Nawet starożytni filozofowie sugerowali, że materia zbudowana jest z atomów. Jednak fakt, że same „cegiełki” wszechświata składają się z najmniejszych cząstek, naukowcy zaczęli się domyślać dopiero na przełomie XIX i XX wieku. Eksperymenty dowodzące tego dokonały w swoim czasie prawdziwej rewolucji w nauce. To jest proporcja części składowe odróżnia jeden pierwiastek chemiczny od drugiego. Każdy z nich ma swoje miejsce zgodnie z numerem seryjnym. Ale istnieją różne atomy, które zajmują te same komórki w tabeli, pomimo różnicy w masie i właściwościach. Dlaczego tak jest i jakie izotopy występują w chemii, omówimy później.

Atom i jego cząsteczki

Badając strukturę materii poprzez bombardowanie cząstkami alfa, E. Rutherford udowodnił w 1910 r., że główną przestrzeń atomu wypełnia pustka. I tylko w centrum jest rdzeń. Elektrony ujemne poruszają się po orbitach wokół niego, tworząc powłokę tego układu. Tak to powstało model planetarny"cegiełki" materii.

Czym są izotopy? Pamiętaj z kursu chemii, że jądro również ma złożona struktura. Składa się z dodatnich protonów i nienaładowanych neutronów. Liczba tych pierwszych określa cechy jakościowe pierwiastka chemicznego. To liczba protonów odróżnia substancje od siebie, nadając ich jąderkom określony ładunek. I na tej podstawie przypisuje się im numer seryjny w układzie okresowym. Ale liczba neutronów w tym samym pierwiastku chemicznym różnicuje je na izotopy. Definicja w chemii ta koncepcja więc można podać następujące. Są to odmiany atomów, które różnią się składem jądra, mają ten sam ładunek i numery seryjne, ale mają różne liczby masowe ze względu na różnice w liczbie neutronów.

Notacja

Studiując chemię w 9 klasie i izotopy, uczniowie dowiedzą się o przyjętych legenda. Litera Z oznacza ładunek jądra. Liczba ta pokrywa się z liczbą protonów i dlatego jest ich wskaźnikiem. Suma tych pierwiastków z neutronami, oznaczonych znakiem N, to A - liczba masowa. Na rodzinę izotopów jednej substancji z reguły wskazuje ikona tego pierwiastka chemicznego, która w układzie okresowym ma numer seryjny pokrywający się z liczbą zawartych w nim protonów. Lewy indeks górny dodany do określonej ikony odpowiada liczbie masowej. Na przykład 238 U. Ładunek pierwiastka (w tym przypadku uranu, oznaczonego numerem seryjnym 92) jest oznaczony podobnym indeksem poniżej.

Znając te dane, można łatwo obliczyć liczbę neutronów w danym izotopie. Jest równa liczbie masowej minus numer seryjny: 238 - 92 \u003d 146. Liczba neutronów może być mniejsza, z tego pierwiastka chemicznego nie przestałby być uranem. Należy zauważyć, że najczęściej w innych, prostszych substancjach liczba protonów i neutronów jest w przybliżeniu taka sama. Takie informacje pomagają zrozumieć, czym jest izotop w chemii.

Nukleony

To liczba protonów nadaje indywidualność danemu pierwiastkowi, a liczba neutronów w żaden sposób na niego nie wpływa. Ale masa atomowa składa się z tych dwóch wskazanych pierwiastków, mających Nazwa zwyczajowa„nukleony”, reprezentujące ich sumę. Jednak wskaźnik ten nie zależy od tych, które tworzą ujemnie naładowaną powłokę atomu. Czemu? Warto po prostu porównać.

Ułamek masowy protonu w atomie jest duży i wynosi około 1 AU. m lub 1,672 621 898 (21) 10 -27 kg. Neutron jest zbliżony do parametrów tej cząstki (1,674 927 471 (21) 10 -27 kg). Ale masa elektronu jest tysiące razy mniejsza, uważa się ją za nieistotną i nie bierze się pod uwagę. Dlatego znając indeks górny pierwiastka w chemii, nie jest trudno ustalić skład jądra izotopów.

Izotopy wodoru

Izotopy niektórych pierwiastków są tak dobrze znane i powszechne, że otrzymały własne nazwy. Najwyraźniejszym i najprostszym tego przykładem jest wodór. W żywy występuje w swojej najliczniejszej odmianie, protium. Pierwiastek ten ma liczbę masową 1, a jego jądro składa się z jednego protonu.

Czym więc są izotopy wodoru w chemii? Jak wiadomo, atomy tej substancji mają pierwszą liczbę w układzie okresowym i odpowiednio są obdarzone w naturze liczbą ładunku wynoszącą 1. Ale liczba neutronów w jądrze atomu jest dla nich inna. Deuter, będąc ciężkim wodorem, oprócz protonu, ma jeszcze jedną cząstkę w jądrze, czyli neutron. W rezultacie substancja ta wykazuje swoją własną właściwości fizyczne, w przeciwieństwie do protium, ma swoją wagę, temperaturę topnienia i temperaturę wrzenia.

Tryt

Tryt jest najbardziej złożony ze wszystkich. To jest superciężki wodór. Zgodnie z definicją izotopów w chemii ma numer obciążenia 1, ale liczba masowa wynosi 3. Często nazywa się go trytonem, ponieważ oprócz jednego protonu ma w jądrze dwa neutrony, czyli składa się z trzech pierwiastków. Nazwę tego pierwiastka, odkrytego w 1934 r. przez Rutherforda, Oliphanta i Hartecka, zaproponowano jeszcze przed jego odkryciem.

Jest substancją nietrwałą o właściwościach radioaktywnych. Jej jądro ma zdolność do rozszczepiania się z uwolnieniem cząstki beta i antyneutrina elektronowego. Energia rozpadu tej substancji nie jest bardzo wysoka i wynosi 18,59 keV. Dlatego takie promieniowanie nie jest zbyt niebezpieczne dla ludzi. Zwykła odzież i rękawiczki chirurgiczne mogą przed tym ochronić. A ten radioaktywny pierwiastek uzyskany z pożywieniem jest szybko wydalany z organizmu.

Izotopy uranu

O wiele bardziej niebezpieczne Różne rodzaje uran, którego 26 jest dziś znanych nauce, dlatego mówiąc o tym, czym są izotopy w chemii, nie sposób nie wspomnieć o tym pierwiastku. Pomimo różnorodności typów uranu, tylko trzy z jego izotopów występują w przyrodzie. Należą do nich 234 U, 235 U, 238 U. Pierwszy z nich, mający odpowiednie właściwości, jest aktywnie wykorzystywany jako paliwo w reaktorach jądrowych. A to drugie - do produkcji plutonu-239, który z kolei jest niezbędny jako najcenniejsze paliwo.

Każdy z pierwiastków promieniotwórczych ma swoją własną charakterystykę.Jest to czas, w którym substancja rozpada się w stosunku ½. Oznacza to, że w wyniku tego procesu ilość zachowanej części substancji zmniejsza się o połowę. Ten okres czasu dla uranu jest ogromny. Na przykład dla izotopu-234 szacuje się go na 270 tysiącleci, a dla pozostałych dwóch wskazanych odmian ma znacznie większe znaczenie. Rekordowy okres półtrwania to okres uranu-238, trwający miliardy lat.

Nuklidy

Nie każdy z typów atomów, charakteryzujący się własnym i ściśle pewna liczba protonów i elektronów, jest na tyle stabilny, że wystarczy na jego badanie przynajmniej jakiś długi okres. Te, które są stosunkowo stabilne, nazywane są nuklidami. Tego rodzaju stabilne formacje nie ulegają rozpadowi promieniotwórczemu. Niestabilne nazywane są radionuklidami, a z kolei dzielą się również na krótkotrwałe i długowieczne. Jak wiadomo z lekcji chemii w klasie 11 na temat budowy atomów izotopów, osm i platyna mają największą liczbę radionuklidów. Kobalt i złoto mają po jednej stajni i największa liczba stabilne nuklidy w cynie.

Obliczanie numeru seryjnego izotopu

Spróbujmy teraz podsumować opisane wcześniej informacje. Po zrozumieniu, czym są izotopy w chemii, nadszedł czas, aby dowiedzieć się, jak wykorzystać zdobytą wiedzę. Rozważ to na konkretny przykład. Załóżmy, że wiadomo, że pewien pierwiastek chemiczny ma liczbę masową 181. Jednocześnie powłoka atomu tej substancji zawiera 73 elektrony. Jak, korzystając z układu okresowego, znaleźć nazwę? dany element, a także liczbę protonów i neutronów w jej jądrze?

Zacznijmy rozwiązywać problem. Możesz określić nazwę substancji, znając jej numer seryjny, który odpowiada liczbie protonów. Ponieważ liczba ładunków dodatnich i ujemnych w atomie jest równa, wynosi 73. A więc to jest tantal. Co więcej, łączna liczba nukleonów w sumie wynosi 181, co oznacza, że ​​protony tego pierwiastka to 181 - 73 = 108. Po prostu.

Izotopy galu

Pierwiastek gal ma liczbę atomową 71. W naturze substancja ta ma dwa izotopy - 69 Ga i 71 Ga. Jak określić procent odmian galu?

Rozwiązywanie problemów z izotopami w chemii prawie zawsze wiąże się z informacjami, które można uzyskać z układu okresowego pierwiastków. Tym razem powinieneś zrobić to samo. Wyznaczmy średnią masę atomową ze wskazanego źródła. Równa się 69,72. Oznaczając dla x i y stosunek ilościowy pierwszego i drugiego izotopu, przyjmujemy ich sumę równą 1. Zatem w postaci równania zostanie to zapisane: x + y = 1. Wynika z tego, że 69x + 71y = 69,72. Wyrażając y w kategoriach x i zastępując pierwsze równanie drugie, otrzymujemy, że x = 0,64 i y = 0,36. Oznacza to, że 69 Ga jest zawarte w przyrodzie 64%, a udział procentowy 71 Ga wynosi 34%.

Transformacje izotopowe

Radioaktywne rozszczepienie izotopów wraz z ich transformacją w inne pierwiastki dzieli się na trzy główne typy. Pierwszym z nich jest rozpad alfa. Dzieje się to z emisją cząstki, która jest jądrem atomu helu. To znaczy ta formacja składająca się z zestawu par neutronów i protonów. Ponieważ liczba tych ostatnich określa liczbę ładunku i liczbę atomu substancji w układzie okresowym, w wyniku tego procesu następuje jakościowa transformacja jednego pierwiastka w inny, a w tabeli przesuwa się w lewo o dwie komórki. W tym przypadku liczba masowa elementu zmniejsza się o 4 jednostki. Znamy to z budowy atomów izotopów.

Kiedy jądro atomu traci cząsteczkę beta, która zasadniczo jest elektronem, zmienia się jej skład. Jeden z neutronów zamienia się w proton. Oznacza to, że właściwości jakościowe substancji ponownie się zmieniają, a element przesuwa się w tabeli o jedną komórkę w prawo, praktycznie bez utraty masy. Zazwyczaj taka transformacja jest związana z elektromagnetycznym promieniowaniem gamma.

Konwersja izotopu radu

Powyższe informacje i wiedza z chemii klasy 11 o izotopach ponownie pomagają rozwiązywać praktyczne problemy. Na przykład: 226 Ra podczas rozpadu zamienia się w pierwiastek chemiczny grupy IV, który ma liczbę masową 206. Ile cząstek alfa i beta powinien w tym przypadku stracić?

Biorąc pod uwagę zmiany masy i grupy pierwiastka pochodnego, korzystając z układu okresowego pierwiastków, łatwo jest określić, że izotop powstały podczas rozszczepienia będzie ołowiu o ładunku 82 i liczbie masowej 206. A biorąc pod uwagę liczbę ładunku tego pierwiastka i pierwotnego radu, należy przyjąć, że jego jądro straciło pięć cząstek alfa i cztery cząstki beta.

Wykorzystanie radioaktywnych izotopów

Wszyscy doskonale zdają sobie sprawę ze szkód, jakie promieniowanie radioaktywne może wyrządzić żywym organizmom. Jednak właściwości izotopów promieniotwórczych są przydatne dla ludzi. Są z powodzeniem stosowane w wielu branżach. Za ich pomocą możliwe jest wykrycie nieszczelności w konstrukcjach inżynierskich i budowlanych, rurociągach podziemnych i ropociągach, zbiorniki magazynowe, wymienniki ciepła w elektrowniach.

Właściwości te są również aktywnie wykorzystywane w eksperymentach naukowych. Na przykład mucha tse-tse jest nosicielem wielu poważnych chorób ludzi, zwierząt gospodarskich i domowych. Aby temu zapobiec, samce tych owadów są sterylizowane za pomocą słabego promieniowania radioaktywnego. Izotopy są również niezbędne w badaniu mechanizmów niektórych reakcji chemicznych, ponieważ atomy tych pierwiastków mogą oznaczać wodę i inne substancje.

W badaniach biologicznych często stosuje się również izotopy znakowane. Na przykład w ten sposób ustalono, jak fosfor wpływa na glebę, wzrost i rozwój rośliny uprawne. Z powodzeniem właściwości izotopów wykorzystuje się również w medycynie, co umożliwiło leczenie guzy nowotworowe inny poważna choroba, określić wiek organizmów biologicznych.

Badając właściwości pierwiastków promieniotwórczych, stwierdzono, że atomy o różnych masach jądrowych można znaleźć w tym samym pierwiastku chemicznym. Jednocześnie mają ten sam ładunek jądrowy, to znaczy nie są to zanieczyszczenia substancji obcych, ale ta sama substancja.

Czym są izotopy i dlaczego istnieją

W układzie okresowym Mendelejewa zarówno dany pierwiastek, jak i atomy substancji o różnej masie jądra zajmują jedną komórkę. Na podstawie powyższego takim odmianom tej samej substancji nadano nazwę „izotopy” (od greckiego isos - to samo i topos - miejsce). Więc, izotopy- są to odmiany danego pierwiastka chemicznego, różniące się masą jąder atomowych.

Zgodnie z przyjętym neutronem rotonowy model jądra Istnienie izotopów można było wyjaśnić w następujący sposób: jądra niektórych atomów substancji zawierają różną liczbę neutronów, ale tę samą liczbę protonów. W rzeczywistości ładunek jądrowy izotopów jednego pierwiastka jest taki sam, dlatego liczba protonów w jądrze jest taka sama. Jądra różnią się odpowiednio masą, zawierają różną liczbę neutronów.

Izotopy stabilne i niestabilne

Izotopy są albo stabilne, albo niestabilne. Do chwili obecnej znanych jest około 270 stabilnych izotopów i ponad 2000 niestabilnych. stabilne izotopy są odmiany pierwiastki chemiczne które mogą istnieć samodzielnie przez długi czas.

Większość niestabilne izotopy został uzyskany sztucznie. Izotopy niestabilne są radioaktywne, ich jądra podlegają procesowi rozpadu promieniotwórczego, czyli spontanicznej przemiany w inne jądra, której towarzyszy emisja cząstek i/lub promieniowania. Prawie wszystkie radioaktywne sztuczne izotopy mają bardzo krótkie okresy półtrwania, mierzone w sekundach, a nawet ułamkach sekund.

Ile izotopów może zawierać jądro

Jądro nie może zawierać dowolnej liczby neutronów. W związku z tym liczba izotopów jest ograniczona. Nawet w liczbie protonów pierwiastków, liczba stabilnych izotopów może osiągnąć dziesięć. Na przykład cyna ma 10 izotopów, ksenon 9, rtęć 7 i tak dalej.

Te elementy liczba protonów jest nieparzysta, może mieć tylko dwa stabilne izotopy. Niektóre pierwiastki mają tylko jeden stabilny izotop. Są to substancje takie jak złoto, glin, fosfor, sód, mangan i inne. Takie wahania liczby stabilnych izotopów dla różnych pierwiastków są związane ze złożoną zależnością liczby protonów i neutronów od energii wiązania jądra.

Prawie wszystkie substancje występujące w naturze występują jako mieszanina izotopów. Liczba izotopów w składzie substancji zależy od rodzaju substancji, masy atomowej i liczby trwałych izotopów danego pierwiastka chemicznego.

Ustalono, że każdy pierwiastek chemiczny występujący w przyrodzie jest mieszaniną izotopów (stąd mają ułamkowe masy atomowe). Aby zrozumieć, czym izotopy różnią się od siebie, konieczne jest szczegółowe rozważenie budowy atomu. Atom tworzy jądro i chmurę elektronową. Na masę atomu wpływają elektrony poruszające się z oszałamiającą prędkością po orbitach w chmurze elektronowej, neutrony i protony tworzące jądro.

Czym są izotopy

izotopy Rodzaj atomu pierwiastka chemicznego. W każdym atomie zawsze jest taka sama liczba elektronów i protonów. Ponieważ mają przeciwne ładunki (elektrony są ujemne, a protony dodatnie), atom jest zawsze obojętny (to cząstka elementarna nie niesie ze sobą ładunku, jest równy zero). Kiedy elektron zostaje utracony lub wychwycony, atom traci swoją neutralność, stając się jonem ujemnym lub dodatnim.
Neutrony nie mają ładunku, ale ich liczba w jądrze atomowym tego samego pierwiastka może być różna. Nie wpływa to na neutralność atomu, ale wpływa na jego masę i właściwości. Na przykład każdy izotop atomu wodoru ma jeden elektron i jeden proton. A liczba neutronów jest inna. Prot ma tylko 1 neutron, deuter ma 2 neutrony, a tryt ma 3 neutrony. Te trzy izotopy znacznie różnią się od siebie właściwościami.

Porównanie izotopów

Czym różnią się izotopy? Mają różną liczbę neutronów, różne masy i różne właściwości. Izotopy mają taką samą strukturę powłoki elektronowe. Oznacza to, że mają dość podobne właściwości chemiczne. Dlatego przypisuje im się jedno miejsce w układzie okresowym.
W przyrodzie znaleziono stabilne i radioaktywne (niestabilne) izotopy. Jądra atomów izotopów promieniotwórczych mogą samorzutnie przekształcać się w inne jądra. W procesie rozpadu promieniotwórczego emitują różne cząstki.
Większość pierwiastków ma ponad dwa tuziny radioaktywnych izotopów. Ponadto izotopy promieniotwórcze są sztucznie syntetyzowane dla absolutnie wszystkich pierwiastków. W naturalnej mieszaninie izotopów ich zawartość waha się nieznacznie.
Istnienie izotopów pozwoliło zrozumieć, dlaczego w niektórych przypadkach pierwiastki o mniejszej masie atomowej mają wyższy numer seryjny niż pierwiastki o większej masie atomowej. Na przykład w parze argon-potas argon zawiera ciężkie izotopy, a potas obejmuje lekkie izotopy. Dlatego masa argonu jest większa niż potasu.

ImGist ustalił, że różnica między izotopami jest następująca:

posiadają inny numer neutrony.
Izotopy mają inna masa atomy.
Wartość masy atomów jonów wpływa na ich całkowitą energię i właściwości.

Treść artykułu

IZOTOPY Odmiany tego samego pierwiastka chemicznego, które są podobne pod względem fizyczne i chemiczne właściwości ale z różnymi masami atomowymi. Nazwę „izotopy” zaproponował w 1912 r. angielski radiochemik Frederick Soddy, który utworzył ją z dwóch greckie słowa: isos - to samo i topos - miejsce. Izotopy zajmują to samo miejsce w komórce układ okresowy elementy Mendelejewa.

Atom dowolnego pierwiastka chemicznego składa się z dodatnio naładowanego jądra i otaczającej go chmury ujemnie naładowanych elektronów. Pozycja pierwiastka chemicznego w układzie okresowym Mendelejewa (jego numer seryjny) jest określona przez ładunek jądra jego atomów. izotopy nazywają się zatem odmiany tego samego pierwiastka chemicznego, których atomy mają ten sam ładunek jądrowy (a zatem prawie takie same powłoki elektronowe), ale różnią się wartościami masy jądra. Zgodnie z figuratywnym wyrażeniem F. Soddy, atomy izotopów są takie same „na zewnątrz”, ale inne „wewnątrz”.

Neutron odkryto w 1932 – cząstka bez ładunku, o masie zbliżonej do masy jądra atomu wodoru - proton , i stworzony model protonowo-neutronowy jądra. W rezultacie w nauce finał nowoczesna definicja izotopy: izotopy to substancje, których jądra atomowe składają się z tej samej liczby protonów i różnią się tylko liczbą neutronów w jądrze . Każdy izotop jest zwykle oznaczony zbiorem symboli , gdzie X to symbol pierwiastka chemicznego, Z to ładunek jądra atomowego (liczba protonów), A to liczba masowa izotopu ( Łączna nukleony - protony i neutrony w jądrze, A = Z + N). Ponieważ ładunek jądra jest jednoznacznie powiązany z symbolem pierwiastka chemicznego, często notacja A X jest po prostu używana jako skrót.

Ze wszystkich znanych nam izotopów tylko izotopy wodoru mają swoje nazwy. Tak więc izotopy 2H i 3H nazywane są deuterem i trytem i są oznaczone odpowiednio D i T (izotop 1H jest czasami nazywany protium).

Występują naturalnie jako stabilne izotopy. , i niestabilne - radioaktywne, których jądra atomów ulegają spontanicznej przemianie w inne jądra z emisją różnych cząstek (lub procesami tzw. rozpadu promieniotwórczego). Obecnie znanych jest około 270 stabilnych izotopów, a stabilne izotopy znajdują się tylko w pierwiastkach o liczbie atomowej Z Ј 83. Liczba niestabilnych izotopów przekracza 2000, zdecydowana większość z nich została uzyskana sztucznie w wyniku różnych reakcje jądrowe. Liczba izotopów promieniotwórczych w wielu pierwiastkach jest bardzo duża i może przekroczyć dwa tuziny. Liczba stabilnych izotopów jest znacznie mniejsza, niektóre pierwiastki chemiczne składają się tylko z jednego stabilnego izotopu (beryl, fluor, sód, glin, fosfor, mangan, złoto i szereg innych). Najwięcej stabilnych izotopów – 10 – znaleziono w cynie, np. w żelazie, jest ich 4, a w rtęci – 7.

Odkrycie izotopów, rys historyczny.

W 1808 r. angielski przyrodnik John Dalton po raz pierwszy wprowadził definicję pierwiastka chemicznego jako substancji składającej się z atomów jednego rodzaju. W 1869 chemik DIMendeleev odkrył okresowe prawo pierwiastków chemicznych. Jedną z trudności w uzasadnieniu pojęcia pierwiastka jako substancji zajmującej określone miejsce w komórce układu okresowego były obserwowane eksperymentalnie niecałkowite masy atomowe pierwiastków. W 1866 r. angielski fizyk i chemik Sir William Crookes postawił hipotezę, że każdy naturalny pierwiastek chemiczny jest mieszaniną substancji, które są identyczne w swoich właściwościach, ale mają różne masy atomowe, ale w tym czasie takie założenie nie było jeszcze zostały eksperymentalnie potwierdzone i dlatego mało widziane.

Ważnym krokiem w kierunku odkrycia izotopów było odkrycie zjawiska promieniotwórczości i hipotezy rozpadu promieniotwórczego sformułowanej przez Ernsta Rutherforda i Fredericka Soddy'ego: promieniotwórczość to nic innego jak rozpad atomu na naładowaną cząsteczkę i atom innego pierwiastka , który różni się właściwościami chemicznymi od oryginalnego. W rezultacie powstało pojęcie serii promieniotwórczych lub rodzin promieniotwórczych. , na początku którego znajduje się pierwszy pierwiastek rodzicielski, który jest radioaktywny, a na końcu - ostatni stabilny pierwiastek. Analiza łańcuchów przemian wykazała, że ​​w ich przebiegu w jednej komórce układu okresowego mogą pojawić się te same pierwiastki promieniotwórcze, różniące się jedynie masami atomowymi. W rzeczywistości oznaczało to wprowadzenie pojęcia izotopów.

Niezależne potwierdzenie istnienia trwałych izotopów pierwiastków chemicznych uzyskano następnie w eksperymentach J.J. Thomsona i Astona w latach 1912-1920 z wiązkami cząstek naładowanych dodatnio (tzw. promieniami kanałowymi ) wyłaniające się z rury wyładowczej.

W 1919 Aston zaprojektował instrument zwany spektrografem mas. (lub spektrometr mas) . Rurka wyładowcza była nadal używana jako źródło jonów, ale Aston znalazł sposób, w jaki sukcesywne ugięcie wiązki cząstek w układzie elektrycznym i pola magnetyczne doprowadziło do skupienia cząstek z ta sama wartość stosunek ładunku do masy (niezależnie od prędkości) w tym samym punkcie na ekranie. Wraz z Astonem spektrometr mas o nieco innej konstrukcji stworzył w tych samych latach amerykański Dempster. W wyniku późniejszego wykorzystania i udoskonalenia spektrometrów mas wysiłkiem wielu badaczy, do 1935 r. sporządzono prawie kompletną tabelę składów izotopowych wszystkich znanych do tego czasu pierwiastków chemicznych.

Metody rozdzielania izotopów.

Aby zbadać właściwości izotopów, a zwłaszcza wykorzystać je do celów naukowych i użytkowych, konieczne jest ich pozyskiwanie w mniej lub bardziej zauważalnych ilościach. W konwencjonalnych spektrometrach masowych uzyskuje się prawie całkowitą separację izotopów, ale ich liczba jest znikoma. Dlatego wysiłki naukowców i inżynierów zostały skierowane na poszukiwanie innych możliwe metody separacja izotopów. Przede wszystkim opanowano fizyczne i chemiczne metody separacji, oparte na różnicach takich właściwości izotopów tego samego pierwiastka jak szybkości parowania, stałe równowagi, szybkości reakcji chemicznych itp. Wśród nich najskuteczniejsze były metody rektyfikacji i wymiany izotopowej, które są szeroko stosowane w przemysłowej produkcji izotopów pierwiastków lekkich: wodoru, litu, boru, węgla, tlenu i azotu.

Kolejną grupę metod tworzą tzw. metody kinetyki molekularnej: dyfuzja gazowa, dyfuzja termiczna, dyfuzja masowa (dyfuzja w strumieniu pary) i wirowanie. Metody dyfuzji gazów oparte na różnych szybkościach dyfuzji składników izotopowych w silnie rozproszonych ośrodkach porowatych były stosowane podczas II wojny światowej do organizowania produkcja przemysłowa wydzielenie izotopów uranu w Stanach Zjednoczonych w ramach tzw. projektu Manhattan do stworzenia bomba atomowa. Otrzymać wymagane ilości uran, wzbogacony do 90% lekkim izotopem 235 U - głównym „palnym” składnikiem bomby atomowej, zbudowano zakłady zajmujące powierzchnię około czterech tysięcy hektarów. Ponad 2 miliardy dolarów przeznaczono na stworzenie centrum atomowego z instalacjami do produkcji wzbogaconego uranu.Po wojnie opracowano instalacje do produkcji wzbogaconego uranu do celów wojskowych, również oparte na dyfuzyjnej metodzie separacji i zbudowany w ZSRR. W ostatnie lata metoda ta ustąpiła miejsca wydajniejszej i mniej kosztownej metodzie wirowania. W metodzie tej efekt separacji mieszaniny izotopowej uzyskuje się dzięki odmiennemu działaniu sił odśrodkowych na składniki mieszaniny izotopowej wypełniającej wirnik wirówki, który jest cienkościennym cylindrem ograniczonym od góry i od dołu, obracającym się z bardzo wysoka prędkość w komora próżniowa. Setki tysięcy wirówek połączonych kaskadami, z których każdy wirnik wykonuje ponad tysiąc obrotów na sekundę, są obecnie używane w nowoczesnych zakładach separacyjnych zarówno w Rosji, jak iw innych rozwiniętych krajach świata. Wirówki są używane nie tylko do pobierania wzbogaconego uranu potrzebnego do pracy reaktor nuklearny elektrownie jądrowe, ale także do produkcji izotopów około trzydziestu pierwiastków chemicznych ze środkowej części układu okresowego. Do separacji różnych izotopów wykorzystywane są również instalacje do separacji elektromagnetycznej z silnymi źródłami jonów; w ostatnich latach metody laserowe separacja.

Zastosowanie izotopów.

Różnorodne izotopy pierwiastków chemicznych są szeroko stosowane w badania naukowe, w różnych dziedzinach przemysłu i rolnictwa, w energia atomowa, współczesna biologia i medycyna, w badaniach środowisko i inne obszary. W badaniach naukowych (na przykład w analizie chemicznej) z reguły wymagane są niewielkie ilości rzadkich izotopów różnych pierwiastków, liczone w gramach, a nawet miligramach na rok. Jednocześnie dla szeregu izotopów szeroko stosowanych w energetyce jądrowej, medycynie i innych gałęziach przemysłu potrzeba ich produkcji może wynosić wiele kilogramów, a nawet ton. Tak więc, w związku ze stosowaniem ciężkiej wody D 2 O w reaktorach jądrowych, jego globalna produkcja na początku lat 90. ubiegłego wieku wynosiła około 5000 ton rocznie. Izotop wodoru deuter, wchodzący w skład ciężkiej wody, którego stężenie w naturalnej mieszaninie wodoru wynosi zaledwie 0,015%, wraz z trytem w przyszłości, według naukowców, stanie się głównym składnikiem paliwowym eksploatujących termojądrowe reaktory energetyczne na podstawie reakcji syntezy jądrowej. W tym przypadku zapotrzebowanie na produkcję izotopów wodoru będzie ogromne.

W badaniach naukowych izotopy stabilne i promieniotwórcze są szeroko stosowane jako wskaźniki izotopowe (znaczniki) w badaniu różnych procesów zachodzących w przyrodzie.

W rolnictwo izotopy („oznakowane” atomy) są wykorzystywane m.in. do badania procesów fotosyntezy, strawności nawozów oraz do określania efektywności wykorzystania azotu, fosforu, potasu, pierwiastków śladowych i innych substancji przez rośliny.

Technologie izotopowe znajdują szerokie zastosowanie w medycynie. Tak więc w USA, według statystyk, dziennie wykonuje się ponad 36 tysięcy procedur medycznych i około 100 milionów testów laboratoryjnych z użyciem izotopów. Najczęstsze procedury związane z tomografią komputerową. Izotop węgla C 13 wzbogacony do 99% (naturalna zawartość ok. 1%) jest aktywnie wykorzystywany w tzw. „diagnostycznej kontroli oddychania”. Istota testu jest bardzo prosta. Wzbogacony izotop jest wprowadzany do pokarmu pacjenta i po udziale w procesie przemiany materii w różnych narządach ciała jest uwalniany w postaci wydychanego przez pacjenta dwutlenku węgla CO 2 , który jest zbierany i analizowany za pomocą spektrometru. Różnica w szybkości procesów związanych z uwalnianiem różnych ilości dwutlenku węgla znakowanego izotopem C13 umożliwia ocenę stanu różnych narządów pacjenta. W USA liczbę pacjentów, którzy poddadzą się temu testowi, szacuje się na 5 mln osób rocznie. Metody separacji laserowej są obecnie wykorzystywane do produkcji wysoko wzbogaconego izotopu C13 na skalę przemysłową.

Władimir Żdanow

Badając zjawisko promieniotwórczości naukowcy w pierwszej dekadzie XX wieku. odkrył dużą liczbę substancji promieniotwórczych - około 40. Było ich znacznie więcej niż wolnych miejsc w układzie okresowym pierwiastków w przedziale między bizmutem a uranem. Charakter tych substancji budzi kontrowersje. Niektórzy badacze uważali je za niezależne pierwiastki chemiczne, ale w tym przypadku kwestia ich umiejscowienia w układzie okresowym okazała się nierozwiązalna. Inni na ogół odmawiali im prawa do nazywania ich elementami w klasycznym sensie. W 1902 r. angielski fizyk D. Martin nazwał takie substancje pierwiastkami promieniotwórczymi. Jak je zbadano, okazało się, że niektóre elementy radiowe mają dokładnie to samo Właściwości chemiczne, ale różnią się wielkością masy atomowe. Ta okoliczność była sprzeczna z podstawowymi zasadami prawo okresowe. Angielski naukowiec F. Soddy rozwiązał tę sprzeczność. W 1913 nazwał chemicznie podobne izotopy pierwiastków promieniotwórczych (od greckich słów oznaczających „ten sam” i „miejsce”), czyli zajmujące to samo miejsce w układzie okresowym. Radiopierwiastki okazały się być izotopami naturalnych pierwiastków promieniotwórczych. Wszystkie są połączone w trzy rodziny radioaktywne, których przodkami są izotopy toru i uranu.

Izotopy tlenu. Izobary potasu i argonu (izobary to atomy różnych pierwiastków o tej samej liczbie masowej).

Liczba stabilnych izotopów dla pierwiastków parzystych i nieparzystych.

Wkrótce stało się jasne, że inne stabilne pierwiastki chemiczne również zawierają izotopy. Główna zasługa w ich odkryciu należy do angielskiego fizyka F. Astona. Odkrył stabilne izotopy w wielu pierwiastkach.

Z nowoczesny punkt Izotopy to odmiany atomów pierwiastka chemicznego: mają różne masy atomowe, ale ten sam ładunek jądrowy.

Ich jądra zawierają zatem ten sam numer protony, ale inny numer neutrony. Na przykład naturalne izotopy tlenu o Z = 8 zawierają odpowiednio 8, 9 i 10 neutronów w swoich jądrach. Suma liczb protonów i neutronów w jądrze izotopu nazywana jest liczbą masową A. Dlatego liczby masowe wskazanych izotopów tlenu wynoszą 16, 17 i 18. Obecnie przyjmuje się następujące oznaczenie izotopów: Z wartość jest podana w lewym dolnym rogu symbolu elementu, wartość A jest podana w lewym górnym rogu, na przykład: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

Po odkryciu zjawiska sztucznej promieniotwórczości otrzymano około 1800 sztucznych izotopów promieniotwórczych za pomocą reakcji jądrowych dla pierwiastków o Z od 1 do 110. Zdecydowana większość sztucznych radioizotopów ma bardzo krótkie okresy półtrwania, mierzone w sekundach i ułamkach sekund; tylko nieliczni mają stosunkowo dłuższy czas trwaniażywotność (na przykład 10 Be - 2,7 10 6 lat, 26 Al - 8 10 5 lat itd.).

Pierwiastki stabilne występują w przyrodzie z około 280 izotopami. Jednak niektóre z nich okazały się lekko radioaktywne, z ogromnymi okresami półtrwania (np. 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Żywotność tych izotopów jest tak długa, że ​​można je uznać za stabilne.

W świecie stabilnych izotopów wciąż istnieje wiele problemów. Nie jest więc jasne, dlaczego ich liczba w różnych pierwiastkach tak bardzo się różni. Około 25% stabilnych pierwiastków (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) występuje w natura tylko jeden rodzaj atomu. Są to tak zwane pojedyncze elementy. Co ciekawe, wszystkie (oprócz Be) mają nieparzyste wartości Z. Ogólnie dla nieparzystych pierwiastków liczba stabilnych izotopów nie przekracza dwóch. Wręcz przeciwnie, niektóre elementy z parzystym Z składają się z duża liczba izotopy (na przykład Xe ma 9, Sn - 10 stabilnych izotopów).

Zbiór stabilnych izotopów danego pierwiastka nazywamy galaktyką. Ich zawartość w galaktyce często ulega dużym wahaniom. Warto zauważyć, że obfitość izotopów o liczbach masowych będących wielokrotnościami czterech (12 C, 16 O, 20 Ca itd.) jest najwyższa, chociaż są od tej reguły wyjątki.

Odkrycie stabilnych izotopów umożliwiło rozwiązanie długofalowej zagadki mas atomowych - ich odchyleń od liczb całkowitych, ze względu na różny udział procentowy stabilnych izotopów pierwiastków w galaktyce.

W Fizyka nuklearna pojęcie „izobar” jest znane. Izobary nazywane są izotopami różnych pierwiastków (tj. z różne wartości Z) o takich samych liczbach masowych. Badanie izobarów przyczyniło się do ustalenia wielu ważnych prawidłowości w zachowaniu i właściwościach jąder atomowych. Jedną z tych prawidłowości wyraża reguła sformułowana przez sowieckiego chemika S. A. Szczukarewa i jemeńskiego fizyka I. Mattaucha. Mówi: jeśli dwie izobary różnią się wartościami Z o 1, to jedna z nich z konieczności będzie radioaktywna. Klasycznym przykładem pary izobar jest 40 18 Ar - 40 19 K. W nim izotop potasu jest radioaktywny. Reguła Szczukariewa-Mattaucha pozwoliła wyjaśnić, dlaczego pierwiastki technet (Z = 43) i promet (Z = 61) nie mają stabilnych izotopów. Ponieważ mają nieparzyste wartości Z, nie można było oczekiwać dla nich więcej niż dwóch stabilnych izotopów. Okazało się jednak, że izobary odpowiednio technetu i prometu, izotopy molibdenu (Z = 42) i rutenu (Z = 44), neodymu (Z = 60) i samaru (Z = 62), są reprezentowane w przyrodzie przez stabilne odmiany atomów w szerokim zakresie liczb masowych. Tym samym prawa fizyczne zabraniają istnienia stabilnych izotopów technetu i prometu. Dlatego te pierwiastki w rzeczywistości nie istnieją w przyrodzie i musiały zostać sztucznie zsyntetyzowane.

Naukowcy od dawna próbują opracować układ okresowy izotopów. Oczywiście opiera się na innych zasadach niż podstawa układu okresowego pierwiastków. Ale te próby nie doprowadziły jeszcze do zadowalających rezultatów. To prawda, fizycy udowodnili, że sekwencja wypełniania powłok protonowych i neutronowych w jądra atomowe w zasadzie jest podobny do budowy powłok elektronowych i podpowłok w atomach (patrz Atom).

Dokładnie w ten sam sposób zbudowane są powłoki elektronowe izotopów danego pierwiastka. Dlatego ich właściwości chemiczne i fizyczne są prawie identyczne. Jedynie izotopy wodoru (prot i deuter) oraz ich związki wykazują zauważalne różnice we właściwościach. Na przykład ciężka woda (D 2 O) zamarza w temperaturze +3,8, wrze w 101,4 ° C, ma gęstość 1,1059 g / cm 3, nie wspiera życia organizmów zwierzęcych i roślinnych. Podczas elektrolizy wody na wodór i tlen, molekuły H2 0 ulegają głównie rozkładowi, podczas gdy molekuły ciężkiej wody pozostają w elektrolizerze.

Rozdzielenie izotopów innych pierwiastków to niezwykle trudne zadanie. Jednak w wielu przypadkach potrzebne są izotopy poszczególne elementy ze znaczną zmianą w stosunku do zawartości naturalnej. Na przykład przy rozwiązywaniu problemu energii atomowej konieczne stało się oddzielenie izotopów 235 U i 238 U. W tym celu po raz pierwszy zastosowano metodę spektrometrii masowej, za pomocą której uzyskano pierwsze kilogramy uranu-235 w 1944 w USA. Jednak metoda ta okazała się zbyt kosztowna i została zastąpiona metodą dyfuzji gazowej, która wykorzystywała UF 6 . Obecnie istnieje kilka metod rozdzielania izotopów, ale wszystkie są dość złożone i drogie. Niemniej problem „oddzielenia tego, co nierozłączne” jest pomyślnie rozwiązywany.

Pojawiła się nowa dyscyplina naukowa - chemia izotopów. Bada zachowanie różnych izotopów pierwiastków chemicznych w reakcje chemiczne i procesy wymiany izotopów. W wyniku tych procesów izotopy danego pierwiastka ulegają redystrybucji pomiędzy reagującymi substancjami. Tutaj najprostszy przykład: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (cząsteczka wody zamienia atom protu na atom deuteru). Rozwija się również geochemia izotopów. Bada fluktuacje składu izotopowego różnych pierwiastków w skorupie ziemskiej.

Najszersze zastosowanie znajdują tzw. atomy znakowane, sztuczne izotopy promieniotwórcze pierwiastków stabilnych lub izotopy stabilne. Za pomocą wskaźników izotopowych - oznaczonych atomami - badają sposoby poruszania się pierwiastków w przyrodzie nieożywionej i żywej, charakter rozmieszczenia substancji i pierwiastków w różnych obiektach. Izotopy są wykorzystywane w technologii jądrowej: jako materiały do ​​budowy reaktorów jądrowych; jako paliwo jądrowe (izotopy toru, uranu, plutonu); w fuzji termojądrowej (deuter, 6 Li, 3 He). Izotopy promieniotwórcze są również szeroko stosowane jako źródła promieniowania.