stringtranslate.com

Изотоп

Три встречающихся в природе изотопа водорода . Тот факт, что каждый изотоп имеет один протон, делает их всеми вариантами водорода : идентичность изотопа определяется количеством протонов и нейтронов. Слева направо изотопы: протий ( ​​1 H) с нулевым нейтроном, дейтерий ( 2 H) с одним нейтроном и тритий ( ​​3 H) с двумя нейтронами.

Изотопы — это отдельные ядерные разновидности (или нуклиды ) одного и того же химического элемента . Они имеют одинаковый атомный номер (количество протонов в их ядрах ) и положение в таблице Менделеева (и, следовательно, принадлежат к одному и тому же химическому элементу), но различаются числом нуклонов ( массовыми числами ) из-за разного количества нейтронов в их ядрах. Хотя все изотопы данного элемента имеют почти одинаковые химические свойства, они имеют разные атомные массы и физические свойства. [1]

Термин изотоп образован от греческих корней isos (ἴσος «равный») и topos (τόπος «место»), что означает «то же самое место»; таким образом, смысл названия заключается в том, что разные изотопы одного элемента занимают одно и то же положение в таблице Менделеева . [2] Он был придуман шотландским врачом и писательницей Маргарет Тодд в 1913 году по предложению британского химика Фредерика Содди , который в дальнейшем популяризировал этот термин. [3]

Число протонов в ядре атома называется его атомным номером и равно числу электронов в нейтральном (неионизированном) атоме. Каждый атомный номер идентифицирует конкретный элемент, но не изотоп; Атом данного элемента может иметь широкий диапазон числа 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 — это три изотопа элемента 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 равны 6, 7 и 8 соответственно.

Изотоп против нуклида

Нуклид — это разновидность атома с определенным количеством протонов и нейтронов в ядре, например, углерод-13 с 6 протонами и 7 нейтронами. Концепция нуклида (относящаяся к отдельным видам ядер) делает упор на ядерные свойства, а не на химические свойства, тогда как концепция изотопов (группировка всех атомов каждого элемента) делает упор на химические свойства , а не на ядерные. Число нейтронов сильно влияет на свойства ядра, но для большинства элементов его влияние на химические свойства незначительно. Даже для самых легких элементов, отношение числа нейтронов к атомному номеру которых больше всего варьируется между изотопами, обычно это оказывает лишь небольшой эффект, хотя в некоторых обстоятельствах это имеет значение (для водорода, самого легкого элемента, изотопный эффект достаточно велик, чтобы повлиять на биологию). сильно). Термин изотопы (первоначально также изотопные элементы , [4] теперь иногда изотопные нуклиды [5] ) предназначен для обозначения сравнения (например, синонимов или изомеров ). Например, нуклиды12
6С
,13
6С
,14
6С
являются изотопами (нуклидами с одинаковым атомным номером, но разными массовыми числами [6] ), но40
18Ар
,40
19К
,40
20Калифорния
являются изобарами (нуклидами с одинаковым массовым числом [7] ). Однако термин «изотоп» является более старым и поэтому более известен, чем «нуклид» , и до сих пор иногда используется в контекстах, в которых нуклид может быть более подходящим, например, в ядерных технологиях и ядерной медицине .

Обозначения

Изотоп и/или нуклид указывается названием конкретного элемента (оно указывает атомный номер), за которым следует дефис и массовое число (например, гелий-3 , гелий-4 , углерод-12 , углерод-14 , уран- 235 и уран-239 ). [8] Когда используется химический символ , например «C» для углерода, стандартное обозначение (теперь известное как «обозначение AZE», поскольку A — массовое число , Z — атомный номер и E для элемента ) должно указывать массовое число. (число нуклонов) с верхним индексом в левом верхнем углу химического символа и для обозначения атомного номера с нижним индексом в левом нижнем углу (например,3
2Он
,4
2Он
,12
6С
,14
6С
,235
92ты
, и239
92ты
). [9] Поскольку атомный номер задается символом элемента, обычно в верхнем индексе указывают только массовое число и опускают нижний индекс атомного номера (например,3
Он
,4
Он
,12
С
,14
С
,235
ты
, и239
ты
). Буква m иногда добавляется после массового числа, чтобы указать ядерный изомер , метастабильное или энергетически возбужденное ядерное состояние (в отличие от основного состояния с самой низкой энергией ), например180 м
73Та
( тантал-180м ).

Общепринятое произношение обозначения AZE отличается от того, как оно пишется:4
2Он
обычно произносится как гелий-четыре вместо четырех-два-гелия, и235
92ты
как уран два-тридцать пять (американский английский) или уран-два-три-пять (британский) вместо урана-235-92.

Радиоактивные, первичные и стабильные изотопы

Некоторые изотопы/нуклиды радиоактивны и поэтому называются радиоизотопами или радионуклидами , тогда как радиоактивный распад других никогда не наблюдался и называется стабильными изотопами или стабильными нуклидами . Например,14
С
представляет собой радиоактивную форму углерода, тогда как12
С
и13
С
являются стабильными изотопами. На Земле существует около 339 встречающихся в природе нуклидов, [10] из которых 286 являются первичными нуклидами , то есть они существовали с момента образования Солнечной системы .

Первичные нуклиды включают 35 нуклидов с очень длительным периодом полураспада (более 100 миллионов лет) и 251, которые формально считаются « стабильными нуклидами », [10] поскольку их распад не наблюдался. В большинстве случаев, по очевидным причинам, если элемент имеет стабильные изотопы, эти изотопы преобладают в содержании элементов, обнаруженных на Земле и в Солнечной системе. Однако в случае трех элементов ( теллур , индий и рений ) наиболее распространенным изотопом, обнаруженным в природе, на самом деле является один (или два) чрезвычайно долгоживущих радиоизотопа(ов) элемента, несмотря на то, что эти элементы имеют один или несколько стабильных изотопы.

Теория предсказывает, что многие, казалось бы, «стабильные» нуклиды радиоактивны с чрезвычайно длительным периодом полураспада (без учета возможности распада протона , который сделал бы все нуклиды в конечном итоге нестабильными). Некоторые стабильные нуклиды теоретически энергетически восприимчивы к другим известным формам распада, таким как альфа-распад или двойной бета-распад, но продуктов распада еще не наблюдалось, и поэтому эти изотопы называются «наблюдательно стабильными». Прогнозируемые периоды полураспада этих нуклидов часто значительно превышают предполагаемый возраст Вселенной, и фактически существует также 31 известный радионуклид (см. Первичный нуклид ) с периодом полураспада, превышающим возраст Вселенной.

Если добавить к этому радиоактивные нуклиды, созданные искусственно, то в настоящее время известно 3339 нуклидов . [11] К ним относятся 905 нуклидов, которые либо стабильны, либо имеют период полураспада более 60 минут. Подробности смотрите в списке нуклидов .

История

Радиоактивные изотопы

Существование изотопов было впервые предложено в 1913 году радиохимиком Фредериком Содди на основе исследований цепочек радиоактивного распада , которые указали на наличие около 40 различных видов, называемых радиоэлементами (т. е. радиоактивными элементами) между ураном и свинцом, хотя таблица Менделеева допускала только 11 элементы между свинцом и ураном включительно. [12] [13] [14]

Несколько попыток химически разделить эти новые радиоэлементы не увенчались успехом. [15] Например, Содди в 1910 году показал, что мезоторий (позже выяснилось, что это 228 Ra), радий ( 226 Ra, самый долгоживущий изотоп) и торий X ( 224 Ra) невозможно разделить. [16] Попытки поместить радиоэлементы в периодическую таблицу Менделеева привели к тому, что Содди и Казимеж Фаянс независимо друг от друга предложили в 1913 году свой закон радиоактивного смещения , согласно которому альфа-распад производил элемент на два места левее в периодической таблице, тогда как бета-распад испускал элемент . создал элемент на одну позицию вправо. [17] [18] [19] [20] Содди признал, что испускание альфа-частицы, за которой последовали две бета-частицы, привело к образованию элемента, химически идентичного исходному элементу, но с массой на четыре единицы легче и с другими радиоактивными свойствами. .

Содди предположил, что одно и то же место в таблице могло занимать несколько типов атомов (различающихся по радиоактивным свойствам). [14] Например, при альфа-распаде урана-235 образуется торий-231, тогда как при бета-распаде актиния-230 образуется торий-230. [15] Термин «изотоп», по-гречески «в том же месте», [14] был предложен Содди Маргарет Тодд , шотландским врачом и другом семьи, во время разговора, в котором он объяснил ей свои идеи. [16] [21] [22] [23] [24] [25] Он получил Нобелевскую премию по химии 1921 года частично за свою работу по изотопам. [26]

В правом нижнем углу фотопластинки Дж. Дж. Томсона находятся отдельные следы ударов двух изотопов неона : неона-20 и неона-22.

В 1914 году Т.В. Ричардс обнаружил различия между атомным весом свинца из разных минеральных источников, обусловленные различиями в изотопном составе из-за различного радиоактивного происхождения. [15] [26]

Стабильные изотопы

Первые свидетельства существования нескольких изотопов стабильного (нерадиоактивного) элемента были обнаружены Дж. Дж. Томсоном в 1912 году в рамках его исследования состава канальных лучей (положительных ионов). [27] [28] Томсон направлял потоки ионов неона через параллельные магнитные и электрические поля, измерял их отклонение, помещая на их пути фотографическую пластинку, и вычислял отношение их массы к заряду, используя метод, который стал известен как метод параболы Томсона. Каждый поток создавал светящееся пятно на пластине в том месте, где он ударялся. Томсон наблюдал на фотопластинке два отдельных параболических блика (см. изображение), что свидетельствовало о наличии двух видов ядер с разным отношением массы к заряду.

Впоследствии Ф. В. Астон с помощью масс-спектрографа обнаружил несколько стабильных изотопов многих элементов . В 1919 году Астон изучил неон с достаточным разрешением , чтобы показать, что массы двух изотопов очень близки к целым числам 20 и 22 и что ни одна из них не равна известной молярной массе (20,2) газа неона. Это пример правила целых чисел Астона для изотопных масс, которое гласит, что большие отклонения молярных масс элементов от целых чисел в первую очередь связаны с тем, что элемент представляет собой смесь изотопов. Астон аналогичным образом показал в 1920 году, что молярная масса хлора (35,45) представляет собой средневзвешенное значение почти целых масс двух изотопов 35 Cl и 37 Cl. [29] [30]

Изменение свойств между изотопами

Химические и молекулярные свойства

Нейтральный атом имеет такое же количество электронов, как и протоны. Таким образом, все изотопы одного и того же элемента имеют одинаковое количество электронов и имеют схожую электронную структуру. Поскольку химическое поведение атома во многом определяется его электронной структурой, разные изотопы демонстрируют почти одинаковое химическое поведение.

Основным исключением из этого правила является кинетический изотопный эффект : из-за своей большей массы более тяжелые изотопы имеют тенденцию реагировать несколько медленнее, чем более легкие изотопы того же элемента. Наиболее ярко это проявляется для протия (1
ЧАС
), дейтерий (2
ЧАС
) и тритий (3
ЧАС
), потому что дейтерий имеет массу в два раза больше протия, а тритий — в три раза больше массы протия. [31] Эти различия в массах также влияют на поведение соответствующих химических связей, изменяя центр тяжести ( приведенную массу ) атомных систем. Однако для более тяжелых элементов относительная разница масс между изотопами намного меньше, поэтому влияние разницы масс на химию обычно незначительно. (Тяжелые элементы также имеют относительно больше нейтронов, чем более легкие элементы, поэтому отношение ядерной массы к коллективной электронной массе немного больше.) Существует также равновесный изотопный эффект .

Периоды полураспада изотопов. Z = количество протонов. N = количество нейтронов. График стабильных изотопов отклоняется от линии Z = N по мере увеличения номера элемента Z.

Точно так же две молекулы , которые различаются только изотопами своих атомов ( изотопологами ), имеют идентичную электронную структуру и, следовательно, почти неразличимые физические и химические свойства (опять же, за исключением дейтерия и трития). Моды колебаний молекулы определяются ее формой и массами составляющих ее атомов; поэтому разные изотопологи имеют разные наборы колебательных мод. Поскольку колебательные моды позволяют молекуле поглощать фотоны соответствующих энергий, изотопологи обладают разными оптическими свойствами в инфракрасном диапазоне.

Ядерные свойства и стабильность

Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, связанных между собой остаточной сильной силой . Поскольку протоны заряжены положительно, они отталкивают друг друга. Нейтроны, которые электрически нейтральны, стабилизируют ядро ​​двумя способами. Их совместное присутствие слегка раздвигает протоны, уменьшая электростатическое отталкивание между протонами, и они оказывают ядерное притяжение друг на друга и на протоны. По этой причине для связывания двух или более протонов в ядро ​​необходим один или несколько нейтронов. По мере увеличения числа протонов увеличивается и соотношение нейтронов к протонам, необходимое для обеспечения стабильности ядра (см. график справа). Например, хотя соотношение нейтрон:протон3
2Он
составляет 1:2, соотношение нейтрон:протон238
92ты
больше 3:2. Ряд более легких элементов имеет стабильные нуклиды с соотношением 1:1 ( Z = N ). Нуклид40
20Калифорния
(кальций-40) по наблюдениям является самым тяжелым стабильным нуклидом с одинаковым количеством нейтронов и протонов. Все стабильные нуклиды тяжелее кальция-40 содержат больше нейтронов, чем протонов.

Количество изотопов на элемент

Из 80 элементов, имеющих стабильный изотоп, наибольшее количество стабильных изотопов, наблюдаемое для любого элемента, равно десяти (для элемента олово ). Ни один элемент не имеет девяти или восьми стабильных изотопов. Пять элементов имеют семь стабильных изотопов, восемь — шесть стабильных изотопов, десять — пять стабильных изотопов, девять — четыре стабильных изотопа, пять — три стабильных изотопа, 16 — два стабильных изотопа (считая180 м
73Та
как стабильные), а 26 элементов имеют только один стабильный изотоп (из них 19 являются так называемыми мононуклидными элементами , имеющими единственный первичный стабильный изотоп, который доминирует и фиксирует атомный вес природного элемента с высокой точностью; 3 радиоактивных мононуклидных элемента тоже случаются). [32] Всего существует 251 нуклид, распад которых не наблюдался. Для 80 элементов, имеющих один или несколько стабильных изотопов, среднее количество стабильных изотопов составляет 251/80 ≈ 3,14 изотопов на элемент.

Четные и нечетные числа нуклонов

Соотношение протон:нейтрон — не единственный фактор, влияющий на ядерную стабильность. Оно зависит также от четности или нечетности его атомного номера Z , числа нейтронов N и, следовательно, их суммы, массового числа A. Нечетность как Z , так и N имеет тенденцию снижать энергию связи ядра , что делает нечетные ядра, как правило, менее стабильными. Эта замечательная разница в энергии связи между соседними ядрами, особенно нечетными изобарами A , имеет важные последствия: нестабильные изотопы с неоптимальным числом нейтронов или протонов распадаются путем бета-распада (включая эмиссию позитронов ), захвата электронов или другого менее распространенного распада. такие режимы, как спонтанное деление и распад кластера .

Наиболее стабильными нуклидами являются четные протоны и четные нейтроны, где все числа Z , N и A четные. Стабильные нуклиды с нечетным А делятся (примерно поровну) на нуклиды с нечетным протоном и четным нейтроном и с нуклидом с четным протоном и нечетным нейтроном. Стабильные нуклиды с нечетным протоном и нечетным нейтроном встречаются реже всего.

Четный атомный номер

146 нуклидов с четными протонами и четными нейтронами (EE) составляют ~ 58% всех стабильных нуклидов, и все они имеют спин 0 из-за спаривания. Также имеется 24 первичных долгоживущих четно-четных нуклида. В результате каждый из 41 четного элемента от 2 до 82 имеет хотя бы один стабильный изотоп , причем большинство этих элементов имеют несколько первичных изотопов. Половина этих четных элементов имеет шесть или более стабильных изотопов. Чрезвычайная стабильность гелия-4 благодаря двойной паре 2 протонов и 2 нейтронов предотвращает появление любых нуклидов, содержащих пять (5
2Он
,5
3Ли
) или восемь (8
4Быть
) нуклоны существуют достаточно долго, чтобы служить платформами для накопления более тяжелых элементов посредством ядерного синтеза в звездах (см. Тройной альфа-процесс ).

Только пять стабильных нуклидов содержат как нечетное число протонов , так и нечетное число нейтронов. Первые четыре «нечетных» нуклида встречаются в нуклидах малой массы, для которых замена протона на нейтрон или наоборот привела бы к очень однобокому протон-нейтронному соотношению (2
1ЧАС
,6
3Ли
,10
5Б
, и14
7Н
; спины 1, 1, 3, 1). Единственный другой полностью «стабильный» нечетно-нечетный нуклид,180 м
73Та
(спин 9), считается самым редким из 251 стабильного нуклида и единственным первичным ядерным изомером , распад которого еще не наблюдался, несмотря на экспериментальные попытки. [33]

Известно множество странных радионуклидов (таких как основное состояние тантала-180) со сравнительно коротким периодом полураспада. Обычно они подвергаются бета-распаду до ближайших четно-четных изобар , в которых есть спаренные протоны и спаренные нейтроны. Из девяти первичных нечетно-нечетных нуклидов (пять стабильных и четыре радиоактивных с длительным периодом полураспада) только14
7Н
является наиболее распространенным изотопом общего элемента. Это так, потому что это часть цикла CNO . Нуклиды6
3Ли
и10
5Б
представляют собой второстепенные изотопы элементов, которые сами по себе редки по сравнению с другими легкими элементами, тогда как остальные шесть изотопов составляют лишь небольшой процент естественного содержания их элементов.

Нечетный атомный номер

53 стабильных нуклида имеют четное число протонов и нечетное количество нейтронов. Их меньшинство по сравнению с четно-четными изотопами, которых примерно в 3 раза больше. Среди 41 четно- Z -элемента, имеющего стабильный нуклид, только два элемента (аргон и церий) не имеют четно-нечетных стабильных нуклидов. У одного элемента (олова) их три. Существует 24 элемента, имеющих один четно-нечетный нуклид, и 13 элементов, имеющих два нечетно-четных нуклида. Из 35 первичных радионуклидов существует четыре четно-нечетных нуклида (см. таблицу справа), включая делящийся 235
92ты
. Из-за нечетного числа нейтронов четно-нечетные нуклиды имеют тенденцию иметь большие сечения захвата нейтронов из-за энергии, возникающей в результате эффектов спаривания нейтронов. Эти стабильные нуклиды с четными протонами и нечетными нейтронами, как правило, необычны по распространенности в природе, главным образом потому, что для того, чтобы сформироваться и войти в изначальное изобилие, они должны были избежать захвата нейтронов, чтобы сформировать еще другие стабильные четно-четные изотопы, в течение как процесс и r-процесс захвата нейтронов при нуклеосинтезе в звездах . По этой причине только195
78Пт
и9
4Быть
являются наиболее распространенными в природе изотопами своего элемента.

48 стабильных нуклидов нечетных протонов и четных нейтронов, стабилизированных парными нейтронами, образуют большую часть стабильных изотопов нечетных элементов; остальные составляют очень немногие нуклиды с нечетными протонами и нечетными нейтронами. Существует 41 нечетный элемент с Z = от 1 до 81, из которых 39 имеют стабильные изотопы ( технеций (
43Тс
) и прометий (
61Вечера
) не имеют стабильных изотопов). Из этих 39 нечетных Z- элементов 30 элементов (включая водород-1, где 0 нейтронов — четное ) имеют один стабильный нечетно-четный изотоп, а девять элементов: хлор (
17кл.
), калий (
19К
), медь (
29Cu
), галлий (
31Га
), бром (
35Бр
), серебро (
47Аг
), сурьма (
51Сб
), иридий (
77ИК
) и таллий (
81Тл
), имеют по два нечетно-четных стабильных изотопа. Всего получается 30 + 2(9) = 48 стабильных нечетно-четных изотопов.

Существует также пять первичных долгоживущих радиоактивных нечетно-четных изотопов:87
37руб.
,115
49В
,187
75Ре
,151
63Евросоюз
, и209
83Би
. Лишь недавно было обнаружено, что последние два распадаются с периодом полураспада более 10 18 лет.

Нечетное число нейтронов

Актиниды с нечетным числом нейтронов обычно делятся (с тепловыми нейтронами ), тогда как актиниды с четным числом нейтронов обычно не делятся, хотя они делятся быстрыми нейтронами . Все наблюдаемо стабильные нечетно-нечетные нуклиды имеют ненулевой целочисленный спин. Это связано с тем, что одиночный неспаренный нейтрон и неспаренный протон имеют большее ядерное притяжение друг к другу, если их спины выровнены (с общим вращением не менее 1 единицы), а не противонаправлены. См. простейший случай такого ядерного поведения в дейтерии .

Только195
78Пт
,9
4Быть
, и14
7Н
имеют нечетное число нейтронов и являются наиболее распространенным в природе изотопом своего элемента.

Встречаемость в природе

Элементы состоят либо из одного нуклида ( мононуклидные элементы ), либо из более чем одного встречающегося в природе изотопа. Нестабильные (радиоактивные) изотопы бывают первичными или постпримордиальными. Первичные изотопы были продуктом звездного нуклеосинтеза или другого типа нуклеосинтеза, такого как расщепление космических лучей , и сохранились до настоящего времени, поскольку скорость их распада очень медленная (например, уран-238 и калий-40 ). Постпервичные изотопы были созданы в результате бомбардировки космическими лучами в виде космогенных нуклидов (например, тритий , углерод-14 ) или в результате распада радиоактивного первичного изотопа до радиоактивного дочернего радиогенного нуклида (например, урана до радия ). Некоторые изотопы естественным образом синтезируются в виде нуклеогенных нуклидов в результате какой-либо другой естественной ядерной реакции , например, когда нейтроны естественного ядерного деления 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 встречаются на Земле в природе в виде нескольких стабильных изотопов, при этом наибольшее количество стабильных изотопов для одного элемента составляет десять, для олова (
50Сн
). В природе на Земле обнаружено около 94 элементов (вплоть до плутония включительно), хотя некоторые из них обнаруживаются лишь в очень небольших количествах, например плутоний-244 . По оценкам ученых, элементы, которые встречаются на Земле в природе (некоторые только в виде радиоизотопов), в общей сложности встречаются в виде 339 изотопов ( нуклидов ). [34] Только 251 из этих встречающихся в природе нуклидов стабильны, то есть на сегодняшний день их распад никогда не наблюдался. Еще 35 первичных нуклидов (всего 286 первичных нуклидов) радиоактивны с известным периодом полураспада, но имеют период полураспада более 100 миллионов лет, что позволяет им существовать с самого начала Солнечной системы. Подробности смотрите в списке нуклидов .

Все известные стабильные нуклиды встречаются на Земле в природе; другие нуклиды естественного происхождения радиоактивны, но встречаются на Земле из-за их относительно длительного периода полураспада или из-за других способов продолжающегося естественного производства. К ним относятся вышеупомянутые космогенные нуклиды , нуклеогенные нуклиды и любые радиогенные нуклиды, образующиеся в результате продолжающегося распада первичного радиоактивного нуклида, такого как радон и радий из урана.

Еще около 3000 радиоактивных нуклидов, не встречающихся в природе, были созданы в ядерных реакторах и ускорителях частиц. Многие короткоживущие нуклиды, не встречающиеся в природе на Земле, также наблюдались с помощью спектроскопического анализа, поскольку они естественным образом создаются в звездах или сверхновых . Примером является алюминий-26 , который в природе не встречается на Земле, но встречается в изобилии в астрономических масштабах.

Табличные атомные массы элементов представляют собой средние значения, учитывающие наличие нескольких изотопов с разными массами. До открытия изотопов эмпирически определяемые нецелые значения атомной массы приводили ученых в замешательство. 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 , при Большом взрыве были созданы только изотопы водорода и гелия, следы некоторых изотопов лития и бериллия и, возможно, немного бора, тогда как все остальные нуклиды были синтезированы позже, в звездах и сверхновых, а также в взаимодействия между энергичными частицами, такими как космические лучи, и ранее образовавшимися нуклидами. ( Подробную информацию о различных процессах, которые, как считается, ответственны за производство изотопов, см. в разделе «Нуклеосинтез» .) Соответствующее содержание изотопов на Земле является результатом количества, образованного этими процессами, их распространения по галактике и скорости распада нестабильных изотопов. После первоначального слияния Солнечной системы изотопы перераспределились по массе, и изотопный состав элементов незначительно варьируется от планеты к планете. Иногда это позволяет проследить происхождение метеоритов .

Атомная масса изотопов

Атомная масса ( m r ) изотопа (нуклида) определяется главным образом его массовым числом (т. е. числом нуклонов в его ядре). Небольшие поправки обусловлены энергией связи ядра (см. Дефект массы ), небольшой разницей в массе между протоном и нейтроном и массой электронов, связанных с атомом, последнее потому, что соотношение электронов: нуклонов различается среди изотопов.

Массовое число является безразмерной величиной . Атомная масса, с другой стороны, измеряется с использованием единицы атомной массы , основанной на массе атома углерода-12. Обозначается символами «u» (единая атомная единица массы) или «Да» (далтон ) .

Атомные массы встречающихся в природе изотопов элемента определяют стандартный атомный вес элемента. Когда элемент содержит N изотопов, для средней атомной массы применяется приведенное ниже выражение :

где m 1 , m 2 , ..., m N — атомные массы каждого отдельного изотопа, а x 1 , ..., x N — относительные содержания этих изотопов.

Применение изотопов

Очистка изотопов

Существует несколько приложений, в которых используются свойства различных изотопов данного элемента. Разделение изотопов является серьезной технологической задачей, особенно в случае тяжелых элементов, таких как уран или плутоний. Более легкие элементы, такие как литий, углерод, азот и кислород, обычно разделяются путем газовой диффузии их соединений, таких как CO и NO. Разделение водорода и дейтерия необычно, поскольку оно основано на химических, а не на физических свойствах, например, в сульфидном процессе Гирдлера . Изотопы урана разделялись в массе с помощью газовой диффузии, газового центрифугирования, лазерно-ионизационного разделения и (в Манхэттенском проекте ) с помощью типа производственной масс-спектрометрии .

Использование химических и биологических свойств

Использование ядерных свойств

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Херцог, Грегори Ф. (2 июня 2020 г.). "Изотоп". Британская энциклопедия.
  2. ↑ Содди, Фредерик (12 декабря 1922 г.). «Истоки представлений об изотопах» (PDF) . Нобелевская премия . п. 393 . Проверено 9 января 2019 г. Таким образом, химически идентичные элементы — или изотопы, как я впервые назвал их в этом письме к Природе, потому что они занимают одно и то же место в Таблице Менделеева…
  3. ^ «изотоп - происхождение и значение». www.etymonline.com . Проверено 21 октября 2021 г.
  4. ^ Содди, Фредерик (1913). «Внутриатомный заряд». Природа . 92 (2301): 399–400. Бибкод : 1913Natur..92..399S. дои : 10.1038/092399c0. S2CID  3965303.
  5. ^ «Красная книга IUPAP» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 18 марта 2015 г. Проверено 6 января 2018 г.
  6. ^ Золотая книга ИЮПАК
  7. ^ Золотая книга ИЮПАК
  8. ^ ИЮПАК (Коннелли, Н.Г.; Дамхус, Т.; Хартшорн, Р.М.; и Хаттон, А.Т.), Номенклатура неорганической химии - Рекомендации ИЮПАК 2005 г., Королевское химическое общество, 2005 г.; ИЮПАК (МакКлеверти, Дж. А. и Коннелли, Н. Г.), Номенклатура неорганической химии II. Рекомендации 2000 г. , Королевское химическое общество, 2001 г.; ИЮПАК (Ли, Дж. Дж.), Номенклатура неорганической химии (рекомендации 1990 г.) , Blackwell Science, 1990 г.; ИЮПАК, Номенклатура неорганической химии, второе издание. Архивировано 3 марта 2016 г. в Wayback Machine , 1970; вероятно, также и в первом издании 1958 года.
  9. ↑ Эти обозначения, по-видимому, были введены во второй половине 1930-х годов. До этого использовались различные обозначения, такие как Ne(22) для неона-22 (1934 г.), Ne22 для неона-22 (1935 г.) или даже Pb210 для свинца-210 (1933 г.).
  10. ^ ab «Радиоактивные вещества, пропавшие с Земли».[ мертвая ссылка ]
  11. ^ "Описание NuDat 2" . Проверено 2 января 2016 г.
  12. ^ Чоппин, Г.; Лильензин Дж. О. и Ридберг Дж. (1995 г.) Радиохимия и ядерная химия (2-е изд.), Баттерворт-Хейнеманн, стр. 3–5.
  13. ^ Другие также предположили возможность существования изотопов; например:
    • Стрёмхольм, Даниэль и Сведберг, Теодор (1909) «Untersuchungen über die Chemie der Radioactiven Grundstoffe II». (Исследования по химии радиоактивных элементов, часть 2), Zeitschrift für anorganischen Chemie , 63 : 197–206; особенно см. стр. 206.
    • Александр Томас Кэмерон, Радиохимия (Лондон, Англия: JM Dent & Sons, 1910), с. 141. (Кэмерон также предвидел закон о перемещении.)
  14. ^ abc Лей, Вилли (октябрь 1966 г.). «Отложенное открытие». Довожу до вашего сведения. Галактическая научная фантастика . стр. 116–127.
  15. ^ abc Scerri, Эрик Р. (2007) Периодическая таблица Oxford University Press, стр. 176–179 ISBN 0-19-530573-6 
  16. ^ аб Нагель, Мириам К. (1982). «Фредерик Содди: от алхимии к изотопам». Журнал химического образования . 59 (9): 739–740. Бибкод : 1982JChEd..59..739N. дои : 10.1021/ed059p739.
  17. ^ Казимир Фаянс (1913) «Über eine Beziehung zwischen der Art einer radioaktiven Umwandlung und dem elektrochemischen Verhalten der betreffenden Radioelemente» (О связи между типом радиоактивного превращения и электрохимическим поведением соответствующих радиоактивных элементов), Physikalische Zeitschrift , 14 : 131–136.
  18. ^ Содди объявил о своем «законе перемещения» в: Содди, Фредерик (1913). «Радиоэлементы и периодический закон». Природа . 91 (2264): 57–58. Бибкод :1913Natur..91...57S. дои : 10.1038/091057a0. S2CID  3975657..
  19. ^ Содди разработал свой закон смещения в: Содди, Фредерик (1913) «Радиоактивность», Годовой отчет химического общества , 10 : 262–288.
  20. ^ Александр Смит Рассел (1888–1972) также опубликовал закон смещения: Рассел, Александр С. (1913) «Периодическая система и радиоэлементы», Chemical News and Journal of Industrial Science , 107 : 49–52.
  21. ↑ Содди впервые использовал слово «изотоп» в: Soddy, Frederick (1913). «Внутриатомный заряд». Природа . 92 (2301): 399–400. Бибкод : 1913Natur..92..399S. дои : 10.1038/092399c0. S2CID  3965303.
  22. ^ Флек, Александр (1957). «Фредерик Содди». Биографические мемуары членов Королевского общества . 3 : 203–216. дои : 10.1098/rsbm.1957.0014 . п. 208: До 1913 года мы использовали фразу «радиоэлементы, химически неразделимые», и в то время слово «изотоп» было предложено в дискуссии в гостиной с доктором Маргарет Тодд в доме тестя Содди, сэра Джорджа . Бейлби .
  23. ^ Будзикевич Х., Григсби Р.Д. (2006). «Масс-спектрометрия и изотопы: век исследований и дискуссий». Обзоры масс-спектрометрии . 25 (1): 146–57. Бибкод : 2006MSRv...25..146B. дои : 10.1002/mas.20061. ПМИД  16134128.
  24. ^ Скерри, Эрик Р. (2007) Периодическая таблица , Oxford University Press, ISBN 0-19-530573-6 , гл. 6, примечание 44 (стр. 312) со ссылкой на Александра Флека , описанного как бывший ученик Содди. 
  25. ↑ В своей книге 1893 года Уильям Т. Прейер также использовал слово «изотоп» для обозначения сходства между элементами. Из стр. 9 Уильяма Т. Прейера, Das Genetische System der chemischen Elemente [Генетическая система химических элементов] (Берлин, Германия: R. Friedländer & Sohn, 1893): «Die ersteren habe ich der Kürze wegen isotope Elemente genannt, weil sie in jedem der sieben Stämmme der gleichen Ort, nämlich Dieselbe Stuffe, einnehmen». (Для краткости я назвал бывшие «изотопными» элементы, поскольку они занимают одно и то же место в каждом из семи семейств [т. е. столбцов таблицы Менделеева], а именно одну и ту же ступень [т. е. строку периодической таблицы стол].)
  26. ^ ab Истоки концепций изотопов Фредерик Содди, лекция Нобелевской премии
  27. ^ Томсон, Джей-Джей (1912). «XIX. Дальнейшие эксперименты с положительными лучами». Философский журнал . Серия 6. 24 (140): 209–253. дои : 10.1080/14786440808637325.
  28. ^ Томсон, Джей-Джей (1910). «LXXXIII. Лучи положительного электричества». Философский журнал . Серия 6. 20 (118): 752–767. дои : 10.1080/14786441008636962.
  29. ^ Астон, ФРВ (1920). «Изотопы и атомные массы». Природа . 105 (2646): 617–619. дои : 10.1038/105617a0. S2CID  4267919.
  30. ^ Масс-спектры и изотопы Фрэнсис В. Астон, лекция на Нобелевскую премию 1922 г.
  31. ^ Лейдлер, Кейт (1987). Химическая кинетика (3-е изд.). Индия: Pearson Education. п. 427. ИСБН 978-81-317-0972-6.
  32. ^ Сонцогни, Алехандро (2008). «Интерактивная карта нуклидов». Национальный центр ядерных данных: Брукхейвенская национальная лаборатория. Архивировано из оригинала 10 октября 2018 г. Проверено 3 мая 2013 г.
  33. ^ Хульт, Микаэль; Вислендер, Дж. С.; Мариссенс, Герд; Гаспарро, Жоэль; Вятен, Уве; Мисиашек, Марцин (2009). «Поиск радиоактивности 180mTa с помощью подземного сэндвич-спектрометра HPGe». Прикладное излучение и изотопы . 67 (5): 918–21. doi : 10.1016/j.apradiso.2009.01.057. ПМИД  19246206.
  34. ^ «Радиоактивные вещества, пропавшие с Земли» . Проверено 16 июня 2012 г.
  35. ^ Джамин, Эрик; Герен, Режис; Ретиф, Мелинда; Лис, Мишель; Мартин, Жерар Ж. (2003). «Улучшенное обнаружение добавленной воды в апельсиновом соке путем одновременного определения соотношений изотопов кислорода-18/кислорода-16 в воде и этаноле, полученных из сахаров». Дж. Агрик. Пищевая хим. 51 (18): 5202–6. дои : 10.1021/jf030167m. ПМИД  12926859.
  36. ^ Трейман, АХ; Глисон, доктор медицинских наук; Богард, Д.Д. (2000). «Метеориты SNC с Марса». Планета. Космическая наука. 48 (12–14): 1213. Бибкод : 2000P&SS...48.1213T. дои : 10.1016/S0032-0633(00)00105-7.
  37. ^ Диган, Фрэнсис М.; Тролль, Валентин Р.; Уайтхаус, Мартин Дж.; Джолис, Эстер М.; Фреда, Кармела (4 августа 2016 г.). «Фракционирование изотопов бора в магме посредством растворения карбонатов коры». Научные отчеты . 6 (1): 30774. Бибкод : 2016NatSR...630774D. дои : 10.1038/srep30774. ISSN  2045-2322. ПМЦ 4973271 . ПМИД  27488228. 

Внешние ссылки