Що таке ізотопи і чому вони важливі?

Однакові протони, різні нейтрони

Кожен атом вуглецю має 6 протонів. Саме це робить його вуглецем. Але не всі атоми вуглецю мають однакову кількість нейтронів. Більшість має 6, приблизно один зі ста має 7, а зовсім невелика кількість має 8.

Ці різні варіанти називаються ізотопами. Слово походить від грецьких слів зі значенням «те саме місце», бо всі ізотопи елемента займають одну клітинку в періодичній таблиці.

Нейтрони не мають заряду, тож їх додавання чи вилучення не змінює кількості електронів. Хімія залежить від електронів, тому ізотопи елемента в реакціях поводяться майже однаково. Головна відмінність між ними — маса.

Як називають ізотопи

Ізотоп називають за елементом і його масовим числом — сумою протонів і нейтронів. Вуглець-12 має 6 протонів і 6 нейтронів. Вуглець-13 має 6 протонів і 7 нейтронів. Вуглець-14 має 6 протонів і 8 нейтронів.

Науковці також пишуть масове число вгорі ліворуч від символу, як-от ¹²C і ¹⁴C. Щоб знайти нейтрони, віднімайте атомний номер від масового числа: 14 − 6 = 8 для вуглецю-14.

Ізотопи водню особливі, бо мають власні назви. Звичайний водень (водень-1) не має нейтронів, дейтерій (водень-2) має один, а тритій (водень-3) має два.

Чому атомні маси десяткові

Більшість елементів у природі — це суміш ізотопів. Атомна маса в періодичній таблиці — це середня маса всіх цих атомів з урахуванням поширеності кожного ізотопа.

Хлор — наочний приклад. Приблизно три з кожних чотирьох атомів хлору — це хлор-35, а приблизно один із чотирьох — хлор-37. Середнє лежить між ними, але ближче до 35: 35,45 — число в клітинці хлору.

Вуглець працює так само. Близько 98,9 % атомів вуглецю — це вуглець-12, а близько 1,1 % — вуглець-13, тож атомна маса вуглецю 12,011, трохи більше за 12.

17ClХлор35,45

Стабільні та радіоактивні ізотопи

Багато ізотопів стабільні, тобто ніколи не змінюються самі по собі. Інші радіоактивні. Їхні ядра нестабільні, тож рано чи пізно вони розпадаються й випромінюють радіацію. Це називається радіоактивним розпадом, і він часто перетворює атом на інший елемент.

Вуглець-14 радіоактивний. Коли він розпадається, один з його нейтронів перетворюється на протон, і атом стає азотом-14. Час, за який розпадається половина зразка, називається періодом піврозпаду. Для вуглецю-14 він становить близько 5730 років.

Деякі елементи взагалі не мають стабільних ізотопів. Технецій (43), прометій (61) та кожен елемент важчий за свинець (82) радіоактивні.

Як використовують ізотопи

Рослини поглинають трохи вуглецю-14 з повітря, а тварини отримують його, поїдаючи рослини. Коли живий організм гине, він перестає поглинати вуглець, і його вуглець-14 повільно розпадається. Вимірявши, скільки його залишилося, науковці можуть датувати кістки, деревину й тканину віком до приблизно 50 000 років. Це називається радіовуглецевим датуванням.

Лікарі також використовують радіоактивні ізотопи. Технецій-99m допомагає отримувати зображення кісток і органів, а йод-131 лікує деякі захворювання щитоподібної залози. Уран-235, який становить лише близько 0,7 % природного урану, є паливом для більшості атомних електростанцій.