고대 철학자조차도 물질이 원자로 구성되어 있다고 제안했습니다. 그러나 우주 자체의 "벽돌"이 가장 작은 입자로 구성되어 있다는 사실 때문에 과학자들은 19세기와 20세기로 접어들면서야 추측하기 시작했습니다. 이를 증명하는 실험은 당시 과학에 진정한 혁명을 일으켰습니다. 비율이다 구성 부품한 화학 원소를 다른 화학 원소와 구별합니다. 각각은 일련 번호에 따라 고유한 위치를 가지고 있습니다. 그러나 질량과 특성의 차이에도 불구하고 표에서 동일한 셀을 차지하는 다양한 원자가 있습니다. 왜 그런지 그리고 화학에서 동위원소가 무엇인지는 나중에 논의될 것입니다.

원자와 그 입자

E. Rutherford는 알파 입자의 충격을 통해 물질의 구조를 탐구하여 1910년 원자의 주요 공간이 공허함으로 채워져 있음을 증명했습니다. 그리고 중앙에만 핵심이 있습니다. 음의 전자는 주위의 궤도를 따라 움직이며 이 시스템의 껍질을 구성합니다. 그렇게 만들어졌다. 행성 모형물질의 "벽돌".

동위 원소는 무엇입니까? 화학 과정에서 핵도 가지고 있음을 기억하십시오. 복잡한 구조. 그것은 양의 양성자와 전하를 띠지 않는 중성자로 구성되어 있습니다. 전자의 수는 화학 원소의 질적 특성을 결정합니다. 물질을 서로 구별하여 핵에 특정 전하를 부여하는 것은 양성자의 수입니다. 그리고 이를 기반으로 주기율표에서 일련 번호가 지정됩니다. 그러나 동일한 화학 원소에 있는 중성자의 수에 따라 동위원소로 구분됩니다. 화학의 정의 이 개념그래서 다음이 주어질 수 있습니다. 이들은 핵의 구성이 다르고 전하와 일련 번호가 같지만 중성자 수의 차이로 인해 질량 수가 다른 다양한 원자입니다.

표기법

9학년에서 화학과 동위원소를 공부하면서 학생들은 허용되는 것에 대해 배웁니다. 전설. 문자 Z는 핵의 전하를 나타냅니다. 이 수치는 양성자의 수와 일치하므로 그 지표입니다. 기호 N으로 표시된 중성자를 포함하는 이러한 요소의 합은 A - 질량 수입니다. 한 물질의 동위 원소 계열은 원칙적으로 해당 화학 원소의 아이콘으로 표시되며 주기율표에서 양성자 수와 일치하는 일련 번호가 부여됩니다. 지정된 아이콘에 추가된 왼쪽 위 첨자는 질량 번호에 해당합니다. 예를 들어, 238 U입니다. 원소(이 경우에는 일련 번호 92로 표시된 우라늄)의 전하가 아래 유사한 색인으로 표시됩니다.

이러한 데이터를 알면 주어진 동위 원소의 중성자 수를 쉽게 계산할 수 있습니다. 질량 수에서 일련 번호를 뺀 값(238 - 92 \u003d 146)과 같습니다. 이 화학 원소에서 우라늄이 중단되지 않기 때문에 중성자의 수가 더 적을 수 있습니다. 다른 단순한 물질에서 대부분의 경우 양성자와 중성자의 수는 거의 같습니다. 이러한 정보는 화학에서 동위원소가 무엇인지 이해하는 데 도움이 됩니다.

핵자

특정 원소에 개성을 부여하는 것은 양성자의 수이며, 중성자의 수는 어떠한 영향도 미치지 않습니다. 그러나 원자 질량은 다음 두 가지 표시된 요소로 구성됩니다. 일반 이름그들의 합을 나타내는 "핵자". 그러나 이 지표는 원자의 음전하를 띤 껍질을 형성하는 지표에 의존하지 않습니다. 왜요? 비교할 가치가 있습니다.

원자에서 양성자의 질량 분율은 크며 약 1AU입니다. um 또는 1.672 621 898 (21) 10 -27 kg. 중성자는 이 입자의 매개변수에 가깝습니다(1.674 927 471(21) 10 -27 kg). 그러나 전자의 질량은 수천 배 더 작으며 무시할 수 있는 것으로 간주되어 고려되지 않습니다. 그렇기 때문에 화학에서 원소의 위첨자를 알면 동위 원소의 핵 구성을 찾는 것이 어렵지 않습니다.

수소의 동위 원소

특정 원소의 동위 원소는 자연에서 너무 잘 알려져 있고 일반적이어서 고유한 이름을 갖게 되었습니다. 이것의 가장 명확하고 간단한 예는 수소입니다. 에 생체가장 풍부한 변종인 protium에서 발견됩니다. 이 원소의 질량수는 1이고 핵은 양성자 1개로 구성되어 있습니다.

그렇다면 화학에서 수소 동위원소는 무엇입니까? 아시다시피,이 물질의 원자는 주기율표의 첫 번째 숫자를 가지므로 자연적으로 1의 전하 수를 부여받습니다. 그러나 원자 핵의 중성자의 수는 다릅니다. 중수소인 중수소는 양성자 외에 핵에 하나의 입자, 즉 중성자가 더 있습니다. 결과적으로 이 물질은 자체적으로 물리적 특성, protium과 달리 자체 무게, 녹는점 및 끓는점을 가지고 있습니다.

삼중 수소

삼중수소는 가장 복잡합니다. 이것은 초중수소입니다. 화학에서 동위원소의 정의에 따르면, 청구 번호 1이지만 질량 수는 3입니다. 하나의 양성자 외에도 핵에 두 개의 중성자가 있기 때문에 트리톤이라고 불리는 경우가 많습니다. 즉, 세 개의 요소로 구성됩니다. 1934년 Rutherford, Oliphant 및 Harteck이 발견한 이 원소의 이름은 발견되기 전부터 제안되었습니다.

방사성 특성을 나타내는 불안정한 물질입니다. 그것의 핵은 베타 입자와 전자 반중성미자의 방출로 분열하는 능력이 있습니다. 이 물질의 붕괴 에너지는 그다지 높지 않으며 18.59keV에 달합니다. 따라서 그러한 방사선은 인간에게 너무 위험하지 않습니다. 일반 의복과 수술용 장갑으로 이를 방지할 수 있습니다. 그리고 음식으로 얻은 이 방사성 원소는 체내에서 빠르게 배설됩니다.

우라늄의 동위원소

훨씬 더 위험하다 다양한 타입오늘날 과학에 알려진 우라늄은 26개이므로 화학에서 동위원소가 무엇인지 말할 때 이 원소는 언급하지 않을 수 없습니다. 우라늄은 종류가 다양함에도 불구하고 자연계에 존재하는 동위원소는 3개에 불과합니다. 여기에는 234 U, 235 U, 238 U가 포함됩니다. 그 중 첫 번째는 적절한 속성, 원자로의 연료로 활발히 사용됩니다. 그리고 후자 - 플루토늄-239 생산을 위해, 차례로 가장 가치있는 연료로 필수 불가결합니다.

각 방사성 원소는 고유한 특성이 있으며, 이는 물질이 1/2의 비율로 분할되는 시간입니다. 즉, 이 과정의 결과로 물질의 보존된 부분의 양이 반으로 줄어든다. 우라늄의 이 기간은 엄청나다. 예를 들어, 동위 원소 234의 경우 270,000년으로 추정되며 다른 두 가지 표시된 품종의 경우 훨씬 더 중요합니다. 기록적인 반감기는 수십억 년 동안 지속되는 우라늄-238의 반감기입니다.

핵종

고유하고 엄격하게 특징 지어지는 각 유형의 원자가 아닙니다. 특정 숫자양성자와 전자는 매우 안정적이어서 적어도 연구에 충분한 장기간이 있습니다. 비교적 안정한 것을 핵종이라고 합니다. 이러한 종류의 안정적인 구조물은 방사성 붕괴를 겪지 않습니다. 불안정한 것을 방사성 핵종이라고하며 차례로 단명 및 장수로 나뉩니다. 동위 원소 원자의 구조에 대한 11 학년 화학 수업에서 알 수 있듯이 오스뮴과 백금은 가장 많은 수의 방사성 핵종을 가지고 있습니다. 코발트와 금은 각각 안정되어 있고, 가장 큰 숫자주석의 안정한 핵종.

동위 원소의 일련 번호 계산

이제 앞에서 설명한 정보를 요약해 보겠습니다. 화학에서 동위 원소가 무엇인지 이해했다면 이제 얻은 지식을 어떻게 사용할 수 있는지 알아낼 때입니다. 그것을 고려 구체적인 예. 특정 화학 원소의 질량 수는 181이라고 알려져 있습니다. 동시에이 물질의 원자 껍질에는 73 개의 전자가 포함되어 있습니다. 주기율표를 사용하여 이름을 찾는 방법 주어진 요소, 뿐만 아니라 핵에 있는 양성자와 중성자의 수는?

문제 해결을 시작해 보겠습니다. 양성자 수에 해당하는 일련 번호를 알면 물질의 이름을 결정할 수 있습니다. 원자의 양전하와 음전하의 수가 같으므로 73입니다. 그래서 이것은 탄탈륨입니다. 또한, 총 핵자 수는 181개이며, 이는 이 원소의 양성자가 181 - 73 = 108임을 의미합니다. 아주 간단합니다.

갈륨의 동위 원소

원소 갈륨의 원자 번호는 71입니다. 자연에서 이 물질은 69Ga와 71Ga의 두 가지 동위 원소를 가지고 있습니다. 갈륨 품종의 비율을 결정하는 방법은 무엇입니까?

화학에서 동위원소에 대한 문제를 푸는 것은 거의 항상 주기율표에서 얻을 수 있는 정보와 관련이 있습니다. 이번에도 똑같이 해야 합니다. 지정된 소스에서 평균 원자 질량을 결정합시다. 69.72와 같습니다. 첫 번째와 두 번째 동위 원소의 양적 비율 x와 y를 나타내면 그 합은 1과 같습니다. 따라서 방정식의 형태로 다음과 같이 작성됩니다. x + y = 1. 다음은 69x + 71y = 69.72. y를 x로 표현하고 첫 번째 방정식을 두 번째 방정식에 대입하면 x = 0.64 및 y = 0.36이 됩니다. 즉, 69Ga는 자연계에 64%, 71Ga의 비율은 34%입니다.

동위원소 변환

동위 원소가 다른 원소로 변하는 방사성 핵분열은 세 가지 주요 유형으로 나뉩니다. 첫 번째는 알파 붕괴입니다. 그것은 헬륨 원자의 핵인 입자의 방출과 함께 발생합니다. 즉, 중성자와 양성자 쌍으로 구성된이 형성입니다. 후자의 수는 주기율표에서 물질의 전하 수와 원자의 수를 결정하기 때문에이 과정의 결과로 한 원소가 다른 원소로 질적 변형이 일어나고 표에서 왼쪽으로 이동합니다 2개의 세포로. 이 경우 요소의 질량 수는 4 단위로 감소합니다. 우리는 동위 원소의 원자 구조에서 이것을 알고 있습니다.

원자의 핵이 본질적으로 전자인 베타 입자를 잃으면 구성이 바뀝니다. 중성자 중 하나가 양성자로 변환됩니다. 이것은 물질의 질적 특성이 다시 바뀌고 실제로 질량을 잃지 않고 요소가 테이블에서 오른쪽으로 한 셀만큼 이동한다는 것을 의미합니다. 일반적으로 이러한 변환은 전자기 감마선과 관련이 있습니다.

라듐 동위원소 변환

동위 원소에 대한 11 학년 화학의 위 정보와 지식은 다시 실용적인 문제를 해결하는 데 도움이됩니다. 예를 들어, 다음과 같습니다. 붕괴 중 226 Ra는 질량 수가 206인 IV족의 화학 원소로 변합니다. 이 경우 몇 개의 알파 및 베타 입자를 잃어야 합니까?

딸 원소의 질량과 그룹의 변화를 감안할 때 주기율표를 사용하면 핵분열 동안 형성된 동위원소가 82의 전하와 206의 질량 수를 갖는 납이 될 것이라고 쉽게 결정할 수 있습니다. 그리고 주어진 전하 수 이 원소와 원래 라듐의 원자핵이 5개의 알파 입자와 4개의 베타 입자를 잃은 것으로 가정해야 합니다.

방사성 동위원소의 사용

방사능이 생명체에 미칠 수 있는 피해는 누구나 잘 알고 있습니다. 그러나 방사성 동위원소의 특성은 인간에게 유용합니다. 그들은 많은 산업 분야에서 성공적으로 사용됩니다. 그들의 도움으로 엔지니어링 및 건물 구조, 지하 파이프 라인 및 오일 파이프 라인의 누출을 감지하는 것이 가능합니다. 저장 탱크, 발전소의 열교환기.

이러한 특성은 과학 실험에서도 활발히 사용됩니다. 예를 들어, 체체 파리는 인간, 가축 및 가축에게 많은 심각한 질병을 옮기는 매개체입니다. 이를 방지하기 위해 이 곤충의 수컷을 약한 방사성 방사선으로 살균합니다. 동위 원소는 또한 특정 화학 반응의 메커니즘 연구에 없어서는 안될 요소입니다. 이러한 원소의 원자는 물 및 기타 물질에 라벨을 붙일 수 있기 때문입니다.

생물학적 연구에서는 표지된 동위원소도 종종 사용됩니다. 예를 들어, 인이 토양, 성장 및 발달에 미치는 영향이 이러한 방식으로 확립되었습니다. 재배 식물. 성공으로 동위 원소의 특성은 의학에서도 사용되어 치료가 가능했습니다. 암성 종양다른 중병, 생물학적 유기체의 나이를 결정합니다.

방사성 원소의 특성을 연구할 때, 동일한 화학 원소에서 다른 핵 질량을 가진 원자가 발견될 수 있음을 발견했습니다. 동시에, 그들은 동일한 핵 전하를 가지고 있습니다. 즉, 이들은 제 3 자 물질의 불순물이 아니라 동일한 물질입니다.

동위 원소는 무엇이며 왜 존재합니까?

멘델레예프의 주기율표에서는 주어진 원소와 다른 핵질량을 가진 물질의 원자가 하나의 세포를 차지합니다. 위의 내용을 기반으로 동일한 물질의 이러한 품종에는 "동위원소"라는 이름이 부여되었습니다(그리스어 isos - 동일 및 topos - 장소). 그래서, 동위원소- 이들은 원자핵의 질량이 다른 주어진 화학 원소의 종류입니다.

받아들여진 중성자에 따르면 핵의 로톤 모델동위 원소의 존재를 다음과 같이 설명하십시오. 일부 물질 원자의 핵에는 다른 수의 중성자가 있지만 동일한 수의 양성자가 포함되어 있습니다. 사실, 한 원소의 동위 원소의 핵전하는 동일하므로 핵의 양성자 수는 동일합니다. 핵은 각각 질량이 다르며 다른 수의 중성자를 포함합니다.

안정 및 불안정 동위원소

동위 원소는 안정하거나 불안정합니다. 현재까지 알려진 안정 동위원소는 약 270개, 불안정 동위원소는 2000개 이상이다. 안정 동위원소품종이다 화학 원소오랫동안 독자적으로 존재할 수 있습니다.

대부분의 불안정한 동위원소인위적으로 얻었다. 불안정한 동위 원소는 방사성이며 핵은 방사성 붕괴 과정, 즉 입자 및 / 또는 방사선의 방출과 함께 다른 핵으로의 자발적인 변형의 대상입니다. 거의 모든 방사성 인공 동위원소는 매우 짧은 반감기를 가지고 있으며, 이는 초 단위로 측정되며 심지어 몇 초 단위로도 측정됩니다.

핵에는 몇 개의 동위 원소가 포함될 수 있습니까?

핵은 임의의 수의 중성자를 포함할 수 없습니다. 따라서 동위원소의 수가 제한됩니다. 양성자 수에도원소, 안정 동위 원소의 수는 10에 달할 수 있습니다. 예를 들어 주석에는 10개의 동위 원소가 있고 크세논에는 9개, 수은에는 7개의 동위 원소가 있는 식입니다.

그 요소들 양성자의 수가 홀수, 두 개의 안정 동위원소만 가질 수 있습니다. 일부 원소에는 안정 동위 원소가 하나만 있습니다. 이들은 금, 알루미늄, 인, 나트륨, 망간 등과 같은 물질입니다. 다른 원소에 대한 안정 동위원소 수의 이러한 변화는 핵의 결합 에너지에 대한 양성자와 중성자의 수의 복잡한 의존성과 관련이 있습니다.

자연의 거의 모든 물질은 동위 원소의 혼합물로 존재합니다. 물질 구성의 동위 원소 수는 물질의 유형, 원자 질량 및 주어진 화학 원소의 안정 동위 원소 수에 따라 다릅니다.

자연에서 발견되는 모든 화학 원소는 동위원소의 혼합물이라는 것이 확인되었습니다(따라서 그것들은 원자 질량의 분수를 가집니다). 동위 원소가 어떻게 다른지 이해하려면 원자의 구조를 자세히 고려할 필요가 있습니다. 원자는 핵과 전자 구름을 형성합니다. 원자의 질량은 전자 구름의 궤도에서 엄청난 속도로 움직이는 전자, 핵을 구성하는 중성자 및 양성자의 영향을 받습니다.

동위 원소 란 무엇입니까?

동위원소화학 원소의 원자 유형. 모든 원자에는 항상 같은 수의 전자와 양성자가 있습니다. 서로 반대 전하를 띠기 때문에(전자는 음수, 양성자는 양수) 원자는 항상 중성입니다(이는 소립자전하를 띠지 않으며 0과 같습니다). 전자를 잃거나 포획하면 원자는 중성을 잃고 음이온 또는 양이온이 됩니다.
중성자는 전하가 없지만 같은 원소의 원자핵에 있는 중성자의 수는 다를 수 있습니다. 이것은 원자의 중성성에 영향을 미치지 않지만 원자의 질량과 특성에는 영향을 미칩니다. 예를 들어, 수소 원자의 각 동위 원소에는 각각 하나의 전자와 하나의 양성자가 있습니다. 그리고 중성자의 수가 다릅니다. 프로튬은 중성자가 1개, 중수소는 중성자 2개, 삼중수소는 중성자가 3개입니다. 이 세 가지 동위 원소는 특성에서 서로 현저하게 다릅니다.

동위 원소의 비교

동위원소는 어떻게 다른가요? 그들은 다른 수의 중성자, 다른 질량 및 다른 속성을 가지고 있습니다. 동위 원소는 같은 구조를 가지고 있습니다 전자 껍질. 이것은 화학적 성질이 매우 유사하다는 것을 의미합니다. 따라서 주기율표에서 한 자리에 할당됩니다.
안정 및 방사성(불안정한) 동위원소는 자연에서 발견되었습니다. 방사성 동위 원소의 원자 핵은 자발적으로 다른 핵으로 변형될 수 있습니다. 방사성 붕괴 과정에서 다양한 입자를 방출합니다.
대부분의 원소에는 24개 이상의 방사성 동위 원소가 있습니다. 또한 방사성 동위 원소는 절대적으로 모든 원소에 대해 인위적으로 합성됩니다. 동위원소의 천연 혼합물에서 그 함량은 약간 변동합니다.
동위원소의 존재는 어떤 경우에는 원자량이 더 낮은 원소가 더 큰 원자량을 가진 원소보다 일련번호가 더 높은 이유를 이해할 수 있게 했습니다. 예를 들어, 아르곤-칼륨 쌍에서 아르곤은 무거운 동위 원소를 포함하고 칼륨은 가벼운 동위 원소를 포함합니다. 따라서 아르곤의 질량은 칼륨의 질량보다 큽니다.

ImGist는 서로 동위원소의 차이가 다음과 같다고 판단했습니다.

그들은 소유 다른 번호중성자.
동위원소는 다른 질량원자.
이온 원자의 질량 값은 총 에너지와 특성에 영향을 미칩니다.

기사의 내용

ISOTOPS같은 화학원소의 변종 물리화학적 성질그러나 원자량은 다릅니다. "동위원소"라는 이름은 1912년 영국의 방사성 화학자 Frederick Soddy에 의해 제안되었으며, 그리스어 단어: isos - 동일 및 topos - 장소. 동위 원소는 세포에서 같은 위치를 차지합니다. 주기율표멘델레예프의 요소.

모든 화학 원소의 원자는 양전하를 띤 핵과 이를 둘러싸고 있는 음전하를 띤 전자 구름으로 구성됩니다. 멘델레예프의 주기율표(일련 번호)에서 화학 원소의 위치는 원자핵의 전하에 의해 결정됩니다. 동위원소 따라서 호출됩니다 원자가 동일한 핵 전하 (따라서 거의 동일한 전자 껍질)를 갖지만 핵 질량 값이 다른 동일한 화학 원소의 종류. F. Soddy의 비유적 표현에 따르면 동위원소의 원자는 "외부"는 같지만 "내부"는 다릅니다.

중성자는 1932년에 발견되었습니다. – 수소 원자의 핵 질량에 가까운 질량을 가진 전하가 없는 입자 - 양성자 , 그리고 생성 핵의 양성자-중성자 모델. 결과적으로 과학에서 최종 현대적 정의동위 원소의 개념 : 동위 원소는 원자핵이 동일한 수의 양성자로 구성되고 핵의 중성자 수만 다른 물질입니다. . 각 동위 원소는 일반적으로 일련의 기호로 표시됩니다. 여기서 X는 화학 원소의 기호, Z는 원자핵의 전하(양성자 수), A는 동위 원소의 질량 수( 총 수핵자 - 핵의 양성자와 중성자, A = Z + N). 핵의 전하는 화학 원소의 기호와 명확하게 연관되어 있기 때문에 종종 A X라는 표기가 약어로 사용됩니다.

우리에게 알려진 모든 동위 원소 중 수소의 동위 원소에만 고유 한 이름이 있습니다. 따라서 2H 및 3H 동위원소는 중수소 및 삼중수소라고 하며 각각 D 및 T로 지정됩니다(1H 동위원소는 때때로 양성자라고도 함).

그들은 안정 동위 원소로 자연적으로 발생합니다. , 불안정한 - 방사성, 원자의 핵은 다양한 입자의 방출 (또는 소위 방사성 붕괴의 과정)과 함께 다른 핵으로 자발적인 변형을 겪습니다. 현재 약 270개의 안정한 동위원소가 알려져 있으며, 안정한 동위원소는 원자번호 Z Ј 83인 원소에서만 발견됩니다. 불안정한 동위원소의 수는 2000개를 초과하며 대다수가 다양한 결과로 인위적으로 얻은 것입니다. 핵반응. 많은 원소에서 방사성 동위원소의 수는 매우 많고 24개를 초과할 수 있습니다. 안정 동위원소의 수는 훨씬 적습니다. 일부 화학 원소는 단 하나의 안정 동위원소(베릴륨, 불소, 나트륨, 알루미늄, 인, 망간, 금 및 기타 여러 원소)로 구성됩니다. 가장 많은 수의 안정 동위 원소 - 10 -은 주석, 철, 예를 들어 4 개, 수은 - 7에서 발견되었습니다.

동위 원소의 발견, 역사적 배경.

1808년 영국의 자연학자 John Dalton은 화학 원소의 정의를 한 종류의 원자로 구성된 물질로 처음 도입했습니다. 1869년 화학자 DIMendeleev는 화학 원소의 주기 법칙을 발견했습니다. 주기율표의 세포에서 특정 위치를 차지하는 물질로 원소의 개념을 입증하는 데 어려움 중 하나는 실험적으로 관찰된 정수가 아닌 원소의 원자량이었습니다. 1866년 영국의 물리학자이자 화학자인 William Crookes 경은 각 천연 화학 원소는 성질은 동일하지만 원자량은 다른 물질의 혼합물이라는 가설을 제시했지만, 당시에는 그러한 가정이 아직 없었습니다. 실험적으로 확인되었으므로 거의 볼 수 없습니다.

동위 원소 발견을 향한 중요한 단계는 방사능 현상의 발견과 Ernst Rutherford와 Frederick Soddy가 공식화한 방사능 붕괴 가설이었습니다. 방사능은 원자가 하전 입자와 다른 원소의 원자로 붕괴하는 것에 불과합니다. , 원래의 것과 화학적 특성이 다릅니다. 그 결과 방사성 계열 또는 방사성 계열의 개념이 등장했습니다. , 그 시작 부분에는 방사성 인 첫 번째 부모 요소가 있고 끝 부분에는 마지막 안정 요소가 있습니다. 변환 사슬에 대한 분석은 그 과정에서 원자 질량만 다른 하나의 동일한 방사성 원소가 주기율표의 한 세포에 나타날 수 있음을 보여주었습니다. 사실 이것은 동위원소 개념의 도입을 의미했습니다.

화학 원소의 안정 동위 원소의 존재에 대한 독립적인 확인은 1912-1920년 J. J. Thomson과 Aston의 실험에서 양전하 입자 빔(또는 소위 운하 광선 ) 방전관에서 나옵니다.

1919년 Aston은 질량 분석기라는 장비를 설계했습니다. (또는 질량분석기) . 방전관은 여전히 ​​이온 소스로 사용되었지만 Aston은 전기 및 자기장입자의 초점을 유도했습니다. 같은 값화면의 동일한 지점에서 전하 대 질량 비율(속도에 관계없이). Aston과 함께 American Dempster는 같은 해에 약간 다른 디자인의 질량 분석기를 만들었습니다. 많은 연구자들의 노력으로 질량 분석기를 사용하고 개선한 결과, 1935년까지 그 당시 알려진 모든 화학 원소의 동위원소 조성에 대한 거의 완전한 표가 작성되었습니다.

동위 원소 분리 방법.

동위 원소의 특성을 연구하고 특히 과학적 및 응용 목적으로 사용하려면 다소 눈에 띄는 양으로 얻을 필요가 있습니다. 기존의 질량 분석기에서는 동위원소가 거의 완전히 분리되지만 그 수는 무시할 수 있습니다. 따라서 과학자와 엔지니어의 노력은 다른 것을 찾는 데 집중되었습니다. 가능한 방법동위 원소 분리. 먼저, 같은 원소의 동위원소의 증발속도, 평형상수, 화학반응속도 등의 성질의 차이를 바탕으로 물리화학적 분리법을 터득하였다. 그 중 가장 효과적인 것은 수소, 리튬, 붕소, 탄소, 산소 및 질소와 같은 가벼운 원소의 동위 원소의 산업 생산에 널리 사용되는 정류 및 동위 원소 교환 방법이었습니다.

또 다른 방법 그룹은 기체 확산, 열 확산, 질량 확산(증기 스트림에서의 확산) 및 원심분리와 같은 소위 분자 운동 방법에 의해 형성됩니다. 고도로 분산된 다공성 매질에서 동위원소 성분의 다양한 확산 속도에 기반한 기체 확산 방법은 2차 세계 대전 중에 조직화하기 위해 사용되었습니다. 산업 생산품이른바 맨해튼 프로젝트의 틀에서 미국의 우라늄 동위원소 분리 원자 폭탄. 을 받다 필요한 수량원자 폭탄의 주요 "가연성"구성 요소 인 가벼운 동위 원소 235 U로 90 %까지 농축 된 우라늄은 약 4 천 헥타르의 면적을 차지하는 식물이 건설되었습니다. 농축 우라늄 생산 공장을 갖춘 원자 중심 건설을 위해 20억 달러 이상이 할당되었습니다. 전쟁 후, 분리의 확산 방법에 기반한 군사 목적의 농축 우라늄 생산 공장이 개발되었으며, 소련에서 건설되었습니다. 에 지난 몇 년이 방법은 보다 효율적이고 비용이 적게 드는 원심분리 방법으로 바뀌었습니다. 이 방법에서 동위원소 혼합물의 분리 효과는 위와 아래에서 제한된 얇은 벽의 실린더인 원심분리기 로터를 채우는 동위원소 혼합물의 성분에 대한 원심력의 다른 작용으로 인해 달성되며 아주 고속~에 진공 챔버. 캐스케이드로 연결된 수십만 개의 원심 분리기, 각각의 로터는 초당 1,000회 이상 회전하며 현재 러시아 및 기타 선진국의 현대식 분리 공장에서 사용됩니다. 원심분리기는 단지 작동에 필요한 농축 우라늄을 얻는 것 이상의 용도로 사용됩니다. 원자로원자력 발전소뿐만 아니라 주기율표 중간 부분의 약 30개 화학 원소의 동위 원소 생산에도 사용됩니다. 다양한 동위 원소의 분리를 위해 강력한 이온 소스를 가진 전자기 분리 플랜트도 사용되며 최근에는 레이저 방법분리.

동위 원소의 사용.

다양한 화학 원소의 동위 원소가 널리 사용됩니다. 과학적 연구, 산업 및 농업의 다양한 분야에서 원자력, 현대 생물학 및 의학, 연구 환경및 기타 지역. 과학적 연구(예: 화학 분석)에서는 일반적으로 다양한 원소의 소량의 희귀 동위원소가 필요하며 연간 그램 및 밀리그램 단위로 계산됩니다. 동시에 원자력 공학, 의약 및 기타 산업에서 널리 사용되는 많은 동위 원소의 경우 생산에 대한 필요성이 수 킬로그램 및 심지어 톤이 될 수 있습니다. 따라서 원자로에서 중수 D 2 O 사용과 관련하여 지난 세기의 1990 년대 초까지의 전 세계 생산량은 연간 약 5000 톤이었습니다. 중수의 일부인 수소 동위 원소 중수소는 수소의 자연 혼합물에서 농도가 0.015 %에 불과하며 과학자들에 따르면 미래에 삼중 수소와 함께 작동하는 전력 열핵 원자로의 주요 연료 구성 요소가 될 것입니다 핵융합 반응을 기반으로. 이 경우 수소 동위원소 생산의 필요성이 엄청날 것입니다.

과학적 연구에서 안정 및 방사성 동위 원소는 자연에서 발생하는 다양한 과정의 연구에서 동위 원소 지표 (라벨)로 널리 사용됩니다.

에 농업동위원소("표지된" 원자)는 예를 들어 광합성 과정, 비료의 소화율을 연구하고 식물이 질소, 인, 칼륨, 미량 원소 및 기타 물질을 사용하는 효율성을 결정하는 데 사용됩니다.

동위 원소 기술은 의학에서 널리 사용됩니다. 따라서 미국에서는 통계에 따르면 하루에 36,000 건 이상의 의료 절차가 수행되고 동위 원소를 사용하여 약 1 억 개의 실험실 테스트가 수행됩니다. 컴퓨터 단층 촬영과 관련된 가장 일반적인 절차. 99%까지 농축된 탄소 동위원소 C13(천연 함량 약 1%)은 소위 "호흡의 진단적 제어"에 적극적으로 사용됩니다. 테스트의 본질은 매우 간단합니다. 농축 동위원소는 환자의 음식에 도입되고 신체의 여러 기관에서 대사 과정에 참여한 후 환자가 내쉬는 이산화탄소 CO 2 로 방출되며, 이는 분광계를 사용하여 수집 및 분석됩니다. 동위 원소 C 13으로 표지된 다양한 양의 이산화탄소 방출과 관련된 과정의 속도 차이는 환자의 다양한 기관의 상태를 판단하는 것을 가능하게 합니다. 미국에서 이 검사를 받을 환자의 수는 연간 500만 명으로 추산됩니다. 이제 레이저 분리 방법이 산업적 규모로 고농축 C 13 동위원소를 생산하는 데 사용됩니다.

블라디미르 즈다노프

XX 세기의 첫 10 년 동안 과학자들은 방사능 현상을 연구했습니다. 많은 수의 방사성 물질 - 약 40을 발견했습니다. 비스무트와 우라늄 사이의 간격에서 원소 주기율표의 자유 장소보다 훨씬 더 많았습니다. 이러한 물질의 성질은 논란의 여지가 있습니다. 일부 연구자들은 그것들을 독립적인 화학 원소로 간주했지만, 이 경우 주기율표에 배치하는 문제는 불용성으로 판명되었습니다. 다른 사람들은 일반적으로 고전적인 의미에서 요소라고 부를 권리를 거부했습니다. 1902년에 영국 물리학자 D. Martin은 그러한 물질을 방사성 원소라고 불렀습니다. 그들이 연구되면서 일부 무선 요소는 정확히 동일한 것으로 밝혀졌습니다. 화학적 특성, 그러나 크기가 다릅니다 원자 질량. 이 상황은 기본 원칙에 위배되었습니다. 주기율법. 영국 과학자 F. Soddy는 그 모순을 해결했습니다. 1913년에 그는 화학적으로 유사한 방사성 원소 동위원소("동일한" 및 "장소"를 의미하는 그리스어 단어에서 유래), 즉 주기율표에서 같은 위치를 차지하는 동위원소를 불렀습니다. 방사성 원소는 천연 방사성 원소의 동위 원소로 밝혀졌습니다. 그들 모두는 토륨과 우라늄의 동위원소를 조상으로 하는 3개의 방사성 계열로 결합됩니다.

산소의 동위 원소. 칼륨과 아르곤의 등압선(등압선은 동일한 질량 수를 가진 다른 원소의 원자입니다).

짝수 및 홀수 원소에 대한 안정 동위 원소의 수.

곧 다른 안정한 화학 원소에도 동위원소가 있다는 것이 분명해졌습니다. 그들의 발견의 주요 장점은 영국 물리학자 F. Aston에 속합니다. 그는 많은 원소에서 안정 동위 원소를 발견했습니다.

와 함께 현대적인 포인트동위 원소는 화학 원소의 다양한 원자입니다. 원자 질량은 다르지만 핵 전하가 같습니다.

따라서 그들의 핵에는 같은 숫자양성자, 그러나 다른 번호중성자. 예를 들어, Z = 8인 천연 산소 동위 원소는 핵에 각각 8, 9, 10개의 중성자를 포함합니다. 동위 원소의 핵에 있는 양성자와 중성자 수의 합을 질량 수 A라고 합니다. 따라서 표시된 산소 동위 원소의 질량 수는 16, 17 및 18입니다. 이제 다음과 같은 동위 원소 지정이 허용됩니다. 값은 요소 기호의 왼쪽 하단에 지정되고 A 값은 왼쪽 상단에 지정됩니다(예: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O).

인공 방사능 현상이 발견된 후 Z가 1에서 110인 원소에 대한 핵반응을 통해 약 1800개의 인공 방사성 동위원소가 얻어졌습니다. 소수만이 상대적으로 더 긴 기간수명(예: 10 Be - 2.7 10 6년, 26 Al - 8 10 5년 등).

안정 원소는 약 280개의 동위원소와 함께 자연에 존재합니다. 그러나 그들 중 일부는 반감기가 큰 약간 방사성으로 밝혀졌습니다(예: 40K, 87 Rb, 138 La, 147 Sm, 176 Lu, 187 Re). 이러한 동위원소의 수명은 매우 길어서 안정하다고 간주될 수 있습니다.

안정 동위원소의 세계에는 여전히 많은 문제가 있습니다. 따라서 서로 다른 요소의 수가 왜 그렇게 많이 다른지 명확하지 않습니다. 안정한 원소(Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au)의 약 25%가 자연은 오직 한 종류의 원자. 이들은 소위 단일 요소입니다. 흥미롭게도 Be를 제외한 모든 원소의 Z 값이 홀수인데, 일반적으로 홀수 원소의 안정 동위원소는 2개를 넘지 않습니다. 반대로 Z가 짝수인 일부 요소는 다음으로 구성됩니다. 큰 수동위원소(예: Xe는 9개, Sn - 10개의 안정 동위원소를 가짐).

주어진 원소의 안정 동위 원소 집합을 은하라고 합니다. 은하계에서 그들의 함량은 종종 크게 변동합니다. 4의 배수(12C, 16O, 20Ca 등)인 질량수를 가진 동위원소가 가장 많다는 점에 주목하는 것은 흥미롭지만, 이 규칙에는 예외가 있습니다.

안정 동위 원소의 발견은 원자 질량의 장기 미스터리를 풀 수 있게 해주었습니다. 즉, 은하에 있는 원소의 안정 동위 원소 비율이 다르기 때문에 정수와의 편차가 있습니다.

에 핵 물리학"등압선"의 개념이 알려져 있습니다. 등압선은 다양한 원소의 동위원소라고 합니다(즉, 다른 값 Z) 동일한 질량수를 갖는다. 등압선에 대한 연구는 원자핵의 거동과 특성에서 많은 중요한 규칙성을 확립하는 데 기여했습니다. 이러한 규칙성 중 하나는 소비에트 화학자 S. A. Shchukarev와 예멘 물리학자 I. Mattauch가 공식화한 규칙으로 표현됩니다. 그것은 말합니다 : 두 개의 등압선이 Z 값이 1만큼 다르면 그 중 하나는 반드시 방사성이 될 것입니다. 한 쌍의 동위 원소의 전형적인 예는 40 18 Ar - 40 19 K입니다. 그 안에 있는 칼륨 동위원소는 방사성입니다. Shchukarev-Mattauch 규칙을 통해 테크네튬(Z = 43)과 프로메튬(Z = 61) 원소에 안정 동위원소가 없는 이유를 설명할 수 있었습니다. 그들은 홀수 Z 값을 가지고 있기 때문에 두 개 이상의 안정 동위 원소를 기대할 수 없습니다. 그러나 테크네튬과 프로메튬의 동위원소는 각각 몰리브덴(Z = 42)과 루테늄(Z = 44), 네오디뮴(Z = 60) 및 사마륨(Z = 62)의 동위원소로 자연에서 다음과 같이 표시됩니다. 광범위한 질량수에서 안정한 종류의 원자. 따라서 물리 법칙은 테크네튬과 프로메튬의 안정 동위원소의 존재를 금지합니다. 그렇기 때문에 이러한 원소는 실제로 자연에 존재하지 않으며 인위적으로 합성해야 했습니다.

과학자들은 오랫동안 동위원소의 주기적인 시스템을 개발하기 위해 노력해 왔습니다. 물론 원소 주기율표의 기초가 아닌 다른 원리에 기초한 것이다. 그러나 이러한 시도는 아직 만족스러운 결과로 이어지지 않았습니다. 사실, 물리학자들은 양성자와 중성자 껍질을 채우는 순서를 증명했습니다. 원자핵원칙적으로 이것은 원자의 전자 껍질 및 하위 껍질의 구성과 유사합니다(Atom 참조).

주어진 원소의 동위 원소의 전자 껍질은 정확히 같은 방식으로 만들어집니다. 따라서 화학적 및 물리적 특성은 거의 동일합니다. 수소의 동위 원소(양자 및 중수소)와 그 화합물만이 특성에서 눈에 띄는 차이를 보입니다. 예를 들어, 중수(D 2 O)는 +3.8에서 얼고, 101.4°C에서 끓고, 밀도가 1.1059g/cm 3이며, 동물 및 식물 유기체의 생명을 지원하지 않습니다. 물이 수소와 산소로 전기분해되는 동안 H 2 O 분자는 주로 분해되는 반면 중수 분자는 전해조에 남아 있습니다.

다른 원소의 동위 원소를 분리하는 것은 매우 어려운 작업입니다. 그러나 많은 경우 동위원소가 필요합니다. 개별 요소자연 함량에 비해 상당한 변화가 있습니다. 예를 들어, 원자력 문제를 해결할 때 동위 원소 235U와 238U를 분리해야 하는 필요성이 생겼습니다. 이를 위해 질량 분석법이 먼저 적용되었으며, 이를 통해 첫 번째 킬로그램의 우라늄-235를 얻었습니다. 1944년 미국. 그러나 이 방법은 비용이 너무 많이 들어 UF 6 을 사용하는 기체 확산 방법으로 대체되었습니다. 이제 동위 원소를 분리하는 몇 가지 방법이 있지만 모두 매우 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 그럼에도 불구하고 '분리할 수 없는 것의 분리' 문제는 성공적으로 해결되고 있다.

동위 원소의 화학이라는 새로운 과학 분야가 나타났습니다. 그것은 화학 원소의 다양한 동위 원소의 거동을 연구합니다. 화학 반응및 동위원소 교환 과정. 이러한 과정의 결과, 주어진 원소의 동위 원소는 반응 물질 사이에 재분배됩니다. 여기 가장 간단한 예: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (물 분자는 양성자 원자를 중수소 원자로 교환함). 동위 원소의 지구 화학도 발전하고 있습니다. 그것은 지각에 있는 다양한 원소의 동위원소 구성의 변동을 조사합니다.

가장 널리 사용되는 것은 소위 표지 된 원자 - 안정한 원소 또는 안정한 동위 원소의 인공 방사성 동위 원소입니다. 원자로 표시된 동위 원소 표시기의 도움으로 무생물과 살아있는 자연의 요소 이동 방식, 다양한 물체의 물질 및 요소 분포의 특성을 연구합니다. 동위원소는 원자력 기술에 사용됩니다. 핵연료(토륨, 우라늄, 플루토늄의 동위원소); 열핵 융합 (중수소, 6 Li, 3 He). 방사성 동위원소도 방사선원으로 널리 사용됩니다.