Izotopy

Tożsamość pierwiastka wynika z Z

Nuklid zapisujemy jako ᴬ_ZX. Z jest liczbą protonów, A liczbą protonów i neutronów. Dla ³⁷₁₇Cl mamy 17 protonów i 20 neutronów. Inny atom chloru może mieć inną wartość A, lecz musi zachować Z = 17.

Słowo nuklid oznacza konkretny skład jądra. Słowo izotopy opisuje relację między nuklidami tego samego pierwiastka. Dwa jądra o tym samym A, ale różnych Z, nie są izotopami.

Masa izotopowa nie jest liczbą masową

A jest całkowitą liczbą nukleonów. Rzeczywista masa izotopowa, mierzona w u, zwykle nie jest liczbą całkowitą, ponieważ masy protonów, neutronów i elektronów nie są dokładnie równe 1 u, a energia wiązania jądra zmienia masę układu. Różnica między sumą mas swobodnych nukleonów a masą związanego jądra odpowiada energii wiązania zgodnie z E = mc².

Neutralne izotopy jednego pierwiastka mają ten sam układ elektronów. Dlatego ich chemia jest prawie taka sama, lecz różnica mas może zmieniać częstotliwości drgań i nieznacznie szybkości reakcji lub równowagi — szczególnie dla izotopów wodoru.

Stabilność jądra zależy od więcej niż jednego stosunku

Neutrony zwiększają przyciąganie silne bez dodawania odpychania kulombowskiego między protonami. W cięższych jądrach korzystny stosunek neutronów do protonów jest więc większy niż w lekkich.

Nie wystarcza jednak sama proporcja N/Z. Znaczenie mają także powłoki jądrowe, parowanie nukleonów i całkowita energia wiązania. Niestabilny nuklid może przejść przemianę alfa, beta lub inną przemianę promieniotwórczą.

Średnia masa zależy od składu próbki

Dla izotopów o masach m_i i udziałach x_i średnia wynosi Σm_ix_i, przy Σx_i = 1. Dla chloru dominacja ³⁵Cl przesuwa średnią w okolice 35,45 u; nie oznacza to, że pojedynczy atom ma 35,45 nukleonu.

Naturalne udziały izotopów mogą lekko zmieniać się między próbkami wskutek parowania, dyfuzji, procesów biologicznych lub tworzenia minerałów. Dlatego pomiar składu izotopowego może nieść informację o historii materiału.

Spektrometria i znaczniki wykorzystują różnicę mas

Spektrometr mas rozdziela jony według stosunku m/z. Pozycje pików rozróżniają izotopy, a poprawione intensywności pozwalają oszacować ich udziały. W widmach cząsteczek kombinacje izotopów tworzą charakterystyczne klastry.

Stabilne izotopy, np. ¹³C lub ¹⁵N, mogą być znacznikami reakcji i procesów biologicznych. Radioizotopy mogą służyć do datowania, diagnostyki lub terapii, ale zawsze trzeba uwzględnić czas połowicznego rozpadu, rodzaj promieniowania i chemię nośnika.

Przykłady rozwiązane