Hatto qadimgi faylasuflar ham materiya atomlardan qurilgan, deb taxmin qilishgan. Biroq, koinotning "g'ishtlari" eng kichik zarralardan iborat ekanligi haqida olimlar faqat 19-20-asrlar oxirida taxmin qila boshladilar. Buni isbotlovchi tajribalar o‘z davrida fanda haqiqiy inqilob qildi. Bu nisbat tarkibiy qismlar bir kimyoviy elementni boshqasidan ajratib turadi. Ularning har biri seriya raqamiga ko'ra o'z o'rniga ega. Ammo massa va xususiyatlarning farqiga qaramay, jadvalda bir xil hujayralarni egallagan atomlarning navlari mavjud. Nima uchun bu shunday va kimyoda qanday izotoplar borligi keyinroq muhokama qilinadi.

Atom va uning zarralari

Alfa zarralari bilan bombardimon qilish orqali moddaning tuzilishini o'rganib, E. Rezerford 1910 yilda atomning asosiy fazosi bo'shliq bilan to'ldirilganligini isbotladi. Va faqat markazda yadro joylashgan. Salbiy elektronlar uning atrofida orbita bo'ylab harakatlanib, bu tizimning qobig'ini tashkil qiladi. U shunday yaratilgan sayyora modeli materiyaning "g'ishtlari".

Izotoplar nima? Kimyo kursidan yadro ham borligini unutmang murakkab tuzilish. U musbat protonlar va zaryadsiz neytronlardan iborat. Birinchisining soni kimyoviy elementning sifat xususiyatlarini aniqlaydi. Bu moddalarni bir-biridan ajratib turadigan, yadrolarini ma'lum bir zaryad bilan ta'minlaydigan protonlar soni. Va shu asosda ularga davriy jadvalda tartib raqami beriladi. Ammo bir xil kimyoviy elementdagi neytronlar soni ularni izotoplarga ajratadi. Kimyoda ta'rif bu tushuncha shuning uchun quyidagilarni berish mumkin. Bular yadro tarkibida bir-biridan farq qiluvchi, bir xil zaryad va seriya raqamlariga ega, ammo neytronlar sonidagi farq tufayli turli xil massa raqamlariga ega bo'lgan atomlarning navlari.

Belgilash

9-sinfda kimyo va izotoplarni o'rganib, talabalar qabul qilinganlar haqida bilib oladilar afsona. Z harfi yadro zaryadini bildiradi. Bu ko'rsatkich protonlar soniga to'g'ri keladi va shuning uchun ularning ko'rsatkichidir. N belgisi bilan belgilangan neytronli bu elementlarning yig'indisi A - massa soni. Bitta moddaning izotoplari oilasi, qoida tariqasida, davriy jadvalda undagi protonlar soniga to'g'ri keladigan seriya raqami bilan ta'minlangan kimyoviy element belgisi bilan ko'rsatiladi. Belgilangan belgiga qo'shilgan chap yuqori skript ommaviy raqamga mos keladi. Misol uchun, 238 U. Elementning zaryadi (bu holda, 92 seriya raqami bilan belgilangan uran) quyida shunga o'xshash indeks bilan ko'rsatilgan.

Ushbu ma'lumotlarni bilib, ma'lum bir izotopdagi neytronlar sonini osongina hisoblash mumkin. Bu massa raqami minus seriya raqamiga teng: 238 - 92 \u003d 146. Neytronlar soni kamroq bo'lishi mumkin, bu kimyoviy elementdan uran bo'lib qolmaydi. Shuni ta'kidlash kerakki, ko'pincha boshqa oddiy moddalarda proton va neytronlarning soni taxminan bir xil bo'ladi. Bunday ma'lumotlar kimyoda izotop nima ekanligini tushunishga yordam beradi.

Nuklonlar

Aynan ma'lum bir elementga individuallik beradigan protonlar soni va neytronlar soni unga hech qanday ta'sir qilmaydi. Ammo atom massasi ushbu ikkita ko'rsatilgan elementdan iborat bo'lib, ega umumiy ism ularning yig'indisini ifodalovchi "nuklonlar". Biroq, bu ko'rsatkich atomning manfiy zaryadlangan qobig'ini hosil qiluvchilarga bog'liq emas. Nega? Bu shunchaki solishtirishga arziydi.

Atomdagi protonning massa ulushi katta va taxminan 1 AU ni tashkil qiladi. u m yoki 1,672 621 898 (21) 10 -27 kg. Neytron bu zarrachaning parametrlariga yaqin (1,674 927 471(21) 10 -27 kg). Ammo elektronning massasi minglab marta kichikroq, u ahamiyatsiz hisoblanadi va hisobga olinmaydi. Shuning uchun kimyoda elementning yuqori belgisini bilgan holda, izotoplar yadrosining tarkibini aniqlash qiyin emas.

Vodorodning izotoplari

Ba'zi elementlarning izotoplari tabiatda juda mashhur va keng tarqalgan bo'lib, ular o'z nomlarini oldilar. Bunga eng aniq va oddiy misol vodoroddir. IN jonli uning eng ko'p navi protiumda uchraydi. Bu elementning massa soni 1 ga teng, yadrosi esa bitta protondan iborat.

Xo'sh, kimyoda vodorod izotoplari nima? Ma'lumki, bu moddaning atomlari davriy jadvalda birinchi raqamga ega va shunga mos ravishda tabiatda zaryad soni 1 ga teng. Ammo atom yadrosidagi neytronlar soni ular uchun har xil. Deyteriy og'ir vodorod bo'lib, protondan tashqari yadroda yana bitta zarrachaga, ya'ni neytronga ega. Natijada, bu modda o'zini namoyon qiladi jismoniy xususiyatlar, protiumdan farqli o'laroq, o'z vazniga, erish nuqtasiga va qaynash nuqtasiga ega.

Tritiy

Tritiy hammadan eng murakkab hisoblanadi. Bu juda og'ir vodorod. Kimyodagi izotoplarning ta'rifiga ko'ra, u mavjud zaryad raqami 1, lekin massa soni 3. U ko'pincha triton deb ataladi, chunki uning yadrosida bitta protondan tashqari ikkita neytron mavjud, ya'ni u uchta elementdan iborat. 1934 yilda Rezerford, Olifant va Xartek tomonidan kashf etilgan ushbu elementning nomi kashf etilishidan oldin ham taklif qilingan.

Bu radioaktiv xususiyatga ega bo'lgan beqaror moddadir. Uning yadrosi beta-zarracha va elektron antineytrinoning chiqishi bilan bo'linish qobiliyatiga ega. Ushbu moddaning parchalanish energiyasi unchalik katta emas va 18,59 keV ni tashkil qiladi. Shuning uchun bunday nurlanish odamlar uchun juda xavfli emas. Oddiy kiyim va jarrohlik qo'lqoplari undan himoya qilishi mumkin. Va oziq-ovqat bilan olingan bu radioaktiv element tanadan tezda chiqariladi.

Uranning izotoplari

Ko'proq xavfli turli xil turlari uran, shundan 26 tasi bugungi kunda fanga ma'lum.Shuning uchun kimyoda qanday izotoplar borligi haqida gapirganda, bu elementni tilga olmay bo'lmaydi. Uran turlarining xilma-xilligiga qaramay, tabiatda faqat uchta izotop mavjud. Bularga 234 U, 235 U, 238 U kiradi. Ulardan birinchisi, ega mos xususiyatlar, yadroviy reaktorlarda yoqilg'i sifatida faol foydalaniladi. Va ikkinchisi - plutoniy-239 ishlab chiqarish uchun, bu o'z navbatida eng qimmatli yoqilg'i sifatida ajralmas hisoblanadi.

Radioaktiv elementlarning har biri o'ziga xos xususiyatga ega.Bu moddaning ½ nisbatda bo'linish vaqti. Ya'ni, bu jarayon natijasida moddaning saqlanib qolgan qismining miqdori ikki barobar kamayadi. Uran uchun bu vaqt juda katta. Masalan, izotop-234 uchun u 270 ming yillikda baholanadi va boshqa ikkita ko'rsatilgan navlar uchun bu juda muhimroqdir. Rekord yarimparchalanish davri uran-238 ning yarimparchalanish davri bo'lib, milliardlab yillar davom etadi.

Nuklidlar

Atom turlarining har biri o'ziga xos va qat'iy xarakterli emas ma'lum bir raqam proton va elektronlar shunchalik barqarorki, uni o'rganish uchun hech bo'lmaganda uzoq vaqt etarli bo'ladi. Nisbatan barqaror bo'lganlar nuklidlar deb ataladi. Bunday turg'un shakllanishlar radioaktiv parchalanishga uchramaydi. Beqarorlar radionuklidlar deb ataladi va o'z navbatida qisqa muddatli va uzoq muddatlilarga ham bo'linadi. Izotop atomlarining tuzilishi haqidagi 11-sinf kimyo darslaridan ma'lumki, osmiy va platina eng ko'p radionuklidlarga ega. Kobalt va oltinning har birida bitta stabili bor va eng katta raqam qalaydagi barqaror nuklidlar.

Izotopning seriya raqamini hisoblash

Endi yuqorida tavsiflangan ma'lumotlarni umumlashtirishga harakat qilaylik. Kimyoda izotoplar nima ekanligini tushunganingizdan so'ng, olingan bilimlardan qanday foydalanishni aniqlash vaqti keldi. Buni ko'rib chiqing aniq misol. Aytaylik, ma'lum bir kimyoviy elementning massa soni 181 ga teng ekanligi ma'lum. Shu bilan birga, ma'lum bir moddaning atomi qobig'ida 73 ta elektron mavjud. Davriy jadvaldan foydalanib, ismni qanday aniqlash mumkin berilgan element, shuningdek, uning yadrosidagi proton va neytronlar soni?

Keling, muammoni hal qilishni boshlaylik. Moddaning nomini uning protonlar soniga mos keladigan seriya raqamini bilish orqali aniqlashingiz mumkin. Atomdagi musbat va manfiy zaryadlar soni teng bo'lgani uchun u 73 ga teng. Demak, bu tantal. Bundan tashqari, nuklonlarning umumiy soni 181 tani tashkil etadi, ya'ni bu elementning protonlari 181 - 73 = 108. Juda oddiy.

Galliyning izotoplari

Galliy elementining atom raqami 71. Tabiatda bu modda ikkita izotopga ega - 69 Ga va 71 Ga. Galliy navlarining foizini qanday aniqlash mumkin?

Kimyoda izotoplarga oid masalalarni yechish deyarli har doim davriy jadvaldan olinadigan ma'lumotlar bilan bog'liq. Bu safar ham xuddi shunday qilish kerak. Ko'rsatilgan manbadan o'rtacha atom massasini aniqlaymiz. Bu 69,72 ga teng. X va y uchun birinchi va ikkinchi izotoplarning miqdoriy nisbatini belgilab, ularning yig'indisini 1 ga teng olamiz. Demak, tenglama ko'rinishida bu yoziladi: x + y = 1. Bundan kelib chiqadiki, 69x + 71y = 69,72. Y ni x bilan ifodalab, birinchi tenglamani ikkinchisiga almashtirsak, x = 0,64 va y = 0,36 ni olamiz. Bu shuni anglatadiki, 69 Ga tabiatda 64%, 71 Ga esa 34% ni tashkil qiladi.

Izotop transformatsiyalari

Izotoplarning boshqa elementlarga aylanishi bilan radioaktiv parchalanishi uchta asosiy turga bo'linadi. Ulardan birinchisi alfa parchalanishidir. Bu geliy atomining yadrosi bo'lgan zarrachaning chiqishi bilan sodir bo'ladi. Ya'ni, neytron va proton juftlari to'plamidan iborat bu shakllanish. Ikkinchisining soni davriy tizimdagi moddaning zaryad raqamini va atomining sonini aniqlaganligi sababli, bu jarayon natijasida bir elementning boshqasiga sifatli o'zgarishi sodir bo'ladi va jadvalda u chapga siljiydi. ikki hujayra tomonidan. Bunday holda, elementning massa soni 4 birlikka kamayadi. Biz buni izotoplar atomlarining tuzilishidan bilamiz.

Atom yadrosi asosan elektron bo'lgan beta zarrani yo'qotganda, uning tarkibi o'zgaradi. Neytronlardan biri protonga aylanadi. Bu shuni anglatadiki, moddaning sifat ko'rsatkichlari yana o'zgaradi va element massasini yo'qotmasdan, jadvalda bitta hujayrani o'ngga siljitadi. Odatda, bunday transformatsiya elektromagnit gamma nurlanishi bilan bog'liq.

Radiy izotopining konversiyasi

11-sinf kimyo fanidan izotoplar haqidagi yuqoridagi ma’lumotlar va bilimlar yana amaliy masalalarni yechishga yordam beradi. Masalan, quyidagilar: yemirilish vaqtida 226 Ra IV guruhning kimyoviy elementiga aylanadi, uning massa soni 206. Bu holda u nechta alfa va beta zarralarini yo'qotishi kerak?

Davriy jadvaldan foydalanib, qiz elementning massasi va guruhidagi o'zgarishlarni hisobga olgan holda, parchalanish paytida hosil bo'lgan izotop 82 zaryad va 206 massa soniga ega qo'rg'oshin bo'lishini aniqlash oson. Va zaryad raqamini hisobga olgan holda. Ushbu element va asl radiydan, uning yadrosi beshta alfa-zarracha va to'rtta beta zarrachasini yo'qotgan deb taxmin qilish kerak.

Radioaktiv izotoplardan foydalanish

Radioaktiv nurlanishning tirik organizmlarga qanday zarar yetkazishini hamma yaxshi biladi. Biroq, radioaktiv izotoplarning xususiyatlari odamlar uchun foydalidir. Ular ko'plab sohalarda muvaffaqiyatli qo'llaniladi. Ularning yordami bilan muhandislik va qurilish inshootlarida, er osti quvurlari va neft quvurlarida qochqinlarni aniqlash mumkin, saqlash tanklari, elektr stansiyalarida issiqlik almashinuvchilari.

Bu xususiyatlar ilmiy tajribalarda ham faol foydalaniladi. Masalan, tsetse pashshasi odamlar, chorva mollari va uy hayvonlari uchun ko'plab og'ir kasalliklarning tashuvchisi hisoblanadi. Buning oldini olish uchun bu hasharotlarning erkaklari zaif radioaktiv nurlanish yordamida sterilizatsiya qilinadi. Ba'zi kimyoviy reaksiyalarning mexanizmlarini o'rganishda izotoplar ham ajralmas hisoblanadi, chunki bu elementlarning atomlari suv va boshqa moddalarni belgilashi mumkin.

Biologik tadqiqotlarda ko'pincha etiketli izotoplar ham qo'llaniladi. Masalan, fosforning tuproqqa, o'sishi va rivojlanishiga qanday ta'sir qilishi aniqlandi. madaniy o'simliklar. Muvaffaqiyat bilan izotoplarning xususiyatlari tibbiyotda ham qo'llaniladi, bu esa davolanishga imkon berdi saraton o'smalari va boshqalar og'ir kasallik, biologik organizmlarning yoshini aniqlang.

Radioaktiv elementlarning xossalarini o'rganishda bir xil kimyoviy elementda turli yadro massalariga ega bo'lgan atomlarni topish mumkinligi aniqlandi. Shu bilan birga, ular bir xil yadroviy zaryadga ega, ya'ni bu uchinchi tomon moddalarining aralashmalari emas, balki bir xil moddadir.

Izotoplar nima va ular nima uchun mavjud

Mendeleyev davriy sistemasida yadro massasi har xil bo‘lgan moddaning berilgan elementi ham, atomlari ham bitta hujayrani egallaydi. Yuqoridagilarga asoslanib, bir xil moddaning bunday navlariga "izotoplar" nomi berildi (yunoncha isos - bir xil va topos - joy). Shunday qilib, izotoplar- bular atom yadrolarining massasida farq qiluvchi ma'lum bir kimyoviy elementning navlari.

Qabul qilingan neytronga ko'ra yadroning roton modeli izotoplarning mavjudligini quyidagicha tushuntiring: moddaning ba'zi atomlarining yadrolarida neytronlar soni har xil, lekin bir xil miqdordagi protonlar mavjud. Aslida, bitta element izotoplarining yadro zaryadi bir xil, shuning uchun yadrodagi protonlar soni bir xil. Yadrolar massasi jihatidan farq qiladi, ular mos ravishda turli xil miqdordagi neytronlarni o'z ichiga oladi.

Barqaror va beqaror izotoplar

Izotoplar barqaror yoki beqaror. Bugungi kunga qadar 270 ga yaqin barqaror va 2000 dan ortiq barqaror izotoplar ma'lum. barqaror izotoplar navlari hisoblanadi kimyoviy elementlar uzoq vaqt davomida o'z-o'zidan mavjud bo'lishi mumkin.

Katta qismi beqaror izotoplar sun'iy ravishda olingan. Beqaror izotoplar radioaktiv bo'lib, ularning yadrolari radioaktiv parchalanish jarayoniga, ya'ni zarrachalar va / yoki nurlanishning emissiyasi bilan birga o'z-o'zidan boshqa yadrolarga aylanadi. Deyarli barcha radioaktiv sun'iy izotoplar soniyalar va hatto soniyalarning fraktsiyalari bilan o'lchanadigan juda qisqa yarim umrga ega.

Yadroda qancha izotop bo'lishi mumkin

Yadroda ixtiyoriy miqdordagi neytronlar bo'lishi mumkin emas. Shunga ko'ra, izotoplar soni cheklangan. Hatto protonlar sonida ham elementlar, barqaror izotoplar soni o'ntaga yetishi mumkin. Masalan, qalayda 10 ta, ksenonda 9 ta, simobda 7 ta izotop mavjud va hokazo.

O'sha elementlar protonlar soni toq, faqat ikkita barqaror izotopga ega bo'lishi mumkin. Ba'zi elementlar faqat bitta barqaror izotopga ega. Bu oltin, alyuminiy, fosfor, natriy, marganets va boshqalar kabi moddalardir. Turli elementlar uchun barqaror izotoplar sonining bunday o'zgarishi proton va neytronlar sonining yadroning bog'lanish energiyasiga murakkab bog'liqligi bilan bog'liq.

Tabiatdagi deyarli barcha moddalar izotoplar aralashmasi sifatida mavjud. Moddaning tarkibidagi izotoplar soni moddaning turiga, atom massasiga va berilgan kimyoviy elementning barqaror izotoplari soniga bog'liq.

Tabiatda mavjud bo'lgan har bir kimyoviy element izotoplar aralashmasi ekanligi aniqlandi (shuning uchun ular kasr atom massalariga ega). Izotoplar bir-biridan qanday farq qilishini tushunish uchun atomning tuzilishini batafsil ko'rib chiqish kerak. Atom yadro va elektron bulutni hosil qiladi. Atom massasiga elektron bulutdagi orbitalarda hayratlanarli tezlikda harakatlanuvchi elektronlar, yadroni tashkil etuvchi neytron va protonlar ta'sir qiladi.

Izotoplar nima

izotoplar Kimyoviy element atomining bir turi. Har qanday atomda har doim teng miqdordagi elektron va proton mavjud. Ular qarama-qarshi zaryadga ega bo'lganligi sababli (elektronlar manfiy va protonlar musbat), atom har doim neytraldir (bu elementar zarracha zaryadni olib yurmaydi, u nolga teng). Elektron yo'qolganda yoki ushlanganda, atom o'zining neytralligini yo'qotadi va salbiy yoki ijobiy ionga aylanadi.
Neytronlarning zaryadi yo'q, lekin bir xil elementning atom yadrosidagi ularning soni har xil bo'lishi mumkin. Bu atomning neytralligiga ta'sir qilmaydi, lekin uning massasi va xususiyatlariga ta'sir qiladi. Masalan, vodorod atomining har bir izotopida bittadan elektron va bittadan proton mavjud. Neytronlar soni esa har xil. Protiyda atigi 1 neytron, deyteriyda 2 neytron va tritiyda 3 ta neytron mavjud. Bu uch izotop bir-biridan xossalari jihatidan keskin farq qiladi.

Izotoplarni solishtirish

Izotoplar qanday farqlanadi? Ular turli xil neytronlar soni, har xil massa va turli xil xususiyatlarga ega. Izotoplar bir xil tuzilishga ega elektron qobiqlar. Bu ularning kimyoviy xossalari bo'yicha juda o'xshashligini anglatadi. Shuning uchun ular davriy tizimda bir o'rin bilan belgilanadi.
Tabiatda barqaror va radioaktiv (beqaror) izotoplar topilgan. Radioaktiv izotoplar atomlarining yadrolari o'z-o'zidan boshqa yadrolarga o'tishga qodir. Radioaktiv parchalanish jarayonida ular turli zarrachalarni chiqaradi.
Aksariyat elementlarda yigirmadan ortiq radioaktiv izotoplar mavjud. Bundan tashqari, radioaktiv izotoplar mutlaqo barcha elementlar uchun sun'iy ravishda sintezlanadi. Izotoplarning tabiiy aralashmasida ularning tarkibi biroz o'zgarib turadi.
Izotoplarning mavjudligi nima uchun ba'zi hollarda atom massasi kamroq bo'lgan elementlar katta atom massasiga ega bo'lgan elementlarga qaraganda yuqori seriya raqamiga ega ekanligini tushunishga imkon berdi. Masalan, argon-kaliy juftligida argon og'ir izotoplarni, kaliy esa engil izotoplarni o'z ichiga oladi. Shuning uchun argonning massasi kaliynikidan kattaroqdir.

ImGist izotoplarning bir-biridan farqi quyidagicha ekanligini aniqladi:

Ular egalik qiladi boshqa raqam neytronlar.
Izotoplar bor har xil massa atomlar.
Ionlarning atomlari massasining qiymati ularning umumiy energiyasi va xususiyatlariga ta'sir qiladi.

Maqolaning mazmuni

ISOTOPS Bir xil kimyoviy elementning o'xshash navlari fizik va kimyoviy xossalari lekin har xil atom massalari bilan. "Izotoplar" nomi 1912 yilda ingliz radiokimyogari Frederik Soddi tomonidan taklif qilingan bo'lib, uni ikkitadan yaratgan. yunoncha so'zlar: isos - bir xil va topos - joy. Izotoplar hujayrada bir xil joyni egallaydi davriy tizim Mendeleyevning elementlari.

Har qanday kimyoviy elementning atomi musbat zaryadlangan yadro va uni o'rab turgan manfiy zaryadlangan elektronlar bulutidan iborat. Kimyoviy elementning Mendeleyev davriy tizimidagi holati (uning seriya raqami) uning atomlari yadrosining zaryadi bilan belgilanadi. izotoplar shuning uchun deyiladi atomlari bir xil yadroviy zaryadga (va shuning uchun deyarli bir xil elektron qobiqlarga) ega bo'lgan bir xil kimyoviy elementning navlari, ammo yadro massasining qiymatlarida farqlanadi. F.Soddining obrazli ifodasiga ko'ra, izotoplarning atomlari bir xil "tashqi", ammo "ichkarida" har xil.

Neytron 1932 yilda kashf etilgan – zaryadsiz, massasi vodorod atomi yadrosi massasiga yaqin bo'lgan zarracha - proton , va yaratilgan yadroning proton-neytron modeli. Natijada fanda, yakuniy zamonaviy ta'rif izotoplar: izotoplar - atom yadrolari bir xil miqdordagi protonlardan tashkil topgan va faqat yadrodagi neytronlar soni bilan farq qiladigan moddalar. . Har bir izotop odatda belgilar to'plami bilan belgilanadi, bu erda X - kimyoviy elementning ramzi, Z - atom yadrosining zaryadi (protonlar soni), A - izotopning massa soni ( umumiy soni nuklonlar - yadrodagi proton va neytronlar, A = Z + N). Yadro zaryadi kimyoviy element belgisi bilan bir ma'noda bog'langanligi sababli, ko'pincha qisqartirish uchun A X belgisi ishlatiladi.

Bizga ma'lum bo'lgan barcha izotoplardan faqat vodorodning izotoplari o'z nomlariga ega. Shunday qilib, 2 H va 3 H izotoplari deyteriy va tritiy deb ataladi va mos ravishda D va T deb nomlanadi (1 H izotopi ba'zan protium deb ataladi).

Ular tabiiy ravishda barqaror izotoplar sifatida uchraydi. , va beqaror - radioaktiv, ularning atomlari yadrolari turli zarralar (yoki radioaktiv parchalanish deb ataladigan jarayonlar) chiqishi bilan o'z-o'zidan boshqa yadrolarga aylanadi. Hozirgi vaqtda 270 ga yaqin barqaror izotoplar ma'lum bo'lib, barqaror izotoplar faqat atom raqami Z J 83 bo'lgan elementlarda uchraydi. Beqaror izotoplar soni 2000 dan oshadi, ularning katta qismi sun'iy ravishda turli xil ta'sirlar natijasida olingan. yadro reaksiyalari. Ko'pgina elementlarda radioaktiv izotoplar soni juda katta va ikki o'ndan ortiq bo'lishi mumkin. Barqaror izotoplar soni ancha kam.Ba'zi kimyoviy elementlar faqat bitta turg'un izotopdan (beriliy, ftor, natriy, alyuminiy, fosfor, marganets, oltin va boshqa bir qator elementlardan) iborat. Eng ko'p barqaror izotoplar - 10 ta - qalayda, temirda, masalan, ulardan 4 tasi, simobda esa - 7 ta.

Izotoplarning kashf etilishi, tarixiy ma'lumotlar.

1808 yilda ingliz tabiatshunosi Jon Dalton birinchi bo'lib kimyoviy element ta'rifini bir turdagi atomlardan tashkil topgan modda sifatida kiritdi. 1869 yilda kimyogar D.I.Mendeleyev kimyoviy elementlarning davriy qonunini ochdi. Davriy sistemaning hujayrasida ma'lum o'rin egallagan modda sifatida element tushunchasini asoslashdagi qiyinchiliklardan biri elementlarning butun son bo'lmagan atom og'irliklarining eksperimental ravishda kuzatilganligi edi. 1866 yilda ingliz fizigi va kimyogari ser Uilyam Kruks har bir tabiiy kimyoviy element o'z xossalari bo'yicha bir xil, ammo atom massalari har xil bo'lgan moddalar aralashmasi, degan gipotezani ilgari surdi, ammo o'sha paytda bunday taxmin hali mavjud emas edi. eksperimental ravishda tasdiqlangan va shuning uchun kam ko'rilgan.

Ernst Ruterford va Frederik Soddi tomonidan ishlab chiqilgan radioaktivlik hodisasi va radioaktiv parchalanish gipotezasi izotoplarni kashf qilish yo'lidagi muhim qadam bo'ldi: radioaktivlik atomning zaryadlangan zarrachaga va boshqa element atomiga parchalanishidan boshqa narsa emas. , bu kimyoviy xossalari bilan asl nusxasidan farq qiladi. Natijada radioaktiv qatorlar yoki radioaktiv oilalar tushunchasi paydo bo'ldi. , boshida radioaktiv bo'lgan birinchi asosiy element va oxirida - oxirgi barqaror element mavjud. Transformatsiyalar zanjirlarini tahlil qilish shuni ko'rsatdiki, davriy tizimning bir hujayrasida faqat atom massalari bilan farq qiladigan bir xil radioaktiv elementlar paydo bo'lishi mumkin. Aslida, bu izotoplar tushunchasining kiritilishini anglatardi.

Kimyoviy elementlarning barqaror izotoplari mavjudligining mustaqil tasdig'i 1912-1920 yillarda J. J. Tomson va Astonning musbat zaryadlangan zarrachalar (yoki kanal nurlari deb ataladigan) nurlari bilan o'tkazgan tajribalarida olingan. ) tushirish trubkasidan chiqadi.

1919 yilda Aston mass-spektrograf deb nomlangan asbobni yaratdi. (yoki massa spektrometri) . Bo'shatish trubkasi hali ham ion manbai sifatida ishlatilgan, ammo Aston zarrachalar nurining elektr va zarrachalarda ketma-ket burilishining usulini topdi. magnit maydonlar bilan zarrachalarning fokuslanishiga olib keldi bir xil qiymat zaryadning massaga nisbati (tezligidan qat'iy nazar) ekranning bir nuqtasida. Aston bilan bir qatorda, xuddi shu yillarda Amerika Dempster tomonidan biroz boshqacha dizayndagi massa spektrometri yaratilgan. Ko'pgina tadqiqotchilarning sa'y-harakatlari bilan massa spektrometrlarini keyinchalik qo'llash va takomillashtirish natijasida 1935 yilga kelib o'sha davrga ma'lum bo'lgan barcha kimyoviy elementlarning izotopik tarkibining deyarli to'liq jadvali tuzildi.

Izotoplarni ajratish usullari.

Izotoplarning xossalarini o'rganish va ayniqsa ularni ilmiy va amaliy maqsadlarda qo'llash uchun ularni ko'p yoki kamroq sezilarli miqdorda olish kerak. An'anaviy massa spektrometrlarida izotoplarni deyarli to'liq ajratishga erishiladi, ammo ularning soni ahamiyatsiz. Shuning uchun olimlar va muhandislarning sa'y-harakatlari boshqa narsalarni qidirishga qaratilgan mumkin bo'lgan usullar izotoplarni ajratish. Birinchi navbatda, bir xil element izotoplarining bug'lanish tezligi, muvozanat konstantalari, kimyoviy reaktsiyalar tezligi va boshqalar kabi xususiyatlaridagi farqlarga asoslangan fizik va kimyoviy ajratish usullari o'zlashtirildi. Ular orasida eng samarali bo'lganlari yorug'lik elementlari: vodorod, litiy, bor, uglerod, kislorod va azot izotoplarini sanoatda ishlab chiqarishda keng qo'llaniladigan rektifikatsiya va izotop almashinuvi usullari edi.

Usullarning yana bir guruhi molekulyar-kinetik deb ataladigan usullar bilan hosil bo'ladi: gazsimon diffuziya, termal diffuziya, massa diffuziyasi (bug 'oqimida diffuziya) va sentrifugalash. Yuqori dispersli g'ovakli muhitda izotopik komponentlarning turli diffuziya tezligiga asoslangan gaz diffuziya usullari Ikkinchi Jahon urushi davrida gazni tashkil qilish uchun ishlatilgan. sanoat ishlab chiqarish yaratish uchun Manxetten loyihasi deb ataladigan loyiha doirasida AQShda uran izotoplarini ajratish atom bombasi. Olish uchun kerakli miqdorlar Atom bombasining asosiy "yonuvchi" komponenti bo'lgan 235 U yorug'lik izotopi bilan 90% gacha boyitilgan uran, taxminan to'rt ming gektar maydonni egallagan zavodlar qurilgan. Boyitilgan uran ishlab chiqaradigan zavodlarga ega atom markazini yaratish uchun 2 milliard dollardan ortiq mablag' ajratildi.Urushdan keyin boyitilgan uranni harbiy maqsadlarda, shuningdek ajratishning diffuziya usuliga asoslangan holda ishlab chiqaruvchi zavodlar ishlab chiqildi. SSSRda qurilgan. IN o'tgan yillar bu usul samaraliroq va arzonroq santrifüjlash usuliga o'z o'rnini bo'shatib berdi. Bu usulda izotop aralashmasini ajratish ta'siri yuqoridan va pastdan chegaralangan yupqa devorli silindr bo'lgan, yuqoridan va pastdan chegaralangan, markazdan qochma kuchlarning santrifuga rotorini to'ldiruvchi izotop aralashmasi komponentlariga turlicha ta'siri tufayli erishiladi. juda yuqori tezlik ichida vakuum kamerasi. Har birining rotori sekundiga mingdan ortiq aylanishni amalga oshiradigan kaskadlarga ulangan yuz minglab sentrifugalar hozirgi vaqtda Rossiyada ham, dunyoning boshqa rivojlangan mamlakatlarida ham zamonaviy ajratish zavodlarida qo'llaniladi. Santrifugalar ishlash uchun zarur bo'lgan boyitilgan uranni olishdan ko'proq narsa uchun ishlatiladi yadroviy reaktorlar atom elektr stansiyalari, balki davriy sistemaning o'rta qismidagi o'ttizga yaqin kimyoviy elementlarning izotoplarini ishlab chiqarish uchun ham. Turli xil izotoplarni ajratish uchun kuchli ion manbalari bo'lgan elektromagnit ajratish qurilmalari ham qo'llaniladi; so'nggi yillarda. lazer usullari ajratish.

Izotoplardan foydalanish.

Kimyoviy elementlarning turli izotoplari keng qo'llaniladi ilmiy tadqiqot, sanoat va qishloq xo'jaligining turli sohalarida, in atom energiyasi, zamonaviy biologiya va tibbiyot, tadqiqotda muhit va boshqa sohalar. Ilmiy tadqiqotlarda (masalan, kimyoviy tahlilda), qoida tariqasida, har yili gramm va hatto milligramm bilan hisoblangan har xil elementlarning kam miqdorda nodir izotoplari talab qilinadi. Shu bilan birga, atom energetikasi, tibbiyot va boshqa sohalarda keng qo'llaniladigan bir qator izotoplar uchun ularni ishlab chiqarishga bo'lgan ehtiyoj ko'p kilogramm va hatto tonna bo'lishi mumkin. Shunday qilib, yadroviy reaktorlarda og'ir suv D 2 O ishlatilishi munosabati bilan uning global ishlab chiqarilishi o'tgan asrning 1990-yillari boshlarida yiliga 5000 tonnani tashkil etdi. Og'ir suvning bir qismi bo'lgan vodorod izotopi deyteriy, vodorodning tabiiy aralashmasidagi kontsentratsiyasi atigi 0,015%, tritiy bilan bir qatorda, olimlarning fikriga ko'ra, kelajakda ishlaydigan termoyadro reaktorlarining asosiy yoqilg'i komponentiga aylanadi. yadroviy sintez reaksiyalari asosida. Bunday holda, vodorod izotoplarini ishlab chiqarishga bo'lgan ehtiyoj juda katta bo'ladi.

Ilmiy tadqiqotlarda barqaror va radioaktiv izotoplar tabiatda sodir bo'ladigan turli jarayonlarni o'rganishda izotop ko'rsatkichlari (yorliqlari) sifatida keng qo'llaniladi.

IN qishloq xo'jaligi izotoplar ("yorliqli" atomlar), masalan, fotosintez jarayonlarini, o'g'itlarning hazm bo'lishini o'rganish, o'simliklarning azot, fosfor, kaliy, mikroelementlar va boshqa moddalardan foydalanish samaradorligini aniqlash uchun ishlatiladi.

Tibbiyotda izotop texnologiyalari keng qo'llaniladi. Shunday qilib, AQShda, statistik ma'lumotlarga ko'ra, kuniga 36 mingdan ortiq tibbiy muolajalar va izotoplar yordamida 100 millionga yaqin laboratoriya tekshiruvlari o'tkaziladi. Kompyuter tomografiyasi bilan bog'liq eng keng tarqalgan protseduralar. 99% gacha boyitilgan C 13 uglerod izotopi (tabiiy tarkibi taxminan 1%) "nafas olishning diagnostik nazorati" deb ataladigan narsada faol qo'llaniladi. Sinovning mohiyati juda oddiy. Boyitilgan izotop bemorning ovqatiga kiritiladi va tananing turli a'zolarida metabolik jarayonda ishtirok etgandan so'ng, bemor tomonidan chiqarilgan karbonat angidrid CO 2 sifatida chiqariladi, u to'planadi va spektrometr yordamida tahlil qilinadi. C 13 izotopi bilan belgilangan har xil miqdordagi karbonat angidridni chiqarish bilan bog'liq jarayonlar tezligidagi farq bemorning turli organlarining holatini baholashga imkon beradi. AQShda ushbu testdan o'tadigan bemorlar soni yiliga 5 million kishiga baholanadi. Hozirgi vaqtda sanoat miqyosida yuqori boyitilgan C 13 izotopini ishlab chiqarish uchun lazerli ajratish usullari qo'llaniladi.

Vladimir Jdanov

XX asrning birinchi o'n yilligida olimlar radioaktivlik hodisasini o'rganishdi. juda ko'p miqdordagi radioaktiv moddalarni aniqladilar - taxminan 40. Ular vismut va uran oralig'idagi elementlarning davriy jadvalidagi bo'sh joylardan sezilarli darajada ko'p edi. Ushbu moddalarning tabiati bahsli edi. Ba'zi tadqiqotchilar ularni mustaqil kimyoviy elementlar deb hisoblashgan, ammo bu holda ularni davriy jadvalga joylashtirish masalasi erimaydigan bo'lib chiqdi. Boshqalar, odatda, ularni klassik ma'noda elementlar deb atash huquqini rad etishdi. 1902 yilda ingliz fizigi D. Martin bunday moddalarni radioelementlar deb atagan. Ular o'rganilganda, ba'zi radioelementlar aynan bir xil ekanligi ma'lum bo'ldi Kimyoviy xossalari, lekin kattaligi bilan farqlanadi atom massalari. Bu holat asosiy tamoyillarga zid edi davriy qonun. Ingliz olimi F. Soddi qarama-qarshilikni hal qildi. 1913 yilda u kimyoviy jihatdan o'xshash radioelementlarni izotoplar deb atadi (yunoncha "bir xil" va "joy" degan ma'noni anglatadi), ya'ni davriy tizimda bir xil joyni egallaydi. Radioelementlar tabiiy radioaktiv elementlarning izotoplari bo'lib chiqdi. Ularning barchasi uchta radioaktiv oilaga birlashtirilgan, ularning ajdodlari toriy va uran izotoplaridir.

Kislorodning izotoplari. Kaliy va argonning izobarlari (izobarlar bir xil massa soniga ega bo'lgan turli elementlarning atomlari).

Juft va toq elementlar uchun barqaror izotoplar soni.

Tez orada boshqa barqaror kimyoviy elementlarning ham izotoplari borligi ma'lum bo'ldi. Ularning kashfiyotida asosiy xizmat ingliz fizigi F. Astonga tegishli. U ko'plab elementlarda barqaror izotoplarni kashf etdi.

FROM zamonaviy nuqta Izotoplar kimyoviy element atomlarining navlari: ularning atom massalari har xil, ammo yadro zaryadlari bir xil.

Shunday qilib, ularning yadrolari mavjud bir xil raqam protonlar, lekin boshqa raqam neytronlar. Masalan, Z = 8 bo'lgan tabiiy kislorod izotoplarining yadrolarida mos ravishda 8, 9 va 10 neytron mavjud. Izotop yadrosidagi proton va neytronlar sonlarining yig'indisi A massa soni deb ataladi. Shuning uchun ko'rsatilgan kislorod izotoplarining massa raqamlari 16, 17 va 18 ga teng. Endi izotoplarning quyidagi belgilanishi qabul qilinadi: Z. qiymat element belgisining pastki chap qismida, A qiymati esa chap tomonda.Masalan: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

Sun'iy radioaktivlik hodisasi kashf etilgandan so'ng, 1 dan 110 gacha Z bo'lgan elementlar uchun yadro reaktsiyalari yordamida 1800 ga yaqin sun'iy radioaktiv izotoplar olindi. Sun'iy radioizotoplarning mutlaq ko'pchiligi soniyalar va soniyalarning kasrlari bilan o'lchanadigan juda qisqa yarim umrga ega; faqat bir nechtasi nisbatan bor uzoqroq muddat hayot (masalan, 10 Be - 2,7 10 6 yil, 26 Al - 8 10 5 yil va boshqalar).

Turg'un elementlar tabiatda 280 ga yaqin izotopga ega. Biroq, ularning ba'zilari ozgina radioaktiv bo'lib chiqdi, yarimparchalanish davri juda katta (masalan, 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Bu izotoplarning umri shunchalik uzoqki, ularni barqaror deb hisoblash mumkin.

Barqaror izotoplar dunyosida hali ham ko'p muammolar mavjud. Shunday qilib, nima uchun ularning turli elementlardagi soni shunchalik farq qilishi aniq emas. Barqaror elementlarning (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) 25% ga yaqini mavjud. tabiatda faqat bitta turdagi atom mavjud. Bular yagona elementlar deb ataladi. Qizig'i shundaki, ularning barchasi (Be dan tashqari) toq Z qiymatlariga ega.Umuman olganda, toq elementlar uchun barqaror izotoplar soni ikkitadan oshmaydi. Aksincha, hatto Z bo'lgan ba'zi elementlardan iborat katta raqam izotoplari (masalan, Xe 9 ta, Sn - 10 ta barqaror izotopga ega).

Berilgan elementning barqaror izotoplari to'plamiga galaktika deyiladi. Ularning galaktikadagi tarkibi ko'pincha juda o'zgarib turadi. Shunisi qiziqki, massa soni to'rtga karrali (12 C, 16 O, 20 Ca va boshqalar) bo'lgan izotoplarning ko'pligi, garchi bu qoidadan istisnolar mavjud bo'lsa-da, eng yuqori ko'rsatkichdir.

Barqaror izotoplarning kashf etilishi atom massalarining uzoq muddatli sirini - galaktikadagi elementlarning barqaror izotoplarining turli foizlari tufayli ularning butun sonlardan chetlanishini hal qilish imkonini berdi.

IN yadro fizikasi"izobar" tushunchasi ma'lum. Izobarlar turli elementlarning izotoplari deb ataladi (ya'ni turli qiymatlar Z) bir xil massa raqamlariga ega. Izobarlarni o'rganish atom yadrolarining xatti-harakati va xususiyatlarida ko'plab muhim qonuniyatlarni o'rnatishga yordam berdi. Bu qonuniyatlardan biri sovet kimyogari S. A. Shchukarev va yaman fizigi I. Mattauch tomonidan tuzilgan qoida bilan ifodalanadi. Unda aytilishicha: agar ikkita izobar Z qiymatlarida 1 ga farq qilsa, ulardan biri albatta radioaktiv bo'ladi. Bir juft izobarning klassik namunasi 40 18 Ar - 40 19 K. Unda kaliy izotopi radioaktivdir. Shchukarev-Mattauch qoidasi texnetiy (Z = 43) va prometiy (Z = 61) elementlarning nima uchun barqaror izotoplari yo'qligini tushuntirishga imkon berdi. Ularning toq Z qiymatlari borligi sababli, ular uchun ikkitadan ortiq barqaror izotoplarni kutish mumkin emas. Ammo texnetiy va prometiyning izobarlari mos ravishda molibden (Z = 42) va ruteniy (Z = 44), neodimiy (Z = 60) va samariy (Z = 62) izotoplari tabiatda ifodalanganligi ma'lum bo'ldi. keng massa sonidagi atomlarning barqaror navlari. Shunday qilib, fizik qonunlar texnetiy va prometiyning barqaror izotoplari mavjudligini taqiqlaydi. Shuning uchun bu elementlar tabiatda mavjud emas va ularni sun'iy ravishda sintez qilish kerak edi.

Olimlar uzoq vaqtdan beri izotoplarning davriy tizimini yaratishga harakat qilishdi. Albatta, u elementlarning davriy sistemasi asosidan boshqa tamoyillarga asoslanadi. Ammo bu urinishlar hali qoniqarli natijalarga olib kelmadi. To'g'ri, fiziklar proton va neytron qobiqlarini to'ldirish ketma-ketligini isbotladilar. atom yadrolari printsipial jihatdan atomlardagi elektron qobiqlar va pastki qavatlar qurilishiga o'xshaydi (qarang Atom).

Berilgan element izotoplarining elektron qobiqlari aynan bir xil tarzda qurilgan. Shuning uchun ularning kimyoviy va fizik xossalari deyarli bir xil. Faqat vodorodning izotoplari (protiy va deyteriy) va ularning birikmalari xossalarida sezilarli farqlarni ko'rsatadi. Masalan, og'ir suv (D 2 O) +3,8 da muzlaydi, 101,4 ° S da qaynaydi, zichligi 1,1059 g / sm 3, hayvon va o'simlik organizmlarining hayotini qo'llab-quvvatlamaydi. Suvni vodorod va kislorodga elektroliz qilish jarayonida H 2 0 molekulalari asosan parchalanadi, og'ir suv molekulalari esa elektrolizatorda qoladi.

Boshqa elementlarning izotoplarini ajratish juda qiyin ishdir. Biroq, ko'p hollarda izotoplar kerak bo'ladi individual elementlar tabiiy tarkibga nisbatan sezilarli o'zgarish bilan. Masalan, atom energiyasi masalasini hal qilishda 235 U va 238 U izotoplarini ajratish zarurati tug'ildi. Buning uchun birinchi marta massa spektrometriya usuli qo'llanilib, uning yordamida uran-235 ning dastlabki kilogrammlari olindi. 1944 yilda AQShda. Biroq, bu usul juda qimmat bo'lib chiqdi va UF 6 dan foydalanilgan gazli diffuziya usuli bilan almashtirildi. Endi izotoplarni ajratishning bir necha usullari mavjud, ammo ularning barchasi juda murakkab va qimmat. Shunga qaramay, "ajralmasni ajratish" muammosi muvaffaqiyatli hal qilinmoqda.

Yangi ilmiy intizom - izotoplar kimyosi paydo bo'ldi. U kimyoviy elementlarning turli izotoplarining harakatini o'rganadi kimyoviy reaksiyalar va izotop almashinuv jarayonlari. Ushbu jarayonlar natijasida ma'lum elementning izotoplari reaksiyaga kirishuvchi moddalar o'rtasida qayta taqsimlanadi. Bu yerda eng oddiy misol: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (suv molekulasi protiy atomini deyteriy atomiga almashtiradi). Izotoplar geokimyosi ham rivojlanmoqda. U yer qobig'idagi turli elementlarning izotopik tarkibidagi tebranishlarni o'rganadi.

Eng ko'p ishlatiladigan etiketli atomlar - barqaror elementlarning sun'iy radioaktiv izotoplari yoki barqaror izotoplar. Izotop ko'rsatkichlari - yorliqli atomlar yordamida ular jonsiz va tirik tabiatdagi elementlarning harakatlanish usullarini, turli ob'ektlardagi moddalar va elementlarning tarqalish xarakterini o'rganadilar. Izotoplar yadro texnologiyasida qo'llaniladi: yadro reaktorlarini qurish uchun materiallar sifatida; yadro yoqilg'isi sifatida (toriy, uran, plutoniy izotoplari); termoyadro sintezida (deyteriy, 6 Li, 3 He). Radioaktiv izotoplar nurlanish manbalari sifatida ham keng qo'llaniladi.