Изотоп

Из пројекта Википедија

Изотопи су атоми хемијског елемента чије језгро има исти атомски број, Z, али различиту атомску масу, A. Реч изотоп, значи на истом месту, и долази од чињенице да се изотопи налазе на истом месту у периодном систему елемената.

Атомски број одговара броју протона у атому, Стога изотопи датог елемента садрже једнак број протона. Разлика у атомским масама потиче из разлике у броју неутрона у атомском језгру. У научној номенклатури, изотопи се означавају именима датог елемента иза ког следи цртица, па број нуклеона (протона и неутрона) у атомском језгру (нпр., хелијум-3, угљеник-12, угљеник-14, гвожђе-57, уранијум-238). У симболичкој форми, број нуклеона се исказује изнад хемијског симбола са леве стране (нпр., ³He, ¹²C, ¹⁴C, ⁵⁷Fe, ²³⁸U).

Изотопи свих елемента образују скуп нуклида. Нуклид је дефиниција за одређено атомско језгро и дефинише се редним бројем Z и масеним бројем A: ^A_ZХх (³₂He, ²³⁸₉₂U) Строго говорећи, пре би требало рећи да се елемент као на пример флуор састоји од једног нуклида него од једног изотопа.

У неутралном атому, број електрона је једнак броју протона. Стога, изотопи датог елемента такође имају и исти број електрона и исту електронску структуру. Како је хемијско понашање атома у највећој мери одређено његовом електронском структуром, изотопи имају скоро идентичне хемијске особине. Главни изузетак је, да, услед већих маса, тежи изотопи имају тенденцију да реагују нешто спорије од лакших изотопа. Овај "ефекат масе", или изотопски ефекат је најизраженији за протијум (¹H) и деутеријум (уобичајен назив за ²H), јер деутеријум има дупло већу масу од протиума. Код тежих елемената је релативна разлика у маси много мања, па је ефекат масе обично занемарљив.

Мада изотопи имају скоро идентичне електронске и хемијске особине, њихове нуклеарне особине се драматично разликују. Атомско језгро се састоји из протона и неутрона које на окупу држи јака нуклеарна сила. Како су протони позитивно наелектрисани, они се међусобно одбијају. Неутрони који су електронеутрални праве одређену дистанцу између протона, редукују електростатичко одбијање и стабилизују језгро. Из овог разлога су потребни неутрони да би се два или више протона везали у језгро. Како број протона расте, потребни су додатни неутрони да би се формирало стабилно језгро, на пример, иако је однос неутрон/протон код ³He 1/2, неутрон/протон однос код ²³⁸U је >3/2. Ипак, ако је присутно превише неутрона, језгро постаје нестабилно.

Како изотопи датог елемента имају различит број неутрона, они имају и различит однос неутрон/протон. Ово утиче на њихову нуклеарну стабилност, што резултира чињеницом да неки изотопи подлежу нуклеарном распаду. Распад ових радиоактивних изотопа (краће радиоизотопа) је важна тема у нуклеарној физици. Проучавањем начина на који се овај распад одиграва, физичари стичу увид у својства атомског језгра.

Обично се у природи може наћи неколико изотопа истог елемента. Најчешће се јављају стабилни изотопи, мада се могу наћи и значајне количине нестабилних изотопа са великим временом полураспада као на пример уранијум-238. Мале количине радиоактивних изотопа са малим временом полураспада су такође присутне у природи. Ови изотопи настају као производ распада већих радиоактивних језгара са дужим животом. Атомска маса елемента у периодном систему елемената је просек природне распрострањености изотопа тог елемента.

Природна распрострањеност разних изотопа на Земљи је у крајњој линији резултат количина изотопа формираних у звездама и суперновама, као и шема распада радиоактивних језгара формираних у овим процесима. Затим, формирање сунчевог система је такође значајно утицало на пропорције различитих изотопа који се могу наћи на Земљи, јер су соларни ветрови одмах по стварању Сунца лакше могли да одувају лакша језгра ка даљим деловима сунчевог система. Због овога се велике гасовите планете налазе даље од Сунца.

[уреди] Употреба изотопа

Постоји неколико примена, које користе својства различитих изотопа датог елемента. Једна од најчешћих примена је трејсер или маркер у техници званој изотопско обележавање. Изотопи датог елемента не могу се разликовати међусобно хемијским методама. Ипак, могу се разликовати коришћењем физичкохемијских метода, рецимо масене спектрометрије (директне разлике у маси), инфрацрвене спекртоскопије (на основу вибрационих фреквенција у молекулу - тежи изотопи вибрирају нижим фреквенцијама од лакших), нуклеарне магнетне резонанције (на основу различитих жиромагнетних односа итд.

Пример коришћења изотопског обележавања је проучавање фенола (C₆H₅OH) у води. Након додавања фенола деутерисаној води (вода која садржи D₂O осим уобичајеног H₂O), истраживачи су приметили супституцију водоника деутеријумом у хидроксилној групи (C₆H₅OD), што значи да се фенол лако подвргава реакцијама размене водоника са водом. Само хидроксилна група је учествовала у реакцији, што значи да осталих 5 водоникових атома не учествују у реакцијама размене.

Изотопска измена се такође може користити да се одреде механизми реакције путем кинетичког изотопског ефекта (kinetic isotope effect).

Осим изотопског обележавања, неколико врста спектроскопије користи јединствена нуклеарна својства посебних изотопа. На пример, нуклеарно магнетно резонантна (НМР) спектроскопија се може користити само за изотопе са нуклеарним спином који није нула (nonzero). Изотопи који се најчешће користе у НМР спектроскопији су ¹H, ²D, ¹³C, и ³¹P. Месбауерова спектроскопија (Mossbauer spectroscopy) се заснива на детектовању нуклеарних прелаза одређених изотопа, рецимо ⁵⁷Fe.

Изотопски састав елемената се разликује од планете до планете. Ова чињеница омогућава да се одреди порекло метеорита. Неки метеорити су класификовани као месечеви или марсови метеорити.

Радиоактивни изотопи такође имају важне примене. Развој нуклеарне енергије и нуклеарног оружја захтевају знатно веће количине одређених изотопа. Процес сепарације изотопа представља значајан технолошки изазов.

Радиоизотопи се такође често користе у медицини, биохемији, и хемији као трејсери. Мале количине радиоизотопа могу лако да се детектују због карактеристичних емисија распадајућег језгра.

Природни радиоактивни распад ¹⁴C омогућава радиоугљенично датирање. Космички зраци стварају изотоп ¹⁴C у атмосфери тако што у судару са језгрима из ваздуха избијају слободне неутроне. Ти неутрони могу језгро азота из молекула азота (N₂) да трансформишу у изотоп угљеника ¹⁴C:

¹n + ¹⁴N → ¹⁴C + ¹p

Овај изотоп се на крају угради у молекул угљендиоксида и тако доспева у биљке, а преко њих и у животиње. Изотоп ¹⁴C се, дакле, у природи стално ствара (због космичких зрака) и распада (због нестабилности) те је његова концентрација у живим организмима константна. Међутим, у неживом свету нема размене угљендиосида те концентрација ¹⁴C опада са временом. Дакле, мерењем преостале радиоактивности ¹⁴C у биолошком узорку, може да се утврди време када је кружење угљеника заустављено (када је животиња угинула, дрво посечено, биљка убрана...).

Због стабилности и природне распрострањености, изотоп ¹²C је изабран као стандард за јединицу атомске масе, (дванаестина масе изотопа ¹²C) а онда такође у дефиницији мола, у основним јединицама СИ система.

[уреди] Види још

Табела изотопа (подељена) - табела свих познатих изотопа
Табела изотопа (комплетна)
Листа честица
Изотопи су нуклиди који имају исти број протона; упореди:
Изотони су нуклиди који имају исти број неутрона.
Изобари су нуклиди кји имају исти масени број то јест збир протона и неутрона.
Нуклеарни Изомери су различита побуђена стања истог типа језгра. Промена једног изомера у други је праћена емисијом или апсорпцијом гама зрака, или процесом интерне конверзије. (не треба мешати са хемијским изомерима.)