Vad är isotoper, och varför spelar de roll?

Samma protoner, olika neutroner

Varje kolatom har 6 protoner. Det är det som gör den till kol. Men kolatomer har inte alla samma antal neutroner. De flesta har 6, ungefär var hundrade har 7, och ett mycket litet antal har 8.

De här olika varianterna kallas isotoper. Ordet kommer från grekiska ord som betyder ”samma plats”, eftersom alla isotoper av ett grundämne delar en och samma ruta i periodiska systemet.

Neutroner har ingen laddning, så när man lägger till eller tar bort dem ändras inte antalet elektroner. Kemin beror på elektronerna, så ett grundämnes isotoper beter sig nästan likadant i reaktioner. Den största skillnaden mellan dem är deras massa.

Hur isotoper får sina namn

En isotop får sitt namn efter grundämnet plus sitt masstal, summan av dess protoner och neutroner. Kol-12 har 6 protoner och 6 neutroner. Kol-13 har 6 protoner och 7 neutroner. Kol-14 har 6 protoner och 8 neutroner.

Forskare skriver också masstalet uppe till vänster om symbolen, som i ¹²C och ¹⁴C. För att hitta neutronerna subtraherar du atomnumret från masstalet: 14 − 6 = 8 för kol-14.

Vätets isotoper är speciella eftersom de har egna namn. Vanligt väte (väte-1) har inga neutroner, deuterium (väte-2) har en och tritium (väte-3) har två.

Varför atommassor är decimaltal

De flesta grundämnen som finns i naturen är en blandning av isotoper. Atommassan i periodiska systemet är medelmassan hos alla dessa atomer, viktad efter hur vanlig varje isotop är.

Klor är ett tydligt exempel. Ungefär tre av fyra kloratomer är klor-35, och ungefär en av fyra är klor-37. Medelvärdet hamnar mellan de två men närmare 35: 35,45, talet i klors ruta.

Kol fungerar på samma sätt. Cirka 98,9 % av kolatomerna är kol-12 och cirka 1,1 % är kol-13, så kols atommassa är 12,011, strax över 12.

17ClKlor35,45

Stabila och radioaktiva isotoper

Många isotoper är stabila, vilket betyder att de aldrig förändras av sig själva. Andra är radioaktiva. Deras atomkärnor är instabila, så förr eller senare faller de sönder och avger strålning. Det kallas radioaktivt sönderfall, och det förvandlar ofta atomen till ett annat grundämne.

Kol-14 är radioaktivt. När det sönderfaller omvandlas en av dess neutroner till en proton, och atomen blir kväve-14. Tiden det tar för hälften av ett prov att sönderfalla kallas dess halveringstid. För kol-14 är halveringstiden cirka 5 730 år.

Vissa grundämnen har inga stabila isotoper alls. Teknetium (43), prometium (61) och alla grundämnen som är tyngre än bly (82) är radioaktiva.

Hur isotoper används

Växter tar upp lite kol-14 från luften, och djur tar upp det genom att äta växter. När en levande organism dör slutar den ta upp kol, och dess kol-14 sönderfaller långsamt. Genom att mäta hur mycket som är kvar kan forskare datera ben, trä och tyg som är upp till cirka 50 000 år gamla. Det kallas kol-14-datering.

Läkare använder också radioaktiva isotoper. Teknetium-99m hjälper till att ta bilder av ben och organ, och jod-131 behandlar vissa sjukdomar i sköldkörteln. Uran-235, som bara utgör cirka 0,7 % av naturligt uran, är bränslet i de flesta kärnkraftverk.