Isotoper

Så läser du A och Z

En kärnart skrivs ^A_ZX. X är grundämnets symbol, Z är protonantalet och A är masstalet. För ³⁷₁₇Cl innehåller kärnan 17 protoner och 37 − 17 = 20 neutroner. Talet 17 identifierar redan klor; 37 identifierar just denna isotop.

Eftersom symbolen bestämmer Z utelämnas det undre talet ofta i vanlig skrift: klor-37 eller ³⁷Cl räcker.

Nuklid och isotop

A nuklid är en bestämd kärnart. ¹²C och ¹³C är två nuklider. Att kalla dem isotoper betonar deras relation: de tillhör samma grundämne eftersom de har samma protonantal.

Två kärnor kan ha samma masstal men ändå tillhöra olika grundämnen. Då är de inte isotoper av varandra.

Isotopkemi

Neutrala isotoper av ett grundämne har samma antal elektroner och i stort sett samma elektronstruktur. Därför genomgår ¹²CO₂ och ¹³CO₂ samma grundläggande reaktioner, och därför upptar isotoper en gemensam plats i det periodiska systemet.

Nästan samma är inte exakt samma. Ändrad kärnmassa ändrar vibrationsfrekvenser och kan påverka reaktionshastigheter eller jämvikter något. Dessa isotopeffekter är särskilt tydliga för väte eftersom byte av ¹H mot deuterium nästan fördubblar kärnmassan.

Masstal och uppmätt massa

Det masstal A är ett heltalsantal protoner och neutroner. Den verkliga isotopmassan är en uppmätt storhet som uttrycks i enhetliga atommassenheter, u, och är vanligen inte ett heltal. ¹³C har masstal 13, men dess uppmätta isotopmassa är något större än 13 u.

Skillnaden speglar protonernas, neutronernas och elektronernas faktiska massor samt kärnbindningsenergin i den sammansatta atomen. Kärnbindning förändrar massan genom E = mc².

Viktat medelvärde för klor

Ta som exempel ett prov som innehåller 75,78 % ³⁵Cl med isotopmassan 34,9689 u och 24,22 % ³⁷Cl med massan 36,9659 u:

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

Resultatet ligger mellan isotopmassorna och närmare ³⁵Cl eftersom den isotopen dominerar provet. Om materialet anrikas på ³⁷Cl stiger medelmassan trots att varje atom fortfarande är klor.

Masspektrometri

Masspektrometri separerar joner efter deras massa-laddningsförhållande m/z. Isotoper av samma grundämne har nästan identisk kemi men olika massor, så väl upplösta isotoptoppar kan avslöja sammansättningen.

Molekylära masspektra innehåller också isotopmönster. Molekyler med klor, brom eller flera kolatomer kan ge karakteristiska grupper av toppar eftersom olika isotopkombinationer har något olika massor.

Kol

¹²C definierar den moderna referensen för atommassa. ¹³C är stabil och används ofta som spårämne och i strukturanalys. ¹⁴C är radioaktiv och kan fungera som klocka för kol som har utbytts med atmosfären eller biosfären.

Detta är inte olika sorters kolkemi. Det är kärnvarianter av samma grundämne vars massa och stabilitet ger olika experimentella möjligheter.

Datering

För en radionuklid är varje enskilt sönderfall oförutsägbart, men en stor population följer N(t) = N₀e^−λt, med T½ = ln 2 / λ. Den statistiska regelbundenheten gör radiometrisk datering möjlig.

Ett uppmätt isotopförhållande är inte automatiskt en ålder. Startvillkor, moder- och dotterisotopers beteende, förorening och om systemet har förblivit effektivt slutet måste alla beaktas.

Spårämnen

Ett spårämne behöver bara kunna särskiljas. Genom att anrika en förening med ¹³C, ¹⁵N eller ¹⁸O kan dess atomer följas genom en reaktion, en organism eller en miljöreservoar samtidigt som kemin i stort sett bevaras.

Naturliga isotopförhållanden kan på samma sätt skilja kolkällor åt, spåra grundvatten, hjälpa till att rekonstruera delar av tidigare klimat och visa samband i näringsvävar.

Medicin

Radioaktivt sönderfall kan detekteras utifrån kroppen eller avsätta energi i vävnad. Utvalda radionuklider är därför användbara vid diagnostisk avbildning och terapi. En användbar isotop måste kombinera rätt sönderfallssätt, strålning, halveringstid och kemi.

En alltför lång halveringstid kan ge onödigt långvarig aktivitet; en alltför kort kan innebära att isotopen sönderfaller innan avbildning eller behandling är klar. Kärnfysik och kemisk målsökning måste fungera tillsammans.