Ізотопи
Ізотопи — це атоми одного елемента з однаковим Z, але різним числом нейтронів. Їхня електронна хімія майже однакова, однак маса, ядерні рівні та стабільність можуть сильно відрізнятися. Ізотопи використовують як природні й штучні мітки та як радіометричні годинники.
Позначення
Нуклід записують як ᴬ_ZX або назвою на кшталт вуглець-14. Масове число A=Z+N. Однакове A при різному Z означає не ізотопи, а різні елементи з однаковим масовим числом.
Хімічна подібність
Нейтральні ізотопи мають однакову кількість електронів та схожу валентну конфігурацію. Тому більшість реакцій майже однакові. Проте різниця мас змінює коливальні частоти та може створювати кінетичний ізотопний ефект.
Ядерна стабільність
Стабільність визначають сильна взаємодія, кулонівське відштовхування, парність і оболонкова структура. Для важких ядер стабільна область зміщена до більшого N/Z, але “більше нейтронів завжди краще” — неправильне правило.
Радіоактивність
Нестабільний ізотоп може зазнати β-, α- або іншого розпаду. Момент розпаду окремого ядра випадковий, але велика сукупність підкоряється експоненціальному закону. Період напіврозпаду характеризує статистику популяції.
Середня атомна маса
Таблична атомна маса часто є зваженим середнім природних ізотопів: Σfᵢmᵢ. Через це вона не обов’язково ціле число і не є масою конкретного атома.
Мас-спектрометрія
Йони розділяють за m/z, тому різні ізотопи утворюють окремі піки. Відносні інтенсивності дають ізотопні співвідношення. Сучасні прилади здатні вимірювати дуже малі відхилення.
Фракціонування
Випаровування, конденсація та біохімічні процеси можуть трохи віддавати перевагу легшому або важчому ізотопу. Так виникають ізотопні підписи, які зберігають інформацію про температуру, джерела води чи харчові ланцюги.
Датування
Надійний радіометричний вік потребує не лише відомого T₁/₂, а й інтерпретованих початкових умов та достатньо замкненої системи. Втрата материнського або дочірнього ізотопу може змінити видимий вік.
Ізотопи в природних вимірюваннях
Ізотопний склад зразка може бути набагато інформативнішим за просту середню масу. Наприклад, співвідношення стабільних ізотопів кисню у воді змінюється під час випаровування і конденсації, тому льодовикові керни та карбонати зберігають інформацію про минулі умови. У медицині ізотопну мітку можна вбудувати в молекулу й простежити її шлях без зміни основної хімічної будови. Важливо не робити протилежної помилки: однакова хімічна назва не означає однакову ядерну поведінку. Два ізотопи можуть вступати в майже ті самі реакції, але один бути стабільним, а інший мати короткий період напіврозпаду.
Вправа
Є 75 % ізотопу масою 35 u і 25 % масою 37 u. Яка середня маса?
Розв’язання
0,75·35+0,25·37=35,5 u.