ИЗОТОПЫ
ИЗОТО́ПЫ -ов; мн. (ед. изото́п, -а; м.). [от греч. isos - равный и topos - место] Спец. Разновидности одного и того же химического элемента, различающиеся массой атомов. Радиоактивные изотопы. Изотопы урана.
◁ Изото́пный, -ая, -ое. И. индикатор.
* * *
изото́пы (от изо... и греч. tópos - место), разновидности атомов одного и того же химического элемента, атомные ядра которых содержат одинаковое число протонов и различное число нейтронов. Изотопами называют также ядра таких атомов. Различают устойчивые (стабильные) изотопы и радиоактивные изотопы. Термин предложен Ф. Содди в 1910.
* * *
ИЗОТОПЫ - ИЗОТО́ПЫ (от изо... (см. ИЗО... (часть сложных слов)) и греч. topos - место), разновидности атомов одного и того же химического элемента, различающиеся по массе ядер. Ядра атомов изотопов содержат одинаковое число протонов (см. ПРОТОН (элементарная частица)) Z и различное число нейтронов (см. НЕЙТРОН) N, т. е. изотопы - нуклиды (см. НУКЛИД) одного элемента. Изотопами называют также ядра таких атомов. Изотопы имеют одинаковое строение электронных оболочек, то есть очень близкие химические свойства, и занимают одно и то же место в периодической системе элементов.
В настоящее время известно более двух тысяч изотопов химических элементов, как природных, так и искусственно синтезированных.
Для обозначения изотопов пользуются обычными символами соответствующих элементов, добавляют к ним слева вверху индекс, указывающий относительную атомную массу, то есть общее число протонов и нейтронов, и нижний индекс, соответствующий зарядовому числу AZX, где
X - элемент;
Z - зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре, совпадает с порядковым номером химического элемента в периодической системе;
A - массовое число (см. МАССОВОЕ ЧИСЛО), равное числу нуклонов в ядре (числу протонов и нейтронов).
Например, в ядрах природных изотопов кислорода (Z =8) содержатся соответственно 8, 9, и 10 нейтронов, то есть кислород имеет три стабильных изотопа: 168О, 178О, 188О.
Уран U (Z =92) имеет 12 радиоактивных изотопов:
22892 U, 22992 U…….23592 U…23992 U, массовые числа А от 228 до 239.
Водород (Z =1) имеет три изотопа, из которых два стабильны - водород 11Н(изотоп 1H называют иногда протием), и дейтерий 21Н, и один изотоп радиоактивный - тритий - 31Н. Из всех известных изотопов только изотопы водорода имеют собственные названия. Дейтерий и тритий обозначаются соответственно D и T. Свойства этих изотопов заметно отличаются. В обычном водороде количество дейтерия составляет около 0,017%. Тритий получают искусственно при ядерных реакциях.
В природе встречаются как стабильные изотопы, так и нестабильные - радиоактивные, ядра атомов которых подвержены самопроизвольному превращению в другие ядра с испусканием различных частиц (или процессам так называемого радиоактивного распада). Сейчас известно около 270 стабильных изотопов, причем стабильные изотопы встречаются только у элементов с атомным номером Z 83. Число нестабильных изотопов превышает 2000, подавляющее большинство их получено искусственным путем в результате осуществления различных ядерных реакций. Подавляющее большинство искусственных радиоизотопов имеют малые периоды полураспада (см. ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА), измеряемые долями секунды или секундами. Хотя известны также и изотопы с большими периодами полураспада, например, период полураспада 236U - 2,4.107 лет, 92Nb - 3,3.107 лет, 26Al - 7,4.105 лет. Радиоактивными, хотя и в очень слабой степени, оказались и некоторые стабильные изотопы: 40К, 87Rb, 115In, 187Re. Продолжительность их жизни столь велика, что их можно считать стабильными.
У четных (по Z) элементов число стабильных изотопов может достигать 10, например, у олова имеется 10 изотопов, 9 изотопов - у ксенона, 8 - у кадмия и теллура, 4 - у железа, 7 изотопов у ртути. Элементы с нечетным Z имеют не более двух стабильных изотопов. Как правило, число нейтронов N в таких ядрах четное, и, следовательно, массовое число А - нечетное. Некоторые химические элементы состоят лишь из одного стабильного изотопа (бериллий, фтор, натрий, алюминий, фосфор, марганец, золото и ряд других элементов). Такие широкие вариации в числе стабильных изотопов у различных элементов обусловлены сложной зависимостью энергии связи ядра от числа протонов и нейтронов в ядре. По мере изменения числа нейтронов N в ядре с данным числом протонов Z энергия связи ядра и его устойчивость по отношению к различным типам распада меняются. При добавлении нейтронов ядро становится неустойчивым по отношению к испусканию электрона.
Установлено, что в природе каждый элемент существует в виде смеси изотопов. Именно этим обстоятельством объясняется дробное значение атомных масс элементов. Так, природный хлор на 75,53% состоит из изотопа 35Cl и на 24,47% из изотопа 37Cl; в результате средняя относительная атомная масса хлора равна 35. 0,7553 + 37. 0,2447 = 35,453.
Благодаря существованию изотопов становится понятно также, почему в некоторых случаях у элементов с большим порядковым номером атомная масса меньше, чем у элементов с меньшим порядковым номером. Например, в случае аргона Аr и калия К, теллура Те и йода J. Йод состоит из одного изотопа - йода 127 - J, у теллура 6 изотопов, из них преобладают наиболее тяжелые (около 66%) - теллур 128 и теллур 130. Поэтому и относительная атомная масса у теллура больше, чем у йода. Элемент калий состоит из более легких, а элемент аргон из более тяжелых изотопов. Среди изотопов встречаются устойчивые и неустойчивые (радиоактивные). Для всех элементов искусственно получены радиоактивные изотопы. Число радиоактивных изотопов у многих элементов очень велико и может превышать два десятка. Содержание отдельных изотопов в их естественной смеси может незначительно колебаться.
Таким образом, для изотопов характерно следующее:
1) Место в периодической системе элементов изотопов определяется их порядковым номером Z, равным числу электронов в оболочке атома или числу протонов, содержащихся в атомном ядре.
2) Изотопы имеют одинаковый атомный номер Z;
3) Изотопы данного химического элемента отличаются друг от друга только числом нейтронов (N). Количество нейтронов N в ядре атома с данным Z может быть различным, но в определенных пределах. Например, в ядре атома гелия (Z = 2) может содержаться 1, 2 или 4 нейтрона.
4) Изотопы имеют различные массовые числа А= Z + N. Полное число протонов Z и нейтронов N в ядре определяет массу ядра и по существу массу всего атома. Массы атомов М, выраженные в атомных единицах массы (см. АТОМНАЯ ЕДИНИЦА МАССЫ), лишь немного отличаются от целых чисел. Поэтому разность М - А всегда правильная дробь, по абсолютной величине меньше Ѕ, и таким образом массовое число А есть ближайшее к массе атома М целое число. Знание массы атома определяет полную энергию E связи всех нуклонов в ядре.
По своим ядерным свойствам - спектр энергетических уровней, способность вступать в те или иные ядерные реакции - изотопы, как правило, сильно различаются. Химические свойства данного элемента совершенно одинаковы, поскольку идентично строение их электронных оболочек. Поэтому разделение изотопов - чрезвычайно сложная задача (см. Изотопов разделение (см. ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ)). Для ее решения было предложено и развито несколько сложных и дорогостоящих методов, основанных на зависимости скорости диффузии, траектории движения в магнитном поле и некоторых других свойств от массы ядра.
Все стабильные изотопы на Земле возникли в результате ядерных процессов, протекавших в отдаленные времена, и их распространенность зависит от свойств ядер и от первоначальных условий, в которых происходили эти процессы. Изотопный состав природных элементов на Земле, как правило, постоянен. Это объясняется тем, что он не подвергается значительным изменениям в химических и физических процессах, протекающих на Земле.
Разнообразные изотопы химических элементов находят широкое применение в научных исследованиях, в различных областях промышленности и сельского хозяйства, в ядерной энергетике, современной биологии и медицине, в исследованиях окружающей среды и других областях. Возможность примешивать к природным химическим элементам их радиоактивные изотопы позволяет следить за различными химическими и физическими процессами, в которых участвует данный элемент, с помощью детекторов радиоактивных излучений. Этот метод получил широкое применение. Иногда примешивают стабильные изотопы, присутствие которых обнаруживают в дальнейшем масс-спектральными методами (см. Изотопные индикаторы (см. ИЗОТОПНЫЕ ИНДИКАТОРЫ)).
История исследований
Первые экспериментальные данные о существовании изотопов были получены в 1906-10 гг. при изучении свойств радиоактивных превращений атомов тяжелых элементов. В 1906-07 гг. было обнаружено, что продукт радиоактивного распада урана - ионий и продукт радиоактивного распада тория - радиоторий имеют те же химические свойства, что и торий, однако отличаются от последнего атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Более того: все три элемента имеют одинаковые оптические и рентгеновские спектры. По предложению английского ученого Ф. Содди (см. СОДДИ Фредерик), такие вещества стали называть изотопами.
После того как изотопы были обнаружены у тяжелых радиоактивных элементов, начались поиски изотопов у стабильных элементов. Независимое подтверждение существования стабильных изотопов химических элементов было получено в экспериментах Дж. Дж. Томсона (см. ТОМСОН Джозеф Джон) и Ф. Астона (см. АСТОН Фрэнсис Уильям). Томсон в 1913 г. обнаружил стабильные изотопы у неона. Астон, проводивший исследования с помощью сконструированного им прибора, названного масс-спектрографом (или масс-спектрометром), используя метод масс-спектрометрии (см. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ), доказал, что и многие другие стабильные химические элементы имеют изотопы. В 1919 г. он получил доказательства существования двух изотопов 20Ne и 22Ne, относительное содержание (распространенность) которых в природе составляет приблизительно 91% и 9% . В дальнейшем был обнаружен изотоп 21Ne с распространенностью 0,26%, изотопы хлора, ртути и ряда других элементов.
Масс-спектрометр несколько другой конструкции в те же годы был создан А. Дж. Демпстером (см. ДЕМПСТЕР Артур Джефри). В результате последующего использования и усовершенствования масс-спектрометров усилиями многих исследователей была составлена почти полная таблица изотопных составов. В 1932 г. был открыт нейтрон - частица, не имеющая заряда, с массой, близкой к массе ядра атома водорода - протона, и создана протонно-нейтронная модель ядра. В результате в науке установилось окончательное определение понятия изотопов: изотопы - это вещества, ядра атомов которых состоят из одинакового числа протонов и отличаются лишь числом нейтронов в ядре. Примерно к 1940 г. изотопный анализ был проведен для всех известных к тому времени химических элементов.
При изучении радиоактивности было открыто около 40 природных радиоактивных веществ. Они были объединены в радиоактивные семейства, родоначальниками которых являются изотопы тория и урана. К природным относятся все стабильные разновидности атомов (их около 280) и все естественно радиоактивные, входящие в состав радиоактивных семейств (их 46). Все остальные изотопы получены в результате ядерных реакций.
Впервые в 1934 г. И. Кюри (см. ЖОЛИО-КЮРИ Ирен) и Ф. Жолио-Кюри (см. ЖОЛИО-КЮРИ Фредерик) получили искусственным путем радиоактивные изотоп азота (13N), кремния (28Si) и фосфора (30P), отсутствующие в природе. Этими экспериментами они продемонстрировали возможность синтеза новых радиоактивных нуклидов. Среди известных в настоящее время искусственных радиоизотопов более 150 принадлежат трансурановым элементам (см. ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ), не встречающимся на Земле. Теоретически допускается, что число разновидностей изотопов, способных к существованию, может достигать порядка 6000.