დადგენილია, რომ ბუნებაში ნაპოვნი ყველა ქიმიური ელემენტი არის იზოტოპების ნაზავი (აქედან გამომდინარე, მათ აქვთ წილადი ატომური მასები). იმის გასაგებად, თუ როგორ განსხვავდებიან იზოტოპები ერთმანეთისგან, აუცილებელია დეტალურად განვიხილოთ ატომის სტრუქტურა. ატომი ქმნის ბირთვს და ელექტრონულ ღრუბელს. ატომის მასაზე გავლენას ახდენს ელექტრონები, რომლებიც მოძრაობენ შემაძრწუნებელი სიჩქარით ორბიტებზე ელექტრონის ღრუბელში, ნეიტრონები და პროტონები, რომლებიც ქმნიან ბირთვს.

რა არის იზოტოპები

იზოტოპებიქიმიური ელემენტის ატომის ტიპი. ნებისმიერ ატომში ყოველთვის არის ელექტრონების და პროტონების თანაბარი რაოდენობა. ვინაიდან მათ აქვთ საპირისპირო მუხტები (ელექტრონები უარყოფითია, პროტონები კი დადებითი), ატომი ყოველთვის ნეიტრალურია (ეს ელემენტარული ნაწილაკი არ ატარებს მუხტს, ის ნულის ტოლია). როდესაც ელექტრონი იკარგება ან იტაცებს, ატომი კარგავს ნეიტრალიტეტს და ხდება უარყოფითი ან დადებითი იონი.
ნეიტრონებს არ აქვთ მუხტი, მაგრამ მათი რიცხვი ერთი და იგივე ელემენტის ატომურ ბირთვში შეიძლება განსხვავებული იყოს. ეს არ მოქმედებს ატომის ნეიტრალიტეტზე, მაგრამ გავლენას ახდენს მის მასაზე და თვისებებზე. მაგალითად, წყალბადის ატომის თითოეულ იზოტოპს აქვს თითო ელექტრონი და თითო პროტონი. და ნეიტრონების რაოდენობა განსხვავებულია. პროტიუმს აქვს მხოლოდ 1 ნეიტრონი, დეიტერიუმს აქვს 2 ნეიტრონი, ხოლო ტრიტიუმს აქვს 3 ნეიტრონი. ეს სამი იზოტოპი მკვეთრად განსხვავდება ერთმანეთისგან თვისებებით.

იზოტოპების შედარება

რით განსხვავდება იზოტოპები? მათ აქვთ ნეიტრონების განსხვავებული რაოდენობა, განსხვავებული მასა და განსხვავებული თვისებები. იზოტოპებს აქვთ ელექტრონული გარსების იდენტური სტრუქტურა. ეს ნიშნავს, რომ ისინი საკმაოდ მსგავსია ქიმიური თვისებებით. ამიტომ მათ პერიოდულ სისტემაში ერთი ადგილი ენიჭებათ.
ბუნებაში ნაპოვნია სტაბილური და რადიოაქტიური (არასტაბილური) იზოტოპები. რადიოაქტიური იზოტოპების ატომების ბირთვებს შეუძლიათ სპონტანურად გარდაიქმნას სხვა ბირთვებად. რადიოაქტიური დაშლის პროცესში ისინი ასხივებენ სხვადასხვა ნაწილაკებს.
ელემენტების უმეტესობას აქვს ორ ათეულზე მეტი რადიოაქტიური იზოტოპი. გარდა ამისა, რადიოაქტიური იზოტოპები ხელოვნურად სინთეზირებულია აბსოლუტურად ყველა ელემენტისთვის. იზოტოპების ბუნებრივ ნარევში მათი შემცველობა ოდნავ იცვლება.
იზოტოპების არსებობამ შესაძლებელი გახადა იმის გაგება, თუ რატომ აქვთ, ზოგიერთ შემთხვევაში, უფრო დაბალი ატომური მასის ელემენტებს უფრო მაღალი სერიული ნომერი, ვიდრე უფრო დიდი ატომური მასის ელემენტებს. მაგალითად, არგონ-კალიუმის წყვილში არგონი მოიცავს მძიმე იზოტოპებს, ხოლო კალიუმი მოიცავს მსუბუქ იზოტოპებს. ამიტომ, არგონის მასა კალიუმის მასაზე მეტია.

ImGist-მა დაადგინა, რომ იზოტოპებს შორის განსხვავება შემდეგია:

მათ აქვთ სხვადასხვა რაოდენობის ნეიტრონები.
იზოტოპებს აქვთ ატომების სხვადასხვა მასა.
იონების ატომების მასის მნიშვნელობა გავლენას ახდენს მათ მთლიან ენერგიასა და თვისებებზე.

გარკვეული ელემენტი, რომელსაც აქვს იგივე, მაგრამ განსხვავებული. ფლობენ ბირთვებს ერთნაირი რაოდენობის და განსხვავებული. რიცხვი, აქვს ელექტრონული გარსების ერთნაირი სტრუქტურა და პერიოდულში ერთი და იგივე ადგილი უკავია. ქიმიური სისტემა. ელემენტები. ტერმინი „იზოტოპები“ 1910 წელს შემოგვთავაზა ფ. სოდიმ, რათა აღენიშნათ ქიმიურად განურჩეველი ჯიშები, რომლებიც განსხვავდებიან მათი ფიზიკური თვალსაზრისით. (პირველ რიგში რადიოაქტიური) წმ. სტაბილური იზოტოპები პირველად 1913 წელს ჯ.ტომსონმა აღმოაჩინა ე.წ. პარაბოლების მეთოდი - თანამედროვეს პროტოტიპი. . მან აღმოაჩინა, რომ ნეს აქვს მინიმუმ 2 ჯიში wt. 20 და 22 საათი. იზოტოპების სახელები და სიმბოლოები, როგორც წესი, შესაბამისი ქიმიის სახელები და სიმბოლოებია. ელემენტები; მიუთითეთ სიმბოლოს ზედა მარცხენა მხარეს. მაგალითად, ბუნების დანიშვნა. იზოტოპები იყენებენ რეკორდს 35 Cl და 37 C1; ზოგჯერ ელემენტი ასევე მითითებულია ქვედა მარცხნივ, ე.ი. დაწერეთ 35 17 Cl და 37 17 Cl. მხოლოდ ყველაზე მსუბუქი ელემენტის, წყალბადის იზოტოპები, wt. 1, 2 და 3 ნაწილებს აქვთ სპეციალური. სახელები და სიმბოლოები: (1 1 H), (D, ან 2 1 H) და (T, ან 3 1 H), შესაბამისად. მასების დიდი სხვაობის გამო, ამ იზოტოპების ქცევა მნიშვნელოვნად განსხვავდება (იხ., ). სტაბილური იზოტოპები გვხვდება ყველა ლუწი და ყველაზე კენტ ელემენტებში[ 83. ლუწი რიცხვების მქონე ელემენტების სტაბილური იზოტოპების რაოდენობა შეიძლება იყოს. უდრის 10-ს (მაგ. y); კენტი რიცხვების მქონე ელემენტებს აქვთ მაქსიმუმ ორი სტაბილური იზოტოპი. ცნობილი დაახლ. 280 სტაბილური და 2000-ზე მეტი რადიოაქტიური იზოტოპი 116 ბუნებრივ და ხელოვნურად მიღებულ ელემენტში. თითოეული ელემენტისთვის, ბუნებაში ინდივიდუალური იზოტოპების შემცველობა. ნარევი განიცდის მცირე რყევებს, რაც ხშირად შეიძლება უგულებელყო. მეტი საშუალება. იზოტოპური შემადგენლობის რყევები შეინიშნება მეტეორიტებზე და სხვა ციურ სხეულებზე. იზოტოპური შემადგენლობის მუდმივობა იწვევს დედამიწაზე ნაპოვნი ელემენტების მუდმივობას, რაც არის მოცემული ელემენტის მასის საშუალო მნიშვნელობა, ნაპოვნი ბუნებაში იზოტოპების სიმრავლის გათვალისწინებით. მსუბუქი ელემენტების იზოტოპური შემადგენლობის რყევები, როგორც წესი, დაკავშირებულია დაშლის დროს იზოტოპური შემადგენლობის ცვლილებასთან. ბუნებაში მიმდინარე პროცესები ( და ა.შ.). მძიმე ელემენტისთვის Pb, სხვადასხვა ნიმუშების იზოტოპური შემადგენლობის რყევები აიხსნება დეკომპ. შინაარსი და სხვა წყაროები და - ბუნების დამფუძნებლები. . მოცემული ელემენტის იზოტოპებში განსხვავებები ქ. . მნიშვნელოვანი პრაქტიკული ამოცანაა ბუნებისგან მიღება. ინდივიდუალური იზოტოპების ნარევები -

რადიოაქტიური ელემენტების თვისებების შესწავლისას დადგინდა, რომ სხვადასხვა ბირთვული მასის მქონე ატომები გვხვდება იმავე ქიმიურ ელემენტში. ამავდროულად, მათ აქვთ იგივე ბირთვული მუხტი, ანუ ეს არ არის მესამე მხარის ნივთიერებების მინარევები, არამედ იგივე ნივთიერება.

რა არის იზოტოპები და რატომ არსებობენ ისინი

მენდელეევის პერიოდულ სისტემაში, როგორც მოცემული ელემენტი, ასევე ბირთვის განსხვავებული მასის მქონე ნივთიერების ატომები ერთ უჯრედს იკავებს. ზემოაღნიშნულიდან გამომდინარე, ერთი და იმავე ნივთიერების ასეთ ჯიშებს მიენიჭათ სახელწოდება „იზოტოპები“ (ბერძნულიდან isos - იგივე და ტოპოსი - ადგილი). Ისე, იზოტოპები- ეს არის მოცემული ქიმიური ელემენტის ჯიშები, რომლებიც განსხვავდება ატომის ბირთვების მასით.

ბირთვის მიღებული ნეიტრონო-პროტონული მოდელის მიხედვით, იზოტოპების არსებობა ასე აიხსნებოდა: მატერიის ზოგიერთი ატომის ბირთვი შეიცავს სხვადასხვა რაოდენობის ნეიტრონებს, მაგრამ პროტონების იგივე რაოდენობას. სინამდვილეში, ერთი ელემენტის იზოტოპების ბირთვული მუხტი იგივეა, შესაბამისად, ბირთვში პროტონების რაოდენობა იგივეა. ბირთვები განსხვავდება მასით, შესაბამისად, ისინი შეიცავს სხვადასხვა რაოდენობის ნეიტრონებს.

სტაბილური და არასტაბილური იზოტოპები

იზოტოპები ან სტაბილურია ან არასტაბილური. დღეისათვის ცნობილია დაახლოებით 270 სტაბილური იზოტოპი და 2000-ზე მეტი არასტაბილური. სტაბილური იზოტოპები- ეს არის ქიმიური ელემენტების ჯიშები, რომლებიც შეიძლება დამოუკიდებლად არსებობდეს დიდი ხნის განმავლობაში.

უმეტესობა არასტაბილური იზოტოპებიხელოვნურად იქნა მიღებული. არასტაბილური იზოტოპები რადიოაქტიურია, მათი ბირთვები ექვემდებარება რადიოაქტიური დაშლის პროცესს, ანუ სპონტანურ ტრანსფორმაციას სხვა ბირთვებად, რასაც თან ახლავს ნაწილაკების და/ან გამოსხივება. თითქმის ყველა რადიოაქტიურ ხელოვნურ იზოტოპს აქვს ძალიან მოკლე ნახევარგამოყოფის პერიოდი, რომელიც იზომება წამებში და თუნდაც წამების ნაწილებში.

რამდენ იზოტოპს შეიძლება შეიცავდეს ბირთვი

ბირთვი არ შეიძლება შეიცავდეს ნეიტრონების თვითნებურ რაოდენობას. შესაბამისად, იზოტოპების რაოდენობა შეზღუდულია. პროტონების რაოდენობაშიც კიელემენტები, სტაბილური იზოტოპების რაოდენობამ შეიძლება მიაღწიოს ათს. მაგალითად, კალას აქვს 10 იზოტოპი, ქსენონს აქვს 9, ვერცხლისწყალს აქვს 7 და ა.შ.

იმ ელემენტების პროტონების რაოდენობა უცნაურია, შეიძლება ჰქონდეს მხოლოდ ორი სტაბილური იზოტოპი. ზოგიერთ ელემენტს აქვს მხოლოდ ერთი სტაბილური იზოტოპი. ეს არის ნივთიერებები, როგორიცაა ოქრო, ალუმინი, ფოსფორი, ნატრიუმი, მანგანუმი და სხვა. სხვადასხვა ელემენტისთვის სტაბილური იზოტოპების რაოდენობის ასეთი ცვალებადობა დაკავშირებულია პროტონებისა და ნეიტრონების რაოდენობის კომპლექსურ დამოკიდებულებასთან ბირთვის შეკვრის ენერგიაზე.

ბუნებაში თითქმის ყველა ნივთიერება არსებობს იზოტოპების ნარევის სახით. ნივთიერების შემადგენლობაში იზოტოპების რაოდენობა დამოკიდებულია ნივთიერების ტიპზე, ატომურ მასაზე და მოცემული ქიმიური ელემენტის სტაბილური იზოტოპების რაოდენობაზე.

ალბათ, დედამიწაზე არ არსებობს ისეთი ადამიანი, ვისაც არ გაეგო იზოტოპების შესახებ. მაგრამ ყველამ არ იცის რა არის. განსაკუთრებით საშინლად ჟღერს ფრაზა „რადიოაქტიური იზოტოპები“. ეს ბუნდოვანი ქიმიური ელემენტები აშინებს კაცობრიობას, მაგრამ სინამდვილეში ისინი არ არიან ისეთი საშინელი, როგორც ერთი შეხედვით შეიძლება ჩანდეს.

განმარტება

რადიოაქტიური ელემენტების ცნების გასაგებად, ჯერ უნდა ითქვას, რომ იზოტოპები არის ერთი და იგივე ქიმიური ელემენტის ნიმუშები, მაგრამ განსხვავებული მასით. Რას ნიშნავს? კითხვები გაქრება, თუ პირველად გავიხსენებთ ატომის სტრუქტურას. იგი შედგება ელექტრონების, პროტონებისა და ნეიტრონებისგან. ატომის ბირთვში პირველი ორი ელემენტარული ნაწილაკების რაოდენობა ყოველთვის მუდმივია, ხოლო ნეიტრონები, რომლებსაც აქვთ საკუთარი მასა, შეიძლება აღმოჩნდნენ ერთსა და იმავე ნივთიერებაში სხვადასხვა რაოდენობით. ეს გარემოება წარმოშობს სხვადასხვა ფიზიკური თვისებების მქონე ქიმიურ ელემენტებს.

ახლა ჩვენ შეგვიძლია მივცეთ შესწავლილი კონცეფციის მეცნიერული განმარტება. ასე რომ, იზოტოპები არის ქიმიური ელემენტების კუმულაციური ნაკრები, რომლებიც მსგავსია თვისებებით, მაგრამ აქვთ განსხვავებული მასები და ფიზიკური თვისებები. უფრო თანამედროვე ტერმინოლოგიის მიხედვით, მათ ქიმიური ელემენტის ნუკლეოტიდების გალაქტიკას უწოდებენ.

ცოტა ისტორია

გასული საუკუნის დასაწყისში მეცნიერებმა აღმოაჩინეს, რომ ერთსა და იმავე ქიმიურ ნაერთს სხვადასხვა პირობებში შეიძლება ჰქონდეს სხვადასხვა მასის ელექტრონული ბირთვი. წმინდა თეორიული თვალსაზრისით, ასეთი ელემენტები შეიძლება ჩაითვალოს ახალად და დაიწყონ დ.მენდელეევის პერიოდულ სისტემაში ცარიელი უჯრედების შევსება. მაგრამ მასში მხოლოდ ცხრა თავისუფალი უჯრედია და მეცნიერებმა ათობით ახალი ელემენტი აღმოაჩინეს. გარდა ამისა, მათემატიკურმა გამოთვლებმა აჩვენა, რომ აღმოჩენილი ნაერთები არ შეიძლება ჩაითვალოს მანამდე უცნობი, რადგან მათი ქიმიური თვისებები სრულად შეესაბამებოდა არსებულის მახასიათებლებს.

ხანგრძლივი დისკუსიების შემდეგ, გადაწყდა, რომ ამ ელემენტებს ეწოდოს იზოტოპები და განთავსდეს ისინი იმავე უჯრედში, სადაც მათ ბირთვები შეიცავს ელექტრონების იგივე რაოდენობას. მეცნიერებმა შეძლეს დაედგინათ, რომ იზოტოპები ქიმიური ელემენტების მხოლოდ რამდენიმე ვარიაციაა. თუმცა, მათი წარმოშობის მიზეზები და სიცოცხლის ხანგრძლივობა თითქმის ერთი საუკუნის განმავლობაში იყო შესწავლილი. 21-ე საუკუნის დასაწყისშიც კი შეუძლებელია იმის მტკიცება, რომ კაცობრიობამ იზოტოპების შესახებ აბსოლუტურად ყველაფერი იცის.

მუდმივი და არასტაბილური ვარიაციები

თითოეულ ქიმიურ ელემენტს აქვს რამდენიმე იზოტოპი. იმის გამო, რომ მათ ბირთვებში არის თავისუფალი ნეიტრონები, ისინი ყოველთვის არ შედიან სტაბილურ კავშირში ატომის დანარჩენ ნაწილთან. გარკვეული პერიოდის შემდეგ, თავისუფალი ნაწილაკები ტოვებენ ბირთვს, რაც ცვლის მის მასას და ფიზიკურ თვისებებს. ასე იქმნება სხვა იზოტოპები, რაც საბოლოოდ იწვევს ნივთიერების წარმოქმნას პროტონების, ნეიტრონების და ელექტრონების თანაბარი რაოდენობით.

იმ ნივთიერებებს, რომლებიც ძალიან სწრაფად იშლება, რადიოაქტიური იზოტოპები ეწოდება. ისინი ათავისუფლებენ დიდი რაოდენობით ნეიტრონებს კოსმოსში, ქმნიან ძლიერ მაიონებელ გამა გამოსხივებას, რომელიც ცნობილია თავისი ძლიერი შეღწევადობის უნარით, რაც უარყოფითად მოქმედებს ცოცხალ ორგანიზმებზე.

უფრო სტაბილური იზოტოპები არ არის რადიოაქტიური, რადგან მათ მიერ გამოთავისუფლებული თავისუფალი ნეიტრონების რაოდენობას არ შეუძლია გამოამუშაოს რადიაცია და მნიშვნელოვნად იმოქმედოს სხვა ატომებზე.

საკმაოდ დიდი ხნის წინ, მეცნიერებმა დაადგინეს ერთი მნიშვნელოვანი ნიმუში: თითოეულ ქიმიურ ელემენტს აქვს საკუთარი იზოტოპები, მდგრადი ან რადიოაქტიური. საინტერესოა, რომ ბევრი მათგანი იქნა მიღებული ლაბორატორიაში და მათი ბუნებრივი სახით ყოფნა მცირეა და ყოველთვის არ არის დაფიქსირებული ინსტრუმენტებით.

გავრცელება ბუნებაში

ბუნებრივ პირობებში ყველაზე ხშირად გვხვდება ნივთიერებები, რომელთა იზოტოპური მასა პირდაპირ განისაზღვრება დ.მენდელეევის ცხრილში მისი რიგითი რიცხვით. მაგალითად, წყალბადს, რომელიც აღინიშნება H სიმბოლოთი, აქვს სერიული ნომერი 1 და მისი მასა უდრის ერთს. მისი იზოტოპები, 2H და 3H, ბუნებაში ძალზე იშვიათია.

ადამიანის სხეულსაც კი აქვს რადიოაქტიური იზოტოპების გარკვეული რაოდენობა. ისინი საკვების მეშვეობით ხვდებიან ნახშირბადის იზოტოპების სახით, რომელიც, თავის მხრივ, მცენარეები შეიწოვება ნიადაგიდან ან ჰაერიდან და გადადის ორგანული ნივთიერებების შემადგენლობაში ფოტოსინთეზის დროს. მაშასადამე, როგორც ადამიანი, ასევე ცხოველები და მცენარეები ასხივებენ გარკვეულ რადიაციულ ფონს. მხოლოდ ის იმდენად დაბალია, რომ ხელს არ უშლის ნორმალურ ფუნქციონირებასა და ზრდას.

წყაროები, რომლებიც ხელს უწყობენ იზოტოპების ფორმირებას, არის დედამიწის ბირთვის შიდა ფენები და გარე კოსმოსური გამოსხივება.

მოგეხსენებათ, პლანეტის ტემპერატურა დიდწილად დამოკიდებულია მის ცხელ ბირთვზე. მაგრამ სულ ახლახან გაირკვა, რომ ამ სითბოს წყარო რთული თერმობირთვული რეაქციაა, რომელშიც რადიოაქტიური იზოტოპები მონაწილეობენ.

იზოტოპის დაშლა

ვინაიდან იზოტოპები არასტაბილური წარმონაქმნებია, შეიძლება ვივარაუდოთ, რომ დროთა განმავლობაში ისინი ყოველთვის იშლება ქიმიური ელემენტების უფრო მუდმივ ბირთვებად. ეს განცხადება მართალია, რადგან მეცნიერებმა ვერ შეძლეს ბუნებაში რადიოაქტიური იზოტოპების უზარმაზარი რაოდენობის აღმოჩენა. და მათი უმეტესობა, რომლებიც დანაღმული იყო ლაბორატორიებში, გაგრძელდა რამდენიმე წუთიდან რამდენიმე დღემდე, შემდეგ კი დაუბრუნდა ჩვეულებრივ ქიმიურ ელემენტებს.

მაგრამ ბუნებაში ასევე არსებობს იზოტოპები, რომლებიც ძალიან მდგრადია დაშლის მიმართ. მათ შეუძლიათ იარსებონ მილიარდობით წლის განმავლობაში. ასეთი ელემენტები წარმოიქმნება იმ შორეულ დროში, როდესაც დედამიწა ჯერ კიდევ ყალიბდებოდა და მის ზედაპირზე მყარი ქერქიც კი არ იყო.

რადიოაქტიური იზოტოპები იშლება და ხელახლა წარმოიქმნება ძალიან სწრაფად. ამიტომ, იზოტოპის სტაბილურობის შეფასების გასაადვილებლად, მეცნიერებმა გადაწყვიტეს განეხილათ მისი ნახევარგამოყოფის კატეგორია.

Ნახევარი ცხოვრება

შეიძლება ყველა მკითხველისთვის დაუყოვნებლივ არ იყოს ნათელი, თუ რას გულისხმობს ეს კონცეფცია. მოდით განვსაზღვროთ. იზოტოპის ნახევარგამოყოფის პერიოდი არის დრო, რომლის დროსაც აღებული ნივთიერების პირობითი ნახევარი წყვეტს არსებობას.

ეს არ ნიშნავს იმას, რომ დანარჩენი კავშირი განადგურდება იმავე დროში. ამ ნახევართან დაკავშირებით აუცილებელია განიხილოს სხვა კატეგორია - დროის პერიოდი, რომლის განმავლობაშიც გაქრება მისი მეორე ნაწილი, ანუ ნივთიერების საწყისი რაოდენობის მეოთხედი. და ეს განხილვა გრძელდება უსასრულოდ. შეიძლება ვივარაუდოთ, რომ უბრალოდ შეუძლებელია მატერიის საწყისი რაოდენობის სრული დაშლის დროის გამოთვლა, რადგან ეს პროცესი პრაქტიკულად გაუთავებელია.

თუმცა, მეცნიერებს, რომლებმაც იციან ნახევრადგამოყოფის პერიოდი, შეუძლიათ დაადგინონ, რამდენი ნივთიერება არსებობდა დასაწყისში. ეს მონაცემები წარმატებით გამოიყენება დაკავშირებულ მეცნიერებებში.

თანამედროვე სამეცნიერო სამყაროში სრული დაშლის კონცეფცია პრაქტიკულად არ გამოიყენება. თითოეული იზოტოპისთვის ჩვეულებრივად არის მითითებული მისი ნახევარგამოყოფის პერიოდი, რომელიც მერყეობს რამდენიმე წამიდან მრავალ მილიარდ წლამდე. რაც უფრო დაბალია ნახევარგამოყოფის პერიოდი, მით მეტი გამოსხივება მოდის ნივთიერებიდან და მით უფრო მაღალია მისი რადიოაქტიურობა.

მინერალებით გამდიდრება

მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების ზოგიერთ დარგში რადიოაქტიური ნივთიერებების შედარებით დიდი რაოდენობით გამოყენება სავალდებულოდ ითვლება. მაგრამ ამავე დროს, ბუნებრივ პირობებში, ასეთი ნაერთები ძალიან ცოტაა.

ცნობილია, რომ იზოტოპები ქიმიური ელემენტების იშვიათი ვარიანტებია. მათი რაოდენობა იზომება ყველაზე მდგრადი ჯიშის რამდენიმე პროცენტით. ამიტომ მეცნიერებს სჭირდებათ ნამარხი მასალების ხელოვნურად გამდიდრება.

წლების განმავლობაში კვლევის შედეგად შესაძლებელი გახდა იმის გარკვევა, რომ იზოტოპის დაშლას თან ახლავს ჯაჭვური რეაქცია. ერთი ნივთიერების გამოთავისუფლებული ნეიტრონები იწყებენ გავლენას მეორეზე. ამის შედეგად მძიმე ბირთვები იშლება მსუბუქ ბირთვებად და მიიღება ახალი ქიმიური ელემენტები.

ამ ფენომენს ჯაჭვურ რეაქციას უწოდებენ, რის შედეგადაც მიიღება უფრო სტაბილური, მაგრამ ნაკლებად გავრცელებული იზოტოპები, რომლებიც მოგვიანებით გამოიყენება ეროვნულ ეკონომიკაში.

დაშლის ენერგიის გამოყენება

მეცნიერებმა ასევე დაადგინეს, რომ რადიოაქტიური იზოტოპის დაშლის დროს, დიდი რაოდენობით თავისუფალი ენერგია გამოიყოფა. მისი რაოდენობა ჩვეულებრივ იზომება კიურის ერთეულით, რაც უდრის 1 გ რადონ-222-ის დაშლის დროს 1 წამში. რაც უფრო მაღალია ეს მაჩვენებელი, მით მეტი ენერგია გამოიყოფა.

ეს იყო თავისუფალი ენერგიის გამოყენების გზების შემუშავების მიზეზი. ასე გაჩნდა ბირთვული რეაქტორები, რომლებშიც რადიოაქტიური იზოტოპია მოთავსებული. ენერგიის უმეტესი ნაწილი გროვდება და გარდაიქმნება ელექტროენერგიად. ამ რეაქტორებზე იქმნება ატომური ელექტროსადგურები, რომლებიც უზრუნველყოფენ ყველაზე იაფ ელექტროენერგიას. ასეთი რეაქტორების შემცირებული ვერსიები დაყენებულია თვითმავალ მექანიზმებზე. ავარიების საშიშროების გათვალისწინებით, ყველაზე ხშირად ასეთი მანქანები წყალქვეშა ნავებია. რეაქტორის უკმარისობის შემთხვევაში წყალქვეშა ნავზე მსხვერპლთა რიცხვის მინიმუმამდე დაყვანა უფრო ადვილი იქნება.

ნახევარგამოყოფის ენერგიის გამოყენების კიდევ ერთი ძალიან საშინელი ვარიანტია ატომური ბომბი. მეორე მსოფლიო ომის დროს ისინი კაცობრიობაზე გამოსცადეს იაპონიის ქალაქებში ჰიროშიმასა და ნაგასაკიში. შედეგები ძალიან სამწუხარო იყო. ამიტომ, მსოფლიოს აქვს შეთანხმება ამ საშიში იარაღის გამოუყენებლობის შესახებ. ამავდროულად, დიდი სახელმწიფოები, რომლებიც ორიენტირებულია მილიტარიზაციაზე, დღესაც აგრძელებენ კვლევას ამ ინდუსტრიაში. გარდა ამისა, ბევრი მათგანი, მსოფლიო საზოგადოებისგან ფარულად, აწარმოებს ატომურ ბომბებს, რომლებიც ათასობითჯერ უფრო საშიშია, ვიდრე იაპონიაში გამოყენებული.

იზოტოპები მედიცინაში

მშვიდობიანი მიზნებისთვის, რადიოაქტიური იზოტოპების დაშლამ ისწავლა გამოყენება მედიცინაში. სხეულის დაზიანებულ მხარეზე რადიაციის მიმართვით შესაძლებელია დაავადების მიმდინარეობის შეჩერება ან პაციენტის სრული გამოჯანმრთელება.

მაგრამ უფრო ხშირად რადიოაქტიური იზოტოპები გამოიყენება დიაგნოსტიკისთვის. საქმე იმაშია, რომ მათი მოძრაობა და კასეტური ბუნების დაფიქსირება ყველაზე ადვილია იმ გამოსხივებით, რომელსაც ისინი გამოიმუშავებენ. ამრიგად, რადიოაქტიური ნივთიერების გარკვეული არასაშიში რაოდენობა შეჰყავთ ადამიანის ორგანიზმში და ექიმები იყენებენ ინსტრუმენტებს იმის დასაკვირვებლად, თუ როგორ და სად ხვდება იგი.

ამრიგად, ტარდება ტვინის მუშაობის დიაგნოსტიკა, სიმსივნური სიმსივნეების ხასიათი, ენდოკრინული და გარე სეკრეციის ჯირკვლების მუშაობის თავისებურებები.

გამოყენება არქეოლოგიაში

ცნობილია, რომ ცოცხალ ორგანიზმებში ყოველთვის არის რადიოაქტიური ნახშირბადი-14, რომლის იზოტოპის ნახევარგამოყოფის პერიოდი 5570 წელია. გარდა ამისა, მეცნიერებმა იციან, რამდენს შეიცავს ეს ელემენტი სხეულში მისი გარდაცვალების მომენტამდე. ეს ნიშნავს, რომ ყველა მოჭრილი ხე გამოყოფს ერთნაირი რადიაციის რაოდენობას. დროთა განმავლობაში, რადიაციის ინტენსივობა მცირდება.

ეს ეხმარება არქეოლოგებს დაადგინონ, რამდენი ხნის წინ მოკვდა ხე, საიდანაც აშენდა გალერეა ან სხვა გემი და, შესაბამისად, მშენებლობის დრო. კვლევის ამ მეთოდს რადიოაქტიური ნახშირბადის ანალიზი ეწოდება. მისი წყალობით მეცნიერებს უადვილდებათ ისტორიული მოვლენების ქრონოლოგიის დადგენა.

იზოტოპები- ქიმიური ელემენტის ატომების (და ბირთვების) სახეობები, რომლებსაც აქვთ იგივე ატომური (რიგობითი) რიცხვი, მაგრამ განსხვავებული მასობრივი რიცხვები.

ტერმინი იზოტოპი წარმოიქმნება ბერძნული ფესვებიდან isos (ἴσος "თანაბარი") და topos (τόπος "ადგილი"), რაც ნიშნავს "იგივე ადგილს"; ამრიგად, სახელის მნიშვნელობა არის ის, რომ ერთი და იგივე ელემენტის სხვადასხვა იზოტოპები იკავებენ ერთსა და იმავე ადგილს პერიოდულ სისტემაში.

წყალბადის სამი ბუნებრივი იზოტოპი. ის ფაქტი, რომ თითოეულ იზოტოპს აქვს ერთი პროტონი, აქვს წყალბადის ვარიანტები: იზოტოპის იდენტურობა განისაზღვრება ნეიტრონების რაოდენობით. მარცხნიდან მარჯვნივ იზოტოპებია პროტიუმი (1H) ნულოვანი ნეიტრონით, დეიტერიუმი (2H) ერთი ნეიტრონით და ტრიტიუმი (3H) ორი ნეიტრონით.

ატომის ბირთვში პროტონების რაოდენობას ატომური რიცხვი ეწოდება და უდრის ნეიტრალურ (არაიონიზებულ) ატომში ელექტრონების რაოდენობას. თითოეული ატომური რიცხვი განსაზღვრავს კონკრეტულ ელემენტს, მაგრამ არა იზოტოპს; მოცემული ელემენტის ატომს შეიძლება ჰქონდეს ნეიტრონების რაოდენობის ფართო დიაპაზონი. ბირთვში ნუკლეონების რაოდენობა (როგორც პროტონები, ასევე ნეიტრონები) არის ატომის მასური რიცხვი და მოცემული ელემენტის თითოეულ იზოტოპს აქვს განსხვავებული მასის ნომერი.

მაგალითად, ნახშირბად-12, ნახშირბად-13 და ნახშირბად-14 არის ელემენტარული ნახშირბადის სამი იზოტოპი მასობრივი ნომრებით, შესაბამისად, 12, 13 და 14. ნახშირბადის ატომური რიცხვია 6, რაც იმას ნიშნავს, რომ ნახშირბადის თითოეულ ატომს აქვს 6 პროტონი, ამიტომ ამ იზოტოპების ნეიტრონების რიცხვი არის შესაბამისად 6, 7 და 8.

ჰუკლიდები და იზოტოპები

ნუკლიდი ეკუთვნის ბირთვს და არა ატომს. იდენტური ბირთვები ეკუთვნის ერთსა და იმავე ნუკლიდს, მაგალითად, ნახშირბად-13-ის თითოეული ბირთვი შედგება 6 პროტონისა და 7 ნეიტრონისგან. ნუკლიდების კონცეფცია (იგულისხმება ცალკეული ბირთვული სახეობები) ხაზს უსვამს ბირთვულ თვისებებს ქიმიურ თვისებებზე, ხოლო იზოტოპის კონცეფცია (თითოეული ელემენტის ყველა ატომის დაჯგუფება) ხაზს უსვამს ქიმიურ რეაქციას ბირთვულზე. ნეიტრონების რიცხვი დიდ გავლენას ახდენს ბირთვების თვისებებზე, მაგრამ მისი გავლენა ქიმიურ თვისებებზე უმნიშვნელოა უმეტეს ელემენტებისთვის. ყველაზე მსუბუქი ელემენტების შემთხვევაშიც კი, სადაც ნეიტრონების თანაფარდობა ატომურ რიცხვთან ყველაზე მეტად იცვლება იზოტოპებს შორის, მას ჩვეულებრივ აქვს მხოლოდ უმნიშვნელო ეფექტი, თუმცა ზოგიერთ შემთხვევაში მას აქვს მნიშვნელობა (წყალბადისთვის, ყველაზე მსუბუქი ელემენტისთვის, იზოტოპის ეფექტი არის ბიოლოგიაზე დიდ გავლენას ახდენს). ვინაიდან იზოტოპი უფრო ძველი ტერმინია, ის უფრო ცნობილია, ვიდრე ნუკლიდი და ჯერ კიდევ ზოგჯერ გამოიყენება კონტექსტში, სადაც ნუკლიდი შეიძლება იყოს უფრო შესაფერისი, როგორიცაა ბირთვული ტექნოლოგია და ბირთვული მედიცინა.

აღნიშვნა

იზოტოპი ან ნუკლიდი იდენტიფიცირებულია კონკრეტული ელემენტის სახელით (ეს მიუთითებს ატომის რიცხვზე), რასაც მოჰყვება დეფისი და მასის რიცხვი (მაგალითად, ჰელიუმ-3, ჰელიუმ-4, ნახშირბად-12, ნახშირბად-14, ურანი). -235 და ურანი-239). როდესაც გამოიყენება ქიმიური სიმბოლო, ე.ი. "C" ნახშირბადისთვის, სტანდარტული აღნიშვნა (ახლა ცნობილია როგორც "AZE აღნიშვნა", რადგან A არის მასური რიცხვი, Z არის ატომური რიცხვი და E ელემენტისთვის) არის მასის რიცხვის (ნუკლეონების რაოდენობა) მითითება ზემოწერით: ქიმიური სიმბოლოს ზედა მარცხენა მხარეს და მიუთითეთ ატომური ნომერი ქვედა მარცხენა კუთხეში ქვემოწერით). ვინაიდან ატომური რიცხვი მოცემულია ელემენტის სიმბოლოთი, ჩვეულებრივ, მხოლოდ ზედნაწერში მოცემულია მასის რიცხვი, ხოლო ატომის ინდექსი არ არის მოცემული. ასო m ზოგჯერ ემატება მასის რიცხვის შემდეგ, რათა მიუთითოს ბირთვული იზომერი, მეტასტაბილური ან ენერგიულად აღგზნებული ბირთვული მდგომარეობა (განსხვავებით ყველაზე დაბალი ენერგიის ძირითადი მდგომარეობისგან), როგორიცაა 180m 73Ta (ტანტალი-180მ).

რადიოაქტიური, პირველადი და სტაბილური იზოტოპები

ზოგიერთი იზოტოპი რადიოაქტიურია და, შესაბამისად, მათ რადიოიზოტოპებს ან რადიონუკლიდებს უწოდებენ, ზოგი კი რადიოაქტიურად დაშლის შესახებ არასდროს დაფიქსირებულა და მათ სტაბილურ იზოტოპებს ან სტაბილურ ნუკლიდებს უწოდებენ. მაგალითად, 14 C არის ნახშირბადის რადიოაქტიური ფორმა, ხოლო 12 C და 13 C არის სტაბილური იზოტოპები. დედამიწაზე დაახლოებით 339 ბუნებრივად არსებული ნუკლიდია, რომელთაგან 286 არის პირველყოფილი ნუკლიდი, რაც ნიშნავს რომ ისინი მზის სისტემის ჩამოყალიბების დღიდან არსებობდნენ.

თავდაპირველი ნუკლიდები მოიცავს 32 ნუკლიდს ძალიან გრძელი ნახევარგამოყოფის პერიოდით (100 მილიონ წელზე მეტი ხნის განმავლობაში) და 254, რომლებიც ოფიციალურად განიხილება "სტაბილური ნუკლიდები", რადგან არ დაფიქსირდა მათი დაშლა. უმეტეს შემთხვევაში, აშკარა მიზეზების გამო, თუ ელემენტს აქვს სტაბილური იზოტოპები, მაშინ ეს იზოტოპები დომინირებენ დედამიწაზე და მზის სისტემაში არსებულ ელემენტთა სიმრავლეში. თუმცა, სამი ელემენტის შემთხვევაში (ტელურიუმი, ინდიუმი და რენიუმი), ბუნებაში ნაპოვნი ყველაზე უხვი იზოტოპი არის ელემენტის ერთი (ან ორი) უკიდურესად ხანგრძლივი რადიოიზოტოპი, მიუხედავად იმისა, რომ ამ ელემენტებს აქვთ ერთი ან მეტი სტაბილური იზოტოპი.

თეორია პროგნოზირებს, რომ ბევრი აშკარად "სტაბილური" იზოტოპი/ნუკლიდი არის რადიოაქტიური, უკიდურესად გრძელი ნახევარგამოყოფის პერიოდით (პროტონის დაშლის შესაძლებლობის გათვალისწინება, რაც ყველა ნუკლიდს საბოლოოდ არასტაბილურს გახდის). 254 ნუკლიდიდან, რომლებიც არასოდეს ყოფილა დაფიქსირებული, მათგან მხოლოდ 90 (პირველი 40 ელემენტიდან) თეორიულად მდგრადია ყველა ცნობილი დაშლის ფორმის მიმართ. ელემენტი 41 (ნიობიუმი) თეორიულად არამდგრადია სპონტანური დაშლის გამო, მაგრამ ეს არასოდეს ყოფილა აღმოჩენილი. ბევრი სხვა სტაბილური ნუკლიდი თეორიულად ენერგიულად მგრძნობიარეა დაშლის სხვა ცნობილი ფორმების მიმართ, როგორიცაა ალფა დაშლა ან ორმაგი ბეტა დაშლა, მაგრამ დაშლის პროდუქტები ჯერ არ არის დაფიქსირებული და, შესაბამისად, ეს იზოტოპები ითვლება "დაკვირვებად სტაბილურად". ამ ნუკლიდებისთვის სავარაუდო ნახევარგამოყოფის პერიოდი ხშირად მნიშვნელოვნად აღემატება სამყაროს სავარაუდო ასაკს და სინამდვილეში ასევე ცნობილია 27 რადიონუკლიდი, რომელთა ნახევარგამოყოფის პერიოდი უფრო გრძელია ვიდრე სამყაროს ასაკი.

ხელოვნურად შექმნილი რადიოაქტიური ნუკლიდები, ამჟამად ცნობილია 3339 ნუკლიდი. ეს მოიცავს 905 ნუკლიდს, რომლებიც ან სტაბილურია ან ნახევარგამოყოფის პერიოდი 60 წუთზე მეტია.

იზოტოპის თვისებები

ქიმიური და მოლეკულური თვისებები

ნეიტრალურ ატომს აქვს იგივე რაოდენობის ელექტრონები, რაც პროტონებს. ამრიგად, მოცემული ელემენტის სხვადასხვა იზოტოპებს აქვთ ელექტრონების იგივე რაოდენობა და აქვთ მსგავსი ელექტრონული სტრუქტურა. ვინაიდან ატომის ქიმიური ქცევა დიდწილად განისაზღვრება მისი ელექტრონული სტრუქტურით, სხვადასხვა იზოტოპები ავლენენ თითქმის იდენტურ ქიმიურ ქცევას.

გამონაკლისი არის კინეტიკური იზოტოპის ეფექტი: მათი დიდი მასების გამო, მძიმე იზოტოპები უფრო ნელა რეაგირებენ, ვიდრე ერთი და იგივე ელემენტის მსუბუქი იზოტოპები. ეს ყველაზე გამოხატულია პროტიუმისთვის (1 H), დეიტერიუმისთვის (2 H) და ტრიტიუმისთვის (3 H), რადგან დეიტერიუმს აქვს პროტიუმის ორჯერ მეტი მასა, ხოლო ტრიტიუმს აქვს პროტიუმის სამჯერ მეტი. მასის ეს განსხვავებები ასევე გავლენას ახდენს მათი შესაბამისი ქიმიური ბმების ქცევაზე ატომური სისტემების სიმძიმის ცენტრის (შემცირებული მასის) შეცვლით. თუმცა, უფრო მძიმე ელემენტებისთვის, იზოტოპებს შორის შედარებითი მასის სხვაობა გაცილებით მცირეა, ასე რომ, ქიმიაში მასის განსხვავების ეფექტი, როგორც წესი, უმნიშვნელოა. (მძიმე ელემენტებს ასევე აქვთ შედარებით მეტი ნეიტრონი, ვიდრე მსუბუქი ელემენტები, ამიტომ ბირთვული მასის თანაფარდობა ელექტრონის მთლიან მასასთან გარკვეულწილად უფრო დიდია.)

ანალოგიურად, ორ მოლეკულას, რომლებიც განსხვავდებიან მხოლოდ მათი ატომების იზოტოპებით (იზოტოპოლოგები), აქვთ იგივე ელექტრონული სტრუქტურა და, შესაბამისად, თითქმის განუყოფელი ფიზიკური და ქიმიური თვისებები (ისევ, დეიტერიუმი და ტრიტიუმი არის ძირითადი გამონაკლისი). მოლეკულის ვიბრაციის რეჟიმები განისაზღვრება მისი ფორმისა და მისი შემადგენელი ატომების მასებით; ამიტომ, სხვადასხვა იზოტოპოლოგებს აქვთ ვიბრაციის რეჟიმის განსხვავებული ნაკრები. იმის გამო, რომ ვიბრაციული რეჟიმები მოლეკულას საშუალებას აძლევს აითვისოს შესაბამისი ენერგიების ფოტონები, იზოტოპოლოგებს აქვთ სხვადასხვა ოპტიკური თვისებები ინფრაწითელში.

ბირთვული თვისებები და სტაბილურობა

იზოტოპური ნახევარგამოყოფის პერიოდი. სტაბილური იზოტოპების გრაფიკი გადახრის Z = N წრფეს, როდესაც იზრდება Z ელემენტის ნომერი

ატომის ბირთვები შედგება პროტონებისა და ნეიტრონებისგან, რომლებიც ერთმანეთთან დაკავშირებულია ნარჩენი ძლიერი ძალით. იმის გამო, რომ პროტონები დადებითად არიან დამუხტულნი, ისინი ერთმანეთს მოგერიებენ. ნეიტრონები, რომლებიც ელექტრულად ნეიტრალურია, ბირთვს სტაბილიზებენ ორი გზით. მათი კონტაქტი პროტონებს ოდნავ უკან უბიძგებს, ამცირებს ელექტროსტატიკური მოგერიებას პროტონებს შორის და ისინი ახდენენ მიზიდულ ბირთვულ ძალას ერთმანეთზე და პროტონებზე. ამ მიზეზით, ერთი ან მეტი ნეიტრონი საჭიროა ორი ან მეტი პროტონის ბირთვთან დასაკავშირებლად. პროტონების რაოდენობის მატებასთან ერთად იზრდება ნეიტრონების თანაფარდობა პროტონებთან, რომლებიც საჭიროა სტაბილური ბირთვის შესაქმნელად (იხ. გრაფიკი მარჯვნივ). მაგალითად, მიუხედავად იმისა, რომ თანაფარდობა ნეიტრონი: პროტონი 3 2 ის არის 1:2, ნეიტრონის თანაფარდობა: პროტონი 238 92 U
3:2-ზე მეტი. რამდენიმე მსუბუქ ელემენტს აქვს სტაბილური ნუკლიდები 1:1 თანაფარდობით (Z = N). ნუკლიდი 40 20 Ca (კალციუმი-40) არის დაკვირვებადი უმძიმესი სტაბილური ნუკლიდი იმავე რაოდენობის ნეიტრონებით და პროტონებით; (თეორიულად, ყველაზე მძიმე თავლა არის გოგირდ-32). კალციუმ-40-ზე მძიმე ყველა სტაბილური ნუკლიდი შეიცავს უფრო მეტ ნეიტრონს, ვიდრე პროტონებს.

იზოტოპების რაოდენობა ელემენტზე

სტაბილური იზოტოპის მქონე 81 ელემენტიდან, სტაბილური იზოტოპების ყველაზე დიდი რაოდენობა, რომელიც შეიძლება შეინიშნოს ნებისმიერი ელემენტისთვის, არის ათი (ელემენტისთვის კალა). არცერთ ელემენტს არ აქვს ცხრა სტაბილური იზოტოპი. ქსენონი ერთადერთი ელემენტია რვა სტაბილური იზოტოპით. ოთხ ელემენტს აქვს შვიდი სტაბილური იზოტოპი, აქედან რვას აქვს ექვსი სტაბილური იზოტოპი, ათს აქვს ხუთი სტაბილური იზოტოპი, ცხრას აქვს ოთხი სტაბილური იზოტოპი, ხუთს აქვს სამი სტაბილური იზოტოპი, 16-ს აქვს ორი სტაბილური იზოტოპი და 26 ელემენტს აქვს მხოლოდ ერთი (აქედან 19 არის ეგრეთ წოდებული მონონუკლიდური ელემენტები, რომლებსაც აქვთ ერთი პირველყოფილი სტაბილური იზოტოპი, რომელიც დომინირებს და მაღალი სიზუსტით აფიქსირებს ბუნებრივი ელემენტის ატომურ წონას, ასევე წარმოდგენილია 3 რადიოაქტიური მონონუკლიდური ელემენტი). საერთო ჯამში, არის 254 ნუკლიდი, რომელთა დაშლა არ დაფიქსირებულა. 80 ელემენტისთვის, რომლებსაც აქვთ ერთი ან მეტი სტაბილური იზოტოპი, სტაბილური იზოტოპების საშუალო რაოდენობაა 254/80 = 3.2 იზოტოპი ელემენტზე.

ნუკლეონების ლუწი და კენტი რიცხვი

პროტონები: ნეიტრონების თანაფარდობა არ არის ერთადერთი ფაქტორი, რომელიც გავლენას ახდენს ბირთვულ სტაბილურობაზე. ეს ასევე დამოკიდებულია მისი ატომური რიცხვის Z პარიტეტზე ან უცნაურობაზე, ნეიტრონების N რაოდენობაზე, შესაბამისად მათი A მასის რიცხვის ჯამი. . მეზობელ ბირთვებს შორის, განსაკუთრებით კი კენტ იზობარებს შორის ბირთვული შეკავშირების ენერგიის ამ მნიშვნელოვან განსხვავებას აქვს მნიშვნელოვანი შედეგები: არასტაბილური იზოტოპები ნეიტრონების ან პროტონების არაოპტიმალური რაოდენობით იშლება ბეტა დაშლით (პოზიტრონის დაშლის ჩათვლით), ელექტრონის დაჭერით ან სხვა ეგზოტიკური საშუალებებით, როგორიცაა სპონტანური დაშლა და დაშლა, მტევანი.

ყველაზე სტაბილური ნუკლიდები არის პროტონების ლუწი რაოდენობა და ნეიტრონების ლუწი რაოდენობა, სადაც Z, N და A ყველა ლუწია. უცნაური სტაბილური ნუკლიდები იყოფა (დაახლოებით თანაბრად) კენტებად.

ატომური ნომერი

148 ლუწი პროტონის, ლუწი ნეიტრონის (EE) ნუკლიდი შეადგენს ყველა სტაბილური ნუკლიდების ~58%-ს. ასევე არსებობს 22 პირველყოფილი, გრძელვადიანი, თუნდაც ნუკლიდი. შედეგად, 2-დან 82-მდე 41 ლუწი ელემენტიდან თითოეულს აქვს მინიმუმ ერთი სტაბილური იზოტოპი და ამ ელემენტების უმეტესობას აქვს მრავალი პირველადი იზოტოპი. ამ ლუწი ელემენტების ნახევარს აქვს ექვსი ან მეტი სტაბილური იზოტოპი. ჰელიუმ-4-ის უკიდურესი სტაბილურობა, ორი პროტონისა და ორი ნეიტრონის ორობითი კავშირის გამო, ხელს უშლის ხუთ ან რვა ნუკლეონს შემცველი ნებისმიერი ნუკლიდის არსებობას საკმარისად დიდი ხნის განმავლობაში, რათა გახდეს პლატფორმა ბირთვული შერწყმის გზით მძიმე ელემენტების დაგროვებისთვის.

ამ 53 სტაბილურ ნუკლიდს აქვს პროტონების ლუწი რაოდენობა და ნეიტრონების კენტი რაოდენობა. ისინი უმცირესობას წარმოადგენენ ლუწი იზოტოპებთან შედარებით, რომლებიც დაახლოებით 3-ჯერ მეტია. 41 ლუწი-Z ელემენტებს შორის, რომლებსაც აქვთ სტაბილური ნუკლიდი, მხოლოდ ორ ელემენტს (არგონი და ცერიუმი) არ აქვს ლუწი-კენტი სტაბილური ნუკლიდი. ერთ ელემენტს (კალას) აქვს სამი. არის 24 ელემენტი, რომელსაც აქვს ერთი კენტი-ლუწი ნუკლიდი და 13, რომელსაც აქვს ორი კენტი-ლუწი ნუკლიდი.

მათი უცნაური ნეიტრონების რიცხვის გამო, ლუწ-კენტი ნუკლიდებს აქვთ ნეიტრონის დაჭერის დიდი ჯვარი სექციები ენერგიის გამო, რომელიც მოდის ნეიტრონების შეერთების ეფექტებიდან. ეს სტაბილური ნუკლიდები შეიძლება უჩვეულოდ უხვად იყოს ბუნებაში, ძირითადად იმიტომ, რომ იმისათვის, რომ ჩამოყალიბდნენ და შევიდნენ პირველყოფილ სიუხვეში, მათ უნდა გაექცნენ ნეიტრონების დაჭერას, რათა წარმოიქმნან სხვა სტაბილური ლუწი-კენტი იზოტოპები, თუ როგორია პროცესი s და r არის. ნეიტრონის დაჭერის პროცესი, ნუკლეოსინთეზის დროს.

კენტი ატომური რიცხვი

48 სტაბილური კენტი-პროტონული და ლუწი-ნეიტრონის ნუკლიდი, სტაბილიზირებული მათი ლუწი რაოდენობის ნეიტრონების მიხედვით, ქმნის კენტი ელემენტების სტაბილური იზოტოპების უმრავლესობას; ძალიან ცოტა კენტი პროტონულ-კენტი ნეიტრონის ნუკლიდები ქმნიან სხვებს. არსებობს 41 უცნაური ელემენტი Z = 1-დან 81-მდე, რომელთაგან 39-ს აქვს სტაბილური იზოტოპები (ელემენტებს ტექნეტიუმი (43 Tc) და პრომეთიუმი (61 Pm) არ აქვთ სტაბილური იზოტოპები). ამ 39 უცნაური Z ელემენტიდან 30 ელემენტს (წყალბად-1-ის ჩათვლით, სადაც 0 ნეიტრონი ლუწია) აქვს ერთი სტაბილური კენტი-ლუწი იზოტოპი და ცხრა ელემენტი: ქლორი (17 Cl), კალიუმი (19K), სპილენძი (29 Cu), გალიუმს (31 Ga), ბრომს (35 Br), ვერცხლს (47 Ag), ანტიმონს (51 Sb), ირიდიუმს (77 Ir) და ტალიუმს (81 ტლ) თითოეულს აქვს ორი კენტი და ლუწი ორი სტაბილური იზოტოპი. ამრიგად, მიიღება 30 + 2 (9) = 48 სტაბილური ლუწი იზოტოპი.

მხოლოდ ხუთი სტაბილური ნუკლიდი შეიცავს როგორც პროტონების კენტ რაოდენობას, ასევე ნეიტრონების კენტ რაოდენობას. პირველი ოთხი „უცნაური“ ნუკლიდი წარმოიქმნება დაბალი მოლეკულური წონის ნუკლიდებში, რომელთა შეცვლა პროტონიდან ნეიტრონად ან პირიქით გამოიწვევს პროტონ-ნეიტრონის თანაფარდობას ძალიან ცალმხრივად.

ერთადერთი სრულიად „სტაბილური“, კენტი-კენტი ნუკლიდი არის 180 მ 73 ტაა, რომელიც ითვლება უიშვიათესად 254 სტაბილურ იზოტოპს შორის და არის ერთადერთი პირველადი ბირთვული იზომერი, რომელიც ჯერ არ დაფიქსირებულა დაშლის შესახებ, მიუხედავად ექსპერიმენტული მცდელობებისა.

ნეიტრონების კენტი რაოდენობა

აქტინიდები, რომლებსაც აქვთ ნეიტრონების უცნაური რაოდენობა, მიდრეკილნი არიან დაშლისკენ (თერმული ნეიტრონებით), ხოლო ლუწი ნეიტრონების რიცხვისკენ მიდრეკილება არ არის, თუმცა ისინი იშლება სწრაფ ნეიტრონებში. ყველა დაკვირვებით სტაბილურ კენტ-კენტ ნუკლიდს აქვს არანულოვანი მთელი რიცხვის სპინი. ეს იმიტომ ხდება, რომ ერთ დაუწყვილებელ ნეიტრონს და დაუწყვილებელ პროტონს უფრო მეტი ბირთვული ძალის მიზიდულობა აქვთ ერთმანეთთან, თუ მათი სპინები გასწორებულია (აწარმოებს მთლიანი სპინი მინიმუმ 1 ერთეულს), ვიდრე გასწორებული.

გაჩენა ბუნებაში

ელემენტები შედგება ერთი ან მეტი ბუნებრივი იზოტოპისგან. არასტაბილური (რადიოაქტიური) იზოტოპები არის პირველადი ან შემდგომი მაგალითი. თავდაპირველი იზოტოპები წარმოადგენდა ვარსკვლავური ნუკლეოსინთეზის, ან სხვა ტიპის ნუკლეოსინთეზის პროდუქტს, როგორიცაა კოსმოსური სხივების გაყოფა, და შენარჩუნებულია დღემდე, რადგან მათი დაშლის სიჩქარე ძალიან ნელია (მაგ. ურანი-238 და კალიუმი-40). პოსტბუნებრივი იზოტოპები შეიქმნა კოსმოსური სხივების დაბომბვით, როგორც კოსმოგენური ნუკლიდები (მაგ. ტრიტიუმი, ნახშირბადი-14) ან რადიოაქტიური პირველყოფილი იზოტოპის დაშლა რადიოაქტიური რადიოგენური ნუკლიდის ასულში (მაგ. ურანი რადიუმამდე). რამდენიმე იზოტოპი ბუნებრივად სინთეზირდება როგორც ნუკლეოგენური ნუკლიდები სხვა ბუნებრივი ბირთვული რეაქციებით, მაგალითად, როდესაც ბუნებრივი ბირთვული დაშლის ნეიტრონები შეიწოვება სხვა ატომის მიერ.

როგორც ზემოთ განვიხილეთ, მხოლოდ 80 ელემენტს აქვს სტაბილური იზოტოპი, ხოლო 26 მათგანს აქვს მხოლოდ ერთი სტაბილური იზოტოპი. ამრიგად, სტაბილური ელემენტების დაახლოებით ორი მესამედი ბუნებრივად გვხვდება დედამიწაზე რამდენიმე სტაბილურ იზოტოპში, სტაბილური იზოტოპების ყველაზე მეტი რაოდენობა ელემენტისთვის არის ათი, კალისთვის (50Sn). დედამიწაზე დაახლოებით 94 ელემენტია (პლუტონიუმის ჩათვლით), თუმცა ზოგიერთი მხოლოდ ძალიან მცირე რაოდენობით გვხვდება, მაგალითად, პლუტონიუმ-244. მეცნიერები თვლიან, რომ ელემენტები, რომლებიც ბუნებრივად გვხვდება დედამიწაზე (ზოგიერთი მხოლოდ რადიოიზოტოპის სახით) მთლიანობაში გვხვდება 339 იზოტოპად (ნუკლიდი). ამ ბუნებრივ იზოტოპებიდან მხოლოდ 254 არის სტაბილური იმ გაგებით, რომ ისინი დღემდე არ დაფიქსირებულა. დამატებითი 35 პირველადი ნუკლიდი (სულ 289 პირველადი ნუკლიდი) რადიოაქტიურია ცნობილი ნახევარგამოყოფის პერიოდით, მაგრამ აქვს ნახევარგამოყოფის პერიოდი 80 მილიონ წელზე მეტი, რაც მათ საშუალებას აძლევს იარსებონ მზის სისტემის დასაწყისიდან.

ყველა ცნობილი სტაბილური იზოტოპი ბუნებრივად გვხვდება დედამიწაზე; სხვა ბუნებრივი იზოტოპები რადიოაქტიურია, მაგრამ მათი შედარებით ხანგრძლივი ნახევარგამოყოფის გამო, ან სხვა უწყვეტი ბუნებრივი წარმოების მეთოდების გამო. ეს მოიცავს ზემოთ ნახსენებ კოსმოგენურ ნუკლიდებს, ნუკლეოგენურ ნუკლიდებს და ნებისმიერ რადიოგენურ იზოტოპებს, რომლებიც წარმოიქმნება პირველადი რადიოაქტიური იზოტოპის მუდმივი დაშლის შედეგად, როგორიცაა რადონი და რადიუმი ურანისაგან.

კიდევ 3000 რადიოაქტიური იზოტოპი, რომელიც ბუნებაში არ არის ნაპოვნი, შეიქმნა ბირთვულ რეაქტორებში და ნაწილაკების ამაჩქარებლებში. ბევრი ხანმოკლე იზოტოპი, რომლებიც ბუნებრივად არ არის ნაპოვნი დედამიწაზე, ასევე დაფიქსირდა სპექტროსკოპიული ანალიზით, რომლებიც ბუნებრივად იქმნებოდა ვარსკვლავებსა თუ სუპერნოვაებში. ამის მაგალითია ალუმინი-26, რომელიც ბუნებრივად არ გვხვდება დედამიწაზე, მაგრამ უხვად გვხვდება ასტრონომიული მასშტაბით.

ელემენტების ატომური მასები არის საშუალო მნიშვნელობები, რომლებიც ხსნის მრავალი იზოტოპის არსებობას სხვადასხვა მასით. იზოტოპების აღმოჩენამდე, ატომური მასის ემპირიულად განსაზღვრული არაინტეგრირებული მნიშვნელობები დაბნეული იყო მეცნიერებისთვის. მაგალითად, ქლორის ნიმუში შეიცავს 75,8% ქლორ-35 და 24,2% ქლორ-37, რაც იძლევა საშუალო ატომურ მასას 35,5 ატომური მასის ერთეულს.

კოსმოლოგიის საყოველთაოდ მიღებული თეორიის მიხედვით, მხოლოდ წყალბადის და ჰელიუმის იზოტოპები, ლითიუმის და ბერილიუმის ზოგიერთი იზოტოპის კვალი და შესაძლოა ბორის კვალი შეიქმნა დიდი აფეთქების დროს, ხოლო ყველა სხვა იზოტოპები სინთეზირებული იქნა მოგვიანებით, ვარსკვლავებსა და სუპერნოვაებში. , ასევე ენერგიულ ნაწილაკებს შორის ურთიერთქმედებაში, როგორიცაა კოსმოსური სხივები და ადრე მიღებულ იზოტოპებს შორის. იზოტოპების შესაბამისი იზოტოპური სიმრავლე დედამიწაზე განპირობებულია ამ პროცესების შედეგად წარმოქმნილი რაოდენობით, გალაქტიკაში მათი გავრცელებით და იზოტოპების დაშლის სიჩქარით, რომლებიც არასტაბილურია. მზის სისტემის თავდაპირველი შერწყმის შემდეგ, იზოტოპები გადანაწილდა მასის მიხედვით და ელემენტების იზოტოპური შემადგენლობა ოდნავ განსხვავდება პლანეტიდან პლანეტაზე. ეს ზოგჯერ შესაძლებელს ხდის მეტეორიტების წარმოშობის კვალს.

იზოტოპების ატომური მასა

იზოტოპის ატომური მასა (mr) განისაზღვრება ძირითადად მისი მასური რიცხვით (ანუ ბირთვში არსებული ნუკლეონების რაოდენობა). მცირე კორექტივები გამოწვეულია ბირთვის შებოჭვის ენერგიით, პროტონსა და ნეიტრონს შორის მასის მცირე სხვაობით და ატომთან დაკავშირებული ელექტრონების მასით.

მასობრივი ნომერი არის განზომილებიანი რაოდენობა. ატომური მასა, თავის მხრივ, იზომება ატომური მასის ერთეულის გამოყენებით, ნახშირბად-12 ატომის მასის საფუძველზე. იგი აღინიშნება სიმბოლოებით "u" (ერთიანი ატომური მასის ერთეულისთვის) ან "Da" (დალტონისთვის).

ელემენტის ბუნებრივი იზოტოპების ატომური მასები განსაზღვრავს ელემენტის ატომურ მასას. როდესაც ელემენტი შეიცავს N იზოტოპებს, ქვემოთ მოცემული გამოხატულება ვრცელდება საშუალო ატომურ მასაზე:

სადაც m 1 , m 2 , …, mN არის თითოეული ცალკეული იზოტოპის ატომური მასები და x 1 , …, xN არის ამ იზოტოპების ფარდობითი სიმრავლე.

იზოტოპების გამოყენება

არსებობს რამდენიმე პროგრამა, რომელიც იყენებს მოცემული ელემენტის სხვადასხვა იზოტოპების თვისებებს. იზოტოპების გამოყოფა მნიშვნელოვანი ტექნოლოგიური საკითხია, განსაკუთრებით მძიმე ელემენტებთან, როგორიცაა ურანი ან პლუტონიუმი. მსუბუქი ელემენტები, როგორიცაა ლითიუმი, ნახშირბადი, აზოტი და ჟანგბადი, ჩვეულებრივ გამოყოფილია მათი ნაერთების აირისებრი დიფუზიით, როგორიცაა CO და NO. წყალბადისა და დეიტერიუმის გამოყოფა უჩვეულოა, რადგან ის დაფუძნებულია ქიმიურ და არა ფიზიკურ თვისებებზე, მაგალითად, გირდლერის სულფიდის პროცესში. ურანის იზოტოპები გამოყოფილია მოცულობით აირისებური დიფუზიით, გაზის ცენტრიფუგაციით, ლაზერული იონიზაციის გამოყოფით და (მანჰეტენის პროექტში) მასის სპექტრომეტრიის წარმოების ტიპების მიხედვით.

ქიმიური და ბიოლოგიური თვისებების გამოყენება

• იზოტოპური ანალიზი არის იზოტოპური ხელმოწერის განსაზღვრა, მოცემული ელემენტის იზოტოპების შედარებითი სიმრავლე კონკრეტულ ნიმუშში. განსაკუთრებით საკვებ ნივთიერებებთან დაკავშირებით, შეიძლება მოხდეს C, N და O იზოტოპების მნიშვნელოვანი ცვალებადობა. ასეთი ვარიაციების ანალიზს აქვს გამოყენების ფართო სპექტრი, როგორიცაა საკვების ფალსიფიკაციის აღმოჩენა ან საკვების გეოგრაფიული წარმომავლობის იზოპეშების გამოყენებით. მარსზე წარმოშობილი ზოგიერთი მეტეორიტის იდენტიფიკაცია ნაწილობრივ ეფუძნება მათში შემავალი კვალი გაზების იზოტოპურ ნიშნებს.
• იზოტოპური ჩანაცვლება შეიძლება გამოყენებულ იქნას ქიმიური რეაქციის მექანიზმის დასადგენად კინეტიკური იზოტოპური ეფექტის საშუალებით.
• კიდევ ერთი გავრცელებული პროგრამაა იზოტოპური მარკირება, უჩვეულო იზოტოპების გამოყენება, როგორც ტრასერები ან მარკერები ქიმიურ რეაქციებში. როგორც წესი, მოცემული ელემენტის ატომები ერთმანეთისგან არ განსხვავდება. თუმცა, სხვადასხვა მასის იზოტოპების გამოყენებით, სხვადასხვა არარადიოაქტიური სტაბილური იზოტოპებიც კი შეიძლება განვასხვავოთ მასის სპექტრომეტრიის ან ინფრაწითელი სპექტროსკოპიის გამოყენებით. მაგალითად, "Stable Isotope Labeling of Amino Acids in Cell Culture" (SILAC), სტაბილური იზოტოპები გამოიყენება ცილების რაოდენობრივი დასადგენად. თუ რადიოაქტიური იზოტოპები გამოიყენება, მათი აღმოჩენა შესაძლებელია მათ მიერ გამოსხივებული გამოსხივებით (ამას რადიოიზოტოპური მარკირება ეწოდება).
• იზოტოპები ჩვეულებრივ გამოიყენება სხვადასხვა ელემენტების ან ნივთიერებების კონცენტრაციის დასადგენად იზოტოპური განზავების მეთოდით, რომელშიც იზოტოპურად შემცვლელი ნაერთების ცნობილი რაოდენობა შერეულია ნიმუშებთან და მიღებული ნარევების იზოტოპური მახასიათებლები განისაზღვრება მასის სპექტრომეტრიის გამოყენებით.

ბირთვული თვისებების გამოყენება

• რადიოიზოტოპური მარკირების მსგავსი მეთოდია რადიომეტრიული დათარიღება: არასტაბილური ელემენტის ცნობილი ნახევარგამოყოფის პერიოდის გამოყენებით შეიძლება გამოვთვალოთ იზოტოპის ცნობილი კონცენტრაციის არსებობის შემდეგ გასული დრო. ყველაზე ფართოდ ცნობილი მაგალითია რადიოკარბონული დათარიღება, რომელიც გამოიყენება ნახშირბადოვანი მასალების ასაკის დასადგენად.
• სპექტროსკოპიის ზოგიერთი ფორმა დაფუძნებულია სპეციფიკური იზოტოპების უნიკალურ ბირთვულ თვისებებზე, როგორც რადიოაქტიური, ასევე სტაბილური. მაგალითად, ბირთვული მაგნიტურ-რეზონანსული (NMR) სპექტროსკოპია შეიძლება გამოყენებულ იქნას მხოლოდ იზოტოპებისთვის, რომლებსაც აქვთ არანულოვანი ბირთვული სპინი. NMR სპექტროსკოპიაში გამოყენებული ყველაზე გავრცელებული იზოტოპებია 1 H, 2 D, 15 N, 13 C და 31 P.
• მოსბაუერის სპექტროსკოპია ასევე ეყრდნობა სპეციფიკური იზოტოპების ბირთვულ გადასვლებს, როგორიცაა 57 Fe.