Изотопы — атомы одного химического элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Они занимают одно место в периодической таблице, однако отличаются массой и устойчивостью ядра. Благодаря этому изотопы одновременно служат объектом ядерной физики, измерительной меткой и природными часами.
Как записывают изотоп
Элемент определяет атомный номер Z — число протонов. Массовое число A равно сумме протонов и нейтронов. Поэтому углерод-12 и углерод-14 оба имеют шесть протонов, но соответственно шесть и восемь нейтронов. В записи символа элемента массовое число ставят слева сверху, атомный номер — слева снизу.
У нейтральных изотопов одного элемента одинаковое число электронов, поэтому их химическое поведение обычно сходно. Небольшое различие скорости реакций, связанное с массой, называют изотопным эффектом; оно особенно заметно для лёгких элементов.
Стабильные и радиоактивные ядра
Некоторые сочетания протонов и нейтронов устойчивы, другие самопроизвольно превращаются, испуская частицы или электромагнитное излучение. Для радиоактивного изотопа период полураспада задаёт время, за которое в большой совокупности распадается половина ядер. Он не сообщает, когда распадётся конкретный атом.
Тип распада меняет ядро по-разному. При бета-распаде нейтрон может превратиться в протон или наоборот, поэтому возникает другой элемент. При альфа-распаде ядро теряет два протона и два нейтрона. Гамма-излучение снимает избыток энергии без изменения числа протонов и нейтронов.
Как узнают изотопный состав
Масс-спектрометр разделяет ионы по отношению массы к заряду и позволяет измерять доли изотопов. Ядерная спектроскопия распознаёт характерные энергии излучения. В природе соотношения изотопов меняются из-за распада, химических процессов и происхождения вещества, поэтому они несут информацию о прошлом образца.
Для чего изотопы нужны
Радиоуглеродный метод датирует органические остатки по углероду-14 в пределах применимости метода. Геологи используют долгоживущие системы распада для возраста пород. В медицине радионуклиды дают изображение распределения вещества или доставляют дозу к ткани, а стабильные изотопы служат безопасными трассерами обмена веществ.
Изотопные отношения кислорода, углерода и других элементов помогают восстанавливать климат, питание и миграции. В энергетике важны свойства отдельных изотопов урана и плутония. Применение всегда требует знать чистоту образца, путь превращений и неопределённость измерения; одного названия изотопа недостаточно.
Области применения стабильных изотопов и методы измерений систематизированы в руководстве Международного агентства по атомной энергии. Главная идея проста: химический элемент задают протоны, а число нейтронов создаёт семейство ядер с различными физическими судьбами.
