שלושת האיזוטופים הטבעיים שלאטום המימן, העובדה שלכל אחד מהאיזוטופים ישפרוטון אחד מגדירה את היותם אטומי מימן. האיזוטופ עם אפסנייטרונים הואפרוטיום (1H), עםנייטרון אחד -דאוטריום (2H) ועם שני נייטרונים - טריטיום (3H)
אִיזוֹטוֹפּים שליסוד כימי הם אטומים בעלי אותומספר אטומי אך בעלימסה שונה, כלומר מספר הנייטרונים שונה. לאיזוטופים של אותו יסוד יש אותן התכונות הכימיות.
כיום מוכרים למדע מעל 1,000 איזוטופים שונים המשויכים ל-118 היסודות בטבלה המחזורית.
מקורה של המלה איזוטופ, ביוונית: Ισος (איסוֹס) = שווה, Τοπος (טוֹפּוֹס) = מקום, ופירושה "אותו מקום", מקור השם נעוץ בעובדה שאיזוטופים נמצאים באותו מקום בטבלה המחזורית של היסודות.
כל היסודות בנויים מאטומים. האטום בנוי, באופן כללי, מגרעין, המורכב מפרוטונים ונייטרונים הבונים את הגרעין, ומאלקטרונים הסובבים סביב הגרעין.התכונה האטומית המבדילה בין חומר אחד למשנהו, היא מספר הפרוטונים שבגרעין. מספר זה - הקרוי מספר אטומי של היסוד, ומייצג גם את מספר הפרוטונים של יסוד זה - קובע את תכונותיו הכימיות של החומר, וממנו נובעים צבעו, מרקמו, ותכונותיו המכניות.
מספר הנייטרונים שבגרעין, לעומת זאת, יכול להשתנות מבלי לשנות את תכונותיו הכימיות של החומר. פעמים רבות מספרם של הנייטרונים שווה למספר הפרוטונים (בפרט ביסודות הקלים), אך הדבר אינו מחויב. מספר הפרוטונים והנייטרונים גם יחד קובע את המשקל האטומי - הנקרא גםמסה אטומית - של האטום. מסת האלקטרונים קטנה פי כ-2,000 ממסת הפרוטון או הנייטרון ולכן זניחה וניתן להתעלם ממנה.
גרעינים שונים של אותו יסוד (כלומר מספר זהה של פרוטונים, אך מספר נייטרונים שונה) נקראים איזוטופים של היסוד. לדוגמה, מימן הוא היסוד הכימי שבגרעין האטום שלו קיים פרוטון אחד בלבד. לרוב, בגרעין מימן אין נייטרונים, ולכן זהו האיזוטופ הנפוץ של מימן. עם זאת, קיימים עוד איזוטופים: גרעין שמכיל פרוטון אחד ונייטרון אחד גם הוא גרעין מימן (בגלל קיום פרוטון בודד) אך זהו איזוטופ שונה שלרוב נקראדאוטריום או "מימן כבד". בנוסף, קיים איזוטופ נוסף של מימן המכיל שני נייטרונים בגרעין הנקראטריטיום.
לפעמים איזוטופ מסוים של היסוד מהווה את רוב האטומים של יסוד זה. זהו לדוגמה המצב במימן בו רוב האטומים שלו הם מהאיזוטופ בלי נייטרונים. לעומת זאת, קיימים יסודות בעלי שכיחות דומה של האיזוטופים השונים. לדוגמה, הגז האצילקסנון הוא בעל גרעין עם 54 פרוטונים, וניתן למצוא אותו בטבע בשלושה איזוטופים בעלי תפוצה דומה: 75, 77 או 78 נייטרונים.
בניגוד למימן, שבה לכל איזוטופ יש שם, מרבית האיזוטופים אינם קרויים בשם, אלא קרויים בשם הבנוי משם היסוד ומספר הנוקליאונים (הפרוטונים והנייטרונים שבגרעין) הכולל שבגרעינו. אורניום-238, למשל הוא איזוטופ של אורניום שבגרעינו סך הפרוטונים והנייטרונים ביחד הוא 238. בכתיב הכימי מסומן האיזוטופ בסמל היסוד, שלפניו רשום, בספרות עיליות, מספר הפרוטונים והנייטרונים.238U, למשל, הואאורניום-238. עוד דוגמה היא היסוד הכימי פחמן (סימון כימי: C), בעל 6 פרוטונים. 99% מגרעיני הפחמן הם בעלי 6 נייטרונים ולכן מסמנים את האיזוטופ הנפוץ ביותר של פחמן כפחמן-12 או12C. עם זאת, אחוז מכלל אטומי הפחמן הוא13C ובאטמוספירה נוצרת כל הזמן כמות מזערית ביותר של14C שדועכת עם הזמן.
קיומם של איזוטופים שונים לאותו יסוד גורם לכך שהמשקל האטומי, כפי שהוא מופיע בטבלה המחזורית של היסודות, אינו מייצגמשקל אטומי של איזוטופ מסוים, אלא את המשקל האטומי המשוקלל, בהתאם לתפוצתם של האיזוטופים בטבע.
אף שלמספר הנייטרונים בגרעין אין השפעה על התכונות הכימיות של היסוד, יש לו השפעה רבה עלהיציבות של הגרעין - חלק מהאיזוטופים הם איזוטופיםרדיואקטיביים. לניקל, למשל, יש 5 איזוטופים יציבים (הגרעין שלהם אינו מתפרק מעצמו), איזוטופ אחד (59Ni) שזמןמחצית החיים שלו הוא יותר מ-10,000 שנה, איזוטופ אחד (63Ni) שזמן מחצית חייו נמדד בשנים רבות ו-3 איזוטופים (56Ni,57Ni ו-66Ni) שזמן מחצית חייהם הוא פחות מעשרה ימים.
משום שאין הבדלים כימיים בין האיזוטופים השונים של אותו יסוד, לא ניתן להבדיל ביניהם באמצעים כימיים. לדוגמה, כאשר יוצרים מולקולותפחמן דו-חמצני (CO2), כ-99% מהמולקולות יכללו אטום פחמן-12 וכ-1% יכללופחמן-13, בהתאם לשכיחות שלהם בטבע. כלומר, לאטומי החמצן "לא אכפת" איזה סוג פחמן נקשר אליהם.
למרות שאיזוטופים שונים מגיבים כימית באותו אופן, מהירות תגובתם עשויה להיות שונה. תופעה זו נקראתאפקט איזוטופי קינטי(אנ') ובולטת בעיקר ביסודות עם מספר אטומי נמוך, בהם תוספת הנייטרונים משפיעה מהותית על מסת האטום (מימן כבד למשל כפול במסתו מן המימן). איזוטופ כבד יותר יגיב לרוב לאט יותר, אך אין זה תמיד כך.[1]
בין אטומים זהים של אותו יסוד אי אפשר להבדיל בתהליכיםכימיים, אך ניתן להבדיל בין איזוטופים שונים בתהליכיםפיזיקליים (בעיקר על פי משקלם). ניתן לזהות את שכיחותם באמצעותספקטרומטר מסה. הבדל נוסף אפשרי הוא בתהודה מגנטית גרעינית, אם לאיזוטופ מסוים (כמו31P,1H וכו') ישספין 1/2+ ניתן לראותו במכשיר NMR, או לפחות את האחוז היחסי שלו מתוך היסוד.
יצירתתרכובת מאיזוטופ מסוים מאפשרת מעקב אחר ההתנהגות של האטומים המרכיבים תרכובת זו בתערובת שבה נמצאים אטומים אלה גם בתרכובות אחרות. דוגמה: בחקר התנהגותו של הפנול (C6H5OH) במים, משתמשים במים כבדים (D2O), כלומר מים שהמימן בהם הוא האיזוטופדאוטריום. בצורה זו ניתן להבחין בין המימן שבפנול ובין המימן שבמים, ולגלות שהפנול המומס במים מחליף אטומי מימן עם המים.
לייצורה שלפצצת אטום דרושים איזוטופים מסוימים. הפעולה הקרויה "העשרת אורניום" היא בידודו של האיזוטופ הנדיר,235U, הנחוץ לייצור הפצצה, מתוך האורניום המצוי בטבע שבו האיזוטופ הנפוץ הוא238U. זהו אתגר טכנולוגי לא פשוט, עקב ההבדלים הפעוטים שבין האיזוטופים.
האיזוטופים235U ו-239Pu נוחים לביקוע גרעיני, ולפיכך הם משמשים כדלק לכורים גרעיניים וכחומר בקיע בפצצות גרעיניות.
לאיזוטופים הרדיואקטיביים של יסודות רבים (הנקראים רדיו-איזוטופים) יש שימושים במדע בכלל ובביולוגיה בפרט (לרבות המחקר הרפואי) כסַמָּנִים – הודות לכך שאין כל הבדל ממשי בין הפעילות הכימית של האיזוטופים השונים של אותו החומר, ניתן להתחקות אחר התהליכים העוברים על חומר כלשהו בגוף האדם, באמצעות שימוש באיזוטופ הרדיואקטיבי שלו ומדידת הקרינה הנפלטת. לדוגמה, היסודיוד ממלא תפקיד חשוב בגוף, ובייחוד בפעולתה שלבלוטת התריס. בעזרת האיזוטופים הרדיואקטיביים שלו, למשל135I, אפשר להתחקות אחר מהלך היוד בגוף ולעמוד על סיבותיהן של הפרעות לפעולתה של בלוטה זו.
שימוש אחר לאיזוטופים רדיואקטיביים הוא הפקתחשמל לפי העיקרון התרמו-חשמלי: האנרגיה הנפלטת בהתפרקות מומרת במישרין לזרם חשמלי. התקנים מסוג זה משמשים במקומות שיש בהם צורך בזרם, אך קשה או בלתי-אפשרי לתחזק את מקור הזרם באופן שוטף; לדוגמה, בגשושות חלל או בקוצבי לב.
היחס האיזוטופי במים שברקמות הגוף יכול לשמש כחלון אל תנאי הסביבה בעבר. אטומים של מים יכולים להיות איזוטופים שונים. למשל, המימן יכול להיות איזוטופ פרוטיום (¹H) או דאוטריום (²H), והחמצן יכול להיות חמצן-16, חמצן-17 או חמצן-18. היחס בין האיזוטופים 16 ו-18 וכן ²H ו-¹H במים מושפע מגורמים שונים, ובהם טמפרטורה, לחות ואידוי. היחסים בין האיזוטופים נשמרים ברקמות ביולוגיות, ובהן שיניים, עצמות ושערות, והם משקפים את המים שצרך בעל החיים. המים האלה מגיעים מהסביבה, ממקורות שתייה וממזון, ולכן היחס האיזוטופי שקיים בהם משקף את תנאי האקלים. אלה מושפעים מריכוז גזי החממה, שכוללים פחמן דו-חמצני. ריכוז גבוה של פחמן דו-חמצני באטמוספירה גורם לשינוי אקלים גלובלי וזה משנה את דפוסי האידוי, המשקעים וזרימת המים, מה שמשפיע על היחס האיזוטופי שבמים. כך מדידת היחס האיזוטופי ברקמות עתיקות יכולה לעזור לשחזר תנאי אקלים, ובאופן עקיף לעזור לנו להסיק על רמות הפחמן הדו-חמצני באותה תקופה. מדידה כזו בוצעה על שיני דינוזאורים.[2]
כל היסודות בעלי מספר אטומי מעל 82 (עופרת) אינם יציבים, וככלל, זמן מחצית החיים פוחת עם עליית המספר האטומי, החל מהיסוד היציב למדיאורניום (מספר 92) ועד היסוד הכבד ביותר 118. זמן מחצית החיים גדל בתחום היסודות 103 עד 105, יורד ביסוד 106 ועולה שוב קלות ביסודות 110 עד 114, מה שמרמז על היתכנותאי של יציבות.
בטבלה מוצג זמן מחצית החיים של האיזוטופ היציב ביותר של היסוד בטווח.
בדרך-כלל, מספר הנייטרונים בגרעין שווה או גדול ממספר הפרוטונים.הליום-3 ומימן-1 הם שני האיזוטופים היציבים היחידים בהם מספר הפרוטונים גדול ממספר הנייטרונים.
זמן מחצית-חיים של איזוטופים. Z מייצג את מספר הפרוטונים, N מייצג את מספר הנייטרונים. הצבע מייצג את היציבות של האיזוטופ, במונחים של זמן מחצית חיים
^D. Feng, T. Tütken, E.M. Griebeler, D. Herwartz, & A. Pack, Mesozoic atmospheric CO2 concentrations reconstructed from dinosaur tooth enamel, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (33) e2504324122,https://doi.org/10.1073/pnas.2504324122 (2025).
