Még az ókori filozófusok is azt javasolták, hogy az anyag atomokból épül fel. Azt a tényt azonban, hogy maguk az univerzum „téglái” a legkisebb részecskékből állnak, a tudósok csak a 19. és 20. század fordulóján kezdték találgatni. Az ezt bizonyító kísérletek a maga idejében igazi forradalmat idéztek elő a tudományban. Ez az arány alkotórészei megkülönbözteti az egyik kémiai elemet a másiktól. Mindegyiknek megvan a maga helye a sorozatszám szerint. De vannak olyan atomok, amelyek ugyanazokat a cellákat foglalják el a táblázatban, a tömeg és a tulajdonságok különbsége ellenére. Hogy miért van ez így, és melyek az izotópok a kémiában, arról később lesz szó.

Az atom és részecskéi

E. Rutherford 1910-ben az anyag szerkezetét alfa-részecskékkel történő bombázáson keresztül kutatva bebizonyította, hogy az atom fő tere ürességgel van tele. És csak a központban van a mag. Negatív elektronok keringenek körülötte, és alkotják a rendszer héját. Így jött létre bolygómodell az anyag „téglája”.

Mik azok az izotópok? Emlékezzen a kémia tantárgyból, hogy az atommagnak is van összetett szerkezet. Pozitív protonokból és töltetlen neutronokból áll. Az előbbiek száma határozza meg a kémiai elem minőségi jellemzőit. A protonok száma különbözteti meg az anyagokat egymástól, és sejtmagjukat bizonyos töltéssel ruházzák fel. És ezen az alapon sorszámot kapnak a periódusos rendszerben. De az ugyanabban a kémiai elemben lévő neutronok száma izotópokká különbözteti meg őket. Definíció a kémiában ezt a koncepciótígy a következők adhatók meg. Ezek olyan atomok, amelyek az atommag összetételében különböznek, azonos töltés- és sorozatszámmal rendelkeznek, de a neutronok számának különbsége miatt eltérő tömegszámmal rendelkeznek.

Jelölés

A 9. évfolyamon kémia és izotópok tanulmányozása során a tanulók megismerik az elfogadott legenda. A Z betű az atommag töltését jelöli. Ez a szám egybeesik a protonok számával, ezért a mutatójuk. Ezeknek az N jellel jelölt neutronos elemeknek az összege A - a tömegszám. Az egyik anyag izotópjainak családját általában az adott kémiai elem ikonja jelzi, amely a periódusos rendszerben a benne lévő protonok számával egybeeső sorszámmal van ellátva. A megadott ikonhoz hozzáadott bal felső index a tömegszámnak felel meg. Például 238 U. Egy elem (jelen esetben a 92-es sorszámmal jelölt urán) töltését az alábbi hasonló index jelzi.

Ezen adatok ismeretében könnyen kiszámítható az adott izotóp neutronjainak száma. Ez egyenlő a tömegszám mínusz a sorozatszámmal: 238 - 92 \u003d 146. A neutronok száma lehetne kevesebb, ettől ez a kémiai elem nem szűnik meg urán lenni. Meg kell jegyezni, hogy leggyakrabban más, egyszerűbb anyagokban a protonok és neutronok száma megközelítőleg azonos. Az ilyen információk segítenek megérteni, mi az izotóp a kémiában.

Nukleonok

A protonok száma az, ami egyéniséget ad egy bizonyos elemnek, és a neutronok száma ezt semmilyen módon nem befolyásolja. De az atomtömeg ebből a két jelzett elemből tevődik össze gyakori név"nukleonok", amelyek az összegüket jelentik. Ez a mutató azonban nem függ az atom negatív töltésű héját alkotóktól. Miért? Csak összehasonlítani érdemes.

Az atomban lévő proton tömeghányada nagy, és körülbelül 1 AU. u m vagy 1,672 621 898 (21) 10 -27 kg. A neutron közel van e részecske paramétereihez (1,674 927 471(21) 10 -27 kg). De az elektron tömege ezerszer kisebb, elhanyagolhatónak tekinthető, és nem veszik figyelembe. Éppen ezért a kémiában egy elem felső indexének ismeretében nem nehéz kideríteni az izotópok magjának összetételét.

A hidrogén izotópjai

Bizonyos elemek izotópjai annyira ismertek és elterjedtek a természetben, hogy saját elnevezést kaptak. Ennek legvilágosabb és legegyszerűbb példája a hidrogén. NÁL NÉL vivo leggyakrabban előforduló fajtájában, a protiumban található. Ennek az elemnek a tömegszáma 1, magja pedig egy protonból áll.

Tehát mik a hidrogénizotópok a kémiában? Mint tudják, ennek az anyagnak az atomjai a periódusos rendszerben az első számmal rendelkeznek, és ennek megfelelően a természetben 1-es töltésszámmal vannak ellátva. De az atommagban lévő neutronok száma eltérő számukra. A deutérium, mivel nehéz hidrogén, a protonon kívül még egy részecske van az atommagban, vagyis a neutron. Ennek eredményeként ez az anyag megmutatja a sajátját fizikai tulajdonságok, ellentétben a protiummal, saját tömeggel, olvadásponttal és forrásponttal rendelkezik.

Trícium

A trícium a legösszetettebb az összes közül. Ez a szupernehéz hidrogén. A kémiában az izotópok meghatározása szerint van díjszám 1, de a tömegszám 3. Gyakran hívják tritonnak, mert egy protonon kívül még két neutronja van az atommagban, vagyis három elemből áll. Ennek az elemnek a nevét, amelyet 1934-ben Rutherford, Oliphant és Harteck fedezett fel, már a felfedezése előtt javasolták.

Ez egy instabil anyag, radioaktív tulajdonságokkal rendelkezik. A magja képes felhasadni egy béta részecske és egy elektron antineutrínó felszabadulásával. Ennek az anyagnak a bomlási energiája nem túl magas, és eléri a 18,59 keV-ot. Ezért az ilyen sugárzás nem túl veszélyes az emberre. A hétköznapi ruha és a sebészeti kesztyű védhet ellene. És ez az étellel kapott radioaktív elem gyorsan kiürül a szervezetből.

Az urán izotópjai

Sokkal veszélyesebb Különféle típusok urán, amelyből a tudomány ma 26-ot ismer, ezért, ha arról beszélünk, hogy milyen izotópok vannak a kémiában, nem lehet megemlíteni ezt az elemet. Az urán különféle típusai ellenére csak három izotóp fordul elő a természetben. Ezek közé tartozik a 234 U, 235 U, 238 U. Közülük az első, amelynek megfelelő tulajdonságok, aktívan használják üzemanyagként atomreaktorokban. És az utóbbi - a plutónium-239 előállításához, amely maga viszont nélkülözhetetlen a legértékesebb üzemanyag.

Mindegyik radioaktív elemre jellemző a sajátja, vagyis az az idő, ameddig az anyag ½ arányban hasad. Vagyis ennek a folyamatnak az eredményeként az anyag tartósított részének mennyisége felére csökken. Ez az időszak az urán számára óriási. Például a 234-es izotópnál 270 évezredre becsülik, a másik két jelzett fajtánál pedig sokkal jelentősebb. A rekord felezési idő az urán-238-é, amely több milliárd évig tart.

Nuklidok

Nem minden típusú atom, amelyet a saját és szigorúan jellemez egy bizonyos szám protonok és elektronok, olyan stabil, hogy legalább egy hosszú időszak elegendő a vizsgálatához. A viszonylag stabilakat nuklidoknak nevezzük. Az ilyen stabil képződmények nem bomlanak le radioaktívan. Az instabilokat radionuklidoknak nevezik, és rövid életűekre és hosszú élettartamúkra is felosztják. Amint az a 11. osztályos kémiaórákból az izotópatomok szerkezetéről ismeretes, az ozmiumban és a platinában van a legtöbb radionuklid. A kobaltnak és az aranynak egy-egy istállója van, és a legnagyobb számban stabil nuklidok ónban.

Az izotóp sorozatszámának kiszámítása

Most próbáljuk meg összefoglalni a korábban leírt információkat. Miután megértette, mi az izotóp a kémiában, ideje kitalálni, hogyan használhatja fel a megszerzett tudást. Fontolja meg konkrét példa. Tegyük fel, hogy ismert, hogy egy bizonyos kémiai elem tömegszáma 181. Ugyanakkor egy adott anyag atomjának héja 73 elektront tartalmaz. Hogyan lehet kideríteni a nevet a periódusos rendszer segítségével? adott elem, valamint az atommagjában lévő protonok és neutronok száma?

Kezdjük a probléma megoldásával. Egy anyag nevét a protonok számának megfelelő sorozatszám ismeretében határozhatja meg. Mivel egy atomban a pozitív és negatív töltések száma egyenlő, ez 73. Tehát ez a tantál. Ráadásul a nukleonok száma összesen 181, ami azt jelenti, hogy ennek az elemnek a protonja 181 - 73 = 108. Egész egyszerűen.

A gallium izotópjai

A gallium elem atomszáma 71. A természetben ennek az anyagnak két izotópja van - 69 Ga és 71 Ga. Hogyan határozható meg a galliumfajták százalékos aránya?

A kémiában az izotópokkal kapcsolatos problémák megoldása szinte mindig a periódusos rendszerből nyerhető információkhoz kapcsolódik. Ezúttal Önnek is ezt kell tennie. Határozzuk meg az átlagos atomtömeget a megadott forrásból. Ez egyenlő 69,72-vel. Ha x-re és y-ra az első és a második izotóp mennyiségi arányát jelöljük, az összegüket 1-gyel egyenlőnek vesszük. Tehát egy egyenlet formájában ezt írjuk fel: x + y = 1. Ebből következik, hogy 69x + 71y = 69,72. Ha y-t x-szel fejezzük ki, és az első egyenletet behelyettesítjük a másodikba, azt kapjuk, hogy x = 0,64 és y = 0,36. Ez azt jelenti, hogy a 69 Ga-t a természet 64%-ban tartalmazza, a 71 Ga-t pedig 34%.

Izotóp transzformációk

Az izotópok radioaktív hasadása más elemekké való átalakulásával három fő típusra osztható. Ezek közül az első az alfa-bomlás. Egy részecske kibocsátásával fordul elő, amely egy héliumatom magja. Vagyis ez a képződmény, amely neutron- és protonpárokból áll. Mivel az utóbbiak száma határozza meg egy anyag töltésszámát és atomszámát a periódusos rendszerben, e folyamat eredményeként az egyik elem minőségi átalakulása megy végbe, és a táblázatban balra tolódik el. két sejt által. Ebben az esetben az elem tömegszáma 4 egységgel csökken. Ezt az izotópok atomjainak szerkezetéből tudjuk.

Amikor az atommag elveszít egy béta-részecskét, amely lényegében egy elektron, az összetétele megváltozik. Az egyik neutron protonná alakul. Ez azt jelenti, hogy az anyag minőségi jellemzői ismét megváltoznak, és az elem gyakorlatilag tömegveszteség nélkül egy cellával jobbra mozog a táblázatban. Jellemzően egy ilyen transzformáció elektromágneses gamma-sugárzással jár.

Rádium izotóp átalakítás

A fenti információk és ismeretek a 11. osztályos kémiából az izotópokról ismét gyakorlati problémák megoldását segítik. Például a következő: 226 Ra a bomlás során a IV. csoportba tartozó kémiai elemmé alakul, amelynek tömegszáma 206. Hány alfa és béta részecskét veszít ebben az esetben?

A leányelem tömegének és csoportjának változásait figyelembe véve a periódusos rendszer segítségével könnyen megállapítható, hogy a hasadás során keletkező izotóp ólom lesz, töltése 82, tömegszáma 206. A töltésszám ismeretében Ebből az elemből és az eredeti rádiumból fel kell tételezni, hogy magja öt alfa-részecskét és négy béta-részecskét veszített.

Radioaktív izotópok használata

Mindenki tisztában van azzal, hogy a radioaktív sugárzás milyen károkat okozhat az élő szervezetekben. A radioaktív izotópok tulajdonságai azonban hasznosak az ember számára. Számos iparágban sikeresen használják őket. Segítségükkel észlelhető a szivárgás a műszaki és épületszerkezetekben, a földalatti vezetékekben és az olajvezetékekben, tartályok, hőcserélők erőművekben.

Ezeket a tulajdonságokat tudományos kísérletekben is aktívan használják. Például a cetse légy számos súlyos betegség hordozója az emberek, az állatok és a háziállatok számára. Ennek megelőzése érdekében e rovarok hímjeit gyenge radioaktív sugárzással sterilizálják. Az izotópok nélkülözhetetlenek egyes kémiai reakciók mechanizmusának vizsgálatában is, mivel ezen elemek atomjai vizet és más anyagokat jelölhetnek.

A biológiai kutatásokban gyakran használnak jelölt izotópokat is. Például így állapították meg, hogy a foszfor milyen hatással van a talajra, a növekedésre és a fejlődésre termesztett növények. Sikerrel az izotópok tulajdonságait a gyógyászatban is alkalmazzák, ami lehetővé tette a kezelést rákos daganatok Egyéb súlyos betegség, meghatározza a biológiai élőlények korát.

A radioaktív elemek tulajdonságainak tanulmányozása során kiderült, hogy ugyanabban a kémiai elemben különböző magtömegű atomok találhatók. Ugyanakkor azonos nukleáris töltéssel rendelkeznek, vagyis ezek nem harmadik féltől származó anyagok szennyeződései, hanem ugyanaz az anyag.

Mik azok az izotópok és miért léteznek

Mengyelejev periódusos rendszerében egy sejtet egy adott elem és egy eltérő tömegű anyag atomjai is elfoglalnak. A fentiek alapján ugyanannak az anyagnak az ilyen fajtái az "izotópok" nevet kapták (a görög isos - ugyanaz és a topos - hely szóból). Így, izotópok- ezek egy adott kémiai elem fajtái, amelyek az atommagok tömegében különböznek egymástól.

Az elfogadott neutron szerint a mag roton modellje Az izotópok létezését a következőképpen lehetett magyarázni: egy anyag egyes atomjainak magjai eltérő számú neutront, de ugyanannyi protont tartalmaznak. Valójában az egyik elem izotópjainak nukleáris töltése azonos, ezért az atommagban lévő protonok száma azonos. Az atommagok tömege eltérő, eltérő számú neutront tartalmaznak.

Stabil és instabil izotópok

Az izotópok vagy stabilak, vagy instabilok. Eddig körülbelül 270 stabil izotóp és több mint 2000 instabil izotóp ismeretes. stabil izotópok fajták kémiai elemek amelyek hosszú ideig önmagukban is létezhetnek.

A legtöbb instabil izotópok mesterségesen szerezték be. Az instabil izotópok radioaktívak, magjaik radioaktív bomlási folyamatnak vannak kitéve, vagyis spontán átalakulnak más atommagokká, amelyet részecskék és / vagy sugárzás kísér. Szinte minden radioaktív mesterséges izotóp felezési ideje nagyon rövid, másodpercekben, sőt a másodperc töredékeiben is mérhető.

Hány izotópot tartalmazhat egy atommag

Az atommag nem tartalmazhat tetszőleges számú neutront. Ennek megfelelően az izotópok száma korlátozott. Még a protonok számában is elemek, a stabil izotópok száma elérheti a tízet. Például az ónnak 10 izotópja van, a xenonnak 9, a higanynak 7 és így tovább.

Azok az elemek a protonok száma páratlan, csak két stabil izotópja lehet. Egyes elemeknek csak egy stabil izotópja van. Ezek olyan anyagok, mint az arany, alumínium, foszfor, nátrium, mangán és mások. A különböző elemek stabil izotópjainak számának ilyen eltérései a protonok és neutronok számának az atommag kötési energiájától való összetett függésével járnak.

A természetben szinte minden anyag izotópok keverékeként létezik. Egy anyag összetételében az izotópok száma függ az anyag típusától, az atomtömegtől és az adott kémiai elem stabil izotópjainak számától.

Megállapítást nyert, hogy a természetben található minden kémiai elem izotópok keveréke (tehát töredékes atomtömegük van). Ahhoz, hogy megértsük, hogyan különböznek egymástól az izotópok, részletesen meg kell vizsgálni az atom szerkezetét. Az atom atommagot és elektronfelhőt alkot. Az atom tömegét az elektronfelhőben pályán elképesztő sebességgel mozgó elektronok, az atommagot alkotó neutronok és protonok befolyásolják.

Mik azok az izotópok

izotópok Egy kémiai elem atomjának típusa. Bármely atomban mindig egyenlő számú elektron és proton van. Mivel ellentétes töltésük van (az elektronok negatívak, a protonok pedig pozitívak), az atom mindig semleges (ez elemi részecske nem hordoz töltést, egyenlő nullával). Amikor egy elektron elveszik vagy befogják, az atom elveszti semlegességét, és negatív vagy pozitív ionná válik.
A neutronoknak nincs töltésük, de számuk ugyanazon elem atommagjában eltérő lehet. Ez nem befolyásolja az atom semlegességét, de hatással van a tömegére és tulajdonságaira. Például a hidrogénatom minden izotópjában egy-egy elektron és egy proton van. A neutronok száma pedig más. A protiumnak csak 1 neutronja van, a deutériumnak 2, a tríciumnak pedig 3 neutronja van. Ez a három izotóp tulajdonságaiban markánsan különbözik egymástól.

Izotópok összehasonlítása

Miben különböznek az izotópok? Különböző neutronszámuk, tömegük és tulajdonságaik eltérőek. Az izotópok szerkezete azonos elektronhéjak. Ez azt jelenti, hogy kémiai tulajdonságaikban meglehetősen hasonlóak. Ezért a periódusos rendszerben egy helyet kapnak.
Stabil és radioaktív (instabil) izotópokat találtak a természetben. A radioaktív izotópok atommagjai képesek spontán átalakulni más atommagokká. A radioaktív bomlás során különféle részecskéket bocsátanak ki.
A legtöbb elemnek több mint két tucat radioaktív izotópja van. Ezenkívül a radioaktív izotópokat mesterségesen szintetizálják abszolút minden elemhez. Az izotópok természetes keverékében tartalmuk enyhén ingadozik.
Az izotópok megléte lehetővé tette annak megértését, hogy bizonyos esetekben miért nagyobb a kisebb atomtömegű elemek sorozatszáma, mint a nagyobb atomtömegűeké. Például egy argon-kálium párban az argon nehéz izotópokat, a kálium pedig könnyű izotópokat tartalmaz. Ezért az argon tömege nagyobb, mint a káliumé.

Az ImGist megállapította, hogy az izotópok közötti különbség a következő:

rendelkeznek eltérő szám neutronok.
Az izotópoknak van különböző tömegű atomok.
Az ionok atomjainak tömegének értéke befolyásolja azok összenergiáját és tulajdonságait.

A cikk tartalma

ISOTOPS Ugyanazon kémiai elem fajtái, amelyek hasonlóak fizikai és kémiai tulajdonságok de különböző atomtömegekkel. Az "izotópok" elnevezést 1912-ben Frederick Soddy angol radiokémikus javasolta, aki két elemből alkotta meg. görög szavak: isos - ugyanaz és toposz - hely. Az izotópok ugyanazt a helyet foglalják el a sejtben periodikus rendszer Mengyelejev elemei.

Bármely kémiai elem atomja egy pozitív töltésű magból és az azt körülvevő negatív töltésű elektronok felhőjéből áll. Egy kémiai elem helyzetét Mengyelejev periodikus rendszerében (sorszáma) az atommag töltése határozza meg. izotópok ezért hívják ugyanazon kémiai elem fajtái, amelyek atomjai azonos nukleáris töltéssel rendelkeznek (és ezért majdnem ugyanazok az elektronhéjak), de különböznek az atommag tömegének értékében. F. Soddy figuratív kifejezése szerint az izotópok atomjai „kívül” ugyanazok, de „belül” különböznek.

A neutront 1932-ben fedezték fel – töltés nélküli részecske, amelynek tömege közel van a hidrogénatom atommagjának tömegéhez - proton , és létrehozta az atommag proton-neutron modellje. Ennek eredményeként a tudományban a döntő modern meghatározás izotópok: az izotópok olyan anyagok, amelyek atommagja azonos számú protonból áll, és csak a neutronok számában különböznek az atommagban . Az egyes izotópokat általában egy szimbólumkészlet jelöli, ahol X egy kémiai elem szimbóluma, Z az atommag töltése (a protonok száma), A az izotóp tömegszáma ( teljes szám nukleonok - protonok és neutronok az atommagban, A = Z + N). Mivel az atommag töltése egyértelműen a kémiai elem szimbólumához kapcsolódik, gyakran az A X jelölést egyszerűen a rövidítésre használják.

Az összes általunk ismert izotóp közül csak a hidrogén izotópjainak van saját neve. Így a 2H és 3H izotópokat deutériumnak és tríciumnak nevezik, és D-nek, illetve T-nek nevezik (az 1H izotópot néha protiumnak is nevezik).

A természetben stabil izotópként fordulnak elő. , és instabil - radioaktív, amelyek atommagjai különböző részecskék kibocsátásával (vagy az úgynevezett radioaktív bomlási folyamatok) spontán átalakulásnak vannak kitéve más atommagokká. Jelenleg mintegy 270 stabil izotóp ismeretes, és stabil izotópok csak a Z Ј 83 rendszámú elemekben találhatók meg. Az instabil izotópok száma meghaladja a 2000-et, túlnyomó többségüket mesterségesen nyerték különféle kísérletek eredményeként. nukleáris reakciók. A radioaktív izotópok száma sok elemben nagyon nagy, és meghaladhatja a két tucatnyit. A stabil izotópok száma jóval kevesebb, egyes kémiai elemek csak egy stabil izotópból állnak (berillium, fluor, nátrium, alumínium, foszfor, mangán, arany és számos egyéb elem). A legtöbb stabil izotóp - 10 - az ónban található, a vasban például 4, a higanyban pedig 7 található.

Izotópok felfedezése, történelmi háttér.

1808-ban John Dalton angol természettudós először vezette be a kémiai elem meghatározását, mint egyfajta atomokból álló anyagot. 1869-ben DIMengyelejev vegyész felfedezte a kémiai elemek periodikus törvényét. Az elem mint a periódusos rendszer cellájában meghatározott helyet elfoglaló szubsztancia fogalmának alátámasztásának egyik nehézsége az elemek kísérletileg megfigyelt nem egész számú atomtömege volt. 1866-ban Sir William Crookes angol fizikus és kémikus azt a hipotézist terjesztette elő, hogy minden természetes kémiai elem olyan anyagok keveréke, amelyek tulajdonságaiban azonosak, de eltérő atomtömegűek, de akkoriban még nem volt ilyen feltételezés. kísérletileg megerősítették, ezért alig láthatók.

Az izotópok felfedezése felé fontos lépés volt a radioaktivitás jelenségének felfedezése és a radioaktív bomlás Ernst Rutherford és Frederick Soddy által megfogalmazott hipotézise: a radioaktivitás nem más, mint egy atom bomlása töltött részecskévé és egy másik elem atomjává. , amely kémiai tulajdonságaiban eltér az eredetitől. Ennek eredményeként felmerült a radioaktív sorozatok vagy radioaktív családok fogalma. , amelynek elején van az első szülőelem, amely radioaktív, és a végén - az utolsó stabil elem. Az átalakulások láncolatainak elemzése kimutatta, hogy a periódusos rendszer egy cellájában egy és ugyanazon, csak atomtömegben eltérő radioaktív elemek jelenhetnek meg. Valójában ez az izotóp fogalmának bevezetését jelentette.

A kémiai elemek stabil izotópjainak létezésére vonatkozó független megerősítést kaptak J. J. Thomson és Aston 1912-1920-ban végzett kísérletei pozitív töltésű részecskék (vagy úgynevezett csatornasugarak) nyalábjaival. ) kilép a kisülőcsőből.

1919-ben az Aston megtervezett egy tömegspektrográf nevű műszert. (vagy tömeg-spektrométer) . A kisülési csövet továbbra is ionforrásként használták, de az Aston megtalálta a módját, hogy a részecskenyaláb egymást követő eltérítése az elektromos ill. mágneses mezők a részecskék fókuszálásához vezetett ugyanaz az érték töltés/tömeg arány (függetlenül a sebességüktől) a képernyő ugyanazon a pontján. Az Aston mellett egy kicsit más kialakítású tömegspektrométert is megalkotott ugyanezekben az években az amerikai Dempster. A tömegspektrométerek későbbi használata és sok kutató erőfeszítésével történő továbbfejlesztése eredményeként 1935-re elkészült az összes addig ismert kémiai elem izotópösszetételének szinte teljes táblázata.

Izotóp elválasztási módszerek.

Az izotópok tulajdonságainak tanulmányozásához, és különösen tudományos és alkalmazott célokra történő felhasználásához többé-kevésbé észrevehető mennyiségben kell beszerezni őket. A hagyományos tömegspektrométerekben az izotópok szinte teljes szétválását érik el, számuk azonban elenyésző. Ezért a tudósok és mérnökök erőfeszítései más keresésére irányultak lehetséges módszerek izotóp szétválasztás. Mindenekelőtt fizikai és kémiai elválasztási módszereket sajátítottak el, amelyek ugyanazon elem izotópjainak olyan tulajdonságaiban mutatkozó különbségeken alapulnak, mint a párolgási sebesség, az egyensúlyi állandók, a kémiai reakciók sebessége stb. Ezek közül a leghatékonyabbak a rektifikáció és az izotópcsere módszerek voltak, amelyeket széles körben alkalmaznak könnyű elemek izotópjainak ipari előállításában: hidrogén, lítium, bór, szén, oxigén és nitrogén.

A módszerek másik csoportját az úgynevezett molekuláris-kinetikai módszerek alkotják: gázdiffúzió, termikus diffúzió, tömegdiffúzió (diffúzió gőzáramban) és centrifugálás. Az izotópkomponensek nagymértékben diszpergált porózus közegekben történő diffúziós sebességén alapuló gázdiffúziós módszereket alkalmaztak a második világháborúban a szervezéshez. ipari termelés az uránizotópok szétválasztása az Egyesült Államokban az úgynevezett Manhattan projekt keretében atombomba. Kapni szükséges mennyiségeket a 235 U könnyű izotóppal - az atombomba fő "éghető" komponensével - akár 90%-ig dúsított uránból mintegy négyezer hektáros területen építettek üzemeket. Több mint 2 milliárd dollárt különítettek el egy dúsított uránt előállító üzemekkel rendelkező atomközpont létrehozására, a háború után a dúsított uránt katonai célú, szintén diffúziós elválasztási módszeren alapuló üzemeket fejlesztettek ki, ill. a Szovjetunióban épült. NÁL NÉL utóbbi évek ez a módszer átadta helyét egy hatékonyabb és olcsóbb centrifugálási módszernek. Ennél a módszernél az izotópkeverék elválasztásának hatását a centrifugális erők eltérő hatása révén érik el a centrifuga rotort kitöltő izotópkeverék összetevőire, amely egy felülről és alulról korlátozott, vékony falú henger. egy nagyon Magassebesség ban ben vákuumkamra. Jelenleg több százezer kaszkádba kapcsolt centrifugát használnak, amelyek mindegyike több mint ezer fordulatot tesz másodpercenként, mind Oroszországban, mind a világ más fejlett országaiban a modern elválasztó üzemekben. A centrifugákat nem csak a működéshez szükséges dúsított urán előállítására használják atomreaktorok atomerőművek, hanem a periódusos rendszer középső részének mintegy harminc kémiai elemének izotópjainak előállítására is. Különféle izotópok elválasztására erős ionforrásokkal rendelkező elektromágneses elválasztó berendezéseket is alkalmaznak, az elmúlt években lézeres módszerek elválasztás.

Izotópok használata.

A kémiai elemek különféle izotópjait széles körben használják tudományos kutatás, az ipar és a mezőgazdaság különböző területein, in atomenergia, modern biológia és orvostudomány, a kutatásban környezetés más területeken. A tudományos kutatásban (például a kémiai elemzésben) általában kis mennyiségű ritka izotópra van szükség különféle elemekből, grammban, sőt milligrammban évente. Ugyanakkor számos, az atomenergiában, az orvostudományban és más iparágakban széles körben használt izotópok előállítására több kilogramm, sőt tonna is lehet. Így a D 2 O nehézvíz nukleáris reaktorokban történő felhasználásával összefüggésben a múlt század 1990-es évek elejére globális termelése mintegy évi 5000 tonna volt. A nehézvíz részét képező deutérium hidrogénizotóp, amelynek koncentrációja a hidrogén természetes elegyében mindössze 0,015%, a tríciummal együtt a jövőben a tudósok szerint a működő erőművi termonukleáris reaktorok fő tüzelőanyaga lesz. magfúziós reakciók alapján. Ebben az esetben óriási szükség lesz a hidrogénizotópok előállítására.

A tudományos kutatásban a stabil és radioaktív izotópokat széles körben alkalmazzák izotóp indikátorként (címkéként) a természetben előforduló különféle folyamatok tanulmányozása során.

NÁL NÉL mezőgazdaság az izotópokat ("jelölt" atomokat) például a fotoszintézis folyamatainak, a műtrágyák emészthetőségének tanulmányozására, valamint a nitrogén, foszfor, kálium, nyomelemek és egyéb anyagok növényi felhasználásának hatékonyságának meghatározására használják.

Az izotóptechnológiákat széles körben alkalmazzák az orvostudományban. Tehát az Egyesült Államokban a statisztikák szerint naponta több mint 36 ezer orvosi eljárást és körülbelül 100 millió laboratóriumi vizsgálatot végeznek izotópok segítségével. A számítógépes tomográfiával kapcsolatos leggyakoribb eljárások. Az akár 99%-ig dúsított C 13 szénizotópot (természetes tartalom kb. 1%) aktívan használják az úgynevezett "légzés diagnosztikai szabályozásában". A teszt lényege nagyon egyszerű. A dúsított izotóp bekerül a beteg táplálékába, majd a szervezet különböző szerveiben zajló anyagcsere folyamatokban való részvétel után a páciens által kilélegzett szén-dioxid CO 2 formájában szabadul fel, amelyet spektrométerrel gyűjtenek össze és elemeznek. A C 13 izotóppal jelölt különböző mennyiségű szén-dioxid felszabadulásával kapcsolatos folyamatok sebességének különbsége lehetővé teszi a páciens különböző szerveinek állapotának megítélését. Az Egyesült Államokban évente 5 millióra becsülik azoknak a betegeknek a számát, akiknek alávetik ezt a tesztet. Manapság lézeres elválasztási módszereket alkalmaznak a nagymértékben dúsított C 13 izotóp ipari méretekben történő előállítására.

Vlagyimir Zsdanov

A radioaktivitás jelenségét tanulmányozó tudósok a XX. század első évtizedében. nagyszámú radioaktív anyagot fedeztek fel - körülbelül 40-et. A bizmut és az urán közötti intervallumban lényegesen több volt belőlük, mint szabad hely az elemek periódusos rendszerében. Ezen anyagok természete ellentmondásos volt. Egyes kutatók önálló kémiai elemeknek tekintették őket, de ebben az esetben a periódusos rendszerben való elhelyezésük kérdése megoldhatatlannak bizonyult. Mások általában megtagadták tőlük azt a jogot, hogy a klasszikus értelemben vett elemeknek nevezzék őket. 1902-ben D. Martin angol fizikus az ilyen anyagokat radioelemeknek nevezte. Tanulmányozásuk során kiderült, hogy egyes rádióelemek pontosan ugyanazokkal rendelkeznek Kémiai tulajdonságok, de nagyságrendben különböznek atomtömegek. Ez a körülmény ellentétes volt az alapelvekkel időszakos törvény. F. Soddy angol tudós feloldotta az ellentmondást. 1913-ban a kémiailag hasonló radioelemeket izotópoknak nevezte (az "ugyanaz" és a "hely" jelentésű görög szavakból), vagyis a periódusos rendszerben ugyanazt a helyet foglalják el. Kiderült, hogy a radioelemek a természetes radioaktív elemek izotópjai. Mindegyiket három radioaktív családba egyesítik, amelyek ősei a tórium és az urán izotópjai.

Az oxigén izotópjai. Kálium és argon izobárjai (az izobárok különböző elemek azonos tömegszámú atomjai).

A páros és páratlan elemek stabil izotópjainak száma.

Hamar kiderült, hogy más stabil kémiai elemeknek is vannak izotópjai. Felfedezésük fő érdeme F. Aston angol fizikusé. Számos elemben fedezett fel stabil izotópokat.

Val vel modern pont Az izotópok egy kémiai elem atomjainak változatai: eltérő atomtömegűek, de ugyanaz a nukleáris töltés.

Magjuk tehát tartalmaz ugyanaz a szám protonok, de eltérő szám neutronok. Például a Z = 8 természetes oxigénizotópok magjában 8, 9, illetve 10 neutron található. Az izotóp atommagjában lévő protonok és neutronok számának összegét A tömegszámnak nevezzük. Ezért a feltüntetett oxigénizotópok tömegszáma 16, 17 és 18. Az izotópok következő megnevezése elfogadott: a Z értéke az elemszimbólum bal alsó sarkában, az A érték a bal felső sarokban van megadva. Például: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

A mesterséges radioaktivitás jelenségének felfedezése után mintegy 1800 mesterséges radioaktív izotópot állítottak elő nukleáris reakciók segítségével az 1-től 110-ig terjedő Z-értékű elemekre. A mesterséges radioaktív izotópok túlnyomó többségének felezési ideje nagyon rövid, másodpercekben és másodpercek törtrészeiben mérve; csak néhánynak van viszonylag hosszabb időtartamúélettartam (például 10 Be - 2,7 10 6 év, 26 Al - 8 10 5 év stb.).

A stabil elemek körülbelül 280 izotóppal vannak jelen a természetben. Néhányuk azonban enyhén radioaktívnak bizonyult, hatalmas felezési idővel (például 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Ezeknek az izotópoknak az élettartama olyan hosszú, hogy stabilnak tekinthetők.

Még mindig sok probléma van a stabil izotópok világában. Tehát nem világos, hogy miért változik ennyire számuk a különböző elemekben. A stabil elemek (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) körülbelül 25%-a van jelen a természet csak egyfajta atom. Ezek az úgynevezett egyedi elemek. Érdekes módon mindegyik (a Be kivételével) páratlan Z értékkel rendelkezik.Általában páratlan elemeknél a stabil izotópok száma nem haladja meg a kettőt. Éppen ellenkezőleg, néhány páros Z-vel rendelkező elem a következőkből áll egy nagy szám izotópok (például a Xe-nek 9, az Sn-nek 10 stabil izotópja van).

Egy adott elem stabil izotópjainak halmazát galaxisnak nevezzük. Tartalmuk a galaxisban gyakran erősen ingadozik. Érdekes megjegyezni, hogy a négy többszöröse (12 C, 16 O, 20 Ca stb.) tömegszámú izotópok abundanciája a legmagasabb, bár vannak kivételek e szabály alól.

A stabil izotópok felfedezése lehetővé tette az atomtömegek hosszú távú rejtélyének megfejtését - az egész számoktól való eltérést, ami a galaxisban lévő elemek stabil izotópjainak eltérő százalékos aránya miatt lehetséges.

NÁL NÉL magfizika az "isobar" fogalma ismert. Az izobárokat különféle elemek izotópjainak nevezik (pl különböző értékeket Z) azonos tömegszámokkal. Az izobárok vizsgálata számos fontos szabályszerűség megállapításához járult hozzá az atommagok viselkedésében és tulajdonságaiban. E törvényszerűségek egyikét fejezi ki az a szabály, amelyet S. A. Shchukarev szovjet kémikus és I. Mattauch jemeni fizikus fogalmazott meg. Azt mondja: ha a két izobár Z-értéke 1-gyel különbözik, akkor az egyik szükségszerűen radioaktív lesz. Egy izobárpár klasszikus példája a 40 18 Ar - 40 19 K. Ebben a kálium izotóp radioaktív. A Shchukarev-Mattauch szabály lehetővé tette annak magyarázatát, hogy a technécium (Z = 43) és a prométium (Z = 61) elemnek miért nincs stabil izotópja. Mivel páratlan Z értékük van, kettőnél több stabil izotóp nem várható náluk. De kiderült, hogy a technécium és a prométium izobárjait, a molibdén (Z = 42) és a ruténium (Z = 44), a neodímium (Z = 60) és a szamárium (Z = 62) izotópjait a természetben képviseli. az atomok stabil változatai széles tömegszámtartományban. Így a fizikai törvények tiltják a technécium és a prométium stabil izotópjainak létezését. Ezért ezek az elemek valójában nem léteznek a természetben, és mesterségesen kellett őket szintetizálni.

A tudósok régóta próbálják kifejleszteni az izotópok periodikus rendszerét. Természetesen más elvekre épül, mint a periodikus elemrendszer alapján. De ezek a próbálkozások még nem vezettek kielégítő eredményre. Igaz, a fizikusok bebizonyították, hogy a proton és a neutron feltöltésének sorrendje beépül atommagok elvileg hasonló az elektronhéjak és részhéjak atomokban való felépítéséhez (lásd Atom).

Egy adott elem izotópjainak elektronhéjai pontosan ugyanígy épülnek fel. Ezért kémiai és fizikai tulajdonságaik szinte azonosak. Csak a hidrogén izotópjai (protium és deutérium) és vegyületeik mutatnak észrevehető tulajdonságbeli különbségeket. Például a nehézvíz (D 2 O) +3,8-on lefagy, 101,4 °C-on forr, sűrűsége 1,1059 g / cm 3, nem támogatja az állati és növényi szervezetek életét. A víz hidrogénné és oxigénné történő elektrolízise során a H 2 0 molekulák túlnyomórészt lebomlanak, míg a nehézvízmolekulák az elektrolizátorban maradnak.

Más elemek izotópjainak szétválasztása rendkívül nehéz feladat. Sok esetben azonban izotópokra van szükség egyedi elemek a természetes tartalomhoz képest jelentős változással. Például az atomenergia probléma megoldása során szükségessé vált a 235 U és 238 U izotópok szétválasztása. Erre a célra először a tömegspektrometriás módszert alkalmazták, amelynek segítségével az első kilogramm urán-235-öt kapták. 1944-ben az USA-ban. Ez a módszer azonban túl költségesnek bizonyult, és felváltotta a gázdiffúziós módszer, amely UF 6 -ot használt. Jelenleg számos módszer létezik az izotópok szétválasztására, de mindegyik meglehetősen bonyolult és költséges. Ennek ellenére az „elválaszthatatlanok szétválasztásának” problémája sikeresen megoldódik.

Megjelent egy új tudományos tudományág - az izotópok kémiája. A kémiai elemek különböző izotópjainak viselkedését vizsgálja kémiai reakciókés izotópcsere folyamatok. Ezen folyamatok eredményeként egy adott elem izotópjai újra eloszlanak a reagáló anyagok között. Itt a legegyszerűbb példa: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (a vízmolekula protium atomot cserél deutérium atomra). Az izotópok geokémiája is fejlődik. A földkéreg különböző elemeinek izotópösszetételének ingadozásait vizsgálja.

Az úgynevezett jelölt atomok, a stabil elemek mesterséges radioaktív izotópjai vagy a stabil izotópok a legszélesebb körben alkalmazhatók. Izotóp indikátorok - jelölt atomok - segítségével tanulmányozzák az elemek mozgásának módjait az élettelen és élő természetben, az anyagok és elemek eloszlásának jellegét a különböző tárgyakban. Az izotópokat a nukleáris technológiában használják: anyagként atomreaktorok építéséhez; nukleáris üzemanyagként (tórium, urán, plutónium izotópja); termonukleáris fúzióban (deutérium, 6 Li, 3 He). A radioaktív izotópokat sugárforrásként is széles körben használják.