S-a stabilit că fiecare element chimic găsit în natură este un amestec de izotopi (deci au mase atomice fracționate). Pentru a înțelege cum diferă izotopii unul de altul, este necesar să se ia în considerare în detaliu structura atomului. Un atom formează un nucleu și un nor de electroni. Masa unui atom este influențată de electronii care se deplasează cu o viteză uluitoare pe orbitele din norul de electroni, neutronii și protonii care formează nucleul.

Ce sunt izotopii

izotopi Un tip de atom al unui element chimic. Există întotdeauna un număr egal de electroni și protoni în orice atom. Deoarece au sarcini opuse (electronii sunt negativi, iar protonii sunt pozitivi), atomul este întotdeauna neutru (această particulă elementară nu poartă sarcină, este egală cu zero). Când un electron este pierdut sau capturat, atomul își pierde neutralitatea, devenind fie un ion negativ, fie un ion pozitiv.
Neutronii nu au sarcină, dar numărul lor în nucleul atomic al aceluiași element poate fi diferit. Acest lucru nu afectează neutralitatea atomului, dar îi afectează masa și proprietățile. De exemplu, fiecare izotop al unui atom de hidrogen are câte un electron și câte un proton. Și numărul de neutroni este diferit. Protiul are doar 1 neutron, deuteriul are 2 neutroni, iar tritiul are 3 neutroni. Acești trei izotopi diferă semnificativ unul de altul în proprietăți.

Comparația izotopilor

Cum diferă izotopii? Au un număr diferit de neutroni, mase diferite și proprietăți diferite. Izotopii au o structură identică a învelișurilor de electroni. Aceasta înseamnă că sunt destul de asemănătoare ca proprietăți chimice. Prin urmare, li se atribuie un loc în sistemul periodic.
În natură au fost găsiți izotopi stabili și radioactivi (instabili). Nucleele atomilor izotopilor radioactivi sunt capabile să se transforme spontan în alte nuclee. În procesul de dezintegrare radioactivă, ei emit diverse particule.
Majoritatea elementelor au peste două duzini de izotopi radioactivi. În plus, izotopii radioactivi sunt sintetizați artificial pentru absolut toate elementele. Într-un amestec natural de izotopi, conținutul acestora fluctuează ușor.
Existența izotopilor a făcut posibil să se înțeleagă de ce, în unele cazuri, elementele cu o masă atomică mai mică au un număr de serie mai mare decât elementele cu o masă atomică mai mare. De exemplu, într-o pereche argon-potasiu, argonul include izotopi grei, iar potasiul include izotopi ușori. Prin urmare, masa argonului este mai mare decât cea a potasiului.

ImGist a determinat că diferența dintre izotopi unul față de celălalt este următoarea:

Au un număr diferit de neutroni.
Izotopii au mase diferite de atomi.
Valoarea masei atomilor de ioni afectează energia și proprietățile lor totale.

Un anumit element care are același, dar diferit. Posedă nuclee cu același număr și diferiți. număr , au aceeași structură de învelișuri de electroni și ocupă același loc în periodic. sistem chimic. elemente. Termenul „izotopi” a fost propus în 1910 de către F. Soddy pentru a desemna soiurile care nu se pot distinge din punct de vedere chimic, care diferă prin fizic. (în primul rând radioactiv) Sf. tu. Izotopii stabili au fost descoperiți pentru prima dată în 1913 de J. Thomson cu ajutorul așa-numitului. metoda parabolelor - prototipul modernului. . El a descoperit că Ne are cel puțin 2 soiuri cu wt. orele 20 si 22. Numele și simbolurile izotopilor sunt, de obicei, numele și simbolurile chimicalelor corespunzătoare. elemente; indicați în partea din stânga sus a simbolului. De exemplu, pentru a desemna natura. izotopii folosesc înregistrarea 35 Cl și 37 C1; uneori elementul este indicat și în stânga jos, adică. scrie 35 17 Cl și 37 17 Cl. Doar izotopi ai celui mai ușor element, hidrogen, greutate. Părțile 1, 2 și 3 au oferte speciale. nume și simboluri: (1 1 H), (D sau 2 1 H) și respectiv (T, sau 3 1 H). Datorită diferenței mari de mase, comportamentul acestor izotopi diferă semnificativ (vezi , ). Izotopii stabili se găsesc în toate elementele pare și cele mai impare cu[ 83. Numărul de izotopi stabili pentru elementele cu numere pare poate fi. este egal cu 10 (de exemplu, y); elementele cu numere impare au cel mult doi izotopi stabili. Cunoscut ca. 280 de izotopi stabili și peste 2000 de izotopi radioactivi în 116 elemente naturale și obținute artificial. Pentru fiecare element, conținutul de izotopi individuali din natură. amestecul suferă mici fluctuații, care pot fi adesea neglijate. Mai multe mijloace. se observă fluctuaţii ale compoziţiei izotopice pentru meteoriţi şi alte corpuri cereşti. Constanța compoziției izotopice duce la constanța elementelor găsite pe Pământ, care este valoarea medie a masei unui element dat, găsită ținând cont de abundența izotopilor din natură. Fluctuațiile în compoziția izotopică a elementelor ușoare sunt asociate, de regulă, cu o modificare a compoziției izotopice în timpul descompunerii. procese care au loc în natură (, etc.). Pentru elementul greu Pb, fluctuațiile în compoziția izotopică a diferitelor probe sunt explicate prin decomp. conținut în, și alte surse și - fondatorii naturii. . Diferențele St. în izotopii unui element dat numit. . O practică importantă sarcina este de a obține de la natură. amestecuri de izotopi individuali -

La studierea proprietăților elementelor radioactive, s-a constatat că în același element chimic se pot găsi atomi cu mase nucleare diferite. În același timp, au aceeași încărcătură nucleară, adică acestea nu sunt impurități ale unor substanțe terțe, ci aceeași substanță.

Ce sunt izotopii și de ce există

În sistemul periodic al lui Mendeleev, atât un element dat, cât și atomii unei substanțe cu o masă diferită a nucleului ocupă o celulă. Pe baza celor de mai sus, astfel de soiuri din aceeași substanță au primit denumirea de „izotopi” (din grecescul isos - același și topos - loc). Asa de, izotopi- acestea sunt soiuri ale unui element chimic dat care diferă prin masa nucleelor ​​atomice.

Conform modelului neutron-proton acceptat al nucleului, existența izotopilor a fost explicată astfel: nucleele unor atomi de materie conțin un număr diferit de neutroni, dar același număr de protoni. De fapt, sarcina nucleară a izotopilor unui element este aceeași, prin urmare, numărul de protoni din nucleu este același. Nucleii diferă ca masă, respectiv, conțin un număr diferit de neutroni.

Izotopi stabili și instabili

Izotopii sunt fie stabili, fie instabili. Până în prezent, sunt cunoscuți aproximativ 270 de izotopi stabili și peste 2000 de izotopi instabili. izotopi stabili- Acestea sunt soiuri de elemente chimice care pot exista independent pentru o lungă perioadă de timp.

Majoritatea izotopi instabili a fost obținută artificial. Izotopii instabili sunt radioactivi, nucleele lor sunt supuse procesului de dezintegrare radioactivă, adică transformarea spontană în alte nuclee, însoțită de emisia de particule și/sau radiații. Aproape toți izotopii artificiali radioactivi au timpi de înjumătățire foarte scurt, măsurați în secunde și chiar în fracțiuni de secunde.

Câți izotopi poate conține un nucleu

Nucleul nu poate conține un număr arbitrar de neutroni. În consecință, numărul de izotopi este limitat. Chiar și în numărul de protoni elemente, numărul de izotopi stabili poate ajunge la zece. De exemplu, staniul are 10 izotopi, xenonul are 9, mercurul are 7 și așa mai departe.

Acele elemente numărul de protoni este impar, poate avea doar doi izotopi stabili. Unele elemente au un singur izotop stabil. Acestea sunt substanțe precum aurul, aluminiul, fosforul, sodiul, manganul și altele. Astfel de variații ale numărului de izotopi stabili pentru diferite elemente sunt asociate cu o dependență complexă a numărului de protoni și neutroni de energia de legare a nucleului.

Aproape toate substanțele din natură există ca un amestec de izotopi. Numărul de izotopi din compoziția unei substanțe depinde de tipul de substanță, de masa atomică și de numărul de izotopi stabili ai unui anumit element chimic.

Probabil că nu există o astfel de persoană pe pământ care să nu fi auzit de izotopi. Dar nu toată lumea știe ce este. Expresia „izotopi radioactivi” sună deosebit de înfricoșător. Aceste elemente chimice obscure îngrozesc omenirea, dar de fapt nu sunt atât de înfricoșătoare pe cât ar părea la prima vedere.

Definiție

Pentru a înțelege conceptul de elemente radioactive, este mai întâi necesar să spunem că izotopii sunt mostre ale aceluiași element chimic, dar cu mase diferite. Ce înseamnă? Întrebările vor dispărea dacă ne amintim mai întâi de structura atomului. Este format din electroni, protoni și neutroni. Numărul primelor două particule elementare din nucleul unui atom este întotdeauna constant, în timp ce neutronii având propria lor masă pot apărea în aceeași substanță în cantități diferite. Această împrejurare dă naștere la o varietate de elemente chimice cu proprietăți fizice diferite.

Acum putem da o definiție științifică a conceptului studiat. Deci, izotopii sunt un set cumulativ de elemente chimice similare ca proprietăți, dar având mase și proprietăți fizice diferite. Conform unei terminologii mai moderne, ele sunt numite o galaxie de nucleotide ale unui element chimic.

Un pic de istorie

La începutul secolului trecut, oamenii de știință au descoperit că același compus chimic în condiții diferite poate avea mase diferite de nuclee de electroni. Din punct de vedere pur teoretic, astfel de elemente ar putea fi considerate noi și ar putea începe să umple celulele goale din tabelul periodic al lui D. Mendeleev. Dar există doar nouă celule libere în el, iar oamenii de știință au descoperit zeci de elemente noi. În plus, calculele matematice au arătat că compușii descoperiți nu pot fi considerați necunoscuți anterior, deoarece proprietățile lor chimice corespundeau pe deplin cu caracteristicile celor existenți.

După lungi discuții, s-a decis să se numească aceste elemente izotopi și să le plaseze în aceeași celulă cu cele ale căror nuclee conțin același număr de electroni cu ele. Oamenii de știință au reușit să determine că izotopii sunt doar câteva variații ale elementelor chimice. Cu toate acestea, cauzele apariției lor și durata vieții au fost studiate timp de aproape un secol. Chiar și la începutul secolului al XXI-lea, este imposibil de afirmat că omenirea știe absolut totul despre izotopi.

Variații persistente și nepersistente

Fiecare element chimic are mai mulți izotopi. Datorită faptului că în nucleele lor sunt neutroni liberi, ei nu intră întotdeauna în legături stabile cu restul atomului. După ceva timp, particulele libere părăsesc miezul, ceea ce își schimbă masa și proprietățile fizice. Așa se formează alți izotopi, ceea ce duce în cele din urmă la formarea unei substanțe cu un număr egal de protoni, neutroni și electroni.

Acele substanțe care se descompun foarte repede se numesc izotopi radioactivi. Ei eliberează un număr mare de neutroni în spațiu, formând radiații gamma ionizante puternice, cunoscute pentru capacitatea sa puternică de penetrare, care afectează negativ organismele vii.

Izotopii mai stabili nu sunt radioactivi, deoarece numărul de neutroni liberi pe care îi eliberează nu este capabil să producă radiații și să afecteze în mod semnificativ alți atomi.

Cu mult timp în urmă, oamenii de știință au stabilit un model important: fiecare element chimic are propriii izotopi, persistenti sau radioactivi. Interesant este că multe dintre ele au fost obținute în laborator, iar prezența lor în forma lor naturală este mică și nu întotdeauna înregistrată de instrumente.

Distribuția în natură

În condiții naturale, cel mai adesea există substanțe a căror masă izotopică este direct determinată de numărul său ordinal din tabelul D. Mendeleev. De exemplu, hidrogenul, notat cu simbolul H, are numărul de serie 1, iar masa sa este egală cu unu. Izotopii săi, 2H și 3H, sunt extrem de rari în natură.

Chiar și corpul uman are o anumită cantitate de izotopi radioactivi. Ele intră în interior prin alimente sub formă de izotopi ai carbonului, care, la rândul lor, este absorbit de plante din sol sau aer și trece în compoziția materiei organice în timpul fotosintezei. Prin urmare, atât oamenii, animalele, cât și plantele emit un anumit fond de radiații. Numai că este atât de scăzut încât nu interferează cu funcționarea și creșterea normală.

Sursele care contribuie la formarea izotopilor sunt straturile interioare ale miezului pământului și radiațiile din spațiul cosmic.

După cum știți, temperatura planetei depinde în mare măsură de miezul său fierbinte. Dar abia recent a devenit clar că sursa acestei călduri este o reacție termonucleară complexă, la care participă izotopii radioactivi.

Dezintegrarea izotopilor

Deoarece izotopii sunt formațiuni instabile, se poate presupune că, în timp, ei se descompun întotdeauna în nuclee mai permanente de elemente chimice. Această afirmație este adevărată, deoarece oamenii de știință nu au reușit să detecteze o cantitate imensă de izotopi radioactivi în natură. Și majoritatea celor care au fost extrase în laboratoare au durat de la câteva minute până la câteva zile, apoi s-au transformat înapoi în elemente chimice obișnuite.

Dar există și izotopi în natură care sunt foarte rezistenți la descompunere. Ele pot exista de miliarde de ani. Astfel de elemente s-au format în acele vremuri îndepărtate, când pământul încă se forma și nu era nici măcar o crustă solidă pe suprafața lui.

Izotopii radioactivi se descompun și se reformează foarte repede. Prin urmare, pentru a facilita evaluarea stabilității izotopului, oamenii de știință au decis să ia în considerare categoria timpului de înjumătățire al acestuia.

Jumătate de viață

Este posibil să nu fie imediat clar pentru toți cititorii ce se înțelege prin acest concept. Să-l definim. Timpul de înjumătățire al unui izotop este timpul în care jumătatea condiționată a substanței luate încetează să mai existe.

Aceasta nu înseamnă că restul conexiunii va fi distrusă în același timp. În ceea ce privește această jumătate, este necesar să se ia în considerare o categorie diferită - perioada de timp în care a doua parte a acesteia, adică un sfert din cantitatea inițială a substanței, va dispărea. Și această considerație continuă la infinit. Se poate presupune că este pur și simplu imposibil să se calculeze timpul de dezintegrare completă a cantității inițiale de materie, deoarece acest proces este practic nesfârșit.

Cu toate acestea, oamenii de știință, cunoscând timpul de înjumătățire, pot determina cât de mult din substanță a existat la început. Aceste date sunt utilizate cu succes în științe conexe.

În lumea științifică modernă, conceptul de dezintegrare completă nu este practic utilizat. Pentru fiecare izotop, se obișnuiește să se indice timpul de înjumătățire al acestuia, care variază de la câteva secunde la multe miliarde de ani. Cu cât timpul de înjumătățire este mai mic, cu atât mai multă radiație provine din substanță și cu atât radioactivitatea acesteia este mai mare.

Îmbogățirea mineralelor

În unele ramuri ale științei și tehnologiei, utilizarea unei cantități relativ mari de substanțe radioactive este considerată obligatorie. Dar, în același timp, în condiții naturale, există foarte puțini astfel de compuși.

Se știe că izotopii sunt variante neobișnuite ale elementelor chimice. Numărul lor este măsurat cu câteva procente din soiul cel mai rezistent. De aceea, oamenii de știință trebuie să efectueze îmbogățirea artificială a materialelor fosile.

De-a lungul anilor de cercetare, s-a putut afla că dezintegrarea unui izotop este însoțită de o reacție în lanț. Neutronii eliberați ai unei substanțe încep să influențeze alta. Ca rezultat, nucleele grele se descompun în altele mai ușoare și se obțin noi elemente chimice.

Acest fenomen se numește reacție în lanț, în urma căreia se pot obține izotopi mai stabili, dar mai puțin obișnuiți, care sunt utilizați ulterior în economia națională.

Aplicarea energiei de dezintegrare

Oamenii de știință au descoperit, de asemenea, că în timpul dezintegrarii unui izotop radioactiv, este eliberată o cantitate imensă de energie liberă. Cantitatea sa este de obicei măsurată de unitatea Curie, egală cu timpul de fisiune a 1 g de radon-222 într-o secundă. Cu cât acest indicator este mai mare, cu atât se eliberează mai multă energie.

Acesta a fost motivul dezvoltării modalităților de utilizare a energiei libere. Așa au apărut reactoarele nucleare, în care este plasat un izotop radioactiv. Cea mai mare parte a energiei pe care o degajă este colectată și transformată în energie electrică. Pe baza acestor reactoare se creează centrale nucleare, care furnizează cea mai ieftină energie electrică. Versiunile reduse ale unor astfel de reactoare sunt montate pe mecanisme autopropulsate. Având în vedere pericolul accidentelor, cel mai adesea astfel de mașini sunt submarine. În cazul unei defecțiuni a reactorului, numărul victimelor de pe submarin va fi mai ușor de minimizat.

O altă opțiune foarte înfricoșătoare pentru utilizarea energiei de înjumătățire sunt bombele atomice. În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, au fost testați asupra umanității în orașele japoneze Hiroshima și Nagasaki. Consecințele au fost foarte triste. Prin urmare, lumea are un acord privind neutilizarea acestor arme periculoase. În același timp, statele mari cu accent pe militarizare continuă cercetările în această industrie astăzi. În plus, mulți dintre ei, în secret din comunitatea mondială, produc bombe atomice, care sunt de mii de ori mai periculoase decât cele folosite în Japonia.

Izotopi în medicină

În scopuri pașnice, dezintegrarea izotopilor radioactivi a învățat să se folosească în medicină. Prin direcționarea radiațiilor către zona afectată a corpului, puteți opri cursul bolii sau puteți ajuta pacientul să se recupereze complet.

Dar mai des se folosesc izotopi radioactivi pentru diagnosticare. Chestia este că mișcarea lor și natura clusterului sunt cel mai ușor de fixat prin radiația pe care o produc. Deci, o anumită cantitate nepericuloasă de substanță radioactivă este introdusă în corpul uman, iar medicii folosesc instrumente pentru a observa cum și unde ajunge.

Astfel, se realizează diagnosticul activității creierului, natura tumorilor canceroase, caracteristicile activității glandelor endocrine și de secreție externă.

Aplicație în arheologie

Se știe că în organismele vii există întotdeauna carbon radioactiv-14, al cărui izotop este de 5570 de ani. În plus, oamenii de știință știu cât de mult din acest element este conținut în organism până în momentul morții sale. Aceasta înseamnă că toți copacii tăiați emit aceeași cantitate de radiație. În timp, intensitatea radiațiilor scade.

Acest lucru îi ajută pe arheologi să determine cu cât timp în urmă a murit copacul din care a fost construită galera sau orice altă navă și, prin urmare, chiar momentul construcției. Această metodă de cercetare se numește analiza carbonului radioactiv. Datorită lui, este mai ușor pentru oamenii de știință să stabilească cronologia evenimentelor istorice.

izotopi- varietati de atomi (și nuclee) ale unui element chimic care au același număr atomic (ordinal), dar numere de masă diferite.

Termenul de izotop este format din rădăcinile grecești isos (ἴσος „egal”) și topos (τόπος „loc”), adică „același loc”; Astfel, sensul numelui este că diferiți izotopi ai aceluiași element ocupă aceeași poziție în tabelul periodic.

Trei izotopi naturali ai hidrogenului. Faptul că fiecare izotop are un proton are variante de hidrogen: identitatea izotopului este determinată de numărul de neutroni. De la stânga la dreapta, izotopii sunt protiu (1H) cu zero neutroni, deuteriu (2H) cu un neutron și tritiu (3H) cu doi neutroni.

Numărul de protoni din nucleul unui atom se numește număr atomic și este egal cu numărul de electroni dintr-un atom neutru (neionizat). Fiecare număr atomic identifică un anumit element, dar nu un izotop; Un atom al unui element dat poate avea o gamă largă în numărul de neutroni. Numărul de nucleoni (atât protoni, cât și neutroni) dintr-un nucleu este numărul de masă al unui atom, iar fiecare izotop al unui element dat are un număr de masă diferit.

De exemplu, carbonul-12, carbonul-13 și carbonul-14 sunt trei izotopi ai carbonului elementar cu numere de masă 12, 13 și, respectiv, 14. Numărul atomic al carbonului este 6, ceea ce înseamnă că fiecare atom de carbon are 6 protoni, deci numerele de neutroni ale acestor izotopi sunt 6, 7 și, respectiv, 8.

Huclide și izotopi

Nuclidul aparține nucleului, nu atomului. Nuclee identice aparțin aceluiași nuclid, de exemplu, fiecare nucleu de carbon-13 este format din 6 protoni și 7 neutroni. Conceptul de nuclizi (referindu-se la specii nucleare individuale) accentuează proprietățile nucleare față de proprietățile chimice, în timp ce conceptul de izotop (grupând toți atomii fiecărui element) subliniază reacția chimică față de nucleară. Numărul neutronilor are o mare influență asupra proprietăților nucleelor, dar influența sa asupra proprietăților chimice este neglijabilă pentru majoritatea elementelor. Chiar și în cazul elementelor cele mai ușoare, unde raportul dintre neutroni și numărul atomic variază cel mai mult între izotopi, de obicei are doar un efect minor, deși contează în unele cazuri (pentru hidrogen, cel mai ușor element, efectul izotop este mare. Pentru a afecta foarte mult la biologie). Deoarece izotop este un termen mai vechi, este mai cunoscut decât nuclidul și este încă folosit ocazional în contexte în care nuclidul ar putea fi mai adecvat, cum ar fi tehnologia nucleară și medicina nucleară.

Notaţie

Un izotop sau nuclid este identificat prin numele unui anumit element (aceasta indică numărul atomului), urmat de o cratimă și un număr de masă (de exemplu, heliu-3, heliu-4, carbon-12, carbon-14, uraniu -235 și uraniu-239). Când se utilizează un simbol chimic, de ex. „C” pentru carbon, notație standard (cunoscută acum ca „notație AZE” deoarece A este numărul de masă, Z este numărul atomic și E pentru element) este pentru a indica numărul de masă (numărul de nucleoni) cu un superscript la din stânga sus a simbolului chimic și indicați numărul atomic cu un indice în colțul din stânga jos). Deoarece numărul atomic este dat de simbolul elementului, de obicei este dat doar numărul de masă din superscript, iar indicele atomului nu este dat. Litera m este uneori atașată după numărul de masă pentru a indica un izomer nuclear, o stare nucleară metastabilă sau excitată energetic (spre deosebire de starea fundamentală cu cea mai mică energie), cum ar fi 180m 73Ta (tantal-180m).

Izotopi radioactivi, primari și stabili

Unii izotopi sunt radioactivi și, prin urmare, sunt numiți radioizotopi sau radionuclizi, în timp ce alții nu s-au observat niciodată că se descompun radioactiv și sunt numiți izotopi stabili sau nuclizi stabili. De exemplu, 14 C este o formă radioactivă a carbonului, în timp ce 12 C și 13 C sunt izotopi stabili. Există aproximativ 339 de nuclizi naturali pe Pământ, dintre care 286 sunt nuclizi primordiali, ceea ce înseamnă că există încă de la formarea sistemului solar.

Nuclizii originali includ 32 de nuclizi cu timpi de înjumătățire foarte lungi (peste 100 de milioane de ani) și 254 care sunt considerați oficial „nuclizi stabili”, deoarece nu s-a observat că se degradează. În cele mai multe cazuri, din motive evidente, dacă un element are izotopi stabili, atunci acei izotopi domină abundența elementară găsită pe Pământ și în sistemul solar. Cu toate acestea, în cazul a trei elemente (teluriu, indiu și reniu), cel mai abundent izotop găsit în natură este de fapt unul (sau doi) radioizotop(i) cu viață extrem de lungă ai elementului, în ciuda faptului că aceste elemente au unul sau mai mulți izotopi stabili.

Teoria prezice că mulți izotopi/nuclizi aparent „stabili” sunt radioactivi, cu timpi de înjumătățire extrem de lungi (fără a lua în considerare posibilitatea dezintegrarii protonilor, care ar face toți nuclizii în cele din urmă instabili). Din cei 254 de nuclizi care nu au fost niciodată observați, doar 90 dintre ei (toate din primele 40 de elemente) sunt teoretic rezistenți la toate formele de dezintegrare cunoscute. Elementul 41 (niobiu) este teoretic instabil prin fisiune spontană, dar acest lucru nu a fost niciodată descoperit. Mulți alți nuclizi stabili sunt, teoretic, sensibili energetic la alte forme cunoscute de dezintegrare, cum ar fi descompunerea alfa sau descompunerea dublă beta, dar produsele de descompunere nu au fost încă observate și, prin urmare, acești izotopi sunt considerați a fi „stabili din punct de vedere observațional”. Timpurile de înjumătățire prezise pentru acești nuclizi depășesc adesea cu mult vârsta estimată a universului și, de fapt, există și 27 de radionuclizi cunoscuți cu timpi de înjumătățire mai mare decât vârsta universului.

Nuclizi radioactivi, creați artificial, în prezent sunt cunoscuți 3339 de nuclizi. Acestea includ 905 nuclizi care sunt fie stabili, fie au timpi de înjumătățire mai mare de 60 de minute.

Proprietăți izotopice

Proprietăți chimice și moleculare

Un atom neutru are același număr de electroni ca și protoni. Astfel, diferiți izotopi ai unui element dat au același număr de electroni și au o structură electronică similară. Deoarece comportamentul chimic al unui atom este determinat în mare măsură de structura sa electronică, diferiți izotopi prezintă un comportament chimic aproape identic.

O excepție de la aceasta este efectul de izotop cinetic: datorită maselor lor mari, izotopii mai grei tind să reacționeze ceva mai lent decât izotopii mai ușori ai aceluiași element. Acest lucru este cel mai pronunțat pentru proțiu (1 H), deuteriu (2 H) și trițiu (3 H), deoarece deuteriul are o masă de două ori mai mare decât cea a proțiului, iar trițiul are de trei ori masa proțiului. Aceste diferențe de masă afectează și comportamentul legăturilor lor chimice respective prin modificarea centrului de greutate (masă redusă) al sistemelor atomice. Cu toate acestea, pentru elementele mai grele, diferența de masă relativă dintre izotopi este mult mai mică, astfel încât efectele diferenței de masă în chimie sunt de obicei neglijabile. (Elementele grele au, de asemenea, relativ mai mulți neutroni decât elementele mai ușoare, astfel încât raportul dintre masa nucleară și masa totală a electronilor este ceva mai mare.)

În mod similar, două molecule care diferă doar în izotopii atomilor lor (izotopologi) au aceeași structură electronică și, prin urmare, proprietăți fizice și chimice aproape indistincte (din nou, deuteriul și tritiul fiind principalele excepții). Modurile de vibrație ale unei molecule sunt determinate de forma ei și de masele atomilor ei constitutivi; Prin urmare, diferiți izotopologi au seturi diferite de moduri vibraționale. Deoarece modurile de vibrație permit unei molecule să absoarbă fotonii energiilor adecvate, izotopologii au proprietăți optice diferite în infraroșu.

Proprietăți nucleare și stabilitate

Timpurile de înjumătățire izotopică. Graficul pentru izotopii stabili se abate de la linia Z = N pe măsură ce numărul elementului Z crește

Nucleele atomice sunt formate din protoni și neutroni legați împreună printr-o forță puternică reziduală. Deoarece protonii sunt încărcați pozitiv, se resping reciproc. Neutronii, care sunt neutri din punct de vedere electric, stabilizează nucleul în două moduri. Contactul lor împinge puțin protonii înapoi, reducând repulsia electrostatică dintre protoni și exercită o forță nucleară atractivă unul asupra celuilalt și asupra protonilor. Din acest motiv, unul sau mai mulți neutroni sunt necesari pentru ca doi sau mai mulți protoni să se lege de nucleu. Pe măsură ce numărul de protoni crește, crește și raportul dintre neutroni și protoni necesar pentru a oferi un nucleu stabil (vezi graficul din dreapta). De exemplu, deși raportul neutron: proton 3 2 He este 1:2, raportul neutron: proton 238 92 U
Peste 3:2. Un număr de elemente mai ușoare au nuclizi stabili cu un raport de 1:1 (Z = N). Nuclidul 40 20 Ca (calciu-40) este cel mai greu nuclid stabil observabil cu același număr de neutroni și protoni; (Teoretic, cel mai greu grajd este sulful-32). Toți nuclizii stabili mai grei decât calciul-40 conțin mai mulți neutroni decât protoni.

Numărul de izotopi pe element

Dintre cele 81 de elemente cu izotopi stabili, cel mai mare număr de izotopi stabili observabili pentru orice element este zece (pentru elementul staniu). Niciun element nu are nouă izotopi stabili. Xenonul este singurul element cu opt izotopi stabili. Patru elemente au șapte izotopi stabili, dintre care opt au șase izotopi stabili, zece au cinci izotopi stabili, nouă au patru izotopi stabili, cinci au trei izotopi stabili, 16 au doi izotopi stabili și 26 de elemente au doar unul (dintre care 19 sunt așa-numitele elemente mononuclidice, care au un singur izotop stabil primordial care domină și fixează greutatea atomică a elementului natural cu mare precizie, sunt prezente și 3 elemente mononuclidice radioactive). În total, există 254 de nuclizi care nu au fost observați să se descompună. Pentru 80 de elemente care au unul sau mai mulți izotopi stabili, numărul mediu de izotopi stabili este de 254/80 = 3,2 izotopi pe element.

Numere par și impar de nucleoni

Protoni: Raportul dintre neutroni nu este singurul factor care afectează stabilitatea nucleară. Depinde, de asemenea, de paritatea sau neregulă numărului său atomic Z, numărul de neutroni N, de unde și suma numărului lor de masă A. Impare atât Z, cât și N tind să scadă energia de legare nucleară, creând nuclee impare care sunt în general mai puțin stabile. . Această diferență semnificativă în energia de legare nucleară între nucleele învecinate, în special izobarele ciudate, are consecințe importante: izotopi instabili cu un număr suboptim de neutroni sau protoni se descompun prin dezintegrare beta (inclusiv dezintegrarea pozitronilor), captarea electronilor sau alte mijloace exotice, cum ar fi fisiunea spontană și dezintegrare. clustere.

Cei mai mulți nuclizi stabili sunt un număr par de protoni și un număr par de neutroni, unde Z, N și A sunt toți pare. Nuclizii impari stabili sunt împărțiți (aproximativ egal) în cei impari.

numar atomic

Cei 148 de nuclizi egali de protoni, neutroni egali (EE) reprezintă ~ 58% din toți nuclizii stabili. Există, de asemenea, 22 de nuclizi primordiali cu viață lungă. Ca rezultat, fiecare dintre cele 41 de elemente pare de la 2 la 82 are cel puțin un izotop stabil și majoritatea acestor elemente au mai mulți izotopi primari. Jumătate dintre aceste elemente chiar au șase sau mai mulți izotopi stabili. Stabilitatea extremă a heliului-4, datorită legăturii binare a doi protoni și doi neutroni, împiedică orice nuclizi care conțin cinci sau opt nucleoni să existe suficient de mult pentru a servi drept platforme pentru acumularea de elemente mai grele prin fuziune nucleară.

Acești 53 de nuclizi stabili au un număr par de protoni și un număr impar de neutroni. Sunt o minoritate în comparație cu izotopii pari, care sunt de aproximativ 3 ori mai numeroși. Dintre cele 41 de elemente par-Z care au un nuclid stabil, doar două elemente (argon și ceriu) nu au nuclizi stabili par-impari. Un element (staniu) are trei. Există 24 de elemente care au un nuclid par-impar și 13 care au doi nuclizi par-impar.

Datorită numerelor lor impare de neutroni, nuclizii par-impari tind să aibă secțiuni transversale mari de captare a neutronilor datorită energiei care provine din efectele de cuplare a neutronilor. Acești nuclizi stabili pot fi neobișnuit de abundenți în natură, în principal pentru că, pentru a se forma și a intra în abundența primordială, ei trebuie să scape de captarea neutronilor pentru a forma încă alți izotopi stabili par-impari pe parcursul modului în care s este procesul și r este. procesul de captare a neutronilor.în timpul nucleosintezei.

număr atomic impar

Cei 48 de nuclizi stabili de protoni impar și neutroni pari, stabilizați de numărul lor par de neutroni perechi, formează majoritatea izotopilor stabili ai elementelor impare; Foarte puțini nuclizi de neutroni ciudați-protoni impari alcătuiesc alții. Există 41 de elemente impare de la Z = 1 la 81, dintre care 39 au izotopi stabili (elementele tehnețiu (43 Tc) și prometiu (61 Pm) nu au izotopi stabili). Dintre aceste 39 de elemente Z impare, 30 de elemente (inclusiv hidrogen-1, unde 0 neutroni este par) au un izotop impar-par stabil și nouă elemente: clor (17 Cl), potasiu (19K), cupru (29 Cu), Galiu (31 Ga), Brom (35 Br), argint (47 Ag), antimoniu (51 Sb), iridiu (77 Ir) și taliu (81 Tl) au fiecare doi izotopi stabili impari-pari. Astfel, se obțin 30 + 2 (9) = 48 de izotopi stabili pari-pari.

Doar cinci nuclizi stabili conțin atât un număr impar de protoni, cât și un număr impar de neutroni. Primii patru nuclizi „impar-impari” apar în nuclizi cu greutate moleculară mică, pentru care schimbarea de la un proton la un neutron sau invers va avea ca rezultat un raport proton-neutron foarte dezechilibrat.

Singurul nuclid complet „stabil”, impar-impar este 180m 73 Ta, care este considerat cel mai rar dintre cei 254 de izotopi stabili și este singurul izomer nuclear primordial care nu a fost încă observat să se descompună, în ciuda încercărilor experimentale.

Număr impar de neutroni

Actinidele cu un număr impar de neutroni tind să se fisioneze (cu neutroni termici), în timp ce cele cu un număr de neutroni par tind să nu facă, deși fac fisiune în neutroni rapizi. Toți nuclizii impar-impari stabili din punct de vedere observațional au un spin întreg diferit de zero. Acest lucru se datorează faptului că un singur neutron nepereche și un proton nepereche au mai multă atracție de forță nucleară unul față de celălalt dacă spinurile lor sunt aliniate (producând un spin total de cel puțin 1 unitate) mai degrabă decât aliniate.

Apariția în natură

Elementele sunt formate din unul sau mai mulți izotopi naturali. Izotopii instabili (radioactivi) sunt fie primari, fie post-exemplu. Izotopii originali au fost produsul nucleosintezei stelare sau al unui alt tip de nucleosinteză, cum ar fi scindarea razelor cosmice, și au persistat până în prezent, deoarece rata lor de descompunere este atât de lentă (de exemplu uraniu-238 și potasiul-40). Izotopii post-naturali au fost creați prin bombardarea cu raze cosmice ca nuclizi cosmogeni (de exemplu, tritiu, carbon-14) sau dezintegrarea unui izotop primordial radioactiv în fiica unui nuclid radioactiv radioactiv (de exemplu, uraniu în radiu). Mai mulți izotopi sunt sintetizați în mod natural ca nuclizi nucleogeni prin alte reacții nucleare naturale, cum ar fi atunci când neutronii din fisiunea nucleară naturală sunt absorbiți de un alt atom.

După cum sa discutat mai sus, doar 80 de elemente au izotopi stabili, iar 26 dintre ele au un singur izotop stabil. Astfel, aproximativ două treimi din elementele stabile apar în mod natural pe Pământ în câțiva izotopi stabili, cel mai mare număr de izotopi stabili pentru un element fiind zece, pentru staniu (50Sn). Pe Pământ există aproximativ 94 de elemente (până la plutoniu inclusiv), deși unele se găsesc doar în cantități foarte mici, cum ar fi plutoniul-244. Oamenii de știință cred că elementele care apar în mod natural pe Pământ (unele doar ca radioizotopi) apar ca 339 de izotopi (nuclizi) în total. Doar 254 dintre acești izotopi naturali sunt stabili în sensul că nu au fost observați până în prezent. Alți 35 de nuclizi primordiali (un total de 289 de nuclizi primordiali) sunt radioactivi cu timpi de înjumătățire cunoscut, dar au perioade de înjumătățire de peste 80 de milioane de ani, permițându-le să existe încă de la începutul sistemului solar.

Toți izotopii stabili cunoscuți apar în mod natural pe Pământ; Alți izotopi naturali sunt radioactivi, dar din cauza timpilor lor de înjumătățire relativ lungi sau din cauza altor metode naturale de producție continuă. Acestea includ nuclizii cosmogeni menționați mai sus, nuclizii nucleogeni și orice izotopi radiogeni care rezultă din degradarea continuă a unui izotop radioactiv primar, cum ar fi radonul și radiul din uraniu.

Alți ~3000 de izotopi radioactivi care nu se găsesc în natură au fost creați în reactoare nucleare și acceleratoare de particule. Mulți izotopi de scurtă durată care nu se găsesc în mod natural pe Pământ au fost observați și prin analize spectroscopice creați în mod natural în stele sau supernove. Un exemplu este aluminiul-26, care nu se găsește în mod natural pe Pământ, dar se găsește din abundență la scară astronomică.

Masele atomice tabulate ale elementelor sunt medii care explică prezența mai multor izotopi cu mase diferite. Înainte de descoperirea izotopilor, valorile neintegrate determinate empiric pentru masa atomică i-au derutat pe oamenii de știință. De exemplu, o probă de clor conține 75,8% clor-35 și 24,2% clor-37, dând o masă atomică medie de 35,5 unități de masă atomică.

Conform teoriei general acceptate a cosmologiei, în Big Bang au fost creați doar izotopii hidrogenului și heliului, urme ale unor izotopi de litiu și beriliu și, eventual, niște bor, iar toți ceilalți izotopi au fost sintetizați mai târziu, în stele și supernove. , precum și în interacțiunile dintre particulele energetice, cum ar fi razele cosmice, și izotopii obținuți anterior. Abundența izotopică corespunzătoare a izotopilor de pe Pământ se datorează cantităților produse de aceste procese, propagării lor prin galaxie și ratei de dezintegrare a izotopilor, care sunt instabili. După fuziunea inițială a sistemului solar, izotopii au fost redistribuiți în funcție de masă, iar compoziția izotopică a elementelor variază ușor de la o planetă la alta. Acest lucru face uneori posibilă urmărirea originii meteoriților.

Masa atomică a izotopilor

Masa atomică (mr) a unui izotop este determinată în principal de numărul său de masă (adică numărul de nucleoni din nucleul său). Micile corecții se datorează energiei de legare a nucleului, diferenței mici de masă dintre proton și neutron și masei electronilor asociate atomului.

Numar de masa este o mărime adimensională. Masa atomică, pe de altă parte, este măsurată folosind unitatea de masă atomică, bazată pe masa atomului de carbon-12. Este notat prin simbolurile „u” (pentru unitatea de masă atomică unificată) sau „Da” (pentru dalton).

Masele atomice ale izotopilor naturali ai unui element determină masa atomică a elementului. Când un element conține N izotopi, expresia de mai jos se aplică masei atomice medii:

Unde m 1 , m 2 , …, mN sunt masele atomice ale fiecărui izotop individual și x 1 , …, xN este abundența relativă a acestor izotopi.

Aplicarea izotopilor

Există mai multe aplicații care exploatează proprietățile diferiților izotopi ai unui element dat. Separarea izotopilor este o problemă tehnologică importantă, în special în cazul elementelor grele precum uraniul sau plutoniul. Elementele mai ușoare, cum ar fi litiul, carbonul, azotul și oxigenul sunt de obicei separate prin difuzia gazoasă a compușilor lor, cum ar fi CO și NO. Separarea hidrogenului și a deuteriului este neobișnuită, deoarece se bazează mai degrabă pe proprietăți chimice decât pe proprietăți fizice, cum ar fi în procesul de sulfură Girdler. Izotopii de uraniu au fost separați în volum prin difuzie gazoasă, centrifugare cu gaz, separare cu ionizare cu laser și (în proiectul Manhattan) după tipul de producție de spectrometrie de masă.

Utilizarea proprietăților chimice și biologice

• Analiza izotopilor este determinarea semnăturii izotopice, a abundenței relative a izotopilor unui element dat dintr-o anumită probă. În special pentru nutrienți, pot apărea variații semnificative ale izotopilor C, N și O. Analiza unor astfel de variații are o gamă largă de aplicații, cum ar fi detectarea adulterării în alimente sau originea geografică a alimentelor folosind izoscapes. Identificarea unor meteoriți originari de pe Marte se bazează parțial pe semnătura izotopică a urmelor de gaze pe care le conțin.
• Substituția izotopică poate fi utilizată pentru a determina mecanismul unei reacții chimice prin efectul de izotop cinetic.
• O altă aplicație comună este etichetarea izotopică, utilizarea izotopilor neobișnuiți ca marcatori sau markeri în reacțiile chimice. De obicei, atomii unui element dat nu se disting unul de celălalt. Cu toate acestea, folosind izotopi de mase diferite, chiar și diferiți izotopi stabili neradioactivi pot fi distinși folosind spectrometria de masă sau spectroscopie în infraroșu. De exemplu, în „Stable Isotope Labeling of Amino Acids in Cell Culture” (SILAC), izotopii stabili sunt utilizați pentru a cuantifica proteinele. Dacă se folosesc izotopi radioactivi, aceștia pot fi detectați prin radiația pe care o emit (aceasta se numește marcare cu radioizotopi).
• Izotopii sunt utilizați în mod obișnuit pentru a determina concentrația diferitelor elemente sau substanțe folosind metoda diluției izotopice, în care cantități cunoscute de compuși substituiți izotopic sunt amestecate cu probe și caracteristicile izotopice ale amestecurilor rezultate sunt determinate prin spectrometrie de masă.

Utilizarea proprietăților nucleare

• O metodă similară etichetării radioizotopilor este datarea radiometrică: folosind timpul de înjumătățire cunoscut al unui element instabil, se poate calcula timpul scurs de la existența unei concentrații cunoscute de izotop. Cel mai cunoscut exemplu este datarea cu radiocarbon, care este folosită pentru a determina vârsta materialelor carbonice.
• Unele forme de spectroscopie se bazează pe proprietățile nucleare unice ale izotopilor specifici, atât radioactivi, cât și stabili. De exemplu, spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară (RMN) poate fi utilizată numai pentru izotopi cu spin nuclear diferit de zero. Cei mai frecventi izotopi utilizați în spectroscopia RMN sunt 1 H, 2 D, 15 N, 13 C și 31 P.
• Spectroscopia Mössbauer se bazează, de asemenea, pe tranzițiile nucleare ale izotopilor specifici, cum ar fi 57 Fe.