Izotopai turi tiek pat elektronų. Kas yra izotopai

Izotopai

IZOTOPAI-s; pl.(vienetas izotopas, -a; m.). [iš graikų kalbos isos – lygus ir topos – vieta] specialistas. To paties cheminio elemento atmainos, besiskiriančios atomų mase. Radioaktyvieji izotopai. Urano izotopai.

◁ Izotopinis, oi, oi. I. rodiklis.

Tyrimų istorija
Pirmieji eksperimentiniai duomenys apie izotopų egzistavimą buvo gauti 1906–1910 m. tiriant sunkiųjų elementų atomų radioaktyviųjų virsmų savybes. 1906-07 metais. buvo nustatyta, kad produktas radioaktyvusis skilimas uranas – jonis ir torio radioaktyvaus skilimo produktas – radiotoris pasižymi tokiomis pat cheminėmis savybėmis kaip ir toris, tačiau skiriasi nuo pastarojo atomine mase ir radioaktyvaus skilimo charakteristikomis. Be to: visi trys elementai turi tuos pačius optinius ir rentgeno spindulių spektrus. Anglų mokslininko F. Soddy siūlymu (cm. SODDIE Frederick), tokias medžiagas imta vadinti izotopais.
Aptikus izotopus sunkiuosiuose radioaktyviuose elementuose, pradėta ieškoti izotopų stabiliuose elementuose. Nepriklausomas stabilių izotopų egzistavimo patvirtinimas cheminiai elementai buvo gautas J. J. Thomson eksperimentais (cm. THOMSONAS Josephas Johnas) ir F. Astonas (cm. ASTON Francis William). Thomsonas atrado stabilius neono izotopus 1913 m. Astonas, kuris atliko tyrimus naudodamas savo sukurtą instrumentą, vadinamą masės spektrografu (arba masės spektrometru), naudodamas masių spektrometrijos metodą (cm. MASĖS SPEKTROMETRIJA), įrodė, kad daugelis kitų stabilių cheminių elementų turi izotopų. 1919 m. jis gavo įrodymų apie dviejų izotopų 20 Ne ir 22 Ne egzistavimą, kurių santykinis gausa (gausa) gamtoje yra maždaug 91% ir 9%. Vėliau buvo aptiktas izotopas 21 Ne, kurio gausa buvo 0,26%, chloro, gyvsidabrio ir daugelio kitų elementų izotopų.
Šiek tiek kitokios konstrukcijos masės spektrometrą tais pačiais metais sukūrė A. J. Dempster (cm. DEMPSTER Arthur Jeffrey). Dėl tolesnio masės spektrometrų naudojimo ir tobulinimo daugelio tyrinėtojų pastangomis buvo sudaryta beveik visa izotopinių kompozicijų lentelė. 1932 metais buvo atrastas neutronas – dalelė be krūvio, kurios masė artima vandenilio atomo branduolio masei – protonas, ir sukurtas branduolio protono-neutrono modelis. Dėl to mokslas nustatė galutinį izotopų sąvokos apibrėžimą: izotopai yra medžiagos, kurių atomų branduoliai susideda iš vienodo protonų skaičiaus ir skiriasi tik neutronų skaičiumi branduolyje. Apie 1940 m. buvo atlikta visų tuo metu žinomų cheminių elementų izotopų analizė.
Radioaktyvumo tyrimo metu buvo aptikta apie 40 natūralių radioaktyvių medžiagų. Jie buvo suskirstyti į radioaktyvias šeimas, kurių protėviai yra torio ir urano izotopai. Gamtiniams priskiriamos visos stabilios atomų atmainos (jų yra apie 280) ir visi natūraliai radioaktyvūs, kurie priklauso radioaktyviosioms šeimoms (jų yra 46). Visi kiti izotopai gaunami kaip rezultatas branduolinės reakcijos.
Pirmą kartą I. Curie 1934 m (cm. JOLIO-CURIE Irene) ir F. Joliot-Curie (cm. JOLIO-CURIE Frederic) dirbtinai gautų radioaktyvių azoto (13 N), silicio (28 Si) ir fosforo (30 P) izotopų, kurių gamtoje nėra. Šiais eksperimentais jie parodė galimybę susintetinti naujus radioaktyviuosius nuklidus. Tarp šiuo metu žinomų dirbtinių radioizotopų daugiau nei 150 priklauso transurano elementams (cm. TRANSURANE ELEMENTAI), Žemėje nerasta. Teoriškai daroma prielaida, kad galinčių egzistuoti izotopų veislių skaičius gali siekti apie 6000.

enciklopedinis žodynas. 2009 .

Pažiūrėkite, kas yra „izotopai“ kituose žodynuose:

Šiuolaikinė enciklopedija

Izotopai- (iš iso... ir graikų topos vieta), cheminių elementų atmainos, kurių atomų (nuklidų) branduoliai skiriasi neutronų skaičiumi, bet turi tas pats numeris protonų, todėl periodinėje cheminių medžiagų lentelėje užima tą pačią vietą... Iliustruotas enciklopedinis žodynas

- (iš iso... ir graikų topos vieta) cheminių elementų atmainos, kurių atomų branduoliai skiriasi neutronų skaičiumi, bet turi vienodą protonų skaičių ir todėl periodinėje elementų lentelėje užima tą pačią vietą. Išskirti... ... Didysis enciklopedinis žodynas

IZOTOPAI- IZOTOPAI, cheminiai. elementai, esantys tame pačiame periodinės lentelės langelyje ir todėl turintys tą patį atominį arba eilės numerį. Šiuo atveju jonų atominė masė paprastai neturėtų būti tokia pati. Įvairūs…… Didžioji medicinos enciklopedija

Šios cheminės medžiagos veislės. elementai, kurie skiriasi savo branduolių mase. Jonai, turintys identiškus Z branduolių krūvius, tačiau besiskiriantys neutronų skaičiumi, turi tą pačią struktūrą elektronų apvalkalai, t.y. labai artima chem. St. Va, ir užimti tą patį... ... Fizinė enciklopedija

Tos pačios cheminės medžiagos atomai. elementas, kurio branduoliuose yra vienodas protonų skaičius, bet skirtingas neutronų skaičius; turi skirtingą atominę masę, turi tą pačią cheminę medžiagą. savybių, bet skiriasi savo fizinėmis savybėmis. savybės, ypač... Mikrobiologijos žodynas

Atomų chem. elementai, kurių masės skaičiai skiriasi, bet atomo branduolių krūvis yra vienodas ir todėl Mendelejevo periodinėje lentelėje užima tą pačią vietą. Tos pačios cheminės medžiagos skirtingų izotopų atomai. elementų skaičius skiriasi.... Geologijos enciklopedija

Izotopai- cheminio elemento atomų (ir branduolių) atmainos, turinčios tą patį atominį (eilės) skaičių, bet tuo pačiu ir skirtingus masės skaičius.

Terminas izotopas yra sudarytas iš graikiškų šaknų isos (ἴσος „lygus“) ir topos (τόπος „vieta“), reiškiančių „ta pati vieta“; Taigi pavadinimo reikšmė ta, kad skirtingi to paties elemento izotopai periodinėje lentelėje užima tą pačią vietą.

Trys natūralūs vandenilio izotopai. Tai, kad kiekvienas izotopas turi vieną protoną, turi vandenilio variantų: izotopo tapatybę lemia neutronų skaičius. Iš kairės į dešinę izotopai yra protis (1H) su nuliu neutronu, deuteris (2H) su vienu neutronu ir tritis (3H) su dviem neutronais.

Protonų skaičius atomo branduolyje vadinamas atominiu skaičiumi ir yra lygus elektronų skaičiui neutraliame (nejonizuotame) atome. Kiekvienas atominis skaičius identifikuoja konkretų elementą, bet ne izotopą; Tam tikro elemento atomas gali turėti platų neutronų skaičiaus diapazoną. Nukleonų (ir protonų, ir neutronų) skaičius branduolyje yra atomo masės skaičius, o kiekvienas tam tikro elemento izotopas turi skirtingą masės skaičių.

Pavyzdžiui, anglis-12, anglis-13 ir anglis-14 yra trys elementinės anglies izotopai, kurių masės skaičiai yra atitinkamai 12, 13 ir 14. Anglies atominis skaičius yra 6, o tai reiškia, kad kiekvienas anglies atomas turi 6 protonus, todėl šių izotopų neutronų skaičius yra atitinkamai 6, 7 ir 8.

Nuklides Ir izotopų

Nuklidas reiškia branduolį, o ne atomą. Tam pačiam nuklidui priklauso identiški branduoliai, pavyzdžiui, kiekvienas anglies-13 nuklido branduolys susideda iš 6 protonų ir 7 neutronų. Nuklidų koncepcija (susijusi su atskiromis branduolinėmis rūšimis) pabrėžia branduolines savybes, o ne chemines savybes, o izotopų koncepcija (grupuojant visus kiekvieno elemento atomus) pabrėžia cheminę reakciją, o ne branduolinę reakciją. Neutronų skaičius turi didelę įtaką branduolių savybėms, tačiau daugumai elementų jo poveikis cheminėms savybėms yra nereikšmingas. Net ir lengviausių elementų atveju, kai neutronų ir atominio skaičiaus santykis tarp izotopų labiausiai skiriasi, jis paprastai turi tik nedidelį poveikį, nors kai kuriais atvejais jis turi reikšmės (vandenilio atveju pats šviesos elementas, izotopų efektas yra didelis ir daro didelę įtaką biologijai). Kadangi izotopas yra senesnis terminas, jis geriau žinomas nei nuklidas ir vis dar kartais vartojamas ten, kur nuklidas gali būti tinkamesnis, pavyzdžiui, branduolinės technologijos ir branduolinės medicinos.

Pavadinimai

Izotopas arba nuklidas identifikuojamas pagal konkretaus elemento pavadinimą (tai nurodo atominį skaičių), po kurio rašomas brūkšnelis ir masės skaičius (pavyzdžiui, helis-3, helis-4, anglis-12, anglis-14, uranas- 235 ir urano-239). Kai naudojamas cheminis simbolis, pvz. „C“ – anglies, standartinis žymėjimas (dabar žinomas kaip „AZE žymėjimas“, nes A yra masės skaičius, Z – atominis skaičius, o E – elemento) – nurodykite masės skaičių (nukleonų skaičių) su viršutiniu indeksu. Cheminio simbolio viršuje kairėje ir apatiniame kairiajame kampe nurodykite atominį numerį su indeksu). Kadangi atominis skaičius nurodomas elemento simboliu, paprastai viršutiniame indekse nurodomas tik masės skaičius, o atominis indeksas nenurodomas. Raidė m kartais pridedama po masės skaičiaus, nurodant branduolinį izomerą, metastabilią arba energetiškai sužadintą branduolinę būseną (priešingai nei žemiausios energijos pagrindinės būsenos), pavyzdžiui, 180m 73Ta (tantalas-180m).

Radioaktyvūs, pirminiai ir stabilūs izotopai

Kai kurie izotopai yra radioaktyvūs ir todėl vadinami radioizotopais arba radionuklidais, o kiti niekada nebuvo pastebėti radioaktyvaus irimo ir yra vadinami stabiliais izotopais arba stabiliais nuklidais. Pavyzdžiui, 14 C yra radioaktyvi anglies forma, o 12 C ir 13 C yra stabilūs izotopai. Žemėje yra maždaug 339 natūraliai atsirandantys nuklidai, iš kurių 286 yra pirminiai nuklidai, tai reiškia, kad jie egzistavo nuo pat susiformavimo saulės sistema.

Pradiniai nuklidai apima 32 nuklidus, kurių pusinės eliminacijos laikas yra labai ilgas (daugiau nei 100 milijonų metų), ir 254, kurie formaliai laikomi „stabiliais nuklidais“, nes nebuvo pastebėta, kad jie skiltų. Daugeliu atvejų dėl akivaizdžių priežasčių, jei elementas turi stabilių izotopų, tada tie izotopai dominuoja elementų gausoje Žemėje ir Saulės sistemoje. Tačiau trijų elementų (telūro, indio ir renio) atveju labiausiai paplitęs gamtoje randamas izotopas iš tikrųjų yra vienas (arba du) itin ilgaamžis elemento radioizotopas (-ai), nepaisant to, kad šie elementai turi vieną. arba stabilesni izotopai.

Teorija numato, kad daugelis iš pažiūros „stabilių“ izotopų/nuklidų yra radioaktyvūs, jų pusinės eliminacijos laikas yra itin ilgas (neatsižvelgiant į protonų skilimo galimybę, dėl kurio visi nuklidai ilgainiui taptų nestabilūs). Iš 254 nuklidų, kurie niekada nebuvo pastebėti, tik 90 iš jų (visi pirmieji 40 elementų) teoriškai yra stabilūs visoms žinomoms skilimo formoms. 41 elementas (niobis) teoriškai yra nestabilus dėl savaiminio dalijimosi, tačiau tai niekada nebuvo atrasta. Daugelis kitų stabilių nuklidų teoriškai yra energetiškai jautrūs kitoms žinomoms skilimo formoms, tokioms kaip alfa skilimas arba dvigubas beta skilimas, tačiau skilimo produktai dar nepastebėti, todėl šie izotopai laikomi „stebėjimo požiūriu stabiliais“. Numatomas šių nuklidų pusinės eliminacijos laikas dažnai gerokai viršija numatomą Visatos amžių, o iš tikrųjų taip pat yra žinomi 27 radionuklidai, kurių pusinės eliminacijos laikas ilgesnis nei Visatos amžius.

Dirbtinai sukurti radioaktyvieji nuklidai, šiuo metu žinomi 3339 nuklidai. Tai apima 905 nuklidus, kurie yra stabilūs arba kurių pusinės eliminacijos laikas yra ilgesnis nei 60 minučių.

Izotopų savybės

Cheminės ir molekulinės savybės

Neutralus atomas turi tiek pat elektronų, kiek ir protonai. Taigi skirtingi tam tikro elemento izotopai turi tą patį elektronų skaičių ir panašias elektronines struktūras. Kadangi atomo cheminę elgseną daugiausia lemia jo elektroninė struktūra, skirtingi izotopai pasižymi beveik identišku cheminiu elgesiu.

Išimtis yra kinetinis izotopų efektas: dėl didelės masės sunkesni izotopai linkę reaguoti kiek lėčiau nei lengvesni to paties elemento izotopai. Tai ryškiausia protiui (1 H), deuteriui (2 H) ir tričiui (3 H), nes deuterio masė yra dvigubai didesnė, o tričio masė yra tris kartus didesnė už protį. Šie masių skirtumai taip pat turi įtakos atitinkamų cheminių ryšių elgsenai, keičiant atominių sistemų svorio centrą (sumažintą masę). Tačiau sunkesnių elementų santykiniai masių skirtumai tarp izotopų yra daug mažesni, todėl masės skirtumo poveikis chemijoje paprastai yra nereikšmingas. (Sunkieji elementai taip pat turi santykinai daugiau neutronų nei lengvesni elementai, todėl branduolinės masės ir visos elektronų masės santykis yra šiek tiek didesnis).

Taip pat dvi molekulės, kurios skiriasi tik savo atomų izotopais (izotopologais), turi tą pačią elektroninę struktūrą, taigi ir beveik nesiskiriančias fizines bei chemines savybes (vėlgi, su pagrindinėmis išimtimis yra deuteris ir tritis). Molekulės virpesių režimus lemia jos forma ir ją sudarančių atomų masė; Todėl skirtingi izotopologai turi skirtingus virpesių režimų rinkinius. Kadangi vibracijos režimai leidžia molekulei sugerti atitinkamos energijos fotonus, izotopologai turi skirtingas infraraudonųjų spindulių optines savybes.

Branduolinės savybės ir stabilumas

Atomo branduoliai susideda iš protonų ir neutronų, sujungtų likusia stipria jėga. Kadangi protonai yra teigiamai įkrauti, jie atstumia vienas kitą. Neutronai, kurie yra elektriškai neutralūs, stabilizuoja branduolį dviem būdais. Jų kontaktas šiek tiek atstumia protonus, sumažindamas elektrostatinį atstūmimą tarp protonų, ir jie vienas kitam ir protonams veikia patrauklią branduolinę jėgą. Dėl šios priežasties, kad du ar daugiau protonų prisijungtų prie branduolio, reikia vieno ar daugiau neutronų. Didėjant protonų skaičiui, didėja ir neutronų ir protonų santykis, reikalingas stabiliam branduoliui užtikrinti (žr. grafiką dešinėje). Pavyzdžiui, nors neutronų ir protonų santykis 3 2 He yra 1:2, neutronų: protonų santykis yra 238 92 U.
Daugiau nei 3:2. Daugybė lengvesnių elementų turi stabilius nuklidus, kurių santykis yra 1:1 (Z = N). Nuklidas 40 20 Ca (kalcis-40) yra sunkiausias stebėjimo požiūriu stabilus nuklidas, turintis tiek pat neutronų ir protonų; (Teoriškai sunkiausia stabili yra siera-32). Visuose stabiliuose nukliduose, sunkesniuose už kalcio-40, yra daugiau neutronų nei protonų.

Izotopų skaičius viename elemente

Iš 81 elemento, turinčio stabilius izotopus, didžiausias bet kurio elemento stabilių izotopų skaičius yra dešimt (elemento alavo). Nė vienas elementas neturi devynių stabilių izotopų. Ksenonas yra vienintelis elementas, turintis aštuonis stabilius izotopus. Keturi elementai turi septynis stabilius izotopus, iš kurių aštuoni turi šešis stabilius izotopus, dešimt turi penkis stabilius izotopus, devyni turi keturis stabilius izotopus, penki turi tris stabilius izotopus, 16 turi du stabilius izotopus ir 26 elementai turi tik vieną (iš kurių 19 yra vadinamieji mononuklidiniai elementai, turintys vieną pirminį stabilų izotopą, kuris dominuoja ir labai tiksliai fiksuoja natūralaus elemento atominę masę; taip pat yra 3 radioaktyvieji mononuklidiniai elementai). Iš viso yra 254 nuklidai, kurių skilimas nebuvo pastebėtas. 80 elementų, turinčių vieną ar daugiau stabilių izotopų, vidutinis stabilių izotopų skaičius yra 254/80 = 3,2 izotopų vienam elementui.

Lyginis ir nelyginis nukleonų skaičius

Protonai: Neutronų santykis nėra vienintelis veiksnys, turintis įtakos branduolio stabilumui. Tai taip pat priklauso nuo jo atominio skaičiaus Z pariteto arba nelygumo, neutronų skaičiaus N, taigi ir jų masės skaičiaus A sumos. Nelyginis ir Z, ir N linkę sumažinti branduolio surišimo energiją, sukurdami nelyginius branduolius, kurie paprastai yra mažiau stabilūs. Šis reikšmingas branduolio surišimo energijos skirtumas tarp gretimų branduolių, ypač nelyginių izobarų, turi svarbių pasekmių: nestabilūs izotopai su neoptimaliu neutronų ar protonų skaičiumi suyra beta skilimo (įskaitant pozitronų skilimą), elektronų gaudymo ar kitomis egzotiškomis priemonėmis, tokiomis kaip savaiminis skilimas ir irimo klasteriai.

Dauguma stabilių nuklidų yra lyginis protonų skaičius ir lyginis neutronų skaičius, kur Z, N ir A skaičiai yra lygūs. Nelyginiai stabilūs nuklidai skirstomi (maždaug po lygiai) į nelyginius.

Atominis skaičius

148 lygių protonų ir net neutronų (NE) nuklidai sudaro ~ 58% visų stabilių nuklidų. Taip pat yra 22 pirminiai ilgaamžiai lygūs nuklidai. Dėl to kiekvienas iš 41 lyginio elemento nuo 2 iki 82 turi bent jau vienas stabilus izotopas, o dauguma šių elementų turi kelis pirminius izotopus. Pusė šių porinių elementų turi šešis ar daugiau stabilių izotopų. Ypatingas helio-4 stabilumas, atsirandantis dėl dvigubo dviejų protonų ir dviejų neutronų junginių, neleidžia jokiems nuklidams, turintiems penkis ar aštuonis nukleonus, egzistuoti pakankamai ilgai, kad jie būtų platforma sunkesniems elementams kaupti branduolių sintezės būdu.

Šie 53 stabilūs nuklidai turi lyginį protonų skaičių ir nelyginį neutronų skaičių. Jie yra mažuma, palyginti su lygiaisiais izotopais, kurių yra maždaug 3 kartus daugiau. Iš 41 lyginio Z elemento, turinčio stabilų nuklidą, tik du elementai (argonas ir ceris) neturi lyginių ir nelyginių stabilių nuklidų. Vienas elementas (alavas) turi tris. Yra 24 elementai, turintys vieną lyginį ir nelyginį nuklidą, o 13 turinčių du nelyginius nuklidus.

Dėl nelyginio neutronų skaičiaus nuklidai paprastai turi nelyginius dideli skyriai neutronų gaudymas dėl energijos, atsirandančios dėl neutronų sujungimo. Šių stabilių nuklidų gamtoje gali būti neįprastai daug, daugiausia todėl, kad susidarytų ir patektų į pirmykštę gausą, jie turi išvengti neutronų gaudymo, kad susidarytų dar kiti stabilūs lyginiai ir nelyginiai izotopai s proceso metu ir r neutronų gaudymo procesas nukleosintezės metu.

Nelyginis atominis skaičius

48 stabilūs nelyginių protonų ir lyginių neutronų nuklidai, stabilizuoti jų poriniu neutronų skaičiumi, sudaro daugumą nelyginių elementų stabilių izotopų; Labai nedaug nelyginių-protonų-nelyginių neutronų nuklidų sudaro kitus. Yra 41 nelyginis elementas nuo Z = 1 iki 81, iš kurių 39 turi stabilius izotopus (elementai technecis (43 Tc) ir prometis (61 Pm) neturi stabilių izotopų). Iš šių 39 nelyginių Z elementų 30 elementų (įskaitant vandenilį-1, kur 0 neutronų yra lyginių) turi vieną stabilų lyginį nelyginį izotopą ir devynis elementus: chlorą (17 Cl), kalį (19K), varį (29 Cu), galis (31 Ga), bromas (35 Br), sidabras (47 Ag), stibis (51 Sb), iridis (77 Ir) ir talis (81 Tl) turi po du nelyginius ir lyginius stabilius izotopus. Taip gaunami 30 + 2 (9) = 48 stabilūs lygūs ir lygūs izotopai.

Tik penkiuose stabiliuose nukliduose yra ir nelyginis protonų skaičius, ir nelyginis neutronų skaičius. Pirmieji keturi „nelyginiai“ nuklidai atsiranda mažos molekulinės masės nukliduose, kurių protoną pakeitus neutronu arba atvirkščiai, protonų ir neutronų santykis bus labai nevienodas.

Vienintelis visiškai „stabilus“, nelyginis-nelyginis nuklidas yra 180 m 73 Ta, kuris laikomas rečiausiu iš 254 stabilių izotopų ir yra vienintelis pirminis branduolinis izomeras, kurio skilimas, nepaisant eksperimentinių bandymų, dar nepastebėtas.

Nelyginis neutronų skaičius

Aktinidai, turintys nelyginį neutronų skaičių, linkę dalytis (su šiluminiais neutronais), o tie, kurių neutronų skaičius yra lyginis, paprastai ne, nors jie dalijasi su greitais neutronais. Visi stebėjimo požiūriu stabilūs nelyginiai ir nelyginiai nuklidai turi ne nulinį sveikųjų skaičių sukimąsi. Taip yra todėl, kad vienas nesuporuotas neutronas ir nesuporuotas protonas turi didesnę branduolinės jėgos trauką vienas kito atžvilgiu, jei jų sukiniai yra sulygiuoti (sudaro bent 1 vieneto sukimąsi), o ne lygiuojasi.

Atsiradimas gamtoje

Elementai yra sudaryti iš vieno ar daugiau natūraliai susidarančių izotopų. Nestabilūs (radioaktyvūs) izotopai yra pirminiai arba popirminiai. Pirmieji izotopai buvo žvaigždžių nukleosintezės arba kitos rūšies nukleosintezės, pvz., kosminių spindulių dalijimosi, produktas ir išliko iki šių dienų, nes jų skilimo greitis yra toks mažas (pvz., urano-238 ir kalio-40). Pogamtiniai izotopai buvo sukurti bombarduojant kosminius spindulius kaip kosmogeniniai nuklidai (pvz., tritis, anglis-14) arba radioaktyvaus pirminio izotopo skilimas į radioaktyvaus radiogeninio nuklido dukterį (pvz., uranas į radį). Keletas izotopų natūraliai susintetinami kaip nukleogeniniai nuklidai kitų natūralių branduolinių reakcijų metu, pavyzdžiui, kai natūralaus branduolio dalijimosi neutronus sugeria kitas atomas.

Kaip aptarta aukščiau, tik 80 elementų turi stabilius izotopus, o 26 iš jų turi tik vieną stabilų izotopą. Taigi, maždaug du trečdaliai stabilių elementų natūraliai randami Žemėje keliuose stabiliuose izotopuose, o didžiausias stabilių izotopų skaičius elementui yra dešimt, alavo (50Sn). Žemėje yra apie 94 elementai (iki plutonio imtinai), nors kai kurie jų randami labai mažais kiekiais, pavyzdžiui, plutonio-244. Mokslininkai mano, kad elementų, kurie natūraliai atsiranda Žemėje (kai kurie tik kaip radioizotopai), iš viso yra 339 izotopai (nuklidai). Tik 254 iš šių natūralių izotopų yra stabilūs ta prasme, kad jie iki šiol nebuvo pastebėti. Kiti 35 pirminiai nuklidai (iš viso 289 pirminiai nuklidai) yra radioaktyvūs, kurių pusinės eliminacijos laikas yra žinomas, tačiau jų pusinės eliminacijos laikas yra daugiau nei 80 milijonų metų, todėl jie gali egzistuoti nuo Saulės sistemos pradžios.

Visi žinomi stabilūs izotopai randami natūraliai Žemėje; Kiti gamtoje esantys izotopai yra radioaktyvūs, tačiau dėl jų santykinai ilgo pusėjimo trukmės arba dėl kitų nenutrūkstamos natūralios gamybos būdų. Tai apima aukščiau minėtus kosmogeninius nuklidus, nukleogeninius nuklidus ir bet kokius radiogeninius izotopus, atsirandančius dėl vykstančio pirminio radioaktyvaus izotopo, pvz., radono ir radžio, skilimo iš urano.

IN branduoliniai reaktoriai o dalelių greitintuvai sukūrė dar ~3000 radioaktyvių izotopų, kurių gamtoje nėra. Spektroskopine analize taip pat buvo pastebėta daugybė trumpaamžių izotopų, natūraliai neaptinkamų Žemėje, natūraliai gaminamų žvaigždėse ar supernovose. Pavyzdys yra aliuminis-26, kurio Žemėje natūraliai nėra, tačiau jo gausu astronominiu mastu.

Lentelėje pateiktos elementų atominės masės rodo vidutines vertes, paaiškinančias kelių izotopų buvimą skirtingos masės. Prieš atrandant izotopus, empiriškai nustatytos, neintegruotos atominės masės reikšmės suklaidino mokslininkus. Pavyzdžiui, chloro mėginyje yra 75,8% chloro-35 ir 24,2% chloro-37, todėl vidutinė atominė masė yra 35,5 atominės masės vienetų.

Remiantis visuotinai priimta kosmologijos teorija, buvo sukurti tik vandenilio ir helio izotopai, kai kurių ličio ir berilio izotopų pėdsakai ir galbūt šiek tiek boro. Didysis sprogimas, o visi kiti izotopai buvo susintetinti vėliau, žvaigždėse ir supernovos, taip pat sąveika tarp energetinių dalelių, tokių kaip kosminiai spinduliai, ir anksčiau pagamintų izotopų. Atitinkamą izotopų gausą Žemėje lemia šių procesų gaminami kiekiai, jų sklidimas per galaktiką ir nestabilių izotopų skilimo greitis. Po pirminio Saulės sistemos susijungimo izotopai buvo perskirstyti pagal masę, o elementų izotopinė sudėtis įvairiose planetose šiek tiek skiriasi. Tai kartais leidžia atsekti meteoritų kilmę.

Izotopų atominė masė

Izotopo atominę masę (mr) pirmiausia lemia jo masės skaičius (t. y. nukleonų skaičius jo branduolyje). Mažos pataisos atsiranda dėl branduolio surišimo energijos, nedidelio protono ir neutrono masės skirtumo bei su atomu susijusių elektronų masės.

Masinis skaičius - bematis kiekis. Kita vertus, atominė masė matuojama naudojant atominės masės vienetą, pagrįstą anglies-12 atomo mase. Jis žymimas simboliais „u“ (vieningam atominės masės vienetui) arba „Da“ (daltonui).

Elemento natūralių izotopų atominės masės lemia elemento atominę masę. Kai elemente yra N izotopų, vidutinei atominei masei taikoma ši išraiška:

Kur m 1, m 2, ..., mN yra kiekvieno atskiro izotopo atominės masės, o x 1, ..., xN yra šių izotopų santykinis gausumas.

Izotopų taikymas

Yra keletas programų, kurios naudojasi tam tikro elemento skirtingų izotopų savybėmis. Izotopų atskyrimas yra svarbi technologinė problema, ypač su sunkiaisiais elementais, tokiais kaip uranas ar plutonis. Lengvesni elementai, tokie kaip litis, anglis, azotas ir deguonis, paprastai yra atskiriami jų junginių, tokių kaip CO ir NO, dujų difuzijos būdu. Vandenilio ir deuterio atskyrimas yra neįprastas, nes jis pagrįstas cheminėmis, o ne fizinėmis savybėmis, pavyzdžiui, naudojant Girdlerio sulfido procesą. Urano izotopai buvo atskirti pagal tūrį dujų difuzijos, dujų centrifugavimo, lazerinio jonizacijos atskyrimo ir (Manheteno projekte) masės spektrometrijos būdu.

Cheminių ir biologinių savybių panaudojimas

• Izotopų analizė yra izotopų parašo, tam tikro elemento izotopų santykinio gausumo nustatymas. konkretus pavyzdys. Ypatingai maistinių medžiagų atveju gali įvykti reikšmingi C, N ir O izotopų pokyčiai. Tokių svyravimų analizė gali būti naudojama labai įvairiai, pavyzdžiui, nustatant klastojimą maisto produktai arba geografinė produktų kilmė naudojant izoscape. Kai kurių meteoritų, atsiradusių Marse, identifikavimas iš dalies pagrįstas juose esančių dujų pėdsakų izotopiniu ženklu.
• Izotopinis pakeitimas gali būti naudojamas cheminės reakcijos mechanizmui nustatyti naudojant kinetinį izotopų efektą.
• Kitas įprastas pritaikymas yra izotopų ženklinimas, neįprastų izotopų naudojimas kaip indikatoriai ar žymenys cheminėse reakcijose. Paprastai tam tikro elemento atomai vienas nuo kito nesiskiria. Tačiau naudojant skirtingos masės izotopus, naudojant masių spektrometriją arba infraraudonųjų spindulių spektroskopiją, galima atskirti net skirtingus neradioaktyvius stabilius izotopus. Pavyzdžiui, atliekant „aminorūgščių ženklinimą stabiliais izotopais ląstelių kultūroje“ (SILAC), baltymams nustatyti naudojami stabilūs izotopai. Jei naudojami radioaktyvieji izotopai, juos galima aptikti pagal jų skleidžiamą spinduliuotę (tai vadinama radioizotopų žymėjimu).
• Koncentracijai nustatyti dažniausiai naudojami izotopai įvairių elementų arba medžiagos, naudojant izotopų praskiedimo metodą, kai žinomi kiekiai izotopiškai pakeistų junginių sumaišomi su mėginiais ir gautų mišinių izotopiniai ženklai nustatomi naudojant masių spektrometriją.

Branduolinių savybių naudojimas

• Metodas, panašus į radioizotopų žymėjimą, yra radiometrinis datavimas: naudojant žinomas laikotarpis Nestabilaus elemento pusinės eliminacijos laikas gali būti apskaičiuojamas apskaičiuojant laiką, praėjusį nuo žinomos izotopo koncentracijos egzistavimo. Plačiausiai garsus pavyzdys- radioaktyviosios anglies datavimas, naudojamas anglies turinčių medžiagų amžiui nustatyti.
• Kai kurios spektroskopijos formos remiasi unikaliomis specifinių radioaktyviųjų ir stabilių izotopų branduolinėmis savybėmis. Pavyzdžiui, branduolinio magnetinio rezonanso (BMR) spektroskopija gali būti naudojama tik izotopams, kurių branduolinis sukinys yra nulinis. Dažniausiai BMR spektroskopijoje naudojami izotopai yra 1 H, 2 D, 15 N, 13 C ir 31 P.
• Mössbauer spektroskopija taip pat remiasi specifinių izotopų, tokių kaip 57Fe, branduoliniais perėjimais.

Straipsnio turinys

IZOTOPAI– to paties cheminio elemento atmainos, panašios savo savybėmis fizinės ir cheminės savybės, bet turi skirtingą atominę masę. Pavadinimą „izotopai“ 1912 m. pasiūlė anglų radiochemikas Frederickas Soddy, kuris jį suformavo iš dviejų. Graikiški žodžiai: isos – tas pats ir topos – vieta. Mendelejevo periodinės elementų lentelės langelyje izotopai užima tą pačią vietą.

Bet kurio cheminio elemento atomas susideda iš teigiamai įkrauto branduolio ir jį supančio neigiamo krūvio elektronų debesies. Cheminio elemento padėtis Mendelejevo periodinėje lentelėje (jos serijos numeris) lemia jo atomų branduolio krūvis. Izotopai todėl vadinami to paties cheminio elemento atmainos, kurių atomai turi tą patį branduolinį krūvį (taigi ir praktiškai tuos pačius elektronų apvalkalus), tačiau skiriasi branduolinės masės reikšmėmis. Pagal vaizdingą F. Soddy išsireiškimą, izotopų atomai yra vienodi „išorėje“, bet skirtingi „viduje“.

Neutronas buvo atrastas 1932 m – dalelė, neturinti krūvio, kurios masė artima vandenilio atomo branduolio masei – protonas , ir sukūrė branduolio protonų-neutronų modelis. Kaip rezultatas moksle buvo nustatytas galutinis šiuolaikinis izotopų sąvokos apibrėžimas: izotopai yra medžiagos, kurių atomų branduoliai susideda iš vienodo protonų skaičiaus ir skiriasi tik neutronų skaičiumi branduolyje. . Kiekvienas izotopas paprastai žymimas simbolių rinkiniu, kur X – cheminio elemento simbolis, Z – atomo branduolio krūvis (protonų skaičius), A – izotopo masės skaičius (bendras nukleonų skaičius). - protonai ir neutronai branduolyje, A = Z + N). Kadangi atrodo, kad branduolio krūvis yra vienareikšmiškai susietas su cheminio elemento simboliu, santrumpa dažnai naudojama tiesiog A X.

Iš visų mums žinomų izotopų tik vandenilio izotopai turi savo pavadinimus. Taigi, izotopai 2 H ir 3 H vadinami deuteriu ir tričiu ir atitinkamai žymimi D ir T (izotopas 1 H kartais vadinamas protiumi).

Gamtoje atsiranda kaip stabilūs izotopai , ir nestabilus – radioaktyvus, kurio atomų branduoliai spontaniškai virsta kitais branduoliais, išskiriant įvairias daleles (arba vadinamojo radioaktyvaus skilimo procesus). Šiuo metu žinoma apie 270 stabilių izotopų, o stabilūs izotopai randami tik elementuose, kurių atominis skaičius yra Z Ј 83. Nestabilių izotopų skaičius viršija 2000, didžioji dauguma jų buvo gauti dirbtinai dėl įvairių branduolinių reakcijų. Daugelio elementų radioaktyviųjų izotopų skaičius yra labai didelis ir gali viršyti dvi dešimtis. Stabilių izotopų skaičius žymiai mažesnis.Kai kurie cheminiai elementai susideda tik iš vieno stabilaus izotopo (berilis, fluoras, natris, aliuminis, fosforas, manganas, auksas ir nemažai kitų elementų). Daugiausia stabilių izotopų – 10 – rasta alavo, pavyzdžiui, geležyje jų yra 4, o gyvsidabrio – 7.

Izotopų atradimas, istorinis fonas.

1808 m. anglų mokslininkas gamtininkas Johnas Daltonas pirmą kartą pristatė cheminio elemento apibrėžimą kaip medžiagą, susidedančią iš to paties tipo atomų. 1869 metais chemikas D.I.Mendelejevas atrado periodinį cheminių elementų dėsnį. Vienas iš sunkumų pagrįsti elemento, kaip tam tikrą vietą periodinės lentelės langelyje užimančios medžiagos, sampratą, buvo eksperimentiškai stebimi nesveikieji skaičiai elementų atominiai svoriai. 1866 metais anglų fizikas ir chemikas seras Williamas Crookesas iškėlė hipotezę, kad kiekvienas natūralus cheminis elementas yra tam tikras mišinys medžiagų, kurios savo savybėmis yra identiškos, tačiau turi skirtingą atominę masę, tačiau tuo metu tokios prielaidos dar nebuvo. eksperimentinis patvirtinimas ir todėl ilgai nepastebėtas.

Svarbus žingsnis izotopų atradimo link buvo radioaktyvumo fenomeno atradimas ir Ernsto Rutherfordo ir Fredericko Soddy suformuluota radioaktyvaus skilimo hipotezė: radioaktyvumas yra ne kas kita, kaip atomo skilimas į įkrautą dalelę ir kito elemento atomą. , savo cheminėmis savybėmis skiriasi nuo pradinės. Dėl to kilo idėja apie radioaktyvias serijas arba radioaktyvias šeimas , kurio pradžioje yra pirmasis pirminis elementas, kuris yra radioaktyvus, o pabaigoje - paskutinis stabilus elementas. Transformacijų grandinių analizė parodė, kad jų eigoje vienoje periodinės lentelės ląstelėje gali atsirasti tie patys radioaktyvieji elementai, besiskiriantys tik atominėmis masėmis. Tiesą sakant, tai reiškė izotopų sąvokos įvedimą.

Nepriklausomas patvirtinimas, kad egzistuoja stabilūs cheminių elementų izotopai, buvo gautas 1912–1920 m. J. J. Thomson ir Aston eksperimentuose su teigiamai įkrautų dalelių pluoštais (arba vadinamaisiais kanalų pluoštais). ) sklindantis iš išleidimo vamzdžio.

1919 m. Aston sukūrė prietaisą, vadinamą masės spektrografu. (arba masės spektrometras) . Išlydžio vamzdis vis dar buvo naudojamas kaip jonų šaltinis, tačiau Astonas rado metodą, kuriuo dalelių pluoštas nuosekliai nukreipiamas elektros ir magnetiniai laukai lėmė to paties įkrovos ir masės santykio (neatsižvelgiant į jų greitį) dalelių fokusavimą tame pačiame ekrano taške. Kartu su „Aston“ tais pačiais metais amerikiečių „Dempster“ sukūrė kiek kitokio dizaino masių spektrometrą. Daugelio tyrinėtojų pastangomis vėliau panaudojus ir patobulinus masės spektrometrus, iki 1935 m. buvo sudaryta beveik visa iki tol žinomų cheminių elementų izotopinių kompozicijų lentelė.

Izotopų atskyrimo metodai.

Norint ištirti izotopų savybes ir ypač jų panaudojimą mokslo ir taikomiesiems tikslams, būtina jų gauti daugiau ar mažiau pastebimais kiekiais. Įprastuose masės spektrometruose praktiškai visiškas atsiskyrimas izotopų, tačiau jų skaičius yra nereikšmingas. Todėl mokslininkų ir inžinierių pastangos buvo nukreiptos ieškoti kitų galimi metodai izotopų atskyrimas. Pirmiausia buvo įsisavinti fizikiniai ir cheminiai atskyrimo metodai, pagrįsti tokių to paties elemento izotopų savybių skirtumais kaip garavimo greitis, pusiausvyros konstantos, cheminės reakcijos ir taip toliau. Veiksmingiausi iš jų buvo rektifikavimo ir izotopų mainų metodai, kurie buvo rasti platus pritaikymas pramoninėje lengvųjų elementų izotopų gamyboje: vandenilio, ličio, boro, anglies, deguonies ir azoto.

Kitą metodų grupę sudaro vadinamieji molekuliniai kinetiniai metodai: dujų difuzija, terminė difuzija, masės difuzija (difuzija garų sraute), centrifugavimas. Dujų difuzijos metodai, pagrįsti skirtingais izotopinių komponentų difuzijos greičiais labai dispersinėse poringose ​​terpėse, Antrojo pasaulinio karo metais buvo naudojami pramoninei urano izotopų atskyrimo gamybai JAV organizuoti, kaip vadinamojo Manheteno projekto dalis. atominė bomba. Už gavimą reikiamus kiekius urano, prisodrinto iki 90% lengvuoju izotopu 235 U, pagrindiniu „degiuoju“ atominės bombos komponentu, buvo pastatytos gamyklos, užimančios apie keturis tūkstančius hektarų. Atominiam centrui su prisodrinto urano gamybos gamyklomis sukurti buvo skirta daugiau nei 2 milijardai dolerių.Po karo buvo sukurtos sodrinto urano gamybos karinės paskirties gamyklos, taip pat remiantis difuziniu atskyrimo metodu ir pastatytas SSRS. Pastaraisiais metais šis metodas užleido vietą efektyvesniam ir pigesniam centrifugavimo būdui. Šiuo metodu izotopų mišinio atskyrimo efektas pasiekiamas dėl skirtingo išcentrinių jėgų poveikio izotopų mišinio komponentams, užpildantiems centrifugos rotorių, kuris yra plonasienis cilindras, ribotas viršuje ir apačioje, besisukantis labai didelis greitis. didelis greitis vakuuminėje kameroje. Šiuolaikinėse atskyrimo gamyklose tiek Rusijoje, tiek kitose šalyse šiuo metu naudojama šimtai tūkstančių kaskadomis sujungtų centrifugų, kurių kiekvieno rotorius per sekundę padaro daugiau nei tūkstantį apsisukimų. išsivyščiusios šalys ramybė. Centrifugos naudojamos ne tik prisodrintam uranui gaminti, kuris būtinas branduolinių reaktorių darbui užtikrinti atominės elektrinės, bet ir maždaug trisdešimties cheminių elementų izotopams gaminti vidurinėje periodinės lentelės dalyje. Elektromagnetinio atskyrimo įrenginiai su galingais jonų šaltiniais taip pat naudojami įvairiems izotopams atskirti, pastaraisiais metais plačiai paplito ir atskyrimo lazeriu metodai.

Izotopų taikymas.

Įvairūs cheminių elementų izotopai plačiai naudojami moksliniuose tyrimuose, įvairiose pramonės ir žemės ūkio srityse, branduolinėje energetikoje, šiuolaikinėje biologijoje ir medicinoje, moksliniuose tyrimuose. aplinką ir kitose srityse. Atliekant mokslinius tyrimus (pavyzdžiui, atliekant cheminę analizę), paprastai reikalingi nedideli retų įvairių elementų izotopų kiekiai, skaičiuojami gramais ir net miligramais per metus. Tuo pačiu metu kai kurių izotopų, plačiai naudojamų branduolinėje energetikoje, medicinoje ir kitose pramonės šakose, jų gamybos poreikis gali siekti daugybę kilogramų ir net tonų. Taigi dėl sunkaus vandens D 2 O naudojimo branduoliniuose reaktoriuose jo pasaulinė gamyba praėjusio amžiaus 90-ųjų pradžioje buvo apie 5000 tonų per metus. Vandenilio izotopas deuteris, kuris yra sunkiojo vandens dalis, turi koncentraciją natūralus mišinys vandenilis yra tik 0,015%, kartu su tričiu jis, pasak mokslininkų, ateityje taps pagrindiniu energetinio kuro komponentu. termobranduoliniai reaktoriai, veikiantis branduolių sintezės reakcijų pagrindu. Tokiu atveju vandenilio izotopų gamybos poreikis bus didžiulis.

Moksliniuose tyrimuose stabilūs ir radioaktyvūs izotopai plačiai naudojami kaip izotopiniai indikatoriai (žymės) tiriant įvairiausius gamtoje vykstančius procesus.

IN Žemdirbystė izotopai („paženklinti“ atomai) naudojami, pavyzdžiui, fotosintezės procesams, trąšų virškinamumui tirti, augalų azoto, fosforo, kalio, mikroelementų ir kitų medžiagų panaudojimo efektyvumui nustatyti.

Izotopų technologijos plačiai naudojamos medicinoje. Taigi JAV, remiantis statistika, per dieną atliekama daugiau nei 36 tūkstančiai medicininių procedūrų ir apie 100 milijonų laboratorinių tyrimų naudojant izotopus. Dažniausios procedūros yra kompiuterinė tomografija. Anglies izotopas C13, praturtintas iki 99% (natūralus kiekis apie 1%), aktyviai naudojamas vadinamojoje "diagnostinėje kvėpavimo kontrolėje". Testo esmė labai paprasta. Praturtintas izotopas patenka į paciento maistą ir, dalyvaujant medžiagų apykaitos procese įvairiuose kūno organuose, išsiskiria pacientui iškvepiant. anglies dioksidas CO 2, kuris surenkamas ir analizuojamas naudojant spektrometrą. Procesų, susijusių su skirtingo anglies dioksido kiekio, pažymėto C 13 izotopu, išsiskyrimu, greičio skirtumai leidžia spręsti apie įvairių paciento organų būklę. JAV pacientų, kuriems bus atliktas šis tyrimas, skaičius siekia 5 milijonus per metus. Dabar labai prisodrintam C13 izotopui pramoniniu mastu gaminti naudojami lazerinio atskyrimo metodai.

Vladimiras Ždanovas

Tam tikras elementas, turintis tą patį, bet skirtingą. Jie turi vienodo skaičiaus ir įvairovės branduolius. skaičių, turi vienodą elektronų apvalkalų struktūrą ir užima tą pačią vietą periodiškume. cheminė sistema elementai. Terminą „izotopai“ 1910 m. pasiūlė F. Soddy, norėdamas įvardyti chemiškai nesiskiriančias veisles, kurios skiriasi savo fizinėmis savybėmis. (pirmiausia radioaktyvūs) Šventieji. Pirmą kartą stabilius izotopus 1913 metais atrado J. Thomsonas, naudodamas vadinamąjį jo sukurtą. parabolių metodas – šiuolaikinio prototipas. . Jis nustatė, kad Ne turi mažiausiai 2 veisles su wt. 20 ir 22 dalys. Izotopų pavadinimai ir simboliai dažniausiai yra atitinkamų cheminių medžiagų pavadinimai ir simboliai. elementai; nukreipkite į viršutinį kairįjį simbolio kampą. Pavyzdžiui, nurodyti natūralų izotopams naudojami žymėjimai 35 Cl ir 37 Cl; kartais elementas nurodomas ir apačioje kairėje, t.y. parašykite 35 17 Cl ir 37 17 Cl. Tik lengviausio elemento, vandenilio, izotopai, turintys masę. 1, 2 ir 3 dalys turi specialius. pavadinimai ir simboliai: atitinkamai (1 1 H), (D arba 2 1 H) ir (T, arba 3 1 H). Dėl didelio masių skirtumo šių izotopų elgsena labai skiriasi (žr.,). Stabilūs izotopai randami visuose lyginiuose ir nelyginiuose elementuose su[ 83. Elementų su lyginiais skaičiais stabilių izotopų skaičius gali būti. lygus 10 (pvz., y); Nelyginiai elementai turi ne daugiau kaip du stabilius izotopus. Žinomas apytiksliai. 280 stabilių ir daugiau nei 2000 radioaktyvių izotopų iš 116 natūralių ir dirbtinai gautų elementų. Kiekvienam elementui atskirų izotopų kiekis gamtoje. mišinys patiria nedidelius svyravimus, kurių dažnai galima nepaisyti. Daugiau priemonių. meteoritų ir kitų dangaus kūnų izotopinės sudėties svyravimai. Izotopinės sudėties pastovumas lemia Žemėje esančių elementų pastovumą, tai yra vidutinė tam tikro elemento masės vertė, nustatyta atsižvelgiant į izotopų gausą gamtoje. Lengvųjų elementų izotopinės sudėties svyravimai, kaip taisyklė, yra susiję su izotopinės sudėties pokyčiais skilimo metu. gamtoje vykstantys procesai (ir kt.). Sunkiojo elemento Pb atveju skirtingų mėginių izotopinės sudėties skirtumai paaiškinami skirtingais veiksniais. turinys ir kiti šaltiniai bei – gamtos protėviai. . Tam tikro elemento izotopų savybių skirtumai vadinami. . Svarbus praktinis Užduotis – gauti iš gamtos. atskirų izotopų mišiniai -

Tikriausiai žemėje nėra žmogaus, kuris nebūtų girdėjęs apie izotopus. Tačiau ne visi žino, kas tai yra. Frazė „radioaktyvūs izotopai“ skamba ypač bauginančiai. Šie keisti cheminiai elementai kelia siaubą žmonijai, tačiau iš tikrųjų jie nėra tokie baisūs, kaip gali pasirodyti iš pirmo žvilgsnio.

Apibrėžimas

Norint suprasti radioaktyviųjų elementų sąvoką, pirmiausia reikia pasakyti, kad izotopai yra to paties cheminio elemento, bet skirtingos masės, pavyzdžiai. Ką tai reiškia? Klausimai išnyks, jei pirmiausia prisiminsime atomo sandarą. Jį sudaro elektronai, protonai ir neutronai. Pirmųjų dviejų elementariųjų dalelių skaičius atomo branduolyje visada yra pastovus, o neutronai, turintys savo masę, gali atsirasti toje pačioje medžiagoje. skirtingi kiekiai. Dėl šios aplinkybės atsiranda įvairių cheminių elementų, turinčių skirtingas fizines savybes.

Dabar galime duoti mokslinis apibrėžimas tiriama koncepcija. Taigi, izotopai yra kolektyvinis cheminių elementų rinkinys, kurio savybės yra panašios, bet turi skirtingą masę ir fizines savybes. Pagal modernesnę terminiją jie vadinami cheminio elemento nukleotidų galaktika.

Šiek tiek istorijos

Praėjusio amžiaus pradžioje mokslininkai atrado tą patį cheminis junginys V skirtingos sąlygos galima pastebėti skirtingos masės elektronų branduoliai. Grynai teoriniu požiūriu tokius elementus būtų galima laikyti naujais ir jie galėtų pradėti pildyti tuščias D. Mendelejevo periodinės lentelės langelius. Tačiau jame yra tik devynios laisvos ląstelės, o mokslininkai atrado dešimtis naujų elementų. Be to, matematiniai skaičiavimai parodė, kad atrasti junginiai negali būti laikomi anksčiau nežinomais, nes jų cheminės savybės visiškai atitiko esamų charakteristikas.

Po ilgų diskusijų buvo nuspręsta šiuos elementus vadinti izotopais ir sudėti į tą pačią dėžutę su tuos, kurių branduoliuose yra tiek pat elektronų. Mokslininkai sugebėjo nustatyti, kad izotopai yra tik kai kurie cheminių elementų variantai. Tačiau jų atsiradimo priežastys ir gyvenimo trukmė buvo tiriama beveik šimtmetį. Net XXI amžiaus pradžioje negalima teigti, kad žmonija apie izotopus žino absoliučiai viską.

Nuolatiniai ir nestabilūs variantai

Kiekvienas cheminis elementas turi keletą izotopų. Dėl to, kad jų branduoliuose yra laisvųjų neutronų, jie ne visada užmezga stabilius ryšius su likusia atomo dalimi. Po kurio laiko branduolį palieka laisvos dalelės, kurios keičia jo masę ir fizines savybes. Tokiu būdu susidaro kiti izotopai, dėl kurių galiausiai susidaro medžiaga, turinti vienodą protonų, neutronų ir elektronų skaičių.

Tos medžiagos, kurios labai greitai suyra, vadinamos radioaktyviais izotopais. Jie į kosmosą išskiria daug neutronų, sudarydami galingą jonizuojančią gama spinduliuotę, žinomą dėl stiprios prasiskverbimo galios, kuri neigiamai veikia gyvus organizmus.

Stabilesni izotopai nėra radioaktyvūs, nes jų išskiriamų laisvųjų neutronų skaičius nesugeba generuoti spinduliuotės ir reikšmingai paveikti kitus atomus.

Gana seniai mokslininkai nustatė vieną svarbų modelį: kiekvienas cheminis elementas turi savo izotopus, patvarius arba radioaktyvius. Įdomu tai, kad daugelis jų buvo gauti laboratorinėmis sąlygomis, o jų buvimas natūraliu pavidalu yra nedidelis ir ne visada aptinkamas instrumentais.

Paplitimas gamtoje

Natūraliomis sąlygomis dažniausiai randamos medžiagos, kurių izotopų masę tiesiogiai lemia eilės skaičius D. Mendelejevo lentelėje. Pavyzdžiui, vandenilis, žymimas simboliu H, turi atominį skaičių 1, o jo masė lygi vienetui. Jo izotopai 2H ir 3H gamtoje yra itin reti.

Netgi Žmogaus kūnas turi nemažai radioaktyviųjų izotopų. Jie patenka per maistą anglies izotopų pavidalu, kuriuos, savo ruožtu, augalai sugeria iš dirvožemio ar oro ir fotosintezės proceso metu tampa organinių medžiagų dalimi. Todėl žmonės, gyvūnai ir augalai išskiria tam tikrą foninė spinduliuotė. Tik jis toks žemas, kad netrukdo normalus funkcionavimas ir augimas.

Šaltiniai, prisidedantys prie izotopų susidarymo, yra vidiniai žemės šerdies sluoksniai ir spinduliuotė iš kosmoso.

Kaip žinote, temperatūra planetoje labai priklauso nuo jos karštos šerdies. Tačiau tik visai neseniai paaiškėjo, kad šios šilumos šaltinis yra sudėtinga termobranduolinė reakcija, kurioje dalyvauja radioaktyvieji izotopai.

Izotopinis skilimas

Kadangi izotopai yra nestabilūs dariniai, galima daryti prielaidą, kad laikui bėgant jie visada suyra į pastovesnius cheminių elementų branduolius. Šis teiginys yra teisingas, nes mokslininkams nepavyko aptikti didžiulio radioaktyviųjų izotopų kiekio gamtoje. Ir dauguma tų, kurie buvo išgauti laboratorijose, truko nuo poros minučių iki kelių dienų, o vėliau vėl virto įprastais cheminiais elementais.

Tačiau gamtoje yra ir izotopų, kurie, pasirodo, yra labai atsparūs irimui. Jie gali egzistuoti milijardus metų. Tokie elementai susiformavo tais tolimais laikais, kai žemė dar tik formavosi, o jos paviršiuje net nebuvo vientisos plutos.

Radioaktyvieji izotopai labai greitai suyra ir vėl susidaro. Todėl, siekdami palengvinti izotopo stabilumo įvertinimą, mokslininkai nusprendė apsvarstyti jo pusinės eliminacijos periodo kategoriją.

Pusė gyvenimo

Ne visiems skaitytojams gali iš karto būti aišku, ką reiškia ši sąvoka. Apibrėžkime tai. Izotopo pusinės eliminacijos laikas yra laikas, per kurį įprastinė pusė paimtos medžiagos nustoja egzistuoti.

Tai nereiškia, kad per tiek pat laiko bus sunaikinta likusi ryšio dalis. Kalbant apie šią pusę, būtina atsižvelgti į kitą kategoriją - laikotarpį, per kurį išnyks jos antroji dalis, ty ketvirtadalis pradinio medžiagos kiekio. Ir šis svarstymas tęsiasi iki begalybės. Galima daryti prielaidą, kad tiesiog neįmanoma apskaičiuoti pradinio medžiagos kiekio visiško suirimo laiko, nes šis procesas yra praktiškai begalinis.

Tačiau mokslininkai, žinodami pusėjimo trukmę, gali nustatyti, kiek medžiagos egzistavo pradžioje. Šie duomenys sėkmingai naudojami susijusiuose moksluose.

Šiuolaikiniame mokslo pasaulyje visiško irimo sąvoka praktiškai nenaudojama. Kiekvienam izotopui įprasta nurodyti jo pusėjimo trukmę, kuri svyruoja nuo kelių sekundžių iki milijardų metų. Kuo mažesnis pusinės eliminacijos laikas, tuo daugiau medžiagos spinduliuoja ir tuo didesnis jos radioaktyvumas.

Fosilijų gerinimas

Kai kuriose mokslo ir technologijų šakose santykinai naudojamas didelis kiekis radioaktyviosios medžiagos laikomos privalomomis. Tačiau natūraliomis sąlygomis tokių junginių yra labai mažai.

Yra žinoma, kad izotopai yra nedažni cheminių elementų variantai. Jų skaičius matuojamas keliais procentais atspariausios veislės. Štai kodėl mokslininkai turi dirbtinai praturtinti iškastines medžiagas.

Per ilgus tyrimus sužinojome, kad izotopo skilimą lydi grandininė reakcija. Vienos medžiagos išsiskyrę neutronai pradeda daryti įtaką kitai medžiagai. Dėl to sunkieji branduoliai suyra į lengvesnius ir gaunami nauji cheminiai elementai.

Šis reiškinys vadinamas grandinine reakcija, dėl kurios galima gauti stabilesnių, bet rečiau paplitusių izotopų, kurie vėliau naudojami šalies ūkyje.

Skilimo energijos taikymas

Mokslininkai taip pat nustatė, kad radioaktyvaus izotopo skilimo metu išsiskiria didžiulis laisvos energijos kiekis. Jo kiekis paprastai matuojamas Curie vienetu, lygus 1 g radono-222 dalijimosi laikui per 1 sekundę. Kuo didesnis šis rodiklis, tuo daugiau energijos išsiskiria.

Tai tapo priežastimi kurti nemokamos energijos panaudojimo būdus. Taip atsirado atominiai reaktoriai, į kuriuos dedamas radioaktyvus izotopas. Didžioji dalis jo išskiriamos energijos surenkama ir paverčiama elektra. Remdamiesi šiais reaktoriais, jie kuria Atominės stotys, kurios duoda daugiausiai pigi elektra. Mažesnės tokių reaktorių versijos sumontuotos ant savaeigių mechanizmų. Atsižvelgiant į nelaimingų atsitikimų pavojų, povandeniniai laivai dažniausiai naudojami kaip tokios transporto priemonės. Sugedus reaktoriui, aukų skaičių povandeniniame laive bus lengviau sumažinti.

Kitas labai baisus pusėjimo energijos naudojimo variantas yra atominės bombos. Antrojo pasaulinio karo metu jie buvo išbandyti su žmonėmis Japonijos miestuose Hirosimoje ir Nagasakyje. Pasekmės buvo labai liūdnos. Todėl pasaulyje yra susitarta tuo nenaudoti pavojingų ginklų. Tuo pačiu metu didelės valstybės, kurios daugiausia dėmesio skiria militarizacijai, šiandien tęsia šios srities tyrimus. Be to, daugelis jų, slapta nuo pasaulio bendruomenės, gamina atomines bombas, kurios yra tūkstančius kartų pavojingesnės nei naudojamos Japonijoje.

Izotopai medicinoje

Taikiems tikslams jie išmoko panaudoti radioaktyviųjų izotopų skilimą medicinoje. Nukreipus spinduliuotę į pažeistą kūno vietą, galima sustabdyti ligos eigą arba padėti ligoniui visiškai pasveikti.

Bet dažniau diagnostikai naudojami radioaktyvieji izotopai. Reikalas tas, kad jų judėjimą ir klasterio pobūdį lengviausia nustatyti pagal jų skleidžiamą spinduliuotę. Taigi į žmogaus organizmą suleidžiamas tam tikras nepavojingas kiekis radioaktyviosios medžiagos, o gydytojai instrumentais stebi, kaip ir kur ji patenka.

Tokiu būdu jie diagnozuoja smegenų veiklą, vėžinių navikų pobūdį, endokrininių ir egzokrininių liaukų veiklos ypatumus.

Taikymas archeologijoje

Yra žinoma, kad gyvuose organizmuose visada yra radioaktyviosios anglies-14, kurios izotopo pusinės eliminacijos laikas yra 5570 metų. Be to, mokslininkai žino, kiek šio elemento yra organizme iki mirties. Tai reiškia, kad visi nupjauti medžiai skleidžia vienodą spinduliuotę. Laikui bėgant radiacijos intensyvumas mažėja.

Tai padeda archeologams nustatyti, prieš kiek laiko mirė mediena, iš kurios buvo pastatyta laivas ar bet kuris kitas laivas, taigi ir pats statybos laikas. Šis tyrimo metodas vadinamas radioaktyviosios anglies analize. Jos dėka mokslininkams lengviau nustatyti istorinių įvykių chronologiją.