Že stari filozofi so predlagali, da je snov zgrajena iz atomov. Vendar pa so znanstveniki začeli ugibati šele na prelomu iz 19. v 20. stoletje, da so same "opeke" vesolja sestavljene iz najmanjših delcev. Poskusi, ki to dokazujejo, so v svojem času naredili pravo revolucijo v znanosti. To je razmerje sestavni deli razlikuje en kemični element od drugega. Vsak od njih ima svoje mesto glede na serijsko številko. Vendar obstajajo vrste atomov, ki zasedajo iste celice v tabeli, kljub razliki v masi in lastnostih. Zakaj je temu tako in kateri izotopi so v kemiji, bomo razpravljali kasneje.

Atom in njegovi delci

E. Rutherford je z raziskovanjem strukture snovi z bombardiranjem z alfa delci leta 1910 dokazal, da je glavni prostor atoma napolnjen s praznino. In samo v središču je jedro. Negativni elektroni se gibljejo po orbitah okoli njega in sestavljajo lupino tega sistema. Tako je nastal planetarni model"opeke" snovi.

Kaj so izotopi? Ne pozabite iz tečaja kemije, da ima tudi jedro kompleksna struktura. Sestavljen je iz pozitivnih protonov in nenabitih nevtronov. Število prvih določa kvalitativne značilnosti kemičnega elementa. Število protonov je tisto, ki loči snovi med seboj in njihova jedra obdari z določenim nabojem. In na podlagi tega jim je v periodnem sistemu dodeljena serijska številka. Toda število nevtronov v istem kemičnem elementu jih razlikuje v izotope. Definicija v kemiji ta koncept zato je mogoče podati naslednje. To so vrste atomov, ki se razlikujejo po sestavi jedra, imajo enak naboj in serijsko številko, vendar imajo različno masno število zaradi razlik v številu nevtronov.

Oznaka

Pri študiju kemije v 9. razredu in izotopov bodo učenci spoznali sprejeto legenda. Črka Z označuje naboj jedra. Ta številka sovpada s številom protonov in je zato njihov indikator. Vsota teh elementov z nevtroni, označenih z znakom N, je A - masno število. Družina izotopov ene snovi je praviloma označena z ikono tega kemičnega elementa, ki je v periodnem sistemu opremljen z zaporedno številko, ki sovpada s številom protonov v njej. Levi nadpis, dodan navedeni ikoni, ustreza masnemu številu. Na primer, 238 U. Naboj elementa (v tem primeru urana, označenega s serijsko številko 92) je označen s podobnim indeksom spodaj.

Če poznamo te podatke, lahko enostavno izračunamo število nevtronov v določenem izotopu. Enako je masnemu številu minus zaporedni številki: 238 - 92 \u003d 146. Število nevtronov bi lahko bilo manjše, od tega ta kemični element ne bi prenehal biti uran. Treba je opozoriti, da je najpogosteje v drugih, enostavnejših snoveh število protonov in nevtronov približno enako. Takšne informacije pomagajo razumeti, kaj je izotop v kemiji.

Nukleoni

Število protonov daje določenemu elementu individualnost, število nevtronov pa nanj nikakor ne vpliva. Toda atomska masa je sestavljena iz teh dveh navedenih elementov, ki imajo pogosto ime"nukleoni", ki predstavljajo njihovo vsoto. Vendar ta indikator ni odvisen od tistih, ki tvorijo negativno nabito lupino atoma. zakaj? Vredno je samo primerjati.

Masni delež protona v atomu je velik in znaša približno 1 AU. u m ali 1,672 621 898 (21) 10 -27 kg. Nevtron je blizu parametrov tega delca (1,674 927 471(21) 10 -27 kg). Toda masa elektrona je tisočkrat manjša, velja za zanemarljivo in se ne upošteva. Zato, če poznamo nadpis elementa v kemiji, ni težko ugotoviti sestave jedra izotopov.

Izotopi vodika

Izotopi nekaterih elementov so v naravi tako dobro znani in pogosti, da so dobili svoja imena. Najjasnejši in najpreprostejši primer tega je vodik. IN vivo najdemo ga v svoji najpogostejši sorti protiu. Ta element ima masno število 1, njegovo jedro pa je sestavljeno iz enega protona.

Kaj so torej vodikovi izotopi v kemiji? Kot veste, imajo atomi te snovi prvo številko v periodnem sistemu in so zato v naravi obdarjeni s številko naboja 1. Toda število nevtronov v jedru atoma je zanje drugačno. Deuterij, ki je težki vodik, ima poleg protona še en delec v jedru, to je nevtron. Posledično ta snov izkazuje svoje fizične lastnosti, za razliko od protija, ki ima svojo težo, tališče in vrelišče.

tritij

Tritij je najbolj zapleten od vseh. To je supertežak vodik. Po definiciji izotopov v kemiji ima številko zaračunavanja 1, masno število pa je 3. Pogosto ga imenujemo triton, saj ima poleg enega protona v jedru dva nevtrona, torej je sestavljen iz treh elementov. Ime tega elementa, ki so ga leta 1934 odkrili Rutherford, Oliphant in Harteck, je bilo predlagano že pred njegovim odkritjem.

Je nestabilna snov z radioaktivnimi lastnostmi. Njegovo jedro ima sposobnost cepitve s sproščanjem beta delca in elektronskega antinevtrina. Energija razpada te snovi ni zelo visoka in znaša 18,59 keV. Zato takšno sevanje za človeka ni preveč nevarno. Pred tem lahko zaščitijo navadna oblačila in kirurške rokavice. In ta radioaktivni element, pridobljen s hrano, se hitro izloči iz telesa.

Izotopi urana

Veliko bolj nevarno različni tipi uran, ki jih je danes znanosti znanih 26. Zato, ko govorimo o tem, kaj so izotopi v kemiji, je nemogoče ne omeniti tega elementa. Kljub raznolikosti vrst urana se v naravi pojavljajo le trije njegovi izotopi. Sem spadajo 234 U, 235 U, 238 U. Prvi od njih, ki ima primerne lastnosti, se aktivno uporablja kot gorivo v jedrskih reaktorjih. In slednje - za proizvodnjo plutonija-239, ki je sam po sebi nepogrešljiv kot najbolj dragoceno gorivo.

Vsak od radioaktivnih elementov ima svojo lastnost, to je čas, v katerem se snov razcepi v razmerju ½. To pomeni, da se zaradi tega postopka količina ohranjenega dela snovi prepolovi. To obdobje za uran je ogromno. Na primer, za izotop-234 je ocenjen na 270 tisočletij, za drugi dve navedeni sorti pa je veliko pomembnejši. Rekordna razpolovna doba je razpolovna doba urana-238, ki traja milijarde let.

Nuklidi

Ne za vsako od vrst atoma je značilno svoje in strogo določeno število protonov in elektronov, je tako stabilen, da za njegovo preučevanje zadostuje vsaj nekaj dolgega obdobja. Tiste, ki so relativno stabilne, imenujemo nuklidi. Stabilne tvorbe te vrste se ne podvržejo radioaktivnemu razpadu. Nestabilne imenujemo radionuklidi in jih delimo tudi na kratkotrajne in dolgožive. Kot je znano iz pouka kemije 11. razreda o zgradbi atomov izotopa, imata osmij in platina največje število radionuklidov. Kobalt in zlato imata po eno hlev in največje število stabilni nuklidi v kositru.

Izračun serijske številke izotopa

Zdaj pa poskusimo povzeti informacije, opisane prej. Ko ste razumeli, kaj so izotopi v kemiji, je čas, da ugotovite, kako lahko uporabite pridobljeno znanje. Razmislite o tem konkreten primer. Recimo, da je znano, da ima določen kemični element masno število 181. Hkrati lupina atoma dane snovi vsebuje 73 elektronov. Kako lahko s pomočjo periodnega sistema ugotovite ime dani element, pa tudi število protonov in nevtronov v njegovem jedru?

Začnimo reševati problem. Ime snovi lahko določite tako, da poznate njeno serijsko številko, ki ustreza številu protonov. Ker je število pozitivnih in negativnih nabojev v atomu enako, je 73. Torej, to je tantal. Poleg tega je skupno število nukleonov skupaj 181, kar pomeni, da je protonov tega elementa 181 - 73 = 108. Preprosto.

Izotopi galija

Element galij v ima atomsko številko 71. V naravi ima ta snov dva izotopa - 69 Ga in 71 Ga. Kako določiti odstotek sort galija?

Reševanje problemov o izotopih v kemiji je skoraj vedno povezano z informacijami, ki jih lahko dobimo iz periodnega sistema. Tokrat bi morali storiti enako. Določimo povprečno atomsko maso iz navedenega vira. Enako je 69,72. Če za x in y označimo količinsko razmerje prvega in drugega izotopa, vzamemo njuno vsoto enako 1. Torej, v obliki enačbe bo to zapisano: x + y = 1. Iz tega sledi, da je 69x + 71y = 69,72. Če izrazimo y v smislu x in nadomestimo prvo enačbo z drugo, dobimo, da je x = 0,64 in y = 0,36. To pomeni, da je 69 Ga v naravi 64 %, odstotek 71 Ga pa 34 %.

Izotopske transformacije

Radioaktivna cepitev izotopov z njihovo pretvorbo v druge elemente je razdeljena na tri glavne vrste. Prvi od teh je alfa razpad. Pojavi se z emisijo delca, ki je jedro atoma helija. Se pravi, ta tvorba, sestavljena iz niza parov nevtronov in protonov. Ker število slednjega določa število naboja in število atoma snovi v periodnem sistemu, zaradi tega procesa pride do kvalitativne preobrazbe enega elementa v drugega, v tabeli pa se premakne v levo. z dvema celicama. V tem primeru se masno število elementa zmanjša za 4 enote. To poznamo iz strukture atomov izotopov.

Ko jedro atoma izgubi beta delec, ki je v bistvu elektron, se njegova sestava spremeni. Eden od nevtronov se pretvori v proton. To pomeni, da se kvalitativne značilnosti snovi ponovno spremenijo in element se v tabeli premakne za eno celico v desno, praktično brez izgube mase. Običajno je takšna transformacija povezana z elektromagnetnim sevanjem gama.

Pretvorba radijevih izotopov

Zgornje informacije in znanje iz kemije 11. razreda o izotopih ponovno pomagajo pri reševanju praktičnih problemov. Na primer naslednje: 226 Ra se med razpadom spremeni v kemični element skupine IV, ki ima masno število 206. Koliko alfa in beta delcev naj bi v tem primeru izgubil?

Glede na spremembe v masi in skupini hčerinskega elementa je z uporabo periodnega sistema enostavno ugotoviti, da bo izotop, ki nastane med cepljenjem, svinčen z nabojem 82 in masnim številom 206. In glede na številko naboja tega elementa in prvotnega radija, je treba domnevati, da je njegovo jedro izgubilo pet alfa-delcev in štiri beta delce.

Uporaba radioaktivnih izotopov

Vsi se dobro zavedajo škode, ki jo radioaktivno sevanje lahko povzroči živim organizmom. Vendar pa so lastnosti radioaktivnih izotopov uporabne za ljudi. Uspešno se uporabljajo v številnih panogah. Z njihovo pomočjo je mogoče odkriti puščanje v inženirskih in gradbenih konstrukcijah, podzemnih cevovodih in naftovodih, rezervoarji za shranjevanje, toplotni izmenjevalniki v elektrarnah.

Te lastnosti se aktivno uporabljajo tudi v znanstvenih poskusih. Na primer, muha cece je prenašalec številnih resnih bolezni za ljudi, živino in domače živali. Da bi to preprečili, samce teh žuželk steriliziramo s šibkim radioaktivnim sevanjem. Izotopi so nepogrešljivi tudi pri preučevanju mehanizmov nekaterih kemičnih reakcij, saj lahko atomi teh elementov označujejo vodo in druge snovi.

V bioloških raziskavah se pogosto uporabljajo tudi označeni izotopi. Tako je bilo na primer ugotovljeno, kako fosfor vpliva na tla, rast in razvoj gojene rastline. Z uspehom se lastnosti izotopov uporabljajo tudi v medicini, kar je omogočilo zdravljenje rakavi tumorji in drugi huda bolezen, določajo starost bioloških organizmov.

Pri preučevanju lastnosti radioaktivnih elementov je bilo ugotovljeno, da lahko v istem kemičnem elementu najdemo atome z različnimi jedrskimi masami. Hkrati imajo enak jedrski naboj, torej ne gre za nečistoče snovi tretjih oseb, ampak za isto snov.

Kaj so izotopi in zakaj obstajajo

V Mendelejevskem periodičnem sistemu tako dani element kot atomi snovi z različno maso jedra zasedata eno celico. Na podlagi zgoraj navedenega so takšne sorte iste snovi dobile ime "izotopi" (iz grškega isos - isto in topos - kraj). torej izotopi- to so sorte danega kemičnega elementa, ki se razlikujejo po masi atomskih jeder.

Glede na sprejeti nevtron rotonski model jedra pojasnite obstoj izotopov takole: jedra nekaterih atomov snovi vsebujejo različno število nevtronov, vendar enako število protonov. Dejansko je jedrski naboj izotopov enega elementa enak, zato je število protonov v jedru enako. Jedra se razlikujejo po masi, oziroma vsebujejo različno število nevtronov.

Stabilni in nestabilni izotopi

Izotopi so stabilni ali nestabilni. Do danes je znanih okoli 270 stabilnih izotopov in več kot 2000 nestabilnih. stabilni izotopi so sorte kemični elementi ki lahko dolgo obstajajo sami.

Večina nestabilni izotopi je bila pridobljena umetno. Nestabilni izotopi so radioaktivni, njihova jedra so podvržena procesu radioaktivnega razpada, to je spontani preobrazbi v druga jedra, ki jo spremlja emisija delcev in / ali sevanje. Skoraj vsi radioaktivni umetni izotopi imajo zelo kratke razpolovne dobe, merjene v sekundah in celo delcih sekund.

Koliko izotopov lahko vsebuje jedro

Jedro ne more vsebovati poljubnega števila nevtronov. V skladu s tem je število izotopov omejeno. Tudi v številu protonov elementov, lahko število stabilnih izotopov doseže deset. Na primer, kositer ima 10 izotopov, ksenon 9, živo srebro 7 itd.

Ti elementi število protonov je liho, ima lahko samo dva stabilna izotopa. Nekateri elementi imajo samo en stabilen izotop. To so snovi, kot so zlato, aluminij, fosfor, natrij, mangan in druge. Takšne razlike v številu stabilnih izotopov za različne elemente so povezane s kompleksno odvisnostjo števila protonov in nevtronov od energije vezave jedra.

Skoraj vse snovi v naravi obstajajo kot mešanica izotopov. Število izotopov v sestavi snovi je odvisno od vrste snovi, atomske mase in števila stabilnih izotopov določenega kemičnega elementa.

Ugotovljeno je bilo, da je vsak kemični element, ki ga najdemo v naravi, mešanica izotopov (zato imajo delne atomske mase). Da bi razumeli, kako se izotopi med seboj razlikujejo, je treba podrobno preučiti strukturo atoma. Atom tvori jedro in elektronski oblak. Na maso atoma vplivajo elektroni, ki se premikajo z osupljivo hitrostjo po orbitah v elektronskem oblaku, nevtroni in protoni, ki sestavljajo jedro.

Kaj so izotopi

izotopi Vrsta atoma kemičnega elementa. V vsakem atomu je vedno enako število elektronov in protonov. Ker imajo nasprotne naboje (elektroni so negativni, protoni pa pozitivni), je atom vedno nevtralen (to elementarni delec ne nosi naboja, je enak nič). Ko se elektron izgubi ali ujame, atom izgubi nevtralnost in postane bodisi negativen bodisi pozitiven ion.
Nevtroni nimajo naboja, vendar je njihovo število v atomskem jedru istega elementa lahko različno. To ne vpliva na nevtralnost atoma, vpliva pa na njegovo maso in lastnosti. Na primer, vsak izotop vodikovega atoma ima vsak en elektron in en proton. In število nevtronov je drugačno. Protij ima samo 1 nevtron, devterij 2 nevtrona, tritij pa 3 nevtrone. Ti trije izotopi se med seboj izrazito razlikujejo po lastnostih.

Primerjava izotopov

Kako se izotopi razlikujejo? Imajo različno število nevtronov, različne mase in različne lastnosti. Izotopi imajo enako strukturo elektronske lupine. To pomeni, da sta si po kemijskih lastnostih precej podobni. Zato jim je dodeljeno eno mesto v periodičnem sistemu.
V naravi so našli stabilne in radioaktivne (nestabilne) izotope. Jedra atomov radioaktivnih izotopov se lahko spontano preoblikujejo v druga jedra. V procesu radioaktivnega razpada oddajajo različne delce.
Večina elementov ima več kot dva ducata radioaktivnih izotopov. Poleg tega so radioaktivni izotopi umetno sintetizirani za absolutno vse elemente. V naravni mešanici izotopov njihova vsebnost rahlo niha.
Obstoj izotopov je omogočil razumevanje, zakaj imajo v nekaterih primerih elementi z nižjo atomsko maso višjo zaporedno številko kot elementi z večjo atomsko maso. Na primer, v paru argon-kalij argon vključuje težke izotope, kalij pa lahke izotope. Zato je masa argona večja od mase kalija.

ImGist je ugotovil, da je razlika med izotopi med seboj naslednja:

Imajo drugačna številka nevtroni.
Izotopi imajo različno maso atomi.
Vrednost mase atomov ionov vpliva na njihovo skupno energijo in lastnosti.

Vsebina članka

ISOTOPS Sorte istega kemičnega elementa, ki so si podobne fizikalne in kemijske lastnosti vendar z različnimi atomskimi masami. Ime "izotopi" je leta 1912 predlagal angleški radiokemik Frederick Soddy, ki ga je oblikoval iz dveh grške besede: isos - isto in topos - mesto. Izotopi zasedajo isto mesto v celici periodični sistem elementi Mendelejeva.

Atom katerega koli kemičnega elementa je sestavljen iz pozitivno nabitega jedra in oblaka negativno nabitih elektronov, ki ga obdajajo. Položaj kemičnega elementa v periodnem sistemu Mendelejeva (njegova serijska številka) je določen z nabojem jedra njegovih atomov. izotopi se imenujejo torej sorte istega kemičnega elementa, katerih atomi imajo enak jedrski naboj (in zato skoraj enake elektronske lupine), vendar se razlikujejo po vrednostih mase jedra. Po figurativnem izrazu F. Soddyja so atomi izotopov enaki "zunaj", vendar različni "znotraj".

Nevtron so odkrili leta 1932 – delec brez naboja, z maso, ki je blizu masi jedra vodikovega atoma - proton , in ustvaril protonsko-nevtronski model jedra. Kot rezultat v znanosti končno moderna definicija izotopi: izotopi so snovi, katerih atomska jedra so sestavljena iz enakega števila protonov in se razlikujejo le po številu nevtronov v jedru . Vsak izotop je običajno označen z nizom simbolov, kjer je X simbol kemičnega elementa, Z je naboj atomskega jedra (število protonov), A je masno število izotopa ( skupno število nukleoni - protoni in nevtroni v jedru, A = Z + N). Ker je naboj jedra nedvoumno povezan s simbolom kemičnega elementa, se pogosto zapis A X preprosto uporablja za okrajšavo.

Od vseh nam znanih izotopov imajo samo izotopi vodika svoja imena. Tako se izotopa 2 H in 3 H imenujeta devterij in tritij in sta označena z D oziroma T (izotop 1 H se včasih imenuje protij).

V naravi se pojavljajo kot stabilni izotopi. , in nestabilne - radioaktivne, katerih jedra atomov so podvržena spontani preoblikovanju v druga jedra z emisijo različnih delcev (ali procesi tako imenovanega radioaktivnega razpada). Zdaj je znanih približno 270 stabilnih izotopov, stabilne izotope pa najdemo le v elementih z atomsko številko Z Ј 83. Število nestabilnih izotopov presega 2000, velika večina jih je bila pridobljena umetno kot posledica različnih jedrske reakcije. Število radioaktivnih izotopov v mnogih elementih je zelo veliko in lahko preseže dva ducata. Število stabilnih izotopov je veliko manjše, nekateri kemični elementi so sestavljeni iz enega stabilnega izotopa (berilij, fluor, natrij, aluminij, fosfor, mangan, zlato in številni drugi elementi). Največje število stabilnih izotopov - 10 - je bilo najdenih v kositru, v železu jih je na primer 4, v živem srebru pa 7.

Odkritje izotopov, zgodovinsko ozadje.

Leta 1808 je angleški naravoslovec John Dalton prvič predstavil definicijo kemičnega elementa kot snovi, sestavljene iz atomov ene vrste. Leta 1869 je kemik DIMendelejev odkril periodični zakon kemičnih elementov. Ena od težav pri utemeljitvi pojma elementa kot snovi, ki zavzema določeno mesto v celici periodnega sistema, je bila eksperimentalno opazovana necela atomska masa elementov. Leta 1866 je angleški fizik in kemik, sir William Crookes, postavil hipotezo, da je vsak naravni kemični element mešanica snovi, ki so enake po svojih lastnostih, vendar imajo različne atomske mase, vendar takrat taka predpostavka še ni bila je bilo eksperimentalno potrjeno in zato malo vidno.

Pomemben korak k odkritju izotopov je bilo odkritje pojava radioaktivnosti in hipoteze o radioaktivnem razpadu, ki sta jo oblikovala Ernst Rutherford in Frederick Soddy: radioaktivnost ni nič drugega kot razpad atoma na nabit delec in atom drugega elementa. , ki se po svojih kemijskih lastnostih razlikuje od prvotnega. Posledično se je pojavil koncept radioaktivnih serij ali radioaktivnih družin. , na začetku katerega je prvi nadrejeni element, ki je radioaktiven, in na koncu - zadnji stabilen element. Analiza verig transformacij je pokazala, da se lahko v eni celici periodnega sistema v svojem poteku pojavijo eni in isti radioaktivni elementi, ki se razlikujejo le po atomskih masah. Pravzaprav je to pomenilo uvedbo koncepta izotopov.

Neodvisna potrditev obstoja stabilnih izotopov kemičnih elementov je bila nato pridobljena v poskusih J. J. Thomsona in Astona v letih 1912-1920 s snopi pozitivno nabitih delcev (ali tako imenovanih kanalskih žarkov). ) ki izhaja iz izpustne cevi.

Leta 1919 je Aston zasnoval instrument, imenovan masni spektrograf. (oz masni spektrometer) . Razelektritvena cev je bila še vedno uporabljena kot vir ionov, vendar je Aston našel način, kako zaporedni odklon žarka delcev v električnem in magnetna polja privedlo do fokusiranja delcev s enako vrednost razmerje med nabojom in maso (ne glede na njihovo hitrost) na isti točki na zaslonu. Ob Astonu je v istih letih pri ameriškem Dempsterju nastal masni spektrometer nekoliko drugačne zasnove. Kot rezultat poznejše uporabe in izboljšanja masnih spektrometrov s prizadevanji številnih raziskovalcev je bila do leta 1935 sestavljena skoraj popolna tabela izotopskih sestav vseh do takrat znanih kemičnih elementov.

Metode ločevanja izotopov.

Za preučevanje lastnosti izotopov, predvsem pa za njihovo uporabo v znanstvene in uporabne namene, jih je treba pridobiti v bolj ali manj opaznih količinah. V običajnih masnih spektrometrih je dosežena skoraj popolna ločitev izotopov, vendar je njihovo število zanemarljivo. Zato so bila prizadevanja znanstvenikov in inženirjev usmerjena v iskanje drugih možne metode ločitev izotopov. Najprej so bile obvladane fizikalne in kemične metode ločevanja, ki temeljijo na razlikah v lastnostih izotopov istega elementa, kot so hitrosti izhlapevanja, ravnotežne konstante, hitrosti kemičnih reakcij itd. Najučinkovitejše med njimi so bile metode rektifikacije in izmenjave izotopov, ki se pogosto uporabljajo v industrijski proizvodnji izotopov lahkih elementov: vodika, litija, bora, ogljika, kisika in dušika.

Drugo skupino metod tvorijo tako imenovane molekularno-kinetične metode: plinska difuzija, toplotna difuzija, masna difuzija (difuzija v parnem toku) in centrifugiranje. Metode plinske difuzije, ki temeljijo na različnih stopnjah difuzije izotopskih komponent v visoko razpršenih poroznih medijih, so bile uporabljene med drugo svetovno vojno za organizacijo industrijska proizvodnja ločevanje izotopov urana v Združenih državah Amerike v okviru tako imenovanega projekta Manhattan za ustvarjanje atomska bomba. Za pridobitev zahtevane količine urana, do 90% obogatenega z lahkim izotopom 235 U, glavno "gorljivo" komponento atomske bombe, so zgradili rastline, ki so zasedle površino okoli štiri tisoč hektarjev. Za vzpostavitev atomskega centra z obrati za proizvodnjo obogatenega urana so namenili več kot 2 milijardi dolarjev, po vojni pa so razvili obrate za proizvodnjo obogatenega urana za vojaške namene, ki temeljijo tudi na difuzijski metodi ločevanja. zgrajena v ZSSR. IN Zadnja leta ta metoda se je umaknila učinkovitejši in cenejši metodi centrifugiranja. Pri tej metodi je učinek ločevanja zmesi izotopov dosežen zaradi različnega delovanja centrifugalnih sil na komponente zmesi izotopov, ki polnijo rotor centrifuge, ki je tankostenski valj, omejen od zgoraj in spodaj, ki se vrti z a zelo visoka hitrost v vakuumska komora. Na stotine tisoč centrifug, povezanih v kaskade, od katerih rotor vsake naredi več kot tisoč vrtljajev na sekundo, se trenutno uporablja v sodobnih ločevalnih obratih tako v Rusiji kot v drugih razvitih državah sveta. Centrifuge se uporabljajo za več kot le pridobivanje obogatenega urana, potrebnega za delovanje jedrskih reaktorjev jedrskih elektrarn, pa tudi za proizvodnjo izotopov približno tridesetih kemičnih elementov srednjega dela periodnega sistema. Za ločevanje različnih izotopov se uporabljajo tudi elektromagnetne separacijske naprave z močnimi ionskimi viri, zadnja leta pa se laserske metode ločitev.

Uporaba izotopov.

Različni izotopi kemičnih elementov se pogosto uporabljajo znanstvena raziskava, na različnih področjih industrije in kmetijstva, v jedrska energija, sodobna biologija in medicina, v raziskavah okolje in druga področja. V znanstvenih raziskavah (na primer pri kemičnih analizah) so praviloma potrebne majhne količine redkih izotopov različnih elementov, izračunanih v gramih in celo miligramih na leto. Hkrati je za številne izotope, ki se pogosto uporabljajo v jedrski energetiki, medicini in drugih industrijah, potreba po njihovi proizvodnji lahko veliko kilogramov in celo ton. Tako je v zvezi z uporabo težke vode D 2 O v jedrskih reaktorjih njegova svetovna proizvodnja do začetka devetdesetih let prejšnjega stoletja znašala približno 5000 ton na leto. Vodikov izotop devterij, ki je del težke vode, katerega koncentracija v naravni mešanici vodika je le 0,015%, skupaj s tritijem, bo po mnenju znanstvenikov v prihodnosti postala glavna komponenta goriva termonuklearnih reaktorjev, ki delujejo. na podlagi reakcij jedrske fuzije. V tem primeru bo potreba po proizvodnji vodikovih izotopov ogromna.

V znanstvenih raziskavah se stabilni in radioaktivni izotopi pogosto uporabljajo kot izotopski indikatorji (oznake) pri preučevanju različnih procesov, ki se pojavljajo v naravi.

IN kmetijstvo izotopi ("označeni" atomi) se uporabljajo na primer za preučevanje procesov fotosinteze, prebavljivosti gnojil in za ugotavljanje učinkovitosti porabe dušika, fosforja, kalija, elementov v sledovih in drugih snovi v rastlinah.

Izotopske tehnologije se pogosto uporabljajo v medicini. Tako se v ZDA po statističnih podatkih opravi več kot 36 tisoč medicinskih posegov na dan in približno 100 milijonov laboratorijskih testov z uporabo izotopov. Najpogostejši postopki, povezani z računalniško tomografijo. Izotop ogljika C 13, obogaten do 99 % (naravna vsebnost okoli 1 %), se aktivno uporablja v tako imenovanem »diagnostičnem nadzoru dihanja«. Bistvo testa je zelo preprosto. Obogaten izotop se vnese v hrano bolnika in se po sodelovanju v presnovnem procesu v različnih telesnih organih sprosti kot ogljikov dioksid CO 2 , ki ga izdihne bolnik, ki ga zberemo in analiziramo s spektrometrom. Razlika v hitrostih procesov, povezanih s sproščanjem različnih količin ogljikovega dioksida, označenega z izotopom C 13, omogoča presojo stanja različnih organov bolnika. V ZDA je število bolnikov, ki bodo opravili ta test, ocenjeno na 5 milijonov ljudi na leto. Metode laserskega ločevanja se zdaj uporabljajo za proizvodnjo visoko obogatenega izotopa C 13 v industrijskem obsegu.

Vladimir Ždanov

Znanstveniki so preučevali pojav radioaktivnosti v prvem desetletju XX. odkrili veliko število radioaktivnih snovi - okoli 40. Teh je bilo bistveno več kot prostih mest v periodnem sistemu elementov v intervalu med bizmutom in uranom. Narava teh snovi je bila sporna. Nekateri raziskovalci so jih smatrali za neodvisne kemične elemente, vendar se je v tem primeru izkazalo, da je vprašanje njihove umestitve v periodni sistem nerešljivo. Drugi so jim na splošno odrekli pravico, da se imenujejo elementi v klasičnem pomenu. Leta 1902 je angleški fizik D. Martin takšne snovi imenoval radioelementi. Ko so jih preučevali, se je izkazalo, da imajo nekateri radijski elementi popolnoma enake Kemijske lastnosti, vendar se razlikujejo po velikosti atomske mase. Ta okoliščina je bila v nasprotju s temeljnimi načeli periodični zakon. Angleški znanstvenik F. Soddy je razrešil protislovje. Leta 1913 je kemično podobne radioelemente imenoval izotopi (iz grških besed, ki pomenijo "isti" in "mesto"), torej zasedajo isto mesto v periodnem sistemu. Izkazalo se je, da so radioelementi izotopi naravnih radioaktivnih elementov. Vsi so združeni v tri radioaktivne družine, katerih predniki sta izotopa torija in urana.

Izotopi kisika. Izobare kalija in argona (izobari so atomi različnih elementov z enakim masnim številom).

Število stabilnih izotopov za sode in lihe elemente.

Kmalu je postalo jasno, da imajo izotope tudi drugi stabilni kemični elementi. Glavna zasluga pri njihovem odkritju pripada angleškemu fiziku F. Astonu. Odkril je stabilne izotope v številnih elementih.

IZ moderna točka Izotopi so vrste atomov kemičnega elementa: imajo različne atomske mase, vendar enak jedrski naboj.

Njihova jedra tako vsebujejo isto številko protoni, ampak drugačna številka nevtroni. Na primer, naravni izotopi kisika z Z = 8 vsebujejo 8, 9 in 10 nevtronov v svojih jedrih. Vsota števil protonov in nevtronov v jedru izotopa se imenuje masno število A. Zato so masna števila navedenih kisikovih izotopov 16, 17 in 18. Zdaj je sprejeta naslednja oznaka izotopov: Z vrednost je podana spodaj levo od simbola elementa, vrednost A je navedena zgoraj levo. Na primer: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

Po odkritju pojava umetne radioaktivnosti je bilo z uporabo jedrskih reakcij pridobljenih okoli 1800 umetnih radioaktivnih izotopov za elemente z Z od 1 do 110. Velika večina umetnih radioaktivnih izotopov ima zelo kratke razpolovne dobe, merjene v sekundah in delcih sekund; le redki imajo relativno daljše trajanježivljenje (na primer 10 Be - 2,7 10 6 let, 26 Al - 8 10 5 let itd.).

Stabilni elementi so v naravi prisotni s približno 280 izotopi. Vendar pa so se nekateri od njih izkazali za rahlo radioaktivne, z ogromnimi razpolovnimi časi (na primer 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Življenjska doba teh izotopov je tako dolga, da jih lahko štejemo za stabilne.

V svetu stabilnih izotopov je še vedno veliko težav. Zato ni jasno, zakaj se njihovo število v različnih elementih tako razlikuje. Približno 25 % stabilnih elementov (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) narava le ena vrsta atoma. To so tako imenovani posamezni elementi. Zanimivo je, da imajo vsi (razen Be) lihe vrednosti Z. Na splošno za lihe elemente število stabilnih izotopov ne presega dveh. Nasprotno, nekateri elementi s celo Z so sestavljeni iz veliko število izotopov (na primer Xe ima 9, Sn - 10 stabilnih izotopov).

Nabor stabilnih izotopov določenega elementa se imenuje galaksija. Njihova vsebnost v galaksiji pogosto močno niha. Zanimivo je, da je številčnost izotopov z masnimi števili, ki so večkratniki štirih (12 C, 16 O, 20 Ca itd.), največja, čeprav obstajajo izjeme od tega pravila.

Odkritje stabilnih izotopov je omogočilo rešitev dolgoročne skrivnosti atomskih mas – njihovega odstopanja od celih števil, zaradi različnih odstotkov stabilnih izotopov elementov v galaksiji.

IN jedrska fizika koncept "isobar" je znan. Izobare imenujemo izotopi različnih elementov (tj različne vrednosti Z) z enakimi masnimi števili. Preučevanje izob je pripomoglo k vzpostavitvi številnih pomembnih zakonitosti v obnašanju in lastnostih atomskih jeder. Eno od teh zakonitosti izraža pravilo, ki sta ga oblikovala sovjetski kemik S. A. Shchukarev in jemenski fizik I. Mattauch. Piše: če se obe izobari v vrednostih Z razlikujeta za 1, bo ena od njiju nujno radioaktivna. Klasičen primer para izobar je 40 18 Ar - 40 19 K. V njem je kalijev izotop radioaktiven. Shchukarev-Mattauchovo pravilo je omogočilo razlago, zakaj elementa tehnecij (Z = 43) in prometij (Z = 61) nimata stabilnih izotopov. Ker imajo lihe vrednosti Z, zanje ni bilo mogoče pričakovati več kot dveh stabilnih izotopov. Toda izkazalo se je, da so izobari tehnecija oziroma prometija, izotopa molibdena (Z = 42) in rutenija (Z = 44), neodima (Z = 60) in samarija (Z = 62), v naravi predstavljeni z stabilne sorte atomov v širokem razponu masnih števil. Tako fizikalni zakoni nalagajo prepoved obstoja stabilnih izotopov tehnecija in prometija. Zato teh elementov v naravi dejansko ni in jih je bilo treba sintetizirati umetno.

Znanstveniki že dolgo poskušajo razviti periodični sistem izotopov. Seveda temelji na drugih načelih kot na podlagi periodičnega sistema elementov. Toda ti poskusi še niso prinesli zadovoljivih rezultatov. Res je, fiziki so dokazali, da je zaporedje polnjenja protonskih in nevtronskih lupin v atomska jedra načeloma je podobna konstrukciji elektronskih lupin in podlupin v atomih (glej Atom).

Elektronske lupine izotopov danega elementa so zgrajene na popolnoma enak način. Zato so njihove kemične in fizikalne lastnosti skoraj enake. Samo izotopi vodika (protij in devterij) in njune spojine kažejo opazne razlike v lastnostih. Na primer, težka voda (D 2 O) zamrzne pri +3,8, vre pri 101,4 ° C, ima gostoto 1,1059 g / cm 3, ne podpira življenja živalskih in rastlinskih organizmov. Pri elektrolizi vode v vodik in kisik se molekule H 2 0 pretežno razgradijo, molekule težke vode pa ostanejo v elektrolizerju.

Ločevanje izotopov drugih elementov je izjemno težka naloga. Vendar pa so v mnogih primerih potrebni izotopi posamezne elemente s precejšnjo spremembo v primerjavi z naravno vsebino. Na primer, pri reševanju problema atomske energije je bilo potrebno ločiti izotopa 235 U in 238 U. V ta namen je bila najprej uporabljena metoda masne spektrometrije, s pomočjo katere so dobili prve kilograme urana-235 leta 1944 v ZDA. Vendar se je ta metoda izkazala za predrago in jo je nadomestila metoda plinaste difuzije, ki je uporabljala UF 6 . Zdaj obstaja več metod za ločevanje izotopov, vendar so vse precej zapletene in drage. Kljub temu se problem "ločitve neločljivega" uspešno rešuje.

Pojavila se je nova znanstvena disciplina - kemija izotopov. Preučuje obnašanje različnih izotopov kemičnih elementov v kemične reakcije in procesi izmenjave izotopov. Zaradi teh procesov se izotopi danega elementa prerazporedijo med reagirajoče snovi. tukaj najpreprostejši primer: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (molekula vode zamenja protijev atom za atom devterija). Razvija se tudi geokemija izotopov. Raziskuje nihanja v izotopski sestavi različnih elementov v zemeljski skorji.

Najbolj razširjeni so tako imenovani označeni atomi – umetni radioaktivni izotopi stabilnih elementov ali stabilni izotopi. S pomočjo izotopskih indikatorjev – označenih atomov – preučujejo načine gibanja elementov v neživi in ​​živi naravi, naravo porazdelitve snovi in ​​elementov v različnih predmetih. Izotopi se uporabljajo v jedrski tehnologiji: kot materiali za gradnjo jedrskih reaktorjev; kot jedrsko gorivo (izotopi torija, urana, plutonija); pri termonuklearni fuziji (devterij, 6 Li, 3 He). Radioaktivni izotopi se pogosto uporabljajo tudi kot viri sevanja.