Дори древните философи предполагат, че материята е изградена от атоми. Въпреки това, че самите „тухли“ на Вселената се състоят от най-малките частици, учените започнаха да гадаят едва в началото на 19-ти и 20-ти век. Експерименти, доказващи това, направиха истинска революция в науката на своето време. Това е пропорцията съставни частиотличава един химичен елемент от друг. Всеки от тях има свое собствено място според серийния номер. Но има разновидности на атоми, които заемат едни и същи клетки в таблицата, въпреки разликата в масата и свойствата. Защо това е така и какви изотопи са в химията, ще бъде обсъдено по-късно.

Атом и неговите частици

Изследвайки структурата на материята чрез бомбардиране с алфа частици, Е. Ръдърфорд доказва през 1910 г., че основното пространство на атома е изпълнено с празнота. И само в центъра е ядрото. Отрицателните електрони се движат по орбити около него, изграждайки обвивката на тази система. Така е създадено планетарен модел"тухли" от материя.

Какво представляват изотопите? Не забравяйте от курса по химия, че ядрото също има сложна структура. Състои се от положителни протони и незаредени неутрони. Броят на първите определя качествените характеристики на химичния елемент. Това е броят на протоните, който отличава веществата едно от друго, придавайки на ядрата им определен заряд. И на тази основа им се присвоява сериен номер в периодичната таблица. Но броят на неутроните в същия химичен елемент ги диференцира в изотопи. Определение в химията тази концепциятака че може да се даде следното. Това са разновидности на атоми, които се различават по състава на ядрото, имат еднакъв заряд и сериен номер, но имат различни масови числа поради разликите в броя на неутроните.

Нотация

Изучавайки химия в 9. клас и изотопи, учениците ще научат за приет легенда. Буквата Z обозначава заряда на ядрото. Тази цифра съвпада с броя на протоните и следователно е техен индикатор. Сумата от тези елементи с неутрони, маркирани със знака N, е А - масовото число. Семейството от изотопи на едно вещество, като правило, се обозначава с иконата на този химичен елемент, който в периодичната таблица е надарен със сериен номер, който съответства на броя на протоните в него. Левият горен индекс, добавен към посочената икона, съответства на масовото число. Например, 238 U. Зарядът на елемент (в този случай уран, маркиран със сериен номер 92) е обозначен с подобен индекс по-долу.

Познавайки тези данни, човек може лесно да изчисли броя на неутроните в даден изотоп. То е равно на масовото число минус серийния номер: 238 - 92 \u003d 146. Броят на неутроните може да бъде по-малък, от това този химичен елемент няма да престане да бъде уран. Трябва да се отбележи, че най-често в други, по-прости вещества, броят на протоните и неутроните е приблизително еднакъв. Такава информация помага да се разбере какво представлява изотопът в химията.

Нуклони

Именно броят на протоните придава индивидуалност на определен елемент, а броят на неутроните не го влияе по никакъв начин. Но атомната маса се състои от тези два посочени елемента, имащи често срещано име"нуклони", представляващи тяхната сума. Този индикатор обаче не зависи от тези, които образуват отрицателно заредената обвивка на атома. Защо? Струва си просто да се сравни.

Масовата част на протона в атома е голяма и е приблизително 1 AU. u m или 1,672 621 898 (21) 10 -27 кг. Неутронът е близо до параметрите на тази частица (1,674 927 471(21) 10 -27 kg). Но масата на електрона е хиляди пъти по-малка, счита се за незначителна и не се взема предвид. Ето защо, знаейки горния индекс на елемент в химията, не е трудно да разберете състава на ядрото на изотопите.

Изотопи на водорода

Изотопите на определени елементи са толкова добре познати и често срещани в природата, че са получили свои собствени имена. Най-ясният и прост пример за това е водородът. IN vivoнамира се в най-разпространената му разновидност, протий. Този елемент има масово число 1, а ядрото му се състои от един протон.

И така, какви са водородните изотопи в химията? Както знаете, атомите на това вещество имат първото число в периодичната таблица и съответно са надарени в природата с номер на заряд 1. Но броят на неутроните в ядрото на атома е различен за тях. Деутерият, тъй като е тежък водород, освен протона, има още една частица в ядрото, тоест неутрона. В резултат на това това вещество проявява своя собствена физични свойства, за разлика от протия, има собствено тегло, точка на топене и точка на кипене.

тритий

Тритият е най-сложният от всички. Това е свръхтежък водород. Според определението за изотопи в химията има номер на такса 1, но масовото число е 3. Често се нарича тритон, тъй като освен един протон има два неутрона в ядрото, тоест се състои от три елемента. Името на този елемент, открит през 1934 г. от Ръдърфорд, Олифант и Хартек, е предложено още преди откриването му.

Това е нестабилно вещество, проявяващо радиоактивни свойства. Неговото ядро ​​има способността да се разделя с освобождаването на бета частица и електронно антинеутрино. Енергията на разпад на това вещество не е много висока и възлиза на 18,59 keV. Следователно такова излъчване не е твърде опасно за хората. Обикновеното облекло и хирургическите ръкавици могат да предпазят от него. И този радиоактивен елемент, получен с храната, бързо се отделя от тялото.

Изотопи на уран

Много по-опасно различни видовеуран, от които днес на науката са известни 26. Ето защо, когато говорим за това какви са изотопите в химията, е невъзможно да не споменем този елемент. Въпреки разнообразието от видове уран, в природата се срещат само три от неговите изотопи. Те включват 234 U, 235 U, 238 U. Първият от тях, имащ подходящи имоти, се използва активно като гориво в ядрените реактори. И последното - за производството на плутоний-239, който сам по себе си, от своя страна, е незаменим като най-ценното гориво.

Всеки от радиоактивните елементи се характеризира със свой собствен.Това е продължителността от време, през която веществото се разделя в съотношение ½. Тоест, в резултат на този процес количеството на запазената част от веществото се намалява наполовина. Този период от време за урана е огромен. Например за изотопа-234 той се оценява на 270 хилядолетия, а за другите две посочени разновидности е много по-значим. Рекордният период на полуразпад е този на уран-238, който продължава милиарди години.

нуклиди

Не всеки от видовете атоми, характеризиращи се със свои собствени и строго определен бройпротони и електрони, е толкова стабилен, че има поне някакъв дълъг период, достатъчен за неговото изследване. Тези, които са относително стабилни, се наричат ​​нуклиди. Стабилните образувания от този вид не претърпяват радиоактивен разпад. Нестабилните се наричат ​​радионуклиди и от своя страна също се делят на краткотрайни и дълготрайни. Както е известно от уроците по химия за 11 клас за структурата на изотопните атоми, осмият и платината имат най-голям брой радионуклиди. Кобалтът и златото имат по една конюшня и най-голямото числостабилни нуклиди в калай.

Изчисляване на поредния номер на изотопа

Сега нека се опитаме да обобщим информацията, описана по-рано. След като разбрахме какви са изотопите в химията, е време да разберем как можете да използвате придобитите знания. Помислете за това конкретен пример. Да предположим, че е известно, че определен химичен елемент има масово число 181. В същото време обвивката на атом на дадено вещество съдържа 73 електрона. Как може, използвайки периодичната таблица, да разберете името даден елемент, както и броя на протоните и неутроните в ядрото му?

Нека започнем да решаваме проблема. Можете да определите името на веществото, като знаете неговия сериен номер, който съответства на броя на протоните. Тъй като броят на положителните и отрицателните заряди в един атом е равен, той е 73. И така, това е тантал. Освен това общият брой на нуклоните е 181, което означава, че протоните на този елемент са 181 - 73 = 108. Много просто.

Изотопи на галий

Елементът галий в има атомен номер 71. В природата това вещество има два изотопа - 69 Ga и 71 Ga. Как да определим процента на сортовете галий?

Решаването на задачи за изотопи в химията почти винаги е свързано с информация, която може да бъде получена от периодичната таблица. Този път трябва да направите същото. Нека определим средната атомна маса от посочения източник. То е равно на 69,72. Означавайки за x и y количественото съотношение на първия и втория изотоп, приемаме тяхната сума равна на 1. И така, под формата на уравнение, това ще бъде записано: x + y = 1. От това следва, че 69x + 71y = 69,72. Изразявайки y чрез x и замествайки първото уравнение във второто, получаваме, че x = 0,64 и y = 0,36. Това означава, че 69 Ga се съдържа в природата 64%, а процентът на 71 Ga е 34%.

Изотопни трансформации

Радиоактивното делене на изотопи с превръщането им в други елементи се разделя на три основни типа. Първият от тях е алфа разпад. Това се случва с излъчването на частица, която е ядрото на хелиевия атом. Тоест тази формация, състояща се от набор от двойки неутрони и протони. Тъй като номерът на последния определя номера на заряда и номера на атома на веществото в периодичната система, в резултат на този процес настъпва качествено преобразуване на един елемент в друг и в таблицата се измества наляво от две клетки. В този случай масовият брой на елемента се намалява с 4 единици. Знаем това от структурата на атомите на изотопите.

Когато ядрото на атома загуби бета частица, която по същество е електрон, неговият състав се променя. Един от неутроните се трансформира в протон. Това означава, че качествените характеристики на веществото отново се променят и елементът се премества с една клетка надясно в таблицата, практически без да губи маса. Обикновено такава трансформация е свързана с електромагнитно гама лъчение.

Преобразуване на радиевия изотоп

Горната информация и знания от 11 клас по химия за изотопи отново помагат за решаването на практически задачи. Например следното: 226 Ra по време на разпадането се превръща в химичен елемент от група IV, който има масово число 206. Колко алфа и бета частици трябва да загуби в този случай?

Като се имат предвид промените в масата и групата на дъщерния елемент, с помощта на периодичната таблица е лесно да се определи, че изотопът, образуван по време на деленето, ще бъде оловен със заряд 82 и масово число 206. И като се има предвид номерът на заряда на този елемент и на първоначалния радий, трябва да се приеме, че неговото ядро ​​е загубило пет алфа-частици и четири бета-частици.

Използване на радиоактивни изотопи

Всеки е наясно с вредата, която радиоактивното излъчване може да причини на живите организми. Свойствата на радиоактивните изотопи обаче са полезни за хората. Те се използват успешно в много индустрии. С тяхна помощ е възможно да се открият течове в инженерни и строителни конструкции, подземни тръбопроводи и нефтопроводи, резервоари за съхранение, топлообменници в електроцентрали.

Тези свойства също се използват активно в научни експерименти. Например мухата цеце е преносител на много сериозни заболявания за хората, добитъка и домашните животни. За да се предотврати това, мъжките на тези насекоми се стерилизират със слабо радиоактивно излъчване. Изотопите също са незаменими при изучаването на механизмите на някои химични реакции, тъй като атомите на тези елементи могат да маркират водата и други вещества.

В биологичните изследвания често се използват и белязани изотопи. Например, по този начин беше установено как фосфорът влияе върху почвата, растежа и развитието култивирани растения. С успех свойствата на изотопите се използват и в медицината, което направи възможно лечението ракови тумории други тежко заболяване, определят възрастта на биологичните организми.

При изследване на свойствата на радиоактивните елементи беше установено, че в един и същ химичен елемент могат да бъдат открити атоми с различни ядрени маси. В същото време те имат същия ядрен заряд, тоест това не са примеси на субстанции на трети страни, а едно и също вещество.

Какво представляват изотопите и защо съществуват

В периодичната система на Менделеев както даден елемент, така и атомите на вещество с различна маса на ядрото заемат една клетка. Въз основа на горното такива разновидности на едно и също вещество получиха името "изотопи" (от гръцки isos - същото и topos - място). Така, изотопи- това са разновидности на даден химичен елемент, различаващи се по масата на атомните ядра.

Според приетия неутрон ротонов модел на ядротоВъзможно е да се обясни съществуването на изотопи по следния начин: ядрата на някои атоми на веществото съдържат различен брой неутрони, но същия брой протони. Всъщност ядреният заряд на изотопите на един елемент е еднакъв, следователно броят на протоните в ядрото е същият. Ядрата се различават по маса, съответно съдържат различен брой неутрони.

Стабилни и нестабилни изотопи

Изотопите са или стабилни, или нестабилни. Към днешна дата са известни около 270 стабилни изотопа и повече от 2000 нестабилни. стабилни изотописа разновидности химични елементикоито могат да съществуват сами за дълго време.

Повечето от нестабилни изотопие получен изкуствено. Нестабилните изотопи са радиоактивни, техните ядра са подложени на процеса на радиоактивен разпад, тоест спонтанна трансформация в други ядра, придружена от излъчване на частици и / или радиация. Почти всички радиоактивни изкуствени изотопи имат много кратък период на полуразпад, измерен в секунди и дори части от секундите.

Колко изотопа може да съдържа едно ядро

Ядрото не може да съдържа произволен брой неутрони. Съответно броят на изотопите е ограничен. Дори в броя на протонитеелементи, броят на стабилните изотопи може да достигне десет. Например калайът има 10 изотопа, ксенонът има 9, живакът има 7 и т.н.

Тези елементи броят на протоните е нечетен, може да има само два стабилни изотопа. Някои елементи имат само един стабилен изотоп. Това са вещества като злато, алуминий, фосфор, натрий, манган и др. Такива вариации в броя на стабилните изотопи за различните елементи са свързани със сложна зависимост на броя на протоните и неутроните от енергията на свързване на ядрото.

Почти всички вещества в природата съществуват като смес от изотопи. Броят на изотопите в състава на веществото зависи от вида на веществото, атомната маса и броя на стабилните изотопи на даден химичен елемент.

Установено е, че всеки химичен елемент, открит в природата, е смес от изотопи (следователно те имат частична атомна маса). За да разберем как изотопите се различават един от друг, е необходимо да разгледаме подробно структурата на атома. Атомът образува ядро ​​и електронен облак. Масата на атома се влияе от електроните, движещи се със зашеметяваща скорост по орбити в електронния облак, неутроните и протоните, които съставляват ядрото.

Какво представляват изотопите

изотопиВид атом на химичен елемент. Във всеки атом винаги има равен брой електрони и протони. Тъй като те имат противоположни заряди (електроните са отрицателни, а протоните са положителни), атомът винаги е неутрален (това елементарна частицане носи заряд, той е равен на нула). Когато един електрон бъде загубен или уловен, атомът губи своята неутралност, превръщайки се в отрицателен или положителен йон.
Неутроните нямат заряд, но броят им в атомното ядро ​​на един и същи елемент може да бъде различен. Това не засяга неутралността на атома, но засяга неговата маса и свойства. Например, всеки изотоп на водороден атом има по един електрон и един протон. И броят на неутроните е различен. Протият има само 1 неутрон, деутерият има 2 неутрона, а тритият има 3 неутрона. Тези три изотопа се различават значително един от друг по свойства.

Сравнение на изотопи

Как се различават изотопите? Те имат различен брой неутрони, различни маси и различни свойства. Изотопите имат същата структура електронни обвивки. Това означава, че те са доста сходни по химични свойства. Следователно им е отредено едно място в периодичната система.
В природата са открити стабилни и радиоактивни (нестабилни) изотопи. Ядрата на атомите на радиоактивните изотопи могат спонтанно да се трансформират в други ядра. В процеса на радиоактивен разпад те отделят различни частици.
Повечето елементи имат над две дузини радиоактивни изотопи. Освен това радиоактивните изотопи се синтезират изкуствено за абсолютно всички елементи. В естествена смес от изотопи тяхното съдържание се колебае леко.
Съществуването на изотопи позволява да се разбере защо в някои случаи елементите с по-ниска атомна маса имат по-висок сериен номер от елементите с по-голяма атомна маса. Например, в двойка аргон-калий, аргонът включва тежки изотопи, а калият включва леки изотопи. Следователно масата на аргона е по-голяма от тази на калия.

ImGist установи, че разликата между изотопите един от друг е както следва:

Те притежават различен номернеутрони.
Изотопите имат различна масаатоми.
Стойността на масата на атомите на йони влияе върху тяхната обща енергия и свойства.

Съдържанието на статията

ИЗОТОПИРазновидности на един и същ химичен елемент, които са сходни по своите физични и химични свойствано с различни атомни маси. Името "изотопи" е предложено през 1912 г. от английския радиохимик Фредерик Соди, който го формира от две гръцки думи: isos - същото и topos - място. Изотопите заемат едно и също място в клетката периодична системаелементи на Менделеев.

Атомът на всеки химичен елемент се състои от положително заредено ядро ​​и облак от отрицателно заредени електрони около него. Позицията на химичен елемент в периодичната система на Менделеев (нейният пореден номер) се определя от заряда на ядрото на атомите му. изотопи се наричат ​​следователно разновидности на един и същ химичен елемент, чиито атоми имат същия ядрен заряд (и следователно почти едни и същи електронни обвивки), но се различават по стойностите на масата на ядрото. Според образния израз на Ф. Соди атомите на изотопите са едни и същи "отвън", но различни "отвътре".

Неутронът е открит през 1932 г – частица, която няма заряд, с маса близка до масата на ядрото на водороден атом - протон , и създаде протон-неутронен модел на ядрото. Като резултат в науката, окончателното съвременна дефиницияизотопи: изотопи са вещества, чиито атомни ядра се състоят от еднакъв брой протони и се различават само по броя на неутроните в ядрото . Всеки изотоп обикновено се обозначава с набор от символи, където X е символът на химичен елемент, Z е зарядът на атомното ядро ​​(броят на протоните), A е масовото число на изотопа ( общ бройнуклони - протони и неутрони в ядрото, A = Z + N). Тъй като зарядът на ядрото е недвусмислено свързан със символа на химичния елемент, често обозначението A X се използва просто за съкращение.

От всички известни ни изотопи само изотопите на водорода имат свои собствени имена. По този начин, 2 H и 3 H изотопите се наричат ​​деутерий и тритий и са обозначени съответно D и T (изотопът 1 H понякога се нарича протий).

Те се срещат в природата като стабилни изотопи. , и нестабилни - радиоактивни, ядрата на атомите на които подлежат на спонтанна трансформация в други ядра с излъчване на различни частици (или процесите на т.нар. радиоактивен разпад). Сега са известни около 270 стабилни изотопи, а стабилни изотопи се намират само в елементи с атомно число Z Ј 83. Броят на нестабилните изотопи надхвърля 2000, по-голямата част от тях са получени изкуствено в резултат на различни ядрени реакции. Броят на радиоактивните изотопи в много елементи е много голям и може да надхвърли две дузини. Броят на стабилните изотопи е много по-малък.Някои химични елементи се състоят само от един стабилен изотоп (берилий, флуор, натрий, алуминий, фосфор, манган, злато и редица други елементи). Най-голям брой стабилни изотопи - 10 - са открити в калая, в желязото, например, има 4 от тях, а в живака - 7.

Откриване на изотопи, историческа справка.

През 1808 г. английският натуралист Джон Далтън за първи път въвежда определението за химичен елемент като вещество, състоящо се от атоми от един вид. През 1869 г. химикът Д.И.Менделеев открива периодичния закон на химичните елементи. Една от трудностите при обосноваването на концепцията за елемент като вещество, което заема определено място в клетката на периодичната система, бяха експериментално наблюдаваните нецелочислени атомни тегла на елементите. През 1866 г. английският физик и химик сър Уилям Крукс излага хипотезата, че всеки естествен химичен елемент е смес от вещества, които са идентични по своите свойства, но имат различни атомни маси, но по това време такова предположение все още не е имало е експериментално потвърдено и поради това малко се наблюдава.

Важна стъпка към откриването на изотопи беше откриването на явлението радиоактивност и хипотезата за радиоактивния разпад, формулирана от Ернст Ръдърфорд и Фредерик Соди: радиоактивността не е нищо повече от разпад на атом в заредена частица и атом на друг елемент , който се различава по своите химични свойства от оригиналния. В резултат на това възниква концепцията за радиоактивни серии или радиоактивни семейства. , в началото на който има първият родителски елемент, който е радиоактивен, а в края - последният стабилен елемент. Анализът на веригите от трансформации показа, че в хода си в една клетка на периодичната система могат да се появят едни и същи радиоактивни елементи, различаващи се само по атомни маси. Всъщност това означаваше въвеждането на концепцията за изотопи.

След това е получено независимо потвърждение за съществуването на стабилни изотопи на химичните елементи в експериментите на J. J. Thomson и Aston през 1912-1920 г. с лъчи от положително заредени частици (или т.нар. канални лъчи). ) излизащи от изпускателната тръба.

През 1919 г. Астън проектира инструмент, наречен мас спектрограф. (или мас спектрометър) . Разрядната тръба все още се използва като източник на йони, но Астън открива начин, по който последователното отклонение на лъча от частици в електрическия и магнитни полетадоведе до фокусиране на частици с същата стойностсъотношение заряд към маса (независимо от скоростта им) в една и съща точка на екрана. Заедно с Aston, мас спектрометър с малко по-различен дизайн е създаден през същите години от американския Dempster. В резултат на последващото използване и усъвършенстване на мас спектрометрите с усилията на много изследователи, до 1935 г. е съставена почти пълна таблица на изотопния състав на всички известни по това време химически елементи.

Методи за разделяне на изотопи.

За изследване на свойствата на изотопите и особено за използването им за научни и приложни цели е необходимо да се получат в повече или по-малко забележими количества. При конвенционалните мас спектрометри се постига почти пълно разделяне на изотопи, но броят им е незначителен. Затова усилията на учени и инженери бяха насочени към търсенето на други възможни методиразделяне на изотопи. На първо място, бяха усвоени физични и химични методи за разделяне, основани на различията в такива свойства на изотопи на един и същи елемент като скорости на изпаряване, равновесни константи, скорости на химични реакции и др. Най-ефективни сред тях са методите на ректификация и изотопен обмен, които се използват широко в промишленото производство на изотопи на леки елементи: водород, литий, бор, въглерод, кислород и азот.

Друга група методи се формират от така наречените молекулярно-кинетични методи: газова дифузия, термична дифузия, масова дифузия (дифузия в поток от пара) и центрофугиране. Методи за дифузия на газ, базирани на различни скорости на дифузия на изотопни компоненти в силно дисперсна пореста среда, са използвани по време на Втората световна война за организиране промишлено производствоотделяне на уранови изотопи в Съединените щати в рамките на така наречения проект Манхатън за създаване атомна бомба. За получаване необходими количествауран, обогатен до 90% с лек изотоп 235 U, основният "запалим" компонент на атомната бомба, са построени заводи, които заемат площ от около четири хиляди хектара. Повече от 2 милиарда долара бяха отпуснати за създаването на атомен център със заводи за производство на обогатен уран.След войната са разработени заводи за производство на обогатен уран за военни цели, също базирани на дифузионния метод на разделяне и построен в СССР. IN последните годинитози метод отстъпи място на по-ефективен и по-евтин метод на центрофугиране. При този метод ефектът на разделяне на изотопната смес се постига поради различното действие на центробежните сили върху компонентите на изотопната смес, която запълва ротора на центрофугата, който представлява тънкостенен цилиндър, ограничен отгоре и отдолу, въртящ се с много висока скороств вакуумна камера. Стотици хиляди центрофуги, свързани в каскади, роторът на всяка от които прави повече от хиляда оборота в секунда, в момента се използват в съвременните сепарационни инсталации както в Русия, така и в други развити страни по света. Центрофугите се използват не само за получаване на обогатен уран, необходим за работа ядрени реакториатомни електроцентрали, но и за производството на изотопи от около тридесет химични елемента от средната част на периодичната таблица. За разделяне на различни изотопи се използват и електромагнитни сепарационни инсталации с мощни йонни източници; през последните години, лазерни методиразделяне.

Използването на изотопи.

Разнообразие от изотопи на химични елементи се използват широко в научно изследване, в различни области на индустрията и селското стопанство, в ядрената енергия, съвременна биология и медицина, в научни изследвания заобикаляща средаи други области. При научни изследвания (например при химичен анализ) като правило се изискват малки количества редки изотопи на различни елементи, изчислени в грамове и дори милиграми годишно. В същото време за редица изотопи, широко използвани в ядрената енергетика, медицината и други индустрии, необходимостта от тяхното производство може да бъде много килограми и дори тонове. Така, във връзка с използването на тежка вода D 2 O в ядрени реактори, световното му производство до началото на 90-те години на миналия век е около 5000 тона годишно. Водородният изотоп деутерий, който е част от тежката вода, чиято концентрация в естествената смес от водород е само 0,015%, заедно с тритий, в бъдеще, според учените, ще стане основният горивен компонент на работещите енергийни термоядрени реактори въз основа на реакциите на ядрен синтез. В този случай необходимостта от производство на водородни изотопи ще бъде огромна.

В научните изследвания стабилните и радиоактивните изотопи се използват широко като изотопни индикатори (етикети) при изследване на различни процеси, протичащи в природата.

IN селско стопанствоизотопи ("маркирани" атоми) се използват например за изследване на процесите на фотосинтеза, усвояемостта на торовете и за определяне на ефективността на използването на азот, фосфор, калий, микроелементи и други вещества от растенията.

Изотопните технологии се използват широко в медицината. Така че в САЩ, според статистиката, се извършват повече от 36 хиляди медицински процедури на ден и около 100 милиона лабораторни тестове с използване на изотопи. Най-честите процедури, свързани с компютърната томография. Въглеродният изотоп С 13 обогатен до 99% (естествено съдържание около 1%) се използва активно в така наречения „диагностичен контрол на дишането”. Същността на теста е много проста. Обогатеният изотоп се въвежда в храната на пациента и след участие в метаболитния процес в различни органи на тялото се отделя като въглероден диоксид CO 2, издишван от пациента, който се събира и анализира с помощта на спектрометър. Разликата в скоростта на процесите, свързани с отделянето на различни количества въглероден диоксид, белязан с изотоп С 13, дава възможност да се прецени състоянието на различните органи на пациента. В САЩ броят на пациентите, които ще преминат този тест, се оценява на 5 милиона души годишно. Методите на лазерно разделяне сега се използват за производство на силно обогатен изотоп C 13 в промишлен мащаб.

Владимир Жданов

Изучавайки явлението радиоактивност, учените през първото десетилетие на XX век. откри голям брой радиоактивни вещества – около 40. Имаше значително повече от тях, отколкото свободни места в периодичната таблица на елементите в интервала между бисмут и уран. Природата на тези вещества е спорна. Някои изследователи ги смятаха за независими химични елементи, но в този случай въпросът за поставянето им в периодичната таблица се оказа нерешим. Други като цяло им отказаха правото да бъдат наричани елементи в класическия смисъл. През 1902 г. английският физик Д. Мартин нарича такива вещества радиоелементи. Докато бяха проучени, се оказа, че някои радиоелементи имат абсолютно същото Химични свойства, но се различават по големина атомни маси. Това обстоятелство противоречи на основните принципи периодичен закон. Английският учен Ф. Соди разреши противоречието. През 1913 г. той нарича химически сходни радиоелементи изотопи (от гръцките думи, означаващи „същото“ и „място“), т.е. заемащи едно и също място в периодичната система. Оказа се, че радиоелементите са изотопи на естествени радиоактивни елементи. Всички те са обединени в три радиоактивни семейства, чиито предци са изотопите на тория и урана.

Изотопи на кислорода. Изобари на калий и аргон (изобарите са атоми на различни елементи с еднакъв масов номер).

Брой стабилни изотопи за четни и нечетни елементи.

Скоро стана ясно, че други стабилни химични елементи също имат изотопи. Основната заслуга в тяхното откриване принадлежи на английския физик Ф. Астън. Той открива стабилни изотопи в много елементи.

ОТ съвременна точкаИзотопите са разновидности на атоми на химичен елемент: те имат различни атомни маси, но един и същ ядрен заряд.

По този начин техните ядра съдържат същия номерпротони, но различен номернеутрони. Например, естествените кислородни изотопи със Z = 8 съдържат съответно 8, 9 и 10 неутрона в ядрата си. Сборът от броя на протоните и неутроните в ядрото на изотопа се нарича масово число A. Следователно масовите числа на посочените кислородни изотопи са 16, 17 и 18. Сега се приема следното обозначение на изотопи: Z стойността е дадена в долния ляв ъгъл на символа на елемента, стойността A е дадена в горния ляв ъгъл. Например: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

След откриването на феномена изкуствена радиоактивност са получени около 1800 изкуствени радиоактивни изотопа чрез ядрени реакции за елементи с Z от 1 до 110. По-голямата част от изкуствените радиоизотопи имат много кратък период на полуразпад, измерен в секунди и части от секундите; само няколко имат относително по-голяма продължителностживот (например 10 Be - 2,7 10 6 години, 26 Al - 8 10 5 години и т.н.).

В природата присъстват стабилни елементи с приблизително 280 изотопа. Някои от тях обаче се оказаха леко радиоактивни, с огромен период на полуразпад (например 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Животът на тези изотопи е толкова дълъг, че могат да се считат за стабилни.

Все още има много проблеми в света на стабилните изотопи. Така че не е ясно защо броят им в различните елементи варира толкова много. Около 25% от стабилните елементи (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) присъстват в природата е само един вид атом. Това са така наречените единични елементи. Интересното е, че всички те (с изключение на Be) имат нечетни стойности Z. Като цяло за нечетните елементи броят на стабилните изотопи не надвишава два. Напротив, някои елементи с четно Z се състоят от Голям бройизотопи (например Xe има 9, Sn - 10 стабилни изотопи).

Наборът от стабилни изотопи на даден елемент се нарича галактика. Тяхното съдържание в галактиката често варира значително. Интересно е да се отбележи, че изобилието от изотопи с масови числа, кратни на четири (12 C, 16 O, 20 Ca и т.н.) е най-голямо, въпреки че има изключения от това правило.

Откриването на стабилни изотопи направи възможно решаването на дългосрочната мистерия на атомните маси – тяхното отклонение от цели числа, поради различните проценти на стабилни изотопи на елементите в галактиката.

IN ядрена физикапонятието "изобар" е известно. Изобари се наричат ​​изотопи на различни елементи (т.е. с различни стойности Z) с еднакви масови числа. Изучаването на изобарите допринесе за установяването на много важни закономерности в поведението и свойствата на атомните ядра. Една от тези закономерности се изразява в правилото, формулирано от съветския химик С. А. Щукарев и йеменския физик И. Маттаух. Той казва: ако двете изобари се различават по Z стойности с 1, тогава една от тях непременно ще бъде радиоактивна. Класически пример за двойка изобари е 40 18 Ar - 40 19 K. В него калиевият изотоп е радиоактивен. Правилото на Щукарев-Матаух даде възможност да се обясни защо елементите технеций (Z = 43) и прометий (Z = 61) нямат стабилни изотопи. Тъй като те имат нечетни Z стойности, повече от два стабилни изотопа не могат да се очакват за тях. Но се оказа, че изобарите на технеций и прометий, съответно, изотопите на молибден (Z = 42) и рутений (Z = 44), неодим (Z = 60) и самарий (Z = 62), са представени в природата от стабилни разновидности на атоми в широк диапазон от масови числа. По този начин физическите закони налагат забрана за съществуването на стабилни изотопи на технеций и прометий. Ето защо тези елементи всъщност не съществуват в природата и е трябвало да бъдат синтезирани изкуствено.

Учените отдавна се опитват да разработят периодична система от изотопи. Разбира се, тя се основава на други принципи, освен на основата на периодичната система от елементи. Но тези опити все още не са довели до задоволителни резултати. Вярно е, че физиците са доказали, че последователността на пълнене на протонни и неутронни обвивки в атомни ядрапринципно е подобно на изграждането на електронни обвивки и подобвивки в атоми (виж Атом).

По абсолютно същия начин са изградени електронните обвивки на изотопите на даден елемент. Следователно техните химични и физични свойства са почти идентични. Само изотопите на водорода (протий и деутерий) и техните съединения показват забележими разлики в свойствата. Например, тежката вода (D 2 O) замръзва при +3,8, кипи при 101,4 ° C, има плътност 1,1059 g / cm 3, не поддържа живота на животински и растителни организми. По време на електролизата на водата до водород и кислород, молекулите H 2 0 се разлагат предимно, докато молекулите на тежката вода остават в електролизатора.

Разделянето на изотопи на други елементи е изключително трудна задача. Въпреки това, в много случаи са необходими изотопи отделни елементисъс значителна промяна в сравнение с естественото съдържание. Например при решаването на проблема с атомната енергия се наложи да се разделят изотопите 235 U и 238 U. За целта първо е приложен методът на масспектрометрия, с помощта на който са получени първите килограми уран-235 през 1944 г. в САЩ. Този метод обаче се оказа твърде скъп и беше заменен от метода на газодифузия, който използва UF 6 . Сега има няколко метода за разделяне на изотопи, но всички те са доста сложни и скъпи. Въпреки това проблемът с „разделянето на неразделното” се решава успешно.

Появи се нова научна дисциплина – химията на изотопите. Изучава поведението на различни изотопи на химични елементи в химична реакцияи процеси на изотопен обмен. В резултат на тези процеси изотопите на даден елемент се преразпределят между реагиращите вещества. Тук най-простият пример: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (молекула на водата обменя протиев атом с деутериев атом). Развива се и геохимията на изотопите. Изследва флуктуациите в изотопния състав на различни елементи в земната кора.

Най-широко използвани са така наречените белязани атоми – изкуствени радиоактивни изотопи на стабилни елементи или стабилни изотопи. С помощта на изотопни индикатори - маркирани атоми - изучават начините на движение на елементите в неживата и жива природа, естеството на разпределението на веществата и елементите в различни обекти. Изотопите се използват в ядрената техника: като материали за изграждане на ядрени реактори; като ядрено гориво (изотопи на торий, уран, плутоний); при термоядрен синтез (деутерий, 6 Li, 3 He). Радиоактивните изотопи също се използват широко като източници на радиация.