Ще стародавні філософи висловлювали припущення, що матерія будується з атомів. Однак про те, що самі «цеглинки» світобудови складаються з найдрібніших частинок, вчені почали здогадуватися лише на стику XIX і XX століть. Досліди, що доводять це, справили в науці свого часу справжню революцію. Саме кількісне співвідношення складових частинвідрізняє один хімічний елемент іншого. Кожному з них відведено своє місце відповідно до порядкового номеру. Але існують різновиди атомів, які у таблиці одні й самі клітини, попри відмінність у масі і властивості. Чому так і про те, що таке ізотопи в хімії, буде розказано далі.

Атом та його частинки

Досліджуючи структуру матерії у вигляді бомбардування альфа-частинками, Еге. Резерфорд довів у 1910 року, що основний простір атома заповнено порожнечею. І лише у центрі знаходиться ядро. Навколо нього орбіталями рухаються негативні електрони, складаючи оболонку цієї системи. Так було створено планетарна модель«цеглинок» матерії.

Що таке ізотопи? Згадайте з курсу хімії, що ядро ​​теж має складна будова. Воно складається з позитивних протонів і нейтронів, що не мають заряду. Кількість перших визначає якісні характеристики хімічного елемента. Саме число протонів відрізняє речовини одна від одної, наділяючи їх ядра певним зарядом. І за цією ознакою їм надається порядковий номер у таблиці Менделєєва. Але кількість нейтронів в одного й того ж хімічного елемента диференціює їх на ізотопи. Визначення у хімії даному поняттютому можна дати таке. Це різновиди атомів, що відрізняються за складом ядра, що мають однаковий заряд і порядковий номер, але мають різні масові числа, через відмінності в кількості нейтронів.

Позначення

Вивчаючи хімію в 9 класі та ізотопи, школярі дізнаються про прийняті умовних позначеннях. Буквою Z відзначається заряд ядра. Це цифра збігається з кількістю протонів і тому їх показником. Сума цих елементів з нейтронами, що відзначаються значком N, становить А масове число. Сімейство ізотопів однієї речовини, як правило, позначається значком того хімічного елемента, яких у таблиці Менделєєва наділяється порядковим номером, що збігається з числом протонів у ньому. Лівий верхній індекс, що додається до вказаного значка, відповідає масовому числу. Наприклад, 238 U. Заряд елемента (у разі урану, зазначеного порядковим номером 92) позначається схожим індексом знизу.

Знаючи ці дані, легко можна підрахувати кількість нейтронів у даного ізотопу. Воно дорівнює масовому числу з відрахуванням порядкового номера: 238 - 92 = 146. Кількість нейтронів може бути менше, від цього даний хімічний елемент не перестав залишатися ураном. Слід зазначити, що найчастіше в інших, більш простих речовин кількість протонів і нейтронів приблизно збігається. Подібні відомості допомагають зрозуміти, що таке ізотоп у хімії.

Нуклони

Індивідуальністю певний елемент наділяє кількість протонів, а кількість нейтронів на неї жодним чином не впливає. Але атомна маса складається з цих двох зазначених елементів, що мають загальне найменування«нуклони», являючи собою їхню суму. Однак цей показник не залежить від формують негативно заряджену оболонку атома. Чому? Варто лише порівняти.

Частка маси протона атомі велика і становить приблизно 1 а. е. м. або 1,672621898 (21) · 10 -27 кг. Нейтрон близький до показників цієї частки (1,674927471 (21) · 10 -27 кг). А ось маса електрона в тисячі разів менша, вважається нікчемною і не враховується. Ось чому, знаючи верхній індекс елемента хімії, склад ядра ізотопів дізнатися нескладно.

Ізотопи водню

Ізотопи деяких елементів настільки відомі та поширені у природі, що отримали власні найменування. Яскравим і найпростішим прикладом тому може бути водень. В природних умоввін міститься у своєму найпоширенішому різновиді протию. Цей елемент має масове число 1, а його ядро ​​складається з одного протона.

То що таке ізотопи водню у хімії? Як відомо, атоми цієї речовини мають перший номер у таблиці Менделєєва і відповідно наділені в природі зарядовим числом 1. Але кількість нейтронів в ядрі атома у них по-різному. Дейтерій, будучи важким воднем, крім протона має у складі ядра ще одну частинку, тобто нейтрон. В результаті ця речовина виявляє власні Фізичні властивості, На відміну від протию, володіючи власною вагою, температурою плавлення та кипіння.

Тритій

Найскладніше влаштований тритій. Це надважкий водень. Відповідно до визначення ізотопів в хімії, він має зарядове число 1, але масове число 3. Його часто називають тритоном, тому що крім одного протона, він має у складі ядра два нейтрони, тобто складається з трьох елементів. Найменування цього елемента, відкритого в 1934 Резерфордом, Оліфантом і Хартеком, було запропоновано ще до його виявлення.

Це нестійка речовина, що виявляє радіоактивні властивості. Ядро його має здатність розщеплюватися з виділення бета-частинки та електронного антинейтрино. Енергія розпаду цієї речовини не дуже велика і становить 18,59 кэВ. Тому подібна радіація не є для людини надто небезпечною. Від неї здатна захистити звичайний одяг та хірургічні рукавички. А одержуваний з їжею цей радіоактивний елемент швидко виводиться із організму.

Ізотопи урану

Набагато небезпечніше виявляються різні типиурану, яких на сьогоднішній день науці відомо 26. Тому, розповідаючи про те, що таке ізотопи у хімії, неможливо не згадати про цей елемент. Незважаючи на різноманітність видів урану, у природі його ізотопів зустрічається лише три. До них відносяться 234 U, 235 U, 238 U. Перший з них, володіючи відповідними властивостямиактивно застосовується як паливо в ядерних реакторах. А останній – для виробництва плутонію-239, який сам, у свою чергу, незамінний як найцінніше паливо.

Кожен із радіоактивних елементів характеризується власним Це відрізок часу, протягом якого речовина розщеплюється щодо ½. Тобто в результаті цього процесу кількість частини речовини, що збереглася, вдвічі зменшується. Цей час для урану величезний. Наприклад, для ізотопу-234 він обчислюється в 270 тисячоліть, а для двох інших зазначених різновидів він набагато значніший. Рекордний період напіврозпаду - у урану-238, що триває мільярди років.

Нукліди

Не кожен із видів атома, що характеризуються власним та суворо певним числомпротонів і електронів настільки стабільний, щоб існувати хоч скільки-небудь тривалий період, достатній для його вивчення. Ті з них, які мають відносну стійкість, називаються нуклідами. Стабільні утворення такого роду радіоактивного розпаду не зазнають. Нестабільні називаються радіонуклідами і теж, своєю чергою, діляться на короткоживучі та довгожителі. Як відомо з уроків хімії 11 класу про будову атомів ізотопів, найбільше радіонуклідів мають осмій і платина. По одному стабільному мають кобальт та золото, а найбільша кількістьстійких нуклідів у олова.

Обчислення порядкового номера ізотопу

Тепер спробуємо узагальнити відомості, описані раніше. Зрозумівши, що таке ізотопи в хімії, настав час з'ясувати, як можна використати отримані знання. Розглянемо це на конкретному прикладі. Припустимо, відомо, що деякий хімічний елемент має масове число 181. При цьому оболонка атома даної речовини містить 73 електрони. Як можна, скориставшись таблицею Менделєєва, дізнатися назву даного елемента, і навіть число протонів і нейтронів у його ядра?

Приступимо до вирішення задачі. Визначити найменування речовини можна, знаючи її порядковий номер, який відповідає кількості протонів. Оскільки число позитивних та негативних зарядів в атомі рівні, воно становить 73. Значить, це тантал. При цьому загальна кількість нуклонів у сумі становить 181, а значить, протонів у даного елемента 181 - 73 = 108. Досить просто.

Ізотопи галію

Елемент галій має порядковий номер 71. У природі у цієї речовини є два ізотопи - 69 Ga і 71 Ga. Як визначити відсоткове співвідношення різновидів галію?

Вирішення завдань на ізотопи з хімії майже завжди пов'язане з інформацією, яку можна отримати з таблиці Менделєєва. Цього разу слід зробити аналогічним чином. Визначимо із зазначеного джерела середню атомну масу. Вона дорівнює 69,72. Позначивши за x і y кількісне співвідношення першого і другого ізотопу, приймемо суму їх рівної 1. Отже, як рівняння це запишеться: x + y = 1. Звідси випливає, що 69x + 71y = 69,72. Виразивши y через x і підставивши перше рівняння друге, отримуємо, що x = 0,64, а y = 0,36. Це означає, що 69 Ga міститься у природі 64 %, а відсоткове співвідношення 71 Ga становить 34 %.

Перетворення ізотопів

Радіоактивне розщеплення ізотопів із трансформацією їх у інші елементи поділяється на три основні типи. Першим є альфа-распад. Він відбувається з випромінюванням частинки, що є ядро ​​атома гелію. Тобто це освіта, що складаються з сукупності пар нейтронів та протонів. Оскільки кількість останніх визначає зарядове число та номер атома речовини в періодичній системі, то в результаті цього процесу відбувається якісне перетворення одного елемента на інший, а в таблиці він зрушується вліво на дві клітини. У цьому масове число елемента зменшується на 4 одиниці. Це ми знаємо з будови атомів ізотопів.

При втраті ядром атома бета-частинки, що по суті є електроном, змінюється його склад. Один із нейтронів трансформується в протон. Це означає, що якісні характеристики речовини знову змінюються, а елемент зсувається в таблиці одну клітину вправо, мало втрачаючи у своїй масі. Зазвичай подібне перетворення пов'язане з електромагнітним гамма-випромінюванням.

Перетворення ізотопу радію

Вищевикладені відомості та знання з хімії 11 класу про ізотопи знову допомагають вирішувати практичні завдання. Наприклад, наступні: 226 Ra при розпаді перетворюється на хімічний елемент IV групи, що має масове число 206. Скільки альфа- і бета-часток при цьому він повинен втратити?

Враховуючи зміни в масі і групу дочірнього елемента, скориставшись таблицею Менделєєва, легко визначити, що ізотопом, що утворився при розщепленні, буде свинець із зарядом 82 і масовим числом 206. А враховуючи зарядове число цього елемента і вихідного радію, слід припустити, що ядро ​​його втратило п'ять -Частинок і чотири бета-частинки.

Використання радіоактивних ізотопів

Усім чудово відомо, яку шкоду живим організмам може завдати радіоактивне випромінювання. Однак властивості радіоактивних ізотопів бувають для людини корисними. Вони успішно застосовуються у багатьох галузях промисловості. З їх допомогою можна знайти витік в інженерних і будівельних спорудах, підземних трубопроводах і нафтопроводах, накопичувальних баках, теплообмінниках на електростанціях

Зазначені властивості активно використовуються також у наукових експериментах. Наприклад, муха цеце є переносником багатьох серйозних захворювань для людини, худоби та свійських тварин. З метою запобігання подібного самців цих комах стерилізують за допомогою слабкого радіоактивного випромінювання. Ізотопи також бувають незамінні щодо механізмів деяких хімічних реакцій, адже атомами цих елементів можна мітити воду та інші речовини.

При біологічних дослідженнях часто використовуються мічені ізотопи. Наприклад, саме таким чином було встановлено, як фосфор впливає на ґрунт, зростання та розвиток культурних рослин. З успіхом властивості ізотопів застосовують і в медицині, що дозволило лікувати ракові пухлинита інші тяжкі захворюваннявизначати вік біологічних організмів

При вивченні властивостей радіоактивних елементів було виявлено, що в того самого хімічного елемента можна зустріти атоми з різною масою ядра. Заряд ядра при цьому вони мають однаковий, тобто це не домішки сторонніх речовин, а те саме речовина.

Що таке і чому існують ізотопи

У періодичній системі Менделєєва і даний елемент, і атоми речовини з масою ядра, що відрізняється, займають одну клітину. Виходячи з вищезгаданого таким різновидам однієї й тієї ж речовини було дано назву «ізотопи» (від грецького isos – однаковий і topos – місце). Отже, ізотопи- це різновиди даного хімічного елемента, що різняться масою атомних ядер.

За прийнятою нейтронно-п ротонної моделі ядрапояснити існування ізотопів вдалося так: ядра деяких атомів речовини містять різну кількість нейтронів, але однакову кількість протонів. Справді, заряд ядра ізотопів одного елемента однаковий, отже кількість протонів в ядрі однакова. Ядра різняться по масі, відповідно, вони містять різну кількість нейтронів.

Стабільні та нестабільні ізотопи

Ізотопи бувають стабільними та нестабільними. На сьогоднішній день відомо близько 270 стабільних ізотопів та понад 2000 нестабільних. Стабільні ізотопи- це різновиди хімічних елементів, які можуть самостійно існувати тривалий час

Більша частина нестабільних ізотопівбула отримана штучним шляхом. Нестабільні ізотопи для оактивні , їх ядра схильні до процесу радіоактивного розпаду, тобто мимовільному перетворенню на інші ядра, що супроводжується випромінюванням частинок і/або випромінювань. Майже всі радіоактивні штучні ізотопи мають дуже короткі періоди напіврозпаду, що вимірюються секундами і навіть частками секунд.

Скільки ізотопів може містити ядро

Ядро неспроможна містити довільну кількість нейтронів. Відповідно, кількість ізотопів обмежена. У парних за кількістю протонівКількість елементів стабільних ізотопів може досягати десяти. Наприклад, олово має 10 ізотопів, ксенон – 9, ртуть – 7 і так далі.

Ті елементи кількість протонів яких непарна, можуть мати лише по два стабільні ізотопи. У ряду елементів є лише один стабільний ізотоп. Це такі речовини як золото, алюміній, фосфор, натрій, марганець та інші. Такі варіації за кількістю стабільних ізотопів у різних елементів пов'язано зі складною залежністю числа протонів та нейтронів від енергії зв'язку ядра.

Майже всі речовини в природі існують у вигляді суміші ізотопів. Кількість ізотопів у складі речовини залежить від виду речовини, атомної маси та кількості стабільних ізотопів даного хімічного елемента.

Встановлено, кожен хімічний елемент, що у природі – це суміш ізотопів (звідси вони дробні атомні маси). Щоб зрозуміти, чим відрізняються один від одного ізотопи, необхідно детально розглянути будову атома. Атом утворює ядро ​​та електронну хмару. На масу атома впливають електрони, що рухаються з приголомшливою швидкістю по орбіталях в електронній хмарі, нейтрони та протони, що входять до складу ядра.

Що таке ізотопи

Ізотопи– це різновид атомів будь-якого хімічного елемента. Електронів і протонів у будь-якому атомі завжди дорівнює кількості. Оскільки вони мають протилежні заряди (електрони – негативні, а протони – позитивні), атом завжди нейтральний (ця елементарна часткане несе заряду, він дорівнює її нулю). При втраті або захопленні електрона атом втрачає нейтральність, стаючи або негативним або позитивним іоном.
Нейтрони не мають заряду, зате їх кількість в атомному ядрі одного і того ж елемента може бути різною. Це не позначається на нейтральності атома, але впливає його масу і якості. Наприклад, у будь-якому ізотопі атома водню є по одному електрону та протону. А кількість нейтронів різна. У протиї є лише 1 нейтрон, в дейтерії – 2 нейтрони й у тритії – 3 нейтрони. Ці три ізотопи помітно відрізняються один від одного за властивостями.

Порівняння ізотопів

Чим різняться ізотопи? Вони різне кількість нейтронів, неоднакова маса і різні властивості. Ізотопи мають ідентичну будову електронних оболонок. Це означає, що вони досить близькі за хімічними властивостями. Тому їм відведено у періодичній системі одне місце.
У природі виявлені ізотопи стабільні та радіоактивні (нестабільні). Ядра атомів радіоактивних ізотопів здатні мимоволі перетворюватися на інші ядра. У процесі радіоактивного розпаду вони випромінюють різні частинки.
Більшість елементів має понад два десятки радіоактивних ізотопів. До того ж, радіоактивні ізотопи штучно синтезовані абсолютно для всіх елементів. У природній суміші ізотопів їх вміст трохи коливається.
Існування ізотопів дозволило зрозуміти, чому в окремих випадках елементи з меншою атомною масою мають більший порядковий номер, ніж елементи з більшою атомною масою. Наприклад, у парі аргон-калій аргон містить важкі ізотопи, а калій – легкі ізотопи. Тому маса аргону більша, ніж калію.

ImGist визначив, що відмінність ізотопів один від одного полягає в наступному:

Вони мають різним числомнейтронів.
Ізотопи мають різну масуатомів.
Значення маси атомів іонів впливає на їхню повну енергію та властивості.

Зміст статті

ІЗОТОПИ- Різновиди одного і того ж хімічного елемента, близькі за своїми фізико-хімічним властивостямале мають різну атомну масу. Назва «ізотопи» була запропонована в 1912 англійським радіохіміком Фредеріком Содді, який утворив його з двох грецьких слів: isos – однаковий та topos – місце. Ізотопи займають одне й те саме місце у клітці періодичної системиелементів Менделєєва.

Атом будь-якого хімічного елемента складається з позитивно зарядженого ядра і навколишнього хмари негативно заряджених електронів. Положення хімічного елемента у періодичній системі Менделєєва (його порядковий номер) визначається зарядом ядра його атомів. Ізотопами називаються тому різновиди того самого хімічного елемента, атоми яких мають однаковий заряд ядра (і, отже, практично однакові електронні оболонки), але відрізняються значеннями маси ядра. За образним висловом Ф.Содді, атоми ізотопів однакові «зовні», але різні «всередині».

У 1932 було відкрито нейтрон – частка, що не має заряду, з масою, близькою до маси ядра атома водню - протона , і створена протонно-нейтронна модель ядра. В результаті у науці встановилося остаточне сучасне визначенняпоняття ізотопів: ізотопи - це речовини, ядра атомів яких складаються з однакового числа протонів і відрізняються лише числом нейтронів в ядрі . Кожен ізотоп прийнято позначати набором символів , де X – символ хімічного елемента, Z – заряд ядра атома (число протонів), А – масове число ізотопу ( загальне числонуклонів – протонів та нейтронів у ядрі, A = Z + N). Оскільки заряд ядра виявляється однозначно пов'язаним із символом хімічного елемента, часто скорочення використовується просто позначення A X.

Зі всіх відомих нам ізотопів тільки ізотопи водню мають власні назви. Так, ізотопи 2 H і 3 H носять назви дейтерію та тритію і отримали позначення відповідно D і T (ізотоп 1 H називають іноді протиєм).

У природі зустрічаються як стабільні ізотопи , так і нестабільні - радіоактивні, ядра атомів яких схильні до мимовільного перетворення на інші ядра з випромінюванням різних частинок (або процесів так званого радіоактивного розпаду). Зараз відомо близько 270 стабільних ізотопів, причому стабільні ізотопи зустрічаються тільки у елементів з атомним номером Z 83. Число нестабільних ізотопів перевищує 2000, переважна більшість їх отримано штучним шляхом в результаті здійснення різних ядерних реакцій. Число радіоактивних ізотопів у багатьох елементів дуже велике і може перевищувати два десятки. Число стабільних ізотопів істотно менше, деякі хімічні елементи складаються лише з одного стабільного ізотопу (берилій, фтор, натрій, алюміній, фосфор, марганець, золото та ряд інших елементів). Найбільше стабільних ізотопів – 10 виявлено в олова, у заліза, наприклад, їх – 4, у ртуті – 7.

Відкриття ізотопів, довідка.

У 1808 р. англійський вчений натураліст Джон Дальтон вперше ввів визначення хімічного елемента як речовини, що складається з атомів одного виду. У 1869 хіміком Д.І.Менделєєвим було відкрито періодичний закон хімічних елементів. Одна з труднощів в обґрунтуванні поняття елемента як речовини, що займає певне місце в клітині періодичної системи, полягала в спостережуваній досвіді нецілочисленності атомних ваг елементів. У 1866 англійський фізик і хімік - сер Вільям Крукс висунув гіпотезу, що кожен природний хімічний елемент є деякою сумішшю речовин, однакових за своїми властивостями, але мають різні атомні маси, проте в той час таке припущення не мало ще експериментального підтвердження і тому пройшло мало поміченим.

Важливим кроком на шляху до відкриття ізотопів стало виявлення явища радіоактивності та сформульована Ернстом Резерфордом та Фредеріком Содді гіпотеза радіоактивного розпаду: радіоактивність є не що інше, як розпад атома на заряджену частинку та атом іншого елемента, що за своїми хімічними властивостями відрізняється від вихідного. В результаті виникло уявлення про радіоактивні ряди або радіоактивні сімейства , на початку яких є перший материнський елемент, що є радіоактивним, і в кінці останній стабільний елемент. Аналіз ланцюжків перетворень показав, що в їх ході в одній клітинці періодичної системи можуть виявлятися ті самі радіоактивні елементи, що відрізняються лише атомними масами. Фактично це й означало запровадження поняття ізотопів.

Незалежне підтвердження існування стабільних ізотопів хімічних елементів було отримано в експериментах Дж. Дж. Томсона і Астона в 1912-1920 з пучками позитивно заряджених частинок (або так званих каналових променів ) , що виходять із розрядної трубки.

У 1919 році Астон сконструював прилад, названий мас-спектрографом. (або мас-спектрометром) . Як джерело іонів, як і раніше, використовувалася розрядна трубка, проте Астон знайшов спосіб, при якому послідовне відхилення пучка частинок в електричному і магнітному поляхпризводило до фокусування частинок з однаковим значеннямвідношення заряду до маси (незалежно від їх швидкості) в одній і тій же точці на екрані. Поряд з Астоном мас-спектрометр дещо іншої конструкції в ті ж роки був створений американцем Демпстером. В результаті подальшого використання та вдосконалення мас-спектрометрів зусиллями багатьох дослідників до 1935 року було складено майже повну таблицю ізотопних складів усіх відомих на той час хімічних елементів.

Методи поділу ізотопів.

Для вивчення властивостей ізотопів і особливо їх застосування в наукових і прикладних цілях потрібне їх отримання більш-менш помітних кількостях. У звичайних мас-спектрометрах досягається практично повний поділ ізотопів, проте їх кількість мізерно мало. Тому зусилля вчених та інженерів були спрямовані на пошуки інших можливих методівподілу ізотопів. Насамперед були освоєні фізико-хімічні способи поділу, засновані на відмінностях у таких якостях ізотопів одного всього ж елемента, як швидкості випаровування, константи рівноваги, швидкості хімічних реакцій тощо. Найбільш ефективними серед них виявилися методи ректифікації та ізотопного обміну, які знайшли широке застосування у промисловому виробництві ізотопів легких елементів: водню, літію, бору, вуглецю, кисню та азоту.

Іншу групу методів утворюють так звані молекулярно-кінетичні методи: газова дифузія, термодифузія, мас-дифузія (дифузія в потоці пари), центрифугування. Методи газової дифузії, засновані на різній швидкості дифузії ізотопних компонентів у високодисперсних пористих середовищах, були використані у роки Другої світової війни при організації промислового виробництваподілу ізотопів урану в США в рамках так званого Манхеттенського проекту атомної бомби. Для отримання необхідної кількостіурану, збагаченого до 90% легким ізотопом 235 U – головною «горючою» складовою атомної бомби, було збудовано заводи, що займали площі близько чотирьох тисяч гектарів. На створення атомного центру із заводами щоб одержати збагаченого урану було асигновано понад 2-х млрд. дол. Після війни у ​​СРСР розробили і побудовані заводи з виробництва збагаченого урану для військових цілей, також засновані на дифузійному методі поділу. В останні рокицей метод поступився місцем більш ефективному і менш витратному методу центрифугування. У цьому методі ефект поділу ізотопної суміші досягається за рахунок різної дії відцентрових сил на компоненти ізотопної суміші, що заповнює ротор центрифуги, який являє собою тонкостінний і обмежений зверху і знизу циліндр, що обертається з дуже високою швидкістюв вакуумної камери. Сотні тисяч з'єднаних у каскади центрифуг, ротор кожної з яких здійснює понад тисячу обертів на секунду, використовуються в даний час на сучасних розділових виробництвах як у Росії, так і в інших розвинених країнах світу. Центрифуги використовуються не тільки для отримання збагаченого урану, необхідного для забезпечення роботи ядерних реакторіватомних електростанцій, але для виробництва ізотопів приблизно тридцяти хімічних елементів середньої частини періодичної системи. Для поділу різних ізотопів використовуються також установки електромагнітного поділу з потужними джерелами іонів, в останні роки набули поширення також лазерні методирозподілу.

Застосування ізотопів.

Різноманітні ізотопи хімічних елементів знаходять широке застосування наукових дослідженнях, у різних галузях промисловості та сільського господарства, ядерної енергетики, сучасної біології та медицини, у дослідженнях довкіллята інших областях. У наукових дослідженнях (наприклад, у хімічному аналізі) потрібні, як правило, невеликі кількості рідкісних ізотопів різних елементів, які обчислюються грамами і навіть міліграмами на рік. Разом з тим, для низки ізотопів, які широко використовуються в ядерній енергетиці, медицині та інших галузях, потреба в їх виробництві може становити багато кілограмів і навіть тонн. Так, у зв'язку з використанням важкої води D 2 O в ядерних реакторах її загальносвітове виробництво на початку 1990-х минулого століття становило близько 5000 т на рік. Ізотоп водню дейтерій, що входить до складу важкої води, концентрація якого в природній суміші водню становить всього 0,015%, поряд з тритієм стане в майбутньому, на думку вчених, основним компонентом палива енергетичних термоядерних реакторів, що працюють на основі реакцій ядерного синтезу. І тут потреба у виробництві ізотопів водню виявиться величезною.

У наукових дослідженнях стабільні та радіоактивні ізотопи широко застосовуються як ізотопні індикатори (мітки) при вивченні різних процесів, що відбуваються в природі.

В сільському господарствіізотопи («мічені» атоми) застосовуються, наприклад, вивчення процесів фотосинтезу, засвоюваності добрив й у визначення ефективності використання рослинами азоту, фосфору, калію, мікроелементів та інших. речовин.

Ізотопні технології знаходять широке застосування у медицині. Так, у США, згідно зі статистичними даними, проводиться понад 36 тис. медичних процедур на день і близько 100 млн. лабораторних тестів з використанням ізотопів. Найбільш поширені процедури, пов'язані з комп'ютерною томографією. Ізотоп вуглецю C 13 збагачений до 99% (природний вміст близько 1%), активно використовується в так званому «діагностичному контролі дихання». Суть тесту дуже проста. Збагачений ізотоп вводиться в їжу пацієнта і після участі в процесі обміну речовин у різних органах тіла виділяється у вигляді вуглекислого газу, що видихається пацієнтом, СО 2 , який збирається і аналізується за допомогою спектрометра. Відмінність у швидкостях процесів, пов'язаних з виділенням різних кількостей вуглекислого газу, помічених ізотопом С 13 дозволяють судити про стан різних органів пацієнта. У США кількість пацієнтів, які проходитимуть цей тест, оцінюється у 5 млн. осіб на рік. Зараз для високозбагаченого ізотопу С 13 в промислових масштабах використовуються лазерні методи поділу.

Володимир Жданов

Вивчаючи явище радіоактивності, вчені перше десятиліття XX в. відкрили велику кількість радіоактивних речовин – близько 40. Їх було значно більше, ніж вільних місць у періодичній системі елементів у проміжку між вісмутом та ураном. Природа цих речовин викликала суперечки. Одні дослідники вважали їх самостійними хімічними елементами, але у разі виявлявся нерозв'язним питання їх розміщення у таблиці Менделєєва. Інші взагалі відмовляли їм у праві називатися елементами у класичному розумінні. У 1902 р. англійський фізик Д. Мартін назвав такі речовини радіоелементами. У міру їх вивчення з'ясувалося, деякі радіоелементи мають абсолютно однакові Хімічні властивості, але різняться за величинами атомних мас. Ця обставина суперечила основним положенням періодичного закону. Вирішив протиріччя англійський учений Ф. Содді. У 1913 р. він назвав хімічно подібні радіоелементи ізотопами (від грецьких слів, що означають «однаковий» і «місце»), тобто такими, що займають одне й те саме місце в періодичній системі. Радіоелементи виявилися ізотопами природних радіоактивних елементів. Усі вони об'єднуються у три радіоактивні сімейства, родоначальниками яких є ізотопи торію та урану.

Ізотопи кисню. Ізобари калію та аргону (ізобари - атоми різних елементів з однаковим масовим числом).

Число стабільних ізотопів для парних та непарних елементів.

Невдовзі з'ясувалося, що й інші стабільні хімічні елементи теж мають ізотопи. Основна заслуга у відкритті належить англійському фізику Ф. Астону. Він виявив стабільні ізотопи у багатьох елементів.

З сучасної точкизору ізотопи - це різновиди атомів хімічного елемента: вони різна атомна маса, але однаковий заряд ядра.

Їхні ядра, таким чином, містять однакове числопротонів, але різне числонейтронів. Наприклад, природні ізотопи кисню з Z = 8 містять у ядрах відповідно 8, 9 та 10 нейтронів. Сума чисел протонів і нейтронів в ядрі ізотопу називається масовим числом A. Отже, масові числа зазначених ізотопів кисню 16, 17 і 18. Нині прийнято таке позначення ізотопів: зліва внизу від символу елемента дається величина Z, зліва вгорі - величина A. 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

Після відкриття явища штучної радіоактивності з допомогою ядерних реакцій було отримано близько 1800 штучних радіоактивних ізотопів для елементів з від 1 до 110. У переважної більшості штучних радіоізотопів дуже малі періоди напіврозпаду, що вимірюються секундами і частками секунд; лише мало хто має порівняно велику тривалістьжиття (наприклад, 10 Ве - 2,7 10 6 років, 26 Al - 8 10 5 років і т. д.).

Стабільні елементи представлені у природі приблизно 280 ізотопами. Однак деякі з них виявилися слабкою радіоактивними, з величезними періодами напіврозпаду (наприклад, 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Тривалість життя цих ізотопів така велика, що дозволяє розглядати їх як стабільні.

У світі стабільних ізотопів ще чимало проблем. Так, неясно, чому їх кількість у різних елементів настільки сильно відрізняється. Близько 25% стабільних елементів (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) представлені у природі лише одним видом атомів. Це так звані елементи-одиначки. Цікаво, що всі вони (крім Be) мають непарні значення Z. І взагалі для непарних елементів кількість стабільних ізотопів не перевищує двох. Навпаки, деякі елементи з парними Z складаються з великої кількостіізотопів (наприклад, Xe має 9, Sn – 10 стабільних ізотопів).

Сукупність стабільних ізотопів у цього елемента називають плеядою. Зміст їх у плеяді нерідко сильно коливається. Цікаво відзначити, що найбільше вміст ізотопів з величинами масових чисел, кратними чотирма (12 C, 16 O, 20 Ca і т. д.), хоча є винятки з цього правила.

Відкриття стабільних ізотопів дозволило розгадати багаторічну загадку атомних мас - їх відхилення від цілих чисел, що пояснюється різним відсотковим вмістом стабільних ізотопів елементів у плеяді.

В ядерної фізикивідоме поняття «ізобари». Ізобарами називають ізотопи різних елементів (тобто з різними значеннями Z), що мають однакові масові числа. Вивчення ізобарів сприяло встановленню багатьох важливих закономірностей поведінки та властивостей атомних ядер. Одну з таких закономірностей висловлює правило, сформульоване радянським хіміком С. А. Щукарьовим та іємецьким фізиком І. Маттаухом. Воно говорить: якщо лева ізобара розрізняються за значеннями Z на 1, то один із них обов'язково буде радіоактивним. Класичний приклад пари ізобарів – 40 18 Ar – 40 19 K. У ній ізотоп калію радіоактивний. Правило Щукарьова – Маттауха дозволило пояснити, чому відсутні стабільні ізотопи у елементів технеції (Z = 43) та прометії (Z = 61). Оскільки вони мають непарні значення Z, то не можна було очікувати більше двох стабільних ізотопів. Але виявилося, що ізобари технеція і прометія, відповідно ізотопи молібдену (Z = 42) і рутенію (Z = 44), неодиму (Z = 60) і самарію (Z = 62), представлені в природі стабільними різновидами атомів у великому діапазоні масових чисел . Тим самим фізичні закономірності накладають заборону існування стабільних ізотопів технеція і прометія. Саме тому ці елементи мало існують у природі та його довелося синтезувати штучно.

Науковці вже давно намагаються розробити періодичну систему ізотопів. Звісно, ​​у її основі лежать інші принципи, ніж у основі періодичної системи елементів. Але ці спроби поки що не призвели до задовільних результатів. Щоправда, фізики довели, що послідовність заповнення протонних та нейтронних оболонок у атомних ядрахв принципі подібна до побудови електронних оболонок і підболочок в атомах (див. Атом).

Електронні оболонки в ізотопів цього елемента побудовані абсолютно однаково. Тому практично тотожні їх хімічні та фізичні властивості. Тільки ізотопи водню (протий та дейтерій) та їх сполуки виявляють помітні відмінності у властивостях. Наприклад, важка вода (D 2 O) замерзає при +3,8, кипить при 101,4 °C, має щільність 1,1059 г/см 3 , не підтримує життя тварин та рослинних організмів. При електролізі води на водень і кисень розкладаються переважно молекули H 2 0 тоді як молекули важкої води залишаються в електролізері.

Поділ ізотопів інших елементів – завдання надзвичайно складне. Проте у багатьох випадках необхідні ізотопи окремих елементівзі значно зміненим у порівнянні із природним змістом. Наприклад, при вирішенні проблеми атомної енергії виникла необхідність поділу ізотопів 235 U і 238 U. Для цієї мети спочатку був застосований метод мас-спектрометрії, за допомогою якого в 1944 році в США були отримані перші кілограми урану-235. Однак цей метод виявився надто дорогим і був замінений методом газової дифузії, в якому використовувався UF6. Наразі існує кілька методів поділу ізотопів, проте всі вони досить складні та дорогі. І все-таки проблема «поділу нероздільного» успішно вирішується.

З'явилася нова наукова дисципліна – хімія ізотопів. Вона вивчає поведінку різних ізотопів хімічних елементів у хімічних реакціяхта процеси ізотопного обміну. Внаслідок цих процесів відбувається перерозподіл ізотопів даного елемента між реагуючими речовинами. Ось найпростіший приклад: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (молекула води обмінює атом протию на атом дейтерію). Розвивається і геохімія ізотопів. Вона досліджує коливання ізотопного складу різних елементів у земній корі.

Найширше застосування знаходять звані мічені атоми - штучні радіоактивні ізотопи стабільних елементів чи стабільні ізотопи. За допомогою ізотопних індикаторів - мічених атомів - вивчають шляхи переміщення елементів у неживій та живій природі, характер розподілу речовин та елементів у різних об'єктах. Ізотопи використовуються в ядерній техніці: як матеріали конструкцій ядерних реакторів; як ядерне паливо (ізотопи торію, урану, плутонію); у термоядерному синтезі (дейтерій, 6 Li, 3 He). Радіоактивні ізотопи також широко використовуються як джерела випромінювань.