Atomii diferitelor elemente pot fi izotopi? Ce sunt izotopii

Izotopi

IZOTOPI-s; pl.(izotop unitar, -a; m.). [din greacă isos - egal și topos - loc] Specialist. Soiuri ale aceluiași lucru element chimic, care diferă în masa atomilor. Izotopi radioactivi. Izotopi ai uraniului.

◁ Izotopic, oh, oh. I. indicator.

Istoria cercetării
Primele date experimentale despre existența izotopilor au fost obținute în 1906-10. la studierea proprietăţilor transformărilor radioactive ale atomilor elementelor grele. În 1906-07. s-a descoperit că produsul de descompunere radioactiv al uraniului - ioniu și produsul de descompunere radioactiv al toriu - radiotoriu au același Proprietăți chimice, ca toriul, dar diferă de acesta din urmă prin masa atomică și caracteristicile dezintegrarii radioactive. În plus: toate cele trei elemente au aceleași spectre optice și de raze X. La sugestia savantului englez F. Soddy (cm. SODDY Frederick), astfel de substanțe au început să fie numite izotopi.
După ce au fost descoperiți izotopi în elementele radioactive grele, a început căutarea izotopilor în elementele stabile. Confirmarea independentă a existenței izotopilor stabili ai elementelor chimice a fost obținută în experimentele lui J. J. Thomson (cm. THOMSON Joseph John)şi F. Aston (cm. ASTON Francis William). Thomson a descoperit izotopi stabili ai neonului în 1913. Aston, care a efectuat cercetări folosind un instrument pe care l-a proiectat numit spectrograf de masă (sau spectrometru de masă), folosind metoda spectrometriei de masă (cm. SPECTROMETRIE DE MASA), a demonstrat că multe alte elemente chimice stabile au izotopi. În 1919, a obținut dovezi ale existenței a doi izotopi 20 Ne și 22 Ne, a căror abundență (abundență) relativă în natură este de aproximativ 91% și 9%. Ulterior, a fost descoperit izotopul 21 Ne cu o abundență de 0,26%, izotopi de clor, mercur și o serie de alte elemente.
Un spectrometru de masă cu un design ușor diferit a fost creat în aceiași ani de A. J. Dempster (cm. DEMPSTER Arthur Jeffrey). Ca urmare a utilizării și îmbunătățirii ulterioare a spectrometrelor de masă prin eforturile multor cercetători, aproape masă plină compoziții izotopice. În 1932, a fost descoperit un neutron - o particulă fără sarcină, cu o masă apropiată de masa nucleului unui atom de hidrogen - un proton și a fost creat un model proton-neutron al nucleului. Drept urmare, știința a stabilit definiția finală a conceptului de izotopi: izotopii sunt substanțe ale căror nuclee atomice sunt formate din același număr de protoni și diferă doar prin numărul de neutroni din nucleu. În jurul anului 1940, s-au efectuat analize izotopice pentru toate elementele chimice cunoscute la acea vreme.
În timpul studiului radioactivității au fost descoperite aproximativ 40 de substanțe radioactive naturale. Au fost grupați în familii radioactive, ai căror strămoși sunt izotopi ai toriului și uraniului. Cele naturali includ toate varietățile stabile de atomi (aproximativ 280 dintre ele) și toți cei radioactivi natural care fac parte din familiile radioactive (46 dintre ei). Toți ceilalți izotopi sunt obținuți ca rezultat al reacțiilor nucleare.
Pentru prima dată în 1934 I. Curie (cm. JOLIO-CURIE Irene)şi F. Joliot-Curie (cm. JOLIO-CURIE Frederic) a primit artificial izotopi radioactivi de azot (13 N), siliciu (28 Si) și fosfor (30 P), care nu se găsesc în natură. Cu aceste experimente au demonstrat posibilitatea sintetizării de noi nuclizi radioactivi. Dintre radioizotopii artificiali cunoscuți în prezent, mai mult de 150 aparțin elementelor transuraniului (cm. ELEMENTE TRANSURAN), care nu se găsește pe Pământ. Teoretic, se presupune că numărul de soiuri de izotopi capabili să existe poate ajunge la aproximativ 6000.

Dicţionar enciclopedic. 2009 .

Vedeți ce sunt „izotopi” în alte dicționare:

Enciclopedie modernă

Izotopi- (din iso... și greacă topos place), varietati de elemente chimice în care nucleele atomilor (nuclizilor) diferă ca număr de neutroni, dar conțin același număr de protoni și deci ocupă același loc în tabelul periodic chimic... Ilustrat Dicţionar enciclopedic

- (din iso... și greacă topos place) varietati de elemente chimice în care nucleele atomice diferă ca număr de neutroni, dar conțin același număr de protoni și deci ocupă același loc în tabelul periodic al elementelor. Distinge...... Dicţionar enciclopedic mare

IZOTOPI- IZOTOPI, chimici. elemente situate în aceeași celulă a tabelului periodic și deci având același număr atomic sau număr ordinal. În acest caz, ionii nu ar trebui, în general, să aibă aceeași greutate atomică. Variat… … Marea Enciclopedie Medicală

Varietăți ale acestei substanțe chimice. elemente care diferă prin masa nucleelor ​​lor. Deținând sarcini identice ale nucleelor ​​Z, dar diferiți prin numărul de neutroni, electronii au aceeași structură a învelișurilor de electroni, adică substanțe chimice foarte apropiate. Sf. Va, și ocupă același lucru... ... Enciclopedie fizică

Atomi ai aceleiași substanțe chimice. un element ale cărui nuclee conțin același număr de protoni, dar un număr diferit de neutroni; au mase atomice diferite, au aceeași substanță chimică. proprietăți, dar diferă în proprietățile lor fizice. proprietăți, în special... Dicţionar de microbiologie

Atomi chimic. elemente care au numere de masă diferite, dar au aceeasi taxa nuclee atomice și de aceea ocupă un loc în tabelul periodic al lui Mendeleev. Atomi ai diferiților izotopi ai aceleiași substanțe chimice. elementele difera ca numar...... Enciclopedie geologică

· Timp de înjumătățire · Număr de masă · Reacție nucleară în lanț

Terminologie

Istoria descoperirii izotopilor

Prima dovadă că substanțele având același comportament chimic pot avea proprietăți fizice diferite a fost obținută prin studierea transformărilor radioactive ale atomilor elementelor grele. În 1906-07, s-a dovedit că produsul dezintegrarii radioactive a uraniului - ioniu și produsul dezintegrarii radioactive a toriului - radiotoriul, au aceleași proprietăți chimice ca și toriul, dar diferă de acesta prin masa atomică și caracteristicile dezintegrarii radioactive. S-a descoperit ulterior că toate cele trei produse aveau spectre optice și de raze X identice. Astfel de substanțe, identice ca proprietăți chimice, dar diferite în ceea ce privește masa atomilor și unele proprietăți fizice, la sugestia savantului englez F. Soddy, au început să fie numite izotopi.

Izotopi în natură

Se crede că compoziția izotopică a elementelor de pe Pământ este aceeași în toate materialele. niste procese fiziceîn natură conduc la perturbarea compoziției izotopice a elementelor (naturale fracționare izotopii caracteristici elementelor ușoare, precum și deplasările izotopilor în timpul dezintegrarii izotopilor naturali cu viață lungă). Acumularea treptată a nucleelor ​​în minerale - produsele de descompunere a unor nuclizi cu viață lungă - este utilizată în geocronologia nucleară.

Utilizări umane ale izotopilor

În activitățile tehnologice, oamenii au învățat să schimbe compoziția izotopică a elementelor pentru a obține orice proprietăți specifice ale materialelor. De exemplu, 235 U este capabil de o reacție în lanț de fisiune prin neutroni termici și poate fi folosit ca combustibil pentru reactoare nucleare sau pentru arme nucleare. Cu toate acestea, uraniul natural conține doar 0,72% din acest nuclid, în timp ce o reacție în lanț este practic fezabilă doar cu un conținut de 235U de cel puțin 3%. Datorită asemănării proprietăților fizice și chimice ale izotopilor elementelor grele, procedura de îmbogățire cu izotopi a uraniului este o sarcină tehnologică extrem de complexă, care este accesibilă doar pentru o duzină de țări din lume. Etichetele izotopice sunt utilizate în multe ramuri ale științei și tehnologiei (de exemplu, în testele radioimuno).

Vezi si

• Geochimia izotopilor

Instabil (mai puțin de o zi): 8 C: Carbon-8, 9 C: Carbon-9, 10 C: Carbon-10, 11 C: Carbon-11

Grajd: 12 C: Carbon-12, 13 C: Carbon-13

10-10.000 de ani: 14 C: Carbon-14

Instabil (mai puțin de o zi): 15 C: Carbon-15, 16 C: Carbon-16, 17 C: Carbon-17, 18 C: Carbon-18, 19 C: Carbon-19, 20 C: Carbon-20, 21 C: Carbon-21, 22 C: Carbon-22

Studiind fenomenul radioactivității, oamenii de știință în primul deceniu al secolului al XX-lea. a descoperit un număr mare de substanțe radioactive – aproximativ 40. Erau semnificativ mai multe decât locuri libereîn tabelul periodic al elementelor dintre bismut și uraniu. Natura acestor substanțe a fost controversată. Unii cercetători le-au considerat elemente chimice independente, dar în acest caz problema plasării lor în tabelul periodic s-a dovedit a fi insolubilă. Alții le-au refuzat în general dreptul de a fi numiți elemente în sensul clasic. În 1902, fizicianul englez D. Martin a numit astfel de substanțe radioelemente. Pe măsură ce au fost studiate, a devenit clar că unele radioelemente au exact aceleași proprietăți chimice, dar diferă în mase atomice. Această împrejurare a contrazis prevederile de bază ale legii periodice. Omul de știință englez F. Soddy a rezolvat contradicția. În 1913, el a numit radioelemente similare chimic izotopi (din cuvintele grecești care înseamnă „același” și „loc”), adică ocupă același loc în tabelul periodic. Radioelementele s-au dovedit a fi izotopi ai elementelor radioactive naturale. Toate sunt combinate în trei familii radioactive, ai căror strămoși sunt izotopi de toriu și uraniu.

Izotopi ai oxigenului. Izobari de potasiu și argon (izobarii sunt atomi de elemente diferite cu același număr de masă).

Numărul de izotopi stabili pentru elementele pare și impare.

Curând a devenit clar că și alte elemente chimice stabile au izotopi. Principalul merit pentru descoperirea lor îi aparține fizicianului englez F. Aston. El a descoperit izotopi stabili ai multor elemente.

Din punct de vedere modern, izotopii sunt varietăți de atomi ai unui element chimic: au mase atomice diferite, dar aceeași sarcină nucleară.

Nucleele lor conțin astfel același număr de protoni, dar un număr diferit de neutroni. De exemplu, izotopii naturali ai oxigenului cu Z = 8 conțin 8, 9 și, respectiv, 10 neutroni în nucleele lor. Suma numerelor de protoni și neutroni din nucleul unui izotop se numește număr de masă A. În consecință, numerele de masă ale izotopilor de oxigen indicați sunt 16, 17 și 18. În prezent, se acceptă următoarea denumire pentru izotopi: valoarea Z este dată mai jos în stânga simbolului elementului, valoarea A este dată în stânga sus De exemplu: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

De la descoperirea fenomenului de radioactivitate artificială, aproximativ 1.800 de izotopi radioactivi artificiali au fost produși folosind reacții nucleare pentru elemente cu Z de la 1 la 110. Marea majoritate a radioizotopilor artificiali au timpi de înjumătățire foarte scurt, măsurați în secunde și fracțiuni de secunde. ; doar câțiva au o speranță de viață relativ lungă (de exemplu, 10 Be - 2,7 10 6 ani, 26 Al - 8 10 5 ani etc.).

Elementele stabile sunt reprezentate în natură de aproximativ 280 de izotopi. Cu toate acestea, unele dintre ele s-au dovedit a fi slab radioactive, cu timpi de înjumătățire uriaș (de exemplu, 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Durata de viață a acestor izotopi este atât de lungă încât pot fi considerați stabili.

Există încă multe provocări în lumea izotopilor stabili. Deci, nu este clar de ce este numărul lor elemente diferite variază atât de mult. Aproximativ 25% din elementele stabile (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) sunt prezente în natura doar un tip de atom. Acestea sunt așa-numitele elemente unice. Este interesant că toate (cu excepția lui Be) au valori Z impare. În general, pentru elementele impare numărul de izotopi stabili nu depășește doi. În schimb, unele elemente de tip Z par constau dintr-un număr mare de izotopi (de exemplu, Xe are 9, Sn are 10 izotopi stabili).

Setul de izotopi stabili ai unui element dat se numește galaxie. Conținutul lor în galaxie fluctuează adesea foarte mult. Este interesant de remarcat faptul că cel mai mare conținut este de izotopi cu numere de masă care sunt multipli de patru (12 C, 16 O, 20 Ca etc.), deși există excepții de la această regulă.

Descoperirea izotopilor stabili a făcut posibilă rezolvarea misterului de lungă durată al maselor atomice - abaterea lor de la numerele întregi, explicată prin diferitele procente de izotopi stabili ai elementelor din galaxie.

În fizica nucleară este cunoscut conceptul de „izobare”. Izobarele sunt izotopii diferitelor elemente (adică cu sensuri diferite Z) având aceleași numere de masă. Studiul izobarelor a contribuit la stabilirea multor modele importante în comportamentul și proprietățile nucleelor ​​atomice. Unul dintre aceste modele este exprimat de regula formulată de chimistul sovietic S. A. Shchukarev și fizicianul german I. Mattauch. Se spune: dacă două izobare diferă în valorile Z cu 1, atunci una dintre ele va fi cu siguranță radioactivă. Exemplu clasic perechi de izobare - 40 18 Ar - 40 19 K. Izotopul de potasiu din acesta este radioactiv. Regula Shchukarev-Mattauch a făcut posibilă explicarea de ce nu există izotopi stabili în elementele tehnețiu (Z = 43) și prometiu (Z = 61). Deoarece au valori Z impare, nu se poate aștepta mai mult de doi izotopi stabili pentru ei. Dar s-a dovedit că izobarii de tehnețiu și prometiu, respectiv izotopii de molibden (Z = 42) și ruteniu (Z = 44), neodim (Z = 60) și samariu (Z = 62), sunt reprezentați în natură de stabil. varietati de atomi într-o gamă largă de numere de masă. Astfel, legile fizice interzic existența izotopilor stabili de tehnețiu și prometiu. Acesta este motivul pentru care aceste elemente nu există de fapt în natură și au trebuit să fie sintetizate artificial.

Oamenii de știință încearcă de mult timp să dezvolte un sistem periodic de izotopi. Desigur, se bazează pe principii diferite decât baza tabelului periodic al elementelor. Dar aceste încercări nu au dus încă la rezultate satisfăcătoare. Adevărat, fizicienii au demonstrat că secvența de umplere a învelișurilor de protoni și neutroni în nuclee atomice este similară în principiu cu construcția învelișurilor de electroni și a subînvelișurilor în atomi (vezi Atom).

Învelișurile de electroni ale izotopilor unui element dat sunt construite exact în același mod. Prin urmare, proprietățile lor chimice și fizice sunt aproape identice. Doar izotopii de hidrogen (protiu și deuteriu) și compușii lor prezintă diferențe notabile în proprietăți. De exemplu, apa grea (D 2 O) îngheață la +3,8, fierbe la 101,4 ° C, are o densitate de 1,1059 g/cm 3 și nu susține viața animalelor și a organismelor vegetale. În timpul electrolizei apei în hidrogen și oxigen, predominant moleculele de H 2 0 sunt descompuse, în timp ce moleculele grele de apă rămân în electrolizor.

Separarea izotopilor altor elemente este o sarcină extrem de dificilă. Cu toate acestea, în multe cazuri, sunt necesari izotopi ai elementelor individuale cu abundențe modificate semnificativ în comparație cu abundența naturală. De exemplu, atunci când rezolvați o problemă energie Atomică A fost nevoie de separarea izotopilor 235 U și 238 U. În acest scop a fost utilizată pentru prima dată metoda spectrometriei de masă, cu ajutorul căreia s-au obținut primele kilograme de uraniu-235 în SUA în 1944. Cu toate acestea, această metodă s-a dovedit a fi prea costisitoare și a fost înlocuită cu metoda de difuzie a gazului, care folosea UF 6. Acum există mai multe metode de separare a izotopilor, dar toate sunt destul de complexe și costisitoare. Și totuși problema „împărțirii indivizibilului” este rezolvată cu succes.

A apărut o nouă disciplină științifică - chimia izotopilor. Ea studiază comportamentul diverșilor izotopi ai elementelor chimice în reacții chimiceși procesele de schimb de izotopi. Ca rezultat al acestor procese, izotopii unui element dat sunt redistribuiți între substanțele care reacţionează. Aici cel mai simplu exemplu: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (o moleculă de apă schimbă un atom de protiu cu un atom de deuteriu). Geochimia izotopilor este, de asemenea, în curs de dezvoltare. Ea studiază variațiile compoziției izotopice a diferitelor elemente din scoarța terestră.

Cei mai folosiți sunt așa-numiții atomi marcați - izotopi radioactivi artificiali ai elementelor stabile sau izotopi stabili. Cu ajutorul indicatorilor izotopici - atomi etichetați - ei studiază căile de mișcare a elementelor din natura neînsuflețită și vie, natura distribuției substanțelor și elementelor în diferite obiecte. Izotopii sunt utilizați în tehnologia nucleară: ca materiale pentru construcția reactoarelor nucleare; ca combustibil nuclear (izotopi de toriu, uraniu, plutoniu); în fuziunea termonucleară (deuteriu, 6 Li, 3 He). Izotopii radioactivi sunt, de asemenea, folosiți pe scară largă ca surse de radiații.

Studiind proprietățile elementelor radioactive, s-a descoperit că același element chimic poate conține atomi cu mase nucleare diferite. În același timp, au aceeași sarcină nucleară, adică acestea nu sunt impurități ale unor substanțe străine, ci aceeași substanță.

Ce sunt izotopii și de ce există?

În tabelul periodic al lui Mendeleev, atât acest element, cât și atomii unei substanțe cu mase nucleare diferite ocupă o celulă. Pe baza celor de mai sus, astfel de soiuri din aceeași substanță au primit numele de „izotopi” (din grecescul isos - identic 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, a fost posibil să se explice existența izotopilor astfel: nucleele unor atomi ai unei substanțe 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 în funcție de masă, conțin un număr diferit de neutroni.

Izotopi stabili și instabili

Izotopii pot fi stabili sau 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 transformării spontane 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 sau chiar 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. Număr par 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 ai diferitelor elemente sunt asociate cu dependența complexă a numărului de protoni și neutroni de energia de legare a nucleului.

Aproape toate substanțele din natură există sub formă de amestec de izotopi. Numărul de izotopi dintr-o substanță depinde de tipul de substanță, de masa atomică și de numărul de izotopi stabili ai unui anumit element chimic.

Izotopi- varietati de atomi (și nuclee) ale unui element chimic care au același număr atomic (ordinal), dar în același timp 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 element specific, 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) din nucleu este numărul de masă al atomului, 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.

Nuklides Și izotopi

Nuclidul se referă la un nucleu, nu la un atom. Nuclee identice aparțin aceluiași nuclid, de exemplu, fiecare nucleu al nuclidului carbon-13 este format din 6 protoni și 7 neutroni. Conceptul de nuclid (referitor la speciile nucleare individuale) accentuează proprietățile nucleare asupra proprietăților chimice, în timp ce conceptul de izotop (grupând toți atomii fiecărui element) subliniază reacția chimică față de reacția nucleară. Numărul neutronilor are o influență mare asupra proprietăților nucleelor, dar efectul său asupra proprietăților chimice este neglijabil pentru majoritatea elementelor. Chiar și în cazul celor mai ușoare elemente, 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 avea un efect mare pentru biologie). Deoarece izotop este un termen mai vechi, este mai cunoscut decât nuclidul și este încă folosit uneori în contexte în care nuclidul poate fi mai adecvat, cum ar fi tehnologia nucleară și medicina nucleară.

Denumiri

Un izotop sau nuclid este identificat prin numele elementului specific (aceasta indică numărul atomic), urmat de o cratimă și numărul de masă (de exemplu, heliu-3, heliu-4, carbon-12, carbon-14, uraniu- 235 și uraniu-239). Când este utilizat 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 este pentru element) - indicați numărul de masă (numărul de nucleoni) cu un superscript în 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 numai numărul de masă este dat în superscript și nu este dat niciun indice atomic. Litera m este uneori adăugată 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), de exemplu, 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 forma 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 au existat de la formarea lor. sistem 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 comun izotop găsit în natură este de fapt unul (sau doi) radioizotopi extrem de longevivi ai elementului, în ciuda faptului că aceste elemente au unul. sau izotopi mai stabili.

Teoria prezice că mulți izotopi/nuclizi aparent „stabili” sunt radioactivi, cu timpi de înjumătățire extrem de lungi (ignorând 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 primele 40 de elemente) sunt teoretic rezistenți la toate formele cunoscute de degradare. Elementul 41 (niobiu) este teoretic instabil prin fisiune spontană, dar acest lucru nu a fost niciodată descoperit. Mulți alți nuclizi stabili sunt, în teorie, sensibili energetic la alte forme de descompunere cunoscute, cum ar fi descompunerea alfa sau descompunerea dublă beta, dar produsele de descompunere nu au fost încă observate și astfel 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 3.339 de nuclizi. Acestea includ 905 nuclizi care sunt fie stabili, fie au timpi de înjumătățire mai mare de 60 de minute.

Proprietățile izotopilor

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 structuri electronice similare. Deoarece comportamentul chimic al unui atom este determinat în mare măsură de structura sa electronică, diferiți izotopi prezintă un comportament chimic aproape identic.

Excepția 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 de proțiu, iar tritiul are de trei ori masa de proțiu. Aceste diferențe de masă afectează și comportamentul lor legături chimice, schimbând centrul de greutate (masă redusă) al sistemelor atomice. Cu toate acestea, pentru elementele mai grele diferențele de masă relativă dintre izotopi sunt mult mai mici, astfel încât efectele diferențelor de masă în chimie sunt de obicei neglijabile. (Elementele grele au, de asemenea, relativ mai mulți neutroni decât elementele mai ușoare, deci raportul dintre masa nucleară și masa totală a electronilor este oarecum mai mare).

De asemenea, două molecule care diferă doar prin izotopii atomilor lor (izotopologi) au aceeași structură electronică și, prin urmare, proprietăți fizice și chimice aproape indistincte (din nou, cu excepțiile primare fiind deuteriul și tritiul). 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 fotoni de energii adecvate, izotopologii au proprietăți optice diferite în infraroșu.

Proprietăți nucleare și stabilitate

Nucleele atomice constau din protoni și neutroni legați unul de celălalt prin reziduuri forta puternica. Deoarece protonii sunt încărcați pozitiv, se resping reciproc. Neutronii, care sunt neutri din punct de vedere electric, stabilizează nucleul în două moduri. Contactul lor depărtează ușor protonii, 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 un 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 de 3 2 He este 1:2, raportul neutron:proton este 238 92 U
Mai mult de 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 din punct de vedere observațional, cu același număr de neutroni și protoni; (Teoretic, cel mai greu stabil este sulful-32). Toți nuclizii stabili mai grei decât calciul-40 conțin mai mulți neutroni decât protoni.

Numărul de izotopi pe element

Din cele 81 de elemente cu izotopi stabili, cel mai mare număr Izotopii stabili observați pentru orice element sunt 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, având un singur izotop stabil primordial care domină și fixează greutatea atomică a elementului natural cu mare precizie sunt prezente și 3 elemente mononuclidice radioactive); Există un total de 254 de nuclizi care nu au fost observați să se descompună. Pentru cele 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 neutronilor nu este singurul factor care afectează stabilitatea nucleară. Depinde, de asemenea, de paritatea sau neobișnuirea numărului său atomic Z, de numărul de neutroni N, de unde și de 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 clustere de dezintegrare.

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

Numar atomic

Cei 148 de nuclizi de protoni pari și neutroni (NE) reprezintă ~ 58% din toți nuclizii stabili. Există, de asemenea, 22 de nuclizi primordiali cu viață lungă. Ca rezultat, fiecare dintre cele 41 de elemente cu numere pare de la 2 la 82 are cel puțin un izotop stabil și majoritatea acestor elemente au izotopi primari multipli. Jumătate dintre aceste elemente cu număr par au șase sau mai mulți izotopi stabili. Stabilitatea extremă a heliului-4, datorită compusului dublu de 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 numar impar neutroni. Sunt o minoritate în comparație cu izotopii egali, care sunt de aproximativ 3 ori mai abundenți. 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.

Din cauza numerelor lor impare de neutroni, nuclizii impari tind să aibă secțiuni transversale mari de captare a neutronilor datorită energiei care rezultă din efectele de cuplare a neutronilor. Acești nuclizi stabili pot fi neobișnuit de abundenți în natură, în principal pentru că pentru a forma și a intra în abundența primordială, ei trebuie să scape de captarea neutronilor pentru a forma încă alți izotopi stabili pari-impari în timpul procesului s și al procesului de captare a neutronilor r 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 impari-protoni impari îi alcătuiesc pe ceilalți. 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 sunt pare) au un izotop stabil par-impar 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 impar-pari. Acest lucru dă 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 unui proton într-un neutron sau invers va duce la 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 fisiune (cu neutroni termici), în timp ce cele cu un număr de neutroni par, în general, nu, deși fac fisiunea cu neutroni rapizi. Toți nuclizii impar-impari stabili din punct de vedere observațional au spin întreg diferit de zero. Acest lucru se datorează faptului că un singur neutron nepereche și un proton nepereche au o atracție de forță nucleară mai mare 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 postprimari. Izotopii primordiali au fost produsul nucleosintezei stelare sau al unui alt tip de nucleosinteză, cum ar fi fisiunea razelor cosmice, și au persistat până în prezent, deoarece ratele lor de descompunere sunt atât de scăzute (de exemplu, uraniu-238 și potasiu-40). Izotopii postnaturali au fost creați prin bombardarea cu raze cosmice ca nuclizi cosmogeni (de exemplu, tritiu, carbon-14) sau dezintegrarea unui izotop radioactiv primordial 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 mai mulți izotopi stabili, cel mai mare număr de izotopi stabili pentru un element fiind zece, pentru staniu (50Sn). Există aproximativ 94 de elemente pe Pământ (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 (pentru 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 a altor mijloace de producție naturală continuă. Acestea includ nuclizii cosmogeni menționați mai sus, nuclizii nucleogeni și orice izotopi radiogeni care rezultă din dezintegrarea continuă a unui izotop radioactiv primar, cum ar fi radonul și radiul din uraniu.

ÎN reactoare nucleare iar acceleratorii de particule au creat ~3000 mai mulți izotopi radioactivi care nu se găsesc în natură. Mulți izotopi de scurtă durată nu au fost găsiți natural pe Pământ, au fost observate și prin analize spectroscopice, create 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 țin cont de prezența mai multor izotopi cu mase diferite. Înainte de descoperirea izotopilor, valorile masei atomice neintegrate determinate empiric 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 numai izotopi de hidrogen și heliu, 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, și în interacțiunile dintre particulele energetice, cum ar fi razele cosmice, și izotopii obținuți anterior. Abundența izotopică corespunzătoare a izotopilor de pe Pământ este determinată de cantitățile produse de aceste procese, de propagarea lor prin galaxie și de rata de descompunere a izotopilor, care sunt instabile. 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 permite uneori să urmărim originea meteoriților.

Masa atomică a izotopilor

Masa atomică (mr) a unui izotop este determinată în primul rând 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 - cantitate adimensională. Masa atomică, pe de altă parte, este măsurată folosind o unitate de masă atomică bazată pe masa unui atom 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, pentru masa atomică medie se aplică următoarea expresie:

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

Aplicarea izotopilor

Există mai multe aplicații care profită de proprietățile diferiților izotopi ai unui element dat. Separarea izotopică este o problemă tehnologică importantă, mai ales cu elemente 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 substanțe chimice decât proprietăți fizice, de exemplu, în procesul de sulfură Girdler. Izotopii de uraniu au fost separați în volum prin difuzie de gaz, centrifugare cu gaz, separare cu ionizare cu laser și (în proiectul Manhattan) producție de tip spectrometrie de masă.

Utilizarea proprietăților chimice și biologice

• Analiza izotopilor este determinarea semnăturii izotopilor, a abundenței relative a izotopilor unui element dat dintr-o anumită probă. Pentru nutrienți, în special, pot apărea modificări semnificative ale izotopilor C, N și O. Analiza acestor variații are gamă largă aplicații precum detectarea falsificării în Produse alimentare sau originea geografică a produselor folosind isoscapes. Identificarea unor meteoriți care au apărut 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 izotopilor, utilizarea izotopilor neobișnuiți ca indicatori 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 „etichetarea cu izotopi stabili a aminoacizilor din cultura celulară” (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 etichetare radioizotopică).
• Izotopii sunt utilizați în mod obișnuit pentru a determina concentrația diferitelor elemente sau substanțe folosind metoda diluării izotopice, în care cantități cunoscute de compuși substituiți izotopic sunt amestecate cu probe și semnăturile izotopice ale amestecurilor rezultate sunt determinate prin spectrometrie de masă.

Utilizarea proprietăților nucleare

• O metodă similară cu etichetarea radioizotopilor este datarea radiometrică: folosind timpul de înjumătățire cunoscut al unui element instabil, se poate calcula timpul care a trecut de la existența unei concentrații cunoscute a izotopului. 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 57Fe.