Ізотопи

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Розподіл ізотопів.
По горизонталі — кількість протонів (заряд ядра).
По вертикалі — кількість нейтронів.
Колір — стабільність ізотопу (тривалість напіврозпаду).

Ізото́пи — нукліди одного і того самого хімічного елементу, які мають різну кількість нейтронів, а, отже, різну атомну масу.

Загальний опис[ред.ред. код]

Ізотопи позначають тими самими символами, що й хімічний елемент, додаючи зверху з лівого боку символу масове число, наприклад, ізотопи Хлору позначають: 35Cl і 37Cl, або масове число подають за назвою чи символом елементу, наприклад: Уран-233 чи Pu-239.

Ізотопи одного хімічного елемента мають однаковий заряд атомного ядра, тобто один порядковий номер, і займають те ж саме місце в періодичній системі, мають однакову кількість протонів в ядрі атома, але відрізняються один від одного кількістю нейтронів. Так, в атомному ядрі ізотопу хлору 35Cl міститься 17 протонів, оскільки порядковий номер хлору 17, і 18 нейтронів (35-17=18), а в ядрі ізотопу хлору 37Cl — 17 протонів і 20 нейтронів (37-17 = 20).

Деякі хімічні елементи мають невелику кількість стабільних ізотопів. Так, для Оксигену відомо три стабільні ізотопи: 16O (ядро складається з 8 протонів і 8 нейтронів), 17O (ядро складається з 8 протонів і 9 нейтронів) і 18О (ядро складається з 8 протонів і 10 нейтронів). Для Гідрогену відомо теж три ізотопи: 1H (ядро складається лише з одного протона), 2H (ядро складається з одного протона і одного нейтрона), 3H (ядро складається з одного протона і двох нейтронів). Деякі ж хімічні елементи складаються з досить великої кількості ізотопів. Наприклад, Ксенон має 9 ізотопів, Станум — 10 і т. д.

Переважна більшість ізотопів не має спеціальних назв, але для ізотопів деяких елементів, зокрема для ізотопів водню, існують спеціальні назви і навіть спеціальні символи. Так, ізотоп водню 1H називають протій, ізотоп 2H — дейтерій і позначають символом D а ізотоп 3Н — тритій (символ T). Деякі ізотопи в природі досить поширені, як, наприклад, ізотоп кисню 16O та ізотоп водню 1Н, а інші ізотопи зустрічаються в дуже мізерних кількостях, як ізотопи кисню 17O і 18O і ізотопи водню 2H і 3H.

За хімічними властивостями всі ізотопи окремого елементу дуже близькі, тому значної різниці між ними у хімічних реакціях не спостерігається. Виняток становлять лише ізотопи водню, які за своїми властивостями помітно відрізняються один від одного.

Атомна маса ізотопу виражена у вуглецевих одиницях і не є цілим числом для всіх елементів окрім С-12, на відміну від масового числа, яке є завжди цілим числом, рівним сумі протонів та нейтронів.

Історія[ред.ред. код]

Діаграма, що показує різні типи радіоактивного розпаду. Горизонтальна вісь - атомний номер, вертикальна - кількість нейтронів
Фотопластинка Дж. Томпсона, у нижньому правому куті якої видно позначення двох ізотопів неону, 20 і 22.

До 20 століття загальноприйнятою була думка, що атомна маса елементу є його постійною і незмінною характеристикою. Проте, з відкриттям наприкінці 19 століття радіоактивних речовин, це уявлення почало змінюватися. Під час радіоактивного розпаду утворювалися елементи, що, через їх різну атомну масу, вважали різними, і давали їм окремі назви. У 1910 році Фредерік Содді показав, що мезоторіум (тодішня назва радію-228), радій (радій-226, довгоживучий ізотоп, що зустрічається в природі) і торій-X (радій-224) хімічно нероздільні. А в 1913 році він же показав, що під час розпадів радіоактивних речовин на проміжку від урану до свинцю, утворюється близько 40 радіоелементів з різною масою, тоді як у таблиці Менделєєва між цими елементами може розміщуватись не більш як 11 інших.

Того самого року Содді й Казимір Фаянс запропонували закон радіоактивних зміщень, згідно з яким, альфа-розпад зміщує елемент у таблиці на дві позиції вліво, зменшуючи його масу на 4, тоді як бета-розпад — на одну позицію вправо, залишаючи масу незмінною. Таким чином, альфа-розпад, що супроводжується двома бета-розпадами, породжує елемент, що не відрізняється від материнського хімічно, проте має меншу атомну масу.

Сам термін "ізотоп", що з грецької можна перекласти як "в тому самому місці", Содді підказала шотландський фізик Маргарет Тодд під час бесіди, у якій той поділився з нею своїми ідеями.[1]

Пізніше були відкрито, що деякі нерадіоактивні елементи є сумішшю кількох стабільних ізотопів. Першим елементом, для якого були відкриті такі ізотопи був неон: у 1913 році Джозеф Томпсон показав, що у природному неоні присутні дві фракції з атомними масами 20 і 22. З розвитком мас-спектрометрії виявляти такі ізотопи стало простіше. У 1919 році Френсіс Астон відкрив велику кількість елементів, що мають кілька стабільних ізотопів. Крім того, Астон показав, що усі ізотопи мають атомні маси пропорційні до атомної маси водню, а елементи, атомна маса яких відхиляється від цього правила, є сумішами ізотопів. Наприклад, хлор у природі існує у вигляді двох ізотопів з масами 35 і 37, а його атомна маса, що вважалася рівною 35.45, насправді є середнім зваженим мас цих ізотопів (відповідно до їх часток у природному хлорі).[2]

І Фредерік Содді і Френсіс Астон за свої роботи з відкриття і дослідження ізотопів отримали нобелівські премії з хімії, у 1921 і 1922 році відповідно.[3]

У 1932 році був відкритий нейтрон, і згодом стало зрозуміло, що саме різна кількість нейтронів у ядрі відрізняє ізотопи один від одного. У 1934 році Фредерік та Ірен Жоліо-Кюрі виявили, що при бомбардуванні легких елементів альфа-частинками утворюються короткоживучі ізотопи деяких легких елементів, а розпад таких ізотопів іде по невідомому раніше каналу (β+), і супроводжується емісією позитронів[4]. В той же час Енріко Фермі показав, що опромінення стабільних елементів нейтронами призводить до їх захоплення ядрами, і утворення нових ізотопів цих же елементів. Усі ці явища отримали назву штучна радіоактивність. За допомогою таких методів фізики отримали можливість створювати велику кількість нестабільних ізотопів.

Стабільність[ред.ред. код]

Більшість відомих ізотопів нестабільні щодо радіоактивного розпаду. Характеристиками нестабільних ізотопів є період напіврозпаду та канал розпаду. Основними каналами розпаду є бета-радіоктивність та альфа-радіоктивність. При бета-розпаді ядро ізотопу випромінює електрон або позитрон, і, відповідно, або збільшує, або зменшує свій атомний номер. При альфа-розпаді, ядро ізотопу випромінює альфа-частинку, і відповідно, його атомний номер зменшується на двійку, а масове число на 4. Деякі ізотопи, наприклад, 235U, можуть ділитися.

Період напіврозпаду нестабільних ізотопів може бути дуже різним, від 1×10-24 c до значень, що перевищують вік Всесвіту. В останньому випадку слабку радіоативність можна зареєструвати точними вимірюваннями, однак ізотоп можна вважати практично стабільним.

В навколишній природі зустрічаються здебільшого стабільні ізотопи хімічних елементів, оскільки нестабільні врешті-решт розпадаються. Однак вони також і утворюються внаслідок ядерних реакцій.

Загалом, існує 254 стабільних ізотопа, що належать 81 елементу, при тому, що загалом відомо 3339 різних ізотопів[5]. З цих ізотопів, теоретично, лише 90 є повністю стабільними, а решта просто має дуже довгі періоди напіврозпаду, проте на практиці, їх розпад не спостерігався.

Розподіл елементів за кількістю стабільних ізотопів такий:[6]

  • 10 стабільних ізотопів — 1 елемент (олово)
  • 8 стабільних ізотопів — 1 елемент (ксенон)
  • 7 стабільних ізотопів у чотирьох елементів
  • 6 стабільних ізотопів мають вісім елементів
  • 5 стабільних ізотопів мають десять елементів
  • 4 стабільних ізотопи є у дев'яти елементів
  • три стабільні ізотопи є у п'яти елементів
  • 16 елементів мають два стабільні ізотопи, рахуючи метастабільний збуджений стан танталу-180m
  • 26 елементів представлені лише одним нуклідом

Розділення ізотопів[ред.ред. код]

У багатьох галузях використовуються речовини зі зміщеним ізотопним складом. В першу чергу це стосується урану, радіоактивний нуклід якого (з атомною масою 235), є вкрай вживаним у виробництві зброї, ядерній енергетиці, тощо. Загалом, проблема розділення ізотопів є вкрай складною, через те, що хімічно вони практично еквівалентні.

Існує дві великих групи методів розділення ізотопів: абсолютні методи, які дозволяють виділити ізотопи в чистому вигляді, а також методи, що лише збільшують концентрацію деякого нукліду.

До абсолютних методів відносять:

  • Електромагнітне розділення: суміш ізотопів випаровують і іонізують, прискорюють електричним полем, після чого запускають в камеру з магнітним полем, перпендикулярним напрямку руху іонів. Таким чином, відхилення окремих атомів у полі є пропорційним відношенню m/z (яке є різним для різних ізотопів), і суміш розділяється на окремі пучки ізотопів, що вловлюються і відокремлюються.
  • Лазерне розділення, що працює завдяки тому, що молекули, що містять різні ізотопи, збуджуються під дією світла різної частоти. Потім збуджені молекули відокремлюються електричним полем чи будь-яким іншим способом.

Проте, хоча абсолютне розділення здається більш ефективним, через велику вартість, в промислових масштабах воно використовується порівняно рідше. Натомість застосовується велика кількість методів, що ненабагато зміщує пропорції ізотопів у зразку. Для того, щоб отримати порівняно чистий ізотоп, ці методи треба застосовувати багато разів. Щоб оцінити ефективність розділення, використовується показник, що називається коефіцієнт сепарації, що розраховується як , де N1 і N2 — концентрації ізотопу, що виділяється, у збагаченій і у збідненій фракції. Серед методів такого типу можна відмітити такі[7]:

  • Газова дифузія: швидкості молекул легких ізотопів більші, ніж важких, тому при пропусканні через мембрану газу, що складається з суміші ізотопів, легкі ізотопи проходять швидше.
  • Термодифузія: при існуванні градієнту температури у рідині чи газі, атоми легких ізотопів частіше опиняються у більш теплих місцях, тому, у цих зонах їх концентрація підвищується.
  • Дистиляція: при переведені речовини у стан рівноваги між рідиною і парою, легкий ізотоп концентрується в парі.
  • Газові центрифуги: при розкрученні газової суміші ізотопів у центрифузі, легкі ізотопи концентруються біля осі.
  • Ізотопний обмін: при контакті двох різних сполук розділюваного елементу, що перебувають у різних фазах, різні ізотопи концентруються в різних фракціях,
  • Електроміграція іонів:при прикладенні електричного поля до розплаву або розчину, іони різних ізотопів рухаються з різною швидкістю.

В найкращих з цих методів, коефіцієнти розділення не перевищують відсотка, тому для ефективного збагачення, потрібно повторювати процес сотні або тисячі разів.[8]

Використання ізотопів[ред.ред. код]

Радіоізотопне датування[ред.ред. код]

Оскільки різні ізотопи мають різний період напіврозпаду, то, знаючи вихідну концентрацію ізотопів у речовині, замірявши її пізніше, можна дізнатися вік зразка. Найбільш відомим прикладом такого використання є радіовуглецевий метод: карбон-14 постійно утворюється в атмосфері під час реакції азоту з атмосферними променями, і розпадається з періодом напіврозпаду 5370 років. Ці протилежні процеси компенсують один одного, тому концентрація цього ізотопу в атмосфері є постійною. Допоки деякий організм живе, він постійно обмінюється вуглецем з навколишнім середовищем, тому та сама концентрація встановлюється і в ньому. Коли організм помирає, і процеси обміну речовин у ньому припиняються, доля карбону-14 у ньому починає зменшуватися, а доля карбону-12, відповідно, рости. Таким чином, вимірявши ці показники, можна доволі точно визначити, коли саме жив той чи інший організм. Зручність цього методу полягає в тому, що карбон входить у склад практично всіх організмів, тому такий метод є доволі універсальним. З іншого боку, через відносно короткий період напіврозпаду, радіовуглецевий метод може використовуватися лише для датування віку організмів, що не старіші за 120 000 років.

Мічені атоми[ред.ред. код]

Докладніше: Мічені атоми

Через хімічну нероздільність, радіоактивні ізотопи можуть використовуватися організмом (або брати участь у хімічних реакціях) так само, як і звичайні. Це дозволяє дуже точно спостерігати за шляхами метаболізму того чи іншого елементу (або речовини, деякі атоми якої замінені) у організмі. Ця методика є широко вживаною в біології, медицині і техніці.

Використання в кліматичних дослідженнях[ред.ред. код]

Природний кисень представлений двома стабільними ізотопами оксиген-16 і оксиген-18. Незважаючи на хімічну подібність, ізотопи трохи по різному беруть участь у таких процесах як випаровування і конденсація, тому концентрація оксигену-18 у океані залежить від клімату планети (а саме від розміру льодовиків). Цей факт використовують для того, щоб дізнатися кліматичні умови в далекому минулому — досліджуючи льодяні керни з полярних льодовиків, або визначаючи концентрацію цих ізотопів у мушлях скам'янілостей. [9]

Ядерна енергетика і зброя[ред.ред. код]

Докладніше: Ядерна енергетика
Докладніше: Ядерна зброя

На відміну від урану-238, в урані-235 можлива самопідтримувана ланцюгова реакція. Це найбільш розповсюджений у природі ізотоп, що має такі властивості, через що саме він використовується при виробництві ядерної зброї, а також в атомних реакторах. При цьому його концентрація в природному урані становить лише 0,72%, тому дуже важливим є питання розділення ізотопів.

Ядерний магнітний резонанс[ред.ред. код]

У медицині, на використанні явища ядерного магнітного резонансу побудовані кілька важливих діагностичних технік, таких як ЯМР-спектроскопія і магнітно-резонансна томографія. Проте, ядерний магнітний резонанс виникає за рахунок магнітних властивостей ядра, а тому, такі методики працюють лише для ядер, що мають нецілий спін. Таким чином, лише ізотопи з непарним числом нуклонів можуть використовуватися для цього.[10]

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

Джерела[ред.ред. код]

  • Деркач Ф. А. Хімія : посібник для вступ. до вузів / Ф. А. Деркач. — Л. : Видавництво Львівського університету, 1968. — 312 с.
  • Глосарій термінів з хімії // Й. Опейда, О. Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Донецьк : Вебер, 2008. — 758 с. — ISBN 978-966-335-206-0

Посилання[ред.ред. код]