Ізотопи позначають тими самими символами, що йхімічний елемент, додаючи зверху з лівого боку символумасове число, наприклад, ізотопихлору позначають:35Cl і37Cl, або масове число подають після назви чи символу елементу, наприклад: уран-233 чи Pu-239.
Ізотопи одного хімічного елемента мають однаковий зарядатомного ядра, тобто один порядковий номер, і займають те ж саме місце вперіодичній системі, мають однакову кількістьпротонів в ядрі атома, але відрізняються один від одного кількістюнейтронів. Так, в атомному ядрі ізотопа хлору35Cl міститься 17 протонів, оскільки порядковий номер хлору 17, і 18 нейтронів (35-17=18), а в ядрі ізотопа хлору37Cl — 17 протонів і 20 нейтронів (37-17 = 20).
Деякі хімічні елементи мають невелику кількість стабільних ізотопів. Так, длякисню відомо три стабільні ізотопи:16O (ядро складається з 8 протонів і 8 нейтронів),17O (ядро складається з 8 протонів і 9 нейтронів) і18О (ядро складається з 8 протонів і 10 нейтронів). Дляводню відомо теж три ізотопи:1H (ядро складається лише з одного протона),2H (ядро складається з одного протона і одного нейтрона),3H (ядро складається з одного протона і двох нейтронів). Деякі ж хімічні елементи складаються з досить великої кількості ізотопів. Наприклад,ксенон має 9 ізотопів у природній суміші,олово — 10 і т. д.; для цих елементів також відомі десятки штучних радіоактивних ізотопів.
Переважна більшість ізотопів не має спеціальних назв, але для ізотопів деяких елементів, зокрема для ізотопів водню, існують спеціальні назви і навіть спеціальні символи. Так, ізотоп водню1H називаютьпротій, ізотоп2H —дейтерій і позначають символом D, а ізотоп3Н —тритій (символ T).
Деякі ізотопи в природі досить поширені, як, наприклад, ізотоп кисню16O та ізотоп водню1Н, а інші ізотопи зустрічаються в дуже мізерних кількостях, як ізотопи кисню17O і18O і ізотопи водню2H і3H.
За хімічними властивостями всі ізотопи окремого елементу дуже близькі, тому значної різниці між ними у хімічних реакціях не спостерігається. Виняток становлять лише ізотопи водню, які за своїми властивостями помітно відрізняються один від одного.
Атомна маса ізотопа виражена у вуглецевих одиницях і не є цілим числом для всіх елементів окрімС-12, на відміну відмасового числа, яке є завждицілим числом, рівним сумі протонів та нейтронів.
Діаграма, що показує різні типи радіоактивного розпаду. Горизонтальна вісь - атомний номер, вертикальна - кількість нейтронівФотопластинка Дж. Томпсона, у нижньому правому куті якої видно позначення двох ізотопів неону, 20 і 22.
До 20 століття загальноприйнятою була думка, що атомна маса елементу є його постійною і незмінною характеристикою. Проте, з відкриттям наприкінці 19 століття радіоактивних речовин, це уявлення почало змінюватися.
Під час радіоактивного розпаду утворювалися елементи, що, через їх різну атомну масу, вважали різними, і давали їм окремі назви. У 1910 роціФредерік Содді показав, щомезоторій (тодішня назва радію-228), радій (радій-226, довгоживучий ізотоп, що зустрічається в природі) і торій-X (радій-224) хімічно нероздільні. А в 1913 році він же показав, що під час розпадів радіоактивних речовин на проміжку від урану до свинцю утворюється близько 40радіоелементів з різною масою, тоді як утаблиці Менделєєва між цими елементами може розміщуватись не більш як 11 інших.
Того самого року Содді йКазимір Фаянс запропонувализакон радіоактивних зміщень, згідно з якимальфа-розпад зміщує елемент у таблиці на дві позиції вліво, зменшуючи його масу на 4, тоді якбета-розпад — на одну позицію вправо, залишаючи масу незмінною. Таким чином, альфа-розпад, що супроводжується двома бета-розпадами, породжує елемент, що не відрізняється від материнського хімічно, проте має меншу атомну масу.
Сам термін "ізотоп", що з грецької можна перекласти як "в тому самому місці", Содді підказала шотландський фізик Маргарет Тодд під час бесіди, у якій той поділився з нею своїми ідеями.[1]
Пізніше були відкрито, що деякі нерадіоактивні елементи є сумішшю кількох стабільних ізотопів. Першим елементом, для якого були відкриті такі ізотопи був неон: у 1913 роціДжозеф Томпсон показав, що у природному неоні присутні дві фракції з атомними масами 20 і 22. З розвиткоммас-спектрометрії виявляти такі ізотопи стало простіше. У 1919 роціФренсіс Астон відкрив велику кількість елементів, що мають кілька стабільних ізотопів. Крім того, Астон показав, що усі ізотопи мають атомні маси пропорційні до атомної маси водню, а елементи, атомна маса яких відхиляється від цього правила, є сумішами ізотопів. Наприклад,хлор у природі існує у вигляді двох ізотопів з масами 35 і 37, а його атомна маса, що вважалася рівною 35.45, насправді єсереднім зваженим мас цих ізотопів (відповідно до їх часток у природному хлорі).[2]
І Фредерік Содді і Френсіс Астон за свої роботи з відкриття і дослідження ізотопів отрималинобелівські премії з хімії, у 1921 і 1922 році відповідно.[3]
У 1932 році був відкритийнейтрон, і згодом стало зрозуміло, що саме різна кількість нейтронів у ядрі відрізняє ізотопи один від одного. У 1934 роціФредерік таІрен Жоліо-Кюрі виявили, що при бомбардуванні легких елементів альфа-частинками утворюються короткоживучі ізотопи деяких легких елементів, а розпад таких ізотопів іде по невідомому раніше каналу (β+), і супроводжується емісією позитронів[4]. В той же часЕнріко Фермі показав, що опромінення стабільних елементів нейтронами призводить до їх захоплення ядрами, і утворення нових ізотопів цих же елементів. Усі ці явища отримали назвуштучна радіоактивність. За допомогою таких методів фізики отримали можливість створювати велику кількість нестабільних ізотопів.
Більшість відомих ізотопів нестабільні щодо радіоактивного розпаду. Характеристиками нестабільних ізотопів єперіод напіврозпаду та канал розпаду. Основними каналами розпаду є бета-радіоактивність та альфа-радіоактивність. При бета-розпаді ядро ізотопа випромінюєелектрон абопозитрон і, відповідно, або збільшує, або зменшує свійатомний номер. При альфа-розпаді ядро ізотопа випромінює альфа-частинку, і відповідно, його атомний номер зменшується на двійку, а масове число на 4. Деякі ізотопи, наприклад,235U, можутьділитися.
Період напіврозпаду нестабільних ізотопів може бути дуже різним, від 1× 10-24c до значень, що перевищують вік Всесвіту. В останньому випадку слабку радіоактивність можна зареєструвати точними вимірюваннями, однак ізотоп можна вважати практично стабільним.
В навколишній природі зустрічаються здебільшого стабільні ізотопи хімічних елементів, оскільки нестабільні врешті-решт розпадаються. Однак вони також і утворюються внаслідокядерних реакцій.
Загалом, існує 254 стабільних ізотопи, що належать 81 елементу, при тому, що загалом відомо 3339 різних ізотопів[5]. З цих ізотопів, теоретично, лише 90 є повністю стабільними, а решта просто має дуже довгі періоди напіврозпаду, проте на практиці їх розпад не спостерігався.
Розподіл елементів за кількістю стабільних ізотопів такий:[6]
У багатьох галузях використовуються речовини зі зміщеним ізотопним складом. В першу чергу це стосується урану, радіоактивний нуклід якого (з атомною масою 235), є вкрай вживаним у виробництві зброї, ядерній енергетиці, тощо. Загалом, проблема розділення ізотопів є вкрай складною, через те, що хімічно вони практично еквівалентні.
Існує дві великих групи методів розділення ізотопів: абсолютні методи, які дозволяють виділити ізотопи в чистому вигляді, а також методи, що лише збільшують концентрацію деякого нукліда.
До абсолютних методів відносять:
Електромагнітне розділення: суміш ізотопів випаровують і іонізують, прискорюють електричним полем, після чого запускають в камеру з магнітним полем, перпендикулярним напрямку руху іонів. Таким чином, відхилення окремих атомів у полі є пропорційним відношенню m/z (яке є різним для різних ізотопів), і суміш розділяється на окремі пучки ізотопів, що вловлюються і відокремлюються.
Лазерне розділення, що працює завдяки тому, що молекули, що містять різні ізотопи, збуджуються під дією світла різної частоти. Потім збуджені молекули відокремлюються електричним полем чи будь-яким іншим способом.
Проте, хоча абсолютне розділення здається більш ефективним, через велику вартість, в промислових масштабах воно використовується порівняно рідше.Натомість застосовується велика кількість методів, що ненабагато зміщує пропорції ізотопів у зразку. Для того, щоб отримати порівняно чистий ізотоп, ці методи треба застосовувати багато разів. Щоб оцінити ефективність розділення, використовується показник, що називаєтьсякоефіцієнт сепарації, що розраховується як, де N1 і N2 — концентрації ізотопа, що виділяється, у збагаченій і у збідненій фракції. Серед методів такого типу можна відмітити такі[7]:
Газовадифузія: швидкості молекул легких ізотопів більші, ніж важких, тому при пропусканні через мембрану газу, що складається з суміші ізотопів, легкі ізотопи проходять швидше.
Термодифузія: при існуванні градієнту температури у рідині чи газі атоми легких ізотопів частіше опиняються у більш теплих місцях, тому у цих зонах їх концентрація підвищується.
Дистиляція: при переведенні речовини у стан рівноваги між рідиною і парою легкий ізотоп концентрується в парі.
Газовіцентрифуги: при розкрученні газової суміші ізотопів у центрифузі легкі ізотопи концентруються біля осі.
Ізотопний обмін: при контакті двох різних сполук розділюваного елементу, що перебувають у різних фазах, різні ізотопи концентруються в різних фракціях,
Електроміграція іонів: при прикладенні електричного поля дорозплаву або розчину іони різних ізотопів рухаються з різною швидкістю.
В найкращих з цих методів коефіцієнти розділення не перевищують відсотка, тому для ефективного збагачення потрібно повторювати процес сотні або тисячі разів.[8]
Оскільки різні ізотопи мають різний період напіврозпаду, то, знаючи вихідну концентрацію ізотопів у речовині, замірявши її пізніше, можна дізнатися вік зразка. Найбільш відомим прикладом такого використання єрадіовуглецевий метод: вуглець-14 (т. зв. радіовуглець) постійно утворюється в атмосфері під час реакції ядер азоту з космічними променями і розпадається з періодом напіврозпаду 5370 років. Ці протилежні процеси компенсують один одного, тому концентрація цього ізотопа в атмосфері є постійною, близько 1 атому14С на 1012 атомів стабільного вуглецю. Допоки деякий організм живе, він постійно обмінюється вуглецем з навколишнім середовищем, тому та сама концентрація встановлюється і в ньому. Коли організм помирає і процеси обміну речовин у ньому припиняються, доля вуглецю-14 у ньому починає зменшуватися. Таким чином, вимірявши питому активність14С в вуглецю, виділеному з залишків того чи іншого організму, можна доволі точно визначити, коли саме жив цей організм. Зручність цього методу полягає в тому, що вуглець входить до складу практично всіх організмів, тому такий метод є доволі універсальним. З іншого боку, через відносно короткий період напіврозпаду, радіовуглецевий метод може використовуватися лише для датування віку організмів, що не старіші за 60 000 років.
Через хімічну нероздільність, радіоактивні ізотопи можуть використовуватися організмом (або брати участь у хімічних реакціях) так само, як і звичайні. Це дозволяє дуже точно спостерігати за шляхами метаболізму того чи іншого елементу (або речовини, деякі атоми якої замінені) у організмі. Ця методика є широко вживаною в біології, медицині і техніці.
Природнийкисень представлений трьома стабільними ізотопами кисень-16, кисень-17 і кисень-18. Незважаючи на хімічну подібність, ізотопи трохи по різному беруть участь у таких процесах як випаровування і конденсація, тому концентрація кисню-18 у океані залежить від клімату планети (а саме від розміру льодовиків). Цей факт використовують для того, щоб дізнатися кліматичні умови в далекому минулому — досліджуючи льодянікерни з полярнихльодовиків, або визначаючи концентрацію цих ізотопів у мушлях скам'янілостей.[9]
На відміну від урану-238, вурані-235 можлива самопідтримувана ланцюгова реакція. Це найбільш розповсюджений у природі ізотоп, що має такі властивості, через що саме він використовується при виробництві ядерної зброї, а також в атомних реакторах. При цьому його концентрація в природному урані становить лише 0,72%, тому дуже важливим є питання розділення ізотопів.
У медицині, на використанні явища ядерного магнітного резонансу побудовані кілька важливих діагностичних технік, таких якЯМР-спектроскопія імагнітно-резонансна томографія. Проте, ядерний магнітний резонанс виникає за рахунок магнітних властивостей ядра, а тому такі методики працюють лише для ядер, що мають нецілий спін. Таким чином, лише ізотопи з непарним числом нуклонів можуть використовуватися для цього.[10]
