Izotopy

Identitu prvku určuje Z

Nuklid zapisujeme jako ᴬ_ZX. Z je počet protonů a A počet protonů plus neutronů. Pro ³⁷₁₇Cl máme 17 protonů a 20 neutronů. Jiný atom chloru může mít jiné A, ale musí zachovat Z = 17.

Nuklid označuje jedno konkrétní složení jádra. Izotopy popisují vztah mezi nuklidy stejného prvku. Dvě jádra se stejným A, ale různým Z nejsou navzájem izotopy.

Izotopová hmotnost není nukleonové číslo

A je celočíselný počet nukleonů. Skutečná izotopová hmotnost v u obvykle není celé číslo, protože hmotnosti protonů, neutronů a elektronů nejsou přesně 1 u a vazebná energie jádra mění hmotnost sestaveného systému. Rozdíl mezi součtem hmotností volných nukleonů a hmotností vázaného jádra odpovídá vazebné energii podle E = mc².

Neutrální izotopy jednoho prvku mají stejnou elektronovou konfiguraci. Jejich chemie je proto téměř stejná, ale rozdílná hmotnost může měnit vibrační frekvence a mírně i reakční rychlosti nebo rovnováhy, zvlášť u vodíku.

Stabilita jádra závisí na více faktorech

Neutrony přidávají silnou jadernou vazbu bez dalšího Coulombova odpuzování protonů. U těžších jader je proto příznivý poměr neutronů k protonům větší než u lehkých.

Samotný poměr N/Z však nestačí. Důležitá je jaderná slupková struktura, párování nukleonů a celková vazebná energie. Nestabilní nuklid může přejít alfa, beta nebo jinou radioaktivní přeměnou.

Průměrná hmotnost závisí na složení vzorku

Pro izotopy s hmotnostmi m_i a podíly x_i je průměr Σm_ix_i při Σx_i = 1. U chloru převaha ³⁵Cl posouvá průměr k 35,45 u; neznamená to, že jednotlivý atom má 35,45 nukleonu.

Přírodní izotopové podíly se mohou mezi vzorky mírně měnit vlivem vypařování, difuze, biologických procesů nebo tvorby minerálů. Izotopové složení tak může uchovávat informaci o historii materiálu.

Spektrometrie a značkování využívají rozdíl hmotností

Hmotnostní spektrometr odděluje ionty podle poměru m/z. Polohy píků rozlišují izotopy a korigované intenzity dovolují odhadnout jejich podíly. V molekulových spektrech vytvářejí kombinace izotopů charakteristické shluky.

Stabilní izotopy, například ¹³C nebo ¹⁵N, mohou sledovat reakce a biologické procesy. Radioizotopy lze využít pro datování, diagnostiku nebo terapii, vždy však záleží na poločasu, typu záření a chemii nosiče. Při práci s izotopovými daty je proto nutné rozlišovat přesnou hmotnost konkrétního nuklidu, jeho zastoupení ve vzorku a průměrnou atomovou hmotnost; jde o tři různé údaje.

Řešené příklady