Co jsou izotopy a proč jsou důležité?

Stejné protony, různé neutrony

Každý atom uhlíku má 6 protonů. Právě to z něj dělá uhlík. Ne všechny atomy uhlíku ale mají stejný počet neutronů. Většina jich má 6, asi každý setný má 7 a naprosto nepatrné množství jich má 8.

Tyto různé verze se nazývají izotopy. Slovo pochází z řeckých slov znamenajících „stejné místo“, protože všechny izotopy prvku sdílejí jedno políčko v periodické tabulce.

Neutrony nemají náboj, takže jejich přidání nebo odebrání nemění počet elektronů. Chemie závisí na elektronech, a proto se izotopy prvku v reakcích chovají téměř stejně. Hlavním rozdílem mezi nimi je jejich hmotnost.

Jak se izotopy pojmenovávají

Izotop se pojmenuje podle svého prvku a nukleonového čísla, tedy součtu protonů a neutronů. Uhlík-12 má 6 protonů a 6 neutronů. Uhlík-13 má 6 protonů a 7 neutronů. Uhlík-14 má 6 protonů a 8 neutronů.

Vědci také píší nukleonové číslo vlevo nahoře u značky, například ¹²C a ¹⁴C. Počet neutronů zjistíš odečtením protonového čísla od nukleonového čísla: 14 − 6 = 8 u uhlíku-14.

Izotopy vodíku jsou zvláštní tím, že mají vlastní názvy. Obyčejný vodík (vodík-1) nemá žádný neutron, deuterium (vodík-2) má jeden a tritium (vodík-3) dva.

Proč jsou atomové hmotnosti desetinná čísla

Většina prvků vyskytujících se v přírodě je směsí izotopů. Atomová hmotnost v periodické tabulce je průměrná hmotnost všech těchto atomů, vážená podle toho, jak je který izotop běžný.

Názorným příkladem je chlor. Asi tři ze čtyř atomů chloru jsou chlor-35 a asi jeden ze čtyř je chlor-37. Průměr leží mezi oběma, ale blíže k 35: 35,45, což je číslo v políčku chloru.

Uhlík funguje stejně. Asi 98,9 % atomů uhlíku je uhlík-12 a asi 1,1 % uhlík-13, takže atomová hmotnost uhlíku je 12,011, těsně nad 12.

17ClChlor35,45

Stabilní a radioaktivní izotopy

Mnoho izotopů je stabilních, což znamená, že se samy od sebe nikdy nemění. Jiné jsou radioaktivní. Jejich jádra jsou nestabilní, takže se dříve nebo později rozpadnou a vyzáří záření. Tomu se říká radioaktivní rozpad a často při něm atom přejde v jiný prvek.

Uhlík-14 je radioaktivní. Při jeho rozpadu se jeden z jeho neutronů změní na proton a atom se stane dusíkem-14. Doba, za kterou se rozpadne polovina vzorku, se nazývá poločas rozpadu. U uhlíku-14 je poločas rozpadu asi 5 730 let.

Některé prvky nemají žádný stabilní izotop. Technecium (43), promethium (61) a každý prvek těžší než olovo (82) jsou radioaktivní.

K čemu se izotopy používají

Rostliny přijímají ze vzduchu trochu uhlíku-14 a živočichové ho přijímají tím, že jedí rostliny. Když živý organismus zahyne, přestane přijímat uhlík a jeho uhlík-14 se pomalu rozpadá. Změřením, kolik ho zbylo, mohou vědci datovat kosti, dřevo a látky staré až asi 50 000 let. Tomu se říká radiokarbonové datování.

Radioaktivní izotopy využívají i lékaři. Technecium-99m pomáhá vytvářet snímky kostí a orgánů a jod-131 léčí některá onemocnění štítné žlázy. Uran-235, který tvoří jen asi 0,7 % přírodního uranu, je palivem ve většině jaderných elektráren.