Изотопы

Изото́пы (от др.-греч. ισος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место») — разновидности атомовядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа[1]. Название связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то же место (в одну клетку) таблицы Менделеева[2]. Химические свойства атома зависят от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (то есть количеством протонов в нём), и почти не зависят от его массового числа A (то есть суммарного числа протонов Z и нейтронов N).

Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов. Обычно изотоп обозначается символом химического элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левого индекса, означающего массовое число (например, 12C, 222Rn). Можно также написать название элемента с добавлением через дефис массового числа (например, углерод-12, радон-222)[3]. Некоторые изотопы имеют традиционные собственные названия (например, дейтерий, актинон).

Различают изотопы устойчивые (стабильные) и радиоактивные[4]. На 2017 год было известно 3437 изотопов всех элементов, из них 252 изотопа стабильны[5].

Пример изотопов: 16
8
O, 17
8
O, 18
8
O — три стабильных изотопа кислорода.

ТерминологияПравить

Первоначально изотопы также назывались изотопными элементами[6], а в настоящее время иногда называют изотопными нуклидами[7].

Основная позиция ИЮПАК состоит в том, что правильным термином в единственном числе для обозначения атомов одного химического элемента с одинаковой атомной массой является нуклид, а термин изотопы допускается применять для обозначения совокупности нуклидов одного элемента. Термин изотопы был предложен и применялся изначально во множественном числе, поскольку для сравнения необходимо минимум две разновидности атомов. В дальнейшем в практику широко вошло также употребление термина в единственном числе — изотоп. Кроме того, термин во множественном числе часто применяется для обозначения любой совокупности нуклидов, а не только одного элемента, что также некорректно. В настоящее время позиции международных научных организаций не приведены к единообразию и термин изотоп продолжает широко применяться, в том числе и в официальных материалах различных подразделений ИЮПАК и ИЮПАП. Это один из примеров того, как смысл термина, изначально в него заложенный, перестаёт соответствовать понятию, для обозначения которого этот термин используется (другой хрестоматийный пример — атом, который, в противоречии с названием, не является неделимым).

История открытия изотоповПравить

Первое доказательство того, что вещества, имеющие одинаковое химическое поведение, могут иметь различные физические свойства, было получено при исследовании радиоактивных превращений атомов тяжёлых элементов. В 1906—1907 годах выяснилось, что продукт радиоактивного распада урана — ионий и продукт радиоактивного распада тория — радиоторий имеют те же химические свойства, что и торий, но отличаются от него атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Было обнаружено позднее, что у всех трёх продуктов одинаковы оптические и рентгеновские спектры. Такие вещества, идентичные по химическим свойствам, но различные по массе атомов и некоторым физическим свойствам, по предложению английского учёного Содди с 1910 г. стали называть изотопами[источник не указан 16 дней].

На март 2017 года известно 3437 изотопов всех элементов[5], из них 254 стабильных, 29 условно-стабильных (с периодом полураспада более 10 миллиардов лет), 294 (9 %) изотопы трансурановых элементов, 1209 (38 %) нейтронно-избыточных и 1277 (40 %) протонно-избыточных (то есть отклоняющихся от линии бета-стабильности в сторону избытка нейтронов или протонов, соответственно). По количеству открытых изотопов первое место занимают США (1237), затем идут Германия (558), Великобритания (299), СССР/Россия (247) и Франция (217). Среди лабораторий мира первые пять мест по числу открытых изотопов занимают Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли (638), Институт тяжёлых ионов в Дармштадте (438), Объединённый институт ядерных исследований в Дубне (221), Кавендишская лаборатория в Кембридже (218) и ЦЕРН (115). За 10 лет (2006—2015 годы включительно) в среднем физики открывали в год 23 нейтронно-избыточных и 3 протонно-избыточных изотопа, а также 4 изотопа трансурановых элементов. Общее количество учёных, являвшихся авторами или соавторами открытия какого-либо изотопа, составляет 3598 человек[8][9].

Изотопы в природеПравить

Известно, что изотопный состав большинства элементов на Земле одинаков во всех материалах. Некоторые физические процессы в природе приводят к нарушению изотопного состава элементов (природное фракционирование изотопов, характерное для лёгких элементов, а также изотопные сдвиги при распаде природных долгоживущих изотопов). Постепенное накопление в минералах ядер — продуктов распада некоторых долгоживущих нуклидов используется в ядерной геохронологии. Особое значение имеют процессы образования изотопов углерода в верхних слоях атмосферы под воздействием космического излучения. Эти изотопы распределяются в атмосфере и гидросфере планеты, вовлекаются в оборот углерода живыми существами (животными и растениями). Изучение распределения изотопов углерода лежит в основе радиоуглеродного анализа.

Применение изотопов человекомПравить

В технологической деятельности люди научились изменять изотопный состав элементов для получения каких-либо специфических свойств материалов. Например, 235U способен к цепной реакции деления тепловыми нейтронами и может использоваться в качестве топлива для ядерных реакторов или ядерного оружия. Однако в природном уране лишь 0,72 % этого нуклида, тогда как цепная реакция практически осуществима лишь при содержании 235U не менее 3 %. В связи с близостью физико-химических свойств изотопов тяжёлых элементов, процедура изотопного обогащения урана является крайне сложной технологической задачей, которая доступна лишь десятку государств в мире. Во многих отраслях науки и техники (например, в радиоиммунном анализе) используются изотопные метки.

Нуклиды 60Co и 137Cs используются в стерилизации γ-лучами (лучевая стерилизация) как один из методов физической стерилизации инструментов, перевязочного материала и прочего. Доза проникающей радиации должна быть весьма значительной — до 20-25 кГр, что требует особых мер безопасности. В связи с этим лучевая стерилизация проводится в специальных помещениях и является заводским методом стерилизации (непосредственно в стационарах она не производится).[10]

Таблица стабильных изотопов
Количество энергетических
уровней электронной оболочки
Количество
протонов и электронов
Символ Элемент Количество
протонов и нейтронов
Изотопная распространённость
на Земле, %
1 1 H Водород 1
2
99,98
0,02
1 2 He Гелий 3
4
0,00001
99,99999
2 3 Li Литий 6
7
7,9
92,1
2 4 Be Бериллий 9 100
2 5 B Бор 10
11
18,8
81,2
2 6 C Углерод 12
13
98,9
1,1
2 7 N Азот 14
15
99,62
0,38
2 8 O Кислород 16
17
18
99,76
0,04
0,20
2 9 F Фтор 19 100
2 10 Ne Неон 20
21
22
90,48
0,27
9,25
3 11 Na Натрий 23 100
3 12 Mg Магний 24
25
26
78,6
10,1
11,3
3 13 Al Алюминий 27 100
3 14 Si Кремний 28
29
30
92,23
4,67
3,10
3 15 P Фосфор 31 100
3 16 S Сера 32
33
34
36
95,02
0,75
4,21
0,02
3 17 Cl Хлор 35
37
75,78
24,22
3 18 Ar Аргон 36
38
40
0,337
0,063
99,600
4 19 K Калий 39
41
93,258
6,730
4 20 Ca Кальций 40
42
43
44
46
96,941
0,647
0,135
2,086
0,004
4 21 Sc Скандий 45 100
4 22 Ti Титан 46
47
48
49
50
7,95
7,75
73,45
5,51
5,34
4 23 V Ванадий 51 99,750
4 24 Cr Хром 50
52
53
54
4,345
83,789
9,501
2,365
4 25 Mn Марганец 55 100
4 26 Fe Железо 54
56
57
58
5,845
91,754
2,119
0,282
4 27 Co Кобальт 59 100
4 28 Ni Никель 58
60
61
62
64
68,27
26,10
1,13
3,59
0,91
4 29 Cu Медь 63
65
69,1
30,9
4 30 Zn Цинк 64
66
67
68
70
49,2
27,7
4,0
18,5
0,6
4 31 Ga Галлий 69
71
60,11
39,89
4 32 Ge Германий 70
72
73
74
20,55
27,37
7,67
36,74
4 33 As Мышьяк 75 100
4 34 Se Селен 74
76
77
78
80
0,87
9,02
7,58
23,52
49,82
4 35 Br Бром 79
81
50,56
49,44
4 36 Kr Криптон 80
82
83
84
86
2,28
11,58
11,49
57,00
17,30
5 37 Rb Рубидий 85 72,2
5 38 Sr Стронций 84
86
87
88
0,56
9,86
7,00
82,58
5 39 Y Иттрий 89 100
5 40 Zr Цирконий 90
91
92
94
51,46
11,23
17,11
17,4
5 41 Nb Ниобий 93 100
5 42 Mo Молибден 92
94
95
96
97
98
15,86
9,12
15,70
16,50
9,45
23,75
5 43 Tc Технеций
5 44 Ru Рутений 96
98
99
100
101
102
104
5,7
2,2
12,8
12,7
13
31,3
18,3
5 45 Rh Родий 103 100
5 46 Pd Палладий 102
104
105
106
108
110
1,00
11,14
22,33
27,33
26,46
11,72
5 47 Ag Серебро 107
109
51,839
48,161
5 48 Cd Кадмий 106
108
110
111
112
114
1,25
0,89
12,47
12,80
24,11
28,75
5 49 In Индий 113 4,29
5 50 Sn Олово 112
114
115
116
117
118
119
120
122
124
0,96
0,66
0,35
14,30
7,61
24,03
8,58
32,85
4,72
5,94
5 51 Sb Сурьма 121
123
57,36
42,64
5 52 Te Теллур 120
122
123
124
125
126
0,09
2,55
0,89
4,74
7,07
18,84
5 53 I Иод 127 100
5 54 Xe Ксенон 126
128
129
130
131
132
134
0,089
1,910
26,401
4,071
21,232
26,909
10,436
6 55 Cs Цезий 133 100
6 56 Ba Барий 132
134
135
136
137
138
0,10
2,42
6,59
7,85
11,23
71,70
6 57 La Лантан 139 99,911
6 58 Ce Церий 136
138
140
142
0,185
0,251
88,450
11,114
6 59 Pr Празеодим 141 100
6 60 Nd Неодим 142
143
145
146
148
27,2
12,2
8,3
17,2
5,7
6 61 Pm Прометий
6 62 Sm Самарий 144
150
152
154
3,07
7,38
26,75
22,75
6 63 Eu Европий 151
153
52,2
47,8
6 64 Gd Гадолиний 154
155
156
157
158
160
2,18
14,80
20,47
15,65
24,84
21,86
6 65 Tb Тербий 159 100
6 66 Dy Диспрозий 156
158
160
161
162
163
164
0,056
0,095
2,329
18,889
25,475
24,896
28,260
6 67 Ho Гольмий 165 100
6 68 Er Эрбий 162
164
166
167
168
170
0,139
1,601
33,503
22,869
26,978
14,910
6 69 Tm Тулий 169 100
6 70 Yb Иттербий 168
170
171
172
173
174
176
0,126
3,023
14,216
21,754
16,098
31,896
12,887
6 71 Lu Лютеций 175 97,41
6 72 Hf Гафний 176
177
178
179
180
5,26
18,60
27,28
13,62
35,08
6 73 Ta Тантал 181 99,9877
6 74 W Вольфрам 182
184
186
26,50
30,64
28,43
6 75 Re Рений 185 37,07
6 76 Os Осмий 184
187
188
189
190
192
0,02
1,96
13,24
16,15
26,26
40,78
6 77 Ir Иридий 191
193
37,3
62,7
6 78 Pt Платина 192
194
195
196
198
0,782
32,967
33,832
25,242
7,163
6 79 Au Золото 197 100
6 80 Hg Ртуть 196
198
199
200
201
202
204
0,155
10,04
16,94
23,14
13,17
29,74
6,82
6 81 Tl Таллий 203
205
29,52
70,48
6 82 Pb Свинец 204
206
207
208
1,4
24,1
22,1
52,4
6 83 Bi Висмут
6 84 Po Полоний
6 85 At Астат
6 86 Rn Радон
7 87 Fr Франций
7 88 Ra Радий
7 89 Ac Актиний
7 90 Th Торий
7 91 Pa Протактиний
7 92 U Уран

Тантал также имеет стабильный изомер (энергетически возбуждённое состояние): 180mTa (изотопная распространённость 0,0123 %).

Кроме стабильных нуклидов, в природных изотопных смесях также присутствуют примордиальные радионуклиды (т.е. нуклиды с очень большими периодами полураспада, сохранившиеся с момента образования Земли).

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. Isotope. Encyclopedia Britannica.
  2. Soddy, Frederick The origins of the conceptions of isotopes. Nobelprize.org (12 декабря 1922). — «Thus the chemically identical elements - or isotopes, as I called them for the first time in this letter to Nature, because they occupy the same place in the Periodic Table ...». Дата обращения: 9 января 2019.
  3. IUPAC (Connelly, N. G.; Damhus, T.; Hartshorn, R. M.; and Hutton, A. T.), Nomenclature of Inorganic Chemistry — IUPAC Recommendations 2005, The Royal Society of Chemistry, 2005; IUPAC (McCleverty, J. A.; and Connelly, N. G.), Nomenclature of Inorganic Chemistry II. Recommendations 2000, The Royal Society of Chemistry, 2001; IUPAC (Leigh, G. J.), Nomenclature of Inorganic Chemistry (recommendations 1990), Blackwell Science, 1990; IUPAC, Nomenclature of Inorganic Chemistry, Second Edition, 1970; probably in the 1958 first edition as well
  4. Изотопы // Казахстан. Национальная энциклопедия. — Алматы: Қазақ энциклопедиясы, 2005. — Т. II. — ISBN 9965-9746-3-2.
  5. 1 2 Audi G., Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S. The Nubase2016 evaluation of nuclear properties (англ.) // Chinese Physics C. — 2017. — Vol. 41, iss. 3. — P. 030001-1—030001-138. — doi:10.1088/1674-1137/41/3/030001. — Bibcode2017ChPhC..41c0001A.
  6. Soddy, Frederick. Intra-atomic charge (англ.) // Nature. — 1913. — Vol. 92, no. 2301. — P. 399—400. — doi:10.1038/092399c0. — Bibcode1913Natur..92..399S.
  7. IUPAP Red Book // iupap.org.
  8. Thoennessen M. (2016), 2015 Update of the Discoveries of Isotopes, arΧiv:1606.00456 [nucl-ex] 
  9. Michael Thoennessen. Discovery of Nuclides Project. Дата обращения: 6 июня 2016. Архивировано 4 марта 2016 года.
  10. Петров С. В. Глава 2. Асептика и антисептика // Общая хирургия. — СПб.: Лань, 1999. — С. 672.

СсылкиПравить