Telah ditetapkan bahwa setiap unsur kimia yang ditemukan di alam adalah campuran isotop (karenanya mereka memiliki massa atom fraksional). Untuk memahami bagaimana isotop berbeda satu sama lain, perlu untuk mempertimbangkan secara rinci struktur atom. Sebuah atom membentuk nukleus dan awan elektron. Massa atom dipengaruhi oleh elektron yang bergerak dengan kecepatan yang mengejutkan dalam orbit di awan elektron, neutron dan proton yang membentuk nukleus.

Apa itu isotop?

isotop Jenis atom dari unsur kimia. Jumlah elektron dan proton selalu sama dalam setiap atom. Karena mereka memiliki muatan yang berlawanan (elektron negatif, dan proton positif), atom selalu netral (partikel elementer ini tidak membawa muatan, itu sama dengan nol). Ketika elektron hilang atau ditangkap, atom kehilangan netralitasnya, menjadi ion negatif atau positif.
Neutron tidak memiliki muatan, tetapi jumlahnya dalam inti atom dari unsur yang sama bisa berbeda. Ini tidak mempengaruhi netralitas atom, tetapi mempengaruhi massa dan sifat-sifatnya. Misalnya, setiap isotop atom hidrogen masing-masing memiliki satu elektron dan satu proton. Dan jumlah neutronnya berbeda. Protium hanya memiliki 1 neutron, deuterium memiliki 2 neutron, dan tritium memiliki 3 neutron. Ketiga isotop ini sangat berbeda satu sama lain dalam sifat.

Perbandingan isotop

Bagaimana perbedaan isotop? Mereka memiliki jumlah neutron yang berbeda, massa yang berbeda dan sifat yang berbeda. Isotop memiliki struktur kulit elektron yang identik. Ini berarti bahwa mereka sangat mirip dalam sifat kimia. Oleh karena itu, mereka ditugaskan satu tempat dalam sistem periodik.
Isotop yang stabil dan radioaktif (tidak stabil) telah ditemukan di alam. Inti atom isotop radioaktif dapat secara spontan berubah menjadi inti lain. Dalam proses peluruhan radioaktif, mereka memancarkan berbagai partikel.
Sebagian besar unsur memiliki lebih dari dua lusin isotop radioaktif. Selain itu, isotop radioaktif disintesis secara artifisial untuk semua elemen. Dalam campuran alami isotop, kandungannya sedikit berfluktuasi.
Keberadaan isotop memungkinkan untuk memahami mengapa, dalam beberapa kasus, unsur-unsur dengan massa atom yang lebih rendah memiliki nomor seri yang lebih tinggi daripada unsur-unsur dengan massa atom yang lebih besar. Misalnya, dalam pasangan argon-kalium, argon termasuk isotop berat, dan kalium termasuk isotop ringan. Oleh karena itu, massa argon lebih besar daripada kalium.

ImGist menentukan bahwa perbedaan antara isotop satu sama lain adalah sebagai berikut:

Mereka memiliki jumlah neutron yang berbeda.
Isotop memiliki massa atom yang berbeda.
Nilai massa atom ion mempengaruhi energi total dan sifat-sifatnya.

Suatu unsur tertentu yang memiliki kesamaan tetapi berbeda. Memiliki inti dengan jumlah yang sama dan berbeda. nomor , memiliki struktur kulit elektron yang sama dan menempati tempat yang sama dalam periodik. sistem kimia. elemen. Istilah "isotop" diusulkan pada tahun 1910 oleh F. Soddy untuk menunjukkan varietas yang tidak dapat dibedakan secara kimia yang berbeda dalam fisiknya. (terutama radioaktif) St. you. Isotop stabil pertama kali ditemukan pada tahun 1913 oleh J. Thomson dengan bantuan yang disebut. metode parabola - prototipe modern. . Dia menemukan bahwa Ne memiliki setidaknya 2 varietas dengan berat. jam 20 dan 22. Nama dan simbol isotop biasanya merupakan nama dan simbol kimia yang sesuai. elemen; arahkan ke kiri atas simbol. Misalnya, untuk menunjuk alam. isotop menggunakan rekor 35 Cl dan 37 C1; terkadang elemen juga ditunjukkan di kiri bawah, mis. tulis 35 17 Cl dan 37 17 Cl. Hanya isotop dari unsur paling ringan, hidrogen, berat. Bagian 1, 2 dan 3 memiliki spesial. nama dan simbol: (1 1 H), (D, atau 2 1 H) dan (T, atau 3 1 H), masing-masing. Karena perbedaan massa yang besar, perilaku isotop ini berbeda secara signifikan (lihat , ). Isotop stabil ditemukan di semua unsur genap dan paling ganjil dengan[ 83. Jumlah isotop stabil untuk unsur-unsur dengan bilangan genap bisa. sama dengan 10 (misalnya y); unsur dengan nomor ganjil memiliki paling banyak dua isotop stabil. Dikenal sekitar 280 stabil dan lebih dari 2000 isotop radioaktif dalam 116 elemen alami dan buatan. Untuk setiap elemen, kandungan isotop individu di alam. campuran mengalami fluktuasi kecil, yang sering dapat diabaikan. Lebih berarti. fluktuasi komposisi isotop diamati untuk meteorit dan benda langit lainnya. Keteguhan komposisi isotop mengarah pada kekonstanan unsur-unsur yang ditemukan di Bumi, yang merupakan nilai rata-rata massa unsur tertentu, yang ditemukan dengan mempertimbangkan kelimpahan isotop di alam. Fluktuasi komposisi isotop unsur-unsur ringan, sebagai suatu peraturan, dikaitkan dengan perubahan komposisi isotop selama penguraian. proses yang terjadi di alam (, dll). Untuk unsur berat Pb, fluktuasi komposisi isotop dari sampel yang berbeda dijelaskan oleh penguraian. konten dalam, dan sumber-sumber lain dan - pendiri alam. . Perbedaan St dalam isotop unsur tertentu disebut. . Praktis yang penting tugasnya adalah untuk mendapatkan dari alam. campuran isotop individu -

Ketika mempelajari sifat-sifat unsur radioaktif, ditemukan bahwa atom dengan massa inti yang berbeda dapat ditemukan dalam unsur kimia yang sama. Pada saat yang sama, mereka memiliki muatan nuklir yang sama, yaitu, ini bukan pengotor dari zat pihak ketiga, tetapi zat yang sama.

Apa itu isotop dan mengapa ada?

Dalam sistem periodik Mendeleev, baik unsur tertentu maupun atom suatu zat dengan massa inti berbeda menempati satu sel. Berdasarkan hal di atas, varietas dari zat yang sama diberi nama "isotop" (dari bahasa Yunani isos - sama dan topos - tempat). Jadi, isotop- ini adalah varietas dari unsur kimia tertentu yang berbeda dalam massa inti atom.

Menurut model neutron-proton inti yang diterima, keberadaan isotop dijelaskan sebagai berikut: inti beberapa atom materi mengandung jumlah neutron yang berbeda, tetapi jumlah proton yang sama. Faktanya, muatan inti isotop satu elemen adalah sama, oleh karena itu, jumlah proton dalam nukleus adalah sama. Inti berbeda dalam massa, masing-masing, mengandung jumlah neutron yang berbeda.

Isotop stabil dan tidak stabil

Isotop bersifat stabil atau tidak stabil. Sampai saat ini, sekitar 270 isotop stabil dan lebih dari 2000 isotop tidak stabil telah diketahui. isotop stabil- Ini adalah jenis unsur kimia yang dapat berdiri sendiri untuk waktu yang lama.

Kebanyakan isotop tidak stabil diperoleh secara artifisial. Isotop yang tidak stabil bersifat radioaktif, intinya tunduk pada proses peluruhan radioaktif, yaitu, transformasi spontan menjadi inti lain, disertai dengan emisi partikel dan / atau radiasi. Hampir semua isotop radioaktif buatan memiliki waktu paruh yang sangat pendek, diukur dalam hitungan detik dan bahkan sepersekian detik.

Berapa banyak isotop yang dapat dikandung oleh inti?

Nukleus tidak dapat mengandung jumlah neutron yang berubah-ubah. Dengan demikian, jumlah isotop terbatas. Bahkan dalam jumlah proton unsur, jumlah isotop stabil bisa mencapai sepuluh. Misalnya timah memiliki 10 isotop, xenon memiliki 9, merkuri memiliki 7, dan seterusnya.

Elemen-elemen itu jumlah proton ganjil, hanya dapat memiliki dua isotop stabil. Beberapa unsur hanya memiliki satu isotop stabil. Ini adalah zat seperti emas, aluminium, fosfor, natrium, mangan dan lain-lain. Variasi seperti itu dalam jumlah isotop stabil untuk elemen yang berbeda dikaitkan dengan ketergantungan kompleks dari jumlah proton dan neutron pada energi ikat inti.

Hampir semua zat di alam ada sebagai campuran isotop. Jumlah isotop dalam komposisi suatu zat tergantung pada jenis zat, massa atom, dan jumlah isotop stabil dari unsur kimia tertentu.

Mungkin, tidak ada orang seperti itu di bumi yang tidak akan pernah mendengar tentang isotop. Tapi tidak semua orang tahu apa itu. Ungkapan "isotop radioaktif" terdengar sangat menakutkan. Unsur-unsur kimia yang tidak jelas ini menakutkan umat manusia, tetapi sebenarnya mereka tidak menakutkan seperti yang terlihat pada pandangan pertama.

Definisi

Untuk memahami konsep unsur radioaktif, pertama-tama perlu dikatakan bahwa isotop adalah sampel dari unsur kimia yang sama, tetapi dengan massa yang berbeda. Apa artinya? Pertanyaan akan hilang jika kita mengingat struktur atom terlebih dahulu. Terdiri dari elektron, proton dan neutron. Jumlah dua partikel elementer pertama dalam inti atom selalu konstan, sedangkan neutron yang memiliki massa sendiri dapat terjadi pada zat yang sama dalam jumlah yang berbeda. Keadaan ini menimbulkan berbagai unsur kimia dengan sifat fisik yang berbeda.

Sekarang kita dapat memberikan definisi ilmiah dari konsep yang diteliti. Jadi, isotop adalah kumpulan kumulatif dari unsur-unsur kimia yang memiliki sifat yang sama, tetapi memiliki massa dan sifat fisik yang berbeda. Menurut terminologi yang lebih modern, mereka disebut galaksi nukleotida unsur kimia.

Sedikit sejarah

Pada awal abad terakhir, para ilmuwan menemukan bahwa senyawa kimia yang sama dalam kondisi yang berbeda dapat memiliki massa inti elektron yang berbeda. Dari sudut pandang teoretis murni, unsur-unsur tersebut dapat dianggap baru dan mereka dapat mulai mengisi sel-sel kosong dalam tabel periodik D. Mendeleev. Tetapi hanya ada sembilan sel bebas di dalamnya, dan para ilmuwan menemukan lusinan elemen baru. Selain itu, perhitungan matematis menunjukkan bahwa senyawa yang ditemukan tidak dapat dianggap tidak diketahui sebelumnya, karena sifat kimianya sepenuhnya sesuai dengan karakteristik senyawa yang ada.

Setelah diskusi panjang, diputuskan untuk menyebut unsur-unsur ini sebagai isotop dan menempatkannya dalam sel yang sama dengan unsur-unsur yang intinya mengandung jumlah elektron yang sama dengan mereka. Para ilmuwan telah dapat menentukan bahwa isotop hanyalah beberapa variasi dari unsur-unsur kimia. Namun, penyebab kemunculannya dan lamanya hidup dipelajari selama hampir satu abad. Bahkan pada awal abad ke-21, tidak mungkin untuk menyatakan bahwa umat manusia tahu sepenuhnya tentang isotop.

Variasi persisten dan non-persisten

Setiap unsur kimia memiliki beberapa isotop. Karena fakta bahwa ada neutron bebas di inti mereka, mereka tidak selalu masuk ke dalam ikatan yang stabil dengan sisa atom. Setelah beberapa waktu, partikel bebas meninggalkan inti, yang mengubah massa dan sifat fisiknya. Ini adalah bagaimana isotop lain terbentuk, yang pada akhirnya mengarah pada pembentukan zat dengan jumlah proton, neutron, dan elektron yang sama.

Zat-zat yang meluruh dengan sangat cepat disebut isotop radioaktif. Mereka melepaskan sejumlah besar neutron ke luar angkasa, membentuk radiasi gamma pengion yang kuat, yang dikenal karena kemampuan penetrasinya yang kuat, yang berdampak negatif pada organisme hidup.

Isotop yang lebih stabil tidak bersifat radioaktif, karena jumlah neutron bebas yang dilepaskannya tidak mampu menghasilkan radiasi dan secara signifikan mempengaruhi atom lain.

Beberapa waktu yang lalu, para ilmuwan menetapkan satu pola penting: setiap unsur kimia memiliki isotopnya sendiri, persisten atau radioaktif. Menariknya, banyak dari mereka diperoleh di laboratorium, dan kehadiran mereka dalam bentuk alaminya kecil dan tidak selalu direkam oleh instrumen.

Distribusi di alam

Dalam kondisi alami, paling sering ada zat yang massa isotopnya ditentukan secara langsung oleh nomor urutnya dalam tabel D. Mendeleev. Misalnya, hidrogen, dilambangkan dengan simbol H, memiliki nomor seri 1, dan massanya sama dengan satu. Isotopnya, 2H dan 3H, sangat langka di alam.

Bahkan tubuh manusia memiliki sejumlah isotop radioaktif. Mereka masuk melalui makanan dalam bentuk isotop karbon, yang, pada gilirannya, diserap oleh tanaman dari tanah atau udara dan masuk ke komposisi bahan organik selama fotosintesis. Oleh karena itu, baik manusia, hewan, maupun tumbuhan memancarkan latar belakang radiasi tertentu. Hanya saja sangat rendah sehingga tidak mengganggu fungsi dan pertumbuhan normal.

Sumber yang berperan dalam pembentukan isotop adalah lapisan dalam inti bumi dan radiasi dari luar angkasa.

Seperti yang Anda ketahui, suhu di planet ini sangat bergantung pada inti panasnya. Tetapi baru-baru ini menjadi jelas bahwa sumber panas ini adalah reaksi termonuklir yang kompleks, di mana isotop radioaktif berpartisipasi.

peluruhan isotop

Karena isotop adalah formasi yang tidak stabil, dapat diasumsikan bahwa seiring waktu mereka selalu meluruh menjadi inti unsur kimia yang lebih permanen. Pernyataan ini benar, karena para ilmuwan belum mampu mendeteksi sejumlah besar isotop radioaktif di alam. Dan sebagian besar yang ditambang di laboratorium berlangsung dari beberapa menit hingga beberapa hari, dan kemudian berubah kembali menjadi unsur kimia biasa.

Tetapi ada juga isotop di alam yang sangat tahan terhadap peluruhan. Mereka bisa eksis selama miliaran tahun. Unsur-unsur seperti itu terbentuk pada masa-masa yang jauh itu, ketika bumi masih terbentuk, dan bahkan tidak ada kerak padat di permukaannya.

Isotop radioaktif meluruh dan terbentuk kembali dengan sangat cepat. Oleh karena itu, untuk memfasilitasi penilaian stabilitas isotop, para ilmuwan memutuskan untuk mempertimbangkan kategori waktu paruhnya.

Setengah hidup

Mungkin tidak segera jelas bagi semua pembaca apa yang dimaksud dengan konsep ini. Mari kita definisikan. Waktu paruh isotop adalah waktu di mana setengah kondisional dari zat yang diambil tidak ada lagi.

Ini tidak berarti bahwa sisa koneksi akan dimusnahkan dalam waktu yang sama. Berkenaan dengan setengah ini, perlu untuk mempertimbangkan kategori yang berbeda - periode waktu di mana bagian keduanya, yaitu seperempat dari jumlah asli zat, akan hilang. Dan pertimbangan ini berlanjut hingga tak terhingga. Dapat diasumsikan bahwa tidak mungkin menghitung waktu peluruhan total dari jumlah awal materi, karena proses ini praktis tidak ada habisnya.

Namun, para ilmuwan, mengetahui waktu paruh, dapat menentukan berapa banyak zat yang ada pada awalnya. Data ini berhasil digunakan dalam ilmu terkait.

Dalam dunia ilmiah modern, konsep peluruhan lengkap praktis tidak digunakan. Untuk setiap isotop, biasanya menunjukkan waktu paruhnya, yang bervariasi dari beberapa detik hingga miliaran tahun. Semakin rendah waktu paruh, semakin banyak radiasi yang berasal dari zat dan semakin tinggi radioaktivitasnya.

Pengayaan mineral

Di beberapa cabang ilmu pengetahuan dan teknologi, penggunaan zat radioaktif dalam jumlah yang relatif besar dianggap wajib. Tetapi pada saat yang sama, dalam kondisi alami, sangat sedikit senyawa seperti itu.

Diketahui bahwa isotop adalah varian unsur kimia yang tidak umum. Jumlah mereka diukur dengan beberapa persen dari varietas yang paling tahan. Itulah sebabnya para ilmuwan perlu melakukan pengayaan buatan terhadap bahan-bahan fosil.

Selama bertahun-tahun penelitian, dimungkinkan untuk mengetahui bahwa peluruhan isotop disertai dengan reaksi berantai. Neutron yang dilepaskan dari satu zat mulai mempengaruhi zat lain. Akibatnya, inti berat pecah menjadi yang lebih ringan dan unsur kimia baru diperoleh.

Fenomena ini disebut reaksi berantai, yang menghasilkan isotop yang lebih stabil, tetapi kurang umum, yang kemudian digunakan dalam perekonomian nasional.

Penerapan energi peluruhan

Para ilmuwan juga menemukan bahwa selama peluruhan isotop radioaktif, sejumlah besar energi bebas dilepaskan. Kuantitasnya biasanya diukur dengan satuan Curie, sama dengan waktu fisi 1 g radon-222 dalam 1 detik. Semakin tinggi indikator ini, semakin banyak energi yang dilepaskan.

Ini adalah alasan untuk pengembangan cara menggunakan energi bebas. Ini adalah bagaimana reaktor nuklir muncul, di mana isotop radioaktif ditempatkan. Sebagian besar energi yang dihasilkannya dikumpulkan dan diubah menjadi listrik. Berdasarkan reaktor ini, pembangkit listrik tenaga nuklir sedang dibuat, yang menyediakan listrik termurah. Versi reduksi dari reaktor semacam itu ditempatkan pada mekanisme self-propelled. Mempertimbangkan bahaya kecelakaan, paling sering mesin seperti itu adalah kapal selam. Jika terjadi kegagalan reaktor, jumlah korban di kapal selam akan lebih mudah diminimalisir.

Pilihan lain yang sangat menakutkan untuk menggunakan energi paruh waktu adalah bom atom. Selama Perang Dunia II, mereka diuji pada kemanusiaan di kota-kota Jepang Hiroshima dan Nagasaki. Konsekuensinya sangat menyedihkan. Oleh karena itu, dunia memiliki kesepakatan untuk tidak menggunakan senjata berbahaya ini. Pada saat yang sama, negara-negara besar dengan fokus pada militerisasi melanjutkan penelitian di industri ini hari ini. Selain itu, banyak dari mereka yang diam-diam dari masyarakat dunia membuat bom atom yang ribuan kali lebih berbahaya daripada yang digunakan di Jepang.

Isotop dalam kedokteran

Untuk tujuan damai, peluruhan isotop radioaktif telah dipelajari untuk digunakan dalam pengobatan. Dengan mengarahkan radiasi ke area tubuh yang terkena, dimungkinkan untuk menghentikan perjalanan penyakit atau membantu pasien pulih sepenuhnya.

Tetapi lebih sering isotop radioaktif digunakan untuk diagnostik. Masalahnya adalah gerakan mereka dan sifat cluster paling mudah diperbaiki oleh radiasi yang mereka hasilkan. Jadi, sejumlah zat radioaktif yang tidak berbahaya dimasukkan ke dalam tubuh manusia, dan dokter menggunakan instrumen untuk mengamati bagaimana dan di mana ia didapat.

Dengan demikian, diagnosis kerja otak, sifat tumor kanker, fitur kerja kelenjar endokrin dan sekresi eksternal dilakukan.

Aplikasi dalam arkeologi

Diketahui bahwa dalam organisme hidup selalu ada karbon-14 radioaktif, waktu paruh isotopnya adalah 5570 tahun. Selain itu, para ilmuwan mengetahui berapa banyak unsur ini yang terkandung dalam tubuh sampai saat kematiannya. Ini berarti bahwa semua pohon yang ditebang memancarkan jumlah radiasi yang sama. Seiring waktu, intensitas radiasi berkurang.

Ini membantu para arkeolog menentukan berapa lama pohon yang digunakan untuk membuat dapur atau kapal lain mati, dan karena itu juga waktu konstruksi. Metode penelitian ini disebut analisis karbon radioaktif. Berkat dia, lebih mudah bagi para ilmuwan untuk menetapkan kronologi peristiwa sejarah.

isotop- jenis atom (dan inti) dari unsur kimia yang memiliki nomor atom (ordinal) yang sama, tetapi nomor massa berbeda.

Istilah isotop dibentuk dari akar kata Yunani isos (ἴσος "sama") dan topos (τόπος "tempat"), yang berarti "tempat yang sama"; Jadi, arti dari nama tersebut adalah bahwa isotop yang berbeda dari unsur yang sama menempati posisi yang sama dalam tabel periodik.

Tiga isotop alami hidrogen. Fakta bahwa setiap isotop memiliki satu proton memiliki varian hidrogen: identitas isotop ditentukan oleh jumlah neutron. Dari kiri ke kanan, isotopnya adalah protium (1H) dengan nol neutron, deuterium (2H) dengan satu neutron, dan tritium (3H) dengan dua neutron.

Jumlah proton dalam inti atom disebut nomor atom dan sama dengan jumlah elektron dalam atom netral (tidak terionisasi). Setiap nomor atom mengidentifikasi elemen tertentu, tetapi bukan isotop; Sebuah atom dari unsur tertentu dapat memiliki kisaran jumlah neutron yang luas. Jumlah nukleon (proton dan neutron) dalam inti adalah nomor massa atom, dan setiap isotop unsur tertentu memiliki nomor massa yang berbeda.

Misalnya, karbon-12, karbon-13, dan karbon-14 adalah tiga isotop unsur karbon dengan nomor massa masing-masing 12, 13, dan 14. Nomor atom karbon adalah 6, yang berarti bahwa setiap atom karbon memiliki 6 proton, sehingga jumlah neutron dari isotop ini adalah 6, 7, dan 8.

Huclides dan isotop

Nuklida milik nukleus, bukan milik atom. Inti identik milik nuklida yang sama, misalnya, setiap inti nuklida karbon-13 terdiri dari 6 proton dan 7 neutron. Konsep nuklida (mengacu pada spesies nuklir individu) menekankan sifat nuklir di atas sifat kimia, sedangkan konsep isotop (mengelompokkan semua atom dari setiap elemen) menekankan reaksi kimia daripada nuklir. Jumlah neutron memiliki pengaruh yang besar terhadap sifat-sifat inti, tetapi pengaruhnya terhadap sifat-sifat kimia dapat diabaikan untuk sebagian besar unsur. Bahkan dalam kasus unsur paling ringan, di mana rasio neutron terhadap nomor atom paling bervariasi antar isotop, biasanya hanya memiliki efek kecil, meskipun itu penting dalam beberapa kasus (untuk hidrogen, unsur paling ringan, efek isotop adalah besar. Sangat mempengaruhi biologi). Sejak isotop adalah istilah yang lebih tua, lebih dikenal daripada nuklida dan masih kadang-kadang digunakan dalam konteks di mana nuklida mungkin lebih tepat, seperti teknologi nuklir dan kedokteran nuklir.

Notasi

Isotop atau nuklida diidentifikasi dengan nama unsur tertentu (ini menunjukkan nomor atom), diikuti dengan tanda hubung dan nomor massa (misalnya, helium-3, helium-4, karbon-12, karbon-14, uranium -235, dan uranium-239). Ketika simbol kimia digunakan, mis. "C" untuk karbon, notasi standar (sekarang dikenal sebagai "notasi AZE" karena A adalah nomor massa, Z adalah nomor atom, dan E untuk elemen) adalah untuk menunjukkan nomor massa (jumlah nukleon) dengan superskrip di kiri atas simbol kimia dan menunjukkan nomor atom dengan subscript di sudut kiri bawah). Karena nomor atom diberikan oleh lambang unsur, biasanya hanya nomor massa dalam superscript yang diberikan, dan indeks atom tidak diberikan. Huruf m kadang-kadang ditambahkan setelah nomor massa untuk menunjukkan isomer nuklir, keadaan nuklir metastabil atau tereksitasi secara energetik (berlawanan dengan keadaan dasar energi terendah), seperti 180m 73Ta (tantalum-180m).

Isotop radioaktif, primer dan stabil

Beberapa isotop bersifat radioaktif dan oleh karena itu disebut radioisotop atau radionuklida, sementara yang lain tidak pernah diamati meluruh secara radioaktif dan disebut isotop stabil atau nuklida stabil. Misalnya, 14 C adalah bentuk radioaktif dari karbon, sedangkan 12 C dan 13 C adalah isotop stabil. Ada sekitar 339 nuklida alami di Bumi, 286 di antaranya adalah nuklida primordial, yang berarti mereka telah ada sejak pembentukan tata surya.

Nuklida asli mencakup 32 nuklida dengan waktu paruh yang sangat panjang (lebih dari 100 juta tahun) dan 254 yang secara formal dianggap "nuklida stabil" karena belum teramati meluruh. Dalam kebanyakan kasus, untuk alasan yang jelas, jika suatu unsur memiliki isotop stabil maka isotop tersebut mendominasi kelimpahan unsur yang ditemukan di Bumi dan di tata surya. Namun, dalam kasus tiga unsur (telurium, indium, dan renium), isotop paling melimpah yang ditemukan di alam sebenarnya adalah satu (atau dua) radioisotop yang berumur sangat panjang dari unsur tersebut, meskipun faktanya unsur-unsur ini memiliki satu atau lebih isotop stabil.

Teori ini memperkirakan bahwa banyak isotop/nuklida yang tampaknya "stabil" bersifat radioaktif, dengan waktu paruh yang sangat panjang (tidak mempertimbangkan kemungkinan peluruhan proton, yang akan membuat semua nuklida pada akhirnya tidak stabil). Dari 254 nuklida yang belum pernah diamati, hanya 90 dari mereka (semua dari 40 elemen pertama) secara teoritis tahan terhadap semua bentuk peluruhan yang diketahui. Elemen 41 (niobium) secara teoritis tidak stabil oleh fisi spontan, tetapi ini belum pernah ditemukan. Banyak nuklida stabil lainnya secara teori rentan terhadap bentuk peluruhan lain yang diketahui, seperti peluruhan alfa atau peluruhan beta ganda, tetapi produk peluruhan belum diamati, dan dengan demikian isotop ini dianggap "stabil secara pengamatan". Waktu paruh yang diprediksi untuk nuklida ini seringkali jauh melebihi perkiraan usia alam semesta, dan sebenarnya ada juga 27 radionuklida yang diketahui dengan waktu paruh lebih lama dari usia alam semesta.

Nuklida radioaktif, dibuat secara artifisial, saat ini diketahui 3339 nuklida. Ini termasuk 905 nuklida yang stabil atau memiliki waktu paruh lebih dari 60 menit.

Sifat Isotop

Sifat kimia dan molekul

Sebuah atom netral memiliki jumlah elektron yang sama dengan proton. Dengan demikian, isotop yang berbeda dari unsur tertentu memiliki jumlah elektron yang sama dan memiliki struktur elektronik yang serupa. Karena perilaku kimia atom sangat ditentukan oleh struktur elektroniknya, isotop yang berbeda menunjukkan perilaku kimia yang hampir sama.

Pengecualian untuk ini adalah efek isotop kinetik: karena massanya yang besar, isotop yang lebih berat cenderung bereaksi agak lebih lambat daripada isotop yang lebih ringan dari unsur yang sama. Ini paling menonjol untuk protium (1 H), deuterium (2 H), dan tritium (3 H), karena deuterium memiliki dua kali massa protium dan tritium memiliki tiga kali massa protium. Perbedaan massa ini juga mempengaruhi perilaku ikatan kimia masing-masing dengan mengubah pusat gravitasi (massa tereduksi) dari sistem atom. Namun, untuk unsur yang lebih berat, perbedaan massa relatif antara isotop jauh lebih kecil, sehingga efek perbedaan massa dalam kimia biasanya dapat diabaikan. (Unsur berat juga memiliki neutron yang relatif lebih banyak daripada unsur yang lebih ringan, sehingga rasio massa nuklir terhadap massa elektron total agak lebih besar.)

Demikian pula, dua molekul yang hanya berbeda dalam isotop atomnya (isotopolog) memiliki struktur elektronik yang sama dan karenanya hampir tidak dapat dibedakan sifat fisik dan kimianya (sekali lagi, dengan deuterium dan tritium sebagai pengecualian utama). Mode vibrasi molekul ditentukan oleh bentuk dan massa atom penyusunnya; Oleh karena itu, isotopolog yang berbeda memiliki set mode vibrasi yang berbeda. Karena mode vibrasi memungkinkan molekul untuk menyerap foton dengan energi yang sesuai, isotopolog memiliki sifat optik yang berbeda dalam inframerah.

Sifat dan stabilitas nuklir

Waktu paruh isotop. Grafik untuk isotop stabil menyimpang dari garis Z = N seiring bertambahnya jumlah elemen Z

Inti atom terdiri dari proton dan neutron yang terikat bersama oleh gaya sisa yang kuat. Karena proton bermuatan positif, mereka saling tolak. Neutron, yang netral secara listrik, menstabilkan nukleus dalam dua cara. Kontak mereka mendorong proton mundur sedikit, mengurangi tolakan elektrostatik antara proton, dan mereka mengerahkan gaya nuklir yang menarik satu sama lain dan pada proton. Untuk alasan ini, satu atau lebih neutron diperlukan untuk dua atau lebih proton untuk mengikat nukleus. Dengan bertambahnya jumlah proton, demikian juga rasio neutron terhadap proton yang dibutuhkan untuk menyediakan inti yang stabil (lihat grafik di sebelah kanan). Misalnya, walaupun perbandingan neutron : proton 3 2 He adalah 1:2, perbandingan neutron : proton 238 92 U
Lebih dari 3:2. Sejumlah unsur yang lebih ringan memiliki nuklida yang stabil dengan perbandingan 1:1 (Z = N). Nuklida 40 20 Ca (kalsium-40) adalah nuklida stabil terberat yang dapat diamati dengan jumlah neutron dan proton yang sama; (Secara teoritis, kandang terberat adalah belerang-32). Semua nuklida stabil yang lebih berat dari kalsium-40 mengandung lebih banyak neutron daripada proton.

Jumlah isotop per elemen

Dari 81 unsur dengan isotop stabil, jumlah isotop stabil terbesar yang dapat diamati untuk setiap unsur adalah sepuluh (untuk unsur timah). Tidak ada unsur yang memiliki sembilan isotop stabil. Xenon adalah satu-satunya elemen dengan delapan isotop stabil. Empat elemen memiliki tujuh isotop stabil, delapan di antaranya memiliki enam isotop stabil, sepuluh memiliki lima isotop stabil, sembilan memiliki empat isotop stabil, lima memiliki tiga isotop stabil, 16 memiliki dua isotop stabil, dan 26 elemen hanya memiliki satu (di antaranya 19 adalah yang disebut elemen mononuklida, yang memiliki satu isotop stabil primordial tunggal yang mendominasi dan memperbaiki berat atom elemen alam dengan presisi tinggi, 3 elemen mononuklida radioaktif juga ada). Total ada 254 nuklida yang belum teramati meluruh. Untuk 80 unsur yang memiliki satu atau lebih isotop stabil, jumlah rata-rata isotop stabil adalah 254/80 = 3,2 isotop per unsur.

Jumlah nukleon genap dan ganjil

Proton: Rasio neutron bukan satu-satunya faktor yang mempengaruhi stabilitas nuklir. Itu juga tergantung pada paritas atau keanehan nomor atomnya Z, jumlah neutron N, maka jumlah nomor massanya A. Ganjil Z dan N cenderung menurunkan energi ikat inti, menciptakan inti ganjil yang umumnya kurang stabil . Perbedaan signifikan dalam energi ikat nuklir antara inti tetangga, terutama isobar ganjil, memiliki konsekuensi penting: isotop yang tidak stabil dengan jumlah neutron atau proton yang kurang optimal peluruhan oleh peluruhan beta (termasuk peluruhan positron), penangkapan elektron, atau cara eksotis lainnya seperti fisi spontan dan pembusukan.

Nuklida yang paling stabil adalah jumlah proton genap dan jumlah neutron genap, di mana Z, N, dan A semuanya genap. Nuklida stabil ganjil dibagi (kurang lebih merata) menjadi ganjil.

nomor atom

148 nuklida genap proton, genap neutron (EE) membentuk ~58% dari semua nuklida stabil. Ada juga 22 nuklida genap berumur panjang primordial. Akibatnya, masing-masing dari 41 elemen genap dari 2 hingga 82 memiliki setidaknya satu isotop stabil, dan sebagian besar elemen ini memiliki banyak isotop primer. Setengah dari elemen genap ini memiliki enam atau lebih isotop stabil. Stabilitas helium-4 yang ekstrim, karena ikatan biner dua proton dan dua neutron, mencegah nuklida yang mengandung lima atau delapan nukleon dari yang ada cukup lama untuk berfungsi sebagai platform untuk akumulasi unsur-unsur yang lebih berat melalui fusi nuklir.

53 nuklida stabil ini memiliki jumlah proton genap dan jumlah neutron ganjil. Mereka adalah minoritas dibandingkan dengan isotop genap, yang jumlahnya sekitar 3 kali lipat. Di antara 41 unsur Z genap yang memiliki nuklida stabil, hanya dua unsur (argon dan serium) yang tidak memiliki nuklida stabil genap ganjil. Satu elemen (timah) memiliki tiga. Ada 24 unsur yang memiliki satu nuklida genap ganjil dan 13 unsur yang memiliki dua nuklida genap ganjil.

Karena jumlah neutron ganjilnya, nuklida genap ganjil cenderung memiliki penampang penangkapan neutron yang besar karena energi yang berasal dari efek kopling neutron. Nuklida stabil ini mungkin sangat berlimpah di alam, terutama karena untuk membentuk dan masuk ke dalam kelimpahan primordial, nuklida tersebut harus lolos dari penangkapan neutron untuk membentuk isotop ganjil genap stabil lainnya selama proses s dan r adalah proses penangkapan neutron selama nukleosintesis.

nomor atom ganjil

48 nuklida proton ganjil dan nuklida genap stabil, distabilkan oleh jumlah pasangan neutron genap, membentuk mayoritas isotop stabil unsur ganjil; Sangat sedikit nuklida neutron ganjil-proton-ganjil yang menyusun yang lain. Ada 41 unsur ganjil dari Z = 1 sampai 81, dimana 39 di antaranya memiliki isotop stabil (unsur teknesium (43 Tc) dan prometium (61 Pm) tidak memiliki isotop stabil). Dari 39 unsur Z ganjil ini, 30 unsur (termasuk hidrogen-1, di mana 0 neutron genap) memiliki satu isotop genap ganjil yang stabil, dan sembilan unsur: klorin (17 Cl), kalium (19K), tembaga (29 Cu), galium (31 Ga), Brom (35 Br), perak (47 Ag), antimon (51 Sb), iridium (77 Ir) dan talium (81 Tl) masing-masing memiliki dua isotop stabil ganjil-genap. Jadi, diperoleh 30 + 2 (9) = 48 isotop genap yang stabil.

Hanya lima nuklida stabil yang mengandung jumlah proton ganjil dan jumlah neutron ganjil. Empat nuklida "ganjil-ganjil" pertama terjadi pada nuklida dengan berat molekul rendah, di mana perubahan dari proton menjadi neutron atau sebaliknya akan menghasilkan rasio proton-neutron yang sangat miring.

Satu-satunya nuklida yang benar-benar "stabil", ganjil-ganjil adalah 180m 73 Ta, yang dianggap paling langka dari 254 isotop stabil dan merupakan satu-satunya isomer nuklir primordial yang belum teramati meluruh, meskipun ada upaya eksperimental.

Jumlah neutron ganjil

Aktinida dengan jumlah neutron ganjil cenderung melakukan fisi (dengan neutron termal), sedangkan aktinida dengan jumlah neutron genap cenderung tidak, meskipun mereka melakukan fisi menjadi neutron cepat. Semua nuklida ganjil-ganjil yang stabil secara pengamatan memiliki spin bilangan bulat bukan nol. Ini karena neutron tunggal yang tidak berpasangan dan proton yang tidak berpasangan memiliki gaya tarik nuklir yang lebih besar satu sama lain jika putarannya sejajar (menghasilkan putaran total minimal 1 unit) daripada sejajar.

Kejadian di alam

Unsur terdiri dari satu atau lebih isotop alami. Isotop (radioaktif) yang tidak stabil adalah yang utama atau pasca-contoh. Isotop asli adalah produk nukleosintesis bintang, atau jenis nukleosintesis lain seperti pemisahan sinar kosmik, dan telah bertahan hingga saat ini karena laju peluruhannya sangat lambat (misalnya uranium-238 dan kalium-40). Isotop pasca-alam telah diciptakan oleh pemboman sinar kosmik sebagai nuklida kosmogenik (misalnya tritium, karbon-14) atau peluruhan isotop primordial radioaktif menjadi putri nuklida radiogenik radioaktif (misalnya uranium menjadi radium). Beberapa isotop secara alami disintesis sebagai nuklida nukleogenik oleh reaksi nuklir alami lainnya, seperti ketika neutron dari fisi nuklir alami diserap oleh atom lain.

Seperti dibahas di atas, hanya 80 elemen yang memiliki isotop stabil, dan 26 di antaranya hanya memiliki satu isotop stabil. Jadi, sekitar dua pertiga dari unsur stabil terjadi secara alami di Bumi dalam beberapa isotop stabil, dengan jumlah isotop stabil tertinggi untuk suatu unsur adalah sepuluh, untuk timah (50Sn). Sekitar 94 elemen ada di Bumi (hingga dan termasuk plutonium), meskipun beberapa hanya ditemukan dalam jumlah yang sangat kecil, seperti plutonium-244. Para ilmuwan percaya bahwa unsur-unsur yang terjadi secara alami di Bumi (beberapa hanya sebagai radioisotop) terjadi sebagai 339 isotop (nuklida) secara total. Hanya 254 dari isotop alami yang stabil dalam arti bahwa mereka belum diamati sampai saat ini. Tambahan 35 nuklida primordial (total 289 nuklida primordial) bersifat radioaktif dengan waktu paruh yang diketahui, tetapi memiliki waktu paruh lebih dari 80 juta tahun, memungkinkan mereka ada sejak awal tata surya.

Semua isotop stabil yang diketahui secara alami terjadi di Bumi; Isotop alami lainnya bersifat radioaktif, tetapi karena waktu paruhnya yang relatif lama, atau karena metode produksi alami lainnya yang berkelanjutan. Ini termasuk nuklida kosmogenik yang disebutkan di atas, nuklida nukleogenik, dan setiap isotop radiogenik yang dihasilkan dari peluruhan lanjutan dari isotop radioaktif primer seperti radon dan radium dari uranium.

~3000 isotop radioaktif lainnya yang tidak ditemukan di alam telah dibuat dalam reaktor nuklir dan akselerator partikel. Banyak isotop berumur pendek yang tidak ditemukan secara alami di Bumi juga telah diamati dengan analisis spektroskopi yang dibuat secara alami di bintang atau supernova. Contohnya adalah aluminium-26, yang tidak terjadi secara alami di Bumi, tetapi ditemukan berlimpah dalam skala astronomi.

Massa atom yang ditabulasi dari unsur-unsur adalah rata-rata yang menjelaskan keberadaan beberapa isotop dengan massa yang berbeda. Sebelum penemuan isotop, nilai-nilai non-integrasi yang ditentukan secara empiris untuk massa atom membingungkan para ilmuwan. Misalnya, sampel klorin mengandung 75,8% klorin-35 dan 24,2% klorin-37, memberikan massa atom rata-rata 35,5 satuan massa atom.

Menurut teori kosmologi yang diterima secara umum, hanya isotop hidrogen dan helium, jejak beberapa isotop litium dan berilium, dan mungkin beberapa boron, yang diciptakan dalam Big Bang, dan semua isotop lainnya disintesis kemudian, di bintang dan supernova. , serta dalam interaksi antara partikel energik , seperti sinar kosmik, dan isotop yang diperoleh sebelumnya. Kelimpahan isotop yang sesuai dari isotop di Bumi disebabkan oleh jumlah yang dihasilkan oleh proses ini, perambatannya melalui galaksi, dan laju peluruhan isotop, yang tidak stabil. Setelah penggabungan awal tata surya, isotop didistribusikan kembali menurut massanya, dan komposisi isotop unsur-unsurnya sedikit berbeda dari planet ke planet. Hal ini terkadang memungkinkan untuk melacak asal usul meteorit.

Massa atom isotop

Massa atom (mr) suatu isotop ditentukan terutama oleh nomor massanya (yaitu, jumlah nukleon dalam intinya). Koreksi kecil disebabkan oleh energi ikat inti, perbedaan kecil massa antara proton dan neutron, dan massa elektron yang terkait dengan atom.

nomor massa adalah besaran tak berdimensi. Massa atom, di sisi lain, diukur menggunakan satuan massa atom, berdasarkan massa atom karbon-12. Ini dilambangkan dengan simbol "u" ​​(untuk satuan massa atom terpadu) atau "Da" (untuk dalton).

Massa atom dari isotop alami suatu unsur menentukan massa atom unsur tersebut. Ketika suatu unsur mengandung N isotop, persamaan di bawah ini berlaku untuk massa atom rata-rata:

Dimana m 1 , m 2 , …, mN adalah massa atom dari masing-masing isotop individu, dan x 1 , …, xN adalah kelimpahan relatif dari isotop ini.

Penerapan isotop

Ada beberapa aplikasi yang mengeksploitasi sifat-sifat berbagai isotop unsur tertentu. Pemisahan isotop merupakan masalah teknologi yang penting, terutama dengan unsur-unsur berat seperti uranium atau plutonium. Unsur yang lebih ringan seperti litium, karbon, nitrogen, dan oksigen biasanya dipisahkan dengan difusi gas dari senyawanya seperti CO dan NO. Pemisahan hidrogen dan deuterium tidak biasa karena didasarkan pada kimia daripada sifat fisik, seperti dalam proses sulfida Girdler. Isotop uranium telah dipisahkan berdasarkan volume dengan difusi gas, sentrifugasi gas, pemisahan ionisasi laser dan (dalam Proyek Manhattan) menurut jenis produksi spektrometri massa.

Penggunaan sifat kimia dan biologi

• Analisis isotop adalah penentuan tanda isotop, kelimpahan relatif isotop suatu unsur tertentu dalam sampel tertentu. Untuk nutrisi khususnya, variasi signifikan dalam isotop C, N dan O dapat terjadi.Analisis variasi tersebut memiliki berbagai aplikasi, seperti deteksi pemalsuan dalam makanan atau asal geografis makanan menggunakan isoscapes. Identifikasi beberapa meteorit yang berasal dari Mars sebagian didasarkan pada tanda isotop dari jejak gas yang dikandungnya.
• Substitusi isotop dapat digunakan untuk menentukan mekanisme reaksi kimia melalui efek kinetik isotop.
• Aplikasi umum lainnya adalah pelabelan isotop, penggunaan isotop yang tidak biasa sebagai pelacak atau penanda dalam reaksi kimia. Biasanya atom dari unsur tertentu tidak dapat dibedakan satu sama lain. Namun, dengan menggunakan isotop dengan massa yang berbeda, bahkan isotop stabil non-radioaktif yang berbeda dapat dibedakan menggunakan spektrometri massa atau spektroskopi inframerah. Misalnya, dalam "Pelabelan Isotop Stabil Asam Amino dalam Kultur Sel" (SILAC), isotop stabil digunakan untuk mengukur protein. Jika isotop radioaktif digunakan, mereka dapat dideteksi oleh radiasi yang dipancarkannya (ini disebut penandaan radioisotop).
• Isotop biasanya digunakan untuk menentukan konsentrasi berbagai unsur atau zat menggunakan metode pengenceran isotop, di mana sejumlah senyawa yang tersubstitusi secara isotop dicampur dengan sampel dan karakteristik isotop dari campuran yang dihasilkan ditentukan dengan menggunakan spektrometri massa.

Menggunakan sifat nuklir

• Metode yang mirip dengan penandaan radioisotop adalah penanggalan radiometrik: dengan menggunakan waktu paruh yang diketahui dari elemen yang tidak stabil, seseorang dapat menghitung waktu yang berlalu sejak keberadaan konsentrasi isotop yang diketahui. Contoh yang paling banyak dikenal adalah penanggalan radiokarbon, yang digunakan untuk menentukan umur bahan berkarbon.
• Beberapa bentuk spektroskopi didasarkan pada sifat nuklir unik dari isotop tertentu, baik radioaktif maupun stabil. Misalnya, spektroskopi resonansi magnetik nuklir (NMR) hanya dapat digunakan untuk isotop dengan putaran nuklir bukan nol. Isotop yang paling umum digunakan dalam spektroskopi NMR adalah 1 H, 2 D, 15 N, 13 C, dan 31 P.
• Spektroskopi Mössbauer juga bergantung pada transisi nuklir isotop tertentu seperti 57 Fe.