ایزوتوپ ها انواعی از یک عنصر شیمیایی هستند. استفاده از خواص شیمیایی و بیولوژیکی ایزوتوپ ها در طبیعت

هنگام مطالعه خواص عناصر رادیواکتیو، کشف شد که همان عنصر شیمیایی می تواند حاوی اتم هایی با جرم های هسته ای متفاوت باشد. در عین حال بار هسته ای یکسانی دارند، یعنی اینها ناخالصی مواد خارجی نیستند، بلکه همان ماده هستند.

ایزوتوپ ها چیست و چرا وجود دارند؟

در جدول تناوبی مندلیف، هم این عنصر و هم اتم های یک ماده با جرم های هسته ای متفاوت، یک سلول را اشغال می کنند. بر اساس موارد فوق ، به چنین گونه هایی از همان ماده نام "ایزوتوپ" داده شد (از یونانی isos - یکسان و topos - مکان). بنابراین، ایزوتوپ ها- اینها انواع یک عنصر شیمیایی مشخص هستند که در جرم هسته های اتمی متفاوت هستند.

با توجه به مدل پذیرفته شده نوترون-پروتون هسته، می توان وجود ایزوتوپ ها را به شرح زیر توضیح داد: هسته های برخی از اتم های یک ماده دارای تعداد مختلف نوترون، اما تعداد پروتون های یکسان هستند. در واقع بار هسته ای ایزوتوپ های یک عنصر یکسان است، بنابراین تعداد پروتون های هسته یکسان است. هسته ها از نظر جرم با هم تفاوت دارند و بر این اساس دارای تعداد متفاوتی از نوترون ها هستند.

ایزوتوپ های پایدار و ناپایدار

ایزوتوپ ها می توانند پایدار یا ناپایدار باشند. تا به امروز، حدود 270 ایزوتوپ پایدار و بیش از 2000 ایزوتوپ ناپایدار شناخته شده است. ایزوتوپ های پایدار- اینها انواع عناصر شیمیایی هستند که می توانند به طور مستقل برای مدت طولانی وجود داشته باشند.

بیشتر ایزوتوپ های ناپایدارمصنوعی به دست آمد. ایزوتوپ های ناپایدار رادیواکتیو هستند، هسته های آنها در معرض فرآیند واپاشی رادیواکتیو، یعنی تبدیل خود به خود به هسته های دیگر، همراه با انتشار ذرات و/یا تشعشع هستند. تقریباً تمام ایزوتوپ های مصنوعی رادیواکتیو نیمه عمر بسیار کوتاهی دارند که در ثانیه یا حتی کسری از ثانیه اندازه گیری می شود.

یک هسته می تواند چند ایزوتوپ داشته باشد؟

هسته نمی تواند دارای تعداد دلخواه نوترون باشد. بر این اساس، تعداد ایزوتوپ ها محدود است. تعداد پروتون زوجعناصر، تعداد ایزوتوپ های پایدار می تواند به ده برسد. به عنوان مثال، قلع دارای 10 ایزوتوپ، زنون دارای 9، جیوه دارای 7 و غیره است.

آن عناصر تعداد پروتون ها فرد است، فقط می تواند دو ایزوتوپ پایدار داشته باشد. برخی از عناصر تنها یک ایزوتوپ پایدار دارند. اینها موادی مانند طلا، آلومینیوم، فسفر، سدیم، منگنز و غیره هستند. چنین تغییراتی در تعداد ایزوتوپ‌های پایدار عناصر مختلف با وابستگی پیچیده تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها به انرژی اتصال هسته مرتبط است.

تقریباً تمام مواد موجود در طبیعت به شکل مخلوطی از ایزوتوپ ها وجود دارند. تعداد ایزوتوپ ها در یک ماده به نوع ماده، جرم اتمی و تعداد ایزوتوپ های پایدار یک عنصر شیمیایی بستگی دارد.

ثابت شده است که هر عنصر شیمیایی موجود در طبیعت مخلوطی از ایزوتوپ ها است (از این رو آنها دارای جرم اتمی کسری هستند). برای درک اینکه چگونه ایزوتوپ ها با یکدیگر تفاوت دارند، لازم است ساختار اتم را با جزئیات در نظر بگیریم. یک اتم یک هسته و یک ابر الکترونی تشکیل می دهد. جرم یک اتم تحت تأثیر الکترون‌هایی است که با سرعت خیره‌کننده‌ای در اوربیتال‌های ابر الکترونی، نوترون‌ها و پروتون‌های تشکیل‌دهنده هسته حرکت می‌کنند.

تعریف

ایزوتوپ هانوعی اتم از یک عنصر شیمیایی است. همیشه در هر اتمی تعداد الکترون و پروتون برابر است. از آنجایی که آنها بارهای مخالف دارند (الکترون ها منفی هستند و پروتون ها مثبت هستند)، اتم همیشه خنثی است (این ذره بنیادی بار حمل نمی کند، صفر است). هنگامی که یک الکترون از بین می رود یا اسیر می شود، یک اتم خنثی خود را از دست می دهد و به یون منفی یا مثبت تبدیل می شود.

نوترون ها بار ندارند، اما تعداد آنها در هسته اتمی همان عنصر می تواند متفاوت باشد. این به هیچ وجه بر خنثی بودن اتم تأثیر نمی گذارد، اما بر جرم و خواص آن تأثیر می گذارد. برای مثال، هر ایزوتوپ اتم هیدروژن حاوی یک الکترون و یک پروتون است. اما تعداد نوترون ها متفاوت است. پروتیوم فقط 1 نوترون، دوتریوم 2 نوترون و تریتیوم 3 نوترون دارد. این سه ایزوتوپ به طور قابل توجهی در خواص خود متفاوت هستند.

مقایسه

آنها دارای تعداد نوترون های مختلف، جرم های مختلف و خواص متفاوت هستند. ایزوتوپ ها ساختارهای یکسانی از لایه های الکترونی دارند. این بدان معنی است که آنها از نظر خواص شیمیایی کاملاً مشابه هستند. بنابراین، یک مکان در جدول تناوبی به آنها داده می شود.

ایزوتوپ های پایدار و رادیواکتیو (ناپایدار) در طبیعت یافت می شوند. هسته های اتم های ایزوتوپ های رادیواکتیو می توانند خود به خود به هسته های دیگر تبدیل شوند. در طی فرآیند واپاشی رادیواکتیو، ذرات مختلفی از خود ساطع می کنند.

اکثر عناصر بیش از دوجین ایزوتوپ رادیواکتیو دارند. علاوه بر این، ایزوتوپ های رادیواکتیو به طور مصنوعی برای مطلقاً همه عناصر سنتز می شوند. در مخلوط طبیعی ایزوتوپ ها، محتوای آنها کمی متفاوت است.

وجود ایزوتوپ ها این امکان را فراهم می کند که بفهمیم چرا در برخی موارد، عناصر با جرم اتمی کمتر دارای عدد اتمی بالاتری نسبت به عناصر با جرم اتمی بالاتر هستند. به عنوان مثال، در جفت آرگون-پتاسیم، آرگون شامل ایزوتوپ های سنگین و پتاسیم حاوی ایزوتوپ های سبک است. بنابراین، جرم آرگون بیشتر از پتاسیم است.

وب سایت نتیجه گیری

1. آنها تعداد نوترون های متفاوتی دارند.
2. ایزوتوپ ها دارای جرم اتمی متفاوتی هستند.
3. مقدار جرم اتم های یون بر انرژی و خواص کل آنها تأثیر می گذارد.

احتمالاً کسی روی زمین نیست که نام ایزوتوپ ها را نشنیده باشد. اما همه نمی دانند چیست. عبارت "ایزوتوپ های رادیواکتیو" به خصوص ترسناک به نظر می رسد. این عناصر شیمیایی عجیب بشریت را به وحشت می اندازند، اما در واقع آنقدرها هم که در نگاه اول به نظر می رسد ترسناک نیستند.

تعریف

برای درک مفهوم عناصر رادیواکتیو ابتدا لازم است بگوییم که ایزوتوپ ها نمونه هایی از یک عنصر شیمیایی اما با جرم های متفاوت هستند. چه مفهومی داره؟ اگر ابتدا ساختار اتم را به خاطر بسپاریم، سؤالات ناپدید می شوند. از الکترون، پروتون و نوترون تشکیل شده است. تعداد دو ذره ابتدایی اول در هسته یک اتم همیشه ثابت است، در حالی که نوترون ها که جرم خاص خود را دارند، می توانند در یک ماده در مقادیر مختلف وجود داشته باشند. این شرایط باعث ایجاد انواع عناصر شیمیایی با خواص فیزیکی متفاوت می شود.

حال می توان یک تعریف علمی از مفهوم مورد مطالعه ارائه داد. بنابراین، ایزوتوپ ها مجموعه ای از عناصر شیمیایی هستند که از نظر خواص مشابه هستند، اما دارای جرم و خواص فیزیکی متفاوت هستند. طبق اصطلاحات مدرن تر، آنها کهکشانی از نوکلئوتیدهای یک عنصر شیمیایی نامیده می شوند.

کمی تاریخچه

در آغاز قرن گذشته، دانشمندان کشف کردند که یک ترکیب شیمیایی یکسان در شرایط مختلف می تواند دارای جرم های متفاوتی از هسته های الکترون باشد. از دیدگاه صرفاً نظری، چنین عناصری می‌توانند جدید در نظر گرفته شوند و می‌توانند سلول‌های خالی جدول تناوبی دی. مندلیف را پر کنند. اما تنها 9 سلول آزاد در آن وجود دارد و دانشمندان ده ها عنصر جدید را کشف کردند. علاوه بر این، محاسبات ریاضی نشان داد که ترکیبات کشف شده را نمی توان قبلا ناشناخته در نظر گرفت، زیرا خواص شیمیایی آنها کاملاً با ویژگی های موجود مطابقت دارد.

پس از بحث های طولانی، تصمیم گرفته شد که این عناصر را ایزوتوپ نامیده و آنها را در یک جعبه با عناصری که هسته آنها دارای تعداد یکسانی الکترون است قرار دهند. دانشمندان توانسته‌اند تعیین کنند که ایزوتوپ‌ها فقط برخی از تغییرات عناصر شیمیایی هستند. با این حال، علل وقوع آنها و امید به زندگی برای تقریبا یک قرن مطالعه شده است. حتی در آغاز قرن بیست و یکم، نمی توان گفت که بشریت مطلقاً همه چیز را در مورد ایزوتوپ ها می داند.

تغییرات پایدار و ناپایدار

هر عنصر شیمیایی چندین ایزوتوپ دارد. با توجه به اینکه نوترون های آزاد در هسته آنها وجود دارد، آنها همیشه با بقیه اتم وارد پیوندهای پایدار نمی شوند. پس از مدتی ذرات آزاد از هسته خارج می شوند که جرم و خواص فیزیکی آن تغییر می کند. به این ترتیب ایزوتوپ های دیگری تشکیل می شود که در نهایت منجر به تشکیل ماده ای با تعداد مساوی پروتون، نوترون و الکترون می شود.

به موادی که خیلی سریع تجزیه می شوند، ایزوتوپ های رادیواکتیو می گویند. آنها تعداد زیادی نوترون را در فضا آزاد می کنند و تشعشعات گامای یونیزه کننده قدرتمندی را تشکیل می دهند که به دلیل قدرت نفوذ قوی خود شناخته می شود و بر موجودات زنده تأثیر منفی می گذارد.

ایزوتوپ‌های پایدارتر رادیواکتیو نیستند، زیرا تعداد نوترون‌های آزاد آزاد شده توسط آنها قادر به تولید تشعشع و تأثیر قابل توجهی بر سایر اتم‌ها نیست.

مدت‌ها پیش، دانشمندان یک الگوی مهم ایجاد کردند: هر عنصر شیمیایی ایزوتوپ‌های خاص خود را دارد، پایدار یا رادیواکتیو. جالب اینجاست که بسیاری از آنها در شرایط آزمایشگاهی به دست آمده اند و حضور آنها به شکل طبیعی کم است و همیشه توسط ابزار تشخیص داده نمی شود.

پراکندگی در طبیعت

در شرایط طبیعی، اغلب موادی یافت می شوند که جرم ایزوتوپی آنها مستقیماً با عدد ترتیبی آن در جدول D. Mendeleev تعیین می شود. به عنوان مثال، هیدروژن که با نماد H نشان داده می شود، دارد شماره سریال 1 و جرم آن برابر با وحدت است. ایزوتوپ های آن، 2H و 3H، در طبیعت بسیار نادر هستند.

حتی بدن انسان دارای برخی ایزوتوپ های رادیواکتیو است. آنها از طریق غذا به شکل ایزوتوپ های کربن وارد می شوند که به نوبه خود توسط گیاهان از خاک یا هوا جذب می شوند و در طی فرآیند فتوسنتز بخشی از مواد آلی می شوند. بنابراین، انسان، حیوانات و گیاهان تشعشعات زمینه خاصی را ساطع می کنند. فقط آنقدر کم است که در عملکرد و رشد طبیعی اختلال ایجاد نمی کند.

منابعی که در تشکیل ایزوتوپ ها نقش دارند، لایه های داخلی هسته زمین و تشعشعات فضا هستند.

همانطور که می دانید دمای یک سیاره تا حد زیادی به هسته داغ آن بستگی دارد. اما اخیراً مشخص شد که منبع این گرما یک واکنش گرما هسته‌ای پیچیده است که در آن ایزوتوپ‌های رادیواکتیو شرکت می‌کنند.

فروپاشی ایزوتوپی

از آنجایی که ایزوتوپ ها سازندهای ناپایدار هستند، می توان فرض کرد که با گذشت زمان آنها همیشه به هسته های دائمی تر عناصر شیمیایی تجزیه می شوند. این گفته درست است زیرا دانشمندان قادر به کشف مقادیر عظیم ایزوتوپ های رادیواکتیو در طبیعت نبوده اند. و بیشتر آنهایی که در آزمایشگاهها استخراج می شدند از چند دقیقه تا چند روز دوام آوردند و سپس به عناصر شیمیایی معمولی تبدیل شدند.

اما ایزوتوپ هایی نیز در طبیعت وجود دارند که در برابر پوسیدگی بسیار مقاوم هستند. آنها می توانند برای میلیاردها سال وجود داشته باشند. چنین عناصری در آن زمان های دور، زمانی که زمین هنوز در حال شکل گیری بود و حتی یک پوسته جامد روی سطح آن وجود نداشت، تشکیل شده اند.

ایزوتوپ های رادیواکتیو خیلی سریع تجزیه می شوند و دوباره تشکیل می شوند. بنابراین، به منظور تسهیل ارزیابی پایداری ایزوتوپ، دانشمندان تصمیم گرفتند تا مقوله نیمه عمر آن را در نظر بگیرند.

نیمه عمر

ممکن است بلافاصله برای همه خوانندگان مشخص نباشد که منظور از این مفهوم چیست. بیایید آن را تعریف کنیم. نیمه عمر یک ایزوتوپ زمانی است که در طی آن نیمی از ماده معمولی وجود ندارد.

این بدان معنا نیست که بقیه اتصال در همان مدت زمان از بین می رود. در رابطه با این نیمه، لازم است دسته دیگری را در نظر بگیریم - دوره زمانی که در طی آن قسمت دوم آن، یعنی یک چهارم مقدار اولیه ماده از بین می رود. و این توجه تا بی نهایت ادامه دارد. می توان فرض کرد که محاسبه زمان تجزیه کامل مقدار اولیه یک ماده به سادگی غیرممکن است، زیرا این فرآیند عملاً بی پایان است.

با این حال، دانشمندان، با دانستن نیمه عمر، می توانند تعیین کنند که چه مقدار از این ماده در ابتدا وجود داشته است. این داده ها با موفقیت در علوم مرتبط استفاده می شوند.

در دنیای علمی مدرن، مفهوم پوسیدگی کامل عملاً مورد استفاده قرار نمی گیرد. برای هر ایزوتوپ مرسوم است که نیمه عمر آن مشخص شود که از چند ثانیه تا چندین میلیارد سال متغیر است. هر چه نیمه عمر کمتر باشد، تشعشعات بیشتری از ماده می آید و رادیواکتیویته آن بیشتر می شود.

فسیل‌سازی

در برخی از شاخه های علم و فناوری، استفاده از مقادیر نسبتاً زیادی از مواد رادیواکتیو اجباری تلقی می شود. با این حال، در شرایط طبیعی چنین ترکیبات بسیار کمی وجود دارد.

مشخص است که ایزوتوپ ها انواع غیر معمول عناصر شیمیایی هستند. تعداد آنها در چند درصد از مقاوم ترین انواع اندازه گیری می شود. به همین دلیل است که دانشمندان نیاز به غنی سازی مصنوعی مواد فسیلی دارند.

در طی سال‌ها تحقیق، متوجه شدیم که فروپاشی یک ایزوتوپ با یک واکنش زنجیره‌ای همراه است. نوترون های آزاد شده از یک ماده شروع به تأثیرگذاری بر ماده دیگر می کنند. در نتیجه، هسته‌های سنگین به هسته‌های سبک‌تر متلاشی می‌شوند و عناصر شیمیایی جدیدی به‌دست می‌آیند.

این پدیده واکنش زنجیره ای نامیده می شود که در نتیجه می توان ایزوتوپ های پایدارتر اما کمتر رایج را به دست آورد که متعاقباً در اقتصاد ملی استفاده می شود.

کاربرد انرژی پوسیدگی

دانشمندان همچنین دریافتند که در طی فروپاشی یک ایزوتوپ رادیواکتیو، مقدار زیادی انرژی آزاد آزاد می شود. مقدار آن معمولاً با واحد کوری، برابر با زمان شکافت 1 گرم رادون-222 در 1 ثانیه اندازه گیری می شود. هر چه این شاخص بالاتر باشد، انرژی بیشتری آزاد می شود.

این دلیلی برای توسعه روش های استفاده از انرژی رایگان شد. اینگونه بود که رآکتورهای اتمی ظاهر شدند که یک ایزوتوپ رادیواکتیو در آن قرار می گیرد. بیشتر انرژی آزاد شده توسط آن جمع آوری شده و به الکتریسیته تبدیل می شود. بر اساس این راکتورها، نیروگاه های هسته ای ایجاد می شوند که ارزان ترین برق را تامین می کنند. نسخه های کوچکتر چنین راکتورهایی بر روی مکانیسم های خودکششی نصب می شوند. با توجه به خطر تصادف، زیردریایی ها اغلب به عنوان وسایل نقلیه مورد استفاده قرار می گیرند. در صورت خرابی رآکتور، به حداقل رساندن تعداد تلفات زیردریایی آسان تر خواهد بود.

یکی دیگر از گزینه های بسیار ترسناک برای استفاده از انرژی نیمه عمر، بمب های اتمی است. در طول جنگ جهانی دوم، آنها در شهرهای هیروشیما و ناکازاکی ژاپن بر روی انسان آزمایش شدند. عواقب آن بسیار غم انگیز بود. بنابراین در دنیا توافقی در مورد عدم استفاده از این سلاح های خطرناک وجود دارد. در عین حال، کشورهای بزرگ با تمرکز بر نظامی‌سازی، امروزه به تحقیقات در این زمینه ادامه می‌دهند. علاوه بر این، بسیاری از آنها، مخفیانه از جامعه جهانی، بمب های اتمی تولید می کنند که هزاران برابر خطرناک تر از بمب های مورد استفاده در ژاپن هستند.

ایزوتوپ ها در پزشکی

برای اهداف صلح آمیز، آنها یاد گرفته اند که از تجزیه ایزوتوپ های رادیواکتیو در پزشکی استفاده کنند. با هدایت اشعه به ناحیه آسیب دیده بدن، می توان سیر بیماری را متوقف کرد یا به بهبودی کامل بیمار کمک کرد.

اما بیشتر اوقات از ایزوتوپ های رادیواکتیو برای تشخیص استفاده می شود. مسئله این است که حرکت آنها و ماهیت خوشه به راحتی توسط تابشی که تولید می کنند تعیین می شود. بنابراین، مقدار معینی از یک ماده رادیواکتیو به بدن انسان وارد می شود و پزشکان از ابزارهایی برای مشاهده چگونگی و مکان ورود آن استفاده می کنند.

به این ترتیب آنها عملکرد مغز، ماهیت تومورهای سرطانی و ویژگی های عملکرد غدد درون ریز و برون ریز را تشخیص می دهند.

کاربرد در باستان شناسی

مشخص است که موجودات زنده همیشه حاوی کربن 14 رادیواکتیو هستند که نیمه عمر ایزوتوپ آن 5570 سال است. علاوه بر این، دانشمندان می دانند که چه مقدار از این عنصر تا لحظه مرگ در بدن وجود دارد. این بدان معنی است که همه درختان قطع شده به یک اندازه تشعشع می کنند. با گذشت زمان، شدت تابش کاهش می یابد.

این به باستان شناسان کمک می کند تا تعیین کنند چوبی که از آن گالی یا هر کشتی دیگری ساخته شده است، چه مدت پیش مرده و در نتیجه زمان ساخت خود را تعیین می کند. این روش تحقیق را آنالیز کربن رادیواکتیو می نامند. به لطف آن، تعیین گاهشماری رویدادهای تاریخی برای دانشمندان آسان تر است.

· نیمه عمر · عدد جرمی · واکنش زنجیره ای هسته ای

واژه شناسی

تاریخچه کشف ایزوتوپ ها

اولین شواهد مبنی بر اینکه موادی که رفتار شیمیایی یکسانی دارند می توانند خواص فیزیکی متفاوتی داشته باشند با مطالعه تبدیلات رادیواکتیو اتم های عناصر سنگین به دست آمد. در سال 1906-1907 معلوم شد که محصول تجزیه رادیواکتیو اورانیوم - یونیوم و محصول فروپاشی رادیواکتیو توریم - رادیوتوریوم، خواص شیمیایی مشابهی با توریم دارند، اما از نظر جرم اتمی و ویژگی های تجزیه رادیواکتیو با آن متفاوت هستند. بعداً مشخص شد که هر سه محصول دارای طیف نوری و اشعه ایکس یکسان هستند. به پیشنهاد دانشمند انگلیسی F. Soddy، چنین موادی که از نظر خواص شیمیایی یکسان هستند، اما از نظر جرم اتم ها و برخی خواص فیزیکی متفاوت هستند، شروع به نامگذاری ایزوتوپ کردند.

ایزوتوپ ها در طبیعت

اعتقاد بر این است که ترکیب ایزوتوپی عناصر روی زمین در همه مواد یکسان است. برخی از فرآیندهای فیزیکی در طبیعت منجر به اختلال در ترکیب ایزوتوپی عناصر (طبیعی تقسیم بندیایزوتوپ های مشخصه عناصر سبک، و همچنین جابجایی ایزوتوپ ها در طول فروپاشی ایزوتوپ های طبیعی با عمر طولانی). تجمع تدریجی هسته ها در مواد معدنی - محصولات فروپاشی برخی از هسته های با عمر طولانی - در زمین شناسی هسته ای استفاده می شود.

استفاده انسان از ایزوتوپ ها

در فعالیت‌های تکنولوژیکی، مردم یاد گرفته‌اند که ترکیب ایزوتوپی عناصر را تغییر دهند تا هر خاصیت خاصی از مواد را بدست آورند. به عنوان مثال، 235 U قادر به یک واکنش زنجیره ای شکافت توسط نوترون های حرارتی است و می تواند به عنوان سوخت برای راکتورهای هسته ای یا سلاح های هسته ای استفاده شود. با این حال، اورانیوم طبیعی تنها حاوی 0.72٪ از این هسته است، در حالی که یک واکنش زنجیره ای عملا فقط با محتوای 235U حداقل 3٪ امکان پذیر است. با توجه به شباهت خواص فیزیکی و شیمیایی ایزوتوپ های عناصر سنگین، فرآیند غنی سازی ایزوتوپی اورانیوم یک کار تکنولوژیکی بسیار پیچیده است که تنها برای ده ها کشور در جهان قابل دسترسی است. تگ های ایزوتوپی در بسیاری از شاخه های علم و فناوری (به عنوان مثال در رادیو ایمونواسی) استفاده می شود.

همچنین ببینید

• ژئوشیمی ایزوتوپی

ناپایدار (کمتر از یک روز): 8 C: Carbon-8، 9 C: Carbon-9، 10 C: Carbon-10، 11 C: Carbon-11

پایدار: 12 C: کربن-12، 13 درجه سانتی گراد: کربن-13

10-10000 سال: 14 C: کربن-14

ناپایدار (کمتر از یک روز): 15 C: کربن-15، 16 درجه سانتی گراد: کربن-16، 17 درجه سانتی گراد: کربن-17، 18 درجه سانتی گراد: کربن-18، 19 درجه سانتی گراد: کربن-19، 20 درجه سانتی گراد: کربن-20، 21 درجه سانتی گراد: کربن-21، 22 C: کربن-22

ایزوتوپ ها- انواع اتم ها (و هسته های) یک عنصر شیمیایی که دارای عدد اتمی (ترتیبی) یکسان، اما در عین حال اعداد جرمی متفاوت هستند.

اصطلاح ایزوتوپ از ریشه یونانی isos (ἴσος "برابر") و topos (τόπος "مکان") به معنای "همان مکان" تشکیل شده است. بنابراین معنای نام این است که ایزوتوپ های مختلف یک عنصر در جدول تناوبی موقعیت یکسانی را اشغال می کنند.

سه ایزوتوپ طبیعی هیدروژن این واقعیت که هر ایزوتوپ دارای یک پروتون است دارای انواع هیدروژن است: هویت ایزوتوپ با تعداد نوترون ها تعیین می شود. از چپ به راست، ایزوتوپ ها پروتیوم (1H) با نوترون صفر، دوتریوم (2H) با یک نوترون و تریتیوم (3H) با دو نوترون هستند.

تعداد پروتون های هسته یک اتم را عدد اتمی می نامند و برابر با تعداد الکترون های یک اتم خنثی (غیر یونیزه) است. هر عدد اتمی یک عنصر خاص را مشخص می کند، اما نه یک ایزوتوپ. یک اتم از یک عنصر معین می تواند دامنه وسیعی در تعداد نوترون ها داشته باشد. تعداد نوکلئون‌ها (اعم از پروتون و نوترون) در هسته، عدد جرمی اتم است و هر ایزوتوپ از یک عنصر معین دارای عدد جرمی متفاوتی است.

برای مثال کربن 12، کربن 13 و کربن 14 سه ایزوتوپ کربن عنصری با اعداد جرمی 12، 13 و 14 هستند. عدد اتمی کربن 6 است، یعنی هر اتم کربن دارای 6 پروتون است، بنابراین اعداد نوترونی این ایزوتوپ ها به ترتیب 6، 7 و 8 است.

نuklides و ایزوتوپ ها

نوکلید به هسته اشاره دارد نه اتم. هسته های یکسان متعلق به همان هسته هستند، به عنوان مثال، هر هسته هسته کربن-13 از 6 پروتون و 7 نوترون تشکیل شده است. مفهوم نوکلید (مربوط به گونه‌های هسته‌ای منفرد) بر ویژگی‌های هسته‌ای بر خواص شیمیایی تأکید دارد، در حالی که مفهوم ایزوتوپ (گروه‌بندی تمام اتم‌های هر عنصر) بر واکنش شیمیایی بر واکنش هسته‌ای تأکید دارد. عدد نوترون تأثیر زیادی بر خواص هسته دارد، اما تأثیر آن بر خواص شیمیایی برای اکثر عناصر ناچیز است. حتی در مورد سبک‌ترین عناصر، که نسبت نوترون‌ها به عدد اتمی بین ایزوتوپ‌ها بیشترین تفاوت را دارد، معمولاً فقط یک اثر جزئی دارد، اگرچه در برخی موارد مهم است (برای هیدروژن، سبک‌ترین عنصر، اثر ایزوتوپ بزرگ است. تاثیر زیادی برای زیست شناسی داشته باشد). از آنجایی که ایزوتوپ یک اصطلاح قدیمی است، بهتر از نوکلید شناخته شده است و هنوز هم گاهی اوقات در زمینه هایی استفاده می شود که ممکن است نوکلید مناسب تر باشد، مانند فناوری هسته ای و پزشکی هسته ای.

تعیین ها

یک ایزوتوپ یا نوکلید با نام عنصر خاص (این نشان دهنده عدد اتمی است) و به دنبال آن خط فاصله و عدد جرمی (به عنوان مثال، هلیوم-3، هلیوم-4، کربن-12، کربن-14، اورانیوم-) مشخص می شود. 235 و اورانیوم-239). هنگامی که از یک نماد شیمیایی استفاده می شود، به عنوان مثال. "C" برای کربن، نماد استاندارد (اکنون به عنوان "AZE-notation" شناخته می شود زیرا A عدد جرمی است، Z عدد اتمی است و E برای عنصر است) - عدد جرمی (تعداد نوکلئون ها) را با یک علامت بالا نشان دهید. در سمت چپ بالای نماد شیمیایی و عدد اتمی را با یک زیرنویس در گوشه سمت چپ پایین نشان دهید). از آنجایی که عدد اتمی با نماد عنصر داده می شود، معمولاً فقط عدد جرمی در بالانویس داده می شود و هیچ شاخص اتمی داده نمی شود. گاهی اوقات حرف m بعد از عدد جرمی اضافه می‌شود تا یک ایزومر هسته‌ای، یک حالت هسته‌ای متقابل یا با انرژی برانگیخته (برخلاف حالت پایه با کمترین انرژی)، به عنوان مثال، 180m 73Ta (تانتالوم-180m) را نشان دهد.

ایزوتوپ های رادیواکتیو، اولیه و پایدار

برخی از ایزوتوپ ها رادیواکتیو هستند و بنابراین رادیوایزوتوپ یا رادیونوکلئید نامیده می شوند، در حالی که برخی دیگر هرگز به صورت رادیواکتیو تجزیه نشده اند و ایزوتوپ های پایدار یا هسته های پایدار نامیده می شوند. برای مثال، 14 C شکل رادیواکتیو کربن است، در حالی که 12 C و 13 C ایزوتوپ های پایدار هستند. تقریباً 339 هسته طبیعی روی زمین وجود دارد که از این تعداد 286 هسته اولیه هستند، یعنی از زمان شکل گیری منظومه شمسی وجود داشته اند.

نوکلیدهای اصلی شامل 32 هسته با نیمه عمر بسیار طولانی (بیش از 100 میلیون سال) و 254 هسته هستند که به طور رسمی "نوکلیدهای پایدار" در نظر گرفته می شوند، زیرا مشاهده نشدند که تجزیه می شوند. در بیشتر موارد، به دلایل واضح، اگر عنصری ایزوتوپ های پایدار داشته باشد، آن ایزوتوپ ها بر فراوانی عنصری موجود در زمین و منظومه شمسی غالب هستند. با این حال، در مورد سه عنصر (تلوریم، ایندیم و رنیم)، رایج‌ترین ایزوتوپ موجود در طبیعت در واقع یک (یا دو) ایزوتوپ رادیویی با عمر بسیار طولانی از عنصر است، علی‌رغم اینکه این عناصر دارای یکی هستند. یا ایزوتوپ های پایدارتر

این تئوری پیش‌بینی می‌کند که بسیاری از ایزوتوپ‌ها/نوکلیدهای ظاهراً «پایدار» رادیواکتیو هستند، با نیمه‌عمر بسیار طولانی (با نادیده گرفتن احتمال فروپاشی پروتون، که در نهایت همه هسته‌ها را ناپایدار می‌کند). از 254 هسته‌ای که هرگز مشاهده نشده‌اند، تنها 90 تای آن‌ها (همه 40 عنصر اول) از نظر تئوری در برابر همه اشکال شناخته شده فروپاشی پایدار هستند. عنصر 41 (نیوبیوم) از نظر تئوری در اثر شکافت خودبخودی ناپایدار است، اما هرگز کشف نشده است. بسیاری از نوکلیدهای پایدار دیگر در تئوری از نظر انرژی نسبت به سایر اشکال واپاشی شناخته شده، مانند واپاشی آلفا یا فروپاشی مضاعف بتا حساس هستند، اما محصولات فروپاشی هنوز مشاهده نشده اند، و بنابراین این ایزوتوپ ها به عنوان "پایدار مشاهده ای" در نظر گرفته می شوند. نیمه عمر پیش بینی شده برای این هسته ها اغلب بسیار بیشتر از سن تخمینی کیهان است و در واقع 27 رادیونوکلئید شناخته شده با نیمه عمر بیشتر از سن کیهان وجود دارد.

هسته های رادیواکتیو به طور مصنوعی ایجاد می شوند، در حال حاضر 3339 هسته شناخته شده وجود دارد. اینها شامل 905 هسته هستند که یا پایدار هستند یا نیمه عمر آنها بیش از 60 دقیقه است.

خواص ایزوتوپ ها

خواص شیمیایی و مولکولی

یک اتم خنثی به اندازه پروتون ها الکترون دارد. بنابراین، ایزوتوپ های مختلف یک عنصر معین، تعداد الکترون های یکسانی دارند و ساختارهای الکترونیکی مشابهی دارند. از آنجایی که رفتار شیمیایی یک اتم تا حد زیادی توسط ساختار الکترونیکی آن تعیین می شود، ایزوتوپ های مختلف رفتار شیمیایی تقریباً یکسانی از خود نشان می دهند.

استثنا در این مورد، اثر ایزوتوپ جنبشی است: به دلیل جرم زیاد، ایزوتوپ‌های سنگین‌تر نسبت به ایزوتوپ‌های سبک‌تر از همان عنصر تمایل دارند تا حدودی کندتر واکنش نشان دهند. این بیشتر برای پروتیوم (1 H)، دوتریوم (2 H) و تریتیوم (3 H) مشخص است، زیرا جرم دوتریوم دو برابر پروتیوم و تریتیوم سه برابر جرم پروتیوم است. این تفاوت در جرم همچنین بر رفتار پیوندهای شیمیایی مربوطه آنها تأثیر می گذارد و مرکز ثقل (جرم کاهش یافته) سیستم های اتمی را تغییر می دهد. با این حال، برای عناصر سنگین تر، تفاوت جرم نسبی بین ایزوتوپ ها بسیار کوچکتر است، بنابراین اثرات اختلاف جرم در شیمی معمولا ناچیز است. (عناصر سنگین همچنین دارای نوترون های نسبتاً بیشتری نسبت به عناصر سبک تر هستند، بنابراین نسبت جرم هسته ای به جرم کل الکترون تا حدودی بزرگتر است).

به همین ترتیب، دو مولکول که فقط در ایزوتوپ‌های اتم‌هایشان (ایزوتوپولوگ‌ها) متفاوت هستند، ساختار الکترونیکی یکسانی دارند و از این رو خواص فیزیکی و شیمیایی تقریباً غیرقابل تشخیص هستند (دوتریوم و تریتیوم استثناهای اصلی هستند). حالت های ارتعاشی یک مولکول با شکل و جرم اتم های تشکیل دهنده آن تعیین می شود. بنابراین، ایزوتوپولوگ های مختلف مجموعه های متفاوتی از حالت های ارتعاشی دارند. از آنجایی که حالت‌های ارتعاشی به یک مولکول اجازه می‌دهد فوتون‌های انرژی مناسب را جذب کند، ایزوتوپولوژیک‌ها خواص نوری متفاوتی در مادون قرمز دارند.

خواص و ثبات هسته ای

هسته‌های اتمی از پروتون‌ها و نوترون‌هایی تشکیل شده‌اند که توسط نیروی قوی باقی‌مانده به هم متصل شده‌اند. از آنجایی که پروتون ها دارای بار مثبت هستند، یکدیگر را دفع می کنند. نوترون ها که از نظر الکتریکی خنثی هستند، هسته را به دو صورت تثبیت می کنند. تماس آنها پروتون ها را اندکی از هم دور می کند و دافعه الکترواستاتیکی بین پروتون ها را کاهش می دهد و آنها نیروی هسته ای جذابی بر یکدیگر و بر پروتون ها وارد می کنند. به همین دلیل، برای اتصال دو یا چند پروتون به یک هسته، یک یا چند نوترون لازم است. با افزایش تعداد پروتون‌ها، نسبت نوترون‌ها به پروتون‌های مورد نیاز برای ایجاد یک هسته پایدار نیز افزایش می‌یابد (نمودار سمت راست را ببینید). برای مثال، اگرچه نسبت نوترون:پروتون 3 2 He 1:2 است، نسبت نوترون:پروتون 238 92 U است.
بیش از 3:2. تعدادی از عناصر سبکتر دارای نوکلیدهای پایدار با نسبت 1:1 (Z = N) هستند. نوکلید 40 20 کلسیم (کلسیم-40) از نظر مشاهدهی سنگین ترین هسته پایدار با تعداد نوترون و پروتون یکسان است. (از لحاظ نظری، سنگین ترین پایدار گوگرد-32 است). تمام هسته های پایدار سنگین تر از کلسیم 40 حاوی نوترون بیشتری نسبت به پروتون هستند.

تعداد ایزوتوپ در هر عنصر

از 81 عنصر دارای ایزوتوپ پایدار، بیشترین تعداد ایزوتوپ پایدار مشاهده شده برای هر عنصر ده عدد است (برای عنصر قلع). هیچ عنصری نه ایزوتوپ پایدار ندارد. زنون تنها عنصر با هشت ایزوتوپ پایدار است. چهار عنصر دارای هفت ایزوتوپ پایدار، هشت عنصر دارای شش ایزوتوپ پایدار، ده عنصر دارای پنج ایزوتوپ پایدار، نه عنصر دارای چهار ایزوتوپ پایدار، پنج عنصر دارای سه ایزوتوپ پایدار، 16 عنصر دارای دو ایزوتوپ پایدار، و 26 عنصر دارای تنها یک ایزوتوپ (از این تعداد 19 ایزوتوپ هستند). عناصر به اصطلاح مونوکلیدی که دارای یک ایزوتوپ اولیه منفرد هستند که بر وزن اتمی عنصر طبیعی با دقت بالایی تثبیت می کند، همچنین 3 عنصر تک هسته ای رادیواکتیو وجود دارد. در مجموع 254 هسته وجود دارد که تجزیه و تحلیل آنها مشاهده نشده است. برای 80 عنصری که یک یا چند ایزوتوپ پایدار دارند، میانگین تعداد ایزوتوپ های پایدار 254/80 = 3.2 ایزوتوپ در هر عنصر است.

تعداد زوج و فرد نوکلئون ها

پروتون ها: نسبت نوترون تنها عامل موثر بر پایداری هسته ای نیست. همچنین بستگی به برابری یا عجیب بودن عدد اتمی آن Z، تعداد نوترون‌های N، از این رو مجموع عدد جرمی A دارد. این تفاوت قابل توجه در انرژی اتصال هسته ای بین هسته های همسایه، به ویژه ایزوبارهای فرد، پیامدهای مهمی دارد: ایزوتوپ های ناپایدار با تعداد نابهینه نوترون ها یا پروتون ها در اثر واپاشی بتا (شامل واپاشی پوزیترون)، جذب الکترون یا سایر ابزارهای عجیب و غریب مانند شکافت خودبخودی و خوشه های پوسیدگی

بیشتر هسته‌های پایدار تعداد زوج پروتون و تعداد زوج نوترون هستند که اعداد Z، N و A همگی زوج هستند. نوکلیدهای پایدار فرد (تقریباً به طور مساوی) به موارد فرد تقسیم می شوند.

عدد اتمی

148 هسته پروتون، حتی نوترون (NE) حدود 58 درصد از تمام هسته های پایدار را تشکیل می دهند. همچنین 22 هسته اولیه با عمر طولانی وجود دارد. در نتیجه، هر یک از 41 عنصر زوج از 2 تا 82 دارای حداقل یک ایزوتوپ پایدار است و بیشتر این عناصر دارای ایزوتوپ های اولیه متعدد هستند. نیمی از این عناصر زوج دارای شش یا بیشتر ایزوتوپ پایدار هستند. پایداری بسیار زیاد هلیوم-4، به دلیل ترکیب دوگانه دو پروتون و دو نوترون، مانع از وجود هر گونه هسته‌ای حاوی پنج یا هشت نوکلئون می‌شود که به‌اندازه کافی به عنوان سکویی برای تجمع عناصر سنگین‌تر از طریق همجوشی هسته‌ای عمل کند.

این 53 هسته پایدار دارای تعداد پروتون زوج و تعداد فرد نوترون هستند. آنها در مقایسه با ایزوتوپ های زوج، که تقریباً 3 برابر فراوان تر هستند، در اقلیت هستند. در میان 41 عنصر زوج-Z که دارای یک هسته پایدار هستند، تنها دو عنصر (آرگون و سریم) هسته‌های پایدار زوج و فرد ندارند. یک عنصر (قلع) دارای سه عنصر است. 24 عنصر وجود دارد که دارای یک هسته زوج و فرد و 13 عنصر دارای دو هسته زوج و فرد هستند.

به دلیل تعداد نوترون‌های فرد، هسته‌های فرد و زوج به دلیل انرژی ناشی از اثرات جفت شدن نوترون، سطح مقطع جذب نوترون بزرگی دارند. این هسته‌های پایدار ممکن است در طبیعت به‌طور غیرمعمول فراوان باشند، عمدتاً به این دلیل که برای تشکیل و ورود به فراوانی اولیه، باید از جذب نوترون فرار کنند تا در طول فرآیند s و فرآیند جذب نوترون r در طول سنتز نوکلئوسنتز، ایزوتوپ‌های زوج و فرد پایدار دیگر را تشکیل دهند.

عدد اتمی فرد

48 هسته پایدار فرد پروتون و زوج نوترون، که توسط تعداد زوج نوترون‌های زوج تثبیت شده‌اند، اکثر ایزوتوپ‌های پایدار عناصر فرد را تشکیل می‌دهند. تعداد بسیار کمی از نوکلیدهای نوترونی فرد-پروتون-فرد بقیه را تشکیل می دهند. 41 عنصر عجیب و غریب از Z = 1 تا 81 وجود دارد که 39 عنصر دارای ایزوتوپ پایدار هستند (عناصر تکنسیوم (43 Tc) و پرومتیم (61 Pm) هیچ ایزوتوپ پایداری ندارند). از این 39 عنصر Z فرد، 30 عنصر (شامل هیدروژن-1، که در آن 0 نوترون زوج است) دارای یک ایزوتوپ زوج و فرد پایدار و 9 عنصر هستند: کلر (17 کلر)، پتاسیم (19 کلوین)، مس (29 مس)، گالیم (31 Ga)، برم (35 Br)، نقره (47 Ag)، آنتیموان (51 Sb)، ایریدیوم (77 Ir) و تالیم (81 Tl) هر کدام دو ایزوتوپ پایدار زوج و فرد دارند. این ایزوتوپ 30 + 2 (9) = 48 ایزوتوپ زوج و زوج پایدار است.

فقط پنج هسته پایدار دارای تعداد فرد پروتون و تعداد فرد نوترون هستند. چهار هسته اول "فرد-فرد" در هسته‌های با وزن مولکولی کم اتفاق می‌افتند که تغییر پروتون به نوترون یا بالعکس باعث ایجاد نسبت پروتون به نوترون بسیار کج‌رو می‌شود.

تنها هسته‌ای کاملاً «پایدار» و عجیب و غریب 180 متر 73 Ta است که نادرترین ایزوتوپ از بین 254 ایزوتوپ پایدار در نظر گرفته می‌شود و تنها ایزومر هسته‌ای اولیه است که علی‌رغم تلاش‌های آزمایشی هنوز برای فروپاشی مشاهده نشده است.

تعداد فرد نوترون

اکتینیدها با تعداد فرد نوترون تمایل به شکافت (با نوترون های حرارتی) دارند، در حالی که آنهایی که دارای عدد نوترون زوج هستند معمولاً این گونه نیستند، اگرچه آنها با نوترون های سریع شکافت می کنند. همه هسته‌های فرد و فرد از نظر مشاهده پایدار دارای اسپین عدد صحیح غیرصفر هستند. این به این دلیل است که یک نوترون جفت نشده و یک پروتون جفت نشده نیروی هسته ای بیشتری نسبت به یکدیگر دارند، اگر اسپین های آنها در یک راستا باشند (با تولید یک اسپین مجموع حداقل 1 واحد) به جای هم تراز شدن.

وقوع در طبیعت

عناصر از یک یا چند ایزوتوپ طبیعی تشکیل شده اند. ایزوتوپ های ناپایدار (رادیواکتیو) یا اولیه یا پس از اولیه هستند. ایزوتوپ‌های اولیه محصول نوکلئوسنتز ستاره‌ای یا نوع دیگری از سنتز هسته‌ای مانند شکافت پرتوهای کیهانی بودند، و تا به امروز باقی مانده‌اند، زیرا نرخ فروپاشی آنها بسیار پایین است (مانند اورانیوم-238 و پتاسیم-40). ایزوتوپ‌های پس از طبیعی با بمباران پرتوهای کیهانی به‌عنوان هسته‌های کیهانی (مانند تریتیوم، کربن-14) یا تجزیه یک ایزوتوپ اولیه رادیواکتیو به فرزند یک هسته رادیوژنیک رادیواکتیو (مانند اورانیوم به رادیوم) ایجاد شدند. چندین ایزوتوپ به طور طبیعی به‌عنوان هسته‌های هسته‌زا توسط سایر واکنش‌های هسته‌ای طبیعی، مانند زمانی که نوترون‌های حاصل از شکافت هسته‌ای طبیعی توسط اتم دیگری جذب می‌شوند، سنتز می‌شوند.

همانطور که در بالا توضیح داده شد، تنها 80 عنصر دارای ایزوتوپ پایدار هستند و 26 مورد از آنها فقط یک ایزوتوپ پایدار دارند. بنابراین، حدود دو سوم عناصر پایدار به طور طبیعی روی زمین در چندین ایزوتوپ پایدار وجود دارند که بیشترین تعداد ایزوتوپ های پایدار برای یک عنصر ده ایزوتوپ برای قلع (50Sn) است. حدود 94 عنصر روی زمین (تا و از جمله پلوتونیوم) وجود دارد، اگرچه برخی از آنها فقط در مقادیر بسیار کم یافت می شوند، مانند پلوتونیوم 244. دانشمندان بر این باورند که عناصری که به طور طبیعی روی زمین وجود دارند (برخی فقط به عنوان ایزوتوپ های رادیویی) در مجموع به صورت 339 ایزوتوپ (نوکلید) وجود دارند. تنها 254 مورد از این ایزوتوپ های طبیعی پایدار هستند به این معنا که تا به امروز مشاهده نشده اند. 35 هسته اولیه دیگر (در مجموع 289 هسته اولیه) رادیواکتیو با نیمه عمر شناخته شده هستند، اما نیمه عمر آنها بیش از 80 میلیون سال است که به آنها اجازه می دهد از ابتدای منظومه شمسی وجود داشته باشند.

همه ایزوتوپ های پایدار شناخته شده به طور طبیعی روی زمین وجود دارند. سایر ایزوتوپ های طبیعی رادیواکتیو هستند، اما به دلیل نیمه عمر نسبتاً طولانی آنها یا سایر وسایل تولید طبیعی مداوم. اینها شامل نوکلیدهای کیهان زایی ذکر شده در بالا، نوکلیدهای هسته زا و هر ایزوتوپ پرتوزایی ناشی از فروپاشی مداوم یک ایزوتوپ رادیواکتیو اولیه مانند رادون و رادیوم از اورانیوم است.

حدود 3000 ایزوتوپ رادیواکتیو دیگر که در طبیعت یافت نمی شوند در راکتورهای هسته ای و شتاب دهنده های ذرات ایجاد شده اند. بسیاری از ایزوتوپ‌های کوتاه‌مدت که به‌طور طبیعی روی زمین یافت نمی‌شوند نیز با تجزیه و تحلیل طیف‌سنجی مشاهده شده‌اند که به‌طور طبیعی در ستارگان یا ابرنواخترها تولید می‌شوند. به عنوان مثال آلومینیوم-26 است که به طور طبیعی در زمین یافت نمی شود اما در مقیاس نجومی به وفور یافت می شود.

جرم‌های اتمی جدول‌بندی شده عناصر، میانگین‌هایی هستند که وجود ایزوتوپ‌های متعدد با جرم‌های متفاوت را نشان می‌دهند. قبل از کشف ایزوتوپ ها، مقادیر جرم اتمی غیر یکپارچه به صورت تجربی تعیین شده، دانشمندان را گیج می کرد. به عنوان مثال، یک نمونه کلر حاوی 75.8 درصد کلر 35 و 24.2 درصد کلر 37 است که میانگین جرم اتمی آن 35.5 واحد جرم اتمی است.

بر اساس نظریه عمومی پذیرفته شده کیهان شناسی، تنها ایزوتوپ های هیدروژن و هلیوم، آثاری از برخی ایزوتوپ های لیتیوم و بریلیم، و احتمالاً مقداری بور، در انفجار بزرگ ایجاد شدند، و همه ایزوتوپ های دیگر بعداً در ستارگان و ابرنواخترها سنتز شدند. و در فعل و انفعالات بین ذرات پرانرژی، مانند پرتوهای کیهانی، و ایزوتوپ‌های به‌دست‌آمده قبلی. فراوانی ایزوتوپی متناظر از ایزوتوپ‌ها روی زمین توسط مقادیر تولید شده توسط این فرآیندها، انتشار آنها در کهکشان و سرعت فروپاشی ایزوتوپ‌ها که ناپایدار هستند، تعیین می‌شود. پس از ادغام اولیه منظومه شمسی، ایزوتوپ ها بر اساس جرم دوباره توزیع شدند و ترکیب ایزوتوپی عناصر از سیاره ای به سیاره دیگر کمی متفاوت است. این گاهی اوقات به شخص اجازه می دهد تا منشا شهاب سنگ ها را ردیابی کند.

جرم اتمی ایزوتوپ ها

جرم اتمی (mr) یک ایزوتوپ در درجه اول با عدد جرمی آن (یعنی تعداد نوکلئون های هسته آن) تعیین می شود. اصلاحات کوچک به دلیل انرژی اتصال هسته، تفاوت کوچک جرم بین پروتون و نوترون و جرم الکترون های مرتبط با اتم است.

عدد جرمی - کمیت بدون بعد از طرف دیگر، جرم اتمی با استفاده از واحد جرم اتمی بر اساس جرم اتم کربن 12 اندازه گیری می شود. با نمادهای "u" (برای واحد جرم اتمی یکپارچه) یا "Da" (برای دالتون) نشان داده می شود.

جرم اتمی ایزوتوپ های طبیعی یک عنصر، جرم اتمی عنصر را تعیین می کند. هنگامی که یک عنصر حاوی ایزوتوپ های N باشد، عبارت زیر برای جرم اتمی متوسط ​​اعمال می شود:

که در آن m 1، m 2، ...، mN جرم اتمی هر ایزوتوپ جداگانه و x 1، ...، xN فراوانی نسبی این ایزوتوپ ها هستند.

کاربرد ایزوتوپ ها

کاربردهای متعددی وجود دارد که از خواص ایزوتوپ های مختلف یک عنصر معین بهره می برند. جداسازی ایزوتوپی یک مشکل تکنولوژیکی مهم است، به ویژه در مورد عناصر سنگین مانند اورانیوم یا پلوتونیوم. عناصر سبک تر مانند لیتیوم، کربن، نیتروژن و اکسیژن معمولاً با انتشار گازی ترکیبات خود مانند CO و NO از هم جدا می شوند. جداسازی هیدروژن و دوتریوم غیرعادی است زیرا بر اساس خواص شیمیایی و نه فیزیکی است، مانند فرآیند سولفید Girdler. ایزوتوپ های اورانیوم با انتشار گاز، سانتریفیوژ گاز، جداسازی یونیزاسیون لیزری، و (در پروژه منهتن) تولید از نوع طیف سنجی جرمی، بر حسب حجم جدا شدند.

استفاده از خواص شیمیایی و بیولوژیکی

• آنالیز ایزوتوپی تعیین امضای ایزوتوپ، فراوانی نسبی ایزوتوپ های یک عنصر معین در یک نمونه خاص است. به ویژه برای مواد مغذی، تغییرات قابل توجهی در ایزوتوپ‌های C، N و O می‌تواند رخ دهد. شناسایی برخی از شهاب‌سنگ‌هایی که در مریخ منشأ گرفته‌اند تا حدی بر اساس امضای ایزوتوپی گازهای کمیاب آنها است.
• جایگزینی ایزوتوپی را می توان برای تعیین مکانیسم یک واکنش شیمیایی از طریق اثر ایزوتوپ جنبشی استفاده کرد.
• یکی دیگر از کاربردهای رایج، برچسب گذاری ایزوتوپ، استفاده از ایزوتوپ های غیر معمول به عنوان شاخص یا نشانگر در واکنش های شیمیایی است. معمولاً اتم های یک عنصر معین از یکدیگر قابل تشخیص نیستند. با این حال، با استفاده از ایزوتوپ هایی با جرم های مختلف، حتی ایزوتوپ های پایدار غیر رادیواکتیو مختلف را می توان با استفاده از طیف سنجی جرمی یا طیف سنجی مادون قرمز تشخیص داد. به عنوان مثال، در "برچسب گذاری ایزوتوپ پایدار اسیدهای آمینه در کشت سلولی" (SILAC)، ایزوتوپ های پایدار برای تعیین کمیت پروتئین ها استفاده می شود. اگر از ایزوتوپ‌های رادیواکتیو استفاده شود، می‌توان آن‌ها را با تشعشعاتی که ساطع می‌کنند شناسایی کرد (به این کار برچسب زدن رادیوایزوتوپ می‌گویند).
• ایزوتوپ ها معمولاً برای تعیین غلظت عناصر یا مواد مختلف با استفاده از روش رقت ایزوتوپی استفاده می شوند که در آن مقادیر شناخته شده ای از ترکیبات جایگزین ایزوتوپی با نمونه ها مخلوط می شود و امضای ایزوتوپی مخلوط های حاصل با استفاده از طیف سنجی جرمی تعیین می شود.

استفاده از خواص هسته ای

• روشی مشابه با برچسب گذاری رادیوایزوتوپ، تاریخ گذاری رادیومتری است: با استفاده از نیمه عمر شناخته شده یک عنصر ناپایدار، می توان مدت زمانی را که از وجود غلظت شناخته شده ایزوتوپ گذشته است محاسبه کرد. شناخته شده ترین نمونه، تاریخ گذاری رادیوکربنی است که برای تعیین سن مواد کربنی استفاده می شود.
• برخی از اشکال طیف‌سنجی به خواص هسته‌ای منحصربه‌فرد ایزوتوپ‌های خاص، هم رادیواکتیو و هم پایدار، متکی هستند. به عنوان مثال، طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) فقط برای ایزوتوپ‌هایی با اسپین هسته‌ای غیرصفر قابل استفاده است. رایج ترین ایزوتوپ های مورد استفاده در طیف سنجی NMR عبارتند از 1 H، 2 D، 15 N، 13 C و 31 P.
• طیف سنجی Mössbauer همچنین بر انتقال هسته ای ایزوتوپ های خاص مانند 57Fe متکی است.