Изотопы - разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа.

Термин изотоп формируется из греческих корней isos (ἴσος «equal») и topos (τόπος «место»), что означает «то же место»; Таким образом, смысл имени заключается в том, что разные изотопы одного элемента занимают одинаковое положение в периодической таблице.

Три естественных изотопа водорода. Тот факт, что каждый изотоп имеет один протон, имеет варианты водорода: тождество изотопа определяется числом нейтронов. Слева направо изотопы представляют собой протий (1H) с нулевыми нейтронами, дейтерий (2H) с одним нейтроном и тритий (3H) с двумя нейтронами.

Число протонов в ядре атома называется атомным числом и равно числу электронов в нейтральном (неионизированном) атоме. Каждое атомное число идентифицирует конкретный элемент, но не изотоп; Атом данного элемента может иметь широкий диапазон по числу нейтронов. Число нуклонов (как протонов, так и нейтронов) в ядре — это массовое число атома, и каждый изотоп данного элемента имеет разное массовое число.

Например, углерод-12, углерод-13 и углерод-14 представляют собой три изотопа элементарного углерода с массовыми числами 12, 13 и 14 соответственно. Атомный номер углерода равен 6, что означает, что каждый атом углерода имеет 6 протонов, так что нейтронные числа этих изотопов составляют 6, 7 и 8 соответственно.

Н уклиды и изотопы

Нуклид относится к ядру, а не к атому. Идентичные ядра принадлежат одному нуклиду, например, каждое ядро ​​нуклида углерод-13 состоит из 6 протонов и 7 нейтронов. Концепция нуклидов (относящаяся к отдельным ядерным видам) подчеркивает ядерные свойства по сравнению с химическими свойствами, тогда как изотопная концепция (группирующая все атомы каждого элемента) подчеркивает химическую реакцию над ядерной. Нейтронное число оказывает большое влияние на свойства ядер, но его влияние на химические свойства пренебрежимо мало для большинства элементов. Даже в случае самых легких элементов, где отношение количества нейтронов к атомному номеру изменяется в наибольшей степени между изотопами, оно обычно имеет лишь незначительный эффект, хотя это имеет значение в некоторых случаях (для водорода, самого легкого элемента, изотопный эффект является большим Чтобы сильно повлиять на биологию). Поскольку изотоп — это более древний термин, он лучше известен, чем нуклид, и до сих пор иногда используется в контекстах, где нуклид может быть более подходящим, например, ядерные технологии и ядерная медицина.

Обозначения

Изотоп или нуклид определяется по имени конкретного элемента (это указывает номер атома), за которым следует дефис и массовое число (например, гелий-3, гелий-4, углерод-12, углерод-14, уран-235 и Уран-239). Когда используется химический символ, например. «C» для углерода, стандартная нотация (теперь известная как «AZE-нотация», потому что A — это массовое число, Z — атомный номер и E для элемента) — указать массовое число (число нуклонов) с верхним индексом в верхней Слева от химического символа и указать атомный номер с нижним индексом в левом нижнем углу). Поскольку атомный номер задается символом элемента, обычно указывается только массовое число в верхнем индексе и не указывается индекс атома. Букву m иногда присоединяют после массового числа, чтобы указать ядерный изомер, метастабильное или энергетически-возбужденное ядерное состояние (в отличие от основного состояния с наименьшей энергией), например, 180м 73Ta (тантал-180м).

Радиоактивные, первичные и стабильные изотопы

Некоторые изотопы являются радиоактивными и поэтому называются радиоизотопами или радионуклидами, тогда как другие никогда не наблюдались для радиоактивного распада и называются стабильными изотопами или стабильными нуклидами. Например, 14 С представляет собой радиоактивную форму углерода, тогда как 12 С и 13 С являются стабильными изотопами. На Земле существует около 339 естественных нуклидов, из которых 286 являются первичными нуклидами, что означает, что они существуют с момента образования Солнечной системы.

Первоначальные нуклиды включают 32 нуклида с очень большим периодом полураспада (более 100 миллионов лет) и 254, которые формально считаются «стабильными нуклидами», поскольку они не наблюдались для распада. В большинстве случаев, по очевидным причинам, если элемент имеет стабильные изотопы то эти изотопы преобладают в элементарной распространенности, обнаруженной на Земле и в Солнечной системе. Однако в случае трех элементов (теллур, индий и рений) наиболее распространенным изотопом, обнаруженным в природе, является фактически один (или два) чрезвычайно долгоживущий радиоизотоп(ы) элемента, несмотря на то, что эти элементы имеют один или более устойчивых изотопов.

Теория предсказывает, что многие, по-видимому, «стабильные» изотопы / нуклиды являются радиоактивными, с чрезвычайно длинными периодами полураспада (не учитывая возможность распада протонов, что сделает все нуклиды в конечном итоге неустойчивыми). Из 254 нуклидов, которые никогда не наблюдались, только 90 из них (все из первых 40 элементов) теоретически устойчивы ко всем известным формам распада. Элемент 41 (ниобий) теоретически нестабилен спонтанным делением, но это никогда не было обнаружено. Многие другие устойчивые нуклиды в теории энергетически восприимчивы к другим известным формам распада, таким как альфа-распад или двойной бета-распад, но продукты распада еще не наблюдались, и поэтому считается, что эти изотопы являются «стабильными по наблюдениям». Прогнозируемые периоды полураспада для этих нуклидов часто значительно превышают расчетный возраст Вселенной, и на самом деле существует также 27 известных радионуклидов с периодами полураспада, превышающими возраст Вселенной.

Радиоактивные нуклиды, созданные искусственно, в настоящее время их известно 3 339 нуклидов. К ним относятся 905 нуклидов, которые либо стабильны, либо имеют периоды полувыведения более 60 минут.

Свойства изотопов

Химические и молекулярные свойства

Нейтральный атом имеет такое же число электронов, как и протоны. Таким образом, разные изотопы данного элемента имеют одинаковое число электронов и имеют сходную электронную структуру. Поскольку химическое поведение атома в значительной степени определяется его электронной структурой, различные изотопы демонстрируют почти идентичное химическое поведение.

Исключением из этого является кинетический изотопный эффект: из-за их больших масс более тяжелые изотопы имеют тенденцию реагировать несколько медленнее, чем более легкие изотопы того же элемента. Это наиболее ярко выражено для протия (1 H), дейтерия (2 H) и трития (3 H), так как дейтерий имеет в два раза больше массы протия, а тритий имеет в три раза больше массы протия. Эти различия в массе также влияют на поведение их соответствующих химических связей, изменяя центр тяжести (уменьшенную массу) атомных систем. Однако для более тяжелых элементов относительная разность масс между изотопами намного меньше, так что эффекты разности масс в химии обычно незначительны. (Тяжелые элементы также имеют относительно больше нейтронов, чем более легкие элементы, поэтому отношение массы ядра к совокупной электронной массе несколько больше).

Аналогично, две молекулы, которые отличаются только изотопами их атомов (изотопологи), имеют одинаковую электронную структуру и следовательно почти неразличимые физические и химические свойства (опять же с первичными исключениями являются дейтерий и тритий). Колебательные моды молекулы определяются ее формой и массами составляющих ее атомов; Поэтому разные изотопологи имеют разные наборы вибрационных мод. Поскольку колебательные моды позволяют молекуле поглощать фотоны соответствующих энергий, изотопологи имеют различные оптические свойства в инфракрасном диапазоне.

Ядерные свойства и стабильность

Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, связанных друг с другом остаточной сильной силой. Поскольку протоны заряжены положительно, они отталкивают друг друга. Нейтроны, которые электрически нейтральны, стабилизируют ядро ​​двумя способами. Их соприкосновение немного отодвигает протоны, уменьшая электростатическое отталкивание между протонами, и они оказывают привлекательную ядерную силу друг на друга и на протоны. По этой причине один или несколько нейтронов необходимы для того, чтобы два или более протона связывались с ядром. По мере увеличения числа протонов увеличивается и отношение нейтронов к протонам, необходимое для обеспечения стабильного ядра (см. график справа). Например, хотя отношение нейтрон: протон 3 2 He составляет 1:2, отношение нейтрон: протон 238 92 U
Больше 3:2. Ряд более легких элементов имеет устойчивые нуклиды с отношением 1:1 (Z = N). Нуклид 40 20 Ca (кальций-40) является наблюдательным самым тяжелым стабильным нуклидом с таким же числом нейтронов и протонов; (Теоретически, самый тяжелый стабильный — это сера-32). Все стабильные нуклиды, более тяжелые, чем кальций-40, содержат больше нейтронов, чем протоны.

Число изотопов на один элемент

Из 81 элемента со стабильными изотопами, наибольшее число стабильных изотопов наблюдаемыми для любого элемента составляет десять (для элемента олова). Ни один элемент не имеет девять стабильных изотопов. Ксенон — единственный элемент с восемью стабильными изотопами. Четыре элемента имеют семь стабильных изотопов, восемь из которых имеют шесть стабильных изотопов, десять имеют пять стабильных изотопов, девять имеют четыре стабильных изотопа, пять имеют три стабильных изотопа, 16 имеют два стабильных изотопа, а 26 элементов имеют только один (Из них 19 являются так называемыми мононуклидными элементами, имеющими единственный примордиальный стабильный изотоп, который доминирует и фиксирует атомный вес естественного элемента с высокой точностью, 3 также присутствуют радиоактивные мононуклидные элементы). В общей сложности имеется 254 нуклидов, которые не наблюдались для распада. Для 80 элементов, которые имеют один или более стабильных изотопов, среднее число стабильных изотопов составляет 254/80 = 3,2 изотопов на элемент.

Четные и нечетные числа нуклонов

Протоны: отношение нейтронов не является единственным фактором, влияющим на ядерную стабильность. Это зависит также от четности или нечетности его атомного номера Z, числа нейтронов N, следовательно их суммы массового числа A. Нечетные как Z так и N имеет тенденцию к снижению ядерной энергии связи, создавая нечетные ядра, как правило менее стабильные. Это значимое различие ядерной энергии связи между соседними ядрами, особенно нечетные изобары, имеют важные последствия: неустойчивые изотопы с неоптимальным числом нейтронов или протонов распадаются на бета-распад (включая позитронный распад), захват электронов или другие экзотические средства, такое как спонтанное деление и распад кластеров.

Большинство устойчивых нуклидов являются четным числом протоннов и четным числом нейтронов, где все числа Z, N и A четные. Нечетные стабильные нуклиды делятся (примерно равномерно) на нечетные.

Атомный номер

148 четных протонных, четных нейтронов (ЭЭ) нуклидов составляют ~ 58% всех стабильных нуклидов. Имеются также 22 первичных долгоживущих четных нуклида. В результате каждый из 41 четных элементов от 2 до 82 имеет по крайней мере один стабильный изотоп, и большинство из этих элементов имеют несколько первичных изотопов. Половина этих четных элементов имеет шесть или более стабильных изотопов. Крайняя стабильность гелия-4 из-за двойного соединения двух протонов и двух нейтронов предотвращает существование любых нуклидов, содержащих пять или восемь нуклонов, достаточно долго, чтобы служить платформами для накопления более тяжелых элементов посредством ядерного синтеза.

Эти 53 стабильных нуклида имеют четное число протонов и нечетное число нейтронов. Они являются меньшинством по сравнению с четными изотопами, которые примерно в 3 раза многочисленны. Среди 41 четно-Z элементов, которые имеют стабильный нуклид, только два элемента (аргон и церий) не имеют четных нечетных устойчивых нуклидов. Один элемент (олово) имеет три. Имеется 24 элемента, которые имеют один четно-нечетный нуклид и 13, которые имеют два нечетно-четных нуклида.

Из-за их нечетных нейтронных чисел, четно-нечетные нуклиды имеют тенденцию иметь большие сечения захвата нейтронов из-за энергии, которая возникает из-за эффектов соединения нейтронов. Эти стабильные нуклиды могут быть необычными по обилию в природе, в основном потому что для образования и вступления в первобытное обилие они должны избежать захвата нейтронов, чтобы образовать еще другие стабильные четно-нечетные изотопы в течение, как s — процесс и r — процесс захвата нейтронов при нуклеосинтезе.

Нечетный атомный номер

48 стабильных нечетно-протонных и четно-нейтронных нуклидов, стабилизированных их четным числом спаренных нейтронов, образуют большинство стабильных изотопов нечетных элементов; Очень немногие нечетные-протон-нечетные нейтронные нуклиды составляют другие. Есть 41 нечетных элементов с Z = 1 по 81, из которых 39 имеют стабильные изотопы (у элементов технеция (43 Tc) и прометия (61 Pm) нет стабильных изотопов). Из этих 39 нечетных Z элементов 30 элементов (включая водород-1, где 0 нейтронов четный) имеют один стабильный четно-нечетный изотоп, а девять элементов: хлор (17 Cl), калий (19K), медь (29 Cu), галлий (31 Ga), Бром (35 Br), серебро (47 Ag), сурьма (51 Sb), иридий (77 Ir) и таллий (81 Tl) имеют по два нечетно-четных стабильных изотопа. Таким образом получается 30 + 2 (9) = 48 стабильных четно-четных изотопов.

Только пять устойчивых нуклидов содержат как нечетное число протонов, так и нечетное число нейтронов. Первые четыре «нечетно-нечетных» нуклида происходят в низкомолекулярных нуклидах, для которых изменение протона на нейтрон или наоборот приведет к очень однобокому соотношению протон-нейтрон.

Единственной полностью «стабильной», нечетно-нечетным нуклидом является 180m 73 Ta, который считается самым редким из 254 стабильных изотопов и является единственным изначальным ядерным изомером, который еще не наблюдался до распада, несмотря на экспериментальные попытки.

Нечетное число нейтронов

Актиниды с нечетным числом нейтронов, как правило, делятся (с тепловыми нейтронами), в то время как с четным нейтронным числом, как правило, нет, хотя они делятся на быстрые нейтроны. Все наблюдательно устойчивые нечетно-нечетные нуклиды имеют ненулевой целочисленный спин. Это объясняется тем, что одиночный неспаренный нейтронный и неспаренный протон имеют большее притяжение ядерной силы друг к другу, если их спины выровнены (производя полный спин по крайней мере на 1 единицу), а не выровнены.

Возникновение в природе

Элементы состоят из одного или более естественных изотопов. Нестабильные (радиоактивные) изотопы являются либо первичными, либо постпримерными. Изначальные изотопы были продуктом звездного нуклеосинтеза или другого типа нуклеосинтеза, такого как расщепление космических лучей, и сохранялись вплоть до настоящего времени, потому что их скорость распада настолько низкая (например, уран-238 и калий-40). Постприродные изотопы были созданы путем бомбардировки космическими лучами как космогенные нуклиды (например, тритий, углерод-14) или распад радиоактивного первичного изотопа на дочь радиоактивного радиогенного нуклида (например, от урана до радия). Несколько изотопов естественным образом синтезируются как нуклеогенные нуклиды, другими естественными ядерными реакциями, например, когда нейтроны от естественного деления ядер поглощаются другим атомом.

Как обсуждалось выше, только 80 элементов имеют стабильные изотопы, а 26 из них имеют только один стабильный изотоп. Таким образом, около двух третей стабильных элементов происходят естественным образом на Земле в нескольких стабильных изотопах, причем наибольшее число стабильных изотопов для элемента составляет десять, для олова (50Sn). На Земле существует около 94 элементов (до плутония включительно), хотя некоторые обнаружены только в очень малых количествах, таких как плутоний-244. Ученые считают, что элементы, которые происходят естественным образом на Земле (некоторые только как радиоизотопы), встречаются в виде 339 изотопов (нуклидов) в целом. Только 254 из этих естественных изотопов устойчивы в том смысле, что на сегодняшний день их не наблюдали. Еще 35 первичных нуклидов (в сумме 289 первичных нуклидов) являются радиоактивными с известными периодами полураспада, но имеют периоды полураспада более 80 миллионов лет, что позволяет им существовать с начала Солнечной системы.

Все известные стабильные изотопы естественным образом происходят на Земле; Другие природные изотопы являются радиоактивными, но из-за их относительно длительного периода полураспада или же из-за других способов непрерывного естественного производства. К ним относятся упомянутые выше космогенные нуклиды, нуклеогенные нуклиды и любые радиогенные изотопы, образующиеся в результате продолжающегося распада первичного радиоактивного изотопа, такого как радон и радий из урана.

В ядерных реакторах и ускорителях частиц созданы еще ~ 3000 радиоактивных изотопов, не обнаруженных в природе. Многие короткоживущие изотопы, не найденные естественным путем на Земле, также наблюдались спектроскопическим анализом, естественно создаваемым в звездах или сверхновых. Примером может служить алюминий-26, который, естественно, не встречается на Земле, но встречается в изобилии в астрономических масштабах.

Табулированные атомные массы элементов представляют собой средние величины, которые объясняют наличие множественных изотопов с различными массами. До открытия изотопов эмпирически определенные неинтегрированные значения атомной массы путали ученых. Например, образец хлора содержит 75,8% хлора-35 и 24,2% хлора-37, что дает среднюю атомную массу 35,5 атомных единиц массы.

Согласно общепринятой теории космологии, только изотопы водорода и гелия, следы некоторых изотопов лития и бериллия и возможно, некоторые боры, были созданы при Большом взрыве, а все остальные изотопы были синтезированы позже, в звездах и сверхновых звездах, а также в Взаимодействия между энергичными частицами, такими как космические лучи, и ранее полученными изотопами. Соответствующее изотопное содержание изотопов на Земле обусловлено величинами, образованными этими процессами, их распространением через галактику и скоростью распада изотопов, которые являются неустойчивыми. После первоначального слияния Солнечной системы изотопы были перераспределены в соответствии с массой и изотопный состав элементов слегка меняется от планеты к планете. Это иногда позволяет проследить происхождение метеоритов.

Атомная масса изотопов

Атомная масса (mr) изотопа определяется главным образом его массовым числом (т. е. Числом нуклонов в его ядре). Небольшие поправки обусловлены энергией связи ядра, небольшим различием в массе между протоном и нейтроном и массой электронов, связанных с атомом.

Массовое число — безразмерная величина. Атомная масса, с другой стороны, измеряется с использованием единицы атомной массы, основанной на массе атома углерода-12. Он обозначается символами «u» (для унифицированной атомной единицы массы) или «Da» (для дальтона).

Атомные массы естественных изотопов элемента определяют атомную массу элемента. Когда элемент содержит N изотопов, нижеприведенное выражение применяется для средней атомной массы:

Где m 1 , m 2 , …, mN — атомные массы каждого отдельного изотопа, а x 1 , …, xN — относительное обилие этих изотопов.

Применение изотопов

Существует несколько приминений, которые используют свойства различных изотопов данного элемента. Разделение изотопов является важной технологической проблемой, особенно с тяжелыми элементами, такими как уран или плутоний. Более легкие элементы, такие как литий, углерод, азот и кислород, обычно разделяются газовой диффузией их соединений, таких как СО и NO. Разделение водорода и дейтерия необычно, поскольку оно основано на химических, а не физических свойствах, например, в сульфидном процессе Гирдлера. Изотопы урана были разделены по объему путем диффузии газов, газового центрифугирования, лазерного ионизационного разделения и (в Манхэттенском проекте) по типу масс-спектрометрии производства.

Использование химических и биологических свойств

• Изотопный анализ — это определение изотопной сигнатуры, относительной распространенности изотопов данного элемента в конкретном образце. Для биогенных веществ, в частности, могут иметь место существенные изменения изотопов С, N и О. Анализ таких вариаций имеет широкий спектр применений, таких как обнаружение фальсификации в пищевых продуктах или географическое происхождение продуктов с использованием изоскапий. Идентификация некоторых метеоритов, возникших на Марсе, основана частично на изотопной сигнатуре содержащихся в них следовых газов.
• Изотопическое замещение может быть использовано для определения механизма химической реакции посредством кинетического изотопного эффекта.
• Другим распространенным применением является изотопная маркировка, использование необычных изотопов в качестве индикаторов или маркеров в химических реакциях. Обычно атомы данного элемента неотличимы друг от друга. Однако, используя изотопы разных масс, даже различные нерадиоактивные стабильные изотопы можно отличить с помощью масс-спектрометрии или инфракрасной спектроскопии. Например, при «стабильном маркировании изотопов аминокислотами в культуре клеток» (SILAC), стабильные изотопы используются для количественного определения белков. Если используются радиоактивные изотопы, они могут быть обнаружены излучаемым ими излучением (это называется радиоизотопным маркированием).
• Изотопы обычно используются для определения концентрации различных элементов или веществ с использованием метода изотопного разбавления, при котором известные количества изотопически замещенных соединений смешиваются с образцами, и изотопные характеристики полученных смесей определяются с помощью масс-спектрометрии.

Использование ядерных свойств

• Методом, подобным радиоизотопному меток, является радиометрическое датирование: с использованием известного периода полураспада неустойчивого элемента можно вычислить время, прошедшее с момента существования известной концентрации изотопа. Наиболее широко известный пример — радиоуглеродная датировка, используемая для определения возраста углеродистых материалов.
• Некоторые формы спектроскопии основаны на уникальных ядерных свойствах конкретных изотопов, как радиоактивных, так и стабильных. Например, спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) может быть использована только для изотопов с отличным от нуля ядерным спином. Наиболее распространенными изотопами, используемыми при ЯМР-спектроскопии, являются 1 H, 2 D, 15 N, 13 C и 31 P.
• Мессбауэровская спектроскопия также опирается на ядерные переходы конкретных изотопов, таких как 57 Fe.

Содержание статьи

ИЗОТОПЫ –разновидности одного и того же химического элемента, близкие по своим физико-химическим свойствам, но имеющие разную атомную массу. Название «изотопы» было предложено в 1912 английским радиохимиком Фредериком Содди , который образовал его из двух греческих слов: isos – одинаковый и topos – место. Изотопы занимают одно и то же место в клетке периодической системы элементов Менделеева.

Атом любого химического элемента состоит из положительно заряженного ядра и окружающего его облака отрицательно заряженных электронов. Положение химического элемента в периодической системе Менделеева (его порядковый номер) определяется зарядом ядра его атомов. Изотопами называются поэтому разновидности одного и того же химического элемента, атомы которых имеют одинаковый заряд ядра (и, следовательно, практически одинаковые электронные оболочки), но отличаются значениями массы ядра. По образному выражению Ф.Содди, атомы изотопов одинаковы «снаружи», но различны «внутри».

В 1932 был открыт нейтрон – частица, не имеющая заряда, с массой, близкой к массе ядра атома водорода – протона, и создана протонно-нейтронная модель ядра. В результате в науке установилось окончательное современное определение понятия изотопов: изотопы – это вещества, ядра атомов которых состоят из одинакового числа протонов и отличаются лишь числом нейтронов в ядре. Каждый изотоп принято обозначать набором символов , где X – символ химического элемента, Z – заряд ядра атома (число протонов), А – массовое число изотопа (общее число нуклонов – протонов и нейтронов в ядре, A = Z + N). Поскольку заряд ядра оказывается однозначно связанным с символом химического элемента, часто для сокращения используется просто обозначение A X.

Из всех известных нам изотопов только изотопы водорода имеют собственные названия. Так, изотопы 2 H и 3 H носят названия дейтерия и трития и получили обозначения соответственно D и T (изотоп 1 H называют иногда протием).

В природе встречаются как стабильные изотопы, так и нестабильные – радиоактивные, ядра атомов которых подвержены самопроизвольному превращению в другие ядра с испусканием различных частиц (или процессам так называемого радиоактивного распада). Сейчас известно около 270 стабильных изотопов, причем стабильные изотопы встречаются только у элементов с атомным номером Z Ј 83. Число нестабильных изотопов превышает 2000, подавляющее большинство их получено искусственным путем в результате осуществления различных ядерных реакций. Число радиоактивных изотопов у многих элементов очень велико и может превышать два десятка. Число стабильных изотопов существенно меньше, Некоторые химические элементы состоят лишь из одного стабильного изотопа (бериллий, фтор, натрий, алюминий, фосфор, марганец, золото и ряд других элементов). Наибольшее число стабильных изотопов – 10 обнаружено у олова, у железа, например, их – 4, у ртути – 7.

Открытие изотопов, историческая справка.

В 1808 английский ученый натуралист Джон Дальтон впервые ввел определение химического элемента как вещества, состоящего из атомов одного вида. В 1869 химиком Д.И.Менделеевым была открыт периодический закон химических элементов. Одна из трудностей в обосновании понятия элемента как вещества, занимающего определенное место в клетке периодической системы, заключалась в наблюдаемой на опыте нецелочисленности атомных весов элементов. В 1866 английский физик и химик – сэр Вильям Крукс выдвинул гипотезу, что каждый природный химический элемент представляет собой некоторую смесь веществ, одинаковых по своим свойствам, но имеющих разные атомные масс, однако в то время такое предположение не имело еще экспериментального подтверждения и поэтому прошло мало замеченным.

Важным шагом на пути к открытию изотопов стало обнаружение явления радиоактивности и сформулированная Эрнстом Резерфордом и Фредериком Содди гипотеза радиоактивного распада:радиоактивность есть не что иное, как распад атома на заряженную частицу и атом другого элемента, по своим химическим свойствам отличающийся от исходного. В результате возникло представление о радиоактивных рядах или радиоактивных семействах, в начале которых есть первый материнский элемент, являющийся радиоактивным, и в конце – последний стабильный элемент. Анализ цепочек превращений показал, что в их ходе в одной клеточке периодической системы могут оказываться одни и те же радиоактивные элементы, отличающиеся лишь атомными массами. Фактически это и означало введение понятия изотопов.

Независимое подтверждение существования стабильных изотопов химических элементов было затем получено в экспериментах Дж. Дж. Томсона и Астона в 1912–1920 с пучками положительно заряженных частиц (или так называемых каналовых лучей) , выходящих из разрядной трубки.

В 1919 Астон сконструировал прибор, названный масс-спектрографом (или масс-спектрометром). В качестве источника ионов по-прежнему использовалась разрядная трубка, однако Астон нашел способ, при котором последовательное отклонение пучка частиц в электрическом и магнитном полях приводило к фокусировке частиц с одинаковым значением отношения заряда к массе (независимо от их скорости) в одной и той же точке на экране. Наряду с Астоном масс-спектрометр несколько другой конструкции в те же годы был создан американцем Демпстером. В результате последующего использования и усовершенствования масс-спектрометров усилиями многих исследователей к 1935 году была составлена почти полная таблица изотопных составов всех известных к тому времени химических элементов.

Методы разделения изотопов.

Для изучения свойств изотопов и особенно для их применения в научных и прикладных целях требуется их получение в более или менее заметных количествах. В обычных масс-спектрометрах достигается практически полное разделение изотопов, однако количество их ничтожно мало. Поэтому усилия ученых и инженеров были направлены на поиски других возможных методов разделения изотопов. В первую очередь были освоены физико-химические методы разделения, основанные на различиях в таких свойствах изотопов одного итого же элемента, как скорости испарения, константы равновесия, скорости химических реакций и т.п. Наиболее эффективными среди них оказались методы ректификации и изотопного обмена, которые нашли широкое применение в промышленном производстве изотопов легких элементов: водорода, лития, бора, углерода, кислорода и азота.

Другую группу методов образуют так называемые молекулярно-кинетические методы: газовая диффузия, термодиффузия, масс-диффузия (диффузия в потоке пара), центрифугирование. Методы газовой диффузии, основанные на различной скорости диффузии изотопных компонентов в высокодисперсных пористых средах, были использованы в годы второй мировой войны при организации промышленного производства разделения изотопов урана в США в рамках так называемого Манхэттенского проекта по созданию атомной бомбы. Для получения необходимых количеств урана, обогащенного до 90% легким изотопом 235 U – главной «горючей» составляющей атомной бомбы, были построены заводы, занимавшие площади около четырех тысяч гектар. На создание атомного центра с заводами для получения обогащенного урана было ассигновано более 2-х млрд. долл. После войны в СССР были разработать и построены заводы по производству обогащенного урана для военных целей, также основанные на диффузионном методе разделения. В последние годы этот метод уступил место более эффективному и менее затратному методу центрифугирования. В этом методе эффект разделения изотопной смеси достигается за счет различного действия центробежных сил на компоненты изотопной смеси, заполняющей ротор центрифуги, который представляет собой тонкостенный и ограниченный сверху и снизу цилиндр, вращающийся с очень высокой скоростью в вакуумной камере. Сотни тысяч соединенных в каскады центрифуг, ротор каждой из которых совершает более тысячи оборотов в секунду, используются в настоящее время на современных разделительных производствах как в России, так и в других развитых странах мира. Центрифуги используются не только для получения обогащенного урана, необходимого для обеспечения работы ядерных реакторов атомных электростанций, но и для производства изотопов примерно тридцати химических элементов средней части периодической системы. Для разделения различных изотопов используются также установки электромагнитного разделения с мощными источниками ионов, в последние годы получили распространение также лазерные методы разделения.

Применение изотопов.

Разнообразные изотопы химических элементов находят широкое применение в научных исследованиях, в различных областях промышленности и сельского хозяйства, в ядерной энергетике, современной биологии и медицине, в исследованиях окружающей среды и других областях. В научных исследованиях (например, в химическом анализе) требуются, как правило, небольшие количества редких изотопов различных элементов, исчисляемые граммами и даже миллиграммами в год. Вместе с тем, для ряда изотопов, широко используемых в ядерной энергетике, медицине и других отраслях, потребность в их производстве может составлять многие килограммы и даже тонны. Так, в связи с использованием тяжелой воды D 2 O в ядерных реакторах ее общемировое производство к началу 1990-х прошлого века составляло около 5000 т в год. Входящий в состав тяжелой воды изотоп водорода дейтерий, концентрация которого в природной смеси водорода составляет всего 0,015%, наряду с тритием станет в будущем, по мнению ученых, основным компонентом топлива энергетических термоядерных реакторов, работающих на основе реакций ядерного синтеза. В этом случае потребность в производстве изотопов водорода окажется огромной.

В научных исследованиях стабильные и радиоактивные изотопы широко применяются в качестве изотопных индикаторов (меток) при изучении самых различных процессов, происходящих в природе.

В сельском хозяйстве изотопы («меченые» атомы) применяются, например, для изучения процессов фотосинтеза, усвояемости удобрений и для определения эффективности использования растениями азота, фосфора, калия, микроэлементов и др. веществ.

Изотопные технологии находят широкое применение в медицине. Так в США, согласно статистическим данным, проводится более 36 тыс. медицинских процедур в день и около 100 млн. лабораторных тестов с использованием изотопов. Наиболее распространены процедуры, связанные с компьютерной томографией. Изотоп углерода C 13 , обогащенный до 99% (природное содержание около 1%), активно используется в так называемом «диагностическом контроле дыхания». Суть теста очень проста. Обогащенный изотоп вводится в пищу пациента и после участия в процессе обмена веществ в различных органах тела выделяется в виде выдыхаемого пациентом углекислого газа СО 2 , который собирается и анализируется с помощью спектрометра. Различие в скоростях процессов, связанных с выделением различных количеств углекислого газа, помеченных изотопом С 13 , позволяют судить о состоянии различных органов пациента. В США число пациентов, которые будут проходить этот тест, оценивается в 5 млн. человек в год. Сейчас для производства высоко обогащенного изотопа С 13 в промышленных масштабах используются лазерные методы разделения.

Владимир Жданов

Изучая явление радиоактивности, ученые в первое десятилетие XX в. открыли большое количество радиоактивных веществ - около 40. Их было значительно больше, чем свободных мест в периодической системе элементов в промежутке между висмутом и ураном. Природа этих веществ вызывала споры. Одни исследователи считали их самостоятельными химическими элементами, но в таком случае оказывался неразрешимым вопрос об их размещении в таблице Менделеева. Другие вообще отказывали им в праве называться элементами в классическом понимании. В 1902 г. английский физик Д. Мартин назвал такие вещества радиоэлементами. По мере их изучения выяснилось, что некоторые радиоэлементы имеют совершенно одинаковые химические свойства, но различаются по величинам атомных масс. Это обстоятельство противоречило основным положениям периодического закона. Разрешил противоречие английский ученый Ф. Содди. В 1913 г. он назвал химически сходные радиоэлементы изотопами (от греческих слов, означающих «одинаковый» и «место»), т. е. занимающими одно и то же место в периодической системе. Радиоэлементы оказались изотопами естественных радиоактивных элементов. Все они объединяются в три радиоактивных семейства, родоначальниками которых являются изотопы тория и урана.

Изотопы кислорода. Изобары калия и аргона (изобары - атомы различных элементов с одинаковым массовым числом).

Число стабильных изотопов для четных и нечетных элементов.

Вскоре выяснилось, что и у остальных стабильных химических элементов тоже есть изотопы. Основная заслуга в их открытии принадлежит английскому физику Ф. Астону. Он обнаружил стабильные изотопы у многих элементов.

С современной точки зрения изотопы - это разновидности атомов химического элемента: у них разная атомная масса, но одинаковый заряд ядра.

Их ядра, таким образом, содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. Например, природные изотопы кислорода с Z = 8 содержат в ядрах соответственно 8, 9 и 10 нейтронов. Сумма чисел протонов и нейтронов в ядре изотопа называется массовым числом A. Следовательно, массовые числа указанных изотопов кислорода 16, 17 и 18. Ныне принято такое обозначение изотопов: слева внизу от символа элемента дается величина Z, слева вверху - величина A. Например: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

После открытия явления искусственной радиоактивности с помощью ядерных реакций было получено около 1800 искусственных радиоактивных изотопов для элементов с Z от 1 до 110. У подавляющего большинства искусственных радиоизотопов очень малые периоды полураспада, измеряемые секундами и долями секунд; лишь немногие имеют сравнительно большую продолжительность жизни (например, 10 Ве - 2,7 10 6 лет, 26 Al - 8 10 5 лет и т. д.).

Стабильные элементы представлены в природе примерно 280 изотопами. Однако некоторые из них оказались в слабой степени радиоактивными, с огромными периодами полураспада (например, 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Продолжительность жизни этих изотопов столь велика, что позволяет рассматривать их как стабильные.

В мире стабильных изотопов еще немало проблем. Так, неясно, почему их количество у разных элементов столь сильно различается. Около 25% стабильных элементов (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) представлены в природе лишь одним видом атомов. Это так называемые элементы-одиночки. Интересно, что все они (кроме Be) имеют нечетные значения Z. И вообще для нечетных элементов число стабильных изотопов не превышает двух. Напротив, некоторые элементы с четными Z состоят из большого числа изотопов (например, Xe имеет 9, Sn - 10 стабильных изотопов).

Совокупность стабильных изотопов у данного элемента называют плеядой. Содержание их в плеяде нередко сильно колеблется. Интересно отметить, что больше всего содержание изотопов с величинами массовых чисел, кратными четырем (12 C, 16 O, 20 Ca и т. д.), хотя есть и исключения из этого правила.

Отрытие стабильных изотопов позволило разгадать многолетнюю загадку атомных масс - их отклонение от целых чисел, объясняющееся различным процентным содержанием стабильных изотопов элементов в плеяде.

В ядерной физике известно понятие «изобары». Изобарами называют изотопы различных элементов (т. е. с разными значениями Z), имеющие одинаковые массовые числа. Изучение изобаров способствовало установлению многих важных закономерностей поведения и свойств атомных ядер. Одну из таких закономерностей выражает правило, сформулированное советским химиком С. А. Щукаревым и иемецким физиком И. Маттаухом. Оно гласит: если лва изобара различаются по значениям Z на 1, то один из них обязательно будет радиоактивным. Классический пример пары изобаров - 40 18 Ar - 40 19 K. В ней изотоп калия радиоактивен. Правило Щукарева - Маттауха позволило объяснить, почему отсутствуют стабильные изотопы у элементов технеция (Z = 43) и прометия (Z = 61). Поскольку они имеют нечетные значения Z, то нельзя было для них ожидать более двух стабильных изотопов. Но оказалось, что изобары технеция и прометия, соответственно изотопы молибдена (Z = 42) и рутения (Z = 44), неодима (Z = 60) и самария (Z = 62), представлены в природе стабильными разновидностями атомов в большом диапазоне массовых чисел. Тем самым физические закономерности накладывают запрет на существование стабильных изотопов технеция и прометия. Вот почему эти элементы фактически не существуют в природе и их пришлось синтезировать искусственно.

Ученые уже давно пытаются разработать периодическую систему изотопов. Конечно, в её основе лежат другие принципы, нежели в основе периодической системы элементов. Но эти попытки пока не привели к удовлетворительным результатам. Правда, физики доказали, что последовательность заполнения протонных и нейтронных оболочек в атомных ядрах в принципе подобна построению электронных оболочек и подоболочек в атомах (см. Атом).

Электронные оболочки у изотопов данного элемента построены совершенно одинаково. Поэтому практически тождественны их химические и физические свойства. Только изотопы водорода (протий и дейтерий) и их соединения обнаруживают заметные различия в свойствах. Например, тяжелая вода (D 2 O) замерзает при +3,8, кипит при 101,4 °C, имеет плотность 1,1059 г/см 3 , не поддерживает жизни животных и растительных организмов. При электролизе воды на водород и кислород разлагаются преимущественно молекулы H 2 0, тогда как молекулы тяжелой воды остаются в электролизере.

Разделение изотопов других элементов - задача чрезвычайно сложная. Тем не менее во многих случаях необходимы изотопы отдельных элементов со значительно измененным по сравнению с природным содержанием. Например, при решении проблемы атомной энергии возникла необходимость разделения изотопов 235 U и 238 U. Для этой цели сначала был применен метод масс-спектрометрии, с помощью которого в 1944 г. в США были получены первые килограммы урана‑235. Однако этот метод оказался слишком дорогим и был заменен методом газовой диффузии, в котором использовался UF 6 . Сейчас существует несколько методов разделения изотопов, однако все они достаточно сложны и дороги. И всё‑таки проблема «разделения неразделимого» успешно решается.

Появилась новая научная дисциплина - химия изотопов. Она изучает поведение различных изотопов химических элементов в химических реакциях и процессы изотопного обмена. В результате этих процессов происходит перераспределение изотопов данного элемента между реагирующими веществами. Вот простейший пример: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (молекула воды обменивает атом протия на атом дейтерия). Развивается и геохимия изотопов. Она исследует колебания изотопного состава разных элементов в земной коре.

Широчайшее применение находят так называемые меченые атомы - искусственные радиоактивные изотопы стабильных элементов или стабильные изотопы. С помощью изотопных индикаторов - меченых атомов - изучают пути перемещения элементов в неживой и живой природе, характер распределения веществ и элементов в различных объектах. Изотопы применяются в ядерной технике: как материалы конструкций ядерных реакторов; в качестве ядерного горючего (изотопы тория, урана, плутония); в термоядерном синтезе (дейтерий, 6 Li, 3 He). Радиоактивные изотопы также широко используются в качестве источников излучений.

Установлено, что каждый химический элемент, находящийся в природе – это смесь изотопов (отсюда у них дробные атомные массы). Чтобы понять, чем отличаются изотопы один от другого, необходимо детально рассмотреть строение атома. Атом образует ядро и электронное облако. На массу атома влияют электроны, движущиеся с ошеломительной скоростью по орбиталям в электронном облаке, нейтроны и протоны, входящие в состав ядра.

Что такое изотопы

Изотопы – это разновидность атомов какого-либо химического элемента. Электронов и протонов в любом атоме всегда равное количество. Поскольку они обладают противоположными зарядами (электроны – отрицательным, а протоны – положительным), атом всегда нейтрален (эта элементарная частица не несет заряда, он равен у нее нулю). При потере или захвате электрона атом теряет нейтральность, становясь либо отрицательным, либо положительным ионом.
Нейтроны не имеют заряда, зато их количество в атомном ядре одного и того же элемента может быть разным. Это никак не сказывается на нейтральности атома, однако влияет на его массу и свойства. Например, в любом изотопе атома водорода есть по одному электрону и протону. А количество нейтронов разное. В протии имеется всего лишь 1 нейтрон, в дейтерии – 2 нейтрона и в тритии – 3 нейтрона. Эти три изотопа заметно отличаются друг от друга по свойствам.

Сравнение изотопов

Чем различаются изотопы? В них разное количество нейтронов, неодинаковая масса и различные свойства. Изотопы обладают идентичным строением электронных оболочек. Это значит, что они довольно близки по химическим свойствам. Поэтому им отведено в периодической системе одно место.
В природе обнаружены изотопы стабильные и радиоактивные (нестабильные). Ядра атомов радиоактивных изотопов способны самопроизвольно превращаться в другие ядра. В процессе радиоактивного распада они испускают различные частицы.
Большинство элементов имеет свыше двух десятков радиоактивных изотопов. К тому же радиоактивные изотопы искусственно синтезированы абсолютно для всех элементов. В естественной смеси изотопов их содержание незначительно колеблется.
Существование изотопов позволило понять, почему в отдельных случаях элементы с меньшей атомной массой обладают большим порядковым номером, чем элементы с большей атомной массой. Например, в паре аргон-калий аргон включает тяжелые изотопы, а калий – легкие изотопы. Поэтому масса аргона больше, чем калия.

ImGist определил, что отличие изотопов друг от друга заключается в следующем:

Они обладают разным числом нейтронов.
Изотопы имеют разную массу атомов.
Значение массы атомов ионов влияет на их полную энергию и свойства.

Установлено, что каждый химический элемент, находящийся в природе – это смесь изотопов (отсюда у них дробные атомные массы). Чтобы понять, чем отличаются изотопы один от другого, необходимо детально рассмотреть строение атома. Атом образует ядро и электронное облако. На массу атома влияют электроны, движущиеся с ошеломительной скоростью по орбиталям в электронном облаке, нейтроны и протоны, входящие в состав ядра.

Что такое изотопы

Изотопы – это разновидность атомов какого-либо химического элемента. Электронов и протонов в любом атоме всегда равное количество. Поскольку они обладают противоположными зарядами (электроны – отрицательным, а протоны – положительным), атом всегда нейтрален (эта элементарная частица не несет заряда, он равен у нее нулю). При потере или захвате электрона атом теряет нейтральность, становясь либо отрицательным, либо положительным ионом.
Нейтроны не имеют заряда, зато их количество в атомном ядре одного и того же элемента может быть разным. Это никак не сказывается на нейтральности атома, однако влияет на его массу и свойства. Например, в любом изотопе атома водорода есть по одному электрону и протону. А количество нейтронов разное. В протии имеется всего лишь 1 нейтрон, в дейтерии – 2 нейтрона и в тритии – 3 нейтрона. Эти три изотопа заметно отличаются друг от друга по свойствам.

Сравнение изотопов

Чем различаются изотопы? В них разное количество нейтронов, неодинаковая масса и различные свойства. Изотопы обладают идентичным строением электронных оболочек. Это значит, что они довольно близки по химическим свойствам. Поэтому им отведено в периодической системе одно место.
В природе обнаружены изотопы стабильные и радиоактивные (нестабильные). Ядра атомов радиоактивных изотопов способны самопроизвольно превращаться в другие ядра. В процессе радиоактивного распада они испускают различные частицы.
Большинство элементов имеет свыше двух десятков радиоактивных изотопов. К тому же радиоактивные изотопы искусственно синтезированы абсолютно для всех элементов. В естественной смеси изотопов их содержание незначительно колеблется.
Существование изотопов позволило понять, почему в отдельных случаях элементы с меньшей атомной массой обладают большим порядковым номером, чем элементы с большей атомной массой. Например, в паре аргон-калий аргон включает тяжелые изотопы, а калий – легкие изотопы. Поэтому масса аргона больше, чем калия.

TheDifference.ru определил, что отличие изотопов друг от друга заключается в следующем:

Они обладают разным числом нейтронов.
Изотопы имеют разную массу атомов.
Значение массы атомов ионов влияет на их полную энергию и свойства.