อะตอมของธาตุต่าง ๆ สามารถเป็นไอโซโทปได้หรือไม่? ไอโซโทปคืออะไร

ไอโซโทป

ไอโซโทป-s; กรุณา(หน่วยไอโซโทป, -a; m.) [จากภาษากรีก isos - เท่ากัน และ topos - สถานที่] ผู้เชี่ยวชาญ.พันธุ์เดียวกัน องค์ประกอบทางเคมีต่างกันที่มวลของอะตอม ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี ไอโซโทปของยูเรเนียม

◁ ไอโซโทป โอ้ โอ้ I. ตัวบ่งชี้.

ประวัติความเป็นมาของการวิจัย
ข้อมูลการทดลองครั้งแรกเกี่ยวกับการมีอยู่ของไอโซโทปได้รับในปี 1906-10 เมื่อศึกษาคุณสมบัติของการเปลี่ยนแปลงของกัมมันตภาพรังสีของอะตอมของธาตุหนัก ในปี 1906-07 พบว่าผลผลิตจากการสลายกัมมันตภาพรังสีของยูเรเนียม-ไอออนเนียม และผลิตภัณฑ์จากการสลายกัมมันตภาพรังสีของทอเรียม-เรดิโอทอเรียม มีความเหมือนกัน คุณสมบัติทางเคมีเช่นเดียวกับทอเรียม แต่แตกต่างจากอย่างหลังตรงที่มวลอะตอมและลักษณะการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสี ยิ่งไปกว่านั้น องค์ประกอบทั้งสามมีสเปกตรัมแสงและรังสีเอกซ์เหมือนกัน ตามคำแนะนำของนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ F. Soddy (ซม.ซอดดี เฟรเดอริก)สารดังกล่าวเริ่มเรียกว่าไอโซโทป
หลังจากค้นพบไอโซโทปในธาตุกัมมันตภาพรังสีหนัก การค้นหาไอโซโทปในธาตุที่เสถียรก็เริ่มต้นขึ้น ได้รับการยืนยันอย่างเป็นอิสระเกี่ยวกับการมีอยู่ของไอโซโทปที่เสถียรขององค์ประกอบทางเคมีในการทดลองของ J. J. Thomson (ซม.ทอมสัน โจเซฟ จอห์น)และเอฟ. แอสตัน (ซม.แอสตัน ฟรานซิส วิลเลียม). ทอมสันค้นพบไอโซโทปเสถียรของนีออนในปี พ.ศ. 2456 แอสตัน ซึ่งดำเนินการวิจัยโดยใช้เครื่องมือที่เขาออกแบบเรียกว่าแมสสเปกโตรกราฟ (หรือแมสสเปกโตรมิเตอร์) โดยใช้วิธีการแมสสเปกโตรมิเตอร์ (ซม.แมสสเปคโตรเมตรี)พิสูจน์ได้ว่าองค์ประกอบทางเคมีที่เสถียรอื่นๆ อีกมากมายมีไอโซโทป ในปี 1919 เขาได้รับหลักฐานการมีอยู่ของไอโซโทป 2 ชนิดคือ 20 Ne และ 22 Ne ซึ่งเป็นความอุดมสมบูรณ์สัมพัทธ์ (ความอุดมสมบูรณ์) ซึ่งในธรรมชาติมีอยู่ประมาณ 91% และ 9% ต่อมาค้นพบไอโซโทป 21 Ne ซึ่งมีปริมาณมาก 0.26% ไอโซโทปของคลอรีน ปรอท และองค์ประกอบอื่นๆ อีกจำนวนหนึ่ง
A.J. Dempster ได้สร้างแมสสเปกโตรมิเตอร์ที่มีการออกแบบแตกต่างกันเล็กน้อยในปีเดียวกัน (ซม.เดมป์สเตอร์ อาร์เธอร์ เจฟฟรีย์). อันเป็นผลมาจากการใช้และปรับปรุงแมสสเปกโตรมิเตอร์ในเวลาต่อมาผ่านความพยายามของนักวิจัยหลายคนเกือบ เต็มโต๊ะองค์ประกอบของไอโซโทป ในปี พ.ศ. 2475 มีการค้นพบนิวตรอนซึ่งเป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุโดยมีมวลใกล้กับมวลนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน - โปรตอนและแบบจำลองโปรตอน - นิวตรอนของนิวเคลียสได้ถูกสร้างขึ้น ด้วยเหตุนี้ วิทยาศาสตร์จึงได้กำหนดคำจำกัดความสุดท้ายของแนวคิดเรื่องไอโซโทป กล่าวคือ ไอโซโทปคือสสารที่นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนจำนวนเท่ากัน และแตกต่างกันเพียงจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสเท่านั้น ประมาณปี 1940 มีการวิเคราะห์ไอโซโทปสำหรับองค์ประกอบทางเคมีทั้งหมดที่รู้จักในขณะนั้น
ในระหว่างการศึกษากัมมันตภาพรังสี พบสารกัมมันตรังสีธรรมชาติประมาณ 40 ชนิด พวกมันถูกจัดกลุ่มเป็นตระกูลกัมมันตภาพรังสี ซึ่งมีบรรพบุรุษเป็นไอโซโทปของทอเรียมและยูเรเนียม อะตอมธรรมชาติประกอบด้วยอะตอมที่มีความเสถียรทุกชนิด (มีประมาณ 280 อะตอม) และอะตอมกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติทั้งหมดที่เป็นส่วนหนึ่งของตระกูลกัมมันตภาพรังสี (มี 46 อะตอม) ไอโซโทปอื่นๆ ทั้งหมดได้มาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์
เป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2477 I. Curie (ซม.โจลิโอ-คูรี ไอรีน)และเอฟ. โจเลียต-คูรี (ซม.โจลิโอ-กูรี เฟรเดริก)ได้รับ ทำเทียมไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีของไนโตรเจน (13 N), ซิลิคอน (28 Si) และฟอสฟอรัส (30 P) ไม่พบในธรรมชาติ จากการทดลองเหล่านี้ พวกเขาแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการสังเคราะห์นิวไคลด์กัมมันตภาพรังสีชนิดใหม่ ในบรรดาไอโซโทปรังสีเทียมที่เป็นที่รู้จักในปัจจุบัน มีมากกว่า 150 ชนิดที่เป็นของธาตุทรานยูเรเนียม (ซม.องค์ประกอบทรานซูเรน)ไม่พบบนโลก ตามทฤษฎีแล้ว สันนิษฐานว่าจำนวนไอโซโทปที่สามารถดำรงอยู่ได้สามารถมีอยู่ได้ประมาณ 6,000 ชนิด

พจนานุกรมสารานุกรม. 2009 .

ดูว่า "ไอโซโทป" ในพจนานุกรมอื่น ๆ คืออะไร:

สารานุกรมสมัยใหม่

ไอโซโทป- (จากตำแหน่ง iso... และตำแหน่งโทโพสของกรีก) องค์ประกอบทางเคมีหลายชนิดซึ่งนิวเคลียสของอะตอม (นิวไคลด์) มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน แต่มีจำนวนโปรตอนเท่ากัน จึงครอบครองตำแหน่งเดียวกันใน ตารางธาตุเคมี... ภาพประกอบ พจนานุกรมสารานุกรม

- (จากตำแหน่ง iso... และตำแหน่งโทโพสของกรีก) ธาตุเคมีหลายชนิดซึ่งนิวเคลียสของอะตอมมีจำนวนนิวตรอนแตกต่างกัน แต่มีจำนวนโปรตอนเท่ากัน ดังนั้นจึงครอบครองตำแหน่งเดียวกันในตารางธาตุ แยกแยะ... ... พจนานุกรมสารานุกรมขนาดใหญ่

ไอโซโทป- ไอโซโทป เคมี องค์ประกอบที่อยู่ในเซลล์เดียวกันของตารางธาตุจึงมีเลขอะตอมหรือเลขลำดับเหมือนกัน ในกรณีนี้ พูดโดยทั่วไปแล้วไอออนไม่ควรมีน้ำหนักอะตอมเท่ากัน หลากหลาย… … สารานุกรมการแพทย์ที่ยิ่งใหญ่

พันธุ์ของสารเคมีนี้ ธาตุที่มีมวลนิวเคลียสต่างกัน มีประจุเหมือนกันของนิวเคลียส Z แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน อิเล็กตรอนมีโครงสร้างเปลือกอิเล็กตรอนเหมือนกัน นั่นคือ สารเคมีที่ใกล้เคียงกันมาก เซนต์วาและครอบครองสิ่งเดียวกัน... ... สารานุกรมกายภาพ

อะตอมของสารเคมีชนิดเดียวกัน ธาตุที่มีนิวเคลียสมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน มีมวลอะตอมต่างกัน มีสารเคมีเหมือนกัน คุณสมบัติ แต่ต่างกันที่คุณสมบัติทางกายภาพ คุณสมบัติโดยเฉพาะ... พจนานุกรมจุลชีววิทยา

เคมีอะตอม ธาตุที่มีเลขมวลต่างกันแต่มี ค่าใช้จ่ายเดียวกันนิวเคลียสของอะตอมจึงครอบครองที่เดียวในตารางธาตุของเมนเดเลเยฟ อะตอมของไอโซโทปต่าง ๆ ของสารเคมีชนิดเดียวกัน องค์ประกอบต่างกันที่จำนวน...... สารานุกรมทางธรณีวิทยา

· ครึ่งชีวิต · เลขมวล · ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์

คำศัพท์เฉพาะทาง

ประวัติความเป็นมาของการค้นพบไอโซโทป

หลักฐานแรกที่แสดงว่าสารที่มีพฤติกรรมทางเคมีเหมือนกันสามารถมีคุณสมบัติทางกายภาพที่แตกต่างกันได้มาจากการศึกษาการเปลี่ยนแปลงของกัมมันตภาพรังสีของอะตอมของธาตุหนัก ในปี พ.ศ. 2449-50 ปรากฎว่าผลิตภัณฑ์ของการสลายกัมมันตภาพรังสีของยูเรเนียม - ไอออนเนียมและผลิตภัณฑ์ของการสลายกัมมันตรังสีของทอเรียม - เรดิโอทอเรียมมีคุณสมบัติทางเคมีเช่นเดียวกับทอเรียม แต่แตกต่างจากมวลอะตอมและลักษณะการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสี ต่อมาพบว่าผลิตภัณฑ์ทั้งสามมีสเปกตรัมแสงและรังสีเอกซ์เหมือนกัน สารดังกล่าวมีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกัน แต่แตกต่างกันในมวลอะตอมและคุณสมบัติทางกายภาพบางอย่างตามคำแนะนำของนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ F. Soddy เริ่มถูกเรียกว่าไอโซโทป

ไอโซโทปในธรรมชาติ

เชื่อกันว่าองค์ประกอบไอโซโทปขององค์ประกอบบนโลกจะเหมือนกันในวัสดุทุกชนิด บาง กระบวนการทางกายภาพในธรรมชาตินำไปสู่การหยุดชะงักขององค์ประกอบไอโซโทปขององค์ประกอบ (โดยธรรมชาติ การแยกส่วนลักษณะไอโซโทปขององค์ประกอบแสง เช่นเดียวกับการเปลี่ยนแปลงของไอโซโทประหว่างการสลายตัวของไอโซโทปที่มีอายุยืนตามธรรมชาติ) การสะสมนิวเคลียสอย่างค่อยเป็นค่อยไปในแร่ธาตุซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวของนิวไคลด์บางชนิดที่มีอายุยืนยาวนั้นถูกนำมาใช้ในธรณีวิทยานิวเคลียร์

การใช้ไอโซโทปของมนุษย์

ในกิจกรรมทางเทคโนโลยี ผู้คนได้เรียนรู้ที่จะเปลี่ยนองค์ประกอบไอโซโทปขององค์ประกอบเพื่อให้ได้คุณสมบัติเฉพาะของวัสดุ ตัวอย่างเช่น 235 U สามารถทำปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันโดยนิวตรอนความร้อน และสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรืออาวุธนิวเคลียร์ได้ อย่างไรก็ตาม ยูเรเนียมธรรมชาติมีเพียง 0.72% ของนิวไคลด์นี้ ในขณะที่ปฏิกิริยาลูกโซ่เป็นไปได้ในทางปฏิบัติเมื่อมีปริมาณ 235U อย่างน้อย 3% เท่านั้น เนื่องจากความคล้ายคลึงกันของคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของไอโซโทปของธาตุหนัก กระบวนการเสริมสมรรถนะไอโซโทปของยูเรเนียมจึงเป็นงานทางเทคโนโลยีที่ซับซ้อนอย่างยิ่ง ซึ่งมีเพียงสิบประเทศทั่วโลกเท่านั้นที่สามารถเข้าถึงได้ แท็กไอโซโทปถูกนำมาใช้ในวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีหลายแขนง (เช่น ในการตรวจภูมิคุ้มกันด้วยรังสี)

ดูสิ่งนี้ด้วย

• ธรณีเคมีไอโซโทป

ไม่เสถียร (น้อยกว่าหนึ่งวัน): 8 C: คาร์บอน-8, 9 C: คาร์บอน-9, 10 C: คาร์บอน-10, 11 C: คาร์บอน-11

มั่นคง: 12 C: คาร์บอน-12, 13 C: คาร์บอน-13

10-10,000 ปี: 14 C: คาร์บอน-14

ไม่เสถียร (น้อยกว่าหนึ่งวัน): 15 C: คาร์บอน-15, 16 C: คาร์บอน-16, 17 C: คาร์บอน-17, 18 C: คาร์บอน-18, 19 C: คาร์บอน-19, 20 C: คาร์บอน-20, 21 C: คาร์บอน-21, 22 C: คาร์บอน-22

ศึกษาปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสีของนักวิทยาศาสตร์ในทศวรรษแรกของศตวรรษที่ 20 ค้นพบสารกัมมันตภาพรังสีจำนวนมาก - ประมาณ 40 มีมากกว่านั้นอย่างมีนัยสำคัญ ที่นั่งฟรีในตารางธาตุระหว่างบิสมัทและยูเรเนียม ธรรมชาติของสารเหล่านี้ยังเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ นักวิจัยบางคนถือว่าพวกมันเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่เป็นอิสระ แต่ในกรณีนี้ คำถามเกี่ยวกับตำแหน่งในตารางธาตุกลับกลายเป็นว่าไม่ละลายน้ำ โดยทั่วไปแล้วคนอื่นๆ ปฏิเสธสิทธิ์ที่จะถูกเรียกว่าองค์ประกอบตามความหมายคลาสสิก ในปี 1902 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ D. Martin เรียกสารดังกล่าวว่าองค์ประกอบรังสี เมื่อทำการศึกษาพบว่าองค์ประกอบรังสีบางชนิดมีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกันทุกประการ แต่มีมวลอะตอมต่างกัน กรณีนี้ขัดแย้งกับบทบัญญัติพื้นฐานของกฎหมายเป็นระยะ นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ F. Soddy ได้แก้ไขข้อขัดแย้งนี้ ในปี พ.ศ. 2456 เขาเรียกไอโซโทปของธาตุรังสีที่คล้ายกันทางเคมี (จากคำภาษากรีกแปลว่า "เหมือนกัน" และ "สถานที่") กล่าวคือ พวกมันอยู่ในตำแหน่งเดียวกันในตารางธาตุ ธาตุกัมมันตภาพรังสีกลายเป็นไอโซโทปของธาตุกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติ ทั้งหมดถูกรวมกันเป็นสามตระกูลกัมมันตรังสีซึ่งมีบรรพบุรุษเป็นไอโซโทปของทอเรียมและยูเรเนียม

ไอโซโทปของออกซิเจน ไอโซบาร์ของโพแทสเซียมและอาร์กอน (ไอโซบาร์เป็นอะตอมของธาตุต่าง ๆ ที่มีเลขมวลเท่ากัน)

จำนวนไอโซโทปเสถียรของธาตุคู่และธาตุคี่

ในไม่ช้าก็เห็นได้ชัดว่าองค์ประกอบทางเคมีที่เสถียรอื่นๆ ก็มีไอโซโทปเช่นกัน เครดิตหลักสำหรับการค้นพบนี้เป็นของนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ F. Aston เขาค้นพบไอโซโทปเสถียรของธาตุหลายชนิด

จากมุมมองสมัยใหม่ ไอโซโทปคืออะตอมต่างๆ ขององค์ประกอบทางเคมี โดยมีมวลอะตอมต่างกัน แต่มีประจุนิวเคลียร์เท่ากัน

นิวเคลียสของพวกมันจึงมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน ตัวอย่างเช่น ไอโซโทปธรรมชาติของออกซิเจนที่มี Z = 8 มีนิวตรอน 8, 9 และ 10 ในนิวเคลียสตามลำดับ ผลรวมของจำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสของไอโซโทปเรียกว่าเลขมวล A ดังนั้น จำนวนมวลของไอโซโทปออกซิเจนที่ระบุคือ 16, 17 และ 18 ในปัจจุบัน มีการใช้การกำหนดไอโซโทปต่อไปนี้: ค่า Z ถูกกำหนดไว้ที่ด้านซ้ายของสัญลักษณ์องค์ประกอบ ค่า A ถูกกำหนดไว้ที่ด้านซ้ายบน ตัวอย่างเช่น: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O

นับตั้งแต่การค้นพบปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสีเทียม ไอโซโทปกัมมันตรังสีเทียมประมาณ 1,800 ไอโซโทปได้ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์สำหรับธาตุที่มี Z ตั้งแต่ 1 ถึง 110 ไอโซโทปรังสีเทียมส่วนใหญ่มีครึ่งชีวิตสั้นมาก วัดเป็นวินาทีและเศษส่วนของวินาที ; มีเพียงไม่กี่คนเท่านั้นที่มีอายุขัยค่อนข้างยาว (เช่น 10 Be - 2.7 10 6 ปี, 26 Al - 8 10 5 ปี เป็นต้น)

ธาตุที่เสถียรนั้นมีไอโซโทปประมาณ 280 ไอโซโทปในธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม บางส่วนกลับกลายเป็นว่ามีกัมมันตภาพรังสีอ่อนโดยมีครึ่งชีวิตมาก (เช่น 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re) อายุขัยของไอโซโทปเหล่านี้ยาวนานมากจนถือว่าเสถียร

ยังคงมีความท้าทายมากมายในโลกของไอโซโทปที่เสถียร จึงไม่ชัดเจนว่าเหตุใดจึงมีหมายเลขของพวกเขา องค์ประกอบที่แตกต่างกันแตกต่างกันมาก ประมาณ 25% ขององค์ประกอบที่เสถียร (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) มีอยู่ใน ธรรมชาติมีอะตอมเพียงชนิดเดียวเท่านั้น สิ่งเหล่านี้เรียกว่าองค์ประกอบเดี่ยว เป็นที่น่าสนใจที่ทุกองค์ประกอบ (ยกเว้น Be) มีค่า Z ที่เป็นคี่ โดยทั่วไป สำหรับองค์ประกอบคี่จำนวนไอโซโทปเสถียรจะต้องไม่เกินสอง ในทางตรงกันข้าม องค์ประกอบคู่-Z บางตัวประกอบด้วยไอโซโทปจำนวนมาก (เช่น Xe มี 9, Sn มีไอโซโทปเสถียร 10 ไอโซโทป)

เซตของไอโซโทปเสถียรของธาตุที่กำหนดเรียกว่ากาแล็กซี เนื้อหาในกาแลคซีมักผันผวนอย่างมาก เป็นที่น่าสนใจที่จะทราบว่าปริมาณสูงสุดคือไอโซโทปที่มีเลขมวลเป็นจำนวนทวีคูณของสี่ (12 C, 16 O, 20 Ca เป็นต้น) แม้ว่าจะมีข้อยกเว้นสำหรับกฎนี้ก็ตาม

การค้นพบไอโซโทปเสถียรทำให้สามารถไขปริศนามวลอะตอมที่มีมายาวนานได้ ซึ่งก็คือความเบี่ยงเบนจากจำนวนเต็ม ซึ่งอธิบายได้ด้วยเปอร์เซ็นต์ที่แตกต่างกันของไอโซโทปเสถียรของธาตุในกาแลคซี

ในฟิสิกส์นิวเคลียร์ แนวคิดของ "ไอโซบาร์" เป็นที่รู้จัก ไอโซบาร์เป็นไอโซโทปของธาตุต่างๆ (เช่น ด้วย ความหมายที่แตกต่างกัน Z) มีเลขมวลเท่ากัน การศึกษาไอโซบาร์มีส่วนทำให้เกิดรูปแบบที่สำคัญหลายประการในพฤติกรรมและคุณสมบัติของนิวเคลียสของอะตอม หนึ่งในรูปแบบเหล่านี้แสดงออกมาตามกฎที่กำหนดโดยนักเคมีชาวโซเวียต S. A. Shchukarev และนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน I. Mattauch มันบอกว่า: หากไอโซบาร์สองตัวมีค่า Z ต่างกัน 1 แสดงว่าหนึ่งในนั้นจะมีกัมมันตภาพรังสีอย่างแน่นอน ตัวอย่างคลาสสิกคู่ของไอโซบาร์ - 40 18 Ar - 40 19 K ไอโซโทปโพแทสเซียมในนั้นมีกัมมันตภาพรังสี กฎ Shchukarev-Mattauch ทำให้สามารถอธิบายได้ว่าทำไมไม่มีไอโซโทปเสถียรในธาตุเทคนีเชียม (Z = 43) และโพรมีเทียม (Z = 61) เนื่องจากมีค่า Z แปลก จึงไม่สามารถคาดหวังไอโซโทปเสถียรได้มากกว่า 2 ไอโซโทปได้ แต่ปรากฎว่าไอโซบาร์ของเทคนีเชียมและโพรมีเทียมตามลำดับไอโซโทปของโมลิบดีนัม (Z = 42) และรูทีเนียม (Z = 44), นีโอไดเมียม (Z = 60) และซาแมเรียม (Z = 62) ตามลำดับมีความเสถียรในธรรมชาติ อะตอมต่างๆ ในเลขมวลที่หลากหลาย ดังนั้นกฎทางกายภาพจึงห้ามไม่ให้มีไอโซโทปเสถียรของเทคนีเชียมและโพรมีเทียม นี่คือสาเหตุที่องค์ประกอบเหล่านี้ไม่มีอยู่จริงในธรรมชาติและจำเป็นต้องสังเคราะห์ขึ้นเอง

นักวิทยาศาสตร์พยายามพัฒนาระบบไอโซโทปเป็นระยะมานานแล้ว แน่นอนว่ามันขึ้นอยู่กับหลักการที่แตกต่างจากพื้นฐานของตารางธาตุ แต่ความพยายามเหล่านี้ยังไม่ได้นำไปสู่ผลลัพธ์ที่น่าพึงพอใจ จริงอยู่ นักฟิสิกส์ได้พิสูจน์แล้วว่าลำดับของการเติมเปลือกโปรตอนและนิวตรอนเข้าไป นิวเคลียสของอะตอมมีหลักการคล้ายคลึงกับการสร้างเปลือกอิเล็กตรอนและเปลือกย่อยในอะตอม (ดูอะตอม)

เปลือกอิเล็กตรอนของไอโซโทปขององค์ประกอบที่กำหนดถูกสร้างขึ้นในลักษณะเดียวกันทุกประการ ดังนั้นคุณสมบัติทางเคมีและกายภาพจึงเกือบจะเหมือนกัน เฉพาะไอโซโทปไฮโดรเจน (โปรเทียมและดิวเทอเรียม) และสารประกอบของพวกมันเท่านั้นที่แสดงคุณสมบัติที่แตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัด ตัวอย่างเช่น น้ำมวลหนัก (D 2 O) กลายเป็นน้ำแข็งที่ +3.8 เดือดที่ 101.4 ° C มีความหนาแน่น 1.1059 g/cm 3 และไม่เอื้อต่อการดำรงชีวิตของสัตว์และสิ่งมีชีวิตในพืช ในระหว่างอิเล็กโทรไลซิสของน้ำเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน โมเลกุล H 2 0 ส่วนใหญ่จะถูกสลายตัว ในขณะที่โมเลกุลของน้ำหนักยังคงอยู่ในอิเล็กโทรไลเซอร์

การแยกไอโซโทปขององค์ประกอบอื่นๆ ถือเป็นงานที่ยากมาก อย่างไรก็ตาม ในหลายกรณี จำเป็นต้องมีไอโซโทปของธาตุแต่ละชนิดที่มีการเปลี่ยนแปลงปริมาณอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับความอุดมสมบูรณ์ตามธรรมชาติ เช่น เมื่อต้องแก้ไขปัญหา พลังงานปรมาณูมีความจำเป็นต้องแยกไอโซโทป 235 U และ 238 U เพื่อจุดประสงค์นี้จึงใช้วิธีการแมสสเปกโตรเมทรีเป็นครั้งแรกโดยได้รับความช่วยเหลือจากยูเรเนียม-235 กิโลกรัมแรกในสหรัฐอเมริกาในปี พ.ศ. 2487 อย่างไรก็ตาม วิธีนี้พิสูจน์แล้วว่ามีราคาแพงเกินไป และถูกแทนที่ด้วยวิธีการแพร่กระจายก๊าซ ซึ่งใช้ UF 6 ขณะนี้มีหลายวิธีในการแยกไอโซโทป แต่วิธีการทั้งหมดค่อนข้างซับซ้อนและมีราคาแพง แต่ปัญหา "การแบ่งแยกที่แยกจากกันไม่ได้" ก็กำลังได้รับการแก้ไขอย่างประสบความสำเร็จ

วินัยทางวิทยาศาสตร์ใหม่เกิดขึ้นแล้ว - เคมีไอโซโทป เธอศึกษาพฤติกรรมของไอโซโทปต่างๆ ขององค์ประกอบทางเคมีใน ปฏิกริยาเคมีและกระบวนการแลกเปลี่ยนไอโซโทป จากกระบวนการเหล่านี้ ไอโซโทปขององค์ประกอบที่กำหนดจะถูกกระจายใหม่ระหว่างสารที่ทำปฏิกิริยา ที่นี่ ตัวอย่างที่ง่ายที่สุด: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (โมเลกุลของน้ำแลกเปลี่ยนอะตอมโปรเทียมกับอะตอมดิวทีเรียม) ธรณีเคมีของไอโซโทปก็กำลังพัฒนาเช่นกัน เธอศึกษาความแปรผันขององค์ประกอบไอโซโทปของธาตุต่างๆ ในเปลือกโลก

อะตอมที่มีป้ายกำกับที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีเทียมขององค์ประกอบเสถียรหรือไอโซโทปเสถียร ด้วยความช่วยเหลือของตัวบ่งชี้ไอโซโทป - อะตอมที่มีป้ายกำกับ - พวกเขาศึกษาเส้นทางการเคลื่อนที่ขององค์ประกอบในธรรมชาติที่ไม่มีชีวิตและมีชีวิตธรรมชาติของการกระจายตัวของสารและองค์ประกอบในวัตถุต่าง ๆ ไอโซโทปถูกใช้ในเทคโนโลยีนิวเคลียร์: เป็นวัสดุสำหรับการก่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์; เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ (ไอโซโทปของทอเรียม, ยูเรเนียม, พลูโตเนียม); ในฟิวชั่นแสนสาหัส (ดิวทีเรียม, 6 Li, 3 He) ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสียังใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นแหล่งรังสี

เมื่อศึกษาคุณสมบัติของธาตุกัมมันตรังสีพบว่าองค์ประกอบทางเคมีชนิดเดียวกันสามารถประกอบด้วยอะตอมที่มีมวลนิวเคลียร์ต่างกันได้ ในเวลาเดียวกันก็มีประจุนิวเคลียร์เหมือนกันนั่นคือสิ่งเหล่านี้ไม่ใช่สิ่งเจือปนของสารแปลกปลอม แต่เป็นสารชนิดเดียวกัน

ไอโซโทปคืออะไรและทำไมจึงมีอยู่?

ในตารางธาตุของ Mendeleev ทั้งองค์ประกอบนี้และอะตอมของสารที่มีมวลนิวเคลียร์ต่างกันจะครอบครองเซลล์เดียว จากที่กล่าวมาข้างต้น สารชนิดเดียวกันดังกล่าวได้รับการตั้งชื่อว่า "ไอโซโทป" (จากภาษากรีก isos - เหมือนกัน และ topos - place) ดังนั้น, ไอโซโทป- สิ่งเหล่านี้คือองค์ประกอบทางเคมีที่กำหนดซึ่งมีมวลนิวเคลียสของอะตอมต่างกัน

ตามแบบจำลองนิวตรอน-โปรตอนที่เป็นที่ยอมรับของนิวเคลียส มีความเป็นไปได้ที่จะอธิบายการมีอยู่ของไอโซโทปได้ดังนี้ นิวเคลียสของอะตอมบางอะตอมของสารมีจำนวนนิวตรอนต่างกัน แต่มีโปรตอนเท่ากัน ที่จริงแล้วประจุนิวเคลียร์ของไอโซโทปของธาตุหนึ่งมีค่าเท่ากัน ดังนั้นจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสจึงเท่ากัน นิวเคลียสมีมวลต่างกัน ดังนั้น จึงมีจำนวนนิวตรอนต่างกัน

ไอโซโทปที่เสถียรและไม่เสถียร

ไอโซโทปสามารถเสถียรหรือไม่เสถียรได้ จนถึงปัจจุบัน มีไอโซโทปเสถียรประมาณ 270 ไอโซโทปและไอโซโทปที่ไม่เสถียรมากกว่า 2,000 ชนิด ไอโซโทปเสถียร- เหล่านี้เป็นองค์ประกอบทางเคมีที่หลากหลายซึ่งสามารถดำรงอยู่ได้โดยอิสระเป็นเวลานาน

ส่วนใหญ่ ไอโซโทปที่ไม่เสถียรได้รับมาแบบเทียม ไอโซโทปที่ไม่เสถียรนั้นเป็นสารกัมมันตภาพรังสี นิวเคลียสของพวกมันอยู่ภายใต้กระบวนการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสี กล่าวคือ การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเองเป็นนิวเคลียสอื่น พร้อมด้วยการปล่อยอนุภาคและ/หรือรังสี ไอโซโทปเทียมกัมมันตภาพรังสีเกือบทั้งหมดมีครึ่งชีวิตสั้นมาก วัดเป็นวินาทีหรือเศษส่วนของวินาที

นิวเคลียสสามารถมีได้กี่ไอโซโทป?

นิวเคลียสไม่สามารถมีจำนวนนิวตรอนตามอำเภอใจได้ ดังนั้นจำนวนไอโซโทปจึงมีจำกัด จำนวนโปรตอนเท่ากันองค์ประกอบจำนวนไอโซโทปเสถียรสามารถเข้าถึงสิบ ตัวอย่างเช่น ดีบุกมี 10 ไอโซโทป ซีนอนมี 9 ไอโซโทปปรอทมี 7 และอื่นๆ

องค์ประกอบเหล่านั้น จำนวนโปรตอนเป็นเลขคี่สามารถมีไอโซโทปเสถียรได้เพียงสองไอโซโทปเท่านั้น องค์ประกอบบางอย่างมีไอโซโทปเสถียรเพียงอันเดียว เหล่านี้เป็นสารต่างๆ เช่น ทองคำ อลูมิเนียม ฟอสฟอรัส โซเดียม แมงกานีส และอื่นๆ การแปรผันของจำนวนไอโซโทปเสถียรขององค์ประกอบต่าง ๆ ดังกล่าวสัมพันธ์กับการพึ่งพาเชิงซ้อนของจำนวนโปรตอนและนิวตรอนกับพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส

สารเกือบทั้งหมดในธรรมชาติมีอยู่ในรูปของส่วนผสมของไอโซโทป จำนวนไอโซโทปในสารขึ้นอยู่กับชนิดของสาร มวลอะตอม และจำนวนไอโซโทปเสถียรขององค์ประกอบทางเคมีที่กำหนด

ไอโซโทป- อะตอม (และนิวเคลียส) ขององค์ประกอบทางเคมีที่มีเลขอะตอม (ลำดับ) เหมือนกัน แต่ในขณะเดียวกันก็มีเลขมวลต่างกัน

คำว่าไอโซโทปมีรากศัพท์มาจากภาษากรีกว่า isos (ἴσος "เท่ากับ") และ topos (τόπος "สถานที่") ซึ่งหมายถึง "สถานที่เดียวกัน"; ดังนั้นความหมายของชื่อก็คือไอโซโทปที่แตกต่างกันขององค์ประกอบเดียวกันนั้นจะมีตำแหน่งเดียวกันในตารางธาตุ

ไอโซโทปธรรมชาติของไฮโดรเจนสามชนิด ความจริงที่ว่าแต่ละไอโซโทปมีโปรตอนหนึ่งตัวก็มีไฮโดรเจนที่แตกต่างกัน: เอกลักษณ์ของไอโซโทปนั้นถูกกำหนดโดยจำนวนนิวตรอน จากซ้ายไปขวา ไอโซโทปคือ โปรเทียม (1H) ที่มีนิวตรอนเป็นศูนย์ ดิวเทอเรียม (2H) ที่มีนิวตรอนหนึ่งตัว และทริเทียม (3H) ที่มีนิวตรอนสองตัว

จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอมเรียกว่าเลขอะตอมและเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมที่เป็นกลาง (ไม่แตกตัวเป็นไอออน) เลขอะตอมแต่ละตัวระบุองค์ประกอบเฉพาะ แต่ไม่ใช่ไอโซโทป อะตอมของธาตุหนึ่งๆ สามารถมีจำนวนนิวตรอนได้หลากหลาย จำนวนนิวเคลียส (ทั้งโปรตอนและนิวตรอน) ในนิวเคลียสคือเลขมวลของอะตอม และแต่ละไอโซโทปของธาตุที่กำหนดจะมีเลขมวลต่างกัน

ตัวอย่างเช่น คาร์บอน-12, คาร์บอน-13 และคาร์บอน-14 เป็นไอโซโทปสามไอโซโทปของธาตุคาร์บอนที่มีเลขมวล 12, 13 และ 14 ตามลำดับ เลขอะตอมของคาร์บอนคือ 6 ซึ่งหมายความว่าคาร์บอนแต่ละอะตอมมีโปรตอน 6 ตัว ดังนั้นเลขนิวตรอนของไอโซโทปเหล่านี้คือ 6, 7 และ 8 ตามลำดับ

เอ็นuklides และ ไอโซโทป

นิวไคลด์หมายถึงนิวเคลียส ไม่ใช่อะตอม นิวเคลียสที่เหมือนกันอยู่ในนิวไคลด์เดียวกัน ตัวอย่างเช่น แต่ละนิวเคลียสของนิวไคลด์คาร์บอน-13 ประกอบด้วยโปรตอน 6 ตัวและนิวตรอน 7 ตัว แนวคิดเกี่ยวกับนิวไคลด์ (เกี่ยวกับสายพันธุ์นิวเคลียร์แต่ละชนิด) เน้นที่คุณสมบัตินิวเคลียร์มากกว่าคุณสมบัติทางเคมี ในขณะที่แนวคิดเกี่ยวกับไอโซโทป (การจัดกลุ่มอะตอมทั้งหมดของแต่ละองค์ประกอบ) เน้นปฏิกิริยาทางเคมีเหนือปฏิกิริยานิวเคลียร์ เลขนิวตรอนมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติของนิวเคลียส แต่องค์ประกอบส่วนใหญ่มีผลกระทบต่อคุณสมบัติทางเคมีน้อยมาก แม้แต่ในกรณีของธาตุที่เบาที่สุด ซึ่งอัตราส่วนของนิวตรอนต่อเลขอะตอมแตกต่างกันมากที่สุดระหว่างไอโซโทป ก็มักจะมีผลเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ถึงแม้ว่าจะมีความสำคัญในบางกรณีก็ตาม (สำหรับไฮโดรเจน ซึ่งเป็นธาตุที่เบาที่สุด ผลกระทบของไอโซโทปก็มีมาก มีผลอย่างมากต่อชีววิทยา) เนื่องจากไอโซโทปเป็นคำที่เก่ากว่า จึงเป็นที่รู้จักมากกว่านิวไคลด์ และบางครั้งยังคงใช้ในบริบทที่นิวไคลด์อาจมีความเหมาะสมมากกว่า เช่น เทคโนโลยีนิวเคลียร์และเวชศาสตร์นิวเคลียร์

การกำหนด

ไอโซโทปหรือนิวไคลด์ถูกระบุด้วยชื่อขององค์ประกอบเฉพาะ (ซึ่งระบุเลขอะตอม) ตามด้วยยัติภังค์และเลขมวล (เช่น ฮีเลียม-3, ฮีเลียม-4, คาร์บอน-12, คาร์บอน-14, ยูเรเนียม- 235 และยูเรเนียม-239) เมื่อใช้สัญลักษณ์ทางเคมี เช่น "C" สำหรับคาร์บอน สัญลักษณ์มาตรฐาน (ปัจจุบันเรียกว่า "สัญลักษณ์ AZE" เนื่องจาก A คือเลขมวล Z คือเลขอะตอม และ E คือองค์ประกอบ) - ระบุเลขมวล (จำนวนนิวคลีออน) ด้วยตัวยก ที่ด้านซ้ายบนของสัญลักษณ์เคมี และระบุเลขอะตอมด้วยตัวห้อยที่มุมซ้ายล่าง) เนื่องจากเลขอะตอมถูกกำหนดโดยสัญลักษณ์ของธาตุ โดยปกติแล้วจะแสดงเฉพาะเลขมวลในตัวยกเท่านั้น และไม่มีการระบุดัชนีอะตอม บางครั้งตัวอักษร m จะถูกเติมหลังเลขมวลเพื่อระบุไอโซเมอร์นิวเคลียร์ ซึ่งเป็นสถานะนิวเคลียร์ที่แพร่กระจายได้หรือตื่นเต้นอย่างมีพลัง (ตรงข้ามกับสถานะพื้นพลังงานต่ำสุด) เช่น 180m 73Ta (แทนทาลัม-180m)

ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีปฐมภูมิและเสถียร

ไอโซโทปบางชนิดมีกัมมันตภาพรังสีและดังนั้นจึงเรียกว่าไอโซโทปรังสีหรือนิวไคลด์กัมมันตรังสี ในขณะที่ไอโซโทปบางชนิดไม่เคยถูกพบว่าสลายตัวด้วยกัมมันตภาพรังสี และเรียกว่าไอโซโทปเสถียรหรือนิวไคลด์เสถียร ตัวอย่างเช่น 14 C เป็นรูปแบบกัมมันตภาพรังสีของคาร์บอน ในขณะที่ 12 C และ 13 C เป็นไอโซโทปที่เสถียร มีนิวไคลด์ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติประมาณ 339 ชนิดบนโลก โดย 286 นิวไคลด์เป็นนิวไคลด์ในยุคดึกดำบรรพ์ ซึ่งหมายความว่าพวกมันมีอยู่ตั้งแต่การก่อตัว ระบบสุริยะ.

นิวไคลด์ดั้งเดิมประกอบด้วยนิวไคลด์ 32 ตัวที่มีครึ่งชีวิตยาวนานมาก (มากกว่า 100 ล้านปี) และ 254 นิวไคลด์ที่ได้รับการพิจารณาอย่างเป็นทางการว่าเป็น "นิวไคลด์ที่เสถียร" เนื่องจากไม่ได้สังเกตว่าจะสลายตัว ในกรณีส่วนใหญ่ ด้วยเหตุผลที่ชัดเจน หากองค์ประกอบมีไอโซโทปที่เสถียร ไอโซโทปเหล่านั้นจะครอบงำความอุดมสมบูรณ์ของธาตุที่พบในโลกและในระบบสุริยะ อย่างไรก็ตาม ในกรณีของธาตุสามชนิด (เทลลูเรียม อินเดียม และรีเนียม) ไอโซโทปที่พบมากที่สุดในธรรมชาติแท้จริงแล้วคือไอโซโทปรังสีที่มีอายุยาวนานมากหนึ่ง (หรือสอง) ของธาตุนั้น แม้ว่าธาตุเหล่านี้จะมีธาตุชนิดเดียวก็ตาม หรือไอโซโทปที่เสถียรกว่า

ทฤษฎีคาดการณ์ว่าไอโซโทป/นิวไคลด์ที่ "เสถียร" จำนวนมากอย่างเห็นได้ชัดนั้นมีกัมมันตภาพรังสี โดยมีครึ่งชีวิตยาวนานมาก (โดยไม่สนใจความเป็นไปได้ที่โปรตอนจะสลายตัว ซึ่งจะทำให้นิวไคลด์ทั้งหมดไม่เสถียรในที่สุด) จากจำนวนนิวไคลด์ 254 ชนิดที่ไม่เคยถูกพบเห็น มีเพียง 90 ตัวเท่านั้น (ธาตุ 40 ตัวแรกทั้งหมด) ตามทฤษฎีแล้วมีความคงตัวต่อการสลายตัวทุกรูปแบบที่ทราบ ธาตุ 41 (ไนโอเบียม) ในทางทฤษฎีนั้นไม่เสถียรจากฟิชชันที่เกิดขึ้นเอง แต่สิ่งนี้ไม่เคยถูกค้นพบเลย ในทางทฤษฎีแล้วนิวไคลด์ที่เสถียรอื่นๆ อีกจำนวนมากมีความไวต่อรูปแบบการสลายตัวอื่นๆ ที่ทราบ เช่น การสลายแบบอัลฟาหรือการสลายตัวแบบเบตาคู่ แต่ผลผลิตจากการสลายตัวยังไม่ถูกสังเกตพบ ดังนั้นไอโซโทปเหล่านี้จึงถือว่า "เสถียรโดยสังเกตได้" ครึ่งชีวิตที่คาดการณ์ไว้สำหรับนิวไคลด์เหล่านี้มักจะเกินอายุโดยประมาณของจักรวาลอย่างมาก และในความเป็นจริง ยังมีนิวไคลด์กัมมันตรังสีที่รู้จักอีก 27 ชนิดซึ่งมีครึ่งชีวิตยาวนานกว่าอายุของจักรวาล

นิวไคลด์กัมมันตภาพรังสีที่สร้างขึ้นโดยเทียม ปัจจุบันมีนิวไคลด์ที่รู้จักถึง 3,339 ชนิด ซึ่งรวมถึงนิวไคลด์ 905 ที่เสถียรหรือมีครึ่งชีวิตมากกว่า 60 นาที

คุณสมบัติของไอโซโทป

คุณสมบัติทางเคมีและโมเลกุล

อะตอมที่เป็นกลางมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากับโปรตอน ดังนั้นไอโซโทปที่แตกต่างกันขององค์ประกอบที่กำหนดจึงมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากันและมีโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ที่คล้ายคลึงกัน เนื่องจากพฤติกรรมทางเคมีของอะตอมส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ ไอโซโทปที่แตกต่างกันจึงมีพฤติกรรมทางเคมีที่เกือบจะเหมือนกัน

ข้อยกเว้นคือผลกระทบของไอโซโทปจลน์: เนื่องจากมีมวลมาก ไอโซโทปที่หนักกว่าจึงมีแนวโน้มที่จะทำปฏิกิริยาค่อนข้างช้ากว่าไอโซโทปที่เบากว่าของธาตุเดียวกัน สิ่งนี้เด่นชัดที่สุดสำหรับโปรเทียม (1 H), ดิวทีเรียม (2 H) และทริเทียม (3 H) เนื่องจากดิวทีเรียมมีมวลของโปรเทียมเป็นสองเท่า และทริเทียมมีมวลของโปรเทียมสามเท่า ความแตกต่างของมวลเหล่านี้ยังส่งผลต่อพฤติกรรมของพวกมันด้วย พันธะเคมี, การเปลี่ยนจุดศูนย์ถ่วง (มวลลดลง) ของระบบอะตอม อย่างไรก็ตาม สำหรับธาตุที่หนักกว่า ความแตกต่างของมวลสัมพัทธ์ระหว่างไอโซโทปจะมีน้อยกว่ามาก ดังนั้นผลกระทบจากความแตกต่างของมวลในทางเคมีจึงมักจะไม่มีนัยสำคัญ (ธาตุหนักยังมีนิวตรอนค่อนข้างมากกว่าธาตุที่เบา ดังนั้นอัตราส่วนของมวลนิวเคลียร์ต่อมวลอิเล็กตรอนทั้งหมดจึงค่อนข้างมากกว่า)

ในทำนองเดียวกัน โมเลกุลสองชนิดที่แตกต่างกันเฉพาะไอโซโทปของอะตอม (ไอโซโทโพลอก) มีโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์เหมือนกัน ดังนั้นคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีจึงแทบจะแยกไม่ออก (อีกครั้ง โดยมีข้อยกเว้นหลักคือดิวเทอเรียมและทริเทียม) โหมดการสั่นสะเทือนของโมเลกุลถูกกำหนดโดยรูปร่างและมวลของอะตอมที่เป็นส่วนประกอบ ดังนั้น ไอโซโทโพลอกที่ต่างกันจึงมีโหมดการสั่นสะเทือนที่แตกต่างกัน เนื่องจากโหมดการสั่นสะเทือนอนุญาตให้โมเลกุลดูดซับโฟตอนของพลังงานที่เหมาะสม ไอโซโทโพลอกจึงมีคุณสมบัติทางแสงที่แตกต่างกันในอินฟราเรด

คุณสมบัติและความเสถียรของนิวเคลียร์

นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนที่เกาะกันด้วยสารตกค้าง พลังอันแข็งแกร่ง. เนื่องจากโปรตอนมีประจุบวก พวกมันจึงผลักกัน นิวตรอนซึ่งมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า จะทำให้นิวเคลียสเสถียรได้สองวิธี การสัมผัสกันจะดันโปรตอนออกจากกันเล็กน้อย ช่วยลดแรงผลักไฟฟ้าสถิตระหว่างโปรตอน และพวกมันออกแรงนิวเคลียร์ที่น่าดึงดูดต่อกันและกันและโปรตอนด้วย ด้วยเหตุนี้ จึงจำเป็นต้องมีนิวตรอนตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไปเพื่อให้โปรตอนตั้งแต่สองตัวขึ้นไปจับกับนิวเคลียส เมื่อจำนวนโปรตอนเพิ่มขึ้น อัตราส่วนของนิวตรอนต่อโปรตอนก็จะเพิ่มขึ้นตามความจำเป็นในการสร้างนิวเคลียสที่เสถียร (ดูกราฟทางด้านขวา) ตัวอย่างเช่น แม้ว่าอัตราส่วนนิวตรอน:โปรตอนคือ 3 2 He คือ 1:2 แต่อัตราส่วนนิวตรอน:โปรตอนคือ 238 92 U
มากกว่า 3:2 ธาตุที่เบากว่าจำนวนหนึ่งมีนิวไคลด์เสถียรในอัตราส่วน 1:1 (Z = N) นิวไคลด์ 40 · 20 Ca (แคลเซียม-40) เป็นนิวไคลด์เสถียรที่หนักที่สุดโดยสังเกตได้ โดยมีจำนวนนิวตรอนและโปรตอนเท่ากัน (ตามทฤษฎีแล้ว สารเสถียรที่หนักที่สุดคือซัลเฟอร์-32) นิวไคลด์เสถียรทั้งหมดที่หนักกว่าแคลเซียม-40 มีนิวตรอนมากกว่าโปรตอน

จำนวนไอโซโทปต่อองค์ประกอบ

จากธาตุ 81 ธาตุที่มีไอโซโทปเสถียร จำนวนมากที่สุดไอโซโทปเสถียรที่สังเกตได้สำหรับธาตุใดๆ คือ 10 (สำหรับธาตุดีบุก) ไม่มีธาตุใดมีไอโซโทปเสถียรเก้าไอโซโทป ซีนอนเป็นองค์ประกอบเดียวที่มีไอโซโทปเสถียรแปดไอโซโทป ธาตุ 4 ตัวมีไอโซโทปเสถียร 7 ตัว โดย 8 ตัวมีไอโซโทปเสถียร 6 ตัว 10 ตัวมีไอโซโทปเสถียร 5 ตัว 9 ตัวมีไอโซโทปเสถียร 4 ตัว 5 ตัวมีไอโซโทปเสถียร 3 ตัว 16 ตัวมีไอโซโทปเสถียร 2 ตัว และธาตุ 26 ตัวมีเพียงตัวเดียว (โดย 19 ตัวเป็นไอโซโทปเสถียร) สิ่งที่เรียกว่าธาตุโมโนนิวไคลด์ซึ่งมีไอโซโทปเสถียรดั้งเดิมเพียงตัวเดียวที่ครอบงำและแก้ไขน้ำหนักอะตอมของธาตุธรรมชาติด้วยความแม่นยำสูง มีธาตุโมโนไคลด์กัมมันตภาพรังสี 3 ธาตุอยู่ด้วย) มีนิวไคลด์ทั้งหมด 254 ชนิดที่ยังไม่พบว่าสลายตัว สำหรับธาตุ 80 ตัวที่มีไอโซโทปเสถียรตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไป จำนวนไอโซโทปเสถียรโดยเฉลี่ยคือ 254/80 = 3.2 ไอโซโทปต่อองค์ประกอบ

จำนวนนิวเคลียสคู่และคี่

โปรตอน: อัตราส่วนนิวตรอนไม่ใช่ปัจจัยเดียวที่ส่งผลต่อเสถียรภาพของนิวเคลียร์ นอกจากนี้ยังขึ้นอยู่กับความเท่าเทียมกันหรือความคี่ของเลขอะตอม Z ซึ่งเป็นจำนวนนิวตรอน N ดังนั้นผลรวมของเลขมวล A ค่าคี่ทั้ง Z และ N มีแนวโน้มที่จะลดพลังงานการจับกับนิวเคลียส ทำให้เกิดนิวเคลียสแปลก ๆ ที่โดยทั่วไปมีความเสถียรน้อยกว่า ความแตกต่างที่มีนัยสำคัญในพลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์ระหว่างนิวเคลียสข้างเคียง โดยเฉพาะไอโซบาร์คี่ มีผลกระทบที่สำคัญ: ไอโซโทปที่ไม่เสถียรซึ่งมีจำนวนนิวตรอนหรือโปรตอนต่ำกว่าปกติจะสลายตัวโดยการสลายตัวของบีตา (รวมถึงการสลายตัวของโพซิตรอน) การจับยึดอิเล็กตรอน หรือวิธีการแปลกใหม่อื่นๆ เช่น การแยกตัวตามธรรมชาติและ กระจุกสลายตัว

นิวไคลด์ที่เสถียรที่สุดคือโปรตอนและนิวตรอนจำนวนคู่ โดยที่ตัวเลข Z, N และ A เป็นเลขคู่ทั้งหมด นิวไคลด์เสถียรแปลก ๆ จะถูกแบ่ง (ประมาณเท่า ๆ กัน) ออกเป็นนิวไคลด์คี่

เลขอะตอม

โปรตอน 148 คู่ แม้แต่นิวตรอน (NE) นิวไคลด์คิดเป็นประมาณ 58% ของนิวไคลด์ที่เสถียรทั้งหมด นอกจากนี้ยังมีนิวไคลด์ที่มีอายุยืนยาวในยุคดึกดำบรรพ์อีก 22 ชนิด ด้วยเหตุนี้ องค์ประกอบที่เป็นเลขคู่ทั้ง 41 ตัวตั้งแต่ 2 ถึง 82 จึงมีไอโซโทปเสถียรอย่างน้อยหนึ่งตัว และองค์ประกอบเหล่านี้ส่วนใหญ่มีไอโซโทปปฐมภูมิหลายตัว ครึ่งหนึ่งของธาตุที่เป็นเลขคู่เหล่านี้มีไอโซโทปเสถียรตั้งแต่ 6 ไอโซโทปขึ้นไป ความเสถียรขั้นสุดของฮีเลียม-4 เนื่องจากสารประกอบสองเท่าของโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัว ช่วยป้องกันนิวไคลด์ที่มีนิวคลีออนห้าหรือแปดนิวคลีออนจากที่มีอยู่นานพอที่จะทำหน้าที่เป็นฐานสำหรับการสะสมของธาตุที่หนักกว่าผ่านปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน

นิวไคลด์เสถียรทั้ง 53 ชนิดมีจำนวนโปรตอนและจำนวนเลขคู่ เลขคี่นิวตรอน พวกมันเป็นส่วนน้อยเมื่อเทียบกับไอโซโทปคู่ซึ่งมีมากกว่าประมาณ 3 เท่า ในบรรดาธาตุเลขคู่ Z จำนวน 41 ธาตุที่มีนิวไคลด์เสถียร มีเพียงสองธาตุเท่านั้น (อาร์กอนและซีเรียม) เท่านั้นที่ไม่มีนิวไคลด์เสถียรเลขคู่ ธาตุหนึ่ง (ดีบุก) มีสามธาตุ มีธาตุ 24 ตัวที่มีนิวไคลด์คู่คี่ 1 ตัว และธาตุ 13 ตัวที่มีนิวไคลด์คู่คี่ 2 ตัว

เนื่องจากเลขนิวตรอนเป็นเลขคี่ นิวไคลด์เลขคู่-เลขคี่จึงมีหน้าตัดในการจับนิวตรอนขนาดใหญ่ เนื่องจากพลังงานที่เกิดขึ้นจากผลของการควบคู่นิวตรอน นิวไคลด์ที่เสถียรเหล่านี้อาจมีอยู่อย่างมากมายผิดปกติในธรรมชาติ สาเหตุหลักมาจากการที่จะก่อตัวและเข้าสู่ความอุดมสมบูรณ์ในยุคดึกดำบรรพ์ นิวไคลด์เหล่านั้นจะต้องหนีจากการดักจับนิวตรอนเพื่อสร้างไอโซโทปคู่คี่ที่เสถียรอื่นๆ ในระหว่างกระบวนการ s และกระบวนการจับนิวตรอนระหว่างการสังเคราะห์นิวเคลียส

เลขอะตอมคี่

นิวไคลด์คี่โปรตอนและนิวตรอนคู่ที่เสถียร 48 ตัว ซึ่งเสถียรด้วยจำนวนนิวตรอนคู่ที่เท่ากัน ก่อตัวเป็นไอโซโทปเสถียรส่วนใหญ่ของธาตุแปลก ๆ นิวไคลด์นิวตรอนคี่-โปรตอน-คี่น้อยมากที่ประกอบเป็นนิวไคลด์อื่นๆ มีธาตุแปลก ๆ 41 ธาตุตั้งแต่ Z = 1 ถึง 81 โดย 39 ธาตุมีไอโซโทปเสถียร (ธาตุเทคนีเชียม (43 Tc) และโพรมีเทียม (61 Pm) ไม่มีไอโซโทปเสถียร) จากธาตุ Z คี่ 39 ธาตุนี้ ธาตุ 30 ธาตุ (รวมถึงไฮโดรเจน-1 โดยมี 0 นิวตรอนเป็นเลขคู่) มีไอโซโทปเลขคี่คู่ที่เสถียร 1 ธาตุ และธาตุ 9 ชนิด ได้แก่ คลอรีน (17 Cl) โพแทสเซียม (19K) ทองแดง (29 Cu) แกลเลียม (31 Ga), โบรมีน (35 Br), เงิน (47 Ag), พลวง (51 Sb), อิริเดียม (77 Ir) และแทลเลียม (81 Tl) ต่างก็มีไอโซโทปเสถียรเลขคู่และคี่สองตัว จะได้ไอโซโทปคู่-คู่ที่เสถียร 30 + 2 (9) = 48

นิวไคลด์เสถียรเพียง 5 ตัวเท่านั้นที่มีทั้งโปรตอนเป็นจำนวนคี่และนิวตรอนเป็นจำนวนคี่ นิวไคลด์ "คี่-คี่" สี่ตัวแรกเกิดขึ้นในนิวไคลด์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ ซึ่งการเปลี่ยนโปรตอนเป็นนิวตรอนหรือในทางกลับกัน จะส่งผลให้อัตราส่วนโปรตอน-นิวตรอนไม่สมดุลอย่างมาก

นิวไคลด์คี่และคี่ที่ "เสถียร" อย่างสมบูรณ์เพียงตัวเดียวคือ 180m 73 Ta ซึ่งถือเป็นไอโซโทปเสถียรที่หายากที่สุดในบรรดาไอโซโทปเสถียร 254 ตัว และเป็นไอโซเมอร์นิวเคลียร์ในยุคดึกดำบรรพ์เพียงตัวเดียวที่ยังไม่ถูกพบว่าสลายตัว แม้ว่าจะพยายามทดลองก็ตาม

จำนวนนิวตรอนคี่

แอกติไนด์ที่มีจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคี่มีแนวโน้มที่จะเกิดฟิชชัน (ด้วยนิวตรอนความร้อน) ในขณะที่นิวตรอนที่มีเลขคู่มักจะไม่ทำ แม้ว่าพวกมันจะทำปฏิกิริยาฟิชชันกับนิวตรอนเร็วก็ตาม นิวไคลด์คี่-คี่ที่เสถียรเชิงสังเกตทั้งหมดมีการหมุนจำนวนเต็มไม่เป็นศูนย์ เนื่องจากนิวตรอนที่ไม่จับคู่เดี่ยวและโปรตอนที่ไม่จับคู่มีแรงดึงดูดแรงนิวเคลียร์เข้าหากันมากกว่าหากการหมุนของพวกมันอยู่ในแนวเดียวกัน (ทำให้เกิดการหมุนรวมอย่างน้อย 1 หน่วย) แทนที่จะอยู่ในแนวเดียวกัน

เกิดขึ้นในธรรมชาติ

องค์ประกอบประกอบด้วยไอโซโทปที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติตั้งแต่หนึ่งชนิดขึ้นไป ไอโซโทปที่ไม่เสถียร (กัมมันตภาพรังสี) มีทั้งแบบปฐมภูมิหรือหลังปฐมภูมิ ไอโซโทปยุคแรกเป็นผลจากการสังเคราะห์นิวคลีโอสของดาวฤกษ์หรือการสังเคราะห์นิวคลีโอสประเภทอื่น เช่น ฟิชชันของรังสีคอสมิก และคงอยู่มาจนถึงปัจจุบันเนื่องจากอัตราการสลายตัวต่ำมาก (เช่น ยูเรเนียม-238 และโพแทสเซียม-40) ไอโซโทปหลังธรรมชาติถูกสร้างขึ้นโดยการทิ้งระเบิดรังสีคอสมิกเป็นนิวไคลด์คอสโมเจนิก (เช่น ไอโซโทป คาร์บอน-14) หรือการสลายตัวของไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีในยุคแรกเริ่มเข้าสู่ลูกสาวของนิวไคลด์กัมมันตภาพรังสี (เช่น ยูเรเนียมเป็นเรเดียม) ไอโซโทปหลายชนิดถูกสังเคราะห์ตามธรรมชาติเป็นนิวไคลด์นิวคลีโอนิกโดยปฏิกิริยานิวเคลียร์ตามธรรมชาติอื่นๆ เช่น เมื่อนิวตรอนจากการแยกตัวของนิวเคลียร์ตามธรรมชาติถูกดูดซับโดยอะตอมอื่น

ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น มีเพียง 80 องค์ประกอบเท่านั้นที่มีไอโซโทปเสถียร และ 26 องค์ประกอบมีไอโซโทปเสถียรเพียงอันเดียว ดังนั้น ประมาณสองในสามของธาตุเสถียรเกิดขึ้นตามธรรมชาติบนโลกในไอโซโทปเสถียรหลายชนิด โดยไอโซโทปเสถียรจำนวนมากที่สุดสำหรับธาตุหนึ่งๆ คือ 10 สำหรับดีบุก (50Sn) บนโลกมีธาตุอยู่ประมาณ 94 ธาตุ (รวมถึงพลูโทเนียมด้วย) แม้ว่าธาตุบางส่วนจะพบได้ในปริมาณน้อยมากเท่านั้น เช่น พลูโทเนียม-244 นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าองค์ประกอบที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติบนโลก (บางส่วนเป็นไอโซโทปรังสีเท่านั้น) มีทั้งหมด 339 ไอโซโทป (นิวไคลด์) ไอโซโทปธรรมชาติเหล่านี้มีเพียง 254 ชนิดเท่านั้นที่เสถียรในแง่ที่ว่ายังไม่เคยมีการสังเกตพบจนถึงปัจจุบัน นิวไคลด์ดึกดำบรรพ์อีก 35 นิวไคลด์ (รวมเป็น 289 นิวไคลด์ดึกดำบรรพ์) มีกัมมันตภาพรังสีโดยทราบค่าครึ่งชีวิต แต่มีครึ่งชีวิตมากกว่า 80 ล้านปี ทำให้พวกมันดำรงอยู่ได้ตั้งแต่เริ่มระบบสุริยะ

ไอโซโทปเสถียรที่รู้จักทั้งหมดเกิดขึ้นตามธรรมชาติบนโลก ไอโซโทปที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติอื่นๆ นั้นมีกัมมันตภาพรังสี แต่เนื่องจากมีครึ่งชีวิตที่ค่อนข้างยาวหรือโดยวิธีอื่นที่ทำให้เกิดการผลิตตามธรรมชาติอย่างต่อเนื่อง ซึ่งรวมถึงนิวไคลด์คอสโมเจนิกที่กล่าวถึงข้างต้น นิวไคลด์นิวคลีโอเจนิก และไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีใดๆ ที่เป็นผลจากการสลายตัวอย่างต่อเนื่องของไอโซโทปกัมมันตรังสีปฐมภูมิ เช่น เรดอนและเรเดียมจากยูเรเนียม

ใน เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และเครื่องเร่งอนุภาคได้สร้างไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีเพิ่มขึ้นประมาณ 3,000 ไอโซโทปที่ไม่พบในธรรมชาติ ไม่พบไอโซโทปอายุสั้นจำนวนมาก ตามธรรมชาติบนโลกยังถูกสังเกตโดยการวิเคราะห์ทางสเปกโทรสโกปี ซึ่งสร้างขึ้นตามธรรมชาติในดาวฤกษ์หรือซุปเปอร์โนวา ตัวอย่างคือ อะลูมิเนียม-26 ซึ่งไม่พบตามธรรมชาติบนโลก แต่พบได้มากมายในระดับดาราศาสตร์

มวลอะตอมขององค์ประกอบที่ทำเป็นตารางคือค่าเฉลี่ยที่อธิบายถึงการมีอยู่ของไอโซโทปหลายตัวที่มีมวลต่างกัน ก่อนที่จะค้นพบไอโซโทป ค่ามวลอะตอมที่ไม่บูรณาการที่กำหนดโดยเชิงประจักษ์ทำให้นักวิทยาศาสตร์สับสน ตัวอย่างเช่น ตัวอย่างคลอรีนประกอบด้วยคลอรีน-35 75.8% และคลอรีน-37 24.2% ซึ่งให้มวลอะตอมเฉลี่ย 35.5 หน่วยมวลอะตอม

ตามทฤษฎีจักรวาลวิทยาที่ยอมรับโดยทั่วไป มีเพียงไอโซโทปของไฮโดรเจนและฮีเลียม ไอโซโทปบางส่วนของลิเธียมและเบริลเลียม และอาจมีโบรอนบางส่วนเท่านั้นที่ถูกสร้างขึ้นในบิ๊กแบง และไอโซโทปอื่นๆ ทั้งหมดถูกสังเคราะห์ในภายหลังในดาวฤกษ์และซูเปอร์โนวา และในอันตรกิริยาระหว่างอนุภาคพลัง เช่น รังสีคอสมิก และไอโซโทปที่ได้รับก่อนหน้านี้ ความอุดมสมบูรณ์ของไอโซโทปที่สอดคล้องกันของไอโซโทปบนโลกถูกกำหนดโดยปริมาณที่เกิดจากกระบวนการเหล่านี้ การแพร่กระจายของไอโซโทปผ่านกาแลคซี และอัตราการสลายตัวของไอโซโทปซึ่งไม่เสถียร หลังจากการควบรวมระบบสุริยะครั้งแรก ไอโซโทปถูกกระจายใหม่ตามมวล และองค์ประกอบไอโซโทปของธาตุจะแตกต่างกันไปเล็กน้อยในแต่ละดาวเคราะห์ ซึ่งบางครั้งทำให้สามารถติดตามต้นกำเนิดของอุกกาบาตได้

มวลอะตอมของไอโซโทป

มวลอะตอม (mr) ของไอโซโทปถูกกำหนดโดยเลขมวลของมันเป็นหลัก (นั่นคือ จำนวนนิวคลีออนในนิวเคลียสของมัน) การแก้ไขเล็กน้อยนั้นเกิดจากพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส ความแตกต่างเล็กน้อยของมวลระหว่างโปรตอนและนิวตรอน และมวลของอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับอะตอม

เลขมวล - ปริมาณไร้มิติ ในทางกลับกัน มวลอะตอมวัดโดยใช้หน่วยมวลอะตอมโดยพิจารณาจากมวลของอะตอมคาร์บอน-12 มันถูกแสดงด้วยสัญลักษณ์ "u" (สำหรับหน่วยมวลอะตอมรวม) หรือ "Da" (สำหรับดัลตัน)

มวลอะตอมของไอโซโทปตามธรรมชาติของธาตุจะกำหนดมวลอะตอมของธาตุ เมื่อองค์ประกอบมีไอโซโทป N นิพจน์ต่อไปนี้จะใช้กับมวลอะตอมเฉลี่ย:

โดยที่ m 1, m 2, ..., mN คือมวลอะตอมของไอโซโทปแต่ละตัว และ x 1, ..., xN คือความอุดมสมบูรณ์สัมพัทธ์ของไอโซโทปเหล่านี้

การประยุกต์ไอโซโทป

มีการใช้งานหลายอย่างที่ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของไอโซโทปต่างๆ ขององค์ประกอบที่กำหนด การแยกไอโซโทปเป็นปัญหาทางเทคโนโลยีที่สำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับธาตุหนัก เช่น ยูเรเนียมหรือพลูโทเนียม ธาตุที่เบากว่า เช่น ลิเธียม คาร์บอน ไนโตรเจน และออกซิเจน มักจะถูกแยกออกจากกันโดยการแพร่ของก๊าซของสารประกอบ เช่น CO และ NO การแยกไฮโดรเจนและดิวทีเรียมเป็นเรื่องผิดปกติเนื่องจากต้องใช้สารเคมีมากกว่า คุณสมบัติทางกายภาพตัวอย่างเช่น ในกระบวนการ Girdler sulfide ไอโซโทปยูเรเนียมถูกแยกโดยปริมาตรโดยการแพร่กระจายของก๊าซ การปั่นแยกก๊าซ การแยกไอออไนเซชันด้วยเลเซอร์ และ (ในโครงการแมนฮัตตัน) การผลิตแมสสเปกโตรเมตรี

การใช้คุณสมบัติทางเคมีและชีวภาพ

• การวิเคราะห์ไอโซโทปคือการกำหนดลักษณะเฉพาะของไอโซโทป ซึ่งเป็นปริมาณสัมพัทธ์ของไอโซโทปขององค์ประกอบที่กำหนดในตัวอย่างเฉพาะ สำหรับสารอาหาร โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญของไอโซโทป C, N และ O สามารถเกิดขึ้นได้ การวิเคราะห์ความแปรผันดังกล่าวมี หลากหลายการใช้งานต่างๆ เช่น การตรวจจับการงัดแงะ ผลิตภัณฑ์อาหารหรือแหล่งกำเนิดทางภูมิศาสตร์ของผลิตภัณฑ์โดยใช้ไอโซสเคป การจำแนกอุกกาบาตบางชนิดที่มีต้นกำเนิดบนดาวอังคารนั้นส่วนหนึ่งขึ้นอยู่กับลักษณะไอโซโทปของก๊าซติดตามที่พวกมันมีอยู่
• การทดแทนไอโซโทปสามารถใช้เพื่อกำหนดกลไกของปฏิกิริยาเคมีผ่านผลของไอโซโทปจลน์
• การใช้งานทั่วไปอีกประการหนึ่งคือการติดฉลากไอโซโทป ซึ่งเป็นการใช้ไอโซโทปที่ผิดปกติเป็นตัวบ่งชี้หรือเครื่องหมายในปฏิกิริยาเคมี โดยปกติอะตอมขององค์ประกอบที่กำหนดจะแยกไม่ออกจากกัน อย่างไรก็ตาม ด้วยการใช้ไอโซโทปที่มีมวลต่างกัน แม้กระทั่งไอโซโทปเสถียรที่ไม่มีกัมมันตภาพรังสีที่แตกต่างกันก็สามารถแยกแยะได้โดยใช้แมสสเปกโตรเมทรีหรืออินฟราเรดสเปกโทรสโกปี ตัวอย่างเช่น ใน “การติดฉลากไอโซโทปเสถียรของกรดอะมิโนในการเพาะเลี้ยงเซลล์” (SILAC) ไอโซโทปเสถียรถูกใช้เพื่อหาปริมาณโปรตีน หากใช้ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี จะสามารถตรวจพบไอโซโทปรังสีที่ปล่อยออกมาได้ (ซึ่งเรียกว่าการติดแท็กไอโซโทปรังสี)
• โดยทั่วไปไอโซโทปจะใช้เพื่อหาความเข้มข้นขององค์ประกอบหรือสารต่างๆ โดยใช้วิธีการเจือจางไอโซโทป โดยผสมในปริมาณที่ทราบของสารประกอบทดแทนไอโซโทปกับตัวอย่าง และลักษณะเฉพาะของไอโซโทปของสารผสมที่ได้จะถูกกำหนดโดยใช้แมสสเปกโตรเมตรี

การใช้คุณสมบัตินิวเคลียร์

• วิธีการที่คล้ายกันในการติดแท็กไอโซโทปรังสีคือการหาอายุด้วยรังสี: โดยใช้ครึ่งชีวิตขององค์ประกอบที่ไม่เสถียรที่ทราบ จึงสามารถคำนวณเวลาที่ผ่านไปนับตั้งแต่มีความเข้มข้นของไอโซโทปที่ทราบได้ ตัวอย่างที่เป็นที่รู้จักอย่างกว้างขวางที่สุดคือการหาอายุของคาร์บอนกัมมันตภาพรังสี ซึ่งใช้ในการกำหนดอายุของวัสดุคาร์บอน
• สเปกโทรสโกปีบางรูปแบบอาศัยคุณสมบัติทางนิวเคลียร์เฉพาะของไอโซโทปเฉพาะ ทั้งกัมมันตภาพรังสีและความเสถียร ตัวอย่างเช่น สเปกโทรสโกปีเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ (NMR) สามารถใช้กับไอโซโทปที่มีการหมุนของนิวเคลียร์ที่ไม่เป็นศูนย์เท่านั้น ไอโซโทปที่พบบ่อยที่สุดที่ใช้ในสเปกโทรสโกปี NMR คือ 1 H, 2 D, 15 N, 13 C และ 31 P
• Mössbauer สเปกโทรสโกปียังอาศัยการเปลี่ยนผ่านนิวเคลียร์ของไอโซโทปจำเพาะ เช่น 57Fe