Изотоп

Разные атомы одного и того же элемента

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

Изотопы — это различные ядерные виды (или нуклиды ) одного и того же химического элемента . Они имеют одинаковый атомный номер (число протонов в их ядрах ) и положение в периодической таблице (и, следовательно, принадлежат к одному и тому же химическому элементу), но разные нуклонные числа ( массовые числа ) из-за разного числа нейтронов в их ядрах. Хотя все изотопы данного элемента имеют схожие химические свойства, они имеют разные атомные массы и физические свойства. ^[1]

Термин «изотоп» происходит от греческих корней isos (ἴσος «равный») и topos (τόπος «место»), что означает «одно и то же место»; таким образом, смысл названия заключается в том, что различные изотопы одного элемента занимают одно и то же положение в периодической таблице . ^[2] Он был придуман шотландским врачом и писательницей Маргарет Тодд в 1913 году в предложении британскому химику Фредерику Содди , который популяризировал этот термин. ^[3]

Число протонов в ядре атома называется его атомным числом и равно числу электронов в нейтральном (неионизированном) атоме. Каждое атомное число идентифицирует определенный элемент, но не изотоп; атом данного элемента может иметь широкий диапазон числа нейтронов . Число нуклонов (как протонов, так и нейтронов) в ядре является массовым числом атома , и каждый изотоп данного элемента имеет различное 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 числом протонов и нейтронов в ядре, например, углерод-13 с 6 протонами и 7 нейтронами. Концепция нуклида (относящаяся к отдельным ядерным видам) подчеркивает ядерные свойства по сравнению с химическими свойствами, тогда как концепция изотопа (группировка всех атомов каждого элемента) подчеркивает химические свойства по сравнению с ядерными. Число нейтронов сильно влияет на ядерные свойства, но его влияние на химические свойства незначительно для большинства элементов. Даже для самых легких элементов, чье отношение числа нейтронов к атомному номеру больше всего варьируется между изотопами, оно обычно оказывает лишь небольшое влияние, хотя в некоторых обстоятельствах имеет значение (для водорода, самого легкого элемента, изотопный эффект достаточно велик, чтобы сильно влиять на биологию). Термин изотопы (первоначально также изотопные элементы ^[4] , теперь иногда изотопные нуклиды ^[5] ) подразумевает сравнение (как синонимы или изомеры ). Например, нуклиды¹²
₆С
,¹³
₆С
,¹⁴
₆С
являются изотопами (нуклидами с одинаковым атомным номером, но разными массовыми числами ^[6] ), но⁴⁰
₁₈Ар
,⁴⁰
₁₉К
,⁴⁰
₂₀Ca
являются изобарами (нуклидами с одинаковым массовым числом ^[7] ). Однако изотоп — более старый термин, поэтому он более известен, чем нуклид , и иногда используется в контекстах, в которых термин нуклид может быть более подходящим, например, в ядерной технологии и ядерной медицине .

Обозначение

Изотоп и/или нуклид указывается по названию конкретного элемента (это 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, стандартная нотация (теперь известная как «нотация AZE», поскольку A — это массовое число , Z — атомный номер , а E — элемент ) должна указывать массовое число (число нуклонов) с помощью надстрочного индекса в левом верхнем углу химического символа и указывать атомный номер с помощью подстрочного индекса в левом нижнем углу (например,³
₂Он
,⁴
₂Он
,¹²
₆С
,¹⁴
₆С
,²³⁵
₉₂У
, и²³⁹
₉₂У
). ^[9] Поскольку атомный номер задается символом элемента, обычно в верхнем индексе указывают только массовое число, а нижний индекс атомного номера опускают (например,³
Он
,⁴
Он
,¹²
С
,¹⁴
С
,²³⁵
У
, и²³⁹
У
). Буква m (от metastable — метастабильный) иногда добавляется после массового числа, чтобы указать на ядерный изомер , метастабильное или энергетически возбужденное состояние ядра (в отличие от основного состояния с самой низкой энергией ), например^180м
₇₃Та
( тантал-180м ).

Общепринятое произношение обозначения AZE отличается от его написания:⁴
₂Он
обычно произносится как гелий-четыре вместо четыре-два-гелий, и²³⁵
₉₂У
как уран два-тридцать пять (американский английский) или уран-два-три-пять (британский) вместо 235-92-уран.

Радиоактивные, первичные и стабильные изотопы

Некоторые изотопы/нуклиды радиоактивны и поэтому называются радиоизотопами или радионуклидами , тогда как другие никогда не наблюдались в радиоактивном распаде и называются стабильными изотопами или стабильными нуклидами . Например,¹⁴
С
является радиоактивной формой углерода, тогда как¹²
С
и¹³
С
являются стабильными изотопами. На Земле существует около 339 естественных нуклидов, ^[10] из которых 286 являются первичными нуклидами , что означает, что 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 элементарном изотопе, обнаруженном 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 изотопов.

Теория предсказывает, что многие, по-видимому, «стабильные» нуклиды являются радиоактивными, с чрезвычайно долгим периодом полураспада (исключая возможность распада протона , который сделал бы все нуклиды в конечном итоге нестабильными). Некоторые стабильные нуклиды в теории энергетически восприимчивы к другим известным формам распада, таким как альфа-распад или двойной бета-распад, но продукты распада пока не наблюдались, и поэтому эти изотопы считаются «наблюдательно стабильными». Предсказанные периоды полураспада для этих нуклидов часто значительно превышают предполагаемый возраст Вселенной, и на самом деле, также известно 31 радионуклид (см. первичный нуклид ) с периодом полураспада, превышающим возраст Вселенной.

Если добавить радиоактивные нуклиды, созданные искусственно, то в настоящее время известно 3339 нуклидов . ^[11] Среди них 905 нуклидов, которые либо стабильны, либо имеют период полураспада более 60 минут. Подробности см. в списке нуклидов .

История

Радиоактивные изотопы

Существование изотопов было впервые предположено в 1913 году радиохимиком Фредериком Содди на основе исследований цепочек радиоактивного распада , которые выявили около 40 различных видов, называемых радиоэлементами (т.е. радиоактивными элементами) между ураном и свинцом, хотя периодическая таблица допускала только 11 элементов между свинцом и ураном включительно. ^{[12] [13] [14]}

Несколько попыток разделить эти новые радиоэлементы химическим путем потерпели неудачу. ^[15] Например, в 1910 году Содди показал, что мезоторий (позже было показано, что это ²²⁸ Ra), радий ( ²²⁶ Ra, самый долгоживущий изотоп) и торий X ( ²²⁴ Ra) невозможно разделить. ^[16] Попытки разместить радиоэлементы в периодической таблице привели Содди и Казимежа Фаянса независимо друг от друга к предложению в 1913 году закона радиоактивного смещения , согласно которому альфа-распад производит элемент, расположенный на две позиции левее в периодической таблице, тогда как испускание бета-распада производит элемент, расположенный на одну позицию правее. ^{[17] [18] [19] [20]} Содди осознал, что испускание альфа-частицы, за которым следуют две бета-частицы, приводит к образованию элемента, химически идентичного исходному элементу, но с массой на четыре единицы легче и с другими радиоактивными свойствами.

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

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

В 1914 году Т. У. Ричардс обнаружил различия в атомном весе свинца из разных минеральных источников, которые можно объяснить различиями в изотопном составе из-за различного радиоактивного происхождения. ^{[15] [26]}

Стабильные изотопы

Первое доказательство существования множественных изотопов стабильного (нерадиоактивного) элемента было обнаружено Дж. Дж. Томсоном в 1912 году в ходе его исследования состава канальных лучей (положительных ионов). ^[27] Томсон направлял потоки ионов неона через параллельные магнитные и электрические поля, измерял их отклонение, помещая на их пути фотографическую пластину, и вычислял их отношение массы к заряду с помощью метода, который стал известен как метод параболы Томсона. Каждый поток создавал светящееся пятно на пластине в точке, куда он попадал. Томсон наблюдал два отдельных параболических пятна света на фотографической пластине (см. изображение), что предполагало два вида ядер с различными отношениями массы к заряду. Он писал: «Поэтому, я думаю, не может быть никаких сомнений в том, что то, что было названо неоном, является не простым газом, а смесью двух газов, один из которых имеет атомный вес около 20, а другой около 22. Парабола, обусловленная более тяжелым газом, всегда намного слабее, чем парабола, обусловленная более легким, так что, вероятно, более тяжелый газ составляет лишь небольшой процент смеси». ^[28]

FW Aston впоследствии открыл несколько стабильных изотопов для многочисленных элементов с помощью масс-спектрографа . В 1919 году Aston изучил неон с достаточным разрешением, чтобы показать, что две изотопные массы очень близки к целым числам 20 и 22, и что ни одна из них не равна известной молярной массе (20,2) неонового газа. Это пример правила целых чисел Астона для изотопных масс, которое гласит, что большие отклонения элементарных молярных масс от целых чисел в первую очередь обусловлены тем фактом, что элемент представляет собой смесь изотопов. Aston аналогичным образом показал в 1920 году, что молярная масса хлора (35,45) является средневзвешенным значением почти интегральных масс для двух изотопов ³⁵ Cl и ³⁷ Cl. ^{[29] [30]}

Нейтроны

После открытия нейтрона Джеймсом Чедвиком в 1932 году ^[31] была выяснена первопричина существования изотопов, а именно, что ядра различных изотопов одного и того же элемента имеют разное количество нейтронов, хотя и одинаковое количество протонов.

Различия в свойствах изотопов

Химические и молекулярные свойства

Нейтральный атом имеет одинаковое количество электронов и протонов. Таким образом, различные изотопы данного элемента имеют одинаковое количество электронов и имеют схожую электронную структуру. Поскольку химическое поведение атома в значительной степени определяется его электронной структурой, различные изотопы демонстрируют почти одинаковое химическое поведение.

Главным исключением из этого является кинетический изотопный эффект : из-за их большей массы более тяжелые изотопы имеют тенденцию реагировать несколько медленнее, чем более легкие изотопы того же элемента. Это наиболее выражено для протия (¹
ЧАС
), дейтерий (²
ЧАС
) и тритий (³
ЧАС
), поскольку дейтерий имеет вдвое большую массу, чем протий, а тритий имеет в три раза большую массу, чем протий. ^[32] Эти различия в массе также влияют на поведение их соответствующих химических связей, изменяя центр тяжести ( приведенную массу ) атомных систем. Однако для более тяжелых элементов относительная разница в массе между изотопами намного меньше, так что эффекты разницы в массе на химию обычно пренебрежимо малы. (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 = число протонов. N = число нейтронов. График для стабильных изотопов отклоняется от линии Z = N по мере увеличения номера элемента Z

Аналогично, две молекулы , которые отличаются только изотопами своих атомов ( изотопологи ), имеют идентичные электронные структуры и, следовательно, почти неразличимые физические и химические свойства (опять же, за исключением дейтерия и трития, являющихся основными исключениями). Колебательные моды молекулы определяются ее формой и массами ее составляющих атомов; поэтому разные изотопологи имеют разные наборы колебательных мод. Поскольку колебательные моды позволяют молекуле поглощать фотоны соответствующих энергий, изотопологи имеют разные оптические свойства в инфракрасном диапазоне.

Ядерные свойства и стабильность

Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, связанных вместе остаточной сильной силой . Поскольку протоны заряжены положительно, они отталкиваются друг от друга. Нейтроны, которые электрически нейтральны, стабилизируют ядро ​​двумя способами. Их совместное присутствие слегка отталкивает протоны, уменьшая электростатическое отталкивание между протонами, и они оказывают притягивающую ядерную силу 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 нейтронов и протонов³
₂Он
составляет 1:2, соотношение нейтронов и протонов²³⁸
₉₂У
больше 3:2. Ряд более легких элементов имеют стабильные нуклиды с соотношением 1:1 ( Z = N ). Нуклид⁴⁰
₂₀Ca
(кальций-40) является наблюдаемо самым тяжелым стабильным нуклидом с одинаковым числом нейтронов и протонов. Все стабильные нуклиды тяжелее кальция-40 содержат больше нейтронов, чем протонов.

Количество изотопов на элемент

Из 80 элементов со стабильным изотопом наибольшее число стабильных изотопов, наблюдаемых для любого элемента, составляет десять (для элемента олово ). Ни один элемент не имеет девять или восемь стабильных изотопов. Пять элементов имеют семь стабильных изотопов, восемь имеют шесть стабильных изотопов, десять имеют пять стабильных изотопов, девять имеют четыре стабильных изотопа, пять имеют три стабильных изотопа, 16 имеют два стабильных изотопа (считая^180м
₇₃Та
как стабильные), и 26 элементов имеют только один стабильный изотоп (из них 19 являются так называемыми мононуклидными элементами , имеющими один первичный стабильный изотоп, который доминирует и фиксирует атомный вес природного элемента с высокой точностью; также встречаются 3 радиоактивных мононуклидных элемента). ^[33] Всего существует 251 нуклид, распад которых не наблюдался. Для 80 элементов, имеющих один или несколько стабильных изотопов, среднее число стабильных изотопов составляет 251/80 ≈ 3,14 изотопов на элемент.

Чётные и нечётные числа нуклонов

Соотношение протонов и нейтронов не является единственным фактором, влияющим на стабильность ядра. Оно также зависит от четности или нечетности его атомного числа Z , числа нейтронов N и, следовательно, их суммы, массового числа A. Нечетность как Z , так и N имеет тенденцию к снижению энергии ядерной связи , делая нечетные ядра, как правило, менее стабильными. Эта примечательная разница в энергии ядерной связи между соседними ядрами, особенно нечетных изобар A , имеет важные последствия: нестабильные изотопы с неоптимальным числом нейтронов или протонов распадаются путем бета-распада (включая испускание позитронов ), электронного захвата или других менее распространенных режимов распада, таких как спонтанное деление и кластерный распад .

Большинство стабильных нуклидов — это четно-протонно-четно-нейтронные, где все числа Z , N и A четные. Нечетно -A стабильные нуклиды делятся (примерно поровну) на нечетно-протонно-четно-нейтронные и четно-протонно-нечетно-нейтронные нуклиды. Стабильные нечетно-протонно-нечетно-нейтронные нуклиды встречаются реже всего.

Четный атомный номер

146 четно-протонных, четно-нейтронных (EE) нуклидов составляют ~58% всех стабильных нуклидов и все имеют спин 0 из-за спаривания. Также существует 24 первичных долгоживущих четно-четных нуклида. В результате каждый из 41 четных элементов от 2 до 82 имеет по крайней мере один стабильный изотоп , и большинство этих элементов имеют несколько первичных изотопов. Половина этих четных элементов имеет шесть или более стабильных изотопов. Чрезвычайная стабильность гелия-4 из-за двойного спаривания 2 протонов и 2 нейтронов предотвращает образование любых нуклидов, содержащих пять (⁵
₂Он
,⁵
₃Ли
) или восемь (⁸
₄Быть
) нуклонов, которые 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-нечетных" нуклида встречаются в нуклидах с низкой массой, для которых замена протона на нейтрон или наоборот приведет к очень неравномерному соотношению протонов и нейтронов (²
₁ЧАС
,⁶
₃Ли
,¹⁰
₅Б
, и¹⁴
₇Н
; спины 1, 1, 3, 1). Единственный другой полностью «стабильный» нечетно-нечетный нуклид,^180м
₇₃Та
(спин 9) считается самым редким из 251 стабильных нуклидов и единственным первичным ядерным изомером , распад которого до сих пор не наблюдался, несмотря на экспериментальные попытки. ^[34]

Известно много нечетно-нечетных радионуклидов (например, основное состояние тантала-180) со сравнительно короткими периодами полураспада. Обычно они бета-распадаются до своих близких четно-четных изобар , которые имеют спаренные протоны и спаренные нейтроны. Из девяти первичных нечетно-нечетных нуклидов (пять стабильных и четыре радиоактивных с длительными периодами полураспада) только¹⁴
₇Н
является наиболее распространенным изотопом распространенного элемента. Это так, потому что он является частью цикла CNO . Нуклиды⁶
₃Ли
и¹⁰
₅Б
являются миноритарными изотопами элементов, которые сами по себе редки по сравнению с другими легкими элементами, тогда как остальные шесть изотопов составляют лишь незначительный процент от естественной распространенности своих элементов.

Нечетный атомный номер

53 стабильных нуклида имеют четное число протонов и нечетное число нейтронов. Они составляют меньшинство по сравнению с четно-четными изотопами, которых примерно в 3 раза больше. Среди 41 четно- Z элементов, имеющих стабильный нуклид, только два элемента (аргон и церий) не имеют четно-нечетных стабильных нуклидов. Один элемент (олово) имеет три. Существует 24 элемента, которые имеют один четно-нечетный нуклид, и 13, которые имеют два нечетно-четных нуклида. Из 35 первичных радионуклидов существует четыре четно-нечетных нуклида (см. таблицу справа), включая делящийся ²³⁵
₉₂У
. Из-за нечетного числа нейтронов четно-нечетные нуклиды имеют тенденцию иметь большие сечения захвата нейтронов из-за энергии, которая возникает в результате эффектов нейтронного спаривания. Эти стабильные четно-протонные нечетно-нейтронные нуклиды имеют тенденцию быть необычными по распространенности в природе, в основном потому, что для образования и перехода в изначальное распространенность они должны были избежать захвата нейтронов, чтобы сформировать другие стабильные четно-четные изотопы, как во время s-процесса , так и r-процесса захвата нейтронов, во время нуклеосинтеза в звездах . По этой причине только¹⁹⁵
₇₈Пт
и⁹
₄Быть
являются наиболее распространенными в природе изотопами своего элемента.

48 стабильных нечетно-протонно-четно-нейтронных нуклидов, стабилизированных их парными нейтронами, образуют большинство стабильных изотопов нечетных элементов; очень немногие нечетно-протонно-нечетно-нейтронные нуклиды составляют остальные. Существует 41 нечетный элемент с Z = 1 через 81, из которых 39 имеют стабильные изотопы ( технеций (
₄₃Тс
) и прометий (
₆₁ПМ
) не имеют стабильных изотопов). Из этих 39 нечетных Z- элементов 30 элементов (включая водород-1, где 0 нейтронов — четное число ) имеют один стабильный нечетно-четный изотоп, а девять элементов: хлор (
₁₇Кл
), калий (
₁₉К
), медь (
₂₉Cu
), галлий (
₃₁Га
), бром (
₃₅Бр
), серебро (
₄₇Аг
), сурьма (
₅₁Сб
), иридий (
₇₇Ир
) и таллий (
₈₁Тл
), имеют по два нечетно-четных стабильных изотопа. Это дает в общей сложности 30 + 2(9) = 48 стабильных нечетно-четных изотопов.

Существует также пять первичных долгоживущих радиоактивных нечетно-четных изотопов,⁸⁷
₃₇Руб.
,¹¹⁵
₄₉В
,¹⁸⁷
₇₅Повторно
,¹⁵¹
₆₃Евросоюз
, и²⁰⁹
₈₃Би
. Последние два элемента только недавно были обнаружены распадающимися, с периодом полураспада более 10 ¹⁸ лет.

Нечетное число нейтронов

Актиниды с нечетным числом нейтронов, как правило, делятся (с тепловыми нейтронами ), тогда как актиниды с четным числом нейтронов, как правило, нет, хотя они делятся с быстрыми нейтронами . Все наблюдаемо стабильные нечетно-нечетные нуклиды имеют ненулевой целочисленный спин. Это происходит потому, что одиночный неспаренный нейтрон и неспаренный протон имеют большую ядерную силу притяжения друг к другу, если их спины выровнены (создавая общий спин не менее 1 единицы), а не анти-выровнены. См. дейтерий для простейшего случая такого ядерного поведения.

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 естественного изотопа. Нестабильные (радиоактивные) изотопы являются либо первичными , либо постпервичными. Первичные изотопы были продуктом звездного нуклеосинтеза или другого типа нуклеосинтеза, такого как расщепление космическими лучами , и сохранились до настоящего времени, потому что скорость их распада очень мала (например, уран-238 и калий-40 ). Постпервичные изотопы были созданы бомбардировкой космическими лучами как космогенные нуклиды (например, тритий , углерод-14 ) или путем распада радиоактивного первичного изотопа на радиоактивный радиогенный дочерний нуклид (например, уран на радий ). Некоторые изотопы естественным образом синтезируются как нуклеогенные нуклиды в результате других природных ядерных реакций , например, когда нейтроны, образующиеся при естественном делении ядра, поглощаются другим атомом.

Как обсуждалось выше, только 80 элементов имеют какие-либо стабильные изотопы, и 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, причем наибольшее количество стабильных изотопов для элемента составляет десять, для олова (
₅₀Сн
). На Земле в природе встречается около 94 элементов (вплоть до плутония включительно), хотя некоторые из них обнаружены только в очень малых количествах, например, плутоний-244 . Ученые подсчитали, что элементы, которые встречаются на Земле в природе (некоторые только в виде радиоизотопов), встречаются в общей сложности в виде 339 изотопов ( нуклидов ). ^[35] Только 251 из этих встречающихся в природе нуклидов являются стабильными, в том смысле, что их распад никогда не наблюдался по состоянию на настоящее время. Еще 35 первичных нуклидов (всего 286 первичных нуклидов) являются радиоактивными с известными периодами полураспада, но имеют периоды полураспада более 100 миллионов лет, что позволяет им существовать с самого начала Солнечной системы. Подробности см. в списке нуклидов .

Все известные стабильные нуклиды встречаются на Земле естественным образом; другие естественные нуклиды радиоактивны, но встречаются на Земле из-за их относительно длительного периода полураспада или же из-за других средств постоянного естественного производства. К ним относятся вышеупомянутые космогенные нуклиды , нуклеогенные нуклиды и любые радиогенные нуклиды, образованные постоянным распадом 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 были обнаружены с помощью спектроскопического анализа, поскольку они естественным образом создаются в звездах или сверхновых . Примером может служить алюминий-26 , который не встречается на Земле в природе, но встречается в изобилии в астрономических масштабах.

Табличные атомные массы элементов являются средними, которые учитывают наличие нескольких изотопов с разными массами. До открытия изотопов эмпирически определенные нецелые значения атомной массы сбивали ученых с толку. 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 космологической теории , только изотопы водорода и гелия, следы некоторых изотопов лития и бериллия, и, возможно, немного бора, были созданы во время Большого взрыва , в то время как все остальные нуклиды были синтезированы позже, в звездах и сверхновых, а также во взаимодействиях между энергичными частицами, такими как космические лучи, и ранее образованными нуклидами. (См. нуклеосинтез для получения подробной информации о различных процессах, которые считаются ответственными за производство изотопов.) Соответствующее содержание изотопов на Земле является результатом количеств, образованных этими процессами, их распространения по галактике и скоростей распада нестабильных изотопов. После первоначального слияния Солнечной системы изотопы были перераспределены в соответствии с массой, и изотопный состав элементов немного различается от планеты к планете. Это иногда позволяет проследить происхождение метеоритов .

Атомная масса изотопов

Атомная масса ( m _r ) изотопа (нуклида) определяется в основном его массовым числом (т. е. числом нуклонов в его ядре). Небольшие поправки обусловлены энергией связи ядра (см. дефект массы ), небольшой разницей в массе протона и нейтрона и массой электронов, связанных с атомом, последнее связано с тем, что соотношение электрон:нуклон различается среди изотопов.

Массовое число — безразмерная величина . Атомная масса, с другой стороны, измеряется с помощью атомной единицы массы , основанной на массе атома углерода-12. Она обозначается символами «u» (единая атомная единица массы) или «Da» (дальтон ) .

Атомные массы природных изотопов элемента определяют стандартный атомный вес элемента. Когда элемент содержит N изотопов, для средней атомной массы применяется следующее выражение : ${\displaystyle {\overline {m}}_{a}}$

${\displaystyle {\overline {m}}_{a}=m_{1}x_{1}+m_{2}x_{2}+...+m_{N}x_{N}}$

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, которые используют свойства различных изотопов данного элемента. Разделение изотопов является значительной технологической проблемой, особенно для 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 были разделены в больших объемах путем газовой диффузии, газового центрифугирования, лазерного ионизационного разделения и (в Манхэттенском проекте ) с помощью типа производственной масс-спектрометрии .

Использование химических и биологических свойств

• Изотопный анализ — это определение изотопной сигнатуры , относительного содержания изотопов данного элемента в конкретном образце. Изотопный анализ часто выполняется с помощью масс-спектрометрии изотопного отношения . Для биогенных веществ , в частности, могут происходить значительные вариации изотопов C, N и O. Анализ таких вариаций имеет широкий спектр применения, например, обнаружение фальсификации в пищевых продуктах ^[36] или географического происхождения продуктов с использованием изоскейпов . Идентификация некоторых метеоритов как происходящих с Марса частично основана на изотопной сигнатуре следовых газов, содержащихся в них. ^[37]
• Изотопное замещение можно использовать для определения механизма химической реакции посредством кинетического изотопного эффекта .
• Другим распространенным применением является изотопная маркировка , использование необычных изотопов в качестве трассеров или маркеров в химических реакциях. ^[38] Обычно атомы данного элемента неотличимы друг от друга. Однако, используя изотопы с разной массой, даже различные нерадиоактивные стабильные изотопы можно различить с помощью масс-спектрометрии или инфракрасной спектроскопии . Например, в «стабильной изотопной маркировке аминокислот в клеточной культуре ( SILAC )» стабильные изотопы используются для количественного определения белков . Если используются радиоактивные изотопы, их можно обнаружить по испускаемому ими излучению (это называется радиоизотопной маркировкой ).
• Изотопы обычно используются для определения концентрации различных элементов или веществ с помощью метода изотопного разбавления , при котором известные количества изотопно замещенных соединений смешиваются с образцами, а изотопные сигнатуры полученных смесей определяются с помощью масс-спектрометрии .

Использование ядерных объектов

• Метод, аналогичный радиоизотопной маркировке, — радиометрическое датирование : используя известный период полураспада нестабильного элемента, можно рассчитать количество времени, прошедшее с момента существования известной концентрации изотопа. Наиболее широко известным примером является радиоуглеродное датирование, используемое для определения возраста углеродистых материалов.
• Несколько форм спектроскопии основаны на уникальных ядерных свойствах определенных изотопов, как радиоактивных, так и стабильных. Например, спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) может использоваться только для изотопов с ненулевым ядерным спином. Наиболее распространенными нуклидами, используемыми в ЯМР-спектроскопии, являются ¹ H, ² D, ¹⁵ N, ¹³ C и ³¹ P.
• Мёссбауэровская спектроскопия также основана на ядерных переходах определенных изотопов, таких как ^57Fe .
• Радионуклиды также имеют важное применение. Ядерная энергетика и разработка ядерного оружия требуют относительно больших количеств специфических изотопов. Ядерная медицина и радиационная онкология используют радиоизотопы соответственно для медицинской диагностики и лечения.

Смотрите также

• Распространенность химических элементов
• Масс-спектрометр Бейнбриджа
• Геотрассы
• Изотопная гидрология
• Изотопомер
• Список нуклидов
• Список частиц
• Масс-спектрометрия
• Стандартные материалы для анализа стабильных изотопов
• Таблица нуклидов

Ссылки

1. Херцог, Грегори Ф. (2 июня 2020 г.). «Изотоп». Британская энциклопедия.
2. Содди, Фредерик (12 декабря 1922 г.). «Истоки концепций изотопов» (PDF) . Nobelprize.org . стр. 393 . Получено 9 января 2019 г. Таким образом, химически идентичные элементы — или изотопы, как я их впервые назвал в этом письме в Nature, поскольку они занимают одно и то же место в Периодической таблице ...
3. "изотоп — происхождение и значение". www.etymonline.com . Получено 21 октября 2021 г. .
4. Содди, Фредерик (1913). «Внутриатомный заряд». Nature . 92 (2301): 399–400. Bibcode : 1913Natur..92..399S. doi : 10.1038/092399c0. S2CID  3965303.
5. "IUPAP Red Book" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2015-03-18 . Получено 2018-01-06 .
6. Золотая книга ИЮПАК
7. Золотая книга ИЮПАК
8. IUPAC (Connelly, NG; Damhus, T.; Hartshorn, RM; и Hutton, AT), Номенклатура неорганической химии – Рекомендации IUPAC 2005 г., Королевское химическое общество, 2005 г.; IUPAC (McCleverty, JA; и Connelly, NG), Номенклатура неорганической химии II. Рекомендации 2000 г. , Королевское химическое общество, 2001 г.; IUPAC (Leigh, GJ), Номенклатура неорганической химии (рекомендации 1990 г.) , Blackwell Science, 1990 г.; IUPAC, Номенклатура неорганической химии, второе издание Архивировано 03.03.2016 в Wayback Machine , 1970 г.; вероятно, также в первом издании 1958 г.
9. Это обозначение, по-видимому, было введено во второй половине 1930-х годов. До этого использовались различные обозначения, такие как Ne(22) для неона-22 (1934), Ne22 для неона-22 (1935) или даже Pb210 для свинца-210 (1933).
10. «Радиоактивные вещества, исчезнувшие с Земли».^{[ мертвая ссылка ]}
11. "Описание NuDat 2". Архивировано из оригинала 23 декабря 2016 года . Получено 2 января 2016 года .
12. Чоппин, Г.; Лильензин, Дж. О. и Ридберг, Дж. (1995) Радиохимия и ядерная химия (2-е изд.) Баттерворт-Хайнеманн, стр. 3–5
13. Другие также предполагали 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 Камерон, Радиохимия (Лондон, Англия: JM Dent & Sons, 1910), стр. 141. (Кэмерон также предвидел закон смещения.)
14. Ley, Willy (октябрь 1966). «Запоздалое открытие». Для вашего сведения. Galaxy Science Fiction . стр. 116–127.
15. Scerri, Eric R. (2007) Периодическая таблица Oxford University Press, стр. 176–179 ISBN 0-19-530573-6 
16. Nagel, Miriam C. (1982). «Фредерик Содди: от алхимии к изотопам». Журнал химического образования . 59 (9): 739–740. Bibcode : 1982JChEd..59..739N. doi : 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 смещения» в: Содди, Фредерик (1913). «Радиоэлементы и периодический закон». Nature . 91 (2264): 57–58. Bibcode :1913Natur..91...57S. doi :10.1038/091057a0. S2CID  3975657..
19. Содди разработал свой закон смещения в: Содди, Фредерик (1913) «Радиоактивность», Ежегодный 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». Nature . 92 (2301): 399–400. Bibcode :1913Natur..92..399S. doi :10.1038/092399c0. S2CID  3965303.
22. Флек, Александр (1957). «Фредерик Содди». Биографические воспоминания членов Королевского общества . 3 : 203–216. doi : 10.1098/rsbm.1957.0014 . стр. 208: До 1913 года мы использовали фразу «химически неразделимые радиоэлементы», а в то время в гостиной в доме тестя Содди, сэра Джорджа Бейлби , было предложено слово «изотоп» .
23. Budzikiewicz H, Grigsby RD (2006). "Масс-спектрометрия и изотопы: столетие исследований и дискуссий". Mass Spectrometry Reviews . 25 (1): 146–57. Bibcode : 2006MSRv...25..146B. doi : 10.1002/mas.20061. PMID  16134128.
24. Шерри, 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 студент 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. Истоки концепций изотопов Фредерик Содди, лекция по случаю вручения Нобелевской премии
27. Томсон, Дж. Дж. (1912). "XIX. Дальнейшие эксперименты с положительными лучами". Philosophical Magazine . Серия 6. 24 (140): 209–253. doi :10.1080/14786440808637325.
28. Дж. Дж. Томсон (1913) «Лучи положительного электричества», Труды Королевского общества A, 89 : 1–20.
29. Aston, FW (1920). «Изотопы и атомные веса». Nature . 105 (2646): 617–619. doi :10.1038/105617a0. S2CID  4267919.
30. Масс-спектры и изотопы Фрэнсис В. Астон, лекция на вручении Нобелевской премии 1922 г.
31. Чедвик, Джеймс (1932). «Существование нейтрона». Труды Королевского общества A. 136 ( 830): 692–708. Bibcode :1932RSPSA.136..692C. doi : 10.1098/rspa.1932.0112 .
32. Laidler, Keith (1987). Химическая кинетика (3-е изд.). Индия: Pearson Education. стр. 427. ISBN 978-81-317-0972-6.
33. Sonzogni, Alejandro (2008). "Интерактивная карта нуклидов". Национальный центр ядерных данных: Брукхейвенская национальная лаборатория. Архивировано из оригинала 2018-10-10 . Получено 2013-05-03 .
34. Hult, Mikael; Wieslander, JS; Marissens, Gerd; Gasparro, Joël; Wätjen, Uwe; Misiaszek, Marcin (2009). «Поиск радиоактивности 180mTa с использованием подземного HPGe-сэндвич-спектрометра». Applied Radiation and Isotopes . 67 (5): 918–21. doi :10.1016/j.apradiso.2009.01.057. PMID  19246206.
35. "Радиоактивные вещества, пропавшие с Земли" . Получено 2012-06-16 .^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
36. Jamin, Eric; Guérin, Régis; Rétif, Mélinda; Lees, Michèle; Martin, Gérard J. (2003). «Улучшенное обнаружение добавленной воды в апельсиновом соке путем одновременного определения соотношений изотопов кислорода-18/кислорода-16 в воде и этаноле, полученных из сахаров». J. Agric. Food Chem. 51 (18): 5202–6. doi :10.1021/jf030167m. PMID  12926859.
37. Трейман, AH; Глисон, JD; Богард, DD (2000). «Метеориты SNC с Марса». Planet. Space Sci. 48 (12–14): 1213. Bibcode :2000P&SS...48.1213T. doi :10.1016/S0032-0633(00)00105-7.
38. Диган, Фрэнсис М.; Тролль, Валентин Р.; Уайтхаус, Мартин Дж.; Джолис, Эстер М.; Фреда, Кармела (2016-08-04). "Фракционирование изотопов бора в магме посредством растворения карбоната земной коры". Scientific Reports . 6 (1): 30774. Bibcode :2016NatSR...630774D. doi :10.1038/srep30774. ISSN  2045-2322. PMC 4973271 . PMID  27488228. 

Внешние ссылки

• Веб-портал ядерной науки Nucleonica
• Карта нуклидов Карлсруэ
• Национальный центр ядерных данных Портал для большого хранилища бесплатных данных и программ анализа от NNDC
• Национальный центр разработки изотопов Координация и управление производством, доступностью и распространением изотопов, а также справочной информации для сообщества, работающего с изотопами
• Разработка и производство изотопов для исследований и применений (IDPRA) Программа Министерства энергетики США по производству изотопов и производственным исследованиям и разработкам
• Международное агентство по атомной энергии Домашняя страница Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), агентства Организации Объединенных Наций (ООН)
• Атомные веса и изотопные составы всех элементов. Статическая таблица от NIST ( Национальный институт стандартов и технологий )
• Atomgewichte, Zerfallsenergien und Halbwertszeiten aller Isotope
• Изучение таблицы изотопов в LBNL
• Текущие исследования изотопов и информация isotope.info
• Готовность к чрезвычайным ситуациям и реагирование: радиоактивные изотопы от CDC ( Центры по контролю и профилактике заболеваний )
• Карта нуклидов, архивированная 10 октября 2018 г. на Wayback Machine Interactive Chart of Nuclides (Национальный центр ядерных данных)
• Интерактивная таблица нуклидов, изотопов и периодической таблицы. Архивировано 30 сентября 2008 г. на Wayback Machine.
• LIVEChart of Nuclides – МАГАТЭ с данными по изотопам.
• Аннотированная библиография по изотопам из цифровой библиотеки по ядерным вопросам Алсос
• Долина стабильности (видео) – виртуальный «полет» через трехмерное представление карты нуклидов, CEA (Франция)