ไอโซโทปมีจำนวนเท่ากัน การประยุกต์ใช้ไอโซโทป

ไอโซโทป

ISOTOPS-ov; พี(ไอโซโทปเอกพจน์ -a; m.) [จากภาษากรีก. isos - เท่ากับและ topos - วาง] ผู้เชี่ยวชาญ.พันธุ์เดียวกัน องค์ประกอบทางเคมีซึ่งมีมวลอะตอมต่างกัน ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี ไอโซโทปของยูเรเนียม

◁ ไอโซโทป, th, th. I. ตัวบ่งชี้

ไอโซโทป

ประวัติการวิจัย
ข้อมูลการทดลองครั้งแรกเกี่ยวกับการมีอยู่ของไอโซโทปได้รับในปี พ.ศ. 2449-10 ในการศึกษาคุณสมบัติของการเปลี่ยนแปลงกัมมันตภาพรังสีของอะตอมของธาตุหนัก ในปี พ.ศ. 2449-2550 พบว่าผลิตภัณฑ์การสลายกัมมันตภาพรังสีของยูเรเนียม - ไอออนเนียม และผลิตภัณฑ์การสลายกัมมันตภาพรังสีของทอเรียม - เรดิโอทอเรียม มีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกันกับทอเรียม แต่แตกต่างจากชนิดหลัง มวลอะตอมและลักษณะของการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี ยิ่งกว่านั้น: องค์ประกอบทั้งสามมีสเปกตรัมแสงและรังสีเอกซ์เหมือนกัน ตามคำแนะนำของนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ F. Soddy (ซม.ซอดี เฟรเดอริค)สารดังกล่าวกลายเป็นที่รู้จักในชื่อไอโซโทป
หลังจากค้นพบไอโซโทปในธาตุกัมมันตรังสีหนัก การค้นหาไอโซโทปในองค์ประกอบที่เสถียรก็เริ่มขึ้น ได้รับการยืนยันโดยอิสระเกี่ยวกับการมีอยู่ของไอโซโทปที่เสถียรขององค์ประกอบทางเคมีในการทดลองของ J.J. Thomson (ซม.ทอมสัน โจเซฟ จอห์น)และเอฟ.แอสตัน (ซม.แอสตัน ฟรานซิส วิลเลียม). ทอมสันในปี 1913 ค้นพบ ไอโซโทปที่เสถียรที่นีออน แอสตันซึ่งทำการวิจัยโดยใช้เครื่องมือที่เขาออกแบบเรียกว่าแมสสเปกโตรกราฟ (หรือแมสสเปกโตรมิเตอร์) โดยใช้วิธีการแมสสเปกโตรมิเตอร์ (ซม.มวลสาร)พิสูจน์แล้วว่าองค์ประกอบทางเคมีที่เสถียรอื่นๆ จำนวนมากมีไอโซโทป ในปีพ.ศ. 2462 เขาได้รับหลักฐานการมีอยู่ของไอโซโทป 20 Ne และ 22 Ne สองไอโซโทป ความอุดมสมบูรณ์สัมพัทธ์ (ความอุดมสมบูรณ์) ซึ่งในธรรมชาติมีประมาณ 91% และ 9% ต่อจากนั้น ไอโซโทป 21 Ne ถูกค้นพบด้วยความชุก 0.26% ไอโซโทปของคลอรีน ปรอท และธาตุอื่นๆ อีกจำนวนหนึ่ง
แมสสเปกโตรมิเตอร์ของการออกแบบที่แตกต่างกันเล็กน้อยในปีเดียวกันนั้นถูกสร้างขึ้นโดย A.J. Dempster (ซม.เดมพ์สเตอร์ อาเธอร์ เจฟฟรีย์). อันเป็นผลมาจากการใช้และปรับปรุงแมสสเปกโตรมิเตอร์ในภายหลัง ความพยายามของนักวิจัยหลายคนจึงรวบรวมตารางองค์ประกอบไอโซโทปที่เกือบสมบูรณ์ ในปีพ.ศ. 2475 มีการค้นพบนิวตรอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุ โดยมีมวลใกล้เคียงกับมวลของนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน โปรตอน และแบบจำลองโปรตอน-นิวตรอนของนิวเคลียสได้ถูกสร้างขึ้น เป็นผลให้คำจำกัดความสุดท้ายของแนวคิดเกี่ยวกับไอโซโทปเป็นที่ยอมรับในวิทยาศาสตร์: ไอโซโทปคือสารที่มีนิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนจำนวนเท่ากันและแตกต่างกันเฉพาะในจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียส ประมาณปี 1940 ได้ทำการวิเคราะห์ไอโซโทปสำหรับองค์ประกอบทางเคมีทั้งหมดที่รู้จักในขณะนั้น
ในการศึกษากัมมันตภาพรังสี พบสารกัมมันตภาพรังสีธรรมชาติประมาณ 40 ชนิด พวกมันรวมกันเป็นตระกูลกัมมันตภาพรังสีซึ่งบรรพบุรุษคือไอโซโทปของทอเรียมและยูเรเนียม ธรรมชาติรวมถึงอะตอมที่เสถียรทั้งหมด (มีประมาณ 280 ตัว) และอะตอมกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติทั้งหมดที่เป็นส่วนหนึ่งของตระกูลกัมมันตภาพรังสี (มี 46 ตัว) ไอโซโทปอื่น ๆ ทั้งหมดได้มาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์
เป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2477 I. Curie (ซม.โจเลียต-คูรี ไอรีน)และ F. Joliot-Curie (ซม.โจเลียต-คูรี เฟรเดริก)ได้รับไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีเทียมของไนโตรเจน (13 N), ซิลิกอน (28 Si) และฟอสฟอรัส (30 P) ซึ่งไม่มีอยู่ในธรรมชาติ ด้วยการทดลองเหล่านี้ พวกเขาได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการสังเคราะห์นิวไคลด์กัมมันตภาพรังสีใหม่ ในบรรดาไอโซโทปรังสีเทียมที่รู้จักกันในปัจจุบัน มีมากกว่า 150 องค์ประกอบของทรานส์ยูเรเนียม (ซม.องค์ประกอบทรานซูเรน)ไม่พบบนโลก ในทางทฤษฎี สันนิษฐานว่าจำนวนชนิดไอโซโทปที่สามารถดำรงอยู่ได้นั้นมีจำนวนถึง 6,000 ชนิด

พจนานุกรมสารานุกรม. 2009 .

ดูว่า "ไอโซโทป" ในพจนานุกรมอื่นๆ คืออะไร:

สารานุกรมสมัยใหม่

ไอโซโทป- (จาก iso ... และตำแหน่ง topos ของกรีก) ความหลากหลายขององค์ประกอบทางเคมีที่นิวเคลียสของอะตอม (นิวไคลด์) แตกต่างกันในจำนวนนิวตรอน แต่มี เบอร์เดียวกันโปรตอนและดังนั้นจึงครอบครองที่เดียวกันใน ระบบเป็นระยะเคมี... ภาพประกอบ พจนานุกรมสารานุกรม

- (จาก iso ... และตำแหน่ง topos ของกรีก) ความหลากหลายขององค์ประกอบทางเคมีที่นิวเคลียสของอะตอมแตกต่างกันในจำนวนนิวตรอน แต่มีจำนวนโปรตอนเท่ากันดังนั้นจึงครอบครองที่เดียวกันในระบบธาตุเป็นระยะ แยกแยะ… … พจนานุกรมสารานุกรมขนาดใหญ่

ISOTOPS- ไอโซโทป, เคมี. องค์ประกอบที่อยู่ในเซลล์เดียวกันของระบบธาตุจึงมีเลขอะตอมหรือเลขลำดับเหมือนกัน ในกรณีนี้ โดยทั่วไปแล้ว I. ไม่ควรมีน้ำหนักอะตอมเท่ากัน หลากหลาย… … สารานุกรมทางการแพทย์ขนาดใหญ่

พันธุ์ของเคมีนี้ องค์ประกอบที่มีมวลของนิวเคลียสต่างกัน มีประจุนิวเคลียร์ Z เท่ากัน แต่มีจำนวนของนิวตรอนต่างกัน I. มีโครงสร้างอิเล็กตรอนแบบเดียวกัน นั่นคือ สารเคมีที่ใกล้เคียงกันมาก sv va และครอบครองเหมือนเดิม ... ... สารานุกรมทางกายภาพ

อะตอมของสารเคมีชนิดเดียวกัน องค์ประกอบที่มีนิวเคลียสมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน มีมวลอะตอมต่างกัน มีเคมีเหมือนกัน คุณสมบัติ แต่แตกต่างกันในด้านกายภาพ คุณสมบัติโดยเฉพาะ... พจนานุกรมจุลชีววิทยา

อะตอมเคมี ธาตุที่มีเลขมวลต่างกัน แต่มีประจุเท่ากัน นิวเคลียสของอะตอมและครอบครองที่แห่งเดียวในระบบธาตุของ Mendeleev อะตอมของไอโซโทปที่แตกต่างกันของเคมีเดียวกัน องค์ประกอบแตกต่างกันในจำนวน ... ... สารานุกรมธรณีวิทยา

เมื่อศึกษาคุณสมบัติของธาตุกัมมันตรังสี พบว่าอะตอมที่มีมวลนิวเคลียสต่างกันสามารถพบได้ในองค์ประกอบทางเคมีเดียวกัน ในขณะเดียวกันก็มีประจุนิวเคลียร์เหมือนกัน กล่าวคือ สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่สิ่งเจือปนของสารของบุคคลที่สาม แต่เป็นสารชนิดเดียวกัน

ไอโซโทปคืออะไรและทำไมจึงมีอยู่

ในระบบธาตุของ Mendeleev ทั้งองค์ประกอบที่กำหนดและอะตอมของสารที่มีมวลของนิวเคลียสต่างกันครอบครองหนึ่งเซลล์ จากข้อมูลข้างต้น สารชนิดเดียวกันดังกล่าวจึงได้รับชื่อ "ไอโซโทป" (จากภาษากรีก isos - เดียวกันและ topos - place) ดังนั้น, ไอโซโทป- เป็นธาตุเคมีหลายชนิดที่มีมวลของนิวเคลียสอะตอมแตกต่างกัน

ตามแบบจำลองนิวตรอน-โปรตอนที่เป็นที่ยอมรับของนิวเคลียส อธิบายการมีอยู่ของไอโซโทปได้ดังนี้: นิวเคลียสของอะตอมของสสารบางชนิดมีจำนวนนิวตรอนต่างกัน แต่มีโปรตอนเท่ากัน อันที่จริง ประจุนิวเคลียร์ของไอโซโทปของธาตุหนึ่งมีค่าเท่ากัน ดังนั้น จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสจึงเท่ากัน นิวเคลียสมีมวลต่างกันตามลำดับโดยมีจำนวนนิวตรอนต่างกัน

ไอโซโทปที่เสถียรและไม่เสถียร

ไอโซโทปมีความเสถียรหรือไม่เสถียร จนถึงปัจจุบัน มีไอโซโทปที่เสถียรประมาณ 270 ตัว และไอโซโทปที่ไม่เสถียรมากกว่า 2,000 ตัวเป็นที่รู้จักกัน ไอโซโทปที่เสถียร- เป็นองค์ประกอบทางเคมีที่หลากหลายที่สามารถดำรงอยู่อย่างอิสระเป็นเวลานาน.

ส่วนใหญ่ของ ไอโซโทปที่ไม่เสถียรได้รับเทียม ไอโซโทปที่ไม่เสถียรนั้นมีกัมมันตภาพรังสี นิวเคลียสของพวกมันขึ้นอยู่กับกระบวนการสลายกัมมันตภาพรังสี กล่าวคือ การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเองในนิวเคลียสอื่น พร้อมกับการปล่อยอนุภาคและ/หรือการแผ่รังสี ไอโซโทปประดิษฐ์กัมมันตภาพรังสีเกือบทั้งหมดมีครึ่งชีวิตที่สั้นมาก โดยวัดเป็นวินาทีหรือเสี้ยววินาที

นิวเคลียสสามารถบรรจุไอโซโทปได้กี่ไอโซโทป

นิวเคลียสไม่สามารถมีจำนวนนิวตรอนได้ตามอำเภอใจ ดังนั้นจำนวนของไอโซโทปจึงมีจำกัด แม้ในจำนวนโปรตอนองค์ประกอบจำนวนไอโซโทปที่เสถียรสามารถเข้าถึงสิบ ตัวอย่างเช่น ดีบุกมี 10 ไอโซโทป ซีนอนมี 9 ปรอท มี 7 เป็นต้น

องค์ประกอบเหล่านั้น จำนวนโปรตอนเป็นเลขคี่สามารถมีไอโซโทปเสถียรได้เพียงสองไอโซโทปเท่านั้น ธาตุบางชนิดมีไอโซโทปเสถียรเพียงตัวเดียว ได้แก่ ทองคำ อะลูมิเนียม ฟอสฟอรัส โซเดียม แมงกานีส และอื่นๆ การแปรผันดังกล่าวในจำนวนของไอโซโทปที่เสถียรสำหรับองค์ประกอบที่แตกต่างกันนั้นสัมพันธ์กับการพึ่งพาอาศัยกันอย่างซับซ้อนของจำนวนโปรตอนและนิวตรอนต่อพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส

สารเกือบทั้งหมดในธรรมชาติมีอยู่เป็นส่วนผสมของไอโซโทป จำนวนของไอโซโทปในองค์ประกอบของสารขึ้นอยู่กับชนิดของสาร มวลอะตอม และจำนวนของไอโซโทปที่เสถียรขององค์ประกอบทางเคมีที่กำหนด

ทำซ้ำบทบัญญัติหลักของหัวข้อ "แนวคิดพื้นฐานของเคมี" และแก้ไขงานที่เสนอ ใช้ ##6-17

ประเด็นสำคัญ

1. สาร(เรียบง่ายและซับซ้อน) คือการรวมกันของอะตอมและโมเลกุลใดๆ ที่อยู่ในสถานะการรวมกลุ่มที่แน่นอน

การเปลี่ยนแปลงของสารพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบและ (หรือ) โครงสร้างเรียกว่า ปฏิกริยาเคมี .

2. หน่วยโครงสร้าง สาร:

· อะตอม- อนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าที่เล็กที่สุดขององค์ประกอบทางเคมีและสารง่าย ๆ ซึ่งมีคุณสมบัติทางเคมีทั้งหมดและไม่สามารถแบ่งแยกได้ทางกายภาพและทางเคมีเพิ่มเติม

· โมเลกุล- อนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าที่เล็กที่สุดของสารที่มีคุณสมบัติทางเคมีทั้งหมด แบ่งแยกไม่ได้ทางร่างกาย แต่แบ่งทางเคมีไม่ได้

3. องค์ประกอบทางเคมี อะตอมชนิดหนึ่งที่มีประจุนิวเคลียส

4. สารประกอบ อะตอม :

อนุภาค	วิธีการตรวจสอบ?	ค่าใช้จ่าย		น้ำหนัก
		cl	หน่วยทั่วไป		อ.ม.
อิเล็กตรอน	ลำดับ ตัวเลข (N)	1.6 ∙ 10 -19		9.10 ∙ 10 -28	0.00055
โปรตอน	ลำดับ ตัวเลข (N)	1.6 ∙ 10 -19		1.67 ∙ 10 -24	1.00728
นิวตรอน	อร-นุ			1.67 ∙ 10 -24	1.00866

5. สารประกอบ นิวเคลียสของอะตอม :

แกนกลางประกอบด้วย อนุภาคมูลฐาน (นิวคลีออน) –

โปรตอน(1 1 p ) และ นิวตรอน(10น).

· เพราะ มวลของอะตอมเกือบทั้งหมดกระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียส m p ≈ ม น≈ 1 นาที, แล้ว ค่าที่ปัดเศษอาร์ขององค์ประกอบทางเคมีเท่ากับจำนวนนิวคลีออนทั้งหมดในนิวเคลียส

7. ไอโซโทป- อะตอมที่หลากหลายขององค์ประกอบทางเคมีเดียวกันซึ่งแตกต่างกันในมวลเท่านั้น

· การกำหนดไอโซโทป: ทางด้านซ้ายของสัญลักษณ์ของธาตุระบุหมายเลขมวล (บนสุด) และหมายเลขซีเรียลของธาตุ (ล่าง)

ทำไมไอโซโทปจึงมีมวลต่างกัน

งาน: กำหนดองค์ประกอบอะตอมของไอโซโทปคลอรีน: 35 17Clและ 37 17Cl?

ไอโซโทปมีมวลต่างกันเนื่องจาก จำนวนที่แตกต่างกันนิวตรอนในนิวเคลียสของพวกมัน

8. ในธรรมชาติ มีองค์ประกอบทางเคมีเป็นส่วนผสมของไอโซโทป

องค์ประกอบไอโซโทปขององค์ประกอบทางเคมีเดียวกันแสดงในรูปของ เศษส่วนอะตอม(ω ที่.)ซึ่งระบุว่าส่วนใดคือจำนวนอะตอมของไอโซโทปที่กำหนดจาก จำนวนทั้งหมดอะตอมของไอโซโทปทั้งหมด องค์ประกอบที่กำหนดนำมาเป็นหน่วยหรือ 100%

ตัวอย่างเช่น:

ω ที่ (35 17 Cl) = 0.754

ω ที่ (37 17 Cl) = 0.246

9. ตารางธาตุแสดงค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมสัมพัทธ์ขององค์ประกอบทางเคมี โดยคำนึงถึงองค์ประกอบไอโซโทป ดังนั้น r ที่ระบุในตารางจึงเป็นเศษส่วน

อาร์พุธ= ω ที่.(1) ∙ อา (1) + … + ω ที่.(น ) ∙ อา ( น )

ตัวอย่างเช่น:

อาร์พุธ(Cl) \u003d 0.754 ∙ 35 + 0.246 ∙ 37 \u003d 35.453

10. ภารกิจที่ต้องแก้ไข:

ลำดับที่ 1 หามวลอะตอมสัมพัทธ์ของโบรอนถ้าทราบว่าเศษส่วนโมลของไอโซโทป 10 B คือ 19.6% และไอโซโทป 11 B คือ 80.4%

11. มวลของอะตอมและโมเลกุลมีขนาดเล็กมาก ปัจจุบันได้มีการนำระบบการวัดแบบรวมศูนย์มาใช้ในวิชาฟิสิกส์และเคมี

1 ลูก =ม(น.) = 1/12 ม(12C) = 1.66057 ∙ 10 -27 กก. \u003d 1.66057 ∙ 10 -24 กรัม

มวลสัมบูรณ์ของอะตอมบางส่วน:

ม( ค) \u003d 1.99268 ∙ 10 -23 กรัม

ม( ชม) \u003d 1.67375 ∙ 10 -24 กรัม

ม( อู๋) \u003d 2.656812 ∙ 10 -23 กรัม

อาร์- แสดงจำนวนอะตอมที่หนักกว่า 1/12 ของอะตอม 12 C นาย∙ 1.66 ∙ 10 -27 กก.

13. จำนวนอะตอมและโมเลกุลในตัวอย่างสามัญของสารมีขนาดใหญ่มาก ดังนั้นเมื่อกำหนดลักษณะปริมาณของสารจะใช้หน่วยการวัด -ตุ่น .

· ไฝ (ν)- หน่วยของปริมาณของสารที่มีอนุภาคจำนวนมาก (โมเลกุล อะตอม ไอออน อิเล็กตรอน) เนื่องจากมีอะตอมในไอโซโทป 12 กรัม 12 ค

มวล 1 อะตอม 12 คคือ 12 amu ดังนั้นจำนวนอะตอมในไอโซโทป 12 กรัม 12 คเท่ากับ:

น อา= 12 ก. / 12 ∙ 1.66057 ∙ 10 -24 ก. = 6.0221 ∙ 10 23

· ปริมาณทางกายภาพ น อาเรียกว่า คงที่ Avogadro (เลขอโวกาโดร) และมีขนาด [ NA ] = mol -1 .

14. สูตรพื้นฐาน:

เอ็ม = นาย = ρ ∙ Vm(ρ – ความหนาแน่น V m – ปริมาตรที่ n.c. )

งานสำหรับโซลูชันอิสระ

ลำดับที่ 1 คำนวณจำนวนอะตอมไนโตรเจนในแอมโมเนียมคาร์บอเนต 100 กรัมที่มีสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่ไนโตรเจน 10%

ลำดับที่ 2 ภายใต้สภาวะปกติ ส่วนผสมของก๊าซ 12 ลิตรที่ประกอบด้วยแอมโมเนียและคาร์บอนไดออกไซด์มีมวล 18 กรัม ส่วนผสมประกอบด้วยก๊าซแต่ละชนิดกี่ลิตร?

ลำดับที่ 3 ภายใต้การกระทำของกรดไฮโดรคลอริกส่วนเกินบน 8.24 กรัมของส่วนผสมของแมงกานีสออกไซด์ (IV) ด้วยออกไซด์ MO 2 ที่ไม่รู้จักซึ่งไม่ทำปฏิกิริยากับกรดไฮโดรคลอริก ก๊าซ 1.344 ลิตรที่ n.o. ในการทดลองอื่นพบว่าอัตราส่วนโมลาร์ของแมงกานีสออกไซด์ (IV) ถึงออกไซด์ที่ไม่รู้จักคือ 3:1 กำหนดสูตรสำหรับออกไซด์ที่ไม่รู้จักและคำนวณเศษส่วนของมวลในส่วนผสม

ไอโซโทป- อะตอมแบบต่างๆ (และนิวเคลียส) ขององค์ประกอบทางเคมีที่มีเลขอะตอม (เลขลำดับ) เหมือนกัน แต่มีเลขมวลต่างกัน

คำว่าไอโซโทปเกิดขึ้นจากรากศัพท์ภาษากรีก ไอโซส (ἴσος "เท่ากับ") และโทพอส ( τόπος "สถานที่") หมายถึง "ที่เดียวกัน"; ดังนั้น ความหมายของชื่อก็คือไอโซโทปที่ต่างกันของธาตุเดียวกันจะมีตำแหน่งเดียวกันในตารางธาตุ

ไฮโดรเจนสามไอโซโทปธรรมชาติ ข้อเท็จจริงที่ว่าไอโซโทปแต่ละตัวมีโปรตอนหนึ่งตัวที่มีความหลากหลายของไฮโดรเจน: เอกลักษณ์ของไอโซโทปถูกกำหนดโดยจำนวนของนิวตรอน จากซ้ายไปขวา ไอโซโทปคือโปรเทียม (1H) ที่มีนิวตรอนเป็นศูนย์ ดิวเทอเรียม (2H) ที่มีหนึ่งนิวตรอน และทริเทียม (3H) ที่มีสองนิวตรอน

จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอมเรียกว่าเลขอะตอมและเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมที่เป็นกลาง (ไม่แตกตัวเป็นไอออน) เลขอะตอมแต่ละตัวระบุองค์ประกอบเฉพาะ แต่ไม่ใช่ไอโซโทป อะตอมของธาตุที่กำหนดสามารถมีจำนวนนิวตรอนได้หลากหลาย จำนวนนิวคลีออน (ทั้งโปรตอนและนิวตรอน) ในนิวเคลียสคือเลขมวลของอะตอม และแต่ละไอโซโทปของธาตุที่กำหนดจะมีเลขมวลต่างกัน

ตัวอย่างเช่น carbon-12, carbon-13 และ carbon-14 เป็นไอโซโทปของธาตุคาร์บอนสามไอโซโทปที่มีมวล 12, 13 และ 14 ตามลำดับ เลขอะตอมของคาร์บอนคือ 6 ซึ่งหมายความว่าแต่ละอะตอมของคาร์บอนมี 6 โปรตอน ดังนั้นจำนวนนิวตรอนของไอโซโทปเหล่านี้คือ 6, 7 และ 8 ตามลำดับ

ชมuclides และ ไอโซโทป

นิวไคลด์เป็นของนิวเคลียส ไม่ใช่ของอะตอม นิวเคลียสที่เหมือนกันเป็นของนิวไคลด์เดียวกัน ตัวอย่างเช่น นิวเคลียสคาร์บอน-13 แต่ละนิวเคลียสประกอบด้วย 6 โปรตอนและ 7 นิวตรอน แนวคิดของนิวไคลด์ (หมายถึงนิวเคลียร์แต่ละชนิด) เน้นคุณสมบัติของนิวเคลียร์มากกว่าคุณสมบัติทางเคมี ในขณะที่แนวคิดของไอโซโทป (การจัดกลุ่มอะตอมทั้งหมดของแต่ละองค์ประกอบ) เน้นปฏิกิริยาเคมีเหนือนิวเคลียร์ เลขนิวตรอนมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติของนิวเคลียส แต่อิทธิพลที่มีต่อคุณสมบัติทางเคมีนั้นไม่สำคัญสำหรับองค์ประกอบส่วนใหญ่ แม้แต่ในกรณีของธาตุที่เบาที่สุด ซึ่งอัตราส่วนของนิวตรอนต่อเลขอะตอมแตกต่างกันมากที่สุดระหว่างไอโซโทป มันมักจะมีผลเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ถึงแม้ว่าในบางกรณีจะมีความสำคัญ (สำหรับไฮโดรเจน ธาตุที่เบาที่สุด ผลของไอโซโทปคือ ใหญ่ ส่งผลอย่างมากต่อชีววิทยา) เนื่องจากไอโซโทปมีค่ามากกว่า คำโบราณเป็นที่รู้จักกันดีกว่านิวไคลด์และยังคงใช้เป็นครั้งคราวในบริบทที่นิวไคลด์อาจมีความเหมาะสมมากกว่า เช่น เทคโนโลยีนิวเคลียร์และเวชศาสตร์นิวเคลียร์

สัญกรณ์

ไอโซโทปหรือนิวไคลด์ระบุด้วยชื่อของธาตุใดธาตุหนึ่ง (ซึ่งระบุหมายเลขอะตอม) ตามด้วยเครื่องหมายยัติภังค์และเลขมวล (เช่น ฮีเลียม-3 ฮีเลียม-4 คาร์บอน-12 คาร์บอน-14 ยูเรเนียม -235 และยูเรเนียม-239) เมื่อใช้สัญลักษณ์ทางเคมี เช่น "C" สำหรับคาร์บอน สัญกรณ์มาตรฐาน (ปัจจุบันเรียกว่า "สัญกรณ์ AZE" เพราะ A คือเลขมวล Z คือเลขอะตอม และ E สำหรับธาตุ) เพื่อแสดงเลขมวล (จำนวนนิวคลีออน) โดยมีตัวยกอยู่ที่ ด้านซ้ายบนของสัญลักษณ์เคมีและระบุเลขอะตอมด้วยตัวห้อยที่มุมล่างซ้าย) เนื่องจากเลขอะตอมถูกกำหนดโดยสัญลักษณ์ของธาตุ โดยปกติแล้วจะให้เฉพาะเลขมวลในตัวยกเท่านั้น และจะไม่ให้ดัชนีอะตอม บางครั้งตัวอักษร m จะถูกต่อท้ายเลขมวลเพื่อระบุไอโซเมอร์ของนิวเคลียร์ ซึ่งเป็นสถานะนิวเคลียร์ที่แพร่กระจายหรือกระตุ้นอย่างกระฉับกระเฉง (ตรงข้ามกับสถานะพื้นดินที่มีพลังงานต่ำสุด) เช่น 180m 73Ta (แทนทาลัม-180m)

ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี ไอโซโทปปฐมภูมิและเสถียร

ไอโซโทปบางชนิดมีกัมมันตภาพรังสีจึงถูกเรียกว่าไอโซโทปรังสีหรือนิวไคลด์กัมมันตรังสี ในขณะที่ไอโซโทปชนิดอื่นๆ ไม่เคยถูกสังเกตเห็นว่าสลายตัวด้วยกัมมันตภาพรังสี และถูกเรียกว่าไอโซโทปที่เสถียรหรือนิวไคลด์ที่เสถียร ตัวอย่างเช่น 14 C เป็นรูปแบบกัมมันตภาพรังสีของคาร์บอน ในขณะที่ 12 C และ 13 C เป็นไอโซโทปที่เสถียร มีนิวไคลด์ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติประมาณ 339 ตัวบนโลก โดย 286 ตัวเป็นนิวไคลด์ยุคแรก ซึ่งหมายความว่าพวกมันมีอยู่ตั้งแต่กำเนิด ระบบสุริยะ.

นิวไคลด์ดั้งเดิมประกอบด้วย 32 นิวไคลด์ที่มีครึ่งชีวิตยาวนานมาก (มากกว่า 100 ล้านปี) และ 254 ที่ได้รับการพิจารณาอย่างเป็นทางการว่าเป็น "นิวไคลด์ที่เสถียร" เนื่องจากไม่ได้สังเกตพบการสลายตัว ในกรณีส่วนใหญ่ ด้วยเหตุผลที่ชัดเจน หากองค์ประกอบมีไอโซโทปที่เสถียร ไอโซโทปเหล่านั้นจะครอบงำความอุดมสมบูรณ์ของธาตุที่พบในโลกและในระบบสุริยะ อย่างไรก็ตาม ในกรณีของธาตุสามธาตุ (เทลลูเรียม อินเดียม และรีเนียม) ไอโซโทปที่มีมากที่สุดที่พบในธรรมชาติคือไอโซโทปรังสีที่มีอายุยืนยาวอย่างยิ่งหนึ่ง (หรือสอง) ของธาตุ แม้ว่าธาตุเหล่านี้จะมี ไอโซโทปที่เสถียรตั้งแต่หนึ่งไอโซโทปขึ้นไป

ทฤษฎีนี้คาดการณ์ว่าไอโซโทป/นิวไคลด์ที่ "เสถียร" จำนวนมากมีกัมมันตภาพรังสี โดยมีครึ่งชีวิตยาวมาก (ไม่คำนึงถึงความเป็นไปได้ของการสลายตัวของโปรตอน ซึ่งจะทำให้นิวไคลด์ทั้งหมดไม่เสถียรในท้ายที่สุด) จากจำนวนนิวไคลด์ 254 ที่ไม่เคยสังเกตพบ มีเพียง 90 นิวไคลด์ (องค์ประกอบ 40 ตัวแรกทั้งหมด) ในทางทฤษฎีต้านทานต่อรูปแบบการสลายตัวที่ทราบทั้งหมด ธาตุ 41 (ไนโอเบียม) ไม่เสถียรตามทฤษฎีโดยการแยกตัวที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ แต่สิ่งนี้ไม่เคยถูกค้นพบ นิวไคลด์ที่เสถียรอื่นๆ จำนวนมากในทางทฤษฎีมีความอ่อนไหวต่อรูปแบบการสลายตัวอื่นๆ ที่เป็นที่รู้จัก เช่น การสลายตัวของอัลฟาหรือการสลายตัวของเบตาสองครั้ง แต่ยังไม่พบผลิตภัณฑ์ที่สลายตัว ดังนั้นไอโซโทปเหล่านี้จึงถือว่า ครึ่งชีวิตที่คาดการณ์ไว้สำหรับนิวไคลด์เหล่านี้มักจะเกินอายุที่คาดการณ์ของจักรวาลอย่างมาก และอันที่จริงยังมีนิวไคลด์กัมมันตภาพรังสีที่รู้จัก 27 ตัวซึ่งมีครึ่งชีวิตนานกว่าอายุของเอกภพ

นิวไคลด์กัมมันตภาพรังสีที่สร้างขึ้นโดยเทียม ปัจจุบันรู้จัก 3339 นิวไคลด์ ซึ่งรวมถึง 905 นิวไคลด์ที่เสถียรหรือมีครึ่งชีวิตนานกว่า 60 นาที

คุณสมบัติของไอโซโทป

คุณสมบัติทางเคมีและโมเลกุล

อะตอมที่เป็นกลางมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากับโปรตอน ดังนั้น ไอโซโทปที่ต่างกันของธาตุที่กำหนดจึงมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากันและมีค่าเท่ากัน โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์. เนื่องจากพฤติกรรมทางเคมีของอะตอมถูกกำหนดโดยโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์เป็นส่วนใหญ่ ไอโซโทปที่แตกต่างกันจึงมีพฤติกรรมทางเคมีเหมือนกันเกือบทั้งหมด

ข้อยกเว้นสำหรับสิ่งนี้คือผลกระทบของไอโซโทปจลนศาสตร์: เนื่องจากมีมวลมาก ไอโซโทปที่หนักกว่ามักจะทำปฏิกิริยาค่อนข้างช้ากว่าไอโซโทปที่เบากว่าของธาตุเดียวกัน สิ่งนี้เด่นชัดที่สุดสำหรับโพรเทียม (1 H), ดิวเทอเรียม (2 H) และทริเทียม (3 H) เนื่องจากดิวเทอเรียมมีมวลของโพรเทียมเป็นสองเท่า และทริเทียมมีมวลของโพรเทียมสามเท่า ความแตกต่างจำนวนมากเหล่านี้ส่งผลต่อพฤติกรรมของพวกเขาด้วย พันธะเคมี, เปลี่ยนจุดศูนย์ถ่วง (มวลที่ลดลง) ของระบบปรมาณู อย่างไรก็ตาม สำหรับองค์ประกอบที่หนักกว่า ความต่างของมวลสัมพัทธ์ระหว่างไอโซโทปจะน้อยกว่ามาก ดังนั้นผลกระทบของความแตกต่างของมวลในวิชาเคมีจึงมักจะเล็กน้อย (ธาตุหนักยังมีนิวตรอนค่อนข้างมากกว่าธาตุเบา ดังนั้นอัตราส่วนของมวลนิวเคลียร์ต่อมวลอิเล็กตรอนทั้งหมดจึงค่อนข้างใหญ่กว่า)

ในทำนองเดียวกัน โมเลกุลสองโมเลกุลที่ต่างกันเฉพาะในไอโซโทปของอะตอมของพวกมัน (ไอโซโทโพลอก) มีโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์เหมือนกัน และด้วยเหตุนี้คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่แทบจะแยกแยะไม่ออก (อีกครั้งโดยมีดิวเทอเรียมและทริเทียมเป็นข้อยกเว้นเบื้องต้น) โหมดการสั่นสะเทือนของโมเลกุลถูกกำหนดโดยรูปร่างและมวลของอะตอมที่เป็นส่วนประกอบ ดังนั้นไอโซโทโพลอกที่ต่างกันจึงมีชุดโหมดการสั่นที่แตกต่างกัน เนื่องจากโหมดการสั่นสะท้านยอมให้โมเลกุลดูดซับโฟตอนของพลังงานที่เหมาะสม ไอโซโทโพลอกจึงมีคุณสมบัติทางแสงที่แตกต่างกันในอินฟราเรด

สมบัติทางนิวเคลียร์และความเสถียร

ครึ่งชีวิตไอโซโทป กราฟสำหรับไอโซโทปที่เสถียรเบี่ยงเบนจากเส้น Z = N เมื่อจำนวนองค์ประกอบ Z เพิ่มขึ้น

นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนที่เกาะติดกันด้วยสารตกค้าง พลังที่แข็งแกร่ง. เนื่องจากโปรตอนมีประจุบวก พวกมันจึงผลักกัน นิวตรอนซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้า จะทำให้นิวเคลียสเสถียรในสองวิธี การสัมผัสของพวกมันผลักโปรตอนกลับเล็กน้อย ลดการผลักของไฟฟ้าสถิตระหว่างโปรตอน และพวกมันใช้แรงนิวเคลียร์ที่น่าดึงดูดต่อกันและกันและบนโปรตอน ด้วยเหตุผลนี้ จำเป็นต้องมีนิวตรอนอย่างน้อยหนึ่งนิวตรอนสำหรับโปรตอนตั้งแต่สองตัวขึ้นไปเพื่อจับกับนิวเคลียส เมื่อจำนวนโปรตอนเพิ่มขึ้น อัตราส่วนของนิวตรอนต่อโปรตอนก็จำเป็นต่อการจัดให้มีนิวเคลียสที่เสถียรเช่นกัน (ดูกราฟทางด้านขวา) ตัวอย่างเช่น แม้ว่าอัตราส่วนนิวตรอน: โปรตอน 3 2 เขาคือ 1:2 แต่อัตราส่วนนิวตรอน: โปรตอน 238 92 U
มากกว่า 3:2 องค์ประกอบที่เบากว่าจำนวนหนึ่งมีนิวไคลด์ที่เสถียรในอัตราส่วน 1:1 (Z = N) นิวไคลด์ 40 20 Ca (แคลเซียม-40) เป็นนิวไคลด์ที่เสถียรที่หนักที่สุดที่สังเกตได้ซึ่งมีจำนวนนิวตรอนและโปรตอนเท่ากัน (ตามทฤษฎี คอกที่หนักที่สุดคือซัลเฟอร์-32) นิวไคลด์ที่เสถียรทั้งหมดที่หนักกว่าแคลเซียม-40 มีนิวตรอนมากกว่าโปรตอน

จำนวนไอโซโทปต่อองค์ประกอบ

จาก 81 องค์ประกอบที่มีไอโซโทปเสถียร จำนวนมากที่สุดไอโซโทปที่เสถียรที่สังเกตได้จากธาตุใดๆ คือ 10 (สำหรับธาตุดีบุก) ไม่มีองค์ประกอบใดที่มีไอโซโทปเสถียรเก้าตัว ซีนอนเป็นองค์ประกอบเดียวที่มีไอโซโทปเสถียรแปดตัว ธาตุสี่ชนิดมีไอโซโทปเสถียร 7 ธาตุ โดย 8 ธาตุมี 6 ไอโซโทปเสถียร 10 ธาตุมี 5 ไอโซโทปเสถียร 9 ธาตุมี 4 ไอโซโทปเสถียร 5 ธาตุมี 3 ไอโซโทปเสถียร 16 มีไอโซโทปเสถียร 2 ธาตุ และธาตุ 26 ธาตุมีธาตุเดียว (ในจำนวนนี้มี 19 ธาตุ) ธาตุโมโนนิวไคลด์ที่เรียกว่า ซึ่งมีไอโซโทปเสถียรดั่งเดิมเพียงตัวเดียวที่ครอบงำและแก้ไขน้ำหนักอะตอมของธาตุธรรมชาติด้วยความแม่นยำสูง มีธาตุโมโนนิวไคลด์กัมมันตภาพรังสี 3 ธาตุอยู่ด้วย) ที่ ทั้งหมดมีนิวไคลด์จำนวน 254 ที่ไม่ได้สังเกตการสลายตัว สำหรับองค์ประกอบ 80 ตัวที่มีไอโซโทปเสถียรตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไป จำนวนไอโซโทปที่เสถียรโดยเฉลี่ยคือ 254/80 = 3.2 ไอโซโทปต่อองค์ประกอบ

นิวคลีออนจำนวนคู่และคี่

โปรตอน: อัตราส่วนของนิวตรอนไม่ใช่ปัจจัยเดียวที่ส่งผลต่อความเสถียรของนิวเคลียร์ นอกจากนี้ยังขึ้นอยู่กับความเท่าเทียมกันหรือความแปลกของเลขอะตอม Z จำนวนของนิวตรอน N ดังนั้นผลรวมของเลขมวล A ที่แปลกทั้ง Z และ N มีแนวโน้มที่จะลดพลังงานผูกพันนิวเคลียร์ ทำให้เกิดนิวเคลียสคี่ที่โดยทั่วไปจะมีเสถียรภาพน้อยกว่า . ความแตกต่างที่มีนัยสำคัญในพลังงานที่จับกับนิวเคลียสระหว่างนิวเคลียสที่อยู่ใกล้เคียง โดยเฉพาะอย่างยิ่งไอโซบาร์แปลก ๆ มีผลกระทบที่สำคัญ: ไอโซโทปที่ไม่เสถียรที่มีจำนวนนิวตรอนหรือโปรตอนลดลงโดยการสลายตัวของบีตา (รวมถึงการสลายตัวของโพซิตรอน) การจับอิเล็กตรอน หรือวิธีการอื่นๆ เช่น การแยกตัวที่เกิดขึ้นเองและ ผุ. กระจุก.

นิวไคลด์ที่เสถียรที่สุดคือจำนวนโปรตอนและนิวตรอนจำนวนคู่ โดยที่ Z, N และ A เท่ากัน นิวไคลด์ที่เสถียรแบบคี่ถูกแบ่งออกเป็นนิวไคลด์ที่เสถียร (โดยประมาณเท่ากัน) ออกเป็นคี่

เลขอะตอม

นิวไคลด์ที่เท่ากันของโปรตอน 148 หรือแม้แต่นิวตรอน (EE) คิดเป็น ~58% ของนิวไคลด์ที่เสถียรทั้งหมด นอกจากนี้ยังมีนิวไคลด์ที่มีอายุยืนยาวถึง 22 สายพันธุ์ ด้วยเหตุนี้ ธาตุคู่ทั้ง 41 ธาตุตั้งแต่ 2 ถึง 82 มีไอโซโทปเสถียรอย่างน้อยหนึ่งไอโซโทป และธาตุเหล่านี้ส่วนใหญ่มีไอโซโทปปฐมภูมิหลายไอโซโทป ครึ่งหนึ่งของธาตุคู่นี้มีไอโซโทปที่เสถียรตั้งแต่หกตัวขึ้นไป ความเสถียรสุดขีดของฮีเลียม-4 อันเนื่องมาจากพันธะไบนารีของโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองนิวตรอน จะป้องกันไม่ให้นิวไคลด์ที่มีนิวคลีออนห้าหรือแปดนิวคลีออนอยู่นานพอที่จะทำหน้าที่เป็นแท่นสำหรับการสะสมของธาตุที่หนักกว่าผ่านการหลอมนิวเคลียร์

นิวไคลด์ที่เสถียร 53 เหล่านี้มี เลขคู่โปรตอนและนิวตรอนจำนวนคี่ พวกมันเป็นส่วนน้อยเมื่อเทียบกับไอโซโทปคู่ซึ่งมีจำนวนมากกว่าประมาณ 3 เท่า ในบรรดาองค์ประกอบ 41 ธาตุคู่-Z ที่มีนิวไคลด์ที่เสถียร มีเพียงสองธาตุ (อาร์กอนและซีเรียม) เท่านั้นที่ไม่มีนิวไคลด์ที่เสถียรที่เท่ากัน หนึ่งองค์ประกอบ (ดีบุก) มีสาม มีธาตุ 24 ธาตุที่มีนิวไคลด์คู่คี่และ 13 ธาตุที่มีนิวไคลด์คี่คู่

เนื่องจากเลขนิวตรอนคี่ นิวไคลด์คู่มีแนวโน้มที่จะมี ส่วนใหญ่การจับนิวตรอนอันเนื่องมาจากพลังงานที่เกิดจากผลของการมีเพศสัมพันธ์กับนิวตรอน นิวไคลด์ที่เสถียรเหล่านี้อาจมีอยู่มากผิดปกติ โดยหลักแล้วเนื่องจากจะก่อตัวและเข้าสู่ความอุดมสมบูรณ์ดั้งเดิม พวกมันต้องหนีจากการดักจับนิวตรอนเพื่อสร้างไอโซโทปคู่คู่ที่เสถียรตลอดกระบวนการที่ s เป็นและ r เป็น กระบวนการดักจับนิวตรอน ระหว่างการสังเคราะห์นิวคลีโอส

เลขอะตอมคี่

นิวไคลด์คี่-โปรตอนและนิวไคลด์คู่ที่เสถียร 48 ตัว ถูกทำให้เสถียรด้วยจำนวนนิวตรอนคู่ของพวกมัน ก่อให้เกิดไอโซโทปเสถียรส่วนใหญ่ของธาตุคี่ นิวไคลด์นิวตรอนแบบคี่-โปรตอน-คี่น้อยมากประกอบกัน มีธาตุแปลกอยู่ 41 ชนิดตั้งแต่ Z = 1 ถึง 81 ซึ่ง 39 ชนิดมีไอโซโทปที่เสถียร (ธาตุเทคนีเชียม (43 Tc) และโพรมีเธียม (61 Pm) ไม่มีไอโซโทปที่เสถียร) จากธาตุ Z คี่ 39 ธาตุเหล่านี้ มี 30 องค์ประกอบ (รวมถึงไฮโดรเจน-1 โดยที่ 0 นิวตรอนเป็นเลขคู่) มีไอโซโทปคู่คี่ที่เสถียรหนึ่งตัว และธาตุเก้าตัว: คลอรีน (17 Cl), โพแทสเซียม (19K), ทองแดง (29 Cu) แกลเลียม ( 31 Ga), โบรมีน (35 Br), เงิน (47 Ag), พลวง (51 Sb), อิริเดียม (77 Ir) และแทลเลียม (81 Tl) แต่ละตัวมีไอโซโทปที่เสถียรคู่คี่สองไอโซโทป ดังนั้น 30 + 2 (9) = 48 ไอโซโทปที่สม่ำเสมอสม่ำเสมอจึงได้รับ

นิวไคลด์ที่เสถียรเพียงห้าตัวเท่านั้นที่มีทั้งโปรตอนจำนวนคี่และนิวตรอนจำนวนคี่ นิวไคลด์ที่ "คี่-คี่" สี่ตัวแรกเกิดขึ้นในนิวไคลด์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ ซึ่งการเปลี่ยนจากโปรตอนเป็นนิวตรอนหรือในทางกลับกันจะส่งผลให้อัตราส่วนโปรตอน-นิวตรอนไม่เท่ากัน

นิวไคลด์คี่แปลกที่ "เสถียร" เพียงตัวเดียวคือ 180m 73 Ta ซึ่งถือเป็นไอโซโทปที่เสถียรที่สุด 254 ตัวที่หายากที่สุด และเป็นไอโซเมอร์นิวเคลียร์ในยุคแรกเริ่มเพียงชนิดเดียวที่ยังไม่พบว่ามีการสลาย แม้จะพยายามทดลองแล้วก็ตาม

จำนวนนิวตรอนคี่

แอคติไนด์ที่มีจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคี่มีแนวโน้มที่จะเกิดฟิชชัน (ด้วยนิวตรอนความร้อน) ในขณะที่แอคติไนด์ที่มีจำนวนนิวตรอนคู่มักจะไม่ทำ แม้ว่าพวกมันจะทำปฏิกิริยาฟิชชันเป็นนิวตรอนเร็ว นิวไคลด์คี่คี่ที่เสถียรเชิงสังเกตทั้งหมดมีการหมุนจำนวนเต็มไม่เป็นศูนย์ นี่เป็นเพราะว่านิวตรอนเดี่ยวและโปรตอนที่ไม่จับคู่มีแรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสมากกว่ากัน ถ้าสปินของพวกมันอยู่ในแนวเดียวกัน (สร้างสปินทั้งหมดอย่างน้อย 1 หน่วย) แทนที่จะจัดแนว

เกิดขึ้นในธรรมชาติ

องค์ประกอบประกอบด้วยไอโซโทปที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติอย่างน้อยหนึ่งไอโซโทป ไอโซโทปที่ไม่เสถียร (กัมมันตภาพรังสี) อาจเป็นตัวอย่างหลักหรือตัวอย่างภายหลัง ไอโซโทปดั้งเดิมเป็นผลคูณของการสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์ หรือการสังเคราะห์นิวคลีโอการสังเคราะห์ประเภทอื่น เช่น การแยกรังสีคอสมิก และยังคงมีอยู่มาจนถึงปัจจุบันเพราะอัตราการสลายของพวกมันช้ามาก (เช่น ยูเรเนียม-238 และโพแทสเซียม-40) ไอโซโทปหลังธรรมชาติถูกสร้างขึ้นโดยการทิ้งระเบิดด้วยรังสีคอสมิกในรูปของนิวไคลด์ที่ทำให้เกิดกัมมันตภาพรังสี (เช่น ทริเทียม คาร์บอน-14) หรือการสลายตัวของไอโซโทปที่เป็นกัมมันตภาพรังสีในลูกสาวของนิวไคลด์กัมมันตภาพรังสี (เช่น ยูเรเนียมถึงเรเดียม) ไอโซโทปหลายชนิดถูกสังเคราะห์โดยธรรมชาติเป็นนิวไคลด์นิวคลีเจนิค ปฏิกิริยานิวเคลียร์ตัวอย่างเช่น เมื่อนิวตรอนจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันตามธรรมชาติถูกอะตอมอีกตัวหนึ่งดูดกลืน

ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น มีเพียง 80 องค์ประกอบเท่านั้นที่มีไอโซโทปที่เสถียร และ 26 ธาตุมีไอโซโทปเสถียรเพียงตัวเดียว ดังนั้น ประมาณสองในสามของธาตุที่มีความเสถียรจึงเกิดขึ้นตามธรรมชาติบนโลกด้วยไอโซโทปที่เสถียรไม่กี่ชนิด โดยที่จำนวนไอโซโทปที่เสถียรสูงสุดสำหรับธาตุหนึ่งคือ 10 สำหรับดีบุก (50Sn) มีธาตุประมาณ 94 ชนิดบนโลก (มากถึงและรวมถึงพลูโทเนียม) แม้ว่าบางธาตุจะพบได้ในปริมาณที่น้อยมาก เช่น พลูโทเนียม-244 นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าองค์ประกอบที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติบนโลก (บางส่วนเป็นเพียงไอโซโทปรังสี) เกิดขึ้นเป็น 339 ไอโซโทป (นิวไคลด์) ทั้งหมด ไอโซโทปที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติเหล่านี้มีเพียง 254 ตัวเท่านั้นที่มีความเสถียรในแง่ที่ว่ายังไม่มีการสังเกตพบจนถึงปัจจุบัน นิวไคลด์ดึกดำบรรพ์อีก 35 นิวไคลด์ (รวม 289 นิวไคลด์ดึกดำบรรพ์) มีกัมมันตภาพรังสีที่มีครึ่งชีวิตที่ทราบ แต่มีครึ่งชีวิตเกิน 80 ล้านปี ซึ่งช่วยให้พวกมันดำรงอยู่ได้ตั้งแต่เริ่มระบบสุริยะ

ไอโซโทปที่เสถียรที่รู้จักทั้งหมดเกิดขึ้นตามธรรมชาติบนโลก ไอโซโทปธรรมชาติอื่นๆ มีกัมมันตภาพรังสี แต่เนื่องจากครึ่งชีวิตที่ค่อนข้างยาวของพวกมัน หรือเนื่องจากวิธีการผลิตตามธรรมชาติแบบต่อเนื่องอื่นๆ ซึ่งรวมถึงนิวไคลด์คอสโมเจนิกที่กล่าวถึงข้างต้น นิวคลีเจนิคนิวไคลด์ และไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีใดๆ ที่เป็นผลมาจากการสลายตัวอย่างต่อเนื่องของไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีปฐมภูมิ เช่น เรดอนและเรเดียมจากยูเรเนียม

ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีอีกประมาณ 3000 ตัวที่ไม่พบในธรรมชาติได้ถูกสร้างขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และเครื่องเร่งอนุภาค ไม่พบไอโซโทปอายุสั้นจำนวนมาก โดยธรรมชาติบนโลกยังได้รับการสังเกตโดยการวิเคราะห์ทางสเปกโตรสโกปีซึ่งเกิดขึ้นตามธรรมชาติในดาวฤกษ์หรือมหานวดารา ตัวอย่างคืออะลูมิเนียม-26 ซึ่งไม่ได้เกิดขึ้นตามธรรมชาติบนโลก แต่พบได้มากในระดับดาราศาสตร์

มวลอะตอมแบบตารางของธาตุเป็นค่าเฉลี่ยที่อธิบายการมีอยู่ของไอโซโทปหลายตัวที่มีมวลต่างกัน ก่อนที่จะมีการค้นพบไอโซโทป ค่าที่ไม่รวมค่าเชิงประจักษ์สำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่สับสนในมวลอะตอม ตัวอย่างเช่น ตัวอย่างคลอรีนประกอบด้วยคลอรีน 75.8% คลอรีน-35 และคลอรีน-37 24.2% ทำให้มวลอะตอมเฉลี่ย 35.5 หน่วยมวลอะตอม

ตามทฤษฎีจักรวาลวิทยาที่ยอมรับกันโดยทั่วไป มีเพียงไอโซโทปของไฮโดรเจนและฮีเลียม ร่องรอยของไอโซโทปของลิเธียมและเบริลเลียม และอาจเป็นโบรอนบางส่วนเท่านั้นที่ถูกสร้างขึ้นที่บิกแบง และไอโซโทปอื่นๆ ทั้งหมดถูกสังเคราะห์ในภายหลัง ในดวงดาวและ มหานวดาราและในปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคที่มีพลังเช่นรังสีคอสมิกและไอโซโทปที่ผลิตก่อนหน้านี้ ปริมาณไอโซโทปที่มีอยู่มากมายของไอโซโทปบนโลกนั้นเกิดจากปริมาณที่เกิดจากกระบวนการเหล่านี้ การแพร่กระจายของไอโซโทปผ่านดาราจักร และอัตราการสลายตัวของไอโซโทปซึ่งไม่เสถียร หลังจากการควบรวมครั้งแรกของระบบสุริยะ ไอโซโทปถูกแจกจ่ายซ้ำตามมวล และองค์ประกอบไอโซโทปของธาตุจะแตกต่างกันไปเล็กน้อยในแต่ละดาวเคราะห์ บางครั้งทำให้สามารถติดตามที่มาของอุกกาบาตได้

มวลอะตอมของไอโซโทป

มวลอะตอม (mr) ของไอโซโทปถูกกำหนดโดยเลขมวลของมันเป็นหลัก (กล่าวคือ จำนวนของนิวคลีออนในนิวเคลียสของมัน) การแก้ไขเล็กน้อยเกิดจากพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส ความแตกต่างเล็กน้อยในมวลระหว่างโปรตอนและนิวตรอน และมวลของอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับอะตอม

มวลจำนวน เป็นปริมาณที่ไม่มีมิติ ในทางกลับกัน มวลอะตอมวัดโดยใช้หน่วยของมวลอะตอมโดยพิจารณาจากมวลของอะตอมคาร์บอน-12 มันเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ "u" (สำหรับหน่วยมวลอะตอมรวม) หรือ "Da" (สำหรับดาลตัน)

มวลอะตอมของไอโซโทปธรรมชาติของธาตุกำหนดมวลอะตอมของธาตุ เมื่อองค์ประกอบประกอบด้วยไอโซโทป N นิพจน์ด้านล่างจะนำไปใช้กับมวลอะตอมเฉลี่ย:

โดยที่ m 1 , m 2 , …, mN คือมวลอะตอมของไอโซโทปแต่ละตัว และ x 1 , …, xN คือความอุดมสมบูรณ์สัมพัทธ์ของไอโซโทปเหล่านี้

การประยุกต์ใช้ไอโซโทป

มีแอปพลิเคชั่นหลายอย่างที่ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของไอโซโทปต่างๆ ขององค์ประกอบที่กำหนด การแยกไอโซโทปเป็นปัญหาทางเทคโนโลยีที่สำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับธาตุหนัก เช่น ยูเรเนียมหรือพลูโทเนียม องค์ประกอบที่เบากว่า เช่น ลิเธียม คาร์บอน ไนโตรเจน และออกซิเจน มักจะแยกจากกันโดยการแพร่กระจายของก๊าซของสารประกอบ เช่น CO และ NO การแยกไฮโดรเจนและดิวเทอเรียมเป็นเรื่องผิดปกติเพราะอาศัยคุณสมบัติทางเคมีมากกว่าคุณสมบัติทางกายภาพ เช่น ในกระบวนการซัลไฟด์ของเกิร์ดเลอร์ ไอโซโทปของยูเรเนียมถูกแยกออกโดยปริมาตรโดยการแพร่กระจายของก๊าซ การหมุนเหวี่ยงของแก๊ส การแยกด้วยเลเซอร์ไอออไนเซชัน และ (ในโครงการแมนฮัตตัน) ตามประเภทของการผลิตแมสสเปกโตรเมตรี

การใช้คุณสมบัติทางเคมีและชีวภาพ

• การวิเคราะห์ไอโซโทปคือการกำหนดลายเซ็นของไอโซโทป ความอุดมสมบูรณ์สัมพัทธ์ของไอโซโทปขององค์ประกอบที่กำหนดในตัวอย่างเฉพาะ สำหรับสารอาหารโดยเฉพาะ ไอโซโทป C, N และ O สามารถเกิดขึ้นได้อย่างมีนัยสำคัญ การวิเคราะห์ความผันแปรดังกล่าวมีการใช้งานที่หลากหลาย เช่น การตรวจจับ ผลิตภัณฑ์อาหารหรือ แหล่งกำเนิดทางภูมิศาสตร์ผลิตภัณฑ์ที่ใช้ไอโซสโคป การระบุอุกกาบาตบางชนิดที่กำเนิดบนดาวอังคารนั้นส่วนหนึ่งมาจากลายเซ็นไอโซโทปของก๊าซติดตามที่พวกมันมีอยู่
• การแทนที่ไอโซโทปสามารถใช้เพื่อกำหนดกลไกของปฏิกิริยาเคมีผ่านผลของไอโซโทปจลนศาสตร์
• การใช้งานทั่วไปอีกประการหนึ่งคือการติดฉลากไอโซโทป การใช้ไอโซโทปที่ผิดปกติเป็นตัวติดตามหรือเครื่องหมายใน ปฏิกริยาเคมี. โดยปกติอะตอมขององค์ประกอบที่กำหนดจะแยกไม่ออกจากกัน อย่างไรก็ตาม การใช้ไอโซโทป มวลที่แตกต่างกันแม้กระทั่งไอโซโทปที่มีความเสถียรที่ไม่ใช่กัมมันตภาพรังสีต่างๆ ก็สามารถแยกแยะได้โดยใช้แมสสเปกโตรเมทรีหรืออินฟราเรดสเปกโตรสโคปี ตัวอย่างเช่น ใน "การติดฉลากไอโซโทปที่เสถียรของกรดอะมิโนในการเพาะเลี้ยงเซลล์" (SILAC) ไอโซโทปที่เสถียรจะถูกนำมาใช้ในการหาปริมาณโปรตีน หากใช้ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี พวกมันสามารถตรวจจับได้โดยรังสีที่ปล่อยออกมา (ซึ่งเรียกว่าเครื่องหมายไอโซโทปรังสี)
• โดยทั่วไปแล้วไอโซโทปจะใช้เพื่อกำหนดความเข้มข้นขององค์ประกอบหรือสารต่างๆ โดยใช้วิธีการเจือจางไอโซโทป ซึ่งปริมาณที่ทราบของสารประกอบที่ถูกแทนที่ด้วยไอโซโทปจะถูกผสมกับตัวอย่าง และคุณลักษณะไอโซโทปของสารผสมที่ได้จะถูกกำหนดโดยใช้แมสสเปกโตรเมทรี

การใช้สมบัติทางนิวเคลียร์

• วิธีการที่คล้ายกับการติดแท็กไอโซโทปรังสีคือการหาคู่แบบเรดิโอเมตริก โดยใช้ค่าครึ่งชีวิตที่ทราบของธาตุที่ไม่เสถียร เราสามารถคำนวณเวลาที่ผ่านไปนับตั้งแต่การมีอยู่ของความเข้มข้นของไอโซโทปที่ทราบ อย่างกว้างขวางที่สุด ตัวอย่างที่มีชื่อเสียง— การหาอายุด้วยเรดิโอคาร์บอนใช้เพื่อกำหนดอายุของวัสดุคาร์บอน
• สเปกโตรสโคปีบางรูปแบบขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางนิวเคลียร์เฉพาะของไอโซโทปจำเพาะ ทั้งที่มีกัมมันตภาพรังสีและเสถียร ตัวอย่างเช่น สเปกโตรสโคปีของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านิวเคลียร์ (NMR) สามารถใช้ได้กับไอโซโทปที่มีการหมุนของนิวเคลียร์ไม่เป็นศูนย์เท่านั้น ไอโซโทปที่พบบ่อยที่สุดใน NMR spectroscopy คือ 1 H, 2 D, 15 N, 13 C และ 31 P
• Mössbauer spectroscopy ยังอาศัยการเปลี่ยนแปลงทางนิวเคลียร์ของไอโซโทปจำเพาะเช่น 57 Fe

· ครึ่งชีวิต · จำนวนมวล · ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์

คำศัพท์

ประวัติการค้นพบไอโซโทป

หลักฐานแรกที่แสดงว่าสารที่มีพฤติกรรมทางเคมีเหมือนกันสามารถมีคุณสมบัติทางกายภาพที่แตกต่างกันได้มาจากการศึกษาการเปลี่ยนแปลงกัมมันตภาพรังสีของอะตอมของธาตุหนัก ในปี พ.ศ. 2449-2550 เป็นที่ชัดเจนว่าผลิตภัณฑ์จากการสลายกัมมันตภาพรังสีของยูเรเนียม - ไอออนเนียม และผลิตภัณฑ์จากการสลายกัมมันตภาพรังสีของทอเรียม - เรดิโอทอเรียม มีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกับทอเรียม แต่มีความแตกต่างจากมวลอะตอมและลักษณะของกัมมันตภาพรังสี การสลายตัว ภายหลังพบว่าทั้งสามผลิตภัณฑ์มีสเปกตรัมแสงและรังสีเอกซ์เหมือนกัน สารที่เหมือนกันใน คุณสมบัติทางเคมีแต่แตกต่างกันในมวลอะตอมและบางส่วน คุณสมบัติทางกายภาพตามคำแนะนำของนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ F. Soddy เริ่มถูกเรียกว่าไอโซโทป

ไอโซโทปในธรรมชาติ

เชื่อกันว่าองค์ประกอบไอโซโทปของธาตุบนโลกจะเหมือนกันในทุกวัสดุ บาง กระบวนการทางกายภาพในธรรมชาตินำไปสู่การละเมิดองค์ประกอบไอโซโทปขององค์ประกอบ (ธรรมชาติ การแยกส่วนลักษณะของไอโซโทปของธาตุแสง เช่นเดียวกับการเปลี่ยนแปลงของไอโซโทประหว่างการสลายตัวของไอโซโทปอายุยืนตามธรรมชาติ) การสะสมแบบค่อยเป็นค่อยไปในแร่ธาตุของนิวเคลียส - ผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวของนิวไคลด์อายุยืนบางชนิดถูกใช้ใน geochronology นิวเคลียร์

การใช้ไอโซโทปของมนุษย์

ในกิจกรรมทางเทคโนโลยี ผู้คนได้เรียนรู้ที่จะเปลี่ยนองค์ประกอบไอโซโทปขององค์ประกอบเพื่อให้ได้มา คุณสมบัติเฉพาะวัสดุ. ตัวอย่างเช่น 235 U มีความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวตรอนฟิชชันด้วยความร้อน และสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรืออาวุธนิวเคลียร์ อย่างไรก็ตาม ยูเรเนียมธรรมชาติมีเพียง 0.72% ของนิวไคลด์นี้ ในขณะที่ ปฏิกิริยาลูกโซ่เป็นไปได้จริงเฉพาะเมื่อเนื้อหาของ 235 U ไม่น้อยกว่า 3% เนื่องจากความใกล้ชิด คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีไอโซโทปของธาตุหนัก ขั้นตอนการเสริมสมรรถนะไอโซโทปของยูเรเนียมเป็นงานทางเทคโนโลยีที่ซับซ้อนอย่างยิ่ง ซึ่งมีให้เฉพาะในสิบรัฐในโลกเท่านั้น ในหลายสาขาของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (เช่น ใน radioimmunoassay) มีการใช้ฉลากไอโซโทป

ดูสิ่งนี้ด้วย

• ธรณีเคมีไอโซโทป

ไม่เสถียร (น้อยกว่าหนึ่งวัน): 8 C: Carbon-8, 9 C: Carbon-9, 10 C: Carbon-10, 11 C: Carbon-11

มั่นคง: 12 C: คาร์บอน-12, 13 C: Carbon-13

10-10,000 ปี: 14 C: คาร์บอน-14

ไม่เสถียร (น้อยกว่าหนึ่งวัน): 15 C: Carbon-15, 16 C: Carbon-16, 17 C: Carbon-17, 18 C: Carbon-18, 19 C: Carbon-19, 20 C: Carbon-20, 21 C: Carbon-21, 22 C: คาร์บอน-22