.

Levik looduses

Looduslikes tingimustes on kõige sagedamini aineid, mille isotoopide mass on otseselt määratud selle järjekorranumbriga D. Mendelejevi tabelis. Näiteks vesinikul, mida tähistatakse sümboliga H, on seerianumber 1 ja selle mass on võrdne ühega. Selle isotoobid 2H ja 3H on looduses äärmiselt haruldased.

Isegi inimkehas on teatud kogus radioaktiivseid isotoope. Need satuvad toidu kaudu sisse süsiniku isotoopide kujul, mis omakorda imenduvad taimedesse mullast või õhust ja lähevad fotosünteesi käigus orgaanilise aine koostisesse. Seetõttu kiirgavad nii inimesed, loomad kui ka taimed teatud kiirgusfooni. Ainult see on nii madal, et ei sega normaalset funktsioneerimist ja kasvu.

Isotoopide teket soodustavad allikad on Maa tuuma sisemised kihid ja kosmosekiirgus.

Nagu teate, sõltub planeedi temperatuur suuresti selle kuumast tuumast. Kuid alles hiljuti sai selgeks, et selle soojuse allikaks on keeruline termotuumareaktsioon, milles osalevad radioaktiivsed isotoobid.

Isotoopide lagunemine

Kuna isotoobid on ebastabiilsed moodustised, võib eeldada, et aja jooksul lagunevad nad alati püsivamateks keemiliste elementide tuumadeks. See väide vastab tõele, sest teadlastel pole õnnestunud looduses tuvastada tohutul hulgal radioaktiivseid isotoope. Ja enamik neist, mida laboris kaevandati, kestis paarist minutist mitme päevani ja muutusid seejärel tavalisteks keemilisteks elementideks.

Kuid looduses leidub ka isotoope, mis on väga lagunemiskindlad. Need võivad eksisteerida miljardeid aastaid. Sellised elemendid tekkisid neil kaugetel aegadel, mil Maa alles kujunes ja selle pinnal polnud isegi tahket maakoort.

Radioaktiivsed isotoobid lagunevad ja moodustuvad uuesti väga kiiresti. Seetõttu otsustasid teadlased isotoobi stabiilsuse hindamise hõlbustamiseks kaaluda selle poolestusaja kategooriat.

Pool elu

Kõigile lugejatele ei pruugi kohe selgeks saada, mida selle mõiste all mõeldakse. Määratleme selle. Isotoobi poolestusaeg on aeg, mille jooksul võetud aine tingimuslik pool lakkab olemast.

See ei tähenda, et ülejäänud ühendus sama aja jooksul häviks. Selle poole osas tuleb arvestada erineva kategooriaga - ajavahemikuga, mille jooksul selle teine ​​osa, st veerand aine esialgsest kogusest, kaob. Ja see kaalutlus jätkub lõpmatuseni. Võib eeldada, et aine esialgse koguse täieliku lagunemise aega on lihtsalt võimatu arvutada, kuna see protsess on praktiliselt lõputu.

Teadlased, teades poolväärtusaega, saavad aga kindlaks teha, kui palju ainet alguses eksisteeris. Neid andmeid kasutatakse edukalt seotud teadustes.

Kaasaegses teadusmaailmas täieliku lagunemise mõistet praktiliselt ei kasutata. Iga isotoobi puhul on tavaks märkida selle poolestusaeg, mis varieerub mõnest sekundist mitme miljardi aastani. Mida madalam on poolestusaeg, seda rohkem tuleb ainest kiirgust ja seda suurem on selle radioaktiivsus.

Mineraalide rikastamine

Mõnedes teaduse ja tehnika harudes peetakse suhteliselt suure hulga radioaktiivsete ainete kasutamist kohustuslikuks. Kuid samal ajal on looduslikes tingimustes selliseid ühendeid väga vähe.

On teada, et isotoobid on keemiliste elementide haruldased variandid. Nende arvukust mõõdetakse paari protsendiga kõige vastupidavamast sordist. Sellepärast peavad teadlased läbi viima fossiilsete materjalide kunstliku rikastamise.

Aastatepikkuse uurimistöö käigus õnnestus välja selgitada, et isotoobi lagunemisega kaasneb ahelreaktsioon. Ühe aine vabanevad neutronid hakkavad teist mõjutama. Selle tulemusena lagunevad rasked tuumad kergemateks tuumadeks ja saadakse uusi keemilisi elemente.

Seda nähtust nimetatakse ahelreaktsiooniks, mille tulemusena võib saada stabiilsemaid, kuid vähem levinud isotoope, mida hiljem kasutatakse rahvamajanduses.

Lagunemisenergia rakendamine

Teadlased leidsid ka, et radioaktiivse isotoobi lagunemise ajal vabaneb tohutul hulgal vaba energiat. Selle kogust mõõdetakse tavaliselt Curie ühikuga, mis võrdub 1 g radoon-222 lõhustumisajaga 1 sekundis. Mida kõrgem on see indikaator, seda rohkem energiat vabaneb.

See oli ajendiks vabaenergia kasutusviiside väljatöötamiseks. Nii tekkisid tuumareaktorid, millesse asetatakse radioaktiivne isotoop. Suurem osa selle eraldatavast energiast kogutakse kokku ja muundatakse elektriks. Nende reaktorite baasil luuakse tuumaelektrijaamu, mis annavad kõige odavama elektrienergia. Selliste reaktorite vähendatud versioonid paigaldatakse iseliikuvatele mehhanismidele. Arvestades õnnetuste ohtu, on sellisteks masinateks enamasti allveelaevad. Reaktori rikke korral on allveelaeva ohvrite arvu lihtsam minimeerida.

Teine väga hirmutav variant poolväärtusaja energia kasutamiseks on aatomipommid. Teise maailmasõja ajal katsetati neid inimkonna peal Jaapani linnades Hiroshimas ja Nagasakis. Tagajärjed olid väga kurvad. Seetõttu on maailmas kokkulepe nende ohtlike relvade mittekasutamise kohta. Samal ajal jätkavad militariseerimisele keskendunud suured riigid selle valdkonna uurimist täna. Lisaks valmistavad paljud neist salaja maailma üldsuse eest aatomipomme, mis on tuhandeid kordi ohtlikumad kui Jaapanis kasutatavad.

Isotoobid meditsiinis

Rahulikul eesmärgil on radioaktiivsete isotoopide lagunemine õppinud meditsiinis kasutama. Suunates kiirgust kahjustatud kehapiirkonda, on võimalik peatada haiguse kulg või aidata patsiendil täielikult taastuda.

Kuid sagedamini kasutatakse diagnostikaks radioaktiivseid isotoope. Asi on selles, et nende liikumist ja klastri olemust on nende tekitatava kiirguse abil kõige lihtsam fikseerida. Niisiis viiakse inimkehasse teatud mitteohtlik kogus radioaktiivset ainet ning arstid jälgivad instrumentide abil, kuidas ja kuhu see jõuab.

Seega tehakse aju töö diagnoosimine, vähkkasvajate olemus, endokriinsete ja välise sekretsiooni näärmete töö tunnused.

Rakendus arheoloogias

Teadaolevalt on elusorganismides alati radioaktiivne süsinik-14, mille isotoobi poolestusaeg on 5570 aastat. Lisaks teavad teadlased, kui palju seda elementi kehas sisaldub kuni tema surma hetkeni. See tähendab, et kõik raiutud puud eraldavad sama palju kiirgust. Aja jooksul kiirguse intensiivsus väheneb.

See aitab arheoloogidel kindlaks teha, kui kaua suri puu, millest kambüüsi või mõni muu laev ehitati, ja seega ka ehitamise aega. Seda uurimismeetodit nimetatakse radioaktiivse süsiniku analüüsiks. Tänu temale on teadlastel lihtsam ajaloosündmuste kronoloogiat paika panna.

Radioaktiivsete elementide omadusi uurides selgus, et samas keemilises elemendis võib leida erineva tuumamassiga aatomeid. Samal ajal on neil sama tuumalaeng, see tähendab, et need ei ole kolmandate isikute ainete lisandid, vaid sama aine.

Mis on isotoobid ja miks need eksisteerivad

Mendelejevi perioodilises süsteemis hõivavad ühe raku nii antud element kui ka erineva tuuma massiga aine aatomid. Eeltoodu põhjal anti sama aine sellistele sortidele nimi "isotoobid" (kreeka keelest isos - sama ja topos - koht). Niisiis, isotoobid- need on antud keemilise elemendi sordid, mis erinevad aatomituumade massi poolest.

Tuuma aktsepteeritud neutron-prootoni mudeli järgi selgitati isotoopide olemasolu järgmiselt: mõne aine aatomi tuumad sisaldavad erineva arvu neutroneid, kuid sama palju prootoneid. Tegelikult on ühe elemendi isotoopide tuumalaeng sama, seetõttu on ka prootonite arv tuumas sama. Tuumad erinevad massi poolest, need sisaldavad erinevat arvu neutroneid.

Stabiilsed ja ebastabiilsed isotoobid

Isotoobid on kas stabiilsed või ebastabiilsed. Praeguseks on teada umbes 270 stabiilset ja üle 2000 ebastabiilse isotoopi. stabiilsed isotoobid- Need on keemiliste elementide sordid, mis võivad pikka aega iseseisvalt eksisteerida.

Enamik ebastabiilsed isotoobid saadi kunstlikult. Ebastabiilsed isotoobid on radioaktiivsed, nende tuumad alluvad radioaktiivsele lagunemisprotsessile, see tähendab spontaansele transformatsioonile teisteks tuumadeks, millega kaasneb osakeste ja / või kiirguse emissioon. Peaaegu kõigil radioaktiivsetel tehisisotoopidel on väga lühike poolestusaeg, mõõdetuna sekundites ja isegi sekundite murdosades.

Mitu isotoopi võib tuum sisaldada

Tuum ei saa sisaldada suvalist arvu neutroneid. Seetõttu on isotoopide arv piiratud. Isegi prootonite arvus elementide puhul võib stabiilsete isotoopide arv ulatuda kümneni. Näiteks tinal on 10 isotoopi, ksenoonil 9, elavhõbedal 7 jne.

Need elemendid prootonite arv on paaritu, võib olla ainult kaks stabiilset isotoopi. Mõnel elemendil on ainult üks stabiilne isotoop. Need on ained nagu kuld, alumiinium, fosfor, naatrium, mangaan ja teised. Sellised stabiilsete isotoopide arvu variatsioonid erinevate elementide jaoks on seotud prootonite ja neutronite arvu keerulise sõltuvusega tuuma sidumisenergiast.

Peaaegu kõik looduses esinevad ained eksisteerivad isotoopide seguna. Isotoopide arv aine koostises oleneb aine tüübist, aatommassist ja antud keemilise elemendi stabiilsete isotoopide arvust.

isotoobid- keemilise elemendi aatomite (ja tuumade) sordid, millel on sama aatom (järg)arv, kuid erinevad massiarvud.

Mõiste isotoop on moodustatud kreekakeelsetest juurtest isos (ἴσος "võrdne") ja topos (τόπος "koht"), mis tähendab "sama koht"; Seega on nimetuse tähendus selles, et sama elemendi erinevad isotoobid on perioodilisuse tabelis samal positsioonil.

Kolm looduslikku vesiniku isotoopi. Asjaolu, et igal isotoobil on üks prooton, on vesiniku variandid: isotoobi identiteedi määrab neutronite arv. Vasakult paremale on isotoobid nullneutroniga protium (1H), ühe neutroniga deuteerium (2H) ja kahe neutroniga triitium (3H).

Prootonite arvu aatomi tuumas nimetatakse aatomnumbriks ja see on võrdne elektronide arvuga neutraalses (ioniseerimata) aatomis. Iga aatomnumber identifitseerib konkreetse elemendi, kuid mitte isotoopi; Antud elemendi aatomil võib olla lai neutronite arv. Nukleonite (nii prootonite kui ka neutronite) arv tuumas on aatomi massiarv ja antud elemendi igal isotoobil on erinev massiarv.

Näiteks süsinik-12, süsinik-13 ja süsinik-14 on kolm elementaarse süsiniku isotoopi massinumbritega vastavalt 12, 13 ja 14. Süsiniku aatomarv on 6, mis tähendab, et igal süsinikuaatomil on 6 prootonit, seega on nende isotoopide neutronite arv vastavalt 6, 7 ja 8.

Hukliidid Ja isotoobid

Nukliid kuulub tuumale, mitte aatomile. Identsed tuumad kuuluvad samasse nukliidi, näiteks iga süsinik-13 nukliidi tuum koosneb 6 prootonist ja 7 neutronist. Nukliidide mõiste (viidates üksikutele tuumaliikidele) rõhutab tuumaomadusi keemiliste omaduste asemel, samas kui isotoobi mõiste (rühmitades iga elemendi kõik aatomid) rõhutab keemilist reaktsiooni tuuma asemel. Neutronite arvul on suur mõju tuumade omadustele, kuid selle mõju keemilistele omadustele on enamiku elementide puhul tühine. Isegi kõige kergemate elementide puhul, kus neutronite ja aatomarvu suhe erineb isotoopide vahel kõige rohkem, on sellel tavaliselt vaid väike mõju, kuigi mõnel juhul on sellel tähtsus (vesiniku, kergeima elemendi puhul on isotoobi efekt suur. mõjutab oluliselt bioloogiat). Kuna isotoop on vanem mõiste, on see paremini tuntud kui nukliid ja seda kasutatakse ikka aeg-ajalt kontekstides, kus nukliid võib olla sobivam, näiteks tuumatehnoloogia ja tuumameditsiin.

Märge

Isotoop või nukliid identifitseeritakse konkreetse elemendi nimega (see näitab aatomi numbrit), millele järgneb sidekriips ja massiarv (näiteks heelium-3, heelium-4, süsinik-12, süsinik-14, uraan- 235 ja uraan-239). Kui kasutatakse keemilist sümbolit, nt. "C" süsiniku jaoks, standardne tähistus (praegu tuntud kui "AZE tähistus", sest A on massiarv, Z on aatomnumber ja E elemendi jaoks) tähistab massiarvu (nukleonide arvu) ülaindeksiga keemilise sümboli vasakus ülanurgas ja märkige aatomnumber alaindeksiga vasakus alanurgas). Kuna aatomnumbri annab elemendi tähis, siis tavaliselt on antud ainult massinumber ülaindeksis, aatomiindeksit ei anta. M-täht lisatakse mõnikord massinumbri järele, et tähistada tuumaisomeeri, metastabiilset või energeetiliselt ergastatud tuuma olekut (erinevalt madalaima energiaga põhiolekust), näiteks 180m 73Ta (tantaal-180m).

Radioaktiivsed, primaarsed ja stabiilsed isotoobid

Mõned isotoobid on radioaktiivsed ja seetõttu nimetatakse neid radioisotoopideks või radionukliidideks, samas kui teiste radioaktiivset lagunemist pole kunagi täheldatud ja neid nimetatakse stabiilseteks isotoopideks või stabiilseteks nukliidideks. Näiteks 14 C on süsiniku radioaktiivne vorm, samas kui 12 C ja 13 C on stabiilsed isotoobid. Maal on umbes 339 looduslikult esinevat nukliidi, millest 286 on ürgsed nukliidid, mis tähendab, et need on eksisteerinud alates Päikesesüsteemi tekkest.

Algsete nukliidide hulgas on 32 väga pika poolestusajaga (üle 100 miljoni aasta) ja 254 nukliidi, mida peetakse ametlikult "stabiilseteks nukliidideks", kuna nende lagunemist ei ole täheldatud. Enamikul juhtudel domineerivad arusaadavatel põhjustel, kui elemendil on stabiilsed isotoobid, Maal ja Päikesesüsteemis leiduva elementide arvukuse üle need isotoobid. Kuid kolme elemendi (telluurium, indium ja reenium) puhul on looduses kõige levinum isotoop tegelikult üks (või kaks) ülipika elueaga elemendi radioisotoopi, hoolimata asjaolust, et need elemendid neil on üks või mitu stabiilset isotoopi.

Teooria ennustab, et paljud näiliselt "stabiilsed" isotoobid/nukliidid on radioaktiivsed, ülipika poolestusajaga (arvestamata prootonite lagunemise võimalust, mis muudaks kõik nukliidid lõpuks ebastabiilseks). 254 nukliidist, mida pole kunagi täheldatud, on neist vaid 90 (kõik esimesed 40 elementi) teoreetiliselt vastupidavad kõigile teadaolevatele lagunemisvormidele. Element 41 (nioobium) on teoreetiliselt ebastabiilne spontaanse lõhustumise tõttu, kuid seda pole kunagi avastatud. Paljud teised stabiilsed nukliidid on teoreetiliselt energeetiliselt vastuvõtlikud teistele teadaolevatele lagunemisvormidele, nagu alfalagunemine või topelt-beetalagunemine, kuid lagunemissaadusi pole veel täheldatud ja seetõttu peetakse neid isotoope "vaatluslikult stabiilseteks". Nende nukliidide prognoositud poolestusajad ületavad sageli suuresti universumi hinnangulist vanust ja tegelikult on teada ka 27 radionukliidi, mille poolestusaeg on pikem kui universumi vanus.

Kunstlikult loodud radioaktiivsed nukliidid, praegu on teada 3339 nukliidi. Nende hulgas on 905 nukliidi, mis on kas stabiilsed või mille poolestusaeg on üle 60 minuti.

Isotoobi omadused

Keemilised ja molekulaarsed omadused

Neutraalses aatomis on sama arv elektrone kui prootonitel. Seega on antud elemendi erinevatel isotoopidel sama arv elektrone ja sarnane elektrooniline struktuur. Kuna aatomi keemilise käitumise määrab suuresti selle elektrooniline struktuur, on erinevatel isotoopidel peaaegu identne keemiline käitumine.

Erandiks on kineetiline isotoobiefekt: oma suure massi tõttu kipuvad raskemad isotoobid reageerima mõnevõrra aeglasemalt kui sama elemendi kergemad isotoobid. See on kõige enam väljendunud protiumi (1 H), deuteeriumi (2 H) ja triitiumi (3 H) puhul, kuna deuteeriumi mass on kaks korda suurem ja triitiumi mass kolm korda suurem kui protiumi mass. Need massierinevused mõjutavad ka nende vastavate keemiliste sidemete käitumist, muutes aatomisüsteemide raskuskeskme (vähendatud massi). Raskemate elementide puhul on aga isotoopide suhteline massierinevus palju väiksem, mistõttu massierinevuse mõju keemiale on tavaliselt tühine. (Ka rasketel elementidel on suhteliselt rohkem neutroneid kui kergematel elementidel, seega on tuumamassi ja elektronide kogumassi suhe mõnevõrra suurem.)

Samamoodi on kahel molekulil, mis erinevad ainult oma aatomite isotoopide poolest (isotopoloogid), sama elektrooniline struktuur ja seega peaaegu eristamatud füüsikalised ja keemilised omadused (deuteerium ja triitium on jällegi peamised erandid). Molekuli võnkerežiimid määravad ära selle kuju ja sellesse kuuluvate aatomite massid; Seetõttu on erinevatel isotopoloogidel erinevad vibratsioonirežiimide komplektid. Kuna vibratsioonirežiimid võimaldavad molekulil absorbeerida sobiva energiaga footoneid, on isotopoloogidel infrapunas erinevad optilised omadused.

Tuuma omadused ja stabiilsus

Aatomituumad koosnevad prootonitest ja neutronitest, mis on omavahel seotud tugeva jääkjõuga. Kuna prootonid on positiivselt laetud, tõrjuvad nad üksteist. Neutronid, mis on elektriliselt neutraalsed, stabiliseerivad tuuma kahel viisil. Nende kokkupuude surub prootoneid veidi tagasi, vähendades prootonite vahelist elektrostaatilist tõukejõudu ning nad avaldavad üksteisele ja prootonitele atraktiivset tuumajõudu. Sel põhjusel on kahe või enama prootoni tuumaga seondumiseks vaja ühte või mitut neutronit. Prootonite arvu kasvades suureneb stabiilse tuuma tagamiseks vajalik neutronite ja prootonite suhe (vt graafikut paremal). Näiteks kuigi suhe neutron: prooton 3 2 He on 1:2, on suhe neutron: prooton 238 92 U
Üle 3:2. Paljudel kergematel elementidel on stabiilsed nukliidid suhtega 1:1 (Z = N). Nukliid 40 20 Ca (kaltsium-40) on vaadeldav kõige raskem stabiilne nukliid, millel on sama arv neutroneid ja prootoneid; (Teoreetiliselt on kõige raskem stabiilne väävel-32). Kõik stabiilsed nukliidid, mis on raskemad kui kaltsium-40, sisaldavad rohkem neutroneid kui prootoneid.

Isotoopide arv elemendi kohta

Stabiilsete isotoopidega 81 elemendist on kõige rohkem mis tahes elemendi puhul vaadeldavaid stabiilseid isotoope kümme (elemendi tina puhul). Ühelgi elemendil pole üheksa stabiilset isotoopi. Ksenoon on ainus element, millel on kaheksa stabiilset isotoopi. Neljal elemendil on seitse stabiilset isotoopi, millest kaheksal on kuus stabiilset isotoopi, kümnel on viis stabiilset isotoopi, üheksal on neli stabiilset isotoopi, viiel on kolm stabiilset isotoopi, 16-l on kaks stabiilset isotoopi ja 26 elemendil on ainult üks (millest 19 on nn mononukliidsed elemendid, millel on üks ürgne stabiilne isotoop, mis domineerib ja fikseerib suure täpsusega loodusliku elemendi aatommassi, esineb ka 3 radioaktiivset mononukliidset elementi). Kokku on 254 nukliidi, mille lagunemist pole täheldatud. 80 elemendi puhul, millel on üks või mitu stabiilset isotoopi, on stabiilsete isotoopide keskmine arv 254/80 = 3,2 isotoopi elemendi kohta.

Paaris ja paaritu arv nukleone

Prootonid: neutronite suhe ei ole ainus tuuma stabiilsust mõjutav tegur. See sõltub ka selle aatomarvu Z paarsusest või paarsusest, neutronite arvust N, seega nende massiarvu A summast. Nii Z kui ka N paaritu kipuvad vähendama tuuma sidumisenergiat, luues paarituid tuumasid, mis on üldiselt vähem stabiilsed. Sellel olulisel erinevusel naabertuumade, eriti paaritute isobaaride vahel tuuma sidumisenergias on olulised tagajärjed: ebastabiilsed isotoobid, mille neutronite või prootonite arv on ebaoptimaalne, lagunevad beeta-lagunemise (sealhulgas positronite lagunemise), elektronide püüdmise või muude eksootiliste vahenditega, nagu spontaanne lõhustumine ja lagunemine.klastrid.

Enamik stabiilseid nukliide on paarisarv prootoneid ja paarisarv neutroneid, kus Z, N ja A on kõik paarisarvulised. Paaritu stabiilsed nukliidid jagunevad (ligikaudu ühtlaselt) paarituteks.

aatomnumber

148 paarisprootoni ja paarisneutroni (EE) nukliidi moodustavad ~58% kõigist stabiilsetest nukliididest. Samuti on olemas 22 ürgset pikaealist ühtlast nukliidi. Selle tulemusena on igal 41 paariselemendil vahemikus 2 kuni 82 vähemalt üks stabiilne isotoop ja enamikul neist elementidest on mitu primaarset isotoopi. Pooltel neist paariselementidest on kuus või enam stabiilset isotoopi. Heelium-4 äärmine stabiilsus, mis on tingitud kahe prootoni ja kahe neutroni binaarsest sidemest, takistab viit või kaheksat nukleoni sisaldavate nukliidide olemasolu piisavalt kaua, et olla platvormina raskemate elementide akumuleerimiseks tuumasünteesi kaudu.

Nendel 53 stabiilsel nukliidil on paarisarv prootoneid ja paaritu arv neutroneid. Võrreldes paarisisotoopidega, mida on umbes 3 korda rohkem, on neid vähemus. 41 paaris-Z-elemendi hulgast, millel on stabiilne nukliid, pole ainult kahel elemendil (argoon ja tseerium) paaris-paaritu stabiilseid nukliide. Ühel elemendil (tina) on kolm. Seal on 24 elementi, millel on üks paaritu nukliid ja 13, millel on kaks paaritu nukliid.

Oma paaritute neutronite arvu tõttu kipuvad paaritutel nukliididel olema suured neutronite püüdmise ristlõiked, mis on tingitud neutronite sidumisefektidest tuleneva energia tõttu. Neid stabiilseid nukliide võib looduses olla ebatavaliselt palju, peamiselt seetõttu, et moodustumiseks ja ürgse arvukuse saavutamiseks peavad nad põgenema neutronite püüdmisest, et moodustada veel teisi stabiilseid paaris-paarituid isotoope selle käigus, kuidas s on protsess ja r on neutronite püüdmise protsess.nukleosünteesi käigus.

paaritu aatomnumber

48 stabiilset paaritu prootoni ja paarisneutroniga nukliidi, mis on stabiliseeritud paarisarvuga paaritud neutronite poolt, moodustavad suurema osa paaritute elementide stabiilsetest isotoopidest; Väga vähesed paaritu-prooton-paaritu neutronnukliidid moodustavad teisi. Seal on 41 paaritut elementi vahemikus Z = 1 kuni 81, millest 39 on stabiilsete isotoopidega (elementidel tehneetsiumil (43 Tc) ja prometiumil (61 Pm) pole stabiilseid isotoope). Nendest 39 paaritust Z-elemendist on 30 elemendil (sh vesinik-1, kus 0 neutronit on paaris) üks stabiilne paaritu isotoop ja üheksal elemendil: kloor (17 Cl), kaalium (19K), vask (29 Cu), galliumil (31 Ga), broomil (35 Br), hõbedal (47 Ag), antimonil (51 Sb), iriidiumil (77 Ir) ja talliumil (81 Tl) on kummalgi kaks paaritu-paaris stabiilset isotoopi. Nii saadakse 30 + 2 (9) = 48 stabiilset paaris-paaris isotoopi.

Ainult viis stabiilset nukliidi sisaldavad nii paaritu arvu prootoneid kui ka paaritu arvu neutroneid. Esimesed neli "paaritu-paaritu" nukliidi esinevad madala molekulmassiga nukliidides, mille puhul prootonilt neutroniks või vastupidi muutumine toob kaasa väga kaldu prootoni-neutroni suhte.

Ainus täiesti "stabiilne", paaritu-paaritu nukliid on 180m 73 Ta, mida peetakse 254 stabiilsest isotoobist kõige haruldasemaks ja mis on ainus ürgne tuumaisomeer, mille lagunemist pole katsetest hoolimata veel täheldatud.

Paaritu arv neutroneid

Paaritu arvu neutronitega aktiniidid kipuvad lõhustuma (termiliste neutronitega), paarisarvuga neutronite puhul aga mitte, kuigi nad lõhustuvad kiireteks neutroniteks. Kõigil vaatluslikult stabiilsetel paaritu-paaritu nukliididel on nullist erinev täisarvuline spin. Selle põhjuseks on asjaolu, et üksiku paaritu neutroni ja paaritu prootoni tuumajõud tõmbavad teineteisele rohkem külge, kui nende spinnid on joondatud (tootes kokku spinniks vähemalt 1 ühiku), mitte joondatud.

Esinemine looduses

Elemendid koosnevad ühest või mitmest looduslikult esinevast isotoobist. Ebastabiilsed (radioaktiivsed) isotoobid on kas esmased või järelnäidised. Algsed isotoobid olid tähtede nukleosünteesi või muud tüüpi nukleosünteesi, näiteks kosmilise kiirte lõhenemise, saadused ja on säilinud kuni tänapäevani, kuna nende lagunemiskiirus on nii aeglane (nt uraan-238 ja kaalium-40). Loodusejärgsed isotoobid on tekkinud kosmilise kiirpommitamise teel kosmogeensete nukliididena (nt triitium, süsinik-14) või radioaktiivse ürgisotoobi lagunemisel radioaktiivse radiogeense nukliidi tütreks (nt uraan raadiumiks). Mitu isotoopi sünteesitakse looduslikult nukleogeensete nukliididena teiste looduslike tuumareaktsioonide käigus, näiteks kui looduslikust tuumalõhustumisest pärinevad neutronid neelduvad mõne teise aatomi poolt.

Nagu eespool mainitud, on ainult 80 elemendil stabiilsed isotoobid ja 26 elemendil on ainult üks stabiilne isotoop. Seega esineb umbes kaks kolmandikku stabiilsetest elementidest Maal looduslikult väheste stabiilsete isotoopidena, kusjuures suurim arv stabiilseid isotoope on elemendi puhul kümme, tina (50Sn) puhul. Maal on umbes 94 elementi (kuni plutooniumini (kaasa arvatud)), kuigi mõnda leidub väga väikeses koguses, näiteks plutoonium-244. Teadlased usuvad, et Maal looduslikult esinevad elemendid (mõned ainult radioisotoopidena) esinevad kokku 339 isotoobina (nukliidina). Ainult 254 neist looduslikult esinevatest isotoopidest on stabiilsed selles mõttes, et neid pole seni täheldatud. Veel 35 ürgnukliidi (kokku 289 ürgnukliidi) on teadaoleva poolestusajaga radioaktiivsed, kuid nende poolestusaeg on üle 80 miljoni aasta, mis võimaldab neil eksisteerida Päikesesüsteemi algusest peale.

Kõik teadaolevad stabiilsed isotoobid esinevad looduslikult Maal; Teised looduslikud isotoobid on radioaktiivsed, kuid nende suhteliselt pika poolestusaja või muude pidevate looduslike tootmismeetodite tõttu. Nende hulka kuuluvad ülalmainitud kosmogeensed nukliidid, nukleogeensed nukliidid ja mis tahes radiogeensed isotoobid, mis tulenevad primaarse radioaktiivse isotoobi, nagu radooni ja uraani raadiumi, jätkuvast lagunemisest.

Veel ~3000 radioaktiivset isotoopi, mida looduses ei leidu, on loodud tuumareaktorites ja osakeste kiirendites. Paljusid lühiealisi isotoope, mida Maal looduslikult ei leidu, on täheldatud ka tähtedes või supernoovades looduslikult loodud spektroskoopilise analüüsiga. Näiteks alumiinium-26, mida Maal looduslikult ei esine, kuid mida leidub astronoomilisel skaalal ohtralt.

Elementide tabelina esitatud aatommassid on keskmised, mis selgitavad mitme erineva massiga isotoobi olemasolu. Enne isotoopide avastamist ajasid empiiriliselt määratud aatommassi integreerimata väärtused teadlasi segadusse. Näiteks sisaldab kloori proov 75,8% kloor-35 ja 24,2% kloor-37, mis annab keskmiseks aatommassiks 35,5 aatommassi ühikut.

Üldtunnustatud kosmoloogiateooria järgi tekkisid Suures Paugus ainult vesiniku ja heeliumi isotoobid, mõnede liitiumi ja berülliumi isotoopide jäljed ning võib-olla ka boor ning kõik teised isotoobid sünteesiti hiljem, tähtedes ja supernoovades. , samuti energeetiliste osakeste, näiteks kosmiliste kiirte ja varem saadud isotoopide vastastikmõjus. Isotoopide vastav isotoopide arvukus Maal on tingitud nende protsesside käigus tekkivatest kogustest, nende levimisest läbi galaktika ja isotoopide lagunemise kiirusest, mis on ebastabiilsed. Pärast Päikesesüsteemi esialgset ühinemist jaotati isotoobid ümber massi järgi ning elementide isotoopkoostis varieerub planeediti veidi. See võimaldab mõnikord jälgida meteoriitide päritolu.

Isotoopide aatommass

Isotoobi aatommassi (mr) määrab peamiselt selle massiarv (st nukleonide arv selle tuumas). Väikesed korrektsioonid on tingitud tuuma sidumisenergiast, prootoni ja neutroni väikesest massierinevusest ning aatomiga seotud elektronide massist.

Massi number on mõõtmeteta suurus. Aatommassi mõõdetakse seevastu aatommassi ühiku abil, mis põhineb süsinik-12 aatomi massil. Seda tähistatakse sümbolitega "u" (ühtse aatommassiühiku jaoks) või "Da" (daltoni jaoks).

Elemendi looduslike isotoopide aatommassid määravad elemendi aatommassi. Kui element sisaldab N isotoopi, kehtib allolev avaldis keskmise aatommassi kohta:

Kus m 1 , m 2 , …, mN on iga üksiku isotoobi aatommassid ja x 1 , …, xN on nende isotoopide suhteline arvukus.

Isotoopide rakendamine

On mitmeid rakendusi, mis kasutavad antud elemendi erinevate isotoopide omadusi. Isotoopide eraldamine on oluline tehnoloogiline probleem, eriti raskete elementide, nagu uraan või plutoonium, puhul. Kergemad elemendid nagu liitium, süsinik, lämmastik ja hapnik eraldatakse tavaliselt nende ühendite, nagu CO ja NO, gaasilise difusiooni teel. Vesiniku ja deuteeriumi eraldamine on ebatavaline, kuna see põhineb pigem keemilistel kui füüsikalistel omadustel, nagu näiteks Girdleri sulfiidprotsessis. Uraani isotoobid on eraldatud mahu järgi gaasilise difusiooni, gaasi tsentrifuugimise, laserionisatsiooni eraldamise teel ja (Manhattani projektis) massispektromeetria tootmise tüübi järgi.

Keemiliste ja bioloogiliste omaduste kasutamine

• Isotoopanalüüs on isotoopsignatuuri, antud elemendi isotoopide suhtelise arvukuse määramine konkreetses proovis. Eelkõige toitainete puhul võivad C-, N- ja O-isotoobid oluliselt erineda. Selliste variatsioonide analüüsil on lai valik rakendusi, näiteks toiduainete võltsimise või toiduainete geograafilise päritolu tuvastamine isomaastike abil. Mõnede Marsilt pärit meteoriitide identifitseerimine põhineb osaliselt neis sisalduvate gaaside isotoopallkirjadel.
• Isotoopasenduse abil saab määrata keemilise reaktsiooni mehhanismi kineetilise isotoobiefekti kaudu.
• Teine levinud rakendus on isotoopmärgistamine, ebatavaliste isotoopide kasutamine märgistusainete või markeritena keemilistes reaktsioonides. Tavaliselt on antud elemendi aatomid üksteisest eristamatud. Erineva massiga isotoope kasutades saab aga massispektromeetria või infrapunaspektroskoopia abil eristada isegi erinevaid mitteradioaktiivseid stabiilseid isotoope. Näiteks dokumendis "Stable Isotope Labeling of Amino Acids in Cell Culture" (SILAC) kasutatakse valkude kvantifitseerimiseks stabiilseid isotoope. Kui kasutatakse radioaktiivseid isotoope, saab neid tuvastada nende kiiratava kiirguse järgi (seda nimetatakse radioisotoopide märgistamiseks).
• Tavaliselt kasutatakse isotoope erinevate elementide või ainete kontsentratsiooni määramiseks isotooplahjendusmeetodil, mille käigus segatakse proovidega teadaolevad kogused isotoopasendatud ühendeid ning massispektromeetria abil määratakse saadud segude isotoopomadused.

Tuumaomaduste kasutamine

• Radioisotoopmärgistamisele sarnane meetod on radiomeetriline dateering: kasutades ebastabiilse elemendi teadaolevat poolestusaega, saab arvutada aja, mis on möödunud teadaoleva isotoobi kontsentratsiooni olemasolust. Tuntuim näide on radiosüsiniku dateering, mida kasutatakse süsinikmaterjalide vanuse määramiseks.
• Mõned spektroskoopia vormid põhinevad nii radioaktiivsete kui ka stabiilsete isotoopide ainulaadsetel tuumaomadustel. Näiteks tuumamagnetresonantsi (NMR) spektroskoopiat saab kasutada ainult nullist erineva tuumaspinniga isotoopide puhul. NMR-spektroskoopias kasutatavad kõige levinumad isotoobid on 1 H, 2 D, 15 N, 13 C ja 31 P.
• Mössbaueri spektroskoopia tugineb ka spetsiifiliste isotoopide, näiteks 57 Fe, tuumaüleminekutele.