ไอโซโทปคืออะไร และสำคัญอย่างไร

โปรตอนเท่ากัน นิวตรอนต่างกัน

อะตอมคาร์บอนทุกอะตอมมีโปรตอน 6 ตัว นั่นคือสิ่งที่ทำให้เป็นคาร์บอน แต่อะตอมคาร์บอนไม่ได้มีจำนวนนิวตรอนเท่ากันทั้งหมด ส่วนใหญ่มี 6 ตัว ประมาณหนึ่งในร้อยมี 7 ตัว และมีจำนวนน้อยมากที่มี 8 ตัว

รูปแบบที่แตกต่างกันเหล่านี้เรียกว่าไอโซโทป คำนี้มาจากคำภาษากรีกที่แปลว่า “ที่เดียวกัน” เพราะไอโซโทปทั้งหมดของธาตุหนึ่งอยู่ในช่องเดียวกันบนตารางธาตุ

นิวตรอนไม่มีประจุ การเพิ่มหรือลดนิวตรอนจึงไม่เปลี่ยนจำนวนอิเล็กตรอน เคมีขึ้นอยู่กับอิเล็กตรอน ไอโซโทปของธาตุจึงมีพฤติกรรมเกือบเหมือนกันในปฏิกิริยา ความแตกต่างหลักระหว่างกันคือมวล

ไอโซโทปมีวิธีตั้งชื่ออย่างไร

ไอโซโทปตั้งชื่อตามชื่อธาตุตามด้วยเลขมวล ซึ่งเป็นผลรวมของโปรตอนและนิวตรอน คาร์บอน-12 มีโปรตอน 6 ตัวและนิวตรอน 6 ตัว คาร์บอน-13 มีโปรตอน 6 ตัวและนิวตรอน 7 ตัว คาร์บอน-14 มีโปรตอน 6 ตัวและนิวตรอน 8 ตัว

นักวิทยาศาสตร์ยังเขียนเลขมวลไว้ที่มุมบนซ้ายของสัญลักษณ์ เช่น ¹²C และ ¹⁴C การหาจำนวนนิวตรอนทำได้โดยนำเลขมวลลบเลขอะตอม: 14 − 6 = 8 สำหรับคาร์บอน-14

ไอโซโทปของไฮโดรเจนพิเศษตรงที่แต่ละชนิดมีชื่อเฉพาะของตัวเอง ไฮโดรเจนธรรมดา (ไฮโดรเจน-1) ไม่มีนิวตรอน ดิวเทอเรียม (ไฮโดรเจน-2) มี 1 ตัว และทริเทียม (ไฮโดรเจน-3) มี 2 ตัว

ทำไมมวลอะตอมจึงเป็นทศนิยม

ธาตุส่วนใหญ่ที่พบในธรรมชาติเป็นส่วนผสมของไอโซโทป มวลอะตอมบนตารางธาตุคือมวลเฉลี่ยของอะตอมเหล่านั้นทั้งหมด โดยถ่วงน้ำหนักตามความอุดมสมบูรณ์ของแต่ละไอโซโทป

คลอรีนเป็นตัวอย่างที่ชัดเจน ประมาณสามในสี่ของอะตอมคลอรีนเป็นคลอรีน-35 และประมาณหนึ่งในสี่เป็นคลอรีน-37 ค่าเฉลี่ยอยู่ระหว่างสองค่านี้แต่ใกล้ 35 มากกว่า คือ 35.45 ซึ่งเป็นตัวเลขในช่องของคลอรีน

คาร์บอนก็เป็นเช่นเดียวกัน อะตอมคาร์บอนประมาณ 98.9% เป็นคาร์บอน-12 และประมาณ 1.1% เป็นคาร์บอน-13 มวลอะตอมของคาร์บอนจึงเป็น 12.011 สูงกว่า 12 เพียงเล็กน้อย

17Clคลอรีน35.45

ไอโซโทปเสถียรและไอโซโทปกัมมันตรังสี

ไอโซโทปจำนวนมากเสถียร หมายความว่าไม่เปลี่ยนแปลงไปเองเลย ส่วนไอโซโทปอื่นเป็นกัมมันตรังสี นิวเคลียสของมันไม่เสถียร ไม่ช้าก็เร็วจะแตกตัวและปลดปล่อยรังสีออกมา เรียกว่าการสลายกัมมันตรังสี ซึ่งมักทำให้อะตอมกลายเป็นธาตุอื่น

คาร์บอน-14 เป็นกัมมันตรังสี เมื่อสลายตัว นิวตรอนตัวหนึ่งของมันจะเปลี่ยนเป็นโปรตอน และอะตอมกลายเป็นไนโตรเจน-14 เวลาที่ใช้ให้ตัวอย่างสลายตัวไปครึ่งหนึ่งเรียกว่าครึ่งชีวิต สำหรับคาร์บอน-14 ครึ่งชีวิตประมาณ 5,730 ปี

ธาตุบางธาตุไม่มีไอโซโทปเสถียรเลย เทคนีเชียม (43) โพรมีเทียม (61) และธาตุทุกธาตุที่หนักกว่าตะกั่ว (82) เป็นกัมมันตรังสี

ไอโซโทปนำไปใช้อย่างไร

พืชดูดซับคาร์บอน-14 ปริมาณเล็กน้อยจากอากาศ และสัตว์ได้รับมันจากการกินพืช เมื่อสิ่งมีชีวิตตาย มันจะหยุดรับคาร์บอน และคาร์บอน-14 ในตัวจะค่อย ๆ สลายตัว เมื่อวัดว่าเหลืออยู่เท่าใด นักวิทยาศาสตร์สามารถหาอายุของกระดูก ไม้ และผ้าที่มีอายุได้ถึงประมาณ 50,000 ปี เรียกว่าการหาอายุด้วยคาร์บอนกัมมันตรังสี

แพทย์ก็ใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสีเช่นกัน เทคนีเชียม-99m ช่วยสร้างภาพของกระดูกและอวัยวะ และไอโอดีน-131 ใช้รักษาโรคต่อมไทรอยด์บางชนิด ยูเรเนียม-235 ซึ่งมีเพียงประมาณ 0.7% ของยูเรเนียมตามธรรมชาติ เป็นเชื้อเพลิงในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ส่วนใหญ่