Izotop - Isotope
Fizyka nuklearna |
---|
Jądro · Nukleony ( p , n ) · względu jądrowego · siły jądrowe · struktura jądrowego · reakcji jądrowej |
Izotopy to dwa lub więcej rodzajów atomów, które mają taką samą liczbę atomową (liczbę protonów w ich jądrach ) i pozycję w układzie okresowym (a więc należą do tego samego pierwiastka chemicznego ) i które różnią się liczbą nukleonów ( liczbami masowymi ) ze względu na do różnej liczby neutronów w ich jądrach. Podczas gdy wszystkie izotopy danego pierwiastka mają prawie takie same właściwości chemiczne, różnią się masą atomową i właściwościami fizycznymi.
Termin izotop pochodzi od greckich korzeni isos ( ἴσος „równy”) i topos ( τόπος „miejsce”), co oznacza „to samo miejsce”; tak więc znaczenie nazwy jest takie, że różne izotopy jednego pierwiastka zajmują tę samą pozycję w układzie okresowym pierwiastków . Został wymyślony przez szkocką lekarkę i pisarkę Margaret Todd w 1913 roku jako sugestię chemika Fredericka Soddy'ego .
Liczba protonów w jądrze atomu nazywana jest liczbą atomową i jest równa liczbie elektronów w obojętnym (niezjonizowanym) atomie. Każda liczba atomowa identyfikuje określony pierwiastek, ale nie izotop; atom danego pierwiastka może mieć szeroki zakres liczby neutronów . Liczba nukleonów (zarówno protonów, jak i neutronów) w jądrze jest liczbą masową atomu , a każdy izotop danego pierwiastka ma inną liczbę masową.
Na przykład węgiel-12 , węgiel-13 i węgiel-14 to trzy izotopy pierwiastka węgla o liczbach masowych odpowiednio 12, 13 i 14. Liczba atomowa węgla wynosi 6, co oznacza, że każdy atom węgla ma 6 protonów, tak że liczby neutronowe tych izotopów wynoszą odpowiednio 6, 7 i 8.
Izotop kontra nuklid
Nuklid gatunek atomu z określonej liczby protonów i neutronów w pierścieniu, na przykład, węgiel-13 z 6 protonami i 7 neutronów. Nuklid pojęcia (odnosząc się do poszczególnych gatunków atomowych) podkreśla właściwości jądrowym właściwościach chemicznych, podczas gdy izotop Pojęcie (grupowania wszystkich atomów każdego pierwiastka) podkreśla chemicznej na jądrowych. Liczba neutronów ma duży wpływ na właściwości jądrowe, ale jej wpływ na właściwości chemiczne jest nieistotny dla większości pierwiastków. Nawet w przypadku najlżejszych pierwiastków, których stosunek liczby neutronów do liczby atomowej różni się najbardziej między izotopami, zwykle ma to niewielki wpływ, chociaż w pewnych okolicznościach ma znaczenie (w przypadku wodoru, najlżejszego pierwiastka, efekt izotopowy jest wystarczająco duży, aby wpłynąć na biologię silnie). Termin izotopy (pierwotnie również pierwiastki izotopowe , teraz czasami nuklidy izotopowe ) ma sugerować porównanie (jak synonimy lub izomery ). Na przykład nuklidy12
6C
, 13
6C
, 14
6C
są izotopami (nuklidami o tej samej liczbie atomowej, ale różnych liczbach masowych), ale 40
18Ar
, 40
19K
, 40
20Ca
są izobarami (nuklidami o tej samej liczbie masowej). Jednak izotop jest terminem starszym i dlatego jest lepiej znany niż nuklid i nadal jest czasami używany w kontekstach, w których nuklid może być bardziej odpowiedni, takich jak technologia jądrowa i medycyna nuklearna .
Notacja
Izotop i/lub nuklid jest określony nazwą danego pierwiastka (wskazuje to na liczbę atomową), po której następuje myślnik i liczba masowa (np. hel-3 , hel-4 , węgiel-12 , węgiel-14 , uran- 235 i uran-239 ). W przypadku gdy symbol chemiczny stosuje się, na przykład „c” jak węgiel, notacji (obecnie znane jako „AZE zapis”, ponieważ jest liczba masowa , Z liczbie atomowej i E dla elementu ) jest wskazanie liczby masowej (liczba nukleony) z indeksem górnym w lewym górnym rogu symbolu chemicznego oraz w celu wskazania liczby atomowej z indeksem dolnym w lewym dolnym rogu (np.3
2On
, 4
2On
, 12
6C
, 14
6C
, 235
92U
, oraz 239
92U
). Ponieważ liczba atomowa jest podana przez symbol pierwiastka, często podaje się tylko liczbę masową w indeksie górnym i pomija się indeks dolny liczby atomowej (np.3
On
, 4
On
, 12
C
, 14
C
, 235
U
, oraz 239
U
). Litera m jest czasem dodawana po liczbie masowej wskazują na izomery jądrowe , A metastabilne i energicznie-wzbudzonego stanu jądrowego (w odróżnieniu od najniższej energii stanu podstawowego ), na przykład180m
73Ta
( tantal-180m ).
Powszechna wymowa notacji AZE różni się od tego, jak jest napisana: 4
2On
jest powszechnie wymawiane jako hel-cztery zamiast cztery-dwa-hel i 235
92U
jako uran dwa-trzydzieści-pięć (amerykański angielski) lub uran-dwa-trzy-pięć (brytyjski) zamiast 235-92-uranu.
Radioaktywne, pierwotne i stabilne izotopy
Niektóre izotopy/nuklidy są radioaktywne i dlatego są określane jako radioizotopy lub radionuklidy , podczas gdy inne nigdy nie zaobserwowano rozpadu radioaktywnego i są określane jako stabilne izotopy lub stabilne nuklidy . Na przykład,14
C
jest radioaktywną formą węgla, podczas gdy 12
C
oraz 13
C
są stabilnymi izotopami. Na Ziemi jest około 339 naturalnie występujących nuklidów, z których 286 to nuklidy pierwotne , co oznacza, że istnieją od powstania Układu Słonecznego .
Pierwotne nuklidy obejmują 34 nuklidy o bardzo długim okresie półtrwania (ponad 100 milionów lat) i 252 które są formalnie uważane za „ stabilne nuklidy ”, ponieważ nie zaobserwowano ich rozpadu. W większości przypadków, z oczywistych powodów, jeśli pierwiastek ma stabilne izotopy, te izotopy przeważają w obfitości pierwiastków występujących na Ziemi iw Układzie Słonecznym. Jednak w przypadku trzech pierwiastków ( teluru , indu i renu ) najobficiej występującym w przyrodzie izotopem jest w rzeczywistości jeden (lub dwa) niezwykle długowieczne radioizotopy pierwiastka, mimo że pierwiastki te mają jeden lub więcej stabilnych izotopów. izotopy.
Teoria przewiduje, że wiele pozornie „stabilnych” izotopów/nuklidów jest radioaktywnych, z wyjątkowo długimi okresami półtrwania (pomijając możliwość rozpadu protonu , który spowodowałby, że wszystkie nuklidy byłyby ostatecznie niestabilne). Niektóre stabilne nuklidy są teoretycznie podatne energetycznie na inne znane formy rozpadu, takie jak rozpad alfa lub podwójny rozpad beta, ale nie zaobserwowano jeszcze żadnych produktów rozpadu, dlatego mówi się, że te izotopy są „obserwacyjnie stabilne”. Przewidywane okresy połowicznego rozpadu tych nuklidów często znacznie przekraczają szacowany wiek Wszechświata. W rzeczywistości istnieje również 31 znanych radionuklidów (patrz pierwotny nuklid ), których okresy połowicznego rozpadu są dłuższe niż wiek Wszechświata.
Dodając do tego radioaktywne nuklidy, które zostały wytworzone sztucznie, obecnie znanych jest 3339 nuklidów . Obejmują one 905 nuklidów, które są albo stabilne, albo mają okres półtrwania dłuższy niż 60 minut. Zobacz listę nuklidów po szczegóły.
Historia
Izotopy radioaktywne
Istnienie izotopów zostało po raz pierwszy zasugerowane w 1913 roku przez radiochemika Fredericka Soddy'ego na podstawie badań łańcuchów rozpadu promieniotwórczego , które wskazały około 40 różnych gatunków określanych jako pierwiastki promieniotwórcze (tj. pierwiastki promieniotwórcze) między uranem a ołowiem, chociaż układ okresowy dopuszczał tylko 11 pierwiastki między ołowiem a uranem włącznie.
Kilka prób chemicznego oddzielenia tych nowych pierwiastków promieniotwórczych nie powiodło się. Na przykład Soddy wykazał w 1910 roku, że mezotor (później wykazano, że ma 228 Ra), rad ( 226 Ra, najdłużej żyjący izotop) i tor X ( 224 Ra) są niemożliwe do oddzielenia. Próby umieszczenia pierwiastków promieniotwórczych w układzie okresowym skłoniły Soddy'ego i Kazimierza Fajansa niezależnie do zaproponowania w 1913 r. prawa przesunięcia promieniotwórczego , zgodnie z którym rozpad alfa wytworzył pierwiastek dwa miejsca w lewo w układzie okresowym, podczas gdy emisja beta wytworzyła pierwiastek. jedno miejsce na prawo. Soddy zauważył, że emisja cząstki alfa, po której następują dwie cząstki beta, doprowadziła do powstania pierwiastka chemicznie identycznego z pierwiastkiem początkowym, ale o masie o cztery jednostki lżejszego io innych właściwościach radioaktywnych.
Soddy zaproponował, że kilka typów atomów (różniących się właściwościami radioaktywnymi) może zajmować to samo miejsce w tabeli. Na przykład rozpad alfa uranu-235 tworzy tor-231, podczas gdy rozpad beta aktynu-230 tworzy tor-230. Termin „izotop”, po grecku „w tym samym miejscu”, został zasugerowany Soddy przez Margaret Todd , szkocką lekarkę i przyjaciółkę rodziny, podczas rozmowy, w której wyjaśniał jej swoje pomysły. W 1921 otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii, częściowo za pracę nad izotopami.
W 1914 TW Richards odkrył różnice w masie atomowej ołowiu z różnych źródeł mineralnych, które można przypisać zmianom w składzie izotopowym spowodowanym różnym pochodzeniem radioaktywnym.
Izotopy stabilne
Pierwszy dowód istnienia wielu izotopów stabilnego (nieradioaktywnego) pierwiastka został znaleziony przez JJ Thomsona w 1912 roku w ramach swoich badań nad składem promieni kanałowych (jony dodatnie). Thomson skierował strumienie jonów neonowych przez równoległe pola magnetyczne i elektryczne, zmierzył ich ugięcie, umieszczając na ich drodze kliszę fotograficzną i obliczył ich stosunek masy do ładunku przy użyciu metody znanej jako metoda paraboli Thomsona. Każdy strumień tworzył świecącą plamę na talerzu w miejscu, w które uderzył. Thomson zaobserwował dwie oddzielne paraboliczne plamy światła na kliszy fotograficznej (patrz zdjęcie), co sugerowało dwa rodzaje jąder o różnych stosunkach masy do ładunku.
FW Aston następnie odkrył wiele stabilnych izotopów dla wielu pierwiastków za pomocą spektrografu masowego . W 1919 Aston zbadał neon z wystarczającą rozdzielczością, aby wykazać, że dwie masy izotopowe są bardzo zbliżone do liczb całkowitych 20 i 22 i że żadna z nich nie jest równa znanej masie molowej (20,2) gazu neonowego. Jest to przykład reguły liczb całkowitych Astona dla mas izotopowych, która mówi, że duże odchylenia mas molowych pierwiastków od liczb całkowitych wynikają przede wszystkim z faktu, że pierwiastek jest mieszaniną izotopów. Aston podobnie wykazał, że masa molowa chloru (35,45) jest średnią ważoną prawie całkowitych mas dwóch izotopów 35 Cl i 37 Cl.
Zmienność właściwości między izotopami
Właściwości chemiczne i molekularne
Neutralny atom ma taką samą liczbę elektronów jak protony. W ten sposób różne izotopy danego pierwiastka mają taką samą liczbę elektronów i mają podobną strukturę elektronową. Ponieważ zachowanie chemiczne atomu jest w dużej mierze zdeterminowane przez jego strukturę elektronową, różne izotopy wykazują niemal identyczne zachowanie chemiczne.
Głównym wyjątkiem jest kinetyczny efekt izotopowy : ze względu na ich większą masę, cięższe izotopy reagują nieco wolniej niż lżejsze izotopy tego samego pierwiastka. Jest to zdecydowanie najbardziej widoczne w przypadku protium (1
h
), deuter (2
h
) i trytu (3
h
), ponieważ deuter ma dwukrotnie większą masę protu, a tryt trzy razy większą masę protu. Te różnice mas wpływają również na zachowanie ich odpowiednich wiązań chemicznych, zmieniając środek ciężkości ( zmniejszoną masę ) układów atomowych. Jednak w przypadku cięższych pierwiastków względna różnica mas między izotopami jest znacznie mniejsza, tak że wpływ różnicy masy na chemię jest zwykle pomijalny. (Ciężkie pierwiastki mają również stosunkowo więcej neutronów niż lżejsze, więc stosunek masy jądrowej do zbiorowej masy elektronowej jest nieco większy.) Istnieje również efekt izotopu równowagi .
Podobnie dwie cząsteczki, które różnią się tylko izotopami swoich atomów ( izotopologów ) mają identyczne struktury elektronowe, a zatem prawie nie do odróżnienia właściwości fizyczne i chemiczne (znowu z deuterem i trytem jako podstawowymi wyjątkami). W trybów drgań cząsteczki są określone przez jej kształt i mas jego atomów składowych; więc różne izotopologi mają różne zestawy trybów wibracyjnych. Ponieważ mody wibracyjne pozwalają cząsteczce absorbować fotony o odpowiednich energiach, izotopologi mają różne właściwości optyczne w zakresie podczerwieni .
Właściwości jądrowe i stabilność
Jądra atomowe składają się z protonów i neutronów połączonych ze sobą szczątkowym oddziaływaniem silnym . Ponieważ protony są naładowane dodatnio, odpychają się nawzajem. Neutrony, które są elektrycznie obojętne, stabilizują jądro na dwa sposoby. Ich współobecność odpycha protony nieco od siebie, zmniejszając odpychanie elektrostatyczne między protonami, i wywierają przyciągającą siłę jądrową na siebie nawzajem i na protony. Z tego powodu jeden lub więcej neutronów jest koniecznych, aby dwa lub więcej protonów związało się z jądrem. Wraz ze wzrostem liczby protonów rośnie również stosunek neutronów do protonów konieczny do zapewnienia stabilnego jądra (patrz wykres po prawej). Na przykład, chociaż stosunek neutron:proton3
2On
wynosi 1:2, stosunek neutron:proton wynosi 238
92U
jest większa niż 3:2. Wiele lżejszych pierwiastków ma stabilne nuklidy w stosunku 1:1 ( Z = N ). Nuklid40
20Ca
(wapń-40) jest obserwacyjnie najcięższym stabilnym nuklidem z taką samą liczbą neutronów i protonów. Wszystkie stabilne nuklidy cięższe niż wapń-40 zawierają więcej neutronów niż protonów.
Liczby izotopów na pierwiastek
Spośród 80 pierwiastków o stabilnym izotopie największą liczbę stabilnych izotopów zaobserwowano dla dowolnego pierwiastka wynosi dziesięć (dla pierwiastka cyna ). Żaden pierwiastek nie ma dziewięciu lub ośmiu stabilnych izotopów. Pięć pierwiastków ma siedem stabilnych izotopów, osiem ma sześć stabilnych izotopów, dziesięć ma pięć stabilnych izotopów, dziewięć ma cztery stabilne izotopy, pięć ma trzy stabilne izotopy, 16 ma dwa stabilne izotopy (licząc180m
73Ta
jako stabilny), a 26 pierwiastków ma tylko jeden stabilny izotop (spośród nich 19 to tak zwane pierwiastki jednonuklidowe , mające jeden pierwotny stabilny izotop, który dominuje i ustala z dużą precyzją masę atomową pierwiastka naturalnego; 3 pierwiastki promieniotwórcze jednonuklidowe występują również). W sumie istnieją 252 nuklidy, w których nie zaobserwowano rozpadu. Dla 80 pierwiastków, które mają jeden lub więcej stabilnych izotopów, średnia liczba stabilnych izotopów wynosi 252/80 = 3,15 izotopów na pierwiastek.
Parzyste i nieparzyste liczby nukleonowe
p, n | EE | OO | EO | OE | Całkowity |
---|---|---|---|---|---|
Stabilny | 146 | 5 | 53 | 48 | 252 |
Długowieczny | 22 | 4 | 3 | 5 | 34 |
Wszystkie pierwotne | 168 | 9 | 56 | 53 | 286 |
Stosunek proton:neutron nie jest jedynym czynnikiem wpływającym na stabilność jądrową. Zależy ona również od parzystości lub nieparzystości jego liczby atomowej Z , liczby neutronowej N iw konsekwencji ich sumy liczby masowej A . Nieparzystość zarówno Z, jak i N ma tendencję do obniżania energii wiązania jądra , czyniąc nieparzyste jądra, ogólnie rzecz biorąc, mniej stabilnymi. To istotną różnicę energii jądrowej wiązania pomiędzy sąsiednimi jądrami, zwłaszcza nieparzyste A izobar ma ważne konsekwencje: nietrwałych izotopów z wieloma nonoptimal neutronów lub rozpad protonu przez rozpadu beta (włącznie z emisją pozytonów ) wychwytu elektronów lub innych mniej popularnych rozpad tryby takie jak spontaniczne rozszczepienie i rozpad gromad .
Większość stabilnych nuklidów to parzysty proton-parzysty neutron, gdzie wszystkie liczby Z , N i A są parzyste. W nieparzyste stabilne izotopy są podzielone (w przybliżeniu równomiernie) w nieparzystej protonowej nawet neutronów i nuklidy nawet protonów, neutronów nieparzystych. Najrzadziej spotykane są stabilne jądra nieparzystych protonów i neutronów nieparzystych.
Parzysta liczba atomowa
146 nuklidów o parzystym protonach i parzystych neutronach (EE) stanowi ~58% wszystkich stabilnych nuklidów i wszystkie mają spin 0 z powodu parowania. Istnieją również 24 pierwotne, parzyste, parzyste nuklidy długowieczne. W rezultacie każdy z 41 parzystych pierwiastków od 2 do 82 ma co najmniej jeden stabilny izotop , a większość tych pierwiastków ma kilka pierwotnych izotopów. Połowa z tych parzystych pierwiastków ma sześć lub więcej stabilnych izotopów. Ekstremalna stabilność helu-4 dzięki podwójnemu parowaniu 2 protonów i 2 neutronów zapobiega wszelkim nuklidom zawierającym pięć (5
2On
, 5
3Li
) lub osiem (8
4Być
) nukleony istnieją wystarczająco długo, aby służyć jako platformy do gromadzenia cięższych pierwiastków poprzez fuzję jądrową w gwiazdach (patrz proces potrójnej alfa ).
Rozkład | Pół życia | |
---|---|---|
113 48Płyta CD |
beta | 7,7 × 10 15 a |
147 62Sm |
alfa | 1,06 × 10 11 a |
235 92U |
alfa | 7,04 × 10 8 a |
53 stabilne nuklidy mają parzystą liczbę protonów i nieparzystą liczbę neutronów. Stanowią mniejszość w porównaniu z izotopami parzystymi, których jest około 3 razy liczniejsze. Spośród 41 parzystych pierwiastków Z , które mają stabilny nuklid, tylko dwa pierwiastki (argon i cer) nie mają parzysto-nieparzystych stabilnych nuklidów. Jeden element (puszka) ma trzy. Istnieją 24 pierwiastki, które mają jeden parzysty-nieparzysty nuklid, a 13 ma dwa nieparzyste-parzyste nuklidy. Spośród 35 pierwotnych radionuklidów istnieją cztery parzyste-nieparzyste nuklidy (patrz tabela po prawej), w tym rozszczepialny 235
92U
. Ze względu na ich nieparzystą liczbę neutronów, nuklidy parzysto-nieparzyste mają zwykle duże przekroje wychwytywania neutronów , ze względu na energię wynikającą z efektu parowania neutronów. Te stabilne nuklidy o parzystych protonach i nieparzystych neutronach wydają się być rzadkie ze względu na obfitość w przyrodzie, generalnie dlatego, że aby utworzyć i wejść w pierwotną obfitość, musiały uciec przed wychwytywaniem neutronów, aby utworzyć jeszcze inne stabilne, parzyste, parzyste izotopy, podczas obu s- proces i r-proces wychwytywania neutronów podczas nukleosyntezy w gwiazdach . Z tego powodu tylko195
78Pt
oraz 9
4Być
są najbardziej naturalnie występującymi izotopami ich pierwiastka.
Nieparzysta liczba atomowa
Czterdzieści osiem stabilnych nuklidów nieparzystych protonów i parzystych neutronów, stabilizowanych przez ich sparowane neutrony, tworzy większość stabilnych izotopów pierwiastków o numerach nieparzystych; bardzo nieliczne nuklidy nieparzystych protonów i neutronów zawierają pozostałe. Istnieje 41 nieparzystych pierwiastków o Z = 1 do 81, z których 39 ma stabilne izotopy (pierwiastki technetu (
43Tc
) i promet (
61Po południu
) nie mają stabilnych izotopów). Z tych 39 nieparzystych pierwiastków Z , 30 pierwiastków (w tym wodór-1, gdzie 0 neutronów jest parzyste ) ma jeden stabilny nieparzysty izotop, a dziewięć pierwiastków: chlor (
17Cl
),
potas (
19K
),
miedź (
29Cu
),
gal (
31Ga
),
brom (
35Br
),
srebrny (
47Ag
),
antymon (
51Sb
),
iryd (
77Ir
) i tal (
81Tl
), mają dwa nieparzyste, parzyste stabilne izotopy. To daje w sumie 30 + 2(9) = 48 stabilnych nieparzystych-parzystych izotopów.
Istnieje również pięć pierwotnych długożyciowych izotopów promieniotwórczych nieparzystych i parzystych, 87
37Rb
, 115
49w
, 187
75Odnośnie
, 151
63Eu
, oraz 209
83Bi
. Dopiero niedawno odkryto, że dwa ostatnie ulegają rozkładowi, a ich okres półtrwania przekracza 10-18 lat.
Tylko pięć stabilnych nuklidów zawiera zarówno nieparzystą liczbę protonów, jak i nieparzystą liczbę neutronów. Pierwsze cztery „nieparzyste” nuklidy występują w nuklidach o małej masie, dla których zmiana protonu na neutron lub odwrotnie doprowadziłaby do bardzo nierównego stosunku proton-neutron (2
1h
, 6
3Li
, 10
5b
, oraz 14
7n
; kręci 1, 1, 3, 1). Jedyny inny całkowicie „stabilny” nieparzysty nuklid,180m
73Ta
(spin 9), uważany jest za najrzadszy z 252 stabilnych izotopów i jest jedynym pierwotnym izomerem jądrowym , w którym nie zaobserwowano jeszcze rozpadu pomimo prób eksperymentalnych.
Znanych jest wiele dziwnych radionuklidów (takich jak tantal-180) o stosunkowo krótkim okresie półtrwania. Zwykle ulegają one rozpadowi beta do pobliskich, parzystych izobar, które mają sparowane protony i sparowane neutrony. Z dziewięciu pierwotnych nieparzystych nuklidów (pięć stabilnych i cztery radioaktywne o długim okresie półtrwania) tylko14
7n
jest najczęstszym izotopem wspólnego pierwiastka. Dzieje się tak, ponieważ jest to część cyklu CNO . Nuklidy6
3Li
oraz 10
5b
są mniejszościowymi izotopami pierwiastków, które same w sobie są rzadkie w porównaniu z innymi lekkimi pierwiastkami, podczas gdy pozostałe sześć izotopów stanowi tylko niewielki procent naturalnej obfitości ich pierwiastków.
Nieparzysta liczba neutronów
n | Parzysty | Dziwne |
---|---|---|
Stabilny | 194 | 58 |
Długowieczny | 27 | 7 |
Wszystkie pierwotne | 221 | 65 |
Aktynowce o nieparzystej liczbie neutronów są generalnie rozszczepialne (z neutronami termicznymi ), podczas gdy te o parzystej liczbie neutronów generalnie nie, chociaż są rozszczepialne z neutronami szybkimi . Wszystkie obserwacyjnie stabilne nuklidy nieparzyste i nieparzyste mają spin liczb całkowitych niezerowych. Dzieje się tak, ponieważ pojedynczy niesparowany neutron i niesparowany proton mają większe przyciąganie do siebie sił jądrowych, jeśli ich spiny są wyrównane (tworząc całkowity spin co najmniej 1 jednostki), zamiast anty-uliniowione. Zobacz deuter dla najprostszego przypadku tego nuklearnego zachowania.
Tylko 195
78Pt
, 9
4Być
oraz 14
7n
mają nieparzystą liczbę neutronów i są najbardziej naturalnie występującym izotopem swojego pierwiastka.
Występowanie w przyrodzie
Pierwiastki składają się albo z jednego nuklidu ( elementy jednonuklidowe ), albo z więcej niż jednego naturalnie występującego izotopu. Niestabilne (radioaktywne) izotopy są albo pierwotne, albo postprimordialne. Pierwotne izotopy były produktem gwiezdnej nukleosyntezy lub innego typu nukleosyntezy, takiego jak spallacja promieniami kosmicznymi , i przetrwały do chwili obecnej, ponieważ ich tempo rozpadu jest tak powolne (np. uran-238 i potas-40 ). Post-pierwotne izotopy zostały utworzone przez bombardowanie promieniowaniem kosmicznym jako nuklidy kosmogeniczne (np. tryt , węgiel-14 ) lub przez rozpad radioaktywnego pierwotnego izotopu na radioaktywny radioaktywny nuklid potomny (np. uran na rad ). Kilka izotopów jest naturalnie syntetyzowanych jako nuklidy nukleogenne w wyniku innej naturalnej reakcji jądrowej , na przykład gdy neutrony z naturalnego rozszczepienia jądra są absorbowane przez inny atom.
Jak omówiono powyżej, tylko 80 pierwiastków ma jakiekolwiek stabilne izotopy, a 26 z nich ma tylko jeden stabilny izotop. Tak więc około dwie trzecie stabilnych pierwiastków występuje naturalnie na Ziemi w wielu stabilnych izotopach, przy czym największa liczba stabilnych izotopów dla pierwiastka wynosi dziesięć, dla cyny (
50Sn
). Na Ziemi występuje około 94 pierwiastków (do plutonu włącznie), chociaż niektóre są wykrywane tylko w bardzo małych ilościach, jak pluton-244 . Naukowcy szacują, że pierwiastki występujące naturalnie na Ziemi (niektóre tylko jako radioizotopy) występują w sumie jako 339 izotopów ( nuklidów ). Tylko 252 z tych naturalnie występujących nuklidów jest stabilnych w tym sensie, że nigdy nie zaobserwowano ich rozpadu do chwili obecnej. Dodatkowe 34 pierwotne nuklidy (w sumie 286 pierwotnych nuklidów) są radioaktywne o znanym okresie półtrwania, ale mają okres półtrwania dłuższy niż 100 milionów lat, co pozwala im istnieć od początku Układu Słonecznego. Zobacz listę nuklidów po szczegóły.
Wszystkie znane stabilne nuklidy występują naturalnie na Ziemi; inne naturalnie występujące nuklidy są radioaktywne, ale występują na Ziemi ze względu na ich stosunkowo długi okres półtrwania lub z powodu innych środków trwającej naturalnej produkcji. Należą do wyżej wymienionych kosmogeniczne nuklidy Z nucleogenic nuklidy i wszelkie radiogenicznym nuklidy utworzone przez trwającej rozpadu izotopu promieniotwórczego pierwotnej, takich jak radon i radu od uranu.
Dodatkowe ~3000 radioaktywnych nuklidów nie występujących w naturze zostało wytworzonych w reaktorach jądrowych i akceleratorach cząstek. Wiele krótkożyjących nuklidów, które nie występują naturalnie na Ziemi, zaobserwowano również w analizach spektroskopowych, ponieważ powstały one naturalnie w gwiazdach lub supernowych . Przykładem jest glin-26 , który nie występuje naturalnie na Ziemi, ale występuje w obfitości w skali astronomicznej.
Tabelaryczne masy atomowe pierwiastków to średnie, które wyjaśniają obecność wielu izotopów o różnych masach. Przed odkryciem izotopów empirycznie określone niecałkowite wartości masy atomowej wprawiały w zakłopotanie naukowców. Na przykład próbka chloru zawiera 75,8% chloru-35 i 24,2% chloru-37 , co daje średnią masę atomową 35,5 jednostek masy atomowej .
Zgodnie z ogólnie przyjętą teorią kosmologiczną , w Wielkim Wybuchu powstały tylko izotopy wodoru i helu, śladowe ilości niektórych izotopów litu i berylu, a może i boru , podczas gdy wszystkie inne nuklidy zostały zsyntetyzowane później, w gwiazdach i supernowych oraz w oddziaływania między cząstkami energetycznymi, takimi jak promienie kosmiczne, a wcześniej wytworzonymi nuklidami. (Patrz nukleosynteza, aby uzyskać szczegółowe informacje na temat różnych procesów odpowiedzialnych za produkcję izotopów.) Odpowiednie obfitości izotopów na Ziemi wynikają z ilości utworzonych przez te procesy, ich rozprzestrzeniania się w galaktyce i szybkości rozpadu izotopów, które są niestabilne. Po początkowej koalescencji Układu Słonecznego izotopy uległy redystrybucji według masy, a skład izotopowy pierwiastków różni się nieznacznie w zależności od planety. Pozwala to czasami prześledzić pochodzenie meteorytów .
Masa atomowa izotopów
Masa atomowa ( m R ) izotopu (nuklidu) określona jest przede wszystkim przez jej liczby masowej (czyli liczba nukleony w pierścieniu). Małe poprawki wynikają z energii wiązania jądra (patrz defekt masy ), niewielkiej różnicy masy między protonem i neutronem oraz masy elektronów związanych z atomem, ta ostatnia, ponieważ stosunek elektron:nukleon różni się między izotopami.
Liczba masowa jest wielkością bezwymiarową . Z drugiej strony masę atomową mierzy się za pomocą jednostki masy atomowej opartej na masie atomu węgla-12. Jest oznaczony symbolami „u” (dla zunifikowanej jednostki masy atomowej) lub „Da” (dla daltona ).
Masy atomowe naturalnie występujących izotopów pierwiastka określają masę atomową pierwiastka. Gdy pierwiastek zawiera izotopy N , poniższe wyrażenie stosuje się do średniej masy atomowej :
gdzie m 1 , m 2 , ..., m N to masy atomowe każdego pojedynczego izotopu, a x 1 , ..., x N to względne ilości tych izotopów.
Zastosowania izotopów
Oczyszczanie izotopów
Istnieje kilka zastosowań, które wykorzystują właściwości różnych izotopów danego pierwiastka. Separacja izotopów jest poważnym wyzwaniem technologicznym, szczególnie w przypadku ciężkich pierwiastków, takich jak uran czy pluton. Lżejsze pierwiastki, takie jak lit, węgiel, azot i tlen, są zwykle oddzielane przez dyfuzję gazową ich związków, takich jak CO i NO. Oddzielenie wodoru i deuteru jest niezwykłe, ponieważ opiera się na właściwościach chemicznych, a nie fizycznych, na przykład w procesie siarczkowym Girdlera . Izotopy uranu zostały rozdzielone masowo przez dyfuzję gazu, wirowanie gazu, separację laserową jonizacją i (w projekcie Manhattan ) przez rodzaj produkcyjnej spektrometrii masowej .
Wykorzystanie właściwości chemicznych i biologicznych
- Analiza izotopowa to określenie sygnatury izotopowej , czyli względnej zawartości izotopów danego pierwiastka w określonej próbce. Analiza izotopowa jest często wykonywana za pomocą spektrometrii masowej stosunku izotopów . W szczególności w przypadku substancji biogennych mogą wystąpić znaczne różnice izotopów C, N i O. Analiza takich zmienności ma szeroki zakres zastosowań, takich jak wykrywanie zafałszowań w produktach spożywczych lub geograficzne pochodzenie produktów przy użyciu izoscape'ów . Identyfikacja niektórych meteorytów jako pochodzących z Marsa opiera się częściowo na sygnaturze izotopowej zawartych w nich gazów śladowych.
- Podstawienie izotopowe może być wykorzystane do określenia mechanizmu reakcji chemicznej poprzez kinetyczny efekt izotopowy .
- Innym powszechnym zastosowaniem jest znakowanie izotopowe , czyli wykorzystanie nietypowych izotopów jako znaczników lub markerów w reakcjach chemicznych. Zwykle atomy danego pierwiastka są nie do odróżnienia od siebie. Jednak stosując izotopy o różnych masach, nawet różne nieradioaktywne izotopy stabilne można rozróżnić za pomocą spektrometrii mas lub spektroskopii w podczerwieni . Na przykład w " znakowaniu stabilnych izotopów za pomocą aminokwasów w hodowli komórkowej ( SILAC ) " stabilne izotopy są wykorzystywane do ilościowego oznaczania białek . Jeśli stosuje się izotopy radioaktywne, można je wykryć na podstawie emitowanego przez nie promieniowania (nazywa się to znakowaniem radioizotopowym ).
- Izotopy są powszechnie stosowane do oznaczania stężenia różnych pierwiastków lub substancji przy użyciu metody rozcieńczania izotopowego , w której znane ilości izotopowo podstawionych związków miesza się z próbkami, a sygnatury izotopowe otrzymanych mieszanin są określane za pomocą spektrometrii masowej .
Wykorzystanie właściwości jądrowych
- Techniką podobną do znakowania radioizotopowego jest datowanie radiometryczne : wykorzystując znany okres półtrwania niestabilnego pierwiastka, można obliczyć czas, jaki upłynął od istnienia znanego stężenia izotopu. Najbardziej znanym przykładem jest datowanie radiowęglowe stosowane do określania wieku materiałów węglowych.
- Kilka form spektroskopii opiera się na unikalnych właściwościach jądrowych określonych izotopów, zarówno radioaktywnych, jak i stabilnych. Na przykład, spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) może być stosowana tylko dla izotopów o niezerowym spinie jądrowym. Najczęstszym nuklidy stosowane w spektroskopii NMR 1 H, 2 D 15 N 13 C i 31 P.
- Spektroskopia mössbauerowska opiera się również na przejściach jądrowych określonych izotopów, takich jak 57 Fe.
- Radionuklidy mają również ważne zastosowania. Rozwój energetyki jądrowej i broni jądrowej wymaga stosunkowo dużych ilości określonych izotopów. Medycyna nuklearna i radioterapia onkologiczna wykorzystują radioizotopy odpowiednio do diagnostyki medycznej i leczenia.
Zobacz też
- Obfitość pierwiastków chemicznych
- Spektrometr mas Bainbridge
- Geoślady
- Izotopom
- Lista nuklidów
- Lista cząstek
- Spekrtometria masy
- Materiały odniesienia do analizy stabilnych izotopów
- Tabela nuklidów
Bibliografia
Zewnętrzne linki
- Portal Nauki Nuklearnej Nucleonica
- Mapa nuklidów w Karlsruhe
- Portal National Nuclear Data Center do dużego repozytorium bezpłatnych danych i programów analitycznych firmy NNDC
- Narodowe Centrum Rozwoju Izotopów Koordynacja i zarządzanie produkcją, dostępnością i dystrybucją izotopów oraz informacje referencyjne dla społeczności izotopów
- Isotope Development & Production for Research and Applications (IDPRA) Program Departamentu Energii USA dotyczący produkcji izotopów oraz badań i rozwoju produkcji
- Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej Strona internetowa Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej (MAEA), Agencji Narodów Zjednoczonych (ONZ)
- Masy atomowe i kompozycje izotopowe dla wszystkich pierwiastków Tabela statyczna, z NIST ( National Institute of Standards and Technology )
- Atomgewichte, Zerfallsenergien und Halbwertszeiten aller Isotope
- Poznawanie tabeli izotopów w LBNL
- Aktualne badania izotopowe i informacje isotope.info
- Gotowość i reagowanie na sytuacje kryzysowe: izotopy promieniotwórcze według CDC ( Centra Kontroli i Zapobiegania Chorobom )
- Wykres nuklidów Interaktywny wykres nuklidów (Krajowe Centrum Danych Jądrowych)
- Interaktywny wykres nuklidów, izotopów i układu okresowego pierwiastków
- LIVEChart of Nuclides – MAEA z danymi izotopowymi.
- Bibliografia z adnotacjami dla izotopów z Biblioteki Cyfrowej Alsos for Nuclear Issues
- The Valley of Stability (wideo) – wirtualny „przelot” przez trójwymiarową reprezentację wykresu nuklidów, CEA (Francja)