Izotopas yra elemento variantas, kurio atominė masė skiriasi nuo kitų variantų. Išskyrus įprasčiausią vandenilio formą, turinčią tik protoną, kiekvienas normalios medžiagos atomo branduolys yra sudarytas iš protonų ir neutronų. Tam tikro elemento izotopai turi tą patį protonų skaičių, bet skirtingą neutronų skaičių. Jie turi iš esmės tas pačias chemines savybes, tačiau šiek tiek skiriasi savo fizinėmis savybėmis, tokiomis kaip lydymosi temperatūra ir virimo temperatūra. Kai kurie izotopai yra nestabilūs ir linkę skilti į kitus elementus, išskirdami subatomines daleles arba spinduliuotę; jie yra radioaktyvūs ir žinomi kaip radioizotopai.
Kai mokslininkai nurodo konkretų elemento izotopą, viršuje kairėje šalia elemento simbolio pasirodo masės skaičius arba protonų skaičius ir neutronų skaičius. Pavyzdžiui, vandenilio forma, turinti protoną ir neutroną, parašyta kaip 2H. Panašiai 235U ir 238U yra du skirtingi urano izotopai. Jie taip pat paprastai rašomi kaip uranas-235 ir uranas-238.
Atominis branduolys
Neutronai yra elektriškai neutralūs, tačiau protonai turi teigiamą elektros krūvį. Kadangi panašūs krūviai atstumia, branduoliui, kuriame yra daugiau nei vienas protonas, reikia kažko, kad šios dalelės neskristų. Tai vadinama stipria branduoline jėga, kartais vadinama tiesiog stipriąja jėga. Ji yra daug stipresnė už elektromagnetinę jėgą, kuri yra atsakinga už atstūmimą tarp protonų, tačiau skirtingai nuo šios jėgos, ji turi labai trumpą atstumą. Stipri jėga sujungia protonus ir neutronus branduolyje, tačiau elektromagnetinė jėga nori išstumti protonus.
Stabilūs ir nestabilūs branduoliai
Lengvesniuose elementuose stipri jėga gali išlaikyti branduolį kartu tol, kol yra pakankamai neutronų elektromagnetinei jėgai atskiesti. Paprastai šiuose elementuose protonų ir neutronų skaičius yra maždaug vienodas. Sunkesniuose elementuose turi būti neutronų perteklius, kad būtų užtikrintas stabilumas. Tačiau už tam tikro taško nėra konfigūracijos, kuri užtikrintų stabilų branduolį. Nė vienas iš elementų, sunkesnių už šviną, neturi stabilių izotopų.
Per daug neutronų taip pat gali padaryti izotopą nestabilų. Pavyzdžiui, labiausiai paplitusi vandenilio forma turi vieną protoną ir be neutronų, tačiau yra dvi kitos formos su vienu ir dviem neutronais, atitinkamai vadinamos deuteriu ir tričiu. Tritis yra nestabilus, nes turi per daug neutronų.
Kai nestabilus, arba radioaktyvus, branduolys suyra, jis virsta kito elemento branduoliu. Yra du mechanizmai, kuriais tai gali įvykti. Alfa skilimas įvyksta, kai stipri jėga negali sulaikyti visų branduolyje esančių protonų. Tačiau užuot tiesiog išmetus protoną, išstumiama alfa dalelė, susidedanti iš dviejų protonų ir dviejų neutronų. Protonai ir neutronai yra glaudžiai tarpusavyje susiję, o alfa dalelė yra stabilios konfigūracijos.
Beta skilimas įvyksta, kai branduolyje yra per daug neutronų. Vienas iš neutronų virsta protonu, kuris lieka branduolyje, ir elektronu, kuris išmetamas. Pavyzdžiui, trityje vienas iš dviejų neutronų anksčiau ar vėliau virs protonu ir elektronu. Taip gaunamas branduolys su dviem protonais ir vienu neutronu, kuris yra helio forma, žinoma kaip 3He arba helis-3. Šis izotopas yra stabilus, nepaisant protonų pertekliaus, nes branduolys yra pakankamai mažas, kad stipri jėga galėtų jį laikyti kartu.
Half-Lives
Egzistuoja esminis netikrumas dėl laiko, kurio prireiks atskiram nestabiliam branduoliui suirti; tačiau tam tikram izotopui skilimo greitis yra nuspėjamas. Galima pateikti labai tikslią vertę, kiek laiko prireiks, kol pusė konkretaus izotopo mėginio suirs į kitą elementą. Ši vertė yra žinoma kaip pusinės eliminacijos laikas ir gali svyruoti nuo mažos sekundės dalies iki milijardų metų. Labiausiai paplitusios bismuto elemento pusinės eliminacijos laikas yra milijardą kartų ilgesnis už numatomą Visatos amžių. Kadaise buvo manoma, kad tai yra sunkiausias stabilus elementas, tačiau 2003 m. buvo įrodyta, kad jis labai mažai radioaktyvus.
Skelbimų
Be radioaktyvumo klausimo, skirtingi elemento izotopai turi skirtingas fizines savybes. Sunkesnės formos, turinčios daugiau neutronų, paprastai turi aukštesnes lydymosi ir virimo temperatūras dėl to, kad reikia daugiau energijos, kad jų atomai ir molekulės judėtų pakankamai greitai, kad pasikeistų būsena. Pavyzdžiui, „sunkusis vanduo“, vandens forma, kurioje įprastas vandenilis pakeičiamas sunkesniu deuteriu, užšąla 38.9 °C (3.82 °F) ir verda 214.5 °F (101.4 °C), o ne 32 °C temperatūroje. F (0 °C) ir 212 °F (100 °C) įprastam vandeniui. Dėl tos pačios priežasties sunkesnių izotopų cheminės reakcijos gali vykti šiek tiek lėčiau.
Naudoja
Turbūt garsiausias izotopas yra 235U, nes jis naudojamas branduolinėje energetikoje ir ginkluose. Jo nestabilumas yra toks, kad gali įvykti branduolinė grandininė reakcija, išskirdama didžiulį kiekį energijos. „Sodrintas“ uranas yra uranas, kuriame yra didesnė šio izotopo koncentracija, o „nusodrintojo“ urano koncentracija yra daug mažesnė.
Radiometrinis datavimas naudoja skirtingų izotopų proporcijas, kad būtų galima įvertinti mėginių, pavyzdžiui, biologinių medžiagų ar uolienų, amžių. Pavyzdžiui, datuojant radioaktyviąja anglimi, naudojamas radioaktyvusis izotopas 14C arba anglis-14, siekiant datuoti medžiagas, kuriose yra organinės kilmės anglies. Žemės amžius ir geologinė istorija iš esmės žinomi lyginant įvairių izotopų proporcijas uolienų mėginiuose.
Biologijoje ir medicinoje nedideli kiekiai šiek tiek radioaktyvių izotopų gali būti naudojami kaip atominiai žymenys, siekiant atsekti įvairių medžiagų, pavyzdžiui, vaistų, judėjimą per kūną. Stipresni radioaktyvūs izotopai gali būti naudojami kaip spinduliuotės šaltinis, siekiant sunaikinti navikus ir vėžines ataugas. Manoma, kad helis-3, kurio Mėnulyje egzistuoja dideli kiekiai, yra vienas perspektyviausių ilgalaikių branduolių sintezės energijos reaktorių kuro. Tačiau norint jį veiksmingai naudoti, pirmiausia reikės įvaldyti kitas sintezės formas.