Isotoper

Sådan læses A og Z

En kerneart skrives ^A_ZX. X er grundstofsymbolet, Z er protonantallet, og A er massetallet. For ³⁷₁₇Cl indeholder kernen 17 protoner og 37 − 17 = 20 neutroner. Tallet 17 identificerer allerede chlor; 37 identificerer denne isotop.

Fordi symbolet fastlægger Z, udelades det nederste tal ofte i almindelig skrivemåde: chlor-37 eller ³⁷Cl er nok.

Nuklid og isotop

A nuklid er én bestemt kerneart. ¹²C og ¹³C er to nuklider. At kalde dem isotoper fremhæver deres relation: de tilhører samme grundstof, fordi de har samme protonantal.

To kerner kan have samme massetal og stadig tilhøre forskellige grundstoffer. I så fald er de ikke isotoper af hinanden.

Isotopers kemi

Neutrale isotoper af ét grundstof har samme antal elektroner og i praksis samme elektronstruktur. Derfor gennemgår ¹²CO₂ og ¹³CO₂ de samme grundlæggende reaktioner, og derfor har isotoper én fælles plads i det periodiske system.

Næsten det samme er ikke præcis det samme. Ændret kernemasse ændrer vibrationsfrekvenser og kan forskyde reaktionshastigheder eller ligevægte en smule. Disse isotopeffekter er særligt tydelige for hydrogen, fordi udskiftning af ¹H med deuterium næsten fordobler kernemassen.

Massetal og målt masse

Det Massetallet A er et heltalligt antal protoner og neutroner. Den faktiske isotopmasse er en målt størrelse i atommasseenheder, u, og er normalt ikke et helt tal. ¹³C har massetal 13, men den målte isotopmasse er en smule større end 13 u.

Forskellen afspejler de faktiske masser af protoner, neutroner og elektroner samt kernebindingsenergien i det samlede atom. Kernebinding ændrer massen gennem E = mc².

Vægtet gennemsnit for chlor

Tag som illustration en prøve med 75,78 % ³⁵Cl med isotopmasse 34,9689 u og 24,22 % ³⁷Cl med masse 36,9659 u:

(0.7578 × 34.9689) + (0.2422 × 36.9659) ≈ 35.45 u.

Resultatet ligger mellem isotopmasserne og tættere på ³⁵Cl, fordi denne isotop dominerer prøven. Beriges materialet med ³⁷Cl, stiger den gennemsnitlige masse, selv om hvert atom stadig er chlor.

Massespektrometri

Massespektrometri adskiller ioner efter deres masse-ladningsforhold m/z. Isotoper af samme grundstof har næsten identisk kemi, men forskellige masser, så velopløste isotoptoppe kan afsløre sammensætningen.

Molekylære massespektre indeholder også isotopmønstre. Molekyler med chlor, brom eller flere kulstofatomer kan give karakteristiske grupper af toppe, fordi forskellige isotopkombinationer har lidt forskellige masser.

Kulstof

¹²C definerer den moderne reference for atommasse. ¹³C er stabil og bruges bredt som sporstof og i strukturanalyse. ¹⁴C er radioaktiv og kan fungere som ur for kulstof, der har udvekslet med atmosfæren eller biosfæren.

Det er ikke forskellige kulstofkemier. Det er kernevarianter af samme grundstof, hvor masse og stabilitet giver forskellige eksperimentelle muligheder.

Datering

For et radionuklid er hvert enkelt henfald uforudsigeligt, men en stor population følger N(t) = N₀e^−λt, med T½ = ln 2 / λ. Denne statistiske regelmæssighed gør radiometrisk datering mulig.

Et målt isotopforhold er ikke automatisk en alder. Startbetingelser, moder- og datterisotopers adfærd, forurening og om systemet er forblevet effektivt lukket, skal alle vurderes.

Sporstoffer

Et sporstof behøver kun at kunne skelnes. Beriges en forbindelse med ¹³C, ¹⁵N eller ¹⁸O, kan dens atomer følges gennem en reaktion, en organisme eller et miljøreservoir, mens kemien næsten bevares.

Naturlige isotopforhold kan tilsvarende skelne kulstofkilder, spore grundvand, hjælpe med at rekonstruere sider af fortidens klima og afsløre relationer i fødenet.

Medicin

Radioaktivt henfald kan registreres udefra kroppen eller afsætte energi i væv. Udvalgte radionuklider er derfor nyttige i diagnostisk billeddannelse og terapi. En nyttig isotop skal kombinere den rigtige henfaldstype, stråling, halveringstid og kemi.

En for lang halveringstid kan give unødigt vedvarende aktivitet; en for kort kan betyde, at isotopen henfalder, før billeddannelse eller behandling er færdig. Kernefysik og kemisk målretning skal fungere sammen.