Pat senie filozofi ierosināja, ka matērija ir veidota no atomiem. Taču to, ka paši Visuma “ķieģeļi” sastāv no mazākajām daļiņām, zinātnieki sāka minēt tikai 19. un 20. gadsimta mijā. Eksperimenti, kas to pierāda, savā laikā radīja īstu revolūciju zinātnē. Tā ir proporcija sastāvdaļas atšķir vienu ķīmisko elementu no cita. Katram no tiem ir sava vieta atbilstoši sērijas numuram. Bet ir dažādi atomi, kas tabulā ieņem vienas un tās pašas šūnas, neskatoties uz masas un īpašību atšķirībām. Kāpēc tas tā ir un kādi izotopi ir ķīmijā, tiks apspriesti vēlāk.

Atoms un tā daļiņas

Pētot matērijas struktūru, bombardējot ar alfa daļiņām, E. Raterfords 1910. gadā pierādīja, ka atoma galvenā telpa ir piepildīta ar tukšumu. Un tikai centrā ir kodols. Negatīvie elektroni pārvietojas pa orbītām ap to, veidojot šīs sistēmas apvalku. Tā tas tika izveidots planētu modelis matērijas "ķieģeļi".

Kas ir izotopi? Atceries no ķīmijas kursa, ka arī kodolam ir sarežģīta struktūra. Tas sastāv no pozitīviem protoniem un neuzlādētiem neitroniem. Pirmo skaits nosaka ķīmiskā elementa kvalitatīvās īpašības. Tas ir protonu skaits, kas atšķir vielas vienu no otras, piešķirot to kodoliem noteiktu lādiņu. Un, pamatojoties uz to, viņiem periodiskajā tabulā tiek piešķirts sērijas numurs. Bet neitronu skaits vienā un tajā pašā ķīmiskajā elementā tos atšķir izotopos. Definīcija ķīmijā šo koncepciju tāpēc var sniegt sekojošo. Tie ir atomu veidi, kas atšķiras pēc kodola sastāva, kuriem ir vienāds lādiņš un sērijas numuri, bet tiem ir atšķirīgi masas skaitļi, jo atšķiras neitronu skaits.

Apzīmējums

Apgūstot ķīmiju 9. klasē un izotopus, skolēni uzzinās par pieņemtajiem leģenda. Burts Z apzīmē kodola lādiņu. Šis skaitlis sakrīt ar protonu skaitu un tāpēc ir to rādītājs. Šo elementu ar neitroniem summa, kas apzīmēta ar zīmi N, ir A - masas skaitlis. Vienas vielas izotopu saimi, kā likums, norāda šī ķīmiskā elementa ikona, kas periodiskajā tabulā ir apveltīta ar sērijas numuru, kas atbilst protonu skaitam tajā. Kreisais augšraksts, kas pievienots norādītajai ikonai, atbilst masas skaitlim. Piemēram, 238 U. Elementa (šajā gadījumā urāna, kas apzīmēts ar kārtas numuru 92) lādiņš ir norādīts ar līdzīgu indeksu zemāk.

Zinot šos datus, var viegli aprēķināt neitronu skaitu noteiktā izotopā. Tas ir vienāds ar masas skaitli, no kura atņemts sērijas numurs: 238 - 92 \u003d 146. Neitronu skaits varētu būt mazāks, no tā šis ķīmiskais elements nepārstātu būt par urānu. Jāpiebilst, ka visbiežāk citās, vienkāršākās vielās protonu un neitronu skaits ir aptuveni vienāds. Šāda informācija palīdz saprast, kas ir izotops ķīmijā.

Nukleoni

Tas ir protonu skaits, kas piešķir noteiktam elementam individualitāti, un neitronu skaits to nekādi neietekmē. Bet atomu masu veido šie divi norādītie elementi, kuriem ir parastais nosaukums"nukleoni", kas attēlo to summu. Tomēr šis rādītājs nav atkarīgs no tiem, kas veido atoma negatīvi lādēto apvalku. Kāpēc? Ir vērts vienkārši salīdzināt.

Protona masas daļa atomā ir liela un ir aptuveni 1 AU. u m vai 1,672 621 898 (21) 10 -27 kg. Neitrons ir tuvu šīs daļiņas parametriem (1.674 927 471(21) 10 -27 kg). Bet elektrona masa ir tūkstošiem reižu mazāka, tā tiek uzskatīta par niecīgu un netiek ņemta vērā. Tieši tāpēc, zinot elementa virsrakstu ķīmijā, nav grūti noskaidrot izotopu kodola sastāvu.

Ūdeņraža izotopi

Atsevišķu elementu izotopi dabā ir tik labi zināmi un izplatīti, ka ir ieguvuši savus nosaukumus. Skaidrākais un vienkāršākais piemērs tam ir ūdeņradis. IN vivo tas ir sastopams visbagātākajā šķirnē protium. Šī elementa masas skaitlis ir 1, un tā kodols sastāv no viena protona.

Tātad, kas ir ūdeņraža izotopi ķīmijā? Kā zināms, šīs vielas atomi ir ar pirmo numuru periodiskajā tabulā un attiecīgi dabā ir apveltīti ar lādiņa skaitli 1. Bet neitronu skaits atoma kodolā tiem ir atšķirīgs. Deiterijam, kas ir smagais ūdeņradis, papildus protonam kodolā ir vēl viena daļiņa, tas ir, neitrons. Tā rezultātā šī viela izrāda savu fizikālās īpašības, atšķirībā no protija, tam ir savs svars, kušanas temperatūra un viršanas temperatūra.

Tritijs

Tritijs ir vissarežģītākais no visiem. Tas ir supersmags ūdeņradis. Saskaņā ar izotopu definīciju ķīmijā, tā ir maksas numurs 1, bet masas skaitlis ir 3. To mēdz dēvēt par tritonu, jo papildus vienam protonam tā kodolā ir divi neitroni, tas ir, sastāv no trim elementiem. Šī elementa nosaukums, ko 1934. gadā atklāja Raterfords, Olifants un Harteks, tika ierosināts jau pirms tā atklāšanas.

Tā ir nestabila viela ar radioaktīvām īpašībām. Tā kodolam ir spēja sadalīties, atbrīvojoties beta daļiņai un elektronu antineitrīnam. Šīs vielas sabrukšanas enerģija nav ļoti augsta un sasniedz 18,59 keV. Tāpēc šāds starojums nav pārāk bīstams cilvēkiem. No tā var pasargāt parasts apģērbs un ķirurģiskie cimdi. Un šis ar pārtiku iegūtais radioaktīvais elements ātri izdalās no organisma.

Urāna izotopi

Daudz bīstamāks dažādi veidi urāns, no kuriem šodien zinātnei ir zināmi 26. Tāpēc, runājot par to, kādi izotopi ir ķīmijā, nevar nepieminēt šo elementu. Neskatoties uz urāna veidu dažādību, dabā sastopami tikai trīs tā izotopi. Tajos ietilpst 234 U, 235 U, 238 U. Pirmais no tiem, kam piemērotas īpašības, tiek aktīvi izmantots kā degviela kodolreaktoros. Un pēdējais - plutonija-239 ražošanai, kas savukārt pats par sevi ir neaizstājams kā visvērtīgākā degviela.

Katram radioaktīvajam elementam ir raksturīgs savs, tas ir laika ilgums, kurā viela sadalās proporcijā ½. Tas ir, šī procesa rezultātā vielas konservētās daļas daudzums tiek samazināts uz pusi. Šis laika posms urānam ir milzīgs. Piemēram, izotopam-234 tas tiek lēsts uz 270 tūkstošiem gadu, bet pārējām divām norādītajām šķirnēm tas ir daudz nozīmīgāks. Rekordiskais pussabrukšanas periods ir urāna-238, kas ilgst miljardus gadu.

Nuklīdi

Ne katrs no atomu veidiem, ko raksturo savs un stingri noteiktu skaitli protoniem un elektroniem, ir tik stabils, ka ir vismaz kāds ilgs periods, kas ir pietiekams tā izpētei. Tos, kas ir relatīvi stabili, sauc par nuklīdiem. Šāda veida stabili veidojumi nepakļaujas radioaktīvai sabrukšanai. Nestabīlos sauc par radionuklīdiem un, savukārt, iedala arī īslaicīgos un ilgmūžīgos. Kā zināms no 11. klases ķīmijas stundām par izotopu atomu uzbūvi, osmijā un platīnā ir vislielākais radionuklīdu skaits. Kobaltam un zeltam ir pa vienam stabilam, un lielākais skaits stabili nuklīdi alvā.

Izotopa sērijas numura aprēķins

Tagad mēģināsim apkopot iepriekš aprakstīto informāciju. Kad esat sapratis, kas ir izotopi ķīmijā, ir pienācis laiks izdomāt, kā iegūtās zināšanas izmantot. Apsveriet to konkrēts piemērs. Pieņemsim, ka ir zināms, ka noteikta ķīmiskā elementa masas skaitlis ir 181. Tajā pašā laikā dotās vielas atoma apvalks satur 73 elektronus. Kā, izmantojot periodisko tabulu, var uzzināt nosaukumu dotais elements, kā arī protonu un neitronu skaitu tā kodolā?

Sāksim risināt problēmu. Vielas nosaukumu var noteikt, zinot tās sērijas numuru, kas atbilst protonu skaitam. Tā kā pozitīvo un negatīvo lādiņu skaits atomā ir vienāds, tas ir 73. Tātad tas ir tantals. Turklāt kopējais nukleonu skaits kopā ir 181, kas nozīmē, ka šī elementa protoni ir 181 - 73 = 108. Pavisam vienkārši.

Gallija izotopi

Elementa gallija atomu skaits ir 71. Dabā šai vielai ir divi izotopi - 69 Ga un 71 Ga. Kā noteikt gallija šķirņu procentuālo daudzumu?

Izotopu problēmu risināšana ķīmijā gandrīz vienmēr ir saistīta ar informāciju, ko var iegūt no periodiskās tabulas. Šoreiz jums vajadzētu darīt to pašu. No norādītā avota noteiksim vidējo atommasu. Tas ir vienāds ar 69,72. Apzīmējot x un y pirmā un otrā izotopu kvantitatīvo attiecību, mēs ņemam to summu, kas vienāda ar 1. Tātad vienādojuma veidā tiks uzrakstīts: x + y = 1. No tā izriet, ka 69x + 71y = 69.72. Izsakot y ar x un aizstājot pirmo vienādojumu ar otro, mēs iegūstam, ka x = 0,64 un y = 0,36. Tas nozīmē, ka 69 Ga dabā ir 64%, bet 71 Ga procentuālais daudzums ir 34%.

Izotopu pārvērtības

Izotopu radioaktīvā sadalīšanās ar to pārveidi citos elementos ir sadalīta trīs galvenajos veidos. Pirmais no tiem ir alfa sabrukšana. Tas notiek, izdalot daļiņu, kas ir hēlija atoma kodols. Tas ir, šis veidojums, kas sastāv no neitronu un protonu pāru kopas. Tā kā pēdējās numurs nosaka vielas lādiņa numuru un atoma skaitu periodiskajā sistēmā, šī procesa rezultātā notiek viena elementa kvalitatīva pārvēršanās citā, un tabulā tas nobīdās pa kreisi. ar divām šūnām. Šajā gadījumā elementa masas skaitlis tiek samazināts par 4 vienībām. Mēs to zinām no izotopu atomu struktūras.

Kad atoma kodols zaudē beta daļiņu, kas būtībā ir elektrons, tā sastāvs mainās. Viens no neitroniem tiek pārveidots par protonu. Tas nozīmē, ka vielas kvalitatīvās īpašības atkal mainās, un elements tabulā tiek nobīdīts par vienu šūnu pa labi, praktiski nezaudējot masu. Parasti šāda transformācija ir saistīta ar elektromagnētisko gamma starojumu.

Rādija izotopu konversija

Iepriekš minētā informācija un zināšanas no 11. klases ķīmijas par izotopiem atkal palīdz risināt praktiskas problēmas. Piemēram: 226 Ra sabrukšanas laikā pārvēršas par IV grupas ķīmisko elementu, kura masas skaitlis ir 206. Cik alfa un beta daļiņu tam vajadzētu zaudēt šajā gadījumā?

Ņemot vērā meitas elementa masas un grupas izmaiņas, izmantojot periodisko tabulu, ir viegli noteikt, ka skaldīšanas laikā izveidojies izotops būs svins ar lādiņu 82 un masas skaitli 206. Un ņemot vērā lādiņa numuru No šī elementa un sākotnējā rādija, jāpieņem, ka tā kodols zaudēja piecas alfa daļiņas un četras beta daļiņas.

Radioaktīvo izotopu izmantošana

Ikviens labi zina, kādu kaitējumu radioaktīvais starojums var nodarīt dzīviem organismiem. Tomēr radioaktīvo izotopu īpašības ir noderīgas cilvēkiem. Tos veiksmīgi izmanto daudzās nozarēs. Ar to palīdzību ir iespējams atklāt noplūdes inženiertehniskajās un būvkonstrukcijās, pazemes cauruļvados un naftas cauruļvados, uzglabāšanas tvertnes, siltummaiņi elektrostacijās.

Šīs īpašības tiek aktīvi izmantotas arī zinātniskos eksperimentos. Piemēram, cetse muša ir daudzu nopietnu slimību pārnēsātājs cilvēkiem, mājlopiem un mājdzīvniekiem. Lai to novērstu, šo kukaiņu tēviņi tiek sterilizēti ar vāju radioaktīvo starojumu. Izotopi ir neaizstājami arī dažu ķīmisko reakciju mehānismu izpētē, jo šo elementu atomi var iezīmēt ūdeni un citas vielas.

Bioloģiskajos pētījumos bieži izmanto arī iezīmētos izotopus. Piemēram, šādā veidā tika noskaidrots, kā fosfors ietekmē augsni, augšanu un attīstību kultivētie augi. Ar panākumiem izotopu īpašības tiek izmantotas arī medicīnā, kas ļāva ārstēt vēža audzēji un citi smaga slimība, noteikt bioloģisko organismu vecumu.

Pētot radioaktīvo elementu īpašības, tika konstatēts, ka vienā ķīmiskajā elementā var atrast atomi ar dažādu kodolmasu. Tajā pašā laikā tiem ir vienāds kodollādiņš, tas ir, tie nav trešo pušu vielu piemaisījumi, bet gan viena un tā pati viela.

Kas ir izotopi un kāpēc tie pastāv

Mendeļejeva periodiskajā sistēmā gan dots elements, gan vielas atomi ar atšķirīgu kodola masu aizņem vienu šūnu. Pamatojoties uz iepriekš minēto, šādām vienas un tās pašas vielas šķirnēm tika dots nosaukums "izotopi" (no grieķu valodas isos - tas pats un topos - vieta). Tātad, izotopi- tās ir noteikta ķīmiskā elementa šķirnes, kas atšķiras pēc atomu kodolu masas.

Saskaņā ar pieņemto neitronu kodola rotona modelis izotopu esamību izskaidro šādi: dažu vielas atomu kodolos ir atšķirīgs neitronu skaits, bet vienāds protonu skaits. Faktiski viena elementa izotopu kodollādiņš ir vienāds, tāpēc protonu skaits kodolā ir vienāds. Kodoli atšķiras pēc masas, tajos ir atšķirīgs neitronu skaits.

Stabili un nestabili izotopi

Izotopi ir stabili vai nestabili. Līdz šim ir zināmi aptuveni 270 stabili un vairāk nekā 2000 nestabili izotopi. stabili izotopi ir šķirnes ķīmiskie elementi kas var pastāvēt patstāvīgi ilgu laiku.

Lielākā daļa nestabili izotopi tika iegūts mākslīgi. Nestabili izotopi ir radioaktīvi, to kodoli ir pakļauti radioaktīvās sabrukšanas procesam, tas ir, spontānai pārvēršanai citos kodolos, ko pavada daļiņu emisija un / vai starojums. Gandrīz visiem radioaktīvajiem mākslīgajiem izotopiem ir ļoti īss pussabrukšanas periods, ko mēra sekundēs un pat sekunžu daļās.

Cik izotopu var saturēt kodols

Kodols nevar saturēt patvaļīgu neitronu skaitu. Attiecīgi izotopu skaits ir ierobežots. Pat protonu skaitā elementiem, stabilo izotopu skaits var sasniegt desmit. Piemēram, alvai ir 10 izotopi, ksenonam – 9, dzīvsudrabam – 7 utt.

Tie elementi protonu skaits ir nepāra, var būt tikai divi stabili izotopi. Dažiem elementiem ir tikai viens stabils izotops. Tās ir tādas vielas kā zelts, alumīnijs, fosfors, nātrijs, mangāns un citas. Šādas dažādu elementu stabilo izotopu skaita variācijas ir saistītas ar sarežģītu protonu un neitronu skaita atkarību no kodola saistīšanās enerģijas.

Gandrīz visas vielas dabā pastāv kā izotopu maisījums. Izotopu skaits vielas sastāvā ir atkarīgs no vielas veida, atommasas un noteiktā ķīmiskā elementa stabilo izotopu skaita.

Ir noskaidrots, ka katrs dabā sastopamais ķīmiskais elements ir izotopu maisījums (tātad tiem ir daļēja atomu masa). Lai saprastu, kā izotopi atšķiras viens no otra, ir detalizēti jāapsver atoma struktūra. Atoms veido kodolu un elektronu mākoni. Atoma masu ietekmē elektroni, kas ar pārsteidzošu ātrumu pārvietojas elektronu mākoņa orbītā, neitroni un protoni, kas veido kodolu.

Kas ir izotopi

izotopiĶīmiskā elementa atoma veids. Jebkurā atomā vienmēr ir vienāds skaits elektronu un protonu. Tā kā tiem ir pretēji lādiņi (elektroni ir negatīvi un protoni ir pozitīvi), atoms vienmēr ir neitrāls (tas elementārdaļiņa nav lādiņa, tas ir vienāds ar nulli). Kad elektrons tiek zaudēts vai notverts, atoms zaudē savu neitralitāti, kļūstot par negatīvu vai pozitīvu jonu.
Neitroniem nav lādiņa, bet to skaits viena un tā paša elementa atoma kodolā var būt atšķirīgs. Tas neietekmē atoma neitralitāti, bet ietekmē tā masu un īpašības. Piemēram, katram ūdeņraža atoma izotopam ir viens elektrons un viens protons. Un neitronu skaits ir atšķirīgs. Protijam ir tikai 1 neitroni, deitērijam ir 2 neitroni, bet tritijam ir 3 neitroni. Šie trīs izotopi pēc īpašībām ievērojami atšķiras viens no otra.

Izotopu salīdzinājums

Kā atšķiras izotopi? Viņiem ir atšķirīgs neitronu skaits, dažādas masas un dažādas īpašības. Izotopiem ir tāda pati struktūra elektronu čaulas. Tas nozīmē, ka tiem ir diezgan līdzīgas ķīmiskās īpašības. Tāpēc periodiskajā sistēmā viņiem tiek piešķirta viena vieta.
Dabā ir atrasti stabili un radioaktīvi (nestabīli) izotopi. Radioaktīvo izotopu atomu kodoli spēj spontāni pārveidoties citos kodolos. Radioaktīvās sabrukšanas procesā tie izdala dažādas daļiņas.
Lielākajai daļai elementu ir vairāk nekā divi desmiti radioaktīvo izotopu. Turklāt radioaktīvie izotopi tiek mākslīgi sintezēti absolūti visiem elementiem. Dabiskā izotopu maisījumā to saturs nedaudz svārstās.
Izotopu esamība ļāva saprast, kāpēc dažos gadījumos elementiem ar mazāku atommasu ir lielāks sērijas numurs nekā elementiem ar lielāku atommasu. Piemēram, argona-kālija pārī argons ietver smagos izotopus, bet kālijs ietver vieglos izotopus. Tāpēc argona masa ir lielāka nekā kālija masa.

ImGist noteica, ka atšķirība starp izotopiem viens no otra ir šāda:

Viņiem pieder atšķirīgs numurs neitroni.
Izotopiem ir dažāda masa atomi.
Jonu atomu masas vērtība ietekmē to kopējo enerģiju un īpašības.

Raksta saturs

ISOTOPS Viena un tā paša ķīmiskā elementa šķirnes, kas savā ziņā ir līdzīgas fizikālās un ķīmiskās īpašības bet ar dažādām atomu masām. Nosaukumu "izotopi" 1912. gadā ierosināja angļu radioķīmiķis Frederiks Sodijs, kurš to izveidoja no diviem Grieķu vārdi: isos - tas pats un topos - vieta. Izotopi šūnā ieņem vienu un to pašu vietu periodiska sistēma Mendeļejeva elementi.

Jebkura ķīmiskā elementa atoms sastāv no pozitīvi lādēta kodola un negatīvi lādētu elektronu mākoņa, kas to ieskauj. Ķīmiskā elementa atrašanās vietu Mendeļejeva periodiskajā sistēmā (tā kārtas numurs) nosaka tā atomu kodola lādiņš. izotopi tāpēc tiek saukti viena un tā paša ķīmiskā elementa šķirnes, kuru atomiem ir vienāds kodollādiņš (un līdz ar to gandrīz vienādi elektronu apvalki), bet atšķiras pēc kodola masas vērtībām. Saskaņā ar F. Soddy tēlaino izteicienu izotopu atomi ir vienādi "ārpus", bet atšķirīgi "iekšā".

Neitrons tika atklāts 1932. gadā – daļiņa, kurai nav lādiņa, kuras masa ir tuvu ūdeņraža atoma kodola masai - protons , un radīja kodola protonu-neitronu modelis. Rezultātā zinātnē fināls mūsdienu definīcija izotopi: izotopi ir vielas, kuru atomu kodoli sastāv no vienāda skaita protonu un atšķiras tikai ar neitronu skaitu kodolā . Katru izotopu parasti apzīmē ar simbolu kopu, kur X ir ķīmiskā elementa simbols, Z ir atoma kodola lādiņš (protonu skaits), A ir izotopa masas skaitlis ( kopējais skaits nukleoni - protoni un neitroni kodolā, A = Z + N). Tā kā kodola lādiņš ir viennozīmīgi saistīts ar ķīmiskā elementa simbolu, bieži vien apzīmējumu A X izmanto vienkārši saīsinājumam.

No visiem mums zināmajiem izotopiem tikai ūdeņraža izotopiem ir savi nosaukumi. Tādējādi 2H un 3H izotopus sauc par deitēriju un tritiju un attiecīgi apzīmē D un T (1H izotopu dažreiz sauc par protiju).

Dabā tie sastopami kā stabili izotopi. , un nestabils - radioaktīvs, kura atomu kodoli ir pakļauti spontānai pārvēršanai citos kodolos ar dažādu daļiņu emisiju (vai tā sauktās radioaktīvās sabrukšanas procesiem). Šobrīd zināmi aptuveni 270 stabilie izotopi, un stabilie izotopi ir sastopami tikai elementos ar atomskaitli Z Ј 83. Nestabilu izotopu skaits pārsniedz 2000, lielākā daļa no tiem iegūti mākslīgi dažādu izotopu rezultātā. kodolreakcijas. Radioaktīvo izotopu skaits daudzos elementos ir ļoti liels un var pārsniegt divus desmitus. Stabilo izotopu skaits ir daudz mazāks.Daži ķīmiskie elementi sastāv tikai no viena stabila izotopa (berilijs, fluors, nātrijs, alumīnijs, fosfors, mangāns, zelts un virkne citu elementu). Visvairāk stabilo izotopu - 10 - tika atrasts alvā, piemēram, dzelzē tie ir 4, bet dzīvsudrabā - 7.

Izotopu atklāšana, vēsturiskais fons.

1808. gadā angļu dabaszinātnieks Džons Daltons pirmo reizi ieviesa ķīmiskā elementa definīciju kā vielu, kas sastāv no viena veida atomiem. 1869. gadā ķīmiķis DIMendeļejevs atklāja ķīmisko elementu periodisko likumu. Viena no grūtībām, pamatojot priekšstatu par elementu kā vielu, kas periodiskās sistēmas šūnā ieņem noteiktu vietu, bija eksperimentāli novērotie elementu atomsvari, kas nav veseli. 1866. gadā angļu fiziķis un ķīmiķis sers Viljams Krukss izvirzīja hipotēzi, ka katrs dabiskais ķīmiskais elements ir vielu maisījums, kas pēc īpašībām ir identiskas, bet kurām ir dažādas atomu masas, taču tolaik šāda pieņēmuma vēl nebija. ir eksperimentāli apstiprināts un tāpēc maz redzēts.

Svarīgs solis ceļā uz izotopu atklāšanu bija radioaktivitātes fenomena atklāšana un Ernsta Rezerforda un Frederika Sodija formulētā radioaktīvās sabrukšanas hipotēze: radioaktivitāte ir nekas vairāk kā atoma sadalīšanās lādētā daļiņā un cita elementa atomā. , kas pēc ķīmiskajām īpašībām atšķiras no sākotnējās. Rezultātā radās radioaktīvo sēriju jeb radioaktīvo ģimeņu jēdziens. , kura sākumā ir pirmais pamatelements, kas ir radioaktīvs, un beigās - pēdējais stabilais elements. Pārvērtību ķēžu analīze parādīja, ka to gaitā vienā periodiskās sistēmas šūnā var parādīties vieni un tie paši radioaktīvie elementi, kas atšķiras tikai pēc atomu masas. Faktiski tas nozīmēja izotopu jēdziena ieviešanu.

Neatkarīgs apstiprinājums ķīmisko elementu stabilu izotopu esamībai tika iegūts J. J. Tomsona un Astona eksperimentos 1912.-1920. gadā ar pozitīvi lādētu daļiņu (jeb tā saukto kanālu staru) stariem. ) kas izplūst no izplūdes caurules.

1919. gadā Aston izstrādāja instrumentu, ko sauc par masu spektrogrāfu. (vai masas spektrometrs) . Izlādes caurule joprojām tika izmantota kā jonu avots, bet Aston atrada veidu, kā secīgi novirzīt daļiņu staru elektriskajā un magnētiskie lauki noveda pie daļiņu fokusēšanas ar tāda pati vērtība lādiņa un masas attiecība (neatkarīgi no to ātruma) tajā pašā ekrāna punktā. Kopā ar Aston nedaudz atšķirīga dizaina masas spektrometru tajos pašos gados radīja amerikānis Dempsters. Masu spektrometru turpmākās izmantošanas un uzlabošanas rezultātā ar daudzu pētnieku pūlēm līdz 1935. gadam tika sastādīta gandrīz pilnīga visu to laiku zināmo ķīmisko elementu izotopu sastāvu tabula.

Izotopu atdalīšanas metodes.

Izotopu īpašību pētīšanai un jo īpaši izmantošanai zinātniskiem un lietišķiem mērķiem ir nepieciešams tos iegūt vairāk vai mazāk pamanāmos daudzumos. Tradicionālajos masas spektrometros tiek panākta gandrīz pilnīga izotopu atdalīšana, taču to skaits ir niecīgs. Tāpēc zinātnieku un inženieru pūles tika vērstas uz citu meklēšanu iespējamās metodes izotopu atdalīšana. Vispirms tika apgūtas fizikālās un ķīmiskās atdalīšanas metodes, kuru pamatā ir tādas paša elementa izotopu īpašību atšķirības kā iztvaikošanas ātrumi, līdzsvara konstantes, ķīmisko reakciju ātrumi utt. Visefektīvākās no tām bija rektifikācijas un izotopu apmaiņas metodes, kuras plaši izmanto vieglo elementu izotopu rūpnieciskajā ražošanā: ūdeņraža, litija, bora, oglekļa, skābekļa un slāpekļa.

Citu metožu grupu veido tā sauktās molekulāri kinētiskās metodes: gāzu difūzija, termiskā difūzija, masas difūzija (difūzija tvaika plūsmā) un centrifugēšana. Gāzu difūzijas metodes, kuru pamatā ir dažādi izotopu komponentu difūzijas ātrumi augsti izkliedētā porainā vidē, tika izmantotas Otrā pasaules kara organizēšanai. rūpnieciskā ražošana urāna izotopu atdalīšana Amerikas Savienotajās Valstīs tā sauktā Manhetenas projekta ietvaros, lai izveidotu atombumba. Par iegūšanu nepieciešamos daudzumus urāns, kas bagātināts līdz 90% ar vieglo izotopu 235 U - galveno atombumbas "degošo" sastāvdaļu, tika uzbūvētas rūpnīcas, kas aizņem apmēram četrus tūkstošus hektāru. Atomcentra izveidei ar bagātinātā urāna ražošanas iekārtām tika piešķirti vairāk nekā 2 miljardi dolāru.Pēc kara tika izstrādātas rūpnīcas bagātinātā urāna ražošanai militārām vajadzībām, arī pamatojoties uz difūzijas separācijas metodi un celta PSRS. IN pēdējie gadišī metode ir kļuvusi par efektīvāku un lētāku centrifugēšanas metodi. Šajā metodē izotopu maisījuma atdalīšanas efekts tiek panākts, pateicoties atšķirīgai centrbēdzes spēku iedarbībai uz izotopu maisījuma sastāvdaļām, kas aizpilda centrifūgas rotoru, kas ir plānsienu cilindrs, kas ierobežots no augšas un apakšas un rotē ar ļoti liels ātrums iekšā vakuuma kamera. Simtiem tūkstošu kaskādēs savienotu centrifūgu, kuru katra rotors veic vairāk nekā tūkstoš apgriezienu sekundē, šobrīd tiek izmantotas modernajās separācijas rūpnīcās gan Krievijā, gan citās attīstītajās pasaules valstīs. Centrifūgas izmanto ne tikai darbam nepieciešamā bagātinātā urāna iegūšanai kodolreaktori atomelektrostacijām, bet arī aptuveni trīsdesmit periodiskās tabulas vidusdaļas ķīmisko elementu izotopu ražošanai. Dažādu izotopu atdalīšanai tiek izmantotas arī elektromagnētiskās atdalīšanas iekārtas ar jaudīgiem jonu avotiem; pēdējos gados lāzera metodes atdalīšana.

Izotopu izmantošana.

Plaši tiek izmantoti dažādi ķīmisko elementu izotopi zinātniskie pētījumi, dažādās rūpniecības un lauksaimniecības jomās, in kodolenerģija, mūsdienu bioloģija un medicīna, pētniecībā vide un citās jomās. Zinātniskajos pētījumos (piemēram, ķīmiskajā analīzē) parasti ir nepieciešami nelieli dažādu elementu reto izotopu daudzumi, kas aprēķināti gramos un pat miligramos gadā. Tajā pašā laikā vairākiem izotopiem, ko plaši izmanto kodolenerģētikā, medicīnā un citās nozarēs, nepieciešamība pēc to ražošanas var būt daudzi kilogrami un pat tonnas. Tādējādi saistībā ar smagā ūdens D 2 O izmantošanu kodolreaktoros tā globālā ražošana līdz pagājušā gadsimta 90. gadu sākumam bija aptuveni 5000 tonnu gadā. Ūdeņraža izotops deitērijs, kas ir daļa no smagā ūdens, kura koncentrācija dabiskajā ūdeņraža maisījumā ir tikai 0,015%, kopā ar tritiju nākotnē, pēc zinātnieku domām, kļūs par galveno kurināmā komponentu jaudas termokodolreaktoros. pamatojoties uz kodolsintēzes reakcijām. Šajā gadījumā vajadzība pēc ūdeņraža izotopu ražošanas būs milzīga.

Zinātniskajos pētījumos stabilos un radioaktīvos izotopus plaši izmanto kā izotopu indikatorus (etiķetes) dažādu dabā notiekošo procesu izpētē.

IN lauksaimniecība izotopus ("marķētos" atomus) izmanto, piemēram, lai pētītu fotosintēzes procesus, mēslošanas līdzekļu sagremojamību, kā arī lai noteiktu slāpekļa, fosfora, kālija, mikroelementu un citu vielu izmantošanas efektivitāti augos.

Izotopu tehnoloģijas tiek plaši izmantotas medicīnā. Tātad ASV, saskaņā ar statistiku, dienā tiek veikti vairāk nekā 36 tūkstoši medicīnisko procedūru un aptuveni 100 miljoni laboratorijas testu, izmantojot izotopus. Visizplatītākās ar datortomogrāfiju saistītās procedūras. Oglekļa izotops C 13, kas bagātināts līdz 99% (dabiskais saturs aptuveni 1%), tiek aktīvi izmantots tā sauktajā "elpošanas diagnostiskajā kontrolē". Testa būtība ir ļoti vienkārša. Bagātinātais izotops tiek ievadīts pacienta pārtikā un pēc piedalīšanās vielmaiņas procesā dažādos ķermeņa orgānos izdalās pacienta izelpotā oglekļa dioksīda CO 2 veidā, kas tiek savākts un analizēts ar spektrometra palīdzību. Procesu ātruma atšķirības, kas saistītas ar dažāda daudzuma oglekļa dioksīda, kas iezīmēts ar izotopu C 13, izdalīšanos, ļauj spriest par dažādu pacienta orgānu stāvokli. Tiek lēsts, ka ASV pacientu skaits, kuriem tiks veikta šī pārbaude, ir 5 miljoni cilvēku gadā. Tagad tiek izmantotas lāzera atdalīšanas metodes, lai rūpnieciskā mērogā ražotu augsti bagātinātu C 13 izotopu.

Vladimirs Ždanovs

Pētot radioaktivitātes fenomenu, zinātnieki XX gadsimta pirmajā desmitgadē. atklāja lielu skaitu radioaktīvo vielu – ap 40. To bija ievērojami vairāk nekā brīvu vietu elementu periodiskajā tabulā intervālā starp bismutu un urānu. Šo vielu būtība ir bijusi pretrunīga. Daži pētnieki tos uzskatīja par neatkarīgiem ķīmiskiem elementiem, taču šajā gadījumā jautājums par to izvietojumu periodiskajā tabulā izrādījās nešķīstošs. Citi parasti liedza viņiem tiesības saukties par elementiem klasiskajā izpratnē. 1902. gadā angļu fiziķis D. Mārtins šādas vielas nosauca par radioelementiem. Izpētot tos, izrādījās, ka dažiem radio elementiem ir tieši tādi paši Ķīmiskās īpašības, bet atšķiras pēc lieluma atomu masas. Šis apstāklis ​​bija pretrunā pamatprincipiem periodiskais likums. Angļu zinātnieks F. Sodijs atrisināja pretrunu. 1913. gadā viņš ķīmiski līdzīgus radioelementus nosauca par izotopiem (no grieķu vārdiem, kas nozīmē "tā pati" un "vieta"), t.i., ieņem vienu un to pašu vietu periodiskajā sistēmā. Radioelementi izrādījās dabisko radioaktīvo elementu izotopi. Visi no tiem ir apvienoti trīs radioaktīvās ģimenēs, kuru priekšteči ir torija un urāna izotopi.

Skābekļa izotopi. Kālija un argona izobāri (izobāri ir dažādu elementu atomi ar vienādu masas skaitli).

Stabilo izotopu skaits pāra un nepāra elementiem.

Drīz vien kļuva skaidrs, ka arī citiem stabiliem ķīmiskajiem elementiem ir izotopi. Galvenais nopelns viņu atklājumā pieder angļu fiziķim F. Astonam. Viņš atklāja stabilus izotopus daudzos elementos.

NO mūsdienu punkts Izotopi ir ķīmiskā elementa atomu šķirnes: tiem ir atšķirīga atomu masa, bet vienāds kodollādiņš.

Tādējādi to kodoli satur tas pats numurs protoni, bet atšķirīgs numurs neitroni. Piemēram, dabīgie skābekļa izotopi ar Z = 8 kodolos satur attiecīgi 8, 9 un 10 neitronus. Protonu un neitronu skaitļu summu izotopa kodolā sauc par masas skaitli A. Tāpēc norādīto skābekļa izotopu masas skaitļi ir 16, 17 un 18. Tagad tiek pieņemts šāds izotopu apzīmējums: Z vērtība ir norādīta elementa simbola apakšējā kreisajā stūrī, A vērtība ir norādīta augšējā kreisajā stūrī. Piemēram: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

Pēc mākslīgās radioaktivitātes fenomena atklāšanas, izmantojot kodolreakcijas elementiem ar Z no 1 līdz 110, tika iegūti aptuveni 1800 mākslīgie radioaktīvie izotopi. Lielākajai daļai mākslīgo radioizotopu pussabrukšanas periods ir ļoti īss, ko mēra sekundēs un sekunžu daļās; tikai dažiem ir salīdzinoši ilgāks ilgums mūžs (piemēram, 10 Be - 2,7 10 6 gadi, 26 Al - 8 10 5 gadi utt.).

Stabili elementi dabā sastopami ar aptuveni 280 izotopiem. Tomēr daži no tiem izrādījās nedaudz radioaktīvi, ar milzīgiem pussabrukšanas periodiem (piemēram, 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Šo izotopu kalpošanas laiks ir tik ilgs, ka tos var uzskatīt par stabiliem.

Stabilo izotopu pasaulē joprojām ir daudz problēmu. Tāpēc nav skaidrs, kāpēc to skaits dažādos elementos tik ļoti atšķiras. Aptuveni 25% stabilo elementu (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) atrodas daba ir tikai viena veida atoms. Tie ir tā sauktie atsevišķie elementi. Interesanti, ka visiem (izņemot Be) ir nepāra Z vērtības.Kopumā nepāra elementiem stabilo izotopu skaits nepārsniedz divus. Gluži pretēji, daži elementi ar pat Z sastāv no liels skaits izotopi (piemēram, Xe ir 9, Sn - 10 stabili izotopi).

Dotā elementa stabilo izotopu kopu sauc par galaktiku. To saturs galaktikā bieži ļoti svārstās. Interesanti atzīmēt, ka izotopu, kuru masas skaitļi ir četri reizes (12 C, 16 O, 20 Ca uc), pārpilnība ir visaugstākā, lai gan šim noteikumam ir izņēmumi.

Stabilo izotopu atklāšana ļāva atrisināt atomu masu ilgtermiņa noslēpumu - to novirzi no veseliem skaitļiem, jo ​​galaktikā ir atšķirīgs stabilo izotopu procentuālais daudzums.

IN kodolfizika jēdziens "izobārs" ir zināms. Izobārus sauc par dažādu elementu izotopiem (t.i., ar dažādas vērtības Z) ar vienādiem masas skaitļiem. Izobāru izpēte veicināja daudzu svarīgu likumsakarību noteikšanu atomu kodolu uzvedībā un īpašībās. Vienu no šīm likumsakarībām izsaka padomju ķīmiķa S. A. Ščukareva un jemeniešu fiziķa I. Matauha formulētais noteikums. Tajā teikts: ja abi izobāri Z vērtībās atšķiras par 1, tad viens no tiem noteikti būs radioaktīvs. Klasisks izobāru pāra piemērs ir 40 18 Ar - 40 19 K. Tajā kālija izotops ir radioaktīvs. Ščukareva-Matauha noteikums ļāva izskaidrot, kāpēc elementiem tehnēcijam (Z = 43) un prometijam (Z = 61) nav stabilu izotopu. Tā kā tiem ir nepāra Z vērtības, tiem nevarēja sagaidīt vairāk nekā divus stabilus izotopus. Bet izrādījās, ka tehnēcija un prometija izobārus, attiecīgi molibdēna (Z = 42) un rutēnija (Z = 44), neodīma (Z = 60) un samārija (Z = 62) izotopus dabā pārstāv stabilas atomu šķirnes plašā masu skaitļu diapazonā. Tādējādi fizikālie likumi aizliedz stabilu tehnēcija un prometija izotopu pastāvēšanu. Tāpēc šie elementi dabā faktiski neeksistē un tie bija mākslīgi jāsintezē.

Zinātnieki jau sen ir mēģinājuši izstrādāt periodisku izotopu sistēmu. Protams, tas balstās uz citiem principiem, nevis elementu periodiskās sistēmas pamatu. Taču šie mēģinājumi vēl nav devuši apmierinošus rezultātus. Tiesa, fiziķi ir pierādījuši, ka protonu un neitronu apvalku piepildīšanas secība atomu kodoli principā tas ir līdzīgs elektronu čaulu un apakščaulu uzbūvei atomos (skat. Atoms).

Dotā elementa izotopu elektronu apvalki ir uzbūvēti tieši tādā pašā veidā. Tāpēc to ķīmiskās un fizikālās īpašības ir gandrīz identiskas. Tikai ūdeņraža izotopi (protijs un deitērijs) un to savienojumi uzrāda ievērojamas īpašību atšķirības. Piemēram, smagais ūdens (D 2 O) sasalst pie +3,8, vārās 101,4 ° C temperatūrā, tā blīvums ir 1,1059 g / cm 3, neatbalsta dzīvnieku un augu organismu dzīvību. Ūdens elektrolīzes laikā par ūdeņradi un skābekli H 2 0 molekulas pārsvarā sadalās, bet smagā ūdens molekulas paliek elektrolizatorā.

Citu elementu izotopu atdalīšana ir ārkārtīgi grūts uzdevums. Tomēr daudzos gadījumos ir nepieciešami izotopi atsevišķi elementi ar būtiskām izmaiņām salīdzinājumā ar dabisko saturu. Piemēram, risinot atomenerģijas problēmu, radās nepieciešamība atdalīt izotopus 235 U un 238 U. Šim nolūkam vispirms tika pielietota masas spektrometrijas metode, ar kuras palīdzību tika iegūti pirmie kilogrami urāna-235. 1944. gadā ASV. Tomēr šī metode izrādījās pārāk dārga un tika aizstāta ar gāzveida difūzijas metodi, kurā tika izmantots UF 6 . Tagad ir vairākas izotopu atdalīšanas metodes, taču tās visas ir diezgan sarežģītas un dārgas. Tomēr “nešķiramā atdalīšanas” problēma tiek veiksmīgi atrisināta.

Parādījās jauna zinātnes disciplīna - izotopu ķīmija. Tas pēta dažādu ķīmisko elementu izotopu uzvedību ķīmiskās reakcijas un izotopu apmaiņas procesi. Šo procesu rezultātā noteiktā elementa izotopi tiek pārdalīti starp reaģējošām vielām. Šeit vienkāršākais piemērs: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (ūdens molekula apmaina protija atomu pret deitērija atomu). Attīstās arī izotopu ģeoķīmija. Tas pēta dažādu elementu izotopu sastāva svārstības zemes garozā.

Tā sauktie iezīmētie atomi, stabilu elementu mākslīgie radioaktīvie izotopi vai stabilie izotopi atrod visplašāko pielietojumu. Ar izotopu indikatoru – iezīmēto atomu – palīdzību viņi pēta elementu kustības veidus nedzīvā un dzīvā dabā, vielu un elementu izplatības raksturu dažādos objektos. Izotopus izmanto kodoltehnoloģijā: kā materiālus kodolreaktoru celtniecībai; kā kodoldegviela (torija, urāna, plutonija izotopi); kodolsintēzes procesā (deitērijs, 6 Li, 3 He). Radioaktīvos izotopus plaši izmanto arī kā starojuma avotus.