Isotoopit
Isotoopit ovat saman alkuaineen atomeja, joilla on sama protoniluku Z mutta eri neutroniluku. Niillä on lähes sama elektroninen kemia, mutta eri massa ja joskus hyvin erilainen ydinstabiilisuus. Isotoopit yhdistävät kemian, ydinfysiikan ja mittaustekniikan.
Merkintä
Isotooppi voidaan kirjoittaa muodossa ᴬ_ZX tai nimellä kuten hiili-14. Massaluku A=Z+N. Sama A ei tarkoita samaa alkuainetta, jos Z on eri; alkuaineen identiteetin määrää aina protonien määrä.
Kemiallinen samankaltaisuus
Neutraalien isotooppien elektronimäärä ja valenssirakenne ovat samat, joten niiden kemialliset ominaisuudet ovat hyvin lähellä toisiaan. Massan ero voi silti muuttaa värähtelytaajuuksia ja reaktionopeuksia, mikä näkyy erityisen voimakkaasti vedyn ja deuteriumin välillä.
Ydinstabiilisuus
Stabiilisuus riippuu vahvasta vuorovaikutuksesta, Coulombin hylkimisestä, kuorirakenteesta ja neutroni-protoni-suhteesta. Raskaissa ytimissä tarvitaan suhteellisesti enemmän neutroneja. Pelkkä sääntö “enemmän neutroneja on vakaampi” ei kuitenkaan toimi yleisesti.
Radioaktiiviset isotoopit
Epävakaa isotooppi voi hajota beta-, alfa- tai muun hajoamisen kautta. Yhden ytimen hajoamishetkeä ei ennusteta, mutta suuri joukko noudattaa eksponentiaalista tilastolakia. Puoliintumisaika kuuluu nuklidille, ei yksittäiselle atomille aikatauluna.
Keskimääräinen atomimassa
Jaksollisen järjestelmän atomimassa on usein luonnollisten isotooppien painotettu keskiarvo Σfᵢmᵢ. Siksi se ei yleensä ole kokonaisluku eikä vastaa yhden tietyn atomin massaa.
Massaspektrometria
Massaspektrometri erottaa ionit massa-varaus-suhteen perusteella. Piikkien paikat tunnistavat isotoopit ja suhteelliset intensiteetit antavat runsaussuhteita. Menetelmä on keskeinen geokemiassa, analytiikassa ja isotooppijäljityksessä.
Isotoopit jäljittäjinä
Haihtuminen, tiivistyminen ja biologiset prosessit voivat suosia hieman kevyttä tai raskasta isotooppia. Näin isotooppisuhteisiin tallentuu tietoa veden kierrosta, lämpötilasta, ravintoketjuista ja materiaalin alkuperästä.
Isotooppinen ajoitus
Radioaktiivinen ajoitus toimii vain, jos tunnetaan hajoamislaki ja näytteen geologinen historia on tulkittavissa. Emo- tai tytärisotoopin myöhempi menetys voi siirtää laskettua ikää. Siksi useiden mineraalien tai isotooppijärjestelmien yhteensopivuus on tärkeä laadunvarmistus.
Suljettu systeemi
Kun mineraali kiteytyy tai jäähtyy tietyn sulkeutumislämpötilan alle, isotooppijärjestelmä voi alkaa säilyttää ajan informaatiota. Jos myöhempi lämpötapahtuma avaa järjestelmän, saatu ikä voi vastata tätä myöhempää tapahtumaa eikä alkuperäistä muodostumista.
Massan vaikutus kemiaan
Kevyiden ja raskaiden isotooppien nollapiste-energiat eroavat, mikä voi muuttaa sidosten värähtelyenergiaa ja reaktionopeutta. Vaikutus on suhteellisesti suuri vedylle, koska deuterium on lähes kaksi kertaa protonin massainen.
Harjoitus
Alkuaineessa on 75 % isotooppia 35 u ja 25 % isotooppia 37 u. Mikä on keskimääräinen massa?
Ratkaisu
0,75·35+0,25·37=35,5 u.