İzotoplar
İzotoplar, proton sayısı aynı fakat nötron sayısı farklı olan aynı element atomlarıdır. Bu nedenle kimyasal kimlikleri aynıdır; buna karşılık kütleleri ve çekirdek kararlılıkları farklı olabilir. İzotop kavramı atom yapısını, kütle spektrometrisini, jeokimyayı ve radyoaktif tarihlendirmeyi birbirine bağlar.
Görsel model
Etkileşimli model
Nüklit ve izotop gösterimi
Bir nüklit ᴬZX biçiminde gösterilebilir. Z proton sayısını ve elementi, A = Z + N ise kütle numarasını verir. ³⁷Cl çekirdeğinde 17 proton ve 20 nötron vardır. Cl sembolü Z'yi zaten belirlediği için çoğu zaman ³⁷Cl veya klor-37 yazmak yeterlidir.
Nüklit belirli bir çekirdek türüdür. ¹²C ve ¹³C iki farklı nüklittir ve aynı elemente ait oldukları için birbirlerinin izotopudur. A değerleri aynı fakat Z değerleri farklı iki nüklit izotop değildir.
Kimya çok benzer, ama bütünüyle aynı değil
Aynı elementin nötr izotopları aynı elektron sayısına ve genellikle aynı temel hâl elektron dizilimine sahiptir. Bu yüzden kimyasal davranışları büyük ölçüde benzerdir ve periyodik tabloda her izotop için ayrı bir kutu bulunmaz.
Yine de kütle farkı titreşim frekanslarını, difüzyonu ve bazı tepkime hızlarını etkileyebilir. Hidrojen ile döteryum arasındaki göreli kütle farkı özellikle büyük olduğundan kinetik izotop etkisi belirgin olabilir.
Kütle numarası gerçek izotop kütlesi değildir
A kütle numarası proton ve nötronların tam sayı toplamıdır. Bir izotopun atomik kütle birimi cinsinden gerçek kütlesi genellikle tam olarak A değildir; çekirdek bağlanma enerjisi ve parçacık kütleleri küçük farklar oluşturur.
Periyodik tablodaki standart atom ağırlığı çoğu zaman doğal izotopların bolluklarına göre ağırlıklı bir ortalamadır. Klor için yaklaşık 35,45 değeri, tek bir klor atomunda 35,45 nükleon bulunduğu anlamına gelmez.
Ağırlıklı ortalama ve kütle spektrometrisi
İzotop kütleleri mᵢ ve kesirleri xᵢ ise ortalama kütle m̄ = Σmᵢxᵢ ile hesaplanır ve Σxᵢ = 1 olmalıdır. Bolluklar eşit değilse basit aritmetik ortalama kullanmak yanlıştır.
Kütle spektrometresi parçacıkları iyonlaştırır ve kütle/yük oranlarına m/z göre ayırır. Tepe konumları izotop kütlelerini, uygun kalibrasyon sonrası tepe şiddetleri ise göreli bollukları belirlemeye yardımcı olur.
Kararlılık ve uygulamalar
Bazı nüklitler kararlı, bazıları radyoaktiftir. Kararlılık proton-nötron oranına, çekirdek kabuk yapısına ve bağlanma enerjisine bağlıdır; 'daha çok nötron her zaman daha kararlı' gibi tek bir kural yoktur.
Kararlı izotop oranları fiziksel ve kimyasal süreçlerde küçük değişimler geçirerek çevresel izleyici olabilir. Radyoaktif izotoplar ise uygun yarı ömür ve bozunma türleri sayesinde tarihlendirme, tıp ve iz sürme uygulamalarında kullanılır.
Alıştırmalar
Klor-37
Z = 17 olan ³⁷Cl kaç nötron içerir?
Çözüm: N = 37 − 17 = 20.
İki izotop
Bir örneğin %75'i 10 u, %25'i 11 u ise ortalama kütle nedir?
Çözüm: m̄ = 10·0,75 + 11·0,25 = 10,25 u.
İzotop mu?
¹⁴C ile ¹⁴N birbirinin izotopu mudur?
Çözüm: Hayır. A aynı olsa da Z farklıdır; bunlar farklı elementlerdir.