Čak su i stari filozofi sugerirali da je materija izgrađena od atoma. Međutim, činjenicu da se same "cigle" svemira sastoje od najsitnijih čestica, znanstvenici su počeli nagađati tek na prijelazu iz 19. u 20. stoljeće. Eksperimenti koji su to dokazali napravili su pravu revoluciju u znanosti u svoje vrijeme. To je proporcija sastavni dijelovi razlikuje jedan kemijski element od drugog. Svaki od njih ima svoje mjesto prema serijskom broju. Ali postoje različite vrste atoma koje zauzimaju iste stanice u tablici, unatoč razlici u masi i svojstvima. Zašto je to tako i koji su izotopi u kemiji bit će riječi kasnije.

Atom i njegove čestice

Istražujući strukturu materije bombardiranjem alfa česticama, E. Rutherford je 1910. dokazao da je glavni prostor atoma ispunjen prazninom. I samo u središtu je jezgra. Negativni elektroni kreću se po orbitama oko njega, čineći ljusku ovog sustava. Tako je nastao planetarni model"cigle" materije.

Što su izotopi? Sjetite se iz tečaja kemije da jezgra također ima složena struktura. Sastoji se od pozitivnih protona i nenabijenih neutrona. Broj prvih određuje kvalitativne karakteristike kemijskog elementa. To je broj protona koji razlikuje tvari jedne od drugih, dajući njihovim jezgrama određeni naboj. I na temelju toga im se dodjeljuje serijski broj u periodnom sustavu. Ali broj neutrona u istom kemijskom elementu ih razlikuje u izotope. Definicija u kemiji ovaj koncept pa se može dati sljedeće. To su varijante atoma koji se razlikuju po sastavu jezgre, imaju isti naboj i serijske brojeve, ali imaju različite masene brojeve zbog razlika u broju neutrona.

Notacija

Proučavajući kemiju u 9. razredu i izotope, učenici će učiti o prihvaćenim legenda. Slovo Z označava naboj jezgre. Ova brojka se podudara s brojem protona i stoga je njihov pokazatelj. Zbroj ovih elemenata s neutronima, označenih znakom N, je A - maseni broj. Obitelj izotopa jedne tvari, u pravilu, označena je ikonom tog kemijskog elementa, koji je u periodnom sustavu obdaren serijskim brojem koji se podudara s brojem protona u njemu. Lijevi nadskript dodan navedenoj ikoni odgovara masenom broju. Na primjer, 238 U. Naboj elementa (u ovom slučaju, urana, označenog serijskim brojem 92) označen je sličnim indeksom ispod.

Poznavajući ove podatke, lako se može izračunati broj neutrona u danom izotopu. Jednak je masenom broju minus serijski broj: 238 - 92 \u003d 146. Broj neutrona bi mogao biti manji, iz ovoga ovaj kemijski element ne bi prestao biti uran. Valja napomenuti da je najčešće u drugim, jednostavnijim tvarima, broj protona i neutrona približno isti. Takve informacije pomažu razumjeti što je izotop u kemiji.

Nukleoni

Upravo broj protona daje individualnost određenom elementu, a broj neutrona ni na koji način ne utječe na njega. Ali atomska masa se sastoji od ova dva naznačena elementa, imajući uobičajeno ime"nukleoni", koji predstavljaju njihov zbroj. Međutim, ovaj pokazatelj ne ovisi o onima koji tvore negativno nabijenu ljusku atoma. Zašto? Vrijedi samo usporediti.

Maseni udio protona u atomu je velik i iznosi približno 1 AJ. u m ili 1,672 621 898 (21) 10 -27 kg. Neutron je blizak parametrima ove čestice (1,674 927 471(21) 10 -27 kg). Ali masa elektrona je tisuće puta manja, smatra se zanemarivom i ne uzima se u obzir. Zato, poznavajući superskript elementa u kemiji, nije teško saznati sastav jezgre izotopa.

Izotopi vodika

Izotopi pojedinih elemenata toliko su poznati i uobičajeni u prirodi da su dobili svoja imena. Najjasniji i najjednostavniji primjer za to je vodik. NA vivo nalazi se u svojoj najzastupljenijoj varijanti, protiju. Ovaj element ima maseni broj 1, a njegova jezgra se sastoji od jednog protona.

Dakle, što su izotopi vodika u kemiji? Kao što znate, atomi ove tvari imaju prvi broj u periodnom sustavu i, sukladno tome, u prirodi su obdareni brojem naboja od 1. Ali broj neutrona u jezgri atoma za njih je drugačiji. Deuterij, kao teški vodik, osim protona, ima još jednu česticu u jezgri, odnosno neutron. Kao rezultat toga, ova tvar pokazuje svoje fizikalna svojstva, za razliku od protija, ima vlastitu težinu, talište i vrelište.

tricij

Tricij je najsloženiji od svih. Ovo je superteški vodik. Prema definiciji izotopa u kemiji, ima broj naplate 1, ali je maseni broj 3. Često se naziva triton, jer osim jednog protona ima dva neutrona u jezgri, odnosno sastoji se od tri elementa. Naziv ovog elementa, koji su 1934. otkrili Rutherford, Oliphant i Harteck, predložen je i prije njegovog otkrića.

To je nestabilna tvar koja pokazuje radioaktivna svojstva. Njegova jezgra ima sposobnost cijepanja uz oslobađanje beta čestice i elektronskog antineutrina. Energija raspada ove tvari nije jako visoka i iznosi 18,59 keV. Stoga takvo zračenje nije previše opasno za ljude. Obična odjeća i kirurške rukavice mogu zaštititi od toga. I ovaj radioaktivni element dobiven hranom brzo se izlučuje iz tijela.

Izotopi urana

Mnogo opasnije Različite vrste uran, kojih je danas znanosti poznato 26. Stoga, kada se govori o tome što su izotopi u kemiji, nemoguće je ne spomenuti ovaj element. Unatoč raznolikosti vrsta urana, u prirodi se pojavljuju samo tri njegova izotopa. To uključuje 234 U, 235 U, 238 U. Prvi od njih, koji ima prikladna svojstva, aktivno se koristi kao gorivo u nuklearnim reaktorima. I potonje - za proizvodnju plutonija-239, koji je, zauzvrat, neophodan kao najvrednije gorivo.

Svaki od radioaktivnih elemenata karakterizira svoje, to je vrijeme tijekom kojeg se tvar cijepa u omjeru ½. Odnosno, kao rezultat ovog procesa, količina sačuvanog dijela tvari se prepolovi. Ovaj vremenski period za uran je ogroman. Primjerice, za izotop-234 procjenjuje se na 270 tisućljeća, a za druge dvije naznačene varijante mnogo je značajniji. Rekordno vrijeme poluraspada je poluraspad urana-238, koji traje milijardama godina.

Nuklidi

Nije svaka od vrsta atoma, karakterizirana svojim i strogo određeni broj protona i elektrona, toliko je stabilan da postoji barem neko dugo razdoblje dovoljno za njegovo proučavanje. Oni koji su relativno stabilni nazivaju se nuklidi. Stabilne formacije ove vrste ne podliježu radioaktivnom raspadu. Nestabilni se nazivaju radionuklidi, a zauzvrat se također dijele na kratkotrajne i dugovječne. Kao što je poznato iz nastave kemije u 11. razredu o strukturi atoma izotopa, osmij i platina imaju najveći broj radionuklida. Kobalt i zlato imaju po jednu konjušnicu, i najveći broj stabilni nuklidi u kositru.

Proračun serijskog broja izotopa

Pokušajmo sada sažeti ranije opisane informacije. Nakon što ste shvatili što su izotopi u kemiji, vrijeme je da shvatite kako možete iskoristiti stečeno znanje. Razmislite o tome konkretan primjer. Pretpostavimo da je poznato da određeni kemijski element ima maseni broj 181. Istodobno, ljuska atoma dane tvari sadrži 73 elektrona. Kako možete, koristeći periodni sustav, saznati ime zadanog elementa, kao i broj protona i neutrona u njegovoj jezgri?

Počnimo rješavati problem. Naziv tvari možete odrediti znajući njezin serijski broj, koji odgovara broju protona. Budući da je broj pozitivnih i negativnih naboja u atomu jednak, iznosi 73. Dakle, ovo je tantal. Štoviše, ukupan broj nukleona ukupno je 181, što znači da je protona ovog elementa 181 - 73 = 108. Vrlo jednostavno.

Izotopi galija

Element galij u ima atomski broj 71. U prirodi ova tvar ima dva izotopa - 69 Ga i 71 Ga. Kako odrediti postotak sorti galija?

Rješavanje problema o izotopima u kemiji gotovo je uvijek povezano s informacijama koje se mogu dobiti iz periodnog sustava. Ovaj put, trebali biste učiniti isto. Odredimo prosječnu atomsku masu iz navedenog izvora. To je jednako 69,72. Označavajući za x i y kvantitativni omjer prvog i drugog izotopa, uzimamo njihov zbroj jednak 1. Dakle, u obliku jednadžbe ovo će biti zapisano: x + y = 1. Iz toga slijedi da je 69x + 71y = 69,72. Izrazivši y u terminima x i zamjenom prve jednadžbe u drugu, dobivamo da je x = 0,64 i y = 0,36. To znači da je 69 Ga sadržano u prirodi 64%, a postotak 71 Ga je 34%.

Transformacije izotopa

Radioaktivna fisija izotopa s njihovom transformacijom u druge elemente dijeli se na tri glavna tipa. Prvi od njih je alfa raspad. Događa se emisijom čestice, koja je jezgra atoma helija. To jest, ova formacija, koja se sastoji od skupa parova neutrona i protona. Budući da broj potonjeg određuje broj naboja i broj atoma tvari u periodnom sustavu, kao rezultat ovog procesa dolazi do kvalitativne transformacije jednog elementa u drugi, a u tablici se pomiče ulijevo. po dvije ćelije. U ovom slučaju, maseni broj elementa se smanjuje za 4 jedinice. To znamo iz strukture atoma izotopa.

Kada jezgra atoma izgubi beta česticu, koja je u biti elektron, njezin se sastav mijenja. Jedan od neutrona se pretvara u proton. To znači da se kvalitativne karakteristike tvari ponovno mijenjaju, a element se u tablici pomiče za jednu ćeliju udesno, praktički bez gubitka mase. Obično je takva transformacija povezana s elektromagnetskim gama zračenjem.

Konverzija izotopa radija

Gore navedene informacije i znanja iz kemije 11. razreda o izotopima ponovno pomažu u rješavanju praktičnih problema. Na primjer, sljedeće: 226 Ra tijekom raspadanja pretvara se u kemijski element grupe IV, koji ima maseni broj 206. Koliko bi alfa i beta čestica trebao izgubiti u tom slučaju?

S obzirom na promjene mase i grupe elementa kćeri, pomoću periodnog sustava, lako je odrediti da će izotop koji nastaje tijekom fisije biti olovni s nabojem od 82 i masenim brojem 206. A s obzirom na broj naboja ovog elementa i izvornog radija, treba pretpostaviti da je njegova jezgra izgubila pet alfa -čestica i četiri beta čestice.

Korištenje radioaktivnih izotopa

Svi su dobro svjesni štete koju radioaktivno zračenje može uzrokovati živim organizmima. Međutim, svojstva radioaktivnih izotopa korisna su za ljude. Uspješno se koriste u mnogim industrijama. Uz njihovu pomoć moguće je otkriti curenje u inženjerskim i građevinskim konstrukcijama, podzemnim cjevovodima i naftovodima, spremnici za skladištenje, izmjenjivači topline u elektranama.

Ova svojstva također se aktivno koriste u znanstvenim eksperimentima. Primjerice, muha tsetse je prijenosnik mnogih ozbiljnih bolesti za ljude, stoku i domaće životinje. Kako bi se to spriječilo, mužjaci ovih insekata steriliziraju se uz pomoć slabog radioaktivnog zračenja. Izotopi su također nezamjenjivi u proučavanju mehanizama nekih kemijskih reakcija, jer atomi tih elemenata mogu označavati vodu i druge tvari.

U biološkim istraživanjima često se koriste i obilježeni izotopi. Na primjer, na taj je način ustanovljeno kako fosfor utječe na tlo, rast i razvoj kultivirane biljke. S uspjehom se svojstva izotopa također koriste u medicini, što je omogućilo liječenje kancerozni tumori drugo teška bolest, odrediti starost bioloških organizama.

Proučavanjem svojstava radioaktivnih elemenata ustanovljeno je da se u istom kemijskom elementu mogu naći atomi različite nuklearne mase. Istodobno, imaju isti nuklearni naboj, odnosno to nisu nečistoće tvari trećih strana, već ista tvar.

Što su izotopi i zašto postoje

U Mendeljejevljevom periodičnom sustavu i dani element i atomi tvari s različitom masom jezgre zauzimaju jednu ćeliju. Na temelju navedenog, takve vrste iste tvari dobile su naziv "izotopi" (od grčkog isos - isto i topos - mjesto). Tako, izotopi- to su vrste određenog kemijskog elementa, koje se razlikuju po masi atomskih jezgri.

Prema prihvaćenom neutronu rotonski model jezgre objasniti postojanje izotopa na sljedeći način: jezgre nekih atoma tvari sadrže različit broj neutrona, ali isti broj protona. Zapravo, nuklearni naboj izotopa jednog elementa je isti, dakle, broj protona u jezgri je isti. Jezgre se razlikuju po masi, odnosno sadrže različit broj neutrona.

Stabilni i nestabilni izotopi

Izotopi su ili stabilni ili nestabilni. Do danas je poznato oko 270 stabilnih izotopa i više od 2000 nestabilnih. stabilni izotopi su sorte kemijski elementi koji mogu postojati sami dugo vremena.

Većina nestabilni izotopi je dobiven umjetno. Nestabilni izotopi su radioaktivni, njihove jezgre podliježu procesu radioaktivnog raspada, odnosno spontane transformacije u druge jezgre, praćene emisijom čestica i/ili zračenja. Gotovo svi radioaktivni umjetni izotopi imaju vrlo kratko vrijeme poluraspada, mjereno u sekundama, pa čak i u dijelovima sekunde.

Koliko izotopa može sadržavati jezgra

Jezgra ne može sadržavati proizvoljan broj neutrona. Sukladno tome, broj izotopa je ograničen. Čak i u broju protona elemenata, broj stabilnih izotopa može doseći deset. Na primjer, kositar ima 10 izotopa, ksenon ima 9, živa ima 7 i tako dalje.

Ti elementi broj protona je neparan, može imati samo dva stabilna izotopa. Neki elementi imaju samo jedan stabilan izotop. To su tvari kao što su zlato, aluminij, fosfor, natrij, mangan i druge. Takve varijacije u broju stabilnih izotopa za različite elemente povezane su sa složenom ovisnošću broja protona i neutrona o energiji vezanja jezgre.

Gotovo sve tvari u prirodi postoje kao mješavina izotopa. Broj izotopa u sastavu tvari ovisi o vrsti tvari, atomskoj masi i broju stabilnih izotopa određenog kemijskog elementa.

Utvrđeno je da je svaki kemijski element koji se nalazi u prirodi mješavina izotopa (dakle, imaju frakcijske atomske mase). Da bismo razumjeli kako se izotopi međusobno razlikuju, potrebno je detaljno razmotriti strukturu atoma. Atom tvori jezgru i oblak elektrona. Na masu atoma utječu elektroni koji se kreću nevjerojatnom brzinom po orbitama u oblaku elektrona, neutroni i protoni koji čine jezgru.

Što su izotopi

izotopi Vrsta atoma kemijskog elementa. U svakom atomu uvijek postoji jednak broj elektrona i protona. Budući da imaju suprotne naboje (elektroni su negativni, a protoni pozitivni), atom je uvijek neutralan (ovo elementarna čestica ne nosi naboj, jednak je nuli). Kada se elektron izgubi ili zarobi, atom gubi svoju neutralnost, postajući ili negativan ili pozitivan ion.
Neutroni nemaju naboj, ali njihov broj u atomskoj jezgri istog elementa može biti različit. To ne utječe na neutralnost atoma, ali utječe na njegovu masu i svojstva. Na primjer, svaki izotop atoma vodika ima po jedan elektron i jedan proton. I broj neutrona je drugačiji. Procij ima samo 1 neutron, deuterij 2 neutrona, a tricij 3 neutrona. Ova tri izotopa značajno se razlikuju jedan od drugog po svojstvima.

Usporedba izotopa

Po čemu se izotopi razlikuju? Imaju različit broj neutrona, različite mase i različita svojstva. Izotopi imaju istu strukturu elektronske ljuske. To znači da su prilično slični po kemijskim svojstvima. Stoga im je dodijeljeno jedno mjesto u periodnom sustavu.
U prirodi su pronađeni stabilni i radioaktivni (nestabilni) izotopi. Jezgre atoma radioaktivnih izotopa mogu se spontano transformirati u druge jezgre. U procesu radioaktivnog raspada emitiraju različite čestice.
Većina elemenata ima preko dvadesetak radioaktivnih izotopa. Osim toga, radioaktivni izotopi se umjetno sintetiziraju za apsolutno sve elemente. U prirodnoj mješavini izotopa njihov sadržaj lagano varira.
Postojanje izotopa omogućilo je razumijevanje zašto, u nekim slučajevima, elementi s nižom atomskom masom imaju veći serijski broj od elemenata s većom atomskom masom. Na primjer, u paru argon-kalij, argon uključuje teške izotope, a kalij uključuje lagane izotope. Stoga je masa argona veća od mase kalija.

ImGist je utvrdio da je razlika između izotopa sljedeća:

Oni posjeduju različit broj neutroni.
Izotopi imaju različita masa atoma.
Vrijednost mase atoma iona utječe na njihovu ukupnu energiju i svojstva.

Sadržaj članka

IZTOPI Sorte istog kemijskog elementa koje su slične po svojoj fizička i kemijska svojstva ali s različitim atomskim masama. Naziv "izotopi" predložio je 1912. engleski radiokemičar Frederick Soddy koji ga je formirao od dva grčke riječi: isos - isto i topos - mjesto. Izotopi zauzimaju isto mjesto u stanici periodični sustav elementi Mendeljejeva.

Atom bilo kojeg kemijskog elementa sastoji se od pozitivno nabijene jezgre i oblaka negativno nabijenih elektrona koji ga okružuju. Položaj kemijskog elementa u periodičnom sustavu Mendeljejeva (njegov serijski broj) određen je nabojem jezgre njegovih atoma. izotopi nazivaju se dakle sorte istog kemijskog elementa čiji atomi imaju isti nuklearni naboj (i, prema tome, gotovo iste elektronske ljuske), ali se razlikuju u vrijednostima mase jezgre. Prema figurativnom izrazu F. Soddyja, atomi izotopa isti su "izvana", ali različiti "iznutra".

Neutron je otkriven 1932. godine – čestica koja nema naboj, s masom bliskom masi jezgre atoma vodika - protona , i stvorio protonsko-neutronski model jezgre. Kao rezultat u znanosti konačno moderna definicija koncepti izotopa: izotopi su tvari čije se atomske jezgre sastoje od istog broja protona i razlikuju se samo po broju neutrona u jezgri . Svaki izotop obično se označava skupom simbola, gdje je X simbol kemijskog elementa, Z je naboj atomske jezgre (broj protona), A je maseni broj izotopa ( ukupni broj nukleoni - protoni i neutroni u jezgri, A = Z + N). Budući da je naboj jezgre nedvosmisleno povezan sa simbolom kemijskog elementa, često se oznaka A X jednostavno koristi za kraticu.

Od svih nam poznatih izotopa, samo izotopi vodika imaju svoja imena. Dakle, izotopi 2 H i 3 H nazivaju se deuterij i tricij i označeni su kao D i T (izotop 1 H ponekad se naziva protij).

U prirodi se javljaju kao stabilni izotopi. , i nestabilne - radioaktivne, čije su jezgre atoma podložne spontanoj transformaciji u druge jezgre uz emisiju različitih čestica (ili procesima tzv. radioaktivnog raspada). Sada je poznato oko 270 stabilnih izotopa, a stabilni izotopi se nalaze samo u elementima s atomskim brojem Z £ 83. Broj nestabilnih izotopa prelazi 2000, velika većina njih dobivena je umjetno kao rezultat raznih nuklearne reakcije. Broj radioaktivnih izotopa u mnogim elementima vrlo je velik i može premašiti dva desetaka. Broj stabilnih izotopa je znatno manji. Neki kemijski elementi se sastoje od samo jednog stabilnog izotopa (berilij, fluor, natrij, aluminij, fosfor, mangan, zlato i niz drugih elemenata). Najveći broj stabilnih izotopa - 10 - pronađen je u kositru, u željezu, na primjer, ima ih 4, a u živi - 7.

Otkriće izotopa, povijesna pozadina.

Godine 1808. engleski prirodoslovac John Dalton prvi je uveo definiciju kemijskog elementa kao tvari koja se sastoji od atoma jedne vrste. Godine 1869. kemičar DIMendelejev otkrio je periodični zakon kemijskih elemenata. Jedna od poteškoća u potkrepljivanju pojma elementa kao tvari koja zauzima određeno mjesto u stanici periodnog sustava bile su eksperimentalno promatrane necijelobrojne atomske težine elemenata. Godine 1866. engleski fizičar i kemičar Sir William Crookes iznio je hipotezu da je svaki prirodni kemijski element mješavina tvari koje su identične po svojim svojstvima, ali imaju različite atomske mase, ali u to vrijeme takva pretpostavka još nije postojala. eksperimentalno potvrđeno i stoga malo zapaženo.

Važan korak prema otkriću izotopa bilo je otkriće fenomena radioaktivnosti i hipoteza radioaktivnog raspada koju su formulirali Ernst Rutherford i Frederick Soddy: radioaktivnost nije ništa drugo do raspad atoma na nabijenu česticu i atom drugog elementa. , koji se po svojim kemijskim svojstvima razlikuje od izvornog. Kao rezultat toga, nastao je koncept radioaktivnih serija ili radioaktivnih obitelji. , na čijem se početku nalazi prvi roditeljski element, koji je radioaktivan, a na kraju - posljednji stabilni element. Analiza lanaca transformacija pokazala je da se u svom tijeku u jednoj stanici periodnog sustava mogu pojaviti jedan te isti radioaktivni elementi, koji se razlikuju samo po atomskim masama. Zapravo, to je značilo uvođenje koncepta izotopa.

Nezavisna potvrda postojanja stabilnih izotopa kemijskih elemenata tada je dobivena u eksperimentima J. J. Thomsona i Astona 1912.-1920. sa snopovima pozitivno nabijenih čestica (ili tzv. kanalnih zraka). ) koji izlazi iz cijevi za pražnjenje.

Godine 1919. Aston je dizajnirao instrument nazvan maseni spektrograf. (ili maseni spektrometar) . Cijev za pražnjenje se još uvijek koristila kao izvor iona, ali Aston je pronašao način na koji je uzastopno skretanje snopa čestica u električnom i magnetska polja dovelo do fokusiranja čestica sa istu vrijednost omjer naboja i mase (bez obzira na njihovu brzinu) na istoj točki zaslona. Uz Aston, maseni spektrometar nešto drugačijeg dizajna je istih godina izradio američki Dempster. Kao rezultat naknadne uporabe i poboljšanja masenih spektrometara trudom mnogih istraživača, do 1935. godine sastavljena je gotovo potpuna tablica izotopskog sastava svih kemijskih elemenata poznatih u to vrijeme.

Metode odvajanja izotopa.

Za proučavanje svojstava izotopa, a posebno za njihovo korištenje u znanstvene i primijenjene svrhe, potrebno ih je dobiti u manje ili više zamjetnim količinama. U konvencionalnim masenim spektrometrima postiže se gotovo potpuno odvajanje izotopa, ali je njihov broj zanemariv. Stoga su napori znanstvenika i inženjera bili usmjereni na potragu za drugim moguće metode odvajanje izotopa. Prije svega, savladane su fizikalne i kemijske metode razdvajanja koje se temelje na razlikama u svojstvima izotopa istog elementa kao što su brzine isparavanja, konstante ravnoteže, brzine kemijskih reakcija itd. Najučinkovitije među njima bile su metode rektifikacije i izmjene izotopa, koje se široko koriste u industrijskoj proizvodnji izotopa lakih elemenata: vodika, litija, bora, ugljika, kisika i dušika.

Drugu skupinu metoda čine takozvane molekularno-kinetičke metode: plinovita difuzija, toplinska difuzija, difuzija mase (difuzija u struji pare) i centrifugiranje. Metode difuzije plina temeljene na različitim brzinama difuzije izotopskih komponenti u visoko dispergiranim poroznim medijima korištene su tijekom Drugog svjetskog rata za organiziranje industrijska proizvodnja odvajanje izotopa urana u Sjedinjenim Državama u okviru tzv. Manhattan projekta stvaranja atomska bomba. Primiti potrebne količine urana, obogaćenog do 90% laganim izotopom 235 U, glavnom "zapaljivom" komponentom atomske bombe, izgrađena su postrojenja koja su zauzimala površinu od oko četiri tisuće hektara. Za stvaranje atomskog centra s postrojenjima za proizvodnju obogaćenog urana izdvojeno je više od 2 milijarde dolara. Nakon rata razvijena su postrojenja za proizvodnju obogaćenog urana u vojne svrhe, također temeljena na difuzijskoj metodi separacije i izgrađen u SSSR-u. NA posljednjih godina ova metoda je ustupila mjesto učinkovitijoj i jeftinijoj metodi centrifugiranja. U ovoj se metodi postiže učinak odvajanja smjese izotopa zbog različitog djelovanja centrifugalnih sila na komponente smjese izotopa koja ispunjava rotor centrifuge, a to je cilindar tankih stijenki ograničen odozgo i odozdo, koji rotira s a vrlo velika brzina u vakuumska komora. Stotine tisuća centrifuga povezanih u kaskade, od kojih rotor svake čini više od tisuću okretaja u sekundi, trenutno se koriste u modernim postrojenjima za separaciju kako u Rusiji tako iu drugim razvijenim zemljama svijeta. Centrifuge se koriste za više od dobivanja obogaćenog urana potrebnog za rad nuklearnih reaktora nuklearnih elektrana, ali i za proizvodnju izotopa tridesetak kemijskih elemenata srednjeg dijela periodnog sustava. Za separaciju različitih izotopa koriste se i elektromagnetska separirajuća postrojenja sa snažnim izvorima iona, a posljednjih godina laserske metode odvajanje.

Upotreba izotopa.

Različiti izotopi kemijskih elemenata se široko koriste u znanstveno istraživanje, u raznim područjima industrije i poljoprivrede, u nuklearna elektrana, moderna biologija i medicina, u istraživanjima okoliš i druga područja. U znanstvenim istraživanjima (primjerice, u kemijskoj analizi) u pravilu su potrebne male količine rijetkih izotopa raznih elemenata, izračunate u gramima, pa čak i miligramima godišnje. Istodobno, za niz izotopa koji se široko koriste u nuklearnoj energiji, medicini i drugim industrijama, potreba za njihovom proizvodnjom može biti mnogo kilograma, pa čak i tona. Dakle, u vezi s korištenjem teške vode D 2 O u nuklearnim reaktorima, njegova globalna proizvodnja do početka 1990-ih godina prošlog stoljeća iznosila je oko 5000 tona godišnje. Izotop vodika deuterij, koji je dio teške vode, čija je koncentracija u prirodnoj smjesi vodika samo 0,015%, zajedno s tricijem, u budućnosti će, prema znanstvenicima, postati glavna komponenta goriva energetskih termonuklearnih reaktora koji rade na temelju reakcija nuklearne fuzije. U ovom slučaju, potreba za proizvodnjom izotopa vodika bit će ogromna.

U znanstvenim istraživanjima stabilni i radioaktivni izotopi se široko koriste kao indikatori (oznake) izotopa u proučavanju različitih procesa koji se događaju u prirodi.

NA poljoprivreda izotopi ("obilježeni" atomi) koriste se, na primjer, za proučavanje procesa fotosinteze, probavljivosti gnojiva i za određivanje učinkovitosti korištenja dušika, fosfora, kalija, elemenata u tragovima i drugih tvari od strane biljaka.

Izotopske tehnologije se široko koriste u medicini. Tako se u SAD-u, prema statistikama, dnevno provodi više od 36 tisuća medicinskih zahvata i oko 100 milijuna laboratorijskih pretraga pomoću izotopa. Najčešći zahvati povezani s kompjutoriziranom tomografijom. Izotop ugljika C 13 obogaćen do 99% (prirodni sadržaj oko 1%) aktivno se koristi u tzv. "dijagnostičkoj kontroli disanja". Suština testa je vrlo jednostavna. Obogaćeni izotop unosi se u hranu pacijenta i nakon sudjelovanja u metaboličkom procesu u različitim tjelesnim organima oslobađa se kao ugljični dioksid CO 2 koji pacijent izdahne, a koji se skuplja i analizira spektrometrom. Razlika u brzinama procesa povezanih s oslobađanjem različitih količina ugljičnog dioksida obilježenog izotopom C 13 omogućuje procjenu stanja različitih organa pacijenta. U SAD-u se broj pacijenata koji će se podvrgnuti ovom testu procjenjuje na 5 milijuna ljudi godišnje. Metode laserskog odvajanja sada se koriste za proizvodnju visoko obogaćenog C 13 izotopa u industrijskoj mjeri.

Vladimir Ždanov

Proučavajući fenomen radioaktivnosti, znanstvenici u prvom desetljeću XX. stoljeća. otkrio velik broj radioaktivnih tvari – oko 40. Bilo ih je znatno više nego slobodnih mjesta u periodnom sustavu elemenata u intervalu između bizmuta i urana. Priroda ovih tvari je kontroverzna. Neki su ih istraživači smatrali neovisnim kemijskim elementima, ali se u ovom slučaju pokazalo nerješivim pitanje njihovog smještaja u periodnom sustavu. Drugi su im općenito uskratili pravo da se nazivaju elementima u klasičnom smislu. Godine 1902. engleski fizičar D. Martin nazvao je takve tvari radioelementima. Kako su ih proučavali, pokazalo se da neki radio elementi imaju potpuno isto Kemijska svojstva, ali se razlikuju po veličini atomske mase. Ova je okolnost bila suprotna temeljnim načelima periodični zakon. Engleski znanstvenik F. Soddy razriješio je kontradikciju. On je 1913. godine kemijski slične radioelemente nazvao izotopima (od grčkih riječi koje znače "isto" i "mjesto"), tj. zauzimaju isto mjesto u periodičnom sustavu. Pokazalo se da su radioelementi izotopi prirodnih radioaktivnih elemenata. Svi su spojeni u tri radioaktivne obitelji, čiji su preci izotopi torija i urana.

Izotopi kisika. Izobare kalija i argona (izobare su atomi različitih elemenata s istim masenim brojem).

Broj stabilnih izotopa za parne i neparne elemente.

Ubrzo je postalo jasno da i drugi stabilni kemijski elementi također imaju izotope. Glavna zasluga u njihovom otkriću pripada engleskom fizičaru F. Astonu. Otkrio je stabilne izotope u mnogim elementima.

S moderna točka Izotopi su vrste atoma kemijskog elementa: imaju različite atomske mase, ali isti nuklearni naboj.

Njihove jezgre tako sadrže isti broj protoni, ali različit broj neutroni. Na primjer, prirodni izotopi kisika sa Z = 8 sadrže 8, 9, odnosno 10 neutrona u svojim jezgrama. Zbroj brojeva protona i neutrona u jezgri izotopa naziva se masenim brojem A. Stoga su maseni brojevi navedenih izotopa kisika 16, 17 i 18. Sada je prihvaćena sljedeća oznaka izotopa: Z vrijednost je navedena u donjem lijevom kutu simbola elementa, a vrijednost A u gornjem lijevom kutu. Na primjer: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

Nakon otkrića fenomena umjetne radioaktivnosti, nuklearnim reakcijama za elemente sa Z od 1 do 110 dobiveno je oko 1800 umjetnih radioaktivnih izotopa. Velika većina umjetnih radioizotopa ima vrlo kratko vrijeme poluraspada, mjereno u sekundama i dijelovima sekunde; samo rijetki imaju relativno dulje trajanježivot (na primjer, 10 Be - 2,7 10 6 godina, 26 Al - 8 10 5 godina, itd.).

Stabilni elementi prisutni su u prirodi s približno 280 izotopa. Međutim, pokazalo se da su neki od njih blago radioaktivni, s ogromnim poluraspadom (na primjer, 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Životni vijek ovih izotopa je toliko dug da se mogu smatrati stabilnim.

Još uvijek postoje mnogi problemi u svijetu stabilnih izotopa. Dakle, nije jasno zašto njihov broj u različitim elementima toliko varira. U priroda samo jedna vrsta atoma. To su takozvani pojedinačni elementi. Zanimljivo je da svi oni (osim Be) imaju neparne vrijednosti Z. Općenito, za neparne elemente broj stabilnih izotopa ne prelazi dva. Naprotiv, neki elementi s parnim Z se sastoje od veliki broj izotopa (na primjer, Xe ima 9, Sn - 10 stabilnih izotopa).

Skup stabilnih izotopa danog elementa naziva se galaksija. Njihov sadržaj u galaksiji često jako varira. Zanimljivo je primijetiti da je obilje izotopa s masenim brojevima višestrukim od četiri (12 C, 16 O, 20 Ca itd.) najveće, iako postoje iznimke od ovog pravila.

Otkriće stabilnih izotopa omogućilo je rješavanje dugoročne misterije atomskih masa – njihovog odstupanja od cijelih brojeva, zbog različitih postotaka stabilnih izotopa elemenata u galaksiji.

NA nuklearna fizika poznat je koncept "isobar". Izobare se nazivaju izotopi različitih elemenata (tj različite vrijednosti Z) koji imaju iste masene brojeve. Proučavanje izobara pridonijelo je uspostavljanju mnogih važnih pravilnosti u ponašanju i svojstvima atomskih jezgri. Jedna od tih pravilnosti izražena je pravilom koje su formulirali sovjetski kemičar S. A. Shchukarev i jemenski fizičar I. Mattauch. Kaže: ako se dvije izobare razlikuju u vrijednostima Z za 1, tada će jedna od njih nužno biti radioaktivna. Klasičan primjer para izobara je 40 18 Ar - 40 19 K. U njemu je izotop kalija radioaktivan. Shchukarev-Mattauchovo pravilo omogućilo je objašnjenje zašto elementi tehnecij (Z = 43) i prometij (Z = 61) nemaju stabilne izotope. Budući da imaju neparne Z vrijednosti, za njih se ne može očekivati ​​više od dva stabilna izotopa. No pokazalo se da su izobare tehnecija, odnosno prometija, izotopi molibdena (Z = 42) i rutenija (Z = 44), neodima (Z = 60) i samarija (Z = 62), zastupljeni u prirodi kao stabilne varijante atoma u širokom rasponu masenih brojeva . Dakle, fizikalni zakoni nameću zabranu postojanja stabilnih izotopa tehnecija i prometija. Zato ti elementi zapravo ne postoje u prirodi i morali su se umjetno sintetizirati.

Znanstvenici već dugo pokušavaju razviti periodični sustav izotopa. Naravno, temelji se na drugim principima osim na temelju periodnog sustava elemenata. Ali ti pokušaji još nisu doveli do zadovoljavajućih rezultata. Istina, fizičari su dokazali da slijed punjenja protonskih i neutronskih ljuski u atomske jezgre u principu je slična konstrukciji elektronskih ljuski i podljuska u atomima (vidi Atom).

Elektronske ljuske izotopa određenog elementa građene su na potpuno isti način. Stoga su njihova kemijska i fizikalna svojstva gotovo identična. Samo izotopi vodika (procij i deuterij) i njihovi spojevi pokazuju zamjetne razlike u svojstvima. Na primjer, teška voda (D 2 O) smrzava se na +3,8, vrije na 101,4 ° C, ima gustoću od 1,1059 g / cm 3, ne podržava život životinjskih i biljnih organizama. Tijekom elektrolize vode u vodik i kisik, molekule H 2 0 se pretežno razgrađuju, dok molekule teške vode ostaju u elektrolizeru.

Odvajanje izotopa drugih elemenata iznimno je težak zadatak. Međutim, u mnogim slučajevima potrebni su izotopi pojedinačni elementi uz značajnu promjenu u odnosu na prirodni sadržaj. Primjerice, pri rješavanju problema atomske energije postalo je potrebno odvojiti izotope 235 U i 238 U. U tu svrhu prvo je primijenjena metoda masene spektrometrije uz pomoć koje su dobiveni prvi kilogrami urana-235 1944. u SAD-u. Međutim, pokazalo se da je ova metoda preskupa i zamijenjena je metodom plinovite difuzije koja je koristila UF 6 . Sada postoji nekoliko metoda za odvajanje izotopa, ali sve su prilično složene i skupe. Ipak, problem “odvajanja nerazdvojivog” uspješno se rješava.

Pojavila se nova znanstvena disciplina - kemija izotopa. Proučava ponašanje različitih izotopa kemijskih elemenata u kemijske reakcije i procesi izmjene izotopa. Kao rezultat ovih procesa, izotopi određenog elementa se redistribuiraju između tvari koje reagiraju. Ovdje najjednostavniji primjer: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (molekula vode mijenja atom protija za atom deuterija). Razvija se i geokemija izotopa. Istražuje fluktuacije u izotopskom sastavu različitih elemenata u zemljinoj kori.

Najviše se koriste takozvani obilježeni atomi – umjetni radioaktivni izotopi stabilnih elemenata ili stabilni izotopi. Uz pomoć izotopskih indikatora – označenih atoma – proučavaju načine kretanja elemenata u neživoj i živoj prirodi, prirodu raspodjele tvari i elemenata u raznim objektima. Izotopi se koriste u nuklearnoj tehnologiji: kao materijali za izgradnju nuklearnih reaktora; kao nuklearno gorivo (izotopi torija, urana, plutonija); u termonuklearnoj fuziji (deuterij, 6 Li, 3 He). Radioaktivni izotopi također se široko koriste kao izvori zračenja.