Что такое изотопы. Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах вещества

Изотопы

Атомы одного элемента, которые имеют разные массовые числа, называются изотопами. Атомы изотопов одного элемента имеют одинаковое число протонов (Z) и отличаются друг от друга числом нейтронов (N).

Изотопы различных элементов не имеют собственных названий, а повторяют название элемента; при этом атомная масса данного изотопа - его единственное отличие от других изотопов этого же элемента - отражается с помощью верхнего индекса в химической формуле элемента: например, для изотопов урана - 235 U, 238 U. Единственным исключением из правил номенклатуры изотопов является элемент № 1 - водород. Все три известных на настоящий момент изотопа водорода имеют не только собственные специальные химические символы, но и собственное название: 1 Н - протий, 2 D - дейтерий, 3 Т - тритий; при этом ядро протия - это просто один протон, ядро дейтерия содержит один протон и один нейтрон, ядро трития - один протон и два нейтрона. С названиями изотопов водорода так исторически сложилось потому, что относительное различие масс изотопов водорода, вызванное добавлением одного нейтрона, является максимальным среди всех химических элементов.

Все изотопы можно подразделить на стабильные (устойчивые), то есть не подверженные самопроизвольному распаду ядер атомов на части (распад в таком случае называется радиоактивным), и нестабильные (неустойчивые) - радиоактивные, то есть подверженные радиоактивному распаду. Большинство широко распространенных в природе элементов состоит из смеси двух или большего числа стабильных изотопов: например, 16 О, 12 С. Из всех элементов наибольшее число стабильных изотопов имеет олово (10 изотопов), а, например, алюминий существует в природе в виде только одного стабильного изотопа - остальные его известные изотопы неустойчивы. Ядра нестабильных изотопов самопроизвольно распадаются, выделяя при этом б-частицы и в-частицы (электроны) до тех пор, пока не образуется стабильный изотоп другого элемента: например, распад 238 U (радиоактивного урана) завершается образованием 206 Pb (стабильного изотопа свинца). При изучении изотопов установлено, что они не различаются по химическим свойствам, которые, как нам известно, определяются зарядом их ядер и не зависят от массы ядер.

Электронные оболочки

Электронная оболочка атома - область пространства вероятного местонахождения электронов, характеризующихся одинаковым значением главного квантового числа n и, как следствие, располагающихся на близких энергетических уровнях. Каждая электронная оболочка может иметь определенное максимальное число электронов.

Начиная со значения главного квантового числа n = 1, энергетические уровни (слои) обозначаются К, L, М и N. Они подразделяются на подуровни (подслои), отличающиеся друг от друга энергией связи с ядром. Число подуровней равно значению главного квантового числа, но не превышает четырех: 1-й уровень имеет один подуровень, 2-й - два, 3-й - три, 4-й - четыре подуровня. Подуровни, в свою очередь, состоят из орбиталей. Принято подуровни обозначать латинскими буквами, s - первый, ближайший к ядру подуровень каждого энергетического уровня; он состоит из одной s-орбитали, р - второй подуровень, состоит из трех р-орбиталей; d - третий подуровень, он состоит из пяти d-орбиталей; f - четвертый подуровень, содержит семь f-орбиталей. Таким образом, для каждого значения n имеется n 2 орбиталей. В каждой орбитали может находиться не более двух электронов - принцип Паули. Если в орбитали находится один электрон, то он называется неспаренным, если два - то это спаренные электроны. Принцип Паули поясняет формулу N=2n 2 . Если на первом уровне K(n=1) содержится 1 2 = 1 орбиталь, а в каждой орбитали по 2 электрона, то максимальное число электронов составит 2*1 2 =2; L (n = 2) =8; M (n = 3) =18; N (n = 4) =32.

Изучая явление радиоактивности, ученые в первое десятилетие XX в. открыли большое количество радиоактивных веществ - около 40. Их было значительно больше, чем свободных мест в периодической системе элементов в промежутке между висмутом и ураном. Природа этих веществ вызывала споры. Одни исследователи считали их самостоятельными химическими элементами, но в таком случае оказывался неразрешимым вопрос об их размещении в таблице Менделеева. Другие вообще отказывали им в праве называться элементами в классическом понимании. В 1902 г. английский физик Д. Мартин назвал такие вещества радиоэлементами. По мере их изучения выяснилось, что некоторые радиоэлементы имеют совершенно одинаковые химические свойства, но различаются по величинам атомных масс. Это обстоятельство противоречило основным положениям периодического закона. Разрешил противоречие английский ученый Ф. Содди. В 1913 г. он назвал химически сходные радиоэлементы изотопами (от греческих слов, означающих «одинаковый» и «место»), т. е. занимающими одно и то же место в периодической системе. Радиоэлементы оказались изотопами естественных радиоактивных элементов. Все они объединяются в три радиоактивных семейства, родоначальниками которых являются изотопы тория и урана.

Изотопы кислорода. Изобары калия и аргона (изобары - атомы различных элементов с одинаковым массовым числом).

Число стабильных изотопов для четных и нечетных элементов.

Вскоре выяснилось, что и у остальных стабильных химических элементов тоже есть изотопы. Основная заслуга в их открытии принадлежит английскому физику Ф. Астону. Он обнаружил стабильные изотопы у многих элементов.

С современной точки зрения изотопы - это разновидности атомов химического элемента: у них разная атомная масса, но одинаковый заряд ядра.

Их ядра, таким образом, содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. Например, природные изотопы кислорода с Z = 8 содержат в ядрах соответственно 8, 9 и 10 нейтронов. Сумма чисел протонов и нейтронов в ядре изотопа называется массовым числом A. Следовательно, массовые числа указанных изотопов кислорода 16, 17 и 18. Ныне принято такое обозначение изотопов: слева внизу от символа элемента дается величина Z, слева вверху - величина A. Например: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

После открытия явления искусственной радиоактивности с помощью ядерных реакций было получено около 1800 искусственных радиоактивных изотопов для элементов с Z от 1 до 110. У подавляющего большинства искусственных радиоизотопов очень малые периоды полураспада, измеряемые секундами и долями секунд; лишь немногие имеют сравнительно большую продолжительность жизни (например, 10 Ве - 2,7 10 6 лет, 26 Al - 8 10 5 лет и т. д.).

Стабильные элементы представлены в природе примерно 280 изотопами. Однако некоторые из них оказались в слабой степени радиоактивными, с огромными периодами полураспада (например, 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Продолжительность жизни этих изотопов столь велика, что позволяет рассматривать их как стабильные.

В мире стабильных изотопов еще немало проблем. Так, неясно, почему их количество у разных элементов столь сильно различается. Около 25% стабильных элементов (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) представлены в природе лишь одним видом атомов. Это так называемые элементы-одиночки. Интересно, что все они (кроме Be) имеют нечетные значения Z. И вообще для нечетных элементов число стабильных изотопов не превышает двух. Напротив, некоторые элементы с четными Z состоят из большого числа изотопов (например, Xe имеет 9, Sn - 10 стабильных изотопов).

Совокупность стабильных изотопов у данного элемента называют плеядой. Содержание их в плеяде нередко сильно колеблется. Интересно отметить, что больше всего содержание изотопов с величинами массовых чисел, кратными четырем (12 C, 16 O, 20 Ca и т. д.), хотя есть и исключения из этого правила.

Отрытие стабильных изотопов позволило разгадать многолетнюю загадку атомных масс - их отклонение от целых чисел, объясняющееся различным процентным содержанием стабильных изотопов элементов в плеяде.

В ядерной физике известно понятие «изобары». Изобарами называют изотопы различных элементов (т. е. с разными значениями Z), имеющие одинаковые массовые числа. Изучение изобаров способствовало установлению многих важных закономерностей поведения и свойств атомных ядер. Одну из таких закономерностей выражает правило, сформулированное советским химиком С. А. Щукаревым и иемецким физиком И. Маттаухом. Оно гласит: если лва изобара различаются по значениям Z на 1, то один из них обязательно будет радиоактивным. Классический пример пары изобаров - 40 18 Ar - 40 19 K. В ней изотоп калия радиоактивен. Правило Щукарева - Маттауха позволило объяснить, почему отсутствуют стабильные изотопы у элементов технеция (Z = 43) и прометия (Z = 61). Поскольку они имеют нечетные значения Z, то нельзя было для них ожидать более двух стабильных изотопов. Но оказалось, что изобары технеция и прометия, соответственно изотопы молибдена (Z = 42) и рутения (Z = 44), неодима (Z = 60) и самария (Z = 62), представлены в природе стабильными разновидностями атомов в большом диапазоне массовых чисел. Тем самым физические закономерности накладывают запрет на существование стабильных изотопов технеция и прометия. Вот почему эти элементы фактически не существуют в природе и их пришлось синтезировать искусственно.

Ученые уже давно пытаются разработать периодическую систему изотопов. Конечно, в её основе лежат другие принципы, нежели в основе периодической системы элементов. Но эти попытки пока не привели к удовлетворительным результатам. Правда, физики доказали, что последовательность заполнения протонных и нейтронных оболочек в атомных ядрах в принципе подобна построению электронных оболочек и подоболочек в атомах (см. Атом).

Электронные оболочки у изотопов данного элемента построены совершенно одинаково. Поэтому практически тождественны их химические и физические свойства. Только изотопы водорода (протий и дейтерий) и их соединения обнаруживают заметные различия в свойствах. Например, тяжелая вода (D 2 O) замерзает при +3,8, кипит при 101,4 °C, имеет плотность 1,1059 г/см 3 , не поддерживает жизни животных и растительных организмов. При электролизе воды на водород и кислород разлагаются преимущественно молекулы H 2 0, тогда как молекулы тяжелой воды остаются в электролизере.

Разделение изотопов других элементов - задача чрезвычайно сложная. Тем не менее во многих случаях необходимы изотопы отдельных элементов со значительно измененным по сравнению с природным содержанием. Например, при решении проблемы атомной энергии возникла необходимость разделения изотопов 235 U и 238 U. Для этой цели сначала был применен метод масс-спектрометрии, с помощью которого в 1944 г. в США были получены первые килограммы урана‑235. Однако этот метод оказался слишком дорогим и был заменен методом газовой диффузии, в котором использовался UF 6 . Сейчас существует несколько методов разделения изотопов, однако все они достаточно сложны и дороги. И всё‑таки проблема «разделения неразделимого» успешно решается.

Появилась новая научная дисциплина - химия изотопов. Она изучает поведение различных изотопов химических элементов в химических реакциях и процессы изотопного обмена. В результате этих процессов происходит перераспределение изотопов данного элемента между реагирующими веществами. Вот простейший пример: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (молекула воды обменивает атом протия на атом дейтерия). Развивается и геохимия изотопов. Она исследует колебания изотопного состава разных элементов в земной коре.

Широчайшее применение находят так называемые меченые атомы - искусственные радиоактивные изотопы стабильных элементов или стабильные изотопы. С помощью изотопных индикаторов - меченых атомов - изучают пути перемещения элементов в неживой и живой природе, характер распределения веществ и элементов в различных объектах. Изотопы применяются в ядерной технике: как материалы конструкций ядерных реакторов; в качестве ядерного горючего (изотопы тория, урана, плутония); в термоядерном синтезе (дейтерий, 6 Li, 3 He). Радиоактивные изотопы также широко используются в качестве источников излучений.

Определенного элемента, имеющие одинаковый , но разные . Обладают ядрами с одинаковым числом и разл. числом , имеют одинаковое строение электронных оболочек и занимают одно и то же место в периодич. системе хим. элементов. Термин "изотопы" предложен в 1910 Ф. Содди для обозначения химически неразличимых разновидностей , отличающихся по своим физ. (прежде всего радиоактивным) св-вам. Стабильные изотопы впервые обнаружены в 1913 Дж. Томсоном с помощью разработанного им т. наз. метода парабол - прообраза совр. . Он установил, что у Ne имеется, по крайней мере, 2 разновидности с маc. ч. 20 и 22. Названиями и символами изотопов обычно служат названия и символы соответствующих хим. элементов; указывают сверху слева от символа. Напр., для обозначения прир. изотопов используют запись 35 Сl и 37 С1; иногда внизу слева указывают также элемента, т.е. пишут 35 17 Сl и 37 17 Cl. Только изотопы самого легкого элемента -водорода с маc. ч. 1, 2 и 3 имеют спец. названия и символы: (1 1 Н), (D, или 2 1 Н) и (Т, или 3 1 H) соответственно. Из-за большой разницы в массах поведение этих изотопов существенно различается (см. , ). Стабильные изотопы встречаются у всех четных и большинства нечетных элементов с [ 83. Число стабильных изотопов у элементов с четными номерами м. б. равно 10 (напр., у ); у элементов с нечетными номерами не более двух стабильных изотопов. Известно ок. 280 стабильных и более 2000 радиоактивных изотопов у 116 природных и искусственно полученных элементов. Для каждого элемента содержание отдельных изотопов в прир. смеси претерпевает небольшие колебания, к-рыми часто можно пренебречь. Более значит. колебания изотопного состава наблюдаются для метеоритов и др. небесных тел. Постоянство изотопного состава приводит к постоянству встречающихся на Земле элементов, представляющей собой среднее значение массы данного элемента, найденное с учетом распространенности изотопов в природе. Колебания изотопного состава легких элементов связаны, как правило, с изменением изотопного состава при разл. процессах, протекающих в природе ( , и т.п.). Для тяжелого элемента Рb колебания изотопного состава разных образцов объясняются разл. содержанием в , и др. источниках и - родоначальников естеств. . Различия св-в изотопов данного элемента наз. . Важной практич. задачей является получение из прир. смесей отдельных изотопов -

Изотопы

ИЗОТО́ПЫ -ов; мн. (ед. изото́п, -а; м.). [от греч. isos - равный и topos - место] Спец. Разновидности одного и того же химического элемента, различающиеся массой атомов. Радиоактивные изотопы. Изотопы урана.

◁ Изото́пный, -ая, -ое. И. индикатор.

История исследований
Первые экспериментальные данные о существовании изотопов были получены в 1906-10 гг. при изучении свойств радиоактивных превращений атомов тяжелых элементов. В 1906-07 гг. было обнаружено, что продукт радиоактивного распада урана - ионий и продукт радиоактивного распада тория - радиоторий имеют те же химические свойства, что и торий, однако отличаются от последнего атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Более того: все три элемента имеют одинаковые оптические и рентгеновские спектры. По предложению английского ученого Ф. Содди (см. СОДДИ Фредерик) , такие вещества стали называть изотопами.
После того как изотопы были обнаружены у тяжелых радиоактивных элементов, начались поиски изотопов у стабильных элементов. Независимое подтверждение существования стабильных изотопов химических элементов было получено в экспериментах Дж. Дж. Томсона (см. ТОМСОН Джозеф Джон) и Ф. Астона (см. АСТОН Фрэнсис Уильям) . Томсон в 1913 г. обнаружил стабильные изотопы у неона. Астон, проводивший исследования с помощью сконструированного им прибора, названного масс-спектрографом (или масс-спектрометром), используя метод масс-спектрометрии (см. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ) , доказал, что и многие другие стабильные химические элементы имеют изотопы. В 1919 г. он получил доказательства существования двух изотопов 20 Ne и 22 Ne, относительное содержание (распространенность) которых в природе составляет приблизительно 91% и 9% . В дальнейшем был обнаружен изотоп 21 Ne с распространенностью 0,26%, изотопы хлора, ртути и ряда других элементов.
Масс-спектрометр несколько другой конструкции в те же годы был создан А. Дж. Демпстером (см. ДЕМПСТЕР Артур Джефри) . В результате последующего использования и усовершенствования масс-спектрометров усилиями многих исследователей была составлена почти полная таблица изотопных составов. В 1932 г. был открыт нейтрон - частица, не имеющая заряда, с массой, близкой к массе ядра атома водорода - протона, и создана протонно-нейтронная модель ядра. В результате в науке установилось окончательное определение понятия изотопов: изотопы - это вещества, ядра атомов которых состоят из одинакового числа протонов и отличаются лишь числом нейтронов в ядре. Примерно к 1940 г. изотопный анализ был проведен для всех известных к тому времени химических элементов.
При изучении радиоактивности было открыто около 40 природных радиоактивных веществ. Они были объединены в радиоактивные семейства, родоначальниками которых являются изотопы тория и урана. К природным относятся все стабильные разновидности атомов (их около 280) и все естественно радиоактивные, входящие в состав радиоактивных семейств (их 46). Все остальные изотопы получены в результате ядерных реакций.
Впервые в 1934 г. И. Кюри (см. ЖОЛИО-КЮРИ Ирен) и Ф. Жолио-Кюри (см. ЖОЛИО-КЮРИ Фредерик) получили искусственным путем радиоактивные изотоп азота (13 N), кремния (28 Si) и фосфора (30 P), отсутствующие в природе. Этими экспериментами они продемонстрировали возможность синтеза новых радиоактивных нуклидов. Среди известных в настоящее время искусственных радиоизотопов более 150 принадлежат трансурановым элементам (см. ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ) , не встречающимся на Земле. Теоретически допускается, что число разновидностей изотопов, способных к существованию, может достигать порядка 6000.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Смотреть что такое "изотопы" в других словарях:

Современная энциклопедия

Изотопы - (от изо... и греческого topos место), разновидности химических элементов, у которых ядра атомов (нуклидов) отличаются числом нейтронов, но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе химических … Иллюстрированный энциклопедический словарь

- (от изо... и греч. topos место) разновидности химических элементов, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов, но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе элементов. Различают… … Большой Энциклопедический словарь

ИЗОТОПЫ - ИЗОТОПЫ, хим. элементы, расположенные в одной и той же клетке периодической системы и следовательно обладающие одинаковым атомным номером или порядко вым числом. При этом И. не должны, вообще говоря, обладать одинаковым атомным весом. Различные… … Большая медицинская энциклопедия

Разновидности данного хим. элемента, различающиеся по массе ядер. Обладая одинаковыми зарядами ядер Z, но различаясь числом нейтронов, И. имеют одинаковое строение электронных оболочек, т. е. очень близкие хим. св ва, и занимают одно и то же… … Физическая энциклопедия

Атомы одного и того же хим. элемента, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов; имеют разные атомные массы, обладают одними и теми же хим. свойствами, но различаются по своим физ. свойствам, в частности… … Словарь микробиологии

Атомы хим. элемента, обладающие разными массовыми числами, но имеющие одинаковый заряд атомных ядер и поэтому занимающие одно место в периодической системе Менделеева. Атомы разных изотопов одного и того же хим. элемента отличаются по числу… … Геологическая энциклопедия

· Период полураспада · Массовое число · Цепная ядерная реакция

Терминология

История открытия изотопов

Первое доказательство того, что вещества, имеющие одинаковое химическое поведение, могут иметь различные физические свойства, было получено при исследовании радиоактивных превращений атомов тяжёлых элементов. В 1906-07 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 Ф. Содди , стали называть изотопами.

Изотопы в природе

Считается, что изотопный состав 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.

Применение изотопов человеком

В технологической деятельности люди научились изменять изотопный состав элементов для получения каких-либо специфических свойств материалов. Например, 235 U 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 235 U 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.

См. также

• Изотопная геохимия

Нестабильные (менее суток): 8 C: Углерод-8, 9 C: Углерод-9, 10 C: Углерод-10, 11 C: Углерод-11

Стабильные: 12 C: Углерод-12, 13 C: Углерод-13

10-10 000 лет: 14 C: Углерод-14

Нестабильные (менее суток) : 15 C: Углерод-15, 16 C: Углерод-16, 17 C: Углерод-17, 18 C: Углерод-18, 19 C: Углерод-19, 20 C: Углерод-20, 21 C: Углерод-21, 22 C: Углерод-22