Izotopi satur tādu pašu skaitu. Izotopu pielietojumi

izotopi

ISOTOPS-ov; pl.(vienskaitlis izotops, -a; m.). [no grieķu val. isos — vienāds un topos — vieta] Speciālists. Tās pašas šķirnes ķīmiskais elements, kas atšķiras pēc atomu masas. radioaktīvie izotopi. Urāna izotopi.

◁ Izotops, th, th. I. rādītājs.

izotopi

Pētījumu vēsture
Pirmie eksperimentālie dati par izotopu esamību tika iegūti 1906.-1910. smago elementu atomu radioaktīvo pārvērtību īpašību izpētē. 1906.-07. tika konstatēts, ka urāna radioaktīvajam sabrukšanas produktam - jonim un torija radioaktīvajam sabrukšanas produktam - radiotorijam ir tādas pašas ķīmiskās īpašības kā torijam, bet atšķiras no pēdējām. atomu masa un radioaktīvās sabrukšanas īpašības. Turklāt: visiem trim elementiem ir vienādi optiskie un rentgenstaru spektri. Pēc angļu zinātnieka F. Sodija ierosinājuma (cm. SODDI Frederiks), šādas vielas kļuva pazīstamas kā izotopi.
Pēc izotopu atklāšanas smagajos radioaktīvos elementos sākās izotopu meklēšana stabilajos elementos. Neatkarīgs apstiprinājums ķīmisko elementu stabilo izotopu esamībai tika iegūts J. J. Tomsona eksperimentos. (cm. Tomsons Džozefs Džons) un F. Astons (cm. ASTON Francis William). Tomsons 1913. gadā atklāja stabili izotopi pie neona. Astons, kurš veica pētījumus, izmantojot viņa izstrādātu instrumentu, ko sauca par masas spektrogrāfu (vai masas spektrometru), izmantojot masas spektrometrijas metodi (cm. MASAS SPEKTROMETRIJA), pierādīja, ka daudziem citiem stabiliem ķīmiskajiem elementiem ir izotopi. 1919. gadā viņš ieguva pierādījumus par divu izotopu 20 Ne un 22 Ne esamību, kuru relatīvais daudzums (pārpilnība) dabā ir aptuveni 91% un 9%. Pēc tam tika atklāts izotops 21 Ne ar izplatību 0,26%, hlora, dzīvsudraba un vairāku citu elementu izotopi.
Mazliet atšķirīga dizaina masas spektrometru tajos pašos gados izveidoja A. J. Dempsters (cm. Dempsters Artūrs Džefrijs). Masu spektrometru turpmākās izmantošanas un uzlabošanas rezultātā ar daudzu pētnieku pūlēm tika sastādīta gandrīz pilnīga izotopu sastāvu tabula. 1932. gadā tika atklāts neitrons - daļiņa, kurai nav lādiņa, kuras masa ir tuvu ūdeņraža atoma kodola masai - protons, un tika izveidots kodola protonu-neitronu modelis. Rezultātā zinātnē tika izveidota galīgā izotopu jēdziena definīcija: izotopi ir vielas, kuru atomu kodoli sastāv no vienāda skaita protonu un atšķiras tikai ar neitronu skaitu kodolā. Apmēram līdz 1940. gadam izotopu analīze tika veikta visiem tajā laikā zināmajiem ķīmiskajiem elementiem.
Radioaktivitātes izpētē tika atklātas aptuveni 40 dabīgas radioaktīvās vielas. Tie tika apvienoti radioaktīvās ģimenēs, kuru priekšteči ir torija un urāna izotopi. Pie dabiskajiem pieder visi stabilie atomu varianti (to ir aptuveni 280) un visi dabiski radioaktīvie, kas ietilpst radioaktīvo saimē (tādu ir 46). Visi pārējie izotopi tiek iegūti kodolreakciju rezultātā.
Pirmo reizi 1934. gadā I. Kirī (cm. Džoljota Kirī Irēna) un F. Džolio-Kirī (cm. Džoljota Kirī Frederika) saņēma mākslīgi radioaktīvos slāpekļa (13 N), silīcija (28 Si) un fosfora (30 P) izotopus, kuru dabā nav. Ar šiem eksperimentiem viņi parādīja iespēju sintezēt jaunus radioaktīvos nuklīdus. No pašlaik zināmajiem mākslīgajiem radioizotopiem vairāk nekā 150 pieder pie transurāna elementiem. (cm. TRANSURANE ELEMENTI) nav atrasts uz Zemes. Teorētiski tiek pieņemts, ka pastāvēt spējīgo izotopu sugu skaits var sasniegt 6000.

enciklopēdiskā vārdnīca. 2009 .

Skatiet, kas ir "izotopi" citās vārdnīcās:

Mūsdienu enciklopēdija

izotopi- (no iso ... un grieķu topos vieta), ķīmisko elementu šķirnes, kurās atomu (nuklīdu) kodoli atšķiras pēc neitronu skaita, bet satur tas pats numurs protoniem un tāpēc ieņem to pašu vietu periodiska sistēmaķīmiskā... Ilustrēts enciklopēdiskā vārdnīca

- (no iso ... un grieķu topos vieta) ķīmisko elementu šķirnes, kurās atomu kodoli atšķiras ar neitronu skaitu, bet satur vienādu skaitu protonu un tāpēc ieņem vienu un to pašu vietu periodiskajā elementu sistēmā. Atšķirt…… Lielā enciklopēdiskā vārdnīca

ISOTOPS- IZOTOPI, ķīmija. elementi, kas atrodas vienā un tajā pašā periodiskās sistēmas šūnā un tāpēc tiem ir vienāds atomskaitlis vai kārtas numurs. Šajā gadījumā I., vispārīgi runājot, nedrīkst būt vienāds atomsvars. Dažādi…… Lielā medicīnas enciklopēdija

Šīs ķīmijas šķirnes. elementi, kas atšķiras pēc kodolu masas. Kam ir vienāds kodollādiņš Z, bet atšķiras neitronu skaits, I. ir tāda pati elektronu apvalku struktūra, tas ir, ļoti tuvu ķīmiska viela. sv va, un aizņem to pašu ... ... Fiziskā enciklopēdija

Tās pašas ķīmijas atomi. elements, kura kodolos ir vienāds protonu skaits, bet atšķirīgs neitronu skaits; ir dažādas atomu masas, ir vienādas ķīmiskās vielas. īpašības, bet atšķiras pēc to fiziskajām īpašībām. īpašības, jo īpaši... Mikrobioloģijas vārdnīca

Ķīmiskie atomi. elementiem, kuriem ir dažādi masas skaitļi, bet ir vienāds lādiņš atomu kodoli un tāpēc ieņem vienu vietu Mendeļejeva periodiskajā sistēmā. Vienas un tās pašas ķīmiskās vielas dažādu izotopu atomi. elementi atšķiras pēc skaita ... ... Ģeoloģiskā enciklopēdija

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 kodola neitronu-protonu modeli izotopu esamība tika izskaidrota 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- Tās ir ķīmisko elementu šķirnes, 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.

Atkārtojiet tēmas "Ķīmijas pamatjēdzieni" galvenos nosacījumus un atrisiniet piedāvātos uzdevumus. Izmantojiet ##6-17.

Galvenie punkti

1. Viela(vienkāršs un sarežģīts) ir jebkura atomu un molekulu kombinācija, kas atrodas noteiktā agregācijas stāvoklī.

Vielu transformāciju, ko pavada to sastāva un (vai) struktūras izmaiņas, sauc ķīmiskās reakcijas .

2. Struktūrvienības vielas:

· Atom- ķīmiskā elementa un vienkāršas vielas mazākā elektriski neitrāla daļiņa, kurai ir visas tās ķīmiskās īpašības un kura tālāk ir fizikāli un ķīmiski nedalāma.

· Molekula- mazākā elektriski neitrālā vielas daļiņa, kurai ir visas tās ķīmiskās īpašības, fiziski nedalāma, bet ķīmiski dalāma.

3. Ķīmiskais elements Atomu veids ar noteiktu kodollādiņu.

4. Savienojums atoms :

Daļiņa	Kā noteikt?	Uzlādē		Svars
		kl	konvencionālās vienības		a.u.m.
Elektrons	Kārtējā Numurs (N)	1.6 ∙ 10 -19		9.10 ∙ 10 -28	0.00055
Protons	Kārtējā numuru (N)	1.6 ∙ 10 -19		1.67 ∙ 10 -24	1.00728
Neitrons	Ar-N			1.67 ∙ 10 -24	1.00866

5. Savienojums atoma kodols :

Kodols satur elementārdaļiņas (nukleoni) –

protoni(1 1 p ) un neitroni(10n).

· Tā kā Gandrīz visa atoma masa ir koncentrēta kodolā m p ≈ m n≈ 1 amu, tad noapaļota vērtībaA rķīmiskā elementa vērtība ir vienāda ar kopējo nukleonu skaitu kodolā.

7. izotopi- viena un tā paša ķīmiskā elementa atomi, kas atšķiras viens no otra tikai pēc masas.

· Izotopu apzīmējumi: pa kreisi no elementa simbola norāda masas numuru (augšpusē) un elementa sērijas numuru (apakšā)

Kāpēc izotopiem ir dažādas masas?

Uzdevums: Noteikt hlora izotopu atomu sastāvu: 35 17Clun 37 17Cl?

Izotopiem ir dažādas masas, jo atšķirīgs numurs neitroni to kodolos.

8. Dabā ķīmiskie elementi pastāv kā izotopu maisījumi.

Viena un tā paša ķīmiskā elementa izotopu sastāvu izsaka ar atomu frakcijas(ω pie.), kas norāda, no kuras daļas ir dotā izotopa atomu skaits kopējais skaits visu izotopu atomi dotais elementsņemts kā vienība vai 100%.

Piemēram:

ω pie (35 17 Cl) = 0,754

ω pie (37 17 Cl) = 0,246

9. Periodiskā tabula parāda ķīmisko elementu relatīvo atomu masu vidējās vērtības, ņemot vērā to izotopu sastāvu. Tāpēc tabulā norādītie A r ir daļskaitļi.

A rTr= ω plkst. (1) ∙ Ar (1) + … + ω plkst.(n ) ∙ Ar ( n )

Piemēram:

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

10. Atrisināmais uzdevums:

Nr.1. Nosakiet bora relatīvo atommasu, ja ir zināms, ka 10 B izotopa molu daļa ir 19,6%, bet 11 B izotopa molu daļa ir 80,4%.

11. Atomu un molekulu masas ir ļoti mazas. Šobrīd fizikā un ķīmijā ir pieņemta vienota mērīšanas sistēma.

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

Dažu atomu absolūtās masas:

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- parāda, cik reižu dotais atoms ir smagāks par 1/12 no 12 C atoma. M r∙ 1,66 ∙ 10 -27 kg

13. Atomu un molekulu skaits parastajos vielu paraugos ir ļoti liels, tāpēc, raksturojot vielas daudzumu, izmanto mērvienību -kurmis .

· Kurmis (ν)- vielas daudzuma vienība, kas satur tik daudz daļiņu (molekulu, atomu, jonu, elektronu), cik atomu ir 12 g izotopa 12 C

Masa 1 atoms 12 C ir 12 amu, tātad atomu skaits 12 g izotopa 12 C vienāds:

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

· Fiziskais daudzums N A sauca pastāvīgs Avogadro (Avogadro skaitlis), un tā izmērs ir [ N A ] = mol -1 .

14. Pamatformulas:

M = M r = ρ ∙ Vm(ρ – blīvums; V m – tilpums n.c.)

Uzdevumi patstāvīgam risinājumam

Nr.1. Aprēķiniet slāpekļa atomu skaitu 100 g amonija karbonāta, kas satur 10% ar slāpekli nesaistītu piemaisījumu.

Nr.2. Normālos apstākļos 12 litru gāzu maisījuma, kas sastāv no amonjaka un oglekļa dioksīda, masa ir 18 g. Cik litru katras gāzes maisījums satur?

Nr.3. Sālsskābes pārpalikuma iedarbībā uz 8,24 g mangāna oksīda maisījuma (IV) ar nezināmu oksīdu MO 2, kas nereaģē ar sālsskābi, 1,344 l gāzes pie n.o. Citā eksperimentā tika atklāts, ka mangāna oksīda molārā attiecība (IV) pret nezināmo oksīdu ir 3:1. Iestatiet nezināmā oksīda formulu un aprēķiniet tā masas daļu maisījumā.

izotopi- ķīmiskā elementa atomu (un kodolu) šķirnes, kurām ir vienāds atomu (kārtas) numurs, bet dažādi masas skaitļi.

Termins izotops ir izveidots no grieķu saknēm isos (ἴσος "vienāds") un topos (τόπος "vieta"), kas nozīmē "tā pati vieta"; Tādējādi nosaukuma nozīme ir tāda, ka viena un tā paša elementa dažādi izotopi periodiskajā tabulā ieņem vienu un to pašu vietu.

Trīs dabiskie ūdeņraža izotopi. Faktam, ka katram izotopam ir viens protons, ir ūdeņraža varianti: izotopu identitāti nosaka neitronu skaits. No kreisās puses uz labo izotopi ir protijs (1H) ar nulles neitroniem, deitērijs (2H) ar vienu neitronu un tritijs (3H) ar diviem neitroniem.

Protonu skaitu atoma kodolā sauc par atomskaitli, un tas ir vienāds ar elektronu skaitu neitrālā (nejonizētā) atomā. Katrs atomskaitlis identificē noteiktu elementu, bet ne izotopu; Dotā elementa atomam var būt plašs neitronu skaita diapazons. Nukleonu (gan protonu, gan neitronu) skaits kodolā ir atoma masas skaitlis, un katram dotā elementa izotopam ir atšķirīgs masas skaitlis.

Piemēram, ogleklis-12, ogleklis-13 un ogleklis-14 ir trīs elementārā oglekļa izotopi ar masas skaitļiem attiecīgi 12, 13 un 14. Oglekļa atomu skaits ir 6, kas nozīmē, ka katram oglekļa atomam ir 6 protoni, tāpēc šo izotopu neitronu skaits ir attiecīgi 6, 7 un 8.

Huklīdi un izotopi

Nuklīds pieder kodolam, nevis atomam. Vienam un tam pašam nuklīdam pieder identiski kodoli, piemēram, katrs oglekļa-13 nuklīda kodols sastāv no 6 protoniem un 7 neitroniem. Nuklīdu jēdziens (attiecoties uz atsevišķām kodolu sugām) uzsver kodolīpašības, nevis ķīmiskās īpašības, savukārt izotopu jēdziens (grupējot visus katra elementa atomus) uzsver ķīmisko reakciju, nevis kodolu. Neitronu skaitam ir liela ietekme uz kodolu īpašībām, bet tā ietekme uz ķīmiskajām īpašībām lielākajai daļai elementu ir niecīga. Pat vieglāko elementu gadījumā, kur neitronu attiecība pret atomu skaitu starp izotopiem atšķiras visvairāk, tam parasti ir tikai neliela ietekme, lai gan dažos gadījumos tam ir nozīme (ūdeņradim, vieglākajam elementam, izotopu efekts ir Liela ietekme uz bioloģiju). Tā kā izotops ir vairāk senais termins, tas ir labāk pazīstams nekā nuklīds un joprojām dažkārt tiek izmantots kontekstos, kur nuklīds varētu būt piemērotāks, piemēram, kodoltehnoloģijā un kodolmedicīnā.

Apzīmējums

Izotopu vai nuklīdu identificē ar konkrēta elementa nosaukumu (tas norāda atoma numuru), kam seko defise un masas skaitlis (piemēram, hēlijs-3, hēlijs-4, ogleklis-12, ogleklis-14, urāns- 235 un urāns-239). Ja tiek izmantots ķīmiskais simbols, piem. "C" ogleklim, standarta apzīmējums (tagad zināms kā "AZE apzīmējums", jo A ir masas skaitlis, Z ir atomskaitlis un E elementam) ir jānorāda masas skaitlis (nukleonu skaits) ar augšējo indeksu ķīmiskā simbola augšējā kreisajā stūrī un norādiet atomskaitli ar apakšindeksu apakšējā kreisajā stūrī). Tā kā atomskaitli norāda ar elementa simbolu, parasti augšindeksā ir norādīts tikai masas skaitlis, bet atoma indekss nav norādīts. Burts m dažreiz tiek pievienots aiz masas skaitļa, lai norādītu uz kodola izomēru, metastabilu vai enerģētiski ierosinātu kodolstāvokli (pretstatā zemākās enerģijas pamatstāvoklim), piemēram, 180m 73Ta (tantals-180m).

Radioaktīvie, primārie un stabilie izotopi

Daži izotopi ir radioaktīvi, un tāpēc tos sauc par radioizotopiem vai radionuklīdiem, savukārt citi nekad nav novēroti radioaktīvi sadalīšanās procesā, un tos sauc par stabiliem izotopiem vai stabiliem nuklīdiem. Piemēram, 14 C ir radioaktīva oglekļa forma, bet 12 C un 13 C ir stabili izotopi. Uz Zemes ir aptuveni 339 dabā sastopami nuklīdi, no kuriem 286 ir pirmatnējie nuklīdi, kas nozīmē, ka tie pastāv kopš to veidošanās. Saules sistēma.

Sākotnējie nuklīdi ietver 32 nuklīdus ar ļoti ilgu pussabrukšanas periodu (vairāk nekā 100 miljonus gadu) un 254, kas formāli tiek uzskatīti par "stabiliem nuklīdiem", jo nav novērota to sadalīšanās. Vairumā gadījumu acīmredzamu iemeslu dēļ, ja elementam ir stabili izotopi, tad šie izotopi dominē elementu pārpilnībā uz Zemes un Saules sistēmā. Tomēr trīs elementu (telūra, indija un rēnija) gadījumā dabā visbiežāk sastopamais izotops patiesībā ir viens (vai divi) ārkārtīgi ilgmūžīgi elementa radioizotopi, neskatoties uz to, ka šiem elementiem ir viens vai vairāki stabili izotopi.

Teorija paredz, ka daudzi šķietami "stabili" izotopi/nuklīdi ir radioaktīvi, ar ārkārtīgi ilgu pussabrukšanas periodu (neņemot vērā protonu sabrukšanas iespēju, kas galu galā padarītu visus nuklīdus nestabilus). No 254 nuklīdiem, kas nekad nav novēroti, tikai 90 no tiem (visi no pirmajiem 40 elementiem) ir teorētiski izturīgi pret visām zināmajām sabrukšanas formām. Elements 41 (niobijs) teorētiski ir nestabils spontānas skaldīšanas rezultātā, taču tas nekad nav atklāts. Daudzi citi stabili nuklīdi teorētiski ir enerģētiski jutīgi pret citiem zināmiem sabrukšanas veidiem, piemēram, alfa sabrukšanu vai dubulto beta sabrukšanu, taču sabrukšanas produkti vēl nav novēroti, un tādējādi šie izotopi tiek uzskatīti par "novērošanas ziņā stabiliem". Šo nuklīdu paredzamie pussabrukšanas periodi bieži vien ievērojami pārsniedz aplēsto Visuma vecumu, un patiesībā ir zināmi arī 27 radionuklīdi, kuru pussabrukšanas periods ir garāks par Visuma vecumu.

Radioaktīvie nuklīdi, mākslīgi radīti, šobrīd zināmi 3339 nuklīdi. Tie ietver 905 nuklīdus, kas ir vai nu stabili, vai kuru pussabrukšanas periods pārsniedz 60 minūtes.

Izotopu īpašības

Ķīmiskās un molekulārās īpašības

Neitrālā atomā ir tāds pats elektronu skaits kā protoniem. Tādējādi dažādiem dotā elementa izotopiem ir vienāds elektronu skaits un līdzīgs elektroniskā struktūra. Tā kā atoma ķīmisko uzvedību lielā mērā nosaka tā elektroniskā struktūra, dažādiem izotopiem ir gandrīz identiska ķīmiskā uzvedība.

Izņēmums ir kinētiskā izotopu efekts: to lielās masas dēļ smagākiem izotopiem ir tendence reaģēt nedaudz lēnāk nekā tā paša elementa vieglākajiem izotopiem. Tas visspilgtāk attiecas uz protiju (1 H), deitēriju (2 H) un tritiju (3 H), jo deitērija masa ir divreiz lielāka par protija masu un tritijam ir trīs reizes lielāka par protija masu. Šīs masu atšķirības ietekmē arī to uzvedību ķīmiskās saites, mainot atomu sistēmu smaguma centru (samazinātu masu). Tomēr smagākiem elementiem relatīvā masas starpība starp izotopiem ir daudz mazāka, tāpēc masas atšķirības ietekme ķīmijā parasti ir niecīga. (Arī smagajiem elementiem ir salīdzinoši vairāk neitronu nekā vieglākos elementos, tāpēc kodolmasas attiecība pret kopējo elektronu masu ir nedaudz lielāka.)

Tāpat divām molekulām, kas atšķiras tikai ar savu atomu izotopiem (izotopologiem), ir tāda pati elektroniskā struktūra un līdz ar to gandrīz neatšķiramas fizikālās un ķīmiskās īpašības (atkal, deitērijs un tritijs ir galvenie izņēmumi). Molekulas vibrācijas režīmus nosaka tās forma un to veidojošo atomu masa; Tāpēc dažādiem izotopologiem ir dažādas vibrācijas režīmu kopas. Tā kā vibrācijas režīmi ļauj molekulai absorbēt atbilstošas ​​enerģijas fotonus, izotopologiem infrasarkanajā starā ir dažādas optiskās īpašības.

Kodolenerģijas īpašības un stabilitāte

Izotopu pussabrukšanas periodi. Stabilo izotopu grafiks novirzās no līnijas Z = N, palielinoties elementa skaitam Z

Atomu kodoli sastāv no protoniem un neitroniem, kas saistīti kopā ar atlikumu spēcīgs spēks. Tā kā protoni ir pozitīvi uzlādēti, tie viens otru atgrūž. Neitroni, kas ir elektriski neitrāli, stabilizē kodolu divos veidos. Viņu kontakts nedaudz atgrūž protonus, samazinot elektrostatisko atgrūšanos starp protoniem, un tie iedarbojas viens uz otru un uz protoniem pievilcīgu kodolspēku. Šī iemesla dēļ ir nepieciešams viens vai vairāki neitroni, lai divi vai vairāki protoni saistīties ar kodolu. Palielinoties protonu skaitam, palielinās arī neitronu un protonu attiecība, kas nepieciešama, lai nodrošinātu stabilu kodolu (skat. grafiku pa labi). Piemēram, lai gan attiecība neitronu: protonu 3 2 He ir 1:2, attiecība neitronu: protonu 238 92 U
Virs 3:2. Vairākiem vieglākiem elementiem ir stabili nuklīdi ar attiecību 1:1 (Z = N). Nuklīds 40 20 Ca (kalcijs-40) ir novērojamais smagākais stabilais nuklīds ar vienādu neitronu un protonu skaitu; (Teorētiski smagākais stabils ir sērs-32). Visi stabilie nuklīdi, kas ir smagāki par kalciju-40, satur vairāk neitronu nekā protoni.

Izotopu skaits uz elementu

No 81 elementa ar stabiliem izotopiem, lielākais skaits Jebkuram elementam novērojamie stabilie izotopi ir desmit (elementam alva). Nevienam elementam nav deviņu stabilu izotopu. Ksenons ir vienīgais elements ar astoņiem stabiliem izotopiem. Četriem elementiem ir septiņi stabili izotopi, no kuriem astoņiem ir seši stabili izotopi, desmit ir pieci stabili izotopi, deviņiem ir četri stabili izotopi, pieciem ir trīs stabili izotopi, 16 ir divi stabili izotopi un 26 elementiem ir tikai viens (no kuriem 19 ir tā sauktie mononuklīdu elementi, kuriem ir viens pirmatnējs stabils izotops, kas dominē un ar augstu precizitāti fiksē dabiskā elementa atommasu, ir arī 3 radioaktīvie mononuklīdu elementi). AT Kopā ir 254 nuklīdi, kuriem nav novērota sabrukšana. 80 elementiem, kuriem ir viens vai vairāki stabili izotopi, vidējais stabilo izotopu skaits ir 254/80 = 3,2 izotopi uz vienu elementu.

Pāra un nepāra nukleonu skaits

Protoni: neitronu attiecība nav vienīgais faktors, kas ietekmē kodola stabilitāti. Tas ir atkarīgs arī no tā atomskaitļa Z paritātes vai nepāra, neitronu skaita N, tātad no to masas skaitļa A summas. Nepāra gan Z, gan N mēdz samazināt kodola saistīšanas enerģiju, radot nepāra kodolus, kas parasti ir mazāk stabili. . Šai nozīmīgajai kodolsaistes enerģijas atšķirībai starp blakus esošajiem kodoliem, īpaši nepāra izobāriem, ir svarīgas sekas: nestabili izotopi ar suboptimālu neitronu vai protonu skaitu sadalās beta sabrukšanas (tostarp pozitronu sabrukšanas) rezultātā, elektronu uztveršanas vai citu eksotisku līdzekļu, piemēram, spontānas skaldīšanās un sabrukšana.kopas.

Lielākā daļa stabilo nuklīdu ir pāra skaits protonu un pāra neitronu skaits, kur Z, N un A ir pāra. Nepāra stabilie nuklīdi tiek sadalīti (apmēram vienmērīgi) nepāra tajos.

atomskaitlis

148 pat protonu, pat neitronu (EE) nuklīdi veido ~58% no visiem stabilajiem nuklīdiem. Ir arī 22 pirmatnēji ilgi dzīvojoši vienmērīgi nuklīdi. Rezultātā katram no 41 pāra elementiem no 2 līdz 82 ir vismaz viens stabils izotops, un lielākajai daļai šo elementu ir vairāki primārie izotopi. Pusei no šiem vienmērīgajiem elementiem ir seši vai vairāk stabili izotopi. Hēlija-4 ārkārtējā stabilitāte, ko rada divu protonu un divu neitronu binārā saite, neļauj nevienam nuklīdam, kas satur piecus vai astoņus nukleonus, pastāvēt pietiekami ilgi, lai kalpotu par platformu smagāku elementu uzkrāšanai kodolsintēzes ceļā.

Šiem 53 stabiliem nuklīdiem ir pāra skaitlis protoni un nepāra neitronu skaits. Tie ir mazākums salīdzinājumā ar pāra izotopiem, kuru skaits ir aptuveni 3 reizes lielāks. No 41 pāra-Z elementa, kam ir stabils nuklīds, tikai diviem elementiem (argonam un cērijam) nav pāra un nepāra stabilu nuklīdu. Vienam elementam (alvai) ir trīs. Ir 24 elementi, kuriem ir viens nepāra pāra nuklīds, un 13 elementiem ir divi nepāra pāra nuklīdi.

Sakarā ar to nepāra neitronu skaitu, pāra-nepāra nuklīdiem mēdz būt lielas sadaļas neitronu uztveršana enerģijas dēļ, kas rodas neitronu savienojuma rezultātā. Šo stabilo nuklīdu dabā var būt neparasti daudz, galvenokārt tāpēc, ka, lai veidotos un nonāktu pirmatnējā pārpilnībā, tiem ir jāizvairās no neitronu uztveršanas, lai veidotos vēl citi stabili pāra un nepāra izotopi procesa laikā, kā s ir un r ir. neitronu satveršanas process.nukleosintēzes laikā.

nepāra atomskaitlis

48 stabilie nepāra protonu un pāra neitronu nuklīdi, kurus stabilizē pāra pāra neitronu skaits, veido lielāko daļu nepāra elementu stabilo izotopu; Ļoti maz nepāra-protonu-nepāra neitronu nuklīdu veido citus. Ir 41 nepāra elements no Z = 1 līdz 81, no kuriem 39 ir stabili izotopi (elementiem tehnēcijam (43 Tc) un prometijam (61 Pm) nav stabilu izotopu). No šiem 39 nepāra Z elementiem 30 elementiem (ieskaitot ūdeņradi-1, kur 0 neitronu ir pāra) ir viens stabils nepāra pāra izotops un deviņi elementi: hlors (17 Cl), kālijs (19K), varš (29 Cu), gallijam (31 Ga), bromam (35 Br), sudrabam (47 Ag), antimonam (51 Sb), irīdijam (77 Ir) un tallijam (81 Tl) ir divi nepāra un pāra stabili izotopi. Tādējādi tiek iegūti 30 + 2 (9) = 48 stabili vienmērīgi pāra izotopi.

Tikai pieci stabili nuklīdi satur gan nepāra skaitu protonu, gan nepāra neitronu skaitu. Pirmie četri "nepāra un nepāra" nuklīdi sastopami zemas molekulmasas nuklīdos, kuru maiņa no protona uz neitronu vai otrādi radīs ļoti neviendabīgu protonu un neitronu attiecību.

Vienīgais pilnīgi "stabilais", nepāra-nepāra nuklīds ir 180 m 73 Ta, kas tiek uzskatīts par retāko no 254 stabilajiem izotopiem un ir vienīgais pirmatnējais kodolizomērs, kuram, neskatoties uz eksperimentāliem mēģinājumiem, vēl nav novērota sabrukšana.

Nepāra neitronu skaits

Aktinīdi ar nepāra neitronu skaitu mēdz skaldīties (ar termiskiem neitroniem), savukārt tie, kuriem ir pāra neitronu skaits, mēdz nē, lai gan tie sadalās ātros neitronos. Visiem novērojumiem stabilajiem nepāra un nepāra nuklīdu vesela skaitļa spins nav nulle. Tas ir tāpēc, ka vienam nepāra neitronam un nesapārotam protonam ir lielāks kodolspēka pievilkšanās viens pret otru, ja to spini ir izlīdzināti (kopējais spins ir vismaz 1 vienība), nevis izlīdzināti.

Notikums dabā

Elementi sastāv no viena vai vairākiem dabā sastopamiem izotopiem. Nestabili (radioaktīvi) izotopi ir primārie vai pēcpiemēri. Sākotnējie izotopi bija zvaigžņu nukleosintēzes vai cita veida nukleosintēzes, piemēram, kosmiskā staru šķelšanās, produkts, un tie ir saglabājušies līdz mūsdienām, jo ​​to sabrukšanas ātrums ir tik lēns (piemēram, urāns-238 un kālijs-40). Postdabiskie izotopi ir radīti ar kosmisko staru bombardēšanu kā kosmogēni nuklīdi (piemēram, tritijs, ogleklis-14) vai radioaktīvā pirmatnējā izotopa sadalīšanās par radioaktīva radiogēna nuklīda meitas daļu (piemēram, urāns par rādiju). Vairāki izotopi tiek dabiski sintezēti kā nukleogēnie nuklīdi, citi dabiski kodolreakcijas, piemēram, kad neitronus no dabiskās kodola skaldīšanas absorbē cits atoms.

Kā minēts iepriekš, tikai 80 elementiem ir stabili izotopi, un 26 no tiem ir tikai viens stabils izotops. Tādējādi aptuveni divas trešdaļas stabilo elementu dabā sastopami uz Zemes dažos stabilos izotopos, un lielākais stabilo izotopu skaits elementam ir desmit, alvai (50Sn). Uz Zemes pastāv aptuveni 94 elementi (līdz plutonijai ieskaitot), lai gan daži ir sastopami tikai ļoti mazos daudzumos, piemēram, plutonijs-244. Zinātnieki uzskata, ka elementi, kas dabiski sastopami uz Zemes (daži tikai kā radioizotopi), kopumā sastopami kā 339 izotopi (nuklīdi). Tikai 254 no šiem dabā sastopamajiem izotopiem ir stabili tādā nozīmē, ka tie līdz šim nav novēroti. Papildu 35 pirmatnējie nuklīdi (kopā 289 pirmatnējie nuklīdi) ir radioaktīvi ar zināmiem pussabrukšanas periodiem, bet to pussabrukšanas periods pārsniedz 80 miljonus gadu, kas ļauj tiem pastāvēt kopš Saules sistēmas pirmsākumiem.

Visi zināmie stabilie izotopi dabiski sastopami uz Zemes; Citi dabiskie izotopi ir radioaktīvi, taču to relatīvi garā pussabrukšanas perioda vai citu nepārtrauktas dabiskās ražošanas metožu dēļ. Tie ietver iepriekš minētos kosmogēnos nuklīdus, nukleogēnos nuklīdus un visus radiogēnos izotopus, kas rodas primārā radioaktīvā izotopa, piemēram, radona un rādija, nepārtrauktas sabrukšanas rezultātā no urāna.

Vēl ~3000 radioaktīvo izotopu, kas dabā nav sastopami, izveidoti kodolreaktoros un daļiņu paātrinātājos. Daudzi īslaicīgi izotopi nav atrasti dabiski uz Zemes ir novēroti arī ar spektroskopisku analīzi, kas dabiski rodas zvaigznēs vai supernovās. Kā piemēru var minēt alumīniju-26, kas dabā uz Zemes nav sastopams, bet ir sastopams astronomiskā mērogā.

Tabulā norādītās elementu atomu masas ir vidējās vērtības, kas izskaidro vairāku izotopu ar atšķirīgu masu klātbūtni. Pirms izotopu atklāšanas zinātniekus mulsināja empīriski noteiktas neintegrētas atomu masas vērtības. Piemēram, hlora paraugs satur 75,8% hlora-35 un 24,2% hlora-37, kas nodrošina vidējo atomu masu 35,5 atommasas vienības.

Saskaņā ar vispārpieņemto kosmoloģijas teoriju, Lielā sprādziena laikā radās tikai ūdeņraža un hēlija izotopi, dažu litija un berilija izotopu pēdas un, iespējams, arī bors, un visi pārējie izotopi tika sintezēti vēlāk, zvaigznēs un supernovas, kā arī mijiedarbībā starp enerģētiskām daļiņām, piemēram, kosmiskajiem stariem un iepriekš ražotiem izotopiem. Atbilstošā izotopu izotopu pārpilnība uz Zemes ir saistīta ar šo procesu radītajiem daudzumiem, to izplatīšanos pa galaktiku un nestabilo izotopu sabrukšanas ātrumu. Pēc sākotnējās Saules sistēmas saplūšanas izotopi tika pārdalīti pēc masas, un elementu izotopu sastāvs dažādās planētās nedaudz atšķiras. Tas dažkārt ļauj izsekot meteorītu izcelsmei.

Izotopu atomu masa

Izotopa atomu masu (mr) galvenokārt nosaka tā masas skaitlis (t.i., nukleonu skaits tā kodolā). Nelielas korekcijas ir saistītas ar kodola saistīšanas enerģiju, nelielo masas starpību starp protonu un neitronu un ar atomu saistīto elektronu masu.

Masas skaitlis ir bezizmēra lielums. No otras puses, atomu masu mēra, izmantojot atomu masas vienību, pamatojoties uz oglekļa-12 atoma masu. To apzīmē ar simboliem "u" (vienotai atommasas vienībai) vai "Da" (daltonam).

Elementa dabisko izotopu atomu masas nosaka elementa atomu masu. Ja elements satur N izotopu, tālāk norādītā izteiksme attiecas uz vidējo atomu masu:

Kur m 1 , m 2 , …, mN ir katra atsevišķā izotopa atomu masas un x 1 , …, xN ir šo izotopu relatīvais daudzums.

Izotopu pielietojums

Ir vairākas lietojumprogrammas, kas izmanto konkrētā elementa dažādo izotopu īpašības. Izotopu atdalīšana ir svarīgs tehnoloģisks jautājums, īpaši ar smagiem elementiem, piemēram, urānu vai plutoniju. Vieglāki elementi, piemēram, litijs, ogleklis, slāpeklis un skābeklis, parasti tiek atdalīti ar to savienojumu, piemēram, CO un NO, gāzveida difūziju. Ūdeņraža un deitērija atdalīšana ir neparasta, jo tā ir balstīta uz ķīmiskām, nevis fizikālām īpašībām, piemēram, Girdlera sulfīda procesā. Urāna izotopi ir atdalīti pēc tilpuma ar gāzveida difūziju, gāzu centrifugēšanu, lāzerjonizācijas atdalīšanu un (Manhetenas projektā) pēc masas spektrometrijas ražošanas veida.

Ķīmisko un bioloģisko īpašību izmantošana

• Izotopu analīze ir izotopu paraksta, konkrētā elementa izotopu relatīvā daudzuma noteikšana konkrētā paraugā. Jo īpaši attiecībā uz barības vielām var rasties ievērojamas C, N un O izotopu atšķirības. Šādu variāciju analīzei ir plašs pielietojumu klāsts, piemēram, noteikšana. pārtikas produkti vai ģeogrāfiskā izcelsme produkti, izmantojot izoskopijas. Dažu Marsa meteorītu identifikācija daļēji balstās uz tajos esošo gāzu izotopu zīmi.
• Izotopu aizstāšanu var izmantot, lai noteiktu ķīmiskās reakcijas mehānismu, izmantojot kinētisko izotopu efektu.
• Vēl viens izplatīts pielietojums ir izotopu marķēšana, neparastu izotopu izmantošana kā marķieri vai marķieri ķīmiskās reakcijas. Parasti dotā elementa atomi nav atšķirami viens no otra. Tomēr, izmantojot izotopus dažādas masas, pat dažādus neradioaktīvos stabilos izotopus var atšķirt, izmantojot masas spektrometriju vai infrasarkano staru spektroskopiju. Piemēram, "Stable Izotopu marķēšana aminoskābēm šūnu kultūrā" (SILAC) proteīnu kvantitatīvai noteikšanai tiek izmantoti stabili izotopi. Ja tiek izmantoti radioaktīvie izotopi, tos var noteikt pēc to izstarotā starojuma (to sauc par radioizotopu marķējumu).
• Izotopus parasti izmanto, lai noteiktu dažādu elementu vai vielu koncentrāciju, izmantojot izotopu atšķaidīšanas metodi, kurā zināmos daudzumos izotopiski aizvietoti savienojumi tiek sajaukti ar paraugiem un iegūto maisījumu izotopiskās īpašības tiek noteiktas, izmantojot masas spektrometriju.

Kodola īpašību izmantošana

• Radioizotopu iezīmēšanai līdzīga metode ir radiometriskā datēšana: izmantojot zināmo nestabila elementa pussabrukšanas periodu, var aprēķināt laiku, kas pagājis kopš zināmas izotopu koncentrācijas pastāvēšanas. Visplašāk slavens piemērs— radioaktīvā oglekļa datēšana, ko izmanto, lai noteiktu oglekli saturošu materiālu vecumu.
• Dažas spektroskopijas formas ir balstītas uz specifisku radioaktīvo un stabilo izotopu unikālajām kodolīpašībām. Piemēram, kodolmagnētiskās rezonanses (KMR) spektroskopiju var izmantot tikai izotopiem ar kodola spinu, kas nav nulle. Visizplatītākie KMR spektroskopijā izmantotie izotopi ir 1H, 2D, 15N, 13C un 31P.
• Mössbauer spektroskopija balstās arī uz konkrētu izotopu, piemēram, 57 Fe, kodolpārejām.

· Pussabrukšanas periods · Masas skaitlis · Kodolķēdes reakcija

Terminoloģija

Izotopu atklāšanas vēsture

Pirmie pierādījumi, ka vielām ar vienādu ķīmisko izturēšanos var būt dažādas fizikālās īpašības, tika iegūti smago elementu atomu radioaktīvo pārveidojumu pētījumos. gadā kļuva skaidrs, ka urāna-jonija radioaktīvās sabrukšanas produktam un torija radioaktīvās sabrukšanas produktam - radiotorijam ir tādas pašas ķīmiskās īpašības kā torijam, bet atšķiras no tā atommasas un radioaktīvās vielas īpašībām. sabrukšana. Vēlāk tika noskaidrots, ka visiem trim produktiem ir vienādi optiskie un rentgenstaru spektri. Vielas, kas ir identiskas ķīmiskās īpašības, bet atšķiras pēc atommasas un daži fizikālās īpašības, pēc angļu zinātnieka F. Sodija ierosinājuma, sāka saukt par izotopiem.

Izotopi dabā

Tiek uzskatīts, ka elementu izotopiskais sastāvs uz Zemes ir vienāds visos materiālos. Dažas fiziski procesi dabā izraisa elementu izotopu sastāva pārkāpumu (dabisks frakcionēšana gaismas elementiem raksturīgie izotopi, kā arī izotopu nobīdes dabisko ilgmūžīgo izotopu sabrukšanas laikā). Kodolģeohronoloģijā tiek izmantota pakāpeniska uzkrāšanās kodolu minerālos - dažu ilgmūžīgu nuklīdu sabrukšanas produkti.

Cilvēku izotopu izmantošana

Tehnoloģiskās darbībās cilvēki ir iemācījušies mainīt elementu izotopu sastāvu, lai iegūtu jebkuru specifiskas īpašības materiāliem. Piemēram, 235 U spēj veikt termisku neitronu skaldīšanas ķēdes reakciju, un to var izmantot kā degvielu kodolreaktoriem vai kodolieročiem. Tomēr dabiskais urāns satur tikai 0,72% šī nuklīda, savukārt ķēdes reakcija ir praktiski iespējams tikai tad, ja 235 U saturs nav mazāks par 3%. Tuvuma dēļ fizikālās un ķīmiskās īpašības smago elementu izotopu, urāna izotopu bagātināšanas procedūra ir ārkārtīgi sarežģīts tehnoloģisks uzdevums, kas pieejams tikai desmitiem pasaules valstu. Daudzās zinātnes un tehnikas nozarēs (piemēram, radioimūno testos) izmanto izotopu etiķetes.

Skatīt arī

• Izotopu ģeoķīmija

Nestabils (mazāk par dienu): 8 C: ogleklis-8, 9 C: ogleklis-9, 10 C: ogleklis-10, 11 C: ogleklis-11

Stabils: 12 C: ogleklis-12, 13 C: ogleklis-13

10-10 000 gadu: 14 C: ogleklis-14

Nestabils (mazāk par dienu): 15 C: ogleklis-15, 16 C: ogleklis-16, 17 C: oglekli-17, 18 C: oglekli-18, 19 C: oglekli-19, 20 C: oglekli-20, 21 C: oglekli-21, 22 C: Ogleklis-22