Isotoobid

Isotoobid on sama elemendi aatomid, millel on sama prootonite arv Z, kuid erinev neutronite arv. Seetõttu on nende keemiline identiteet sama, ent mass ja tuuma stabiilsus võivad erineda. Isotoopide mõistmine ühendab aatomstruktuuri, massispektromeetria, geokeemia ja radioaktiivse dateerimise.

Põhiseos: m̄ = Σ mᵢxᵢ · A = Z + N

Visuaalne mudel

¹²C¹³CZ = 6N: 6 → 7Joonis on mõtteline mudel, mitte tegelikus mõõtkavas.

Interaktiivne mudel

Nukliid ja isotoop

Nukliidi tähis on ᴬZX. Z määrab prootonite arvu ja elemendi, A = Z + N on massiarv. ³⁷Cl tuumas on 17 prootonit ja 20 neutronit. Kuna sümbol Cl määrab juba Z väärtuse, kirjutatakse sageli lihtsalt ³⁷Cl või kloor-37.

Nukliid tähendab kindlat tuumaliiki. ¹²C ja ¹³C on kaks nukliidi ning üksteise suhtes isotoobid, sest nende Z on sama. Sama A, kuid erineva Z-ga tuumad ei ole omavahel isotoobid.

Keemia on sarnane, kuid mitte täiesti identne

Neutraalse sama elemendi isotoopidel on sama elektronide arv ja tavaliselt sama põhioleku elektronkonfiguratsioon. Seepärast on nende keemiline käitumine väga sarnane. Perioodilisustabelis ei anta igale isotoobile eraldi ruutu.

Massierinevus võib siiski mõjutada võnkesagedusi, difusiooni ja reaktsioonikiirusi. Vesiniku ja deuteeriumi puhul on suhteline massierinevus eriti suur, mistõttu kineetiline isotoobiefekt võib olla hästi mõõdetav.

Massiarv ei ole täpne isotoobimass

Massiarv A on prootonite ja neutronite täisarvuline summa. Tegelik isotoobimass aatommassiühikutes ei ole üldjuhul täpselt A, sest prootonite, neutronite ja elektronide massid ning tuuma seoseenergia annavad väikese erinevuse.

Perioodilisustabeli aatommass on enamasti looduslike isotoopide kaalutud keskmine. Kloori väärtus ligikaudu 35,45 ei tähenda, et üksikul klooriaatomil oleks 35,45 nukleoni.

Kaalutud keskmine ja massispektromeetria

Kui isotoobi mass on mᵢ ja selle osakaal xᵢ, saadakse keskmine mass valemiga m̄ = Σmᵢxᵢ, kus osakaalude summa on 1. Keskmist ei tohi võtta lihtsa aritmeetilise keskmisena, kui isotoopide osakaalud on erinevad.

Massispektromeeter ioniseerib osakesi ja eraldab neid massi-laengu suhte m/z järgi. Piikide asukohad annavad isotoopide massid ning korralikult kalibreeritud intensiivsused võimaldavad hinnata suhtelisi osakaale.

Stabiilsus, fraktsioneerumine ja rakendused

Mõned nukliidid on stabiilsed, teised lagunevad radioaktiivselt. Stabiilsus sõltub prootonite-neutronite suhtest, tuumakihtidest ja seoseenergiast; lihtne reegel „rohkem neutroneid tähendab stabiilsem” ei kehti universaalselt.

Stabiilsete isotoopide suhted võivad muutuda füüsikaliste ja keemiliste protsesside käigus ning toimida keskkonnamarkerina. Radioaktiivseid isotoope kasutatakse dateerimisel, meditsiinis ja jälgijatena, kui nende poolestusaeg ja lagunemisviis sobivad ülesandega.

Ülesanded

Kloor-37

Mitu neutronit on ³⁷Cl tuumas, kui Z = 17?

Lahendus: N = 37 − 17 = 20.

Kahe isotoobi segu

75% proovis on massiga 10 u ja 25% massiga 11 u isotoop. Leia keskmine mass.

Lahendus: m̄ = 10·0,75 + 11·0,25 = 10,25 u.

Isotoobid või mitte?

Kas ¹⁴C ja ¹⁴N on teineteise isotoobid?

Lahendus: Ei. Neil on sama massiarv A, kuid erinev Z, seega on nad eri elemendid.