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. Изотопни однос је стални однос изотопа у хемијским елементима у природи, и карактеристична величина за сваку атомску врсту.

Три природна изотопа водоника. Чињеница да сваки од ових изотопа има један протон чини их варијантама водоника: идентитет изотопа одређује број неутрона. Слева надесно, изотопи су протијум (1H) без неутрона, деутеријум (2H) са једним неутроном, и трицијум (3H) са два неутрона.
Време полураспада радиоактивних изотопа или радионуклида. Треба запазити да се теоретска линија за стабилне изотопе Z = N (Zатомски број и N - неутронски број), раздваја од стварног односа атомског броја и неутрона, што значи да се с повећањем атомског броја, повећава и нестабилност атомских језгри.
Фотографска плоча коју је снимио Џозеф Џон Томсон, а у десном доњем углу показује ознаке удараца изотопа неона: 20Ne и 22Ne.

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).[1]

Изотопи свих елемента образују скуп нуклида. Нуклид је дефиниција за одређено атомско језгро и дефинише се редним бројем Z и масеним бројем A: AZХх (32He, 23892U) Строго говорећи, пре би требало рећи да се елемент као на пример флуор састоји од једног нуклида него од једног изотопа.[2]

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 протијума. 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 резултује 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.

Стабилни изотопи уреди

Већина хемијских елемената у природи смесе су природних изотопа, који су било стабилни било радиоактивни (нестабилни). Стабилне изотопе има 81 хемијски елемент. То су редом сви елементи, од водоника (Z = 1) до укључиво бизмута (Z = 83), уз изузетак технецијума (Z = 43) и прометијума (Z = 61). Многи елементи имају више стабилних изотопа, а то је разлог што њихове релативне атомске масе нису цели бројеви. Водоник је, на пример, смеша стабилних изотопа 1H и 2H, угљеник садржи стабилне изотопе 12C и 13C, кисеоник изотопе 16O, 17O и 18O и тако даље. Највише стабилних изотопа, њих 10, има калај. Укупно се у природи налази око 270 врста стабилних и око 70 врста радиоактивних нуклида.

Радиоактивни изотопи, радиоизотопи (радионуклиди) појединих елемената, пореклом су природни или вештачки. Природне радиоизотопе имају многи елементи који садрже и стабилне изотопе, а такође и сви природни радиоактивни елементи, то јест они који не садрже стабилне изотопе. То су елементи од полонијума до укључиво плутонијума (Z = 84 до 94) те елемент прометијум. Нуклеарним реакцијама могу се произвести вештачки радиоизотопи готово свих елемената, па је данас познато око 2 500 врста нуклида, што природних, што вештачких. Сви се они могу сврстати у карту нуклида, у којој је сваки нуклид приказан квадратом с различитим, за њега карактеристичним подацима (изотопна обилност, време полураспада, врста и енергија зрачења и тако даље). Изотопи појединих елемената сврстани су у водоравним редовима према растућој маси.

Нестабилни изотопи уреди

Нестабилни изотопи, односно радиоактивни изотопи или радионуклиди су атоми који имаму однос протона и неутрона већи или мањи од односа потребног за стабилност. Нестабилни изотопи теже стабилности, а то се постиже радиоактивним распадом (радиоактивност). Последице радиоактивног распада је мењање масе и/или хемијских својстава радионуклида уз истодобно емитирање јонизујућег зрачења. Сви елементи изнад редног броја 82 (олово) су нестабилни јер одбојним силама протона више нису довољни неутрони као равнотежа. Наиме, превелика је концентрација протона на једном месту.

Језгра радионуклида се спонтано распада прелазећи при томе у неко друго језгро. Приликом распада језгро радионуклида емитује честице и/или електромагнетне зраке кратке таласне дужине. Емитоване честице и електромагнетски зраци се једним именом зову јонизујуће зрачење. То је појава радиоактивности, а сам процес је трансмутација, тј. спонтани прелаз једног језгра у друго, што се назива радиоактивни распад.

Нуклид је атом хемијског елемента за који је тачно познат не само редни или атомски број Z, већ и укупан број нуклеона (протона и неутрона) у атомском језгру. У природи постоје само 92 хемијска елемента и још 12 вештачки произведених, а познато је око 3 100 различитих нуклида, од којих је 350 природних и 2 750 вештачких. Већина нуклида је нестабилна (радиоактивна), око 2800. Погодна комбинација протона и неутрона чини атомско језгру стабилном, чим је другачије језгро настоји да се избацивањем нуклеона приближи стабилној конфигурацији. Енергијски нивои у језгру се попуњавају како би се достигла конфигурације минималне енергије, то јест максималне стабилности.

Употреба изотопа уреди

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 спектроскопије (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 угљендиоксида 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.

Види још уреди

Референце уреди

  1. ^ IUPAC (Connelly, N. G.; Damhus, T.; Hartshorn, R. M.; and Hutton, A. T.), Nomenclature of Inorganic Chemistry – IUPAC Recommendations 2005, The Royal Society of Chemistry, 2005; IUPAC (McCleverty, J. A.; and Connelly, N. G.), Nomenclature of Inorganic Chemistry II. Recommendations 2000, The Royal Society of Chemistry, 2001; IUPAC (Leigh, G. J.), Nomenclature of Inorganic Chemistry (recommendations 1990), Blackwell Science, 1990; IUPAC, Nomenclature of Inorganic Chemistry, Second Edition Архивирано на сајту Wayback Machine (3. март 2016), 1970; probably in the 1958 first edition as well
  2. ^ „NuDat 2 Description”. Архивирано из оригинала 23. 12. 2016. г. Приступљено 2. 1. 2016. 

Спољашње везе уреди