Az izotópok ugyanazt a számot tartalmazzák. Izotópok alkalmazásai

izotópok

ISOTOPS-ov; pl.(szinguláris izotóp, -a; m.). [görögből. isos - egyenlő és toposz - hely] Szakember. Ugyanennek a fajtái kémiai elem, amelyek az atomok tömegében különböznek egymástól. radioaktív izotópok. Az urán izotópjai.

◁ Izotóp, th, th. I. mutató.

izotópok

Kutatástörténet
Az első kísérleti adatok az izotópok létezéséről 1906-10-ben születtek. nehéz elemek atomjai radioaktív átalakulásának tulajdonságainak vizsgálatában. 1906-07-ben. megállapították, hogy az urán - ionium radioaktív bomlásterméke és a tórium - radiotórium radioaktív bomlásterméke ugyanazokkal a kémiai tulajdonságokkal rendelkezik, mint a tórium, de eltér az utóbbitól atomtömegés a radioaktív bomlás jellemzői. Sőt: mindhárom elemnek ugyanaz az optikai és röntgenspektruma. F. Soddy angol tudós javaslatára (cm. SODDI Frederick), az ilyen anyagok izotópok néven váltak ismertté.
Miután a nehéz radioaktív elemekben izotópokat fedeztek fel, megkezdődött a stabil elemek izotópjainak keresése. A kémiai elemek stabil izotópjainak létezését független igazolást nyert J. J. Thomson kísérletei (cm. Thomson Joseph John)és F. Aston (cm. ASTON Francis William). Thomson 1913-ban fedezte fel stabil izotópok a neonnál. Aston, aki egy általa tervezett műszerrel, úgynevezett tömegspektrográfnak (vagy tömegspektrométernek) végzett kutatást a tömegspektrometria módszerével. (cm. TÖMEGSPEKTROMETRIA), bebizonyította, hogy sok más stabil kémiai elemnek is van izotópja. 1919-ben bizonyítékot szerzett két izotóp, a 20 Ne és a 22 Ne létezésére, amelyek relatív abundanciája (abundanciája) a természetben megközelítőleg 91% és 9%. Ezt követően felfedezték a 21 Ne izotópot 0,26%-os gyakorisággal, a klór, a higany és számos más elem izotópját.
Ugyanebben az években A. J. Dempster készített egy kissé eltérő kialakítású tömegspektrométert (cm. Dempster Arthur Jeffrey). A tömegspektrométerek utólagos használatának és továbbfejlesztésének eredményeként számos kutató erőfeszítésével összeállították az izotópösszetételek szinte teljes táblázatát. 1932-ben felfedeztek egy neutront - egy töltés nélküli részecskét, amelynek tömege közel volt a hidrogénatom atommagjának tömegéhez - egy protont, és létrehozták az atommag proton-neutron modelljét. Ennek eredményeként a tudományban kialakult az izotóp fogalmának végső meghatározása: az izotópok olyan anyagok, amelyek atommagja azonos számú protonból áll, és csak az atommagban lévő neutronok számában térnek el egymástól. Körülbelül 1940-re az összes addig ismert kémiai elem izotópelemzését elvégezték.
A radioaktivitás vizsgálata során mintegy 40 természetes radioaktív anyagot fedeztek fel. Radioaktív családokká egyesültek, amelyek ősei a tórium és az urán izotópjai. A természetesek közé tartozik az összes stabil fajta atom (kb. 280 van), és minden természetesen radioaktív, amely a radioaktív családok részét képezi (46 van belőlük). Az összes többi izotóp magreakciók eredményeként keletkezik.
Először 1934-ben I. Curie (cm. Joliot-Curie Irene)és F. Joliot-Curie (cm. Joliot-Curie Frederic) mesterségesen radioaktív nitrogén (13 N), szilícium (28 Si) és foszfor (30 P) izotópokat kapott, amelyek a természetben hiányoznak. Ezekkel a kísérletekkel új radioaktív nuklidok szintetizálásának lehetőségét mutatták be. A jelenleg ismert mesterséges radioizotópok közül több mint 150 tartozik a transzurán elemekhez. (cm. TRANSZURÁN ELEMEK) nem található a Földön. Elméletileg azt feltételezik, hogy a létezni képes izotópfajok száma elérheti a 6000-et.

enciklopédikus szótár. 2009 .

Nézze meg, mi az "izotóp" más szótárakban:

Modern Enciklopédia

izotópok- (iso ... és görög topos helyből), olyan kémiai elemek fajtái, amelyekben az atommagok (nuklidok) különböznek a neutronok számában, de tartalmaznak ugyanaz a szám protonok, és ezért ugyanazt a helyet foglalják el periodikus rendszer kémiai... Illusztrált enciklopédikus szótár

- (iso ... és görög topos hely szóból) a kémiai elemek olyan változatai, amelyekben az atommagok neutronszámában különböznek, de ugyanakkora számú protont tartalmaznak, és ezért ugyanazt a helyet foglalják el az elemek periodikus rendszerében. Megkülönböztetni…… Nagy enciklopédikus szótár

ISOTOPS- IZOTÓPOK, chem. elemek, amelyek a periódusos rendszer ugyanabban a cellájában helyezkednek el, és ezért azonos rendszámmal vagy sorszámmal rendelkeznek. Ebben az esetben az I. általánosságban véve nem lehet azonos atomtömege. Különféle…… Nagy Orvosi Enciklopédia

Ennek a vegyi anyagnak a fajtái. az atommagok tömegében eltérő elemek. Az azonos Z nukleáris töltéssel rendelkező, de a neutronok számában eltérő I. elektronhéjak szerkezete azonos, vagyis nagyon közeli kémiai. sv va, és ugyanazt foglalja el ... ... Fizikai Enciklopédia

Ugyanazon kémiai atomok. olyan elem, amelynek magja ugyanannyi protont, de eltérő számú neutront tartalmaz; különböző atomtömegűek, azonos kémiai összetételűek. tulajdonságaik, de fizikailag különböznek. tulajdonságok, különösen... Mikrobiológiai szótár

Kémiai atomok. különböző tömegszámú, de azonos töltésű elemek atommagokés ezért egy helyet foglal el Mengyelejev periodikus rendszerében. Ugyanazon vegyi anyag különböző izotópjainak atomjai. az elemek számában különböznek egymástól ... Földtani Enciklopédia

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 periodikus rendszerében egy sejtet egy adott elem és egy eltérő magtömegű anyag atomjai egyaránt 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 atommag elfogadott neutron-proton modellje szerint az izotópok létezését a következőképpen magyarázták: egyes anyagatomok atommagjai 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- Ezek olyan kémiai elemek fajtái, amelyek hosszú ideig önállóan 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.

Ismételje meg a „Kémia alapfogalmai” témakör főbb rendelkezéseit, és oldja meg a javasolt feladatokat. Használja a ##6-17.

Alapvető rendelkezések

1. Anyag(egyszerű és összetett) az atomok és molekulák bármely kombinációja, amely bizonyos aggregációs állapotban van.

Az anyagok átalakulását, amelyet összetételük és (vagy) szerkezetük megváltozása kísér, ún kémiai reakciók .

2. Szerkezeti egységek anyagokat:

· Atom- egy kémiai elem és egy egyszerű anyag legkisebb elektromosan semleges részecskéje, amely minden kémiai tulajdonsággal rendelkezik, továbbá fizikailag és kémiailag is oszthatatlan.

· Molekula- az anyag legkisebb elektromosan semleges részecskéje, amely minden kémiai tulajdonságával rendelkezik, fizikailag oszthatatlan, de kémiailag osztható.

3. Kémiai elem Egy bizonyos nukleáris töltéssel rendelkező atomtípus.

4. Összetett atom :

Részecske	Hogyan határozzuk meg?	Díj		Súly
		Cl	hagyományos egységek		a.u.m.
Elektron	Sorrendi Szám (N)	1.6 ∙ 10 -19		9.10 ∙ 10 -28	0.00055
Proton	Sorrendi szám (N)	1.6 ∙ 10 -19		1.67 ∙ 10 -24	1.00728
Neutron	Ar-N			1.67 ∙ 10 -24	1.00866

5. Összetett atommag :

A mag tartalmaz elemi részecskék (nukleonok) –

protonok(1 1 p ) és neutronok(10n).

· Mert Az atom szinte teljes tömege az atommagban koncentrálódik m p ≈ m n≈ 1 amu, azután kerekített értékA regy kémiai elem értéke egyenlő az atommagban lévő nukleonok teljes számával.

7. izotópok- ugyanazon kémiai elem különféle atomjai, amelyek csak tömegükben különböznek egymástól.

· Izotópok megjelölése: az elem szimbólumától balra tüntesse fel az elem tömegszámát (fent) és sorozatszámát (lent)

Miért eltérő az izotópok tömege?

Feladat: Határozza meg a klórizotópok atomösszetételét: 35 17Clés 37 17Cl?

Az izotópok tömege eltérő eltérő szám neutronok az atommagjukban.

8. A természetben a kémiai elemek izotópok keverékeként léteznek.

Ugyanannak a kémiai elemnek az izotóp összetételét fejezzük ki atomfrakciók(ω at.), amelyek azt jelzik, hogy egy adott izotóp melyik részéből származik az atomok száma teljes szám minden izotóp atomja adott elem egységnek vagy 100%-nak vesszük.

Például:

ω at (35 17 Cl) = 0,754

ω at (37 17 Cl) = 0,246

9. A periódusos táblázat a kémiai elemek relatív atomtömegének átlagos értékeit mutatja, figyelembe véve azok izotópösszetételét. Ezért a táblázatban feltüntetett A r tört.

A rHázasodik= ω at. (1) ∙ Ar (1) + … + ω nál nél.(n ) ∙ Ar ( n )

Például:

A rHázasodik(Cl) \u003d 0,754 ∙ 35 + 0,246 ∙ 37 \u003d 35,453

10. Megoldandó feladat:

1. sz. Határozza meg a bór relatív atomtömegét, ha ismert, hogy a 10 B izotóp móltörtje 19,6%, a 11 B izotópé pedig 80,4%.

11. Az atomok és molekulák tömege nagyon kicsi. Jelenleg a fizikában és a kémiában egységes mérési rendszert alkalmaznak.

1 amu =m(a.m.u.) = 1/12 m(12C) = 1,66057 ∙ 10 -27 kg \u003d 1,66057 ∙ 10 -24 g.

Egyes atomok abszolút tömegei:

m( C) \u003d 1,99268 ∙ 10 -23 g

m( H) \u003d 1,67375 ∙ 10-24 g

m( O) \u003d 2,656812 ∙ 10 -23 g

A r- megmutatja, hogy egy adott atom hányszor nehezebb egy 12 szénatomos atom 1/12-énél. Úr∙ 1,66 ∙ 10 -27 kg

13. A közönséges anyagmintákban az atomok és molekulák száma nagyon nagy, ezért az anyag mennyiségének jellemzésekor mértékegységet használnak -anyajegy .

· Vakond (ν)- egy anyag mennyiségének egysége, amely annyi részecskét (molekulát, atomot, iont, elektront) tartalmaz, ahány atom van egy 12 g izotópban 12 C

1 atom tömege 12 C 12 amu, tehát az atomok száma 12 g izotópban 12 C egyenlő:

N A= 12 g / 12 ∙ 1,66057 ∙ 10 -24 g = 6,0221 ∙ 10 23

· Fizikai mennyiség N A hívott állandó Avogadro (Avogadro száma), és mérete [ N A ] = mol -1 .

14. Alapképletek:

M = Úr = ρ ∙ Vm(ρ – sűrűség; V m – térfogat n.c.)

Önálló megoldási feladatok

1. sz. Számítsa ki a nitrogénatomok számát 100 g ammónium-karbonátban, amely 10% nem nitrogén szennyeződést tartalmaz!

2. sz. Normál körülmények között 12 liter ammóniából és szén-dioxidból álló gázkeverék tömege 18 g. Hány litert tartalmaz a keverék mindegyik gázból?

3. sz. Feleslegben lévő sósav hatására 8,24 g mangán-oxid keverékre (IV) ismeretlen MO 2 oxiddal, amely nem reagál sósavval, 1,344 l gáz n.o. Egy másik kísérletben azt találták, hogy a mangán-oxid mólaránya (IV) az ismeretlen oxidhoz 3:1. Állítsa be az ismeretlen oxid képletét, és számítsa ki tömeghányadát a keverékben.

izotópok- egy kémiai elem atomjainak (és magjainak) változatai, amelyek azonos rendszámú, de eltérő tömegszámmal rendelkeznek.

Az izotóp kifejezés a görög isos (ἴσος "egyenlő") és a topos (τόπος "hely") gyökökből származik, jelentése "ugyanaz a hely"; Így az elnevezés jelentése az, hogy ugyanannak az elemnek különböző izotópjai ugyanazt a helyet foglalják el a periódusos rendszerben.

A hidrogén három természetes izotópja. Az a tény, hogy minden izotópnak egy protonja van, vannak hidrogénváltozatok: az izotóp azonosságát a neutronok száma határozza meg. Balról jobbra az izotópok a protium (1H) nulla neutronnal, a deutérium (2H) egy neutronnal és a trícium (3H) két neutronnal.

Az atommagban lévő protonok számát rendszámnak nevezzük, és egyenlő a semleges (nem ionizált) atom elektronjainak számával. Minden atomszám egy adott elemet azonosít, de nem egy izotópot; Egy adott elem atomjának neutronszáma széles tartományban lehet. Az atommagban lévő nukleonok (protonok és neutronok) száma az atom tömegszáma, és egy adott elem minden izotópjának más tömegszáma van.

Például a szén-12, szén-13 és szén-14 az elemi szén három izotópja, amelyek tömegszáma 12, 13 és 14. A szén atomszáma 6, ami azt jelenti, hogy minden szénatomnak 6 protonja van, így ezeknek az izotópoknak a neutronszáma 6, 7 és 8.

Huklides és izotópok

A nuklid az atommaghoz tartozik, nem az atomhoz. Azonos atommagok ugyanahhoz a nuklidhoz tartoznak, például minden 13 szénatomos nuklidmag 6 protonból és 7 neutronból áll. A nuklidok fogalma (az egyes magfajtákra utalva) a nukleáris tulajdonságokat hangsúlyozza a kémiai tulajdonságokkal szemben, míg az izotóp fogalma (az egyes elemek összes atomját csoportosítja) a kémiai reakciót helyezi előtérbe a mag helyett. A neutronszám nagymértékben befolyásolja az atommagok tulajdonságait, de a kémiai tulajdonságokra gyakorolt ​​hatása a legtöbb elemnél elhanyagolható. Még a legkönnyebb elemek esetében is, ahol a neutronok atomszámhoz viszonyított aránya a legnagyobb mértékben változik az izotópok között, általában csak csekély a hatása, bár bizonyos esetekben számít (a hidrogén, a legkönnyebb elem esetében az izotóphatás nagy. Nagy hatással van a biológiára). Mivel egy izotóp több ősi kifejezés, ismertebb, mint a nuklid, és még mindig alkalmanként használják olyan összefüggésekben, ahol a nuklid megfelelőbb lehet, mint például a nukleáris technológia és a nukleáris medicina.

Jelölés

Az izotópot vagy nuklidot egy adott elem neve azonosítja (ez az atomszámot jelzi), amelyet egy kötőjel és egy tömegszám követ (például hélium-3, hélium-4, szén-12, szén-14, urán). -235 és urán-239). Ha vegyjelet használnak, pl. "C" a szén esetében, a szabványos jelölés (most "AZE jelölésként" ismert, mert A a tömegszám, Z a rendszám, és E az elem esetében) a tömegszámot (a nukleonok számát) jelzi felső indexszel vegyjele bal felső részét, és a bal alsó sarokban jelölje a rendszámot alsó indexszel). Mivel az atomszámot az elem szimbóluma adja meg, általában csak a felső indexben szereplő tömegszám szerepel, az atomindex nincs megadva. Az m betűt néha hozzáfűzik a tömegszámhoz, hogy nukleáris izomert, metastabil vagy energetikailag gerjesztett nukleáris állapotot jelezzenek (szemben a legalacsonyabb energiájú alapállapottal), például 180m 73Ta (tantál-180m).

Radioaktív, elsődleges és stabil izotópok

Egyes izotópok radioaktívak, ezért radioizotópoknak vagy radionuklidoknak nevezik, míg mások radioaktív bomlását soha nem figyelték meg, és ezeket stabil izotópoknak vagy stabil nuklidoknak nevezik. Például a 14 C a szén radioaktív formája, míg a 12 C és 13 C stabil izotópok. A Földön hozzávetőleg 339 természetben előforduló nuklid található, amelyek közül 286 ősi nuklid, vagyis kialakulásuk óta léteznek. Naprendszer.

Az eredeti nuklidok között 32 nagyon hosszú (több mint 100 millió év) felezési idejű nuklid található, és 254, amelyeket formálisan "stabil nuklidoknak" tekintenek, mivel nem figyelték meg a bomlásukat. A legtöbb esetben nyilvánvaló okokból, ha egy elem stabil izotópokkal rendelkezik, akkor ezek az izotópok uralják a Földön és a Naprendszerben található elemi mennyiséget. Három elem (tellúrium, indium és rénium) esetében azonban a természetben leggyakrabban előforduló izotóp valójában az elem egy (vagy két) rendkívül hosszú élettartamú radioizotópja, annak ellenére, hogy ezek az elemek egy vagy több stabil izotóp.

Az elmélet azt jósolja, hogy sok látszólag "stabil" izotóp/nuklid radioaktív, rendkívül hosszú felezési idejű (nem veszik figyelembe a protonbomlás lehetőségét, amely végül minden nuklidot instabillá tenne). A 254 soha nem megfigyelt nuklid közül csak 90 (az első 40 elem közül mind) elméletileg ellenáll az összes ismert bomlási formának. A 41-es elem (nióbium) elméletileg instabil a spontán hasadás következtében, de ezt soha nem fedezték fel. Sok más stabil nuklid elméletileg energetikailag érzékeny a bomlás egyéb ismert formáira, mint például az alfa-bomlásra vagy a kettős béta-bomlásra, de bomlástermékeket még nem figyeltek meg, így ezeket az izotópokat "megfigyelési szempontból stabilnak" tekintik. Ezeknek a nuklidoknak az előre jelzett felezési ideje gyakran nagymértékben meghaladja a világegyetem becsült korát, és valójában 27 olyan radionuklid is ismert, amelyek felezési ideje hosszabb, mint a világegyetem kora.

Mesterségesen előállított radioaktív nuklidok, jelenleg 3339 nuklid ismeretes. Ezek közé tartozik 905 nuklid, amelyek vagy stabilak, vagy felezési idejük meghaladja a 60 percet.

Izotóp tulajdonságai

Kémiai és molekuláris tulajdonságok

A semleges atomnak ugyanannyi elektronja van, mint a protonoknak. Így egy adott elem különböző izotópjainak azonos számú elektronja van, és hasonlóak elektronikus szerkezet. Mivel egy atom kémiai viselkedését nagymértékben meghatározza az elektronszerkezete, a különböző izotópok szinte azonos kémiai viselkedést mutatnak.

Ez alól kivétel a kinetikus izotóphatás: nagy tömegük miatt a nehezebb izotópok valamivel lassabban reagálnak, mint az azonos elem könnyebb izotópjai. Ez a legkifejezettebb a protium (1 H), deutérium (2 H) és trícium (3 H) esetében, mivel a deutérium tömege kétszerese, a trícium pedig háromszorosa a protium tömegének. Ezek a tömegkülönbségek befolyásolják a hozzájuk tartozó viselkedést is kémiai kötések, az atomi rendszerek súlypontjának (csökkentett tömegének) megváltoztatása. A nehezebb elemeknél azonban az izotópok közötti relatív tömegkülönbség sokkal kisebb, így a tömegkülönbség hatásai a kémiában általában elhanyagolhatóak. (A nehéz elemek is viszonylag több neutront tartalmaznak, mint a könnyebb elemek, így a nukleáris tömeg és az összes elektrontömeg aránya valamivel nagyobb.)

Hasonlóképpen, két molekulának, amelyek csak atomjaik izotópjaiban (izotopológjaiban) különböznek egymástól, azonos az elektronikus szerkezete, és ezért szinte megkülönböztethetetlenek a fizikai és kémiai tulajdonságai (ismét a deutérium és a trícium az elsődleges kivételek). Egy molekula rezgésmódját az alakja és az alkotó atomok tömege határozza meg; Ezért a különböző izotopológok különböző rezgésmódokkal rendelkeznek. Mivel a rezgési módok lehetővé teszik a molekulák számára, hogy a megfelelő energiájú fotonokat elnyeljék, az izotopológok eltérő optikai tulajdonságokkal rendelkeznek az infravörösben.

Nukleáris tulajdonságok és stabilitás

Izotópos felezési idők. A stabil izotópok grafikonja a Z elemszám növekedésével eltér a Z = N egyenestől

Az atommagok protonokból és neutronokból állnak, amelyeket maradékok kötnek össze erős erő. Mivel a protonok pozitív töltésűek, taszítják egymást. A neutronok, amelyek elektromosan semlegesek, kétféleképpen stabilizálják az atommagot. Érintkezésük egy kicsit visszaszorítja a protonokat, csökkentve a protonok közötti elektrosztatikus taszítást, és vonzó nukleáris erőt fejtenek ki egymásra és a protonokra. Emiatt egy vagy több neutronra van szükség ahhoz, hogy két vagy több proton kötődjön az atommaghoz. A protonok számának növekedésével a neutronok protonokhoz viszonyított aránya is növekszik a stabil atommag biztosításához (lásd a jobb oldali grafikont). Például, bár a neutron: proton 3 2 He arány 1:2, a neutron: proton arány 238 92 U
3:2 felett. Számos könnyebb elem rendelkezik stabil nuklidokkal, amelyek aránya 1:1 (Z = N). A 40 20 Ca (kalcium-40) nuklid a megfigyelhető legnehezebb stabil nuklid, azonos számú neutronnal és protonnal; (Elméletileg a legnehezebb istálló a kén-32). Minden kalcium-40-nél nehezebb stabil nuklid több neutront tartalmaz, mint protont.

Izotópok száma elemenként

A 81 stabil izotópokkal rendelkező elem közül legnagyobb számban Bármely elemnél megfigyelhető stabil izotóp tíz (az ón elemnél). Egyetlen elemnek sincs kilenc stabil izotópja. A xenon az egyetlen elem, amelynek nyolc stabil izotópja van. Négy elemnek hét stabil izotópja van, ebből nyolcnak hat stabil izotópja, tíznek öt stabil izotópja, kilencnek négy stabil izotópja, ötnek három stabil izotópja van, 16-nak két stabil izotópja van, és 26 elemnek csak egy (ebből 19 izotópja van). az ún. mononuklid elemek, amelyek egyetlen ősstabil izotóppal dominálnak és nagy pontossággal rögzítik a természetes elem atomsúlyát, 3 radioaktív mononuklid elem is jelen van). NÁL NÉL teljes 254 olyan nuklid van, amelyek bomlását nem figyelték meg. 80 olyan elem esetében, amelyek egy vagy több stabil izotóppal rendelkeznek, a stabil izotópok átlagos száma 254/80 = 3,2 izotóp elemenként.

Páros és páratlan számú nukleon

Protonok: A neutronok aránya nem az egyetlen tényező, amely befolyásolja a nukleáris stabilitást. Függ a Z rendszámának paritásától vagy páratlanságától is, az N neutronok számától, tehát az A tömegszámuk összegétől. A páratlan Z és N egyaránt csökkenti a nukleáris kötési energiát, így páratlan atommagokat hozva létre, amelyek általában kevésbé stabilak. . A szomszédos atommagok – különösen a páratlan izobárok – közötti jelentős különbség a nukleáris kötési energiában fontos következményekkel jár: a szuboptimális neutron- vagy protonszámú instabil izotópok béta-bomlással (beleértve a pozitronbomlást is), elektronbefogással vagy más egzotikus módon, mint például spontán hasadás és bomlás, klaszterek.

A legtöbb stabil nuklid páros számú protonból és páros számú neutronból áll, ahol Z, N és A páros. A páratlan stabil nuklidokat (körülbelül egyenletesen) páratlanokra osztják.

atomszám

A 148 páros protonos, páros neutronos (EE) nuklid az összes stabil nuklid ~58%-át teszi ki. 22 ősi, hosszú életű egyenletes nuklid is létezik. Ennek eredményeként a 2-től 82-ig terjedő 41 páros elem mindegyike rendelkezik legalább egy stabil izotóppal, és ezen elemek többségének több elsődleges izotópja van. Ezen páros elemek fele hat vagy több stabil izotóppal rendelkezik. A hélium-4 rendkívüli stabilitása, amely két proton és két neutron bináris kötéséből adódik, megakadályozza, hogy az öt-nyolc nukleont tartalmazó nuklidok elég hosszú ideig létezzenek ahhoz, hogy platformként szolgáljanak a nehezebb elemek magfúzió útján történő felhalmozódásához.

Ez az 53 stabil nuklid rendelkezik páros szám protonok és páratlan számú neutron. Kisebbségben vannak a páros izotópokhoz képest, amelyek száma körülbelül háromszor annyi. A stabil nukliddal rendelkező 41 páros-Z elem közül csak két elem (argon és cérium) nem rendelkezik páros-páratlan stabil nukliddal. Egy elemnek (ónnak) három van. 24 elemnek van egy páratlan nuklidja, és 13-nak van két páratlan nuklidja.

A páratlan neutronszámuk miatt a páros-páratlan nuklidok általában rendelkeznek nagy szakaszok a neutronok befogása a neutroncsatolás hatásaiból származó energia miatt. Ezek a stabil nuklidok szokatlanul nagy mennyiségben fordulhatnak elő a természetben, főként azért, mert ahhoz, hogy kialakulhassanak és beléphessenek az ősbőségbe, ki kell kerülniük a neutronbefogást, hogy további stabil, páros-páratlan izotópokat hozhassanak létre az s folyamat és az r folyamat során. a neutronbefogási folyamat.a nukleoszintézis során.

páratlan atomszám

A páratlan neutronok páros számával stabilizált 48 stabil páratlan protonos és páros neutron nuklid alkotja a páratlan elemek stabil izotópjainak többségét; Nagyon kevés páratlan-proton-páratlan neutron nuklid alkot másokat. Z = 1-től 81-ig 41 páratlan elem található, amelyek közül 39-nek van stabil izotópja (a technécium (43 Tc) és a prométium (61 Pm) izotópjai nincsenek stabilan. Ebből a 39 páratlan Z elemből 30 elem (köztük a hidrogén-1, ahol 0 neutron páros) rendelkezik egy stabil páratlan páros izotóppal, és kilenc elem: klór (17 Cl), kálium (19K), réz (29 Cu), a galliumnak (31 Ga), a brómnak (35 Br), az ezüstnek (47 Ag), az antimonnak (51 Sb), az irídiumnak (77 Ir) és a talliumnak (81 Tl) van két páratlan-páros stabil izotópja. Így 30 + 2 (9) = 48 stabil páros-páros izotóp keletkezik.

Csak öt stabil nuklid tartalmaz páratlan számú protont és páratlan számú neutront. Az első négy „páratlan-páratlan” nuklid kis molekulatömegű nuklidokban fordul elő, amelyeknél a protonról neutronra váltás, vagy fordítva, nagyon ferde proton-neutron arányt eredményez.

Az egyetlen teljesen "stabil", páratlan-páratlan nuklid a 180m 73 Ta, amely a 254 stabil izotóp közül a legritkábbnak számít, és az egyetlen olyan ősi magizomer, amelynek bomlását a kísérleti próbálkozások ellenére még nem figyelték meg.

Páratlan számú neutron

A páratlan neutronszámú aktinidák hajlamosak a hasadásra (termikus neutronokkal), míg a páros neutronszámúak nem, bár gyors neutronokká hasadnak. Minden megfigyelési szempontból stabil páratlan-páratlan nuklidnak van egy nullától eltérő egész spinje. Ennek az az oka, hogy egyetlen párosítatlan neutron és egy párosítatlan proton nagyobb nukleáris erőt vonz egymáshoz, ha a spinjeik egy vonalba esnek (a teljes spin legalább 1 egységnyi), semmint igazodva.

Előfordulás a természetben

Az elemek egy vagy több természetben előforduló izotópból állnak. Az instabil (radioaktív) izotópok elsődlegesek vagy utólagosak. Az eredeti izotópok a csillagok nukleoszintézisének vagy más típusú nukleoszintézisnek, például a kozmikus sugárhasadásnak a termékei voltak, és a mai napig fennmaradtak, mivel bomlási sebességük nagyon lassú (pl. urán-238 és kálium-40). A természet utáni izotópokat kozmikus sugárbombázással hozták létre kozmogén nuklidokként (pl. trícium, szén-14), vagy egy radioaktív ősizotóp bomlásával egy radioaktív radiogén nuklid leányává (pl. uránból rádium). Számos izotóp a természetben nukleogén nuklidként szintetizálódik, mások természetesen nukleáris reakciók, például amikor a természetes maghasadásból származó neutronokat egy másik atom elnyeli.

Mint fentebb tárgyaltuk, csak 80 elemnek van stabil izotópja, és közülük 26-nak csak egy stabil izotópja van. Így a stabil elemek körülbelül kétharmada a természetben is előfordul a Földön néhány stabil izotóp formájában, a legtöbb stabil izotóp egy elem esetében tíz, az ón (50Sn) esetében. Körülbelül 94 elem létezik a Földön (a plutóniumig), bár néhány csak nagyon kis mennyiségben található meg, például a plutónium-244. A tudósok úgy vélik, hogy a Földön természetesen előforduló elemek (néhány csak radioizotópként) összesen 339 izotópként (nuklidként) fordul elő. A természetben előforduló izotópok közül csak 254 stabil abban az értelemben, hogy a mai napig nem figyelték meg őket. További 35 primordiális nuklid (összesen 289 ősnuklid) ismert felezési idejű radioaktív, de felezési ideje meghaladja a 80 millió évet, ami lehetővé teszi, hogy a Naprendszer kezdete óta létezzenek.

Az összes ismert stabil izotóp természetesen előfordul a Földön; Más természetes izotópok radioaktívak, de viszonylag hosszú felezési idejük miatt, vagy más folyamatos természetes előállítási módok miatt. Ide tartoznak a fent említett kozmogén nuklidok, nukleogén nuklidok, és bármely olyan radiogén izotóp, amely egy elsődleges radioaktív izotóp, például radon és rádium, az uránból származó folyamatos bomlásából származik.

További ~3000, a természetben nem található radioaktív izotópot atomreaktorokban és részecskegyorsítókban hoztak létre. Sok rövid életű izotóp nem található természetesen a Földön spektroszkópiai elemzéssel is megfigyelték, természetesen csillagokban vagy szupernóvákban keletkeznek. Példa erre az alumínium-26, amely természetesen nem fordul elő a Földön, de csillagászati ​​léptékben bőségesen megtalálható.

Az elemek táblázatos atomtömegei átlagok, amelyek magyarázatot adnak több különböző tömegű izotóp jelenlétére. Az izotópok felfedezése előtt az atomtömeg empirikusan meghatározott nem integrált értékei megzavarták a tudósokat. Például egy klórminta 75,8% klór-35-öt és 24,2% klór-37-et tartalmaz, így az átlagos atomtömeg 35,5 atomtömeg-egység.

A kozmológia általánosan elfogadott elmélete szerint az ősrobbanáskor csak a hidrogén és a hélium izotópjai, a lítium és a berillium egyes izotópjainak nyomai, esetleg némi bór keletkeztek, az összes többi izotóp pedig később, csillagokban, ill. szupernóvák, valamint az energetikai részecskék, például a kozmikus sugarak és a korábban előállított izotópok közötti kölcsönhatásokban. Az izotópok megfelelő izotópbősége a Földön az e folyamatok által termelt mennyiségeknek, a galaxison keresztüli terjedésüknek és az instabil izotópok bomlási sebességének köszönhető. A Naprendszer kezdeti egyesülése után az izotópok tömeg szerint újra eloszlottak, és az elemek izotópösszetétele bolygónként kissé eltér. Ez néha lehetővé teszi a meteoritok eredetének nyomon követését.

Izotópok atomtömege

Egy izotóp atomtömegét (mr) főként a tömegszáma (azaz a magjában lévő nukleonok száma) határozza meg. A kis korrekciókat az atommag kötési energiája, a proton és a neutron közötti kis tömegkülönbség, valamint az atomhoz kapcsolódó elektronok tömege okozza.

Tömegszám dimenzió nélküli mennyiség. Az atomtömeget ezzel szemben az atomtömeg mértékegységével mérjük, a szén-12 atom tömege alapján. Ezt az "u" (az egységes atomtömeg-egység) vagy a "Da" (a dalton) szimbólumok jelölik.

Egy elem természetes izotópjainak atomtömege határozza meg az elem atomtömegét. Ha egy elem N izotópot tartalmaz, az alábbi kifejezés az átlagos atomtömegre vonatkozik:

Ahol m 1 , m 2 , …, mN az egyes izotópok atomtömege, x 1 , …, xN pedig ezen izotópok relatív mennyisége.

Izotópok alkalmazása

Számos olyan alkalmazás létezik, amely egy adott elem különféle izotópjainak tulajdonságait aknázza ki. Az izotópszétválasztás fontos technológiai kérdés, különösen olyan nehéz elemek esetében, mint az urán vagy a plutónium. A könnyebb elemek, például a lítium, a szén, a nitrogén és az oxigén általában vegyületeik, például CO és NO gázdiffúziójával válnak szét. A hidrogén és a deutérium szétválasztása szokatlan, mert nem fizikai, hanem kémiai tulajdonságokon alapul, mint például a Girdler-szulfidos eljárásban. Az uránizotópokat térfogat szerint szétválasztották gázdiffúzióval, gázcentrifugálással, lézer-ionizációs elválasztással és (a Manhattan Projectben) tömegspektrometriás gyártási típusok szerint.

A kémiai és biológiai tulajdonságok felhasználása

• Az izotóp-analízis az izotóp aláírásának, egy adott elem izotópjainak relatív mennyiségének meghatározása egy adott mintában. Különösen a tápanyagok esetében fordulhatnak elő jelentős eltérések a C-, N- és O-izotópokban, amelyek elemzése széles körben alkalmazható, mint például a kimutatás. élelmiszer termékek vagy földrajzi eredet termékek izoszkópiával. Egyes Marsról származó meteoritok azonosítása részben a bennük található nyomgázok izotópos aláírásán alapul.
• Az izotópos szubsztitúció segítségével a kinetikus izotóphatáson keresztül meghatározható a kémiai reakció mechanizmusa.
• Egy másik gyakori alkalmazás az izotópos jelölés, a szokatlan izotópok nyomjelzőként vagy markerként történő alkalmazása kémiai reakciók. Általában egy adott elem atomjai megkülönböztethetetlenek egymástól. Izotópok felhasználásával azonban különböző tömegek, tömegspektrometriával vagy infravörös spektroszkópiával még a különféle nem radioaktív stabil izotópok is megkülönböztethetők. Például az "Aminósavak stabil izotópjelölése sejttenyészetben" (SILAC) című dokumentumban stabil izotópokat használnak a fehérjék mennyiségi meghatározására. Ha radioaktív izotópokat használnak, akkor azok az általuk kibocsátott sugárzás alapján kimutathatók (ezt hívják radioizotóp jelölésnek).
• Az izotópokat általában különböző elemek vagy anyagok koncentrációjának meghatározására használják izotópos hígítási módszerrel, amelynek során ismert mennyiségű izotóposan szubsztituált vegyületeket kevernek össze a mintákkal, és tömegspektrometriával határozzák meg a keletkező keverékek izotópos jellemzőit.

A nukleáris tulajdonságok felhasználása

• A radioizotópos jelöléshez hasonló módszer a radiometriás kormeghatározás: egy instabil elem ismert felezési idejét felhasználva kiszámítható az ismert izotópkoncentráció fennállása óta eltelt idő. Legelterjedtebben híres példa— a széntartalmú anyagok korának meghatározására használt radiokarbon kormeghatározás.
• A spektroszkópia egyes formái meghatározott, radioaktív és stabil izotópok egyedi nukleáris tulajdonságain alapulnak. Például a mágneses magrezonancia (NMR) spektroszkópia csak nem nulla magspinnel rendelkező izotópokhoz használható. Az NMR-spektroszkópiában leggyakrabban használt izotópok az 1 H, 2 D, 15 N, 13 C és 31 P.
• A Mössbauer-spektroszkópia bizonyos izotópok, például az 57 Fe nukleáris átmenetére is támaszkodik.

· Felezési idő · Tömegszám · Nukleáris láncreakció

Terminológia

Az izotópok felfedezésének története

Az első bizonyíték arra, hogy az azonos kémiai viselkedésű anyagok eltérő fizikai tulajdonságokkal rendelkezhetnek, a nehéz elemek atomjainak radioaktív átalakulásának vizsgálatából származtak. 1906-07-ben világossá vált, hogy az urán - ionium radioaktív bomlási terméke és a tórium radioaktív bomlásterméke - radiotórium ugyanolyan kémiai tulajdonságokkal rendelkezik, mint a tórium, de eltér attól atomtömegében és radioaktív tulajdonságaiban hanyatlás. Később kiderült, hogy mindhárom terméknek ugyanaz az optikai és röntgenspektruma. Olyan anyagok, amelyekben azonosak kémiai tulajdonságok, de különbözik az atomtömegben és néhány fizikai tulajdonságok, F. Soddy angol tudós javaslatára kezdték izotópoknak nevezni.

Izotópok a természetben

Úgy gondolják, hogy az elemek izotóp-összetétele a Földön minden anyagban azonos. Néhány fizikai folyamatok a természetben az elemek izotópos összetételének megsértéséhez vezetnek (természetes frakcionálás a könnyű elemekre jellemző izotópok, valamint a természetes hosszú élettartamú izotópok bomlása során bekövetkező izotóp-eltolódások). A maggeokronológiában az atommagok ásványi anyagaiban történő fokozatos felhalmozódását alkalmazzák – egyes hosszú élettartamú nuklidok bomlástermékei.

Az izotópok emberi felhasználása

A technológiai tevékenységek során az emberek megtanulták megváltoztatni az elemek izotóp-összetételét, hogy bármit is kapjanak konkrét tulajdonságok anyagokat. Például a 235 U termikus neutronhasadási láncreakcióra képes, és nukleáris reaktorok vagy nukleáris fegyverek üzemanyagaként használható. A természetes urán azonban ennek a nuklidnak csak 0,72%-át tartalmazza, míg láncreakció gyakorlatilag csak akkor kivitelezhető, ha a 235 U-tartalom nem kevesebb 3%-nál. A közelség miatt fizikai és kémiai tulajdonságok nehéz elemek izotópjainak vizsgálata, az urán izotópdúsításának eljárása rendkívül összetett technológiai feladat, amely a világon csak tucatnyi állam számára elérhető. A tudomány és a technológia számos ágában (például a radioimmunoassay-ben) izotópcímkéket használnak.

Lásd még

• Izotóp geokémia

Instabil (kevesebb, mint egy nap): 8 C: szén-8, 9 C: szén-9, 10 C: szén-10, 11 C: szén-11

Stabil: 12 C: szén-12, 13 C: szén-13

10-10 000 év: 14 °C: szén-14

Instabil (kevesebb, mint egy nap): 15 C: szén-15, 16 C: szén-16, 17 C: szén-17, 18 C: szén-18, 19 C: szén-19, 20 C: szén-20, 21 C: szén-21, 22 °C: szén-22