Izotopy

Identitu prvku určuje Z

Nuklid zapisujeme ako ᴬ_ZX. Z je počet protónov a A počet protónov plus neutrónov. Pre ³⁷₁₇Cl máme 17 protónov a 20 neutrónov. Iný atóm chlóru môže mať iné A, ale musí zachovať Z = 17.

Nuklid označuje jedno konkrétne zloženie jadra. Izotopy opisujú vzťah medzi nuklidmi rovnakého prvku. Dve jadrá s rovnakým A, ale rozdielnym Z nie sú navzájom izotopy.

Izotopová hmotnosť nie je nukleónové číslo

A je celočíselný počet nukleónov. Skutočná izotopová hmotnosť v u zvyčajne nie je celé číslo, pretože hmotnosti protónov, neutrónov a elektrónov nie sú presne 1 u a väzbová energia jadra mení hmotnosť zostaveného systému. Rozdiel medzi súčtom hmotností voľných nukleónov a hmotnosťou viazaného jadra zodpovedá väzbovej energii podľa E = mc².

Neutrálne izotopy jedného prvku majú rovnakú elektrónovú konfiguráciu. Ich chémia je preto takmer rovnaká, no rozdielna hmotnosť môže meniť vibračné frekvencie a mierne aj rýchlosti reakcií alebo rovnováhy, najmä pri vodíku.

Stabilita jadra závisí od viacerých faktorov

Neutróny pridávajú silnú jadrovú väzbu bez ďalšieho Coulombovho odpudzovania protónov. Pri ťažších jadrách je preto priaznivý pomer neutrónov k protónom väčší než pri ľahkých.

Samotný pomer N/Z však nestačí. Dôležitá je jadrová vrstvová štruktúra, párovanie nukleónov a celková väzbová energia. Nestabilný nuklid môže prejsť alfa, beta alebo inou rádioaktívnou premenou.

Priemerná hmotnosť závisí od zloženia vzorky

Pre izotopy s hmotnosťami m_i a podielmi x_i je priemer Σm_ix_i pri Σx_i = 1. Pri chlóre prevaha ³⁵Cl posúva priemer k 35,45 u; neznamená to, že jednotlivý atóm má 35,45 nukleónu.

Prírodné izotopové podiely sa môžu medzi vzorkami mierne meniť vplyvom vyparovania, difúzie, biologických procesov alebo tvorby minerálov. Izotopové zloženie tak môže niesť informáciu o histórii materiálu.

Spektrometria a značkovanie využívajú rozdiel hmotností

Hmotnostný spektrometer oddeľuje ióny podľa pomeru m/z. Polohy píkov rozlišujú izotopy a korigované intenzity umožňujú odhadnúť ich podiely. V molekulových spektrách vytvárajú kombinácie izotopov charakteristické zhluky.

Stabilné izotopy, napríklad ¹³C alebo ¹⁵N, môžu sledovať reakcie a biologické procesy. Rádioizotopy možno využiť na datovanie, diagnostiku alebo terapiu, vždy však záleží na polčase, type žiarenia a chémii nosiča.

Vyriešené príklady