Изотопите съдържат същото число. Приложения на изотопи
изотопи
ИЗОТОПИ-ов; мн.ч.(единствен изотоп, -a; m.). [от гръцки. isos - равен и topos - място] Специалист.Разновидности на същото химичен елемент, които се различават по масата на атомите. радиоактивни изотопи. Изотопи на уран.
◁ Изотопно, th, th. I. индикатор.
изотопиИстория на изследванията
Първите експериментални данни за съществуването на изотопи са получени през 1906-10. при изследване на свойствата на радиоактивните трансформации на атоми на тежки елементи. През 1906-07г. беше установено, че продуктът на радиоактивен разпад на уран - йон и продуктът на радиоактивен разпад на торий - радиоторий имат същите химични свойства като тория, но се различават от последния атомна масаи характеристики на радиоактивния разпад. Освен това: и трите елемента имат еднакви оптични и рентгенови спектри. По предложение на английския учен Ф. Соди (см. SODDI Фредерик), такива вещества станаха известни като изотопи.
След откриването на изотопи в тежките радиоактивни елементи започва търсенето на изотопи в стабилните елементи. Независимо потвърждение за съществуването на стабилни изотопи на химичните елементи е получено в експериментите на J. J. Thomson (см.Томсън Джоузеф Джон)и Ф. Астън (см. ASTON Франсис Уилям). Томсън открива през 1913 г стабилни изотопина неон. Астън, който провежда изследвания с помощта на инструмент, който той е проектирал, наречен мас спектрограф (или мас спектрометър), използвайки метода на масспектрометрия (см.МАСА СПЕКТРОМЕТРИЯ), доказа, че много други стабилни химични елементи имат изотопи. През 1919 г. той получава доказателства за съществуването на два изотопа 20 Ne и 22 Ne, чието относително изобилие (изобилие) в природата е приблизително 91% и 9%. Впоследствие е открит изотопът 21 Ne с разпространение от 0,26%, изотопи на хлор, живак и редица други елементи.
Масспектрометър с малко по-различен дизайн през същите години е създаден от A. J. Dempster (см.Демпстър Артър Джефри). В резултат на последващото използване и усъвършенстване на мас спектрометрите, с усилията на много изследователи беше съставена почти пълна таблица на изотопния състав. През 1932 г. е открит неутрон – частица, която няма заряд, с маса, близка до масата на ядрото на водороден атом – протон, и е създаден протонно-неутронен модел на ядрото. В резултат на това в науката беше установено окончателното определение на понятието изотопи: изотопите са вещества, чиито атомни ядра се състоят от еднакъв брой протони и се различават само по броя на неутроните в ядрото. До около 1940 г. е извършен изотопен анализ за всички известни по това време химически елементи.
При изследването на радиоактивността са открити около 40 естествени радиоактивни вещества. Те са обединени в радиоактивни семейства, чиито предци са изотопи на торий и уран. Естествените включват всички стабилни разновидности на атомите (те са около 280) и всички естествено радиоактивни, които са част от радиоактивни семейства (те са 46). Всички останали изотопи се получават в резултат на ядрени реакции.
За първи път през 1934 г. И. Кюри (см.Жолио-Кюри Ирен)и Ф. Жолио-Кюри (см.Жолио-Кюри Фредерик)получава изкуствено радиоактивни изотопи на азот (13 N), силиций (28 Si) и фосфор (30 P), които липсват в природата. С тези експерименти те демонстрираха възможността за синтезиране на нови радиоактивни нуклиди. Сред известните в момента изкуствени радиоизотопи повече от 150 принадлежат към трансуранови елементи. (см.ТРАНЗУРАНОВИ ЕЛЕМЕНТИ)не се срещат на Земята. Теоретично се приема, че броят на изотопните видове, способни да съществуват, може да достигне порядъка на 6000.
енциклопедичен речник. 2009 .
Вижте какво представляват "изотопите" в други речници:
Съвременна енциклопедия
изотопи- (от iso ... и гръцки topos място), разновидности на химични елементи, в които ядрата на атомите (нуклидите) се различават по броя на неутроните, но съдържат същия номерпротони и следователно заемат едно и също място в периодична системахимикал... Илюстрирано енциклопедичен речник
- (от iso ... и гръцки topos място) разновидности на химичните елементи, в които ядрата на атомите се различават по броя на неутроните, но съдържат еднакъв брой протони и следователно заемат едно и също място в периодичната система от елементи. Разграничаване… … Голям енциклопедичен речник
ИЗОТОПИ- ИЗОТОПИ, хим. елементи, разположени в една и съща клетка на периодичната система и следователно имащи същия атомен номер или пореден номер. В този случай I. не трябва, най-общо казано, да има същото атомно тегло. Различни… … Голяма медицинска енциклопедия
Разновидности на този хим. елементи, които се различават по масата на ядрата. Притежавайки същия ядрен заряд Z, но различаващ се по броя на неутроните, I. имат една и съща структура на електронните обвивки, тоест много близка химична. sv va, и заемат същото ... ... Физическа енциклопедия
Атоми от същия хим. елемент, чиито ядра съдържат същия брой протони, но различен брой неутрони; имат различни атомни маси, имат еднакъв хим. свойства, но се различават по своите физически. имоти, по-специално... Речник по микробиология
Химически атоми. елементи, които имат различни масови числа, но имат еднакъв заряд атомни ядраи следователно заема едно място в периодичната система на Менделеев. Атоми на различни изотопи на един и същи хим. елементите се различават по брой ... ... Геологическа енциклопедия
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, които се различават по масата на атомните ядра.
Според възприетия неутронно-протонен модел на ядрото съществуването на изотопи се обяснява по следния начин: ядрата на някои атоми на материята съдържат различен брой неутрони, но еднакъв 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 изотопи- Това са разновидности на химични елементи, които могат самостоятелно да съществуват дълго време.
Повечето от нестабилни изотопие получен изкуствено. Нестабилните изотопи са радиоактивни, техните ядра са подложени на процес 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.
Повторете основните положения от темата "Основни понятия по химия" и решете предложените задачи. Използвайте ##6-17.
Основни разпоредби
1. Вещество(прости и сложни) е всяка комбинация от атоми и молекули, която е в определено агрегатно състояние.
Нарича се трансформацията на веществата, придружена от промяна в техния състав и (или) структура химична реакция .
2. Структурни звена вещества:
· атом- най-малката електрически неутрална частица от химичен елемент и проста субстанция, която има всичките си химични свойства и освен това е физически и химически неделима.
· Молекула- най-малката електрически неутрална частица от вещество, която има всичките си химични свойства, физически неделима, но химически делима.
3. Химичен елемент Вид атом с определен ядрен заряд.
4. Съединение атом :
|
Частица |
Как да определим? |
Зареждане |
Тегло |
||
|
кл |
конвенционални единици |
сутринта |
|||
|
електрон |
Пореден номер (Н) |
1.6 ∙ 10 -19 |
9.10 ∙ 10 -28 |
0.00055 |
|
|
протон |
Пореден номер (Н) |
1.6 ∙ 10 -19 |
1.67 ∙ 10 -24 |
1.00728 |
|
|
Неутрон |
Ар-Н |
1.67 ∙ 10 -24 |
1.00866 |
||
5. Съединение атомно ядро :
Ядрото съдържа елементарни частици (нуклони) –
протони(1 1 p ) и неутрони(10n).
· Защото Почти цялата маса на атома е концентрирана в ядрото m p ≈ m n≈ 1 аму, тогава закръглена стойностA rна химичен елемент е равен на общия брой нуклони в ядрото.
7. изотопи- разнообразие от атоми на един и същ химичен елемент, които се различават един от друг само по масата си.
· Обозначение на изотопи: вляво от символа на елемента посочете масовия номер (отгоре) и серийния номер на елемента (отдолу)
Защо изотопите имат различни маси?
Задача: Определете атомния състав на хлорните изотопи: 35 17кли 37 17кл?
Изотопите имат различни маси поради различен номернеутрони в ядрата им.
8. В природата химичните елементи съществуват като смеси от изотопи.
Изотопният състав на същия химичен елемент се изразява чрез атомни фракции(ω при.), които показват от коя част е броят на атомите на даден изотоп общ бройатоми на всички изотопи даден елементвзети като единица или 100%.
Например:
ω при (35 17 Cl) = 0,754
ω при (37 17 Cl) = 0,246
9. Периодичната таблица показва средните стойности на относителните атомни маси на химичните елементи, като се вземе предвид техният изотопен състав. Следователно A r, посочени в таблицата, са дробни.
A rср= ω в.(1) ∙ Ар (1) + … + ω в.(н ) ∙ Ар ( н )
Например:
A rср(Cl) \u003d 0,754 ∙ 35 + 0,246 ∙ 37 = 35,453
10. Задача за решаване:
номер 1 Определете относителната атомна маса на бора, ако е известно, че молната част на изотопа 10 B е 19,6%, а на изотопа 11 B е 80,4%.
11. Масите на атомите и молекулите са много малки. Понастоящем във физиката и химията е възприета единна система за измерване.
1 аму =м(a.m.u.) = 1/12 м(12С) = 1,66057 ∙ 10 -27 кг \u003d 1,66057 ∙ 10 -24 g.
Абсолютни маси на някои атоми:
м( ° С) \u003d 1,99268 ∙ 10 -23 g
м( Х) \u003d 1,67375 ∙ 10 -24 g
м( О) \u003d 2,656812 ∙ 10 -23 g
A r- показва колко пъти даден атом е по-тежък от 1/12 от 12 С атом. Г-н∙ 1,66 ∙ 10 -27 кг
13. Броят на атомите и молекулите в обикновените проби от вещества е много голям, следователно при характеризиране на количеството на веществото се използва мерна единица -къртица .
· бенка (ν)- единица от количеството на вещество, което съдържа толкова частици (молекули, атоми, йони, електрони), колкото има атоми в 12 g изотоп 12 ° С
Маса на 1 атом 12 ° Се 12 amu, така че броят на атомите в 12 g от изотопа 12 ° Ссе равнява:
Н А= 12 g / 12 ∙ 1,66057 ∙ 10 -24 g = 6,0221 ∙ 10 23
· Физическо количество Н АНаречен постоянен Авогадро (числото на Авогадро) и има размерността [ N A ] = mol -1 .
14. Основни формули:
М = Г-н = ρ ∙ Vm(ρ – плътност; V m – обем при n.c.)
Задачи за самостоятелно решаване
номер 1 Изчислете броя на азотните атоми в 100 g амониев карбонат, съдържащ 10% неазотни примеси.
номер 2 При нормални условия 12 литра газова смес, състояща се от амоняк и въглероден диоксид, имат маса 18 г. Колко литра от всеки от газовете съдържа сместа?
номер 3 Под действието на излишък от солна киселина върху 8,24 g смес от манганов оксид (IV) с неизвестен оксид MO 2, който не реагира със солна киселина, 1,344 l газ при н.о. В друг експеримент беше установено, че молното съотношение на манганов оксид (IV) към неизвестния оксид е 3:1. Задайте формулата за неизвестния оксид и изчислете масовата му част в сместа.
изотопи- разновидности на атоми (и ядра) на химичен елемент, които имат същия атомен (порядков) номер, но различни масови числа.
Терминът изотоп е образуван от гръцките корени isos (ἴσος „равен“) и topos (τόπος „място“), което означава „едно и също място“; По този начин значението на името е, че различни изотопи на един и същи елемент заемат една и съща позиция в периодичната таблица.
Три естествени изотопа на водорода. Фактът, че всеки изотоп има един протон, има варианти на водород: идентичността на изотопа се определя от броя на неутроните. Отляво надясно изотопите са протий (1H) с нула неутрона, деутерий (2H) с един неутрон и тритий (3H) с два неутрона.
Броят на протоните в ядрото на атома се нарича атомен номер и е равен на броя на електроните в неутрален (нейонизиран) атом. Всяко атомно число идентифицира конкретен елемент, но не и изотоп; Атомът на даден елемент може да има широк диапазон на броя на неутроните. Броят на нуклоните (както протоните, така и неутроните) в едно ядро е масовият номер на атома и всеки изотоп на даден елемент има различно масово число.
Например въглерод-12, въглерод-13 и въглерод-14 са три изотопа на елементарен въглерод с масови числа съответно 12, 13 и 14. Атомният номер на въглерода е 6, което означава, че всеки въглероден атом има 6 протона, така че неутронните числа на тези изотопи са съответно 6, 7 и 8.
Хuclides и изотопи
Нуклидът принадлежи на ядрото, а не на атома. Идентичните ядра принадлежат на един и същ нуклид, например, всяко ядро на въглерод-13 нуклида се състои от 6 протона и 7 неутрона. Концепцията за нуклиди (отнасящи се до отделни ядрени видове) набляга на ядрените свойства пред химичните свойства, докато концепцията за изотоп (групиране на всички атоми на всеки елемент) набляга на химическата реакция пред ядрената. Неутронното число има голямо влияние върху свойствата на ядрата, но влиянието му върху химичните свойства е незначително за повечето елементи. Дори в случая на най-леките елементи, където съотношението на неутроните към атомния номер варира най-много между изотопите, то обикновено има само незначителен ефект, въпреки че в някои случаи има значение (за водорода, най-лекия елемент, изотопният ефект е голям. Да повлияе силно на биологията). Тъй като изотопът е повече древен термин, той е по-известен от нуклида и все още понякога се използва в контексти, където нуклидът може да е по-подходящ, като ядрена технология и ядрена медицина.
Нотация
Изотоп или нуклид се идентифицира с името на конкретен елемент (това показва номера на атома), последвано от тире и масов номер (например хелий-3, хелий-4, въглерод-12, въглерод-14, уран- 235 и уран-239). Когато се използва химически символ, напр. "C" за въглерод, стандартна нотация (сега известна като "AZE нотация", тъй като A е масовото число, Z е атомното число, а E за елемента) означава масовото число (броя на нуклоните) с горен индекс при горния ляв ъгъл на химическия символ и посочете атомния номер с индекс в долния ляв ъгъл). Тъй като атомният номер се дава от символа на елемента, обикновено се дава само масовото число в горния индекс, а индексът на атома не се дава. Буквата m понякога се добавя след масовото число, за да посочи ядрен изомер, метастабилно или енергийно възбудено ядрено състояние (за разлика от основното състояние с най-ниска енергия), като 180m 73Ta (тантал-180m).
Радиоактивни, първични и стабилни изотопи
Някои изотопи са радиоактивни и затова се наричат радиоизотопи или радионуклиди, докато други никога не е наблюдавано да се разпадат радиоактивно и се наричат стабилни изотопи или стабилни нуклиди. Например, 14 C е радиоактивна форма на въглерод, докато 12 C и 13 C са стабилни изотопи. На Земята има приблизително 339 естествено срещащи се нуклида, от които 286 са първични нуклиди, което означава, че съществуват откакто са се образували. слънчева система.
Оригиналните нуклиди включват 32 нуклида с много дълъг период на полуразпад (над 100 милиона години) и 254, които формално се считат за „стабилни нуклиди“, тъй като не е наблюдавано, че се разпадат. В повечето случаи, по очевидни причини, ако даден елемент има стабилни изотопи, тогава тези изотопи доминират в елементарното изобилие, намиращо се на Земята и в Слънчевата система. Въпреки това, в случай на три елемента (телур, индий и рений), най-разпространеният изотоп, открит в природата, всъщност е един (или два) изключително дългоживещ радиоизотопа(а) на елемента, въпреки факта, че тези елементи имат един или повече стабилни изотопи.
Теорията предвижда, че много очевидно "стабилни" изотопи/нуклиди са радиоактивни, с изключително дълъг период на полуразпад (без да се вземе предвид възможността за протонно разпадане, което би направило всички нуклиди в крайна сметка нестабилни). От 254 нуклида, които никога не са наблюдавани, само 90 от тях (всички от първите 40 елемента) са теоретично устойчиви на всички известни форми на разпад. Елемент 41 (ниобий) е теоретично нестабилен при спонтанно делене, но това никога не е било открито. Много други стабилни нуклиди са теоретично енергийно податливи на други известни форми на разпад, като алфа разпад или двоен бета разпад, но продуктите на разпада все още не са наблюдавани и по този начин тези изотопи се считат за „стабилни при наблюдение“. Прогнозираните периоди на полуразпад за тези нуклиди често надвишават значително изчислената възраст на Вселената и всъщност има и 27 известни радионуклида с период на полуразпад по-дълъг от възрастта на Вселената.
Радиоактивни нуклиди, изкуствено създадени, в момента са известни 3339 нуклида. Те включват 905 нуклида, които са или стабилни, или имат период на полуразпад над 60 минути.
Изотопни свойства
Химични и молекулярни свойства
Неутралният атом има същия брой електрони като протоните. По този начин различните изотопи на даден елемент имат еднакъв брой електрони и имат подобен брой електронна структура. Тъй като химичното поведение на атома до голяма степен се определя от неговата електронна структура, различните изотопи проявяват почти идентично химическо поведение.
Изключение от това е кинетичният изотопен ефект: поради големите си маси, по-тежките изотопи са склонни да реагират малко по-бавно от по-леките изотопи на същия елемент. Това е най-силно изразено за протий (1 H), деутерий (2 H) и тритий (3 H), тъй като деутерият има два пъти по-голяма маса от протий, а тритият има три пъти масата на протий. Тези масови разлики също влияят върху поведението на съответните им химически връзки, променящ центъра на тежестта (намалена маса) на атомните системи. Въпреки това, за по-тежките елементи, относителната разлика в масата между изотопите е много по-малка, така че ефектите от разликата в масата в химията обикновено са незначителни. (Тежките елементи също имат относително повече неутрони от по-леките, така че съотношението на ядрената маса към общата електронна маса е малко по-голямо.)
По същия начин две молекули, които се различават само по изотопите на своите атоми (изотопози), имат една и съща електронна структура и следователно почти неразличими физични и химични свойства (отново, като деутерий и тритий са основните изключения). Вибрационните режими на молекула се определят от нейната форма и масите на съставните й атоми; Следователно различните изотоолози имат различни набори от вибрационни режими. Тъй като вибрационните режими позволяват на молекула да абсорбира фотони с подходяща енергия, изотополозите имат различни оптични свойства в инфрачервеното лъчение.
Ядрени свойства и стабилност
Изотопен полуживот. Графиката за стабилни изотопи се отклонява от линията Z = N, когато номерът на елемента Z се увеличава
Атомните ядра са съставени от протони и неутрони, свързани помежду си чрез остатък силна сила. Тъй като протоните са положително заредени, те се отблъскват един друг. Неутроните, които са електрически неутрални, стабилизират ядрото по два начина. Техният контакт изтласква протоните малко назад, намалявайки електростатичното отблъскване между протоните и те упражняват привлекателна ядрена сила един върху друг и върху протоните. Поради тази причина са необходими един или повече неутрони, за да се свържат два или повече протона с ядрото. С увеличаване на броя на протоните се увеличава и съотношението на неутроните към протоните, необходимо за осигуряване на стабилно ядро (вижте графиката вдясно). Например, въпреки че съотношението неутрон: протон 3 2 He е 1:2, съотношението неутрон: протон 238 92 U
Над 3:2. Редица по-леки елементи имат стабилни нуклиди със съотношение 1:1 (Z = N). Нуклидът 40 20 Ca (калций-40) е наблюдаваният най-тежкият стабилен нуклид със същия брой неутрони и протони; (Теоретично най-тежкият стабилен е сяра-32). Всички стабилни нуклиди, по-тежки от калций-40, съдържат повече неутрони, отколкото протони.
Брой изотопи на елемент
От 81 елемента със стабилни изотопи, най-голямо числоСтабилните изотопи, наблюдавани за всеки елемент, са десет (за елемента калай). Никой елемент няма девет стабилни изотопа. Ксенонът е единственият елемент с осем стабилни изотопа. Четири елемента имат седем стабилни изотопа, осем от които имат шест стабилни изотопа, десет имат пет стабилни изотопа, девет имат четири стабилни изотопа, пет имат три стабилни изотопа, 16 имат два стабилни изотопа, а 26 елемента имат само един (от които 19 са така наречените мононуклидни елементи, които имат един първичен стабилен изотоп, който доминира и фиксира атомното тегло на естествения елемент с висока точност, присъстват и 3 радиоактивни мононуклидни елемента). AT обща сумаима 254 нуклида, за които не е наблюдавано да се разпадат. За 80 елемента, които имат един или повече стабилни изотопи, средният брой стабилни изотопи е 254/80 = 3,2 изотопа на елемент.
Четен и нечетен брой нуклони
Протони: Съотношението на неутроните не е единственият фактор, влияещ върху ядрената стабилност. Зависи също и от четността или нечетността на атомното му число Z, броя на неутроните N, следователно сумата от тяхното масово число A. Нечетните Z и N имат тенденция да понижават ядрената енергия на свързване, създавайки нечетни ядра, които обикновено са по-малко стабилни . Тази значителна разлика в енергията на ядрено свързване между съседните ядра, особено нечетните изобари, има важни последици: нестабилни изотопи с неоптимален брой неутрони или протони се разпадат чрез бета разпад (включително разпад на позитрони), улавяне на електрони или други екзотични средства като спонтанно делене и разпад. клъстери.
Повечето стабилни нуклиди са четен брой протони и четен брой неутрони, където Z, N и A са четни. Нечетните стабилни нуклиди се разделят (приблизително равномерно) на нечетни.
атомно число
148-те четни протони, четни неутронни (EE) нуклиди съставляват ~58% от всички стабилни нуклиди. Има и 22 първични дългоживеещи дори нуклида. В резултат на това всеки от 41-те четни елемента от 2 до 82 има поне един стабилен изотоп и повечето от тези елементи имат множество първични изотопи. Половината от тези четни елементи имат шест или повече стабилни изотопа. Изключителната стабилност на хелий-4, дължаща се на бинарното свързване на два протона и два неутрона, предотвратява съществуването на нуклиди, съдържащи пет или осем нуклона, достатъчно дълго, за да служат като платформи за натрупване на по-тежки елементи чрез ядрен синтез.
Тези 53 стабилни нуклида имат четен бройпротони и нечетен брой неутрони. Те са малцинство в сравнение с четните изотопи, които са около 3 пъти повече. Сред 41-те четни Z елемента, които имат стабилен нуклид, само два елемента (аргон и церий) нямат четно-нечетни стабилни нуклиди. Един елемент (калай) има три. Има 24 елемента, които имат един нечетно-четен нуклид и 13, които имат два нечетно-четни нуклида.
Поради техния нечетен неутронен брой, четно-нечетните нуклиди обикновено имат големи секцииулавяне на неутрони поради енергията, която възниква от ефектите на неутронното свързване. Тези стабилни нуклиди може да са необичайно изобилни в природата, главно защото за да се образуват и влязат в първичното изобилие, те трябва да избягат от улавянето на неутрони, за да образуват още други стабилни четно-нечетни изотопи в хода на това как s е процесът и r е процеса на улавяне на неутрони.по време на нуклеосинтеза.
нечетно атомно число
48-те стабилни нуклида с нечетни протони и четни неутрони, стабилизирани от техния четен брой сдвоени неутрони, образуват по-голямата част от стабилните изотопи на нечетните елементи; Много малко нечетни протони и неутрони нуклиди съставляват други. Има 41 нечетни елемента от Z = 1 до 81, от които 39 имат стабилни изотопи (елементите технеций (43 Tc) и прометий (61 Pm) нямат стабилни изотопи). От тези 39 нечетни Z елемента, 30 елемента (включително водород-1, където 0 неутрона е четно) имат един стабилен нечетно-четен изотоп и девет елемента: хлор (17 Cl), калий (19K), мед (29 Cu), галий (31 Ga), бром (35 Br), сребро (47 Ag), антимон (51 Sb), иридий (77 Ir) и талий (81 Tl) имат по два нечетно-четни стабилни изотопа. Така се получават 30 + 2 (9) = 48 стабилни четно-четни изотопи.
Само пет стабилни нуклида съдържат както нечетен брой протони, така и нечетен брой неутрони. Първите четири "нечетно-нечетни" нуклида се срещат в нуклиди с ниско молекулно тегло, за които преминаването от протон към неутрон или обратно ще доведе до много едностранно съотношение протон-неутрон.
Единственият напълно "стабилен", нечетно-нечетен нуклид е 180m 73 Ta, който се счита за най-редкия от 254-те стабилни изотопа и е единственият първичен ядрен изомер, за който все още не е наблюдавано разпадане, въпреки експерименталните опити.
Нечетен брой неутрони
Актинидите с нечетен брой неутрони са склонни да се разделят (с топлинни неутрони), докато тези с четен брой неутрони не са склонни, въпреки че се разделят на бързи неутрони. Всички стабилни при наблюдение нечетно-нечетни нуклиди имат ненулев целочислен спин. Това е така, защото единичен несдвоен неутрон и несдвоен протон имат по-голямо ядрено привличане един към друг, ако техните завъртания са подравнени (произвеждайки общ спин от поне 1 единица), а не подравнени.
Появата в природата
Елементите са съставени от един или повече естествено срещащи се изотопи. Нестабилните (радиоактивни) изотопи са първични или пост-примерни. Оригиналните изотопи са били продукт на звезден нуклеосинтез или друг вид нуклеосинтеза, като разделяне на космическите лъчи, и са се запазили до момента, тъй като скоростта на тяхното разпадане е толкова бавна (напр. уран-238 и калий-40). Пост-естествените изотопи са били създадени чрез бомбардиране на космически лъчи като космогенни нуклиди (напр. тритий, въглерод-14) или разпадането на радиоактивен първичен изотоп в дъщерния на радиоактивен радиогенен нуклид (напр. уран до радий). Няколко изотопа се синтезират естествено като нуклеогенни нуклиди, други естествено ядрени реакции, например, когато неутроните от естествено ядрено делене се абсорбират от друг атом.
Както беше обсъдено по-горе, само 80 елемента имат стабилни изотопи, а 26 от тях имат само един стабилен изотоп. По този начин около две трети от стабилните елементи се срещат естествено на Земята в няколко стабилни изотопа, като най-големият брой стабилни изотопи за елемент е десет, за калай (50Sn). На Земята съществуват около 94 елемента (до плутоний включително), въпреки че някои се намират само в много малки количества, като плутоний-244. Учените смятат, че елементите, които се срещат естествено на Земята (някои само като радиоизотопи), се срещат като общо 339 изотопа (нуклида). Само 254 от тези естествено срещащи се изотопи са стабилни в смисъл, че не са наблюдавани досега. Допълнителни 35 първични нуклида (общо 289 първични нуклида) са радиоактивни с известен период на полуразпад, но имат период на полуразпад над 80 милиона години, което им позволява да съществуват от началото на Слънчевата система.
Всички известни стабилни изотопи се срещат естествено на Земята; Други естествени изотопи са радиоактивни, но поради относително дългия си полуживот или поради други непрекъснати естествени производствени методи. Те включват споменатите по-горе космогенни нуклиди, нуклеогенни нуклиди и всякакви радиогенни изотопи, произтичащи от продължаващия разпад на първичен радиоактивен изотоп като радон и радий от уран.
Други ~3000 радиоактивни изотопа, които не се срещат в природата, са създадени в ядрени реактори и ускорители на частици. Много краткотрайни изотопи не са открити естественона Земята също са наблюдавани чрез спектроскопски анализ, естествено произведени в звезди или свръхнови. Пример за това е алуминий-26, който не се среща естествено на Земята, но се среща в изобилие в астрономически мащаб.
Табличните атомни маси на елементите са средни стойности, които обясняват наличието на множество изотопи с различни маси. Преди откриването на изотопи, емпирично определени неинтегрирани стойности за атомната маса объркаха учените. Например, проба от хлор съдържа 75,8% хлор-35 и 24,2% хлор-37, което дава средна атомна маса от 35,5 единици атомна маса.
Според общоприетата теория на космологията при Големия взрив са създадени само изотопи на водород и хелий, следи от някои изотопи на литий и берилий и вероятно малко бор, а всички други изотопи са синтезирани по-късно, в звезди и свръхнови, а също и във Взаимодействия между енергийни частици като космически лъчи и произведени по-рано изотопи. Съответното изотопно изобилие от изотопи на Земята се дължи на количествата, произведени от тези процеси, тяхното разпространение през галактиката и скоростта на разпадане на изотопите, които са нестабилни. След първоначалното сливане на Слънчевата система изотопите се преразпределят според масата, а изотопният състав на елементите варира леко от планета на планета. Това понякога дава възможност да се проследи произхода на метеоритите.
Атомна маса на изотопи
Атомната маса (mr) на изотопа се определя главно от масовото му число (т.е. броя на нуклоните в неговото ядро). Малките корекции се дължат на енергията на свързване на ядрото, малката разлика в масата между протона и неутрона и масата на електроните, свързани с атома.
Масово число е безразмерна величина. Атомната маса, от друга страна, се измерва с помощта на единицата за атомна маса, базирана на масата на атома въглерод-12. Обозначава се със символите "u" (за единната единица за атомна маса) или "Da" (за далтона).
Атомните маси на естествените изотопи на елемента определят атомната маса на елемента. Когато елемент съдържа N изотопи, изразът по-долу се прилага за средната атомна маса:
Където m 1 , m 2 , …, mN са атомните маси на всеки отделен изотоп, а x 1 , …, xN е относителното изобилие на тези изотопи.
Приложение на изотопи
Има няколко приложения, които използват свойствата на различните изотопи на даден елемент. Разделянето на изотопи е важен технологичен проблем, особено с тежки елементи като уран или плутоний. По-леките елементи като литий, въглерод, азот и кислород обикновено се разделят чрез газообразна дифузия на техните съединения като CO и NO. Разделянето на водород и деутерий е необичайно, защото се основава на химични, а не на физични свойства, като например при сулфидния процес на Girdler. Урановите изотопи са разделени по обем чрез газова дифузия, газово центрофугиране, лазерно йонизационно разделяне и (в проекта Манхатън) по вид производство с масова спектрометрия.
Използване на химични и биологични свойства
- Изотопният анализ е определянето на изотопния сигнатур, относителното изобилие на изотопите на даден елемент в конкретна проба. По-специално за хранителните вещества могат да възникнат значителни вариации в изотопите C, N и O. Анализът на такива вариации има широк спектър от приложения, като например откриването хранителни продуктиили географски произходпродукти, използващи изоскопия. Идентифицирането на някои метеорити, произхождащи от Марс, се основава отчасти на изотопния сигнатур на съдържащите се в тях следи от газове.
- Изотопното заместване може да се използва за определяне на механизма на химическа реакция чрез кинетичния изотопен ефект.
- Друго често срещано приложение е изотопното етикетиране, използването на необичайни изотопи като маркери или маркери химична реакция. Обикновено атомите на даден елемент са неразличими един от друг. Въпреки това, използвайки изотопи различни маси, дори различните нерадиоактивни стабилни изотопи могат да бъдат разграничени с помощта на масспектрометрия или инфрачервена спектроскопия. Например, в "Етикетиране на стабилни изотопи на аминокиселини в клетъчната култура" (SILAC), стабилните изотопи се използват за количествено определяне на протеини. Ако се използват радиоактивни изотопи, те могат да бъдат открити от излъчваната от тях радиация (това се нарича радиоизотопно маркиране).
- Изотопите обикновено се използват за определяне на концентрацията на различни елементи или вещества с помощта на метода на изотопно разреждане, при който известни количества изотопно заместени съединения се смесват с проби и изотопните характеристики на получените смеси се определят с помощта на масспектрометрия.
Използване на ядрени свойства
- Метод, подобен на радиоизотопното маркиране, е радиометричното датиране: използвайки известния период на полуразпад на нестабилен елемент, може да се изчисли времето, изминало от съществуването на известна изотопна концентрация. Най-широко известен пример— радиовъглеродно датиране, използвано за определяне на възрастта на въглеродните материали.
- Някои форми на спектроскопия се основават на уникалните ядрени свойства на специфични изотопи, както радиоактивни, така и стабилни. Например, спектроскопията на ядрено-магнитен резонанс (ЯМР) може да се използва само за изотопи с ненулев ядрен спин. Най-често срещаните изотопи, използвани в ЯМР спектроскопията, са 1 H, 2 D, 15 N, 13 C и 31 P.
- Mössbauer спектроскопията също разчита на ядрените преходи на специфични изотопи като 57 Fe.
· Период на полуразпад · Масово число · Ядрено верижна реакция
Терминология
История на откриването на изотопи
Първото доказателство, че веществата с еднакво химическо поведение могат да имат различни физични свойства, идват от изследването на радиоактивните трансформации на атомите на тежките елементи. През 1906-07 г. става ясно, че продуктът от радиоактивния разпад на уран - йон и продуктът от радиоактивния разпад на тория - радиоторий имат същите химични свойства като тория, но се различават от него по атомна маса и характеристики на радиоактивен разпад. По-късно беше установено, че и трите продукта имат еднакви оптични и рентгенови спектри. Вещества, които са идентични в химични свойства, но различни по атомна маса и някои физични свойства, по предложение на английския учен Ф. Соди, започват да се наричат изотопи.
Изотопи в природата
Смята се, че изотопният състав на елементите на Земята е еднакъв във всички материали. някои физически процесив природата водят до нарушаване на изотопния състав на елементите (естествени фракциониранеизотопи, характерни за леките елементи, както и изотопни измествания по време на разпада на естествените дългоживеещи изотопи). В ядрената геохронология се използва постепенно натрупване в минерали на ядра - продукти на разпада на някои дългоживеещи нуклиди.
Използването на изотопи от хората
В технологичните дейности хората са се научили да променят изотопния състав на елементите, за да получат такъв специфични свойстваматериали. Например, 235 U е способен на верижна реакция на делене на термични неутрони и може да се използва като гориво за ядрени реактори или ядрени оръжия. Въпреки това, естественият уран съдържа само 0,72% от този нуклид, докато верижна реакцияе практически осъществимо само когато съдържанието на 235 U е не по-малко от 3%. Поради близостта физични и химични свойстваизотопи на тежки елементи, процедурата по изотопно обогатяване на урана е изключително сложна технологична задача, която е достъпна само за десетина държави в света. В много клонове на науката и технологиите (например в радиоимунния анализ) се използват изотопни етикети.
Вижте също
- Изотопна геохимия
Нестабилен (по-малко от ден): 8 C: Въглерод-8, 9 C: Въглерод-9, 10 C: Въглерод-10, 11 C: Въглерод-11
стабилен: 12 С: Въглерод-12, 13 С: Въглерод-13
10-10 000 години: 14 С: Въглерод-14
Нестабилен (по-малко от ден): 15 C: Въглерод-15, 16 C: Въглерод-16, 17 C: Въглерод-17, 18 C: Въглерод-18, 19 C: Въглерод-19, 20 C: Въглерод-20, 21 C: Въглерод-21, 22 С: Въглерод-22
Ние също препоръчваме
Зареждане...