Что такое изотопы и почему они важны?

Одинаковые протоны, разные нейтроны

В каждом атоме углерода 6 протонов. Именно это делает его углеродом. Но не у всех атомов углерода одинаковое число нейтронов. У большинства их 6, примерно у одного из ста — 7, а у очень небольшого числа — 8.

Эти разные версии называются изотопами. Слово происходит от греческих слов, означающих «одинаковое место», потому что все изотопы элемента занимают одну клетку периодической таблицы.

У нейтронов нет заряда, поэтому их добавление или удаление не меняет число электронов. Химия зависит от электронов, поэтому изотопы одного элемента в реакциях ведут себя почти одинаково. Главное различие между ними — масса.

Как называют изотопы

Изотоп называют по элементу и массовому числу — сумме протонов и нейтронов. В углероде-12 6 протонов и 6 нейтронов. В углероде-13 6 протонов и 7 нейтронов. В углероде-14 6 протонов и 8 нейтронов.

Учёные также пишут массовое число слева вверху от символа, например ¹²C и ¹⁴C. Чтобы найти число нейтронов, вычтите атомный номер из массового числа: 14 − 6 = 8 для углерода-14.

Изотопы водорода особенные, потому что у них есть собственные названия. У обычного водорода (водород-1) нет нейтронов, у дейтерия (водород-2) один, а у трития (водород-3) два.

Почему атомные массы — десятичные числа

Большинство элементов в природе представляют собой смесь изотопов. Атомная масса в периодической таблице — это средняя масса всех этих атомов с учётом распространённости каждого изотопа.

Яркий пример — хлор. Примерно три из четырёх атомов хлора — это хлор-35, а примерно один из четырёх — хлор-37. Среднее лежит между ними, но ближе к 35: 35,45 — число в клетке хлора.

С углеродом то же самое. Около 98,9% атомов углерода — углерод-12 и около 1,1% — углерод-13, поэтому атомная масса углерода равна 12,011, чуть выше 12.

17ClХлор35,45

Стабильные и радиоактивные изотопы

Многие изотопы стабильны, то есть сами по себе никогда не изменяются. Другие радиоактивны. Их ядра нестабильны, поэтому рано или поздно они распадаются и испускают излучение. Это называется радиоактивным распадом, и он часто превращает атом в другой элемент.

Углерод-14 радиоактивен. При его распаде один из нейтронов превращается в протон, и атом становится азотом-14. Время, за которое распадается половина образца, называется периодом полураспада. У углерода-14 период полураспада около 5730 лет.

У некоторых элементов вообще нет стабильных изотопов. Технеций (43), прометий (61) и все элементы тяжелее свинца (82) радиоактивны.

Как используют изотопы

Растения поглощают из воздуха немного углерода-14, а животные получают его, поедая растения. Когда живое существо умирает, оно перестаёт поглощать углерод, и его углерод-14 медленно распадается. Измеряя, сколько его осталось, учёные могут определять возраст костей, древесины и ткани до примерно 50 000 лет. Это называется радиоуглеродным датированием.

Врачи тоже используют радиоактивные изотопы. Технеций-99m помогает получать изображения костей и органов, а иод-131 лечит некоторые заболевания щитовидной железы. Уран-235, составляющий лишь около 0,7% природного урана, служит топливом на большинстве атомных электростанций.