Перегляд вихідного коду сторінки Ізотопи

[[Файл:Isotopes and half-life.svg|lang=uk|300px|right|thumb|Розподіл ізотопів.<br/>По горизонталі&nbsp;— кількість [[протон]]ів ([[заряд ядра]]).<br/> По вертикалі&nbsp;— кількість [[нейтрон]]ів.<br/> Колір&nbsp;— стабільність ізотопу (тривалість [[напіврозпад]]у).]]
'''Ізото́пи'''&nbsp;— [[нуклід]]и одного і того самого [[хімічний елемент|хімічного елементу]], які мають різну кількість [[нейтрон]]ів, а, отже, різне [[масове число]] і різну [[атомна маса|атомну масу]].

== Загальний опис ==
Ізотопи позначають тими самими символами, що й [[хімічний елемент]], додаючи зверху з лівого боку символу [[масове число]], наприклад, ізотопи [[хлор]]у позначають: '''<sup>35</sup>Cl''' і '''<sup>37</sup>Cl''', або масове число подають після назви чи символу елементу, наприклад: уран-233 чи Pu-239.

Ізотопи одного хімічного елемента мають однаковий заряд [[атомне ядро|атомного ядра]], тобто один порядковий номер, і займають те ж саме місце в [[періодична система|періодичній системі]], мають однакову кількість [[протон]]ів в ядрі атома, але відрізняються один від одного кількістю [[нейтрон]]ів. Так, в атомному ядрі ізотопу хлору <sup>35</sup>Cl міститься 17 протонів, оскільки порядковий номер хлору 17, і 18 нейтронів (35-17=18), а в ядрі ізотопу хлору <sup>37</sup>Cl&nbsp;— 17 протонів і 20 нейтронів (37-17 = 20).

Деякі хімічні елементи мають невелику кількість стабільних ізотопів. Так, для [[кисень|кисню]] відомо три стабільні ізотопи: <sup>16</sup>O (ядро складається з 8 протонів і 8 нейтронів), <sup>17</sup>O (ядро складається з 8 протонів і 9 нейтронів) і <sup>18</sup>О (ядро складається з 8 протонів і 10 нейтронів). Для [[водень|водню]] відомо теж три ізотопи: <sup>1</sup>H (ядро складається лише з одного протона), <sup>2</sup>H (ядро складається з одного протона і одного нейтрона), <sup>3</sup>H (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]]&nbsp;— 10 і&nbsp;т.&nbsp;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 водню <sup>1</sup>H називають [[протій]], ізотоп <sup>2</sup>H&nbsp;— [[дейтерій]] і позначають символом D, а ізотоп <sup>3</sup>Н&nbsp;— [[тритій]] (символ T).

Деякі ізотопи в природі досить поширені, як, наприклад, ізотоп кисню <sup>16</sup>O та ізотоп водню <sup>1</sup>Н, а інші ізотопи зустрічаються в дуже мізерних кількостях, як ізотопи кисню <sup>17</sup>O і <sup>18</sup>O і ізотопи водню <sup>2</sup>H і <sup>3</sup>H.

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]] ізотопу виражена у вуглецевих одиницях і не є цілим числом для всіх елементів окрім [[вуглець|С]]-12, на відміну від [[масове число|масового числа]], яке є завжди [[ціле число|цілим числом]], рівним сумі протонів та нейтронів.

== Історія ==
[[Файл:Radioactive decay modes.svg|міні|Діаграма, що показує різні типи радіоактивного розпаду. Горизонтальна вісь - атомний номер, вертикальна - кількість нейтронів]]
[[Файл:Discovery of neon isotopes.JPG|міні|Фотопластинка 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 році [[Фредерік Содді]] показав, що [[мезоторій]] (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 40 ''радіоелементів'' з різною масою, тоді як у [[Періодична система хімічних елементів|таблиці Менделєєва]] між цими елементами може розміщуватись не більш як 11 інших.

Того самого року Содді й [[Казимір Фаянс]] запропонували [[закон радіоактивних зміщень]], згідно з яким [[альфа-розпад]] зміщує елемент у таблиці на дві позиції вліво, зменшуючи його масу на 4, тоді як [[бета-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.<ref>[https://web.lemoyne.edu/giunta/ea/SODDYann.HTML Elements and Atoms: Chapter 20] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20161223202143/https://web.lemoyne.edu/giunta/ea/SODDYann.HTML |date=23 грудня 2016 }}{{ref-en}}</ref>

Пізніше були відкрито, що деякі нерадіоактивні елементи є сумішшю кількох стабільних ізотопів. Першим елементом, для якого були відкриті такі ізотопи був неон: у 1913 році [[Джозеф Джон Томсон|Джозеф Томпсон]] показав, що у природному неоні присутні дві фракції з атомними масами 20 і 22. З розвитком [[Мас-спектрометрія|мас-спектрометрії]] виявляти такі ізотопи стало простіше. У 1919 році [[Френсіс Вільям Астон|Френсіс 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 є [[Середнє зважене|середнім зваженим]] мас цих ізотопів (відповідно до їх часток у природному хлорі).<ref>[http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1922/aston-lecture.pdf Mass spectra and isotopes] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20170809101030/http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1922/aston-lecture.pdf |date=9 серпня 2017 }}{{ref-en}}</ref>

І Фредерік Содді і Френсіс Астон за свої роботи з відкриття і дослідження ізотопів отримали [[Нобелівська премія з хімії|нобелівські премії з хімії]], у 1921 і 1922 році відповідно.<ref>[http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/ All Nobel Prizes in Chemistry] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20151205082252/http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/ |date=5 грудня 2015 }}{{ref-en}}</ref>

У 1932 році був відкритий [[нейтрон]], і згодом стало зрозуміло, що саме різна кількість нейтронів у ядрі відрізняє ізотопи один від одного. У 1934 році [[Фредерік Жоліо-Кюрі|Фредерік]] та [[Ірен 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<ref>{{Cite web |url=http://energetika.in.ua/ua/books/book-2/part-4/section-16/16-5 |title=Штучна радіоактивність |accessdate=24 грудня 2016 |archive-date=18 грудня 2016 |archive-url=https://web.archive.org/web/20161218221259/http://energetika.in.ua/ua/books/book-2/part-4/section-16/16-5 }}</ref>. В той же час [[Енріко Фермі]] показав, що опромінення стабільних елементів нейтронами призводить до їх захоплення ядрами, і утворення нових ізотопів цих же елементів. Усі ці явища отримали назву ''штучна радіоактивність''. За допомогою таких методів фізики отримали можливість створювати велику кількість нестабільних ізотопів.

== Стабільність ==
Більшість відомих ізотопів нестабільні щодо радіоактивного розпаду. Характеристиками нестабільних ізотопів є [[період напіврозпаду]] та канал розпаду. Основними каналами розпаду є бета-радіоактивність та альфа-радіоактивність. При бета-розпаді ядро ізотопу випромінює [[електрон]] або [[позитрон]] і, відповідно, або збільшує, або зменшує свій [[атомний номер]]. При альфа-розпаді ядро ізотопу випромінює альфа-частинку, і відповідно, його атомний номер зменшується на двійку, а масове число на 4. Деякі ізотопи, наприклад, <sup>235</sup>U, можуть [[поділ ядра|ділитися]].

Період напіврозпаду нестабільних ізотопів може бути дуже різним, від 1{{e|-24}} [[секунда|c]] 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 внаслідок [[ядерна реакція|ядерних реакцій]].

Загалом, існує 254 стабільних ізотопи, що належать 81 елементу, при тому, що загалом відомо 3339 різних ізотопів<ref>{{Cite web |url=http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/help/index.jsp |title=National Nuclear Data Center |accessdate=25 грудня 2016 |archive-date=23 грудня 2016 |archive-url=https://web.archive.org/web/20161223072754/http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/help/index.jsp }} {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20161223072754/http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/help/index.jsp |date=2016-12-23 }}</ref>. 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:<ref>[http://www.nndc.bnl.gov/chart/ Chart of Nuclides] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20181010070007/http://www.nndc.bnl.gov/chart/ |date=10 жовтня 2018 }}{{ref-en}}</ref>
* 10 стабільних ізотопів — 1 елемент ([[олово]])
* 8 стабільних ізотопів — 1 елемент ([[ксенон]])
* 7 стабільних ізотопів у чотирьох елементів
* 6 стабільних ізотопів мають вісім елементів
* 5 стабільних ізотопів мають десять елементів
* 4 стабільних ізотопи є у дев'яти елементів
* три стабільні ізотопи є у п'яти елементів
* 16 елементів мають два стабільні ізотопи, рахуючи метастабільний збуджений стан [[Тантал (хімічний елемент)|тантал]]у-180m
* 26 елементів представлені лише одним нуклідом

== Розділення ізотопів ==
{{Див. також|Розділення ізотопів|Одиниця роботи розділення}}
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 нукліду.

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 називається ''коефіцієнт сепарації'', що розраховується як <math>\alpha=\frac{\frac{N_1}{1-N_1}}{\frac{N_2}{1-N_2}}</math>, де N<sub>1</sub> і N<sub>2</sub> — концентрації ізотопу, що виділяється, у збагаченій і у збідненій фракції. Серед методів такого типу можна відмітити такі<ref>[http://www.xumuk.ru/encyklopedia/1636.html ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20161224030822/http://www.xumuk.ru/encyklopedia/1636.html |date=24 грудня 2016 }}{{ref-ru}}</ref>:
* Газова [[дифузія]]: 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.
* Газові [[Центрифуга|центрифуги]]: 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 до [[розплав]]у 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.<ref>[http://profbeckman.narod.ru/RH0.files/7_2.pdf МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20161225144703/http://profbeckman.narod.ru/RH0.files/7_2.pdf |date=25 грудня 2016 }}{{ref-ru}}</ref>

== Використання ізотопів ==
=== Радіоізотопне датування ===
{{main|Радіоізотопне датування}}
Оскільки різні ізотопи мають різний період напіврозпаду, то, знаючи вихідну концентрацію ізотопів у речовині, замірявши її пізніше, можна дізнатися вік зразка. <br/>Найбільш відомим прикладом такого використання є [[Радіовуглецеве датування|радіовуглецевий 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 ізотопу в атмосфері є постійною, близько 1 атому <sup>14</sup>С на 10<sup>12</sup> 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 активність <sup>14</sup>С 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.

Для мінералів застосовують [[Калій-аргонова радіометрія|калій-аргоновий]] та [[Уран-свинцевий метод|уран-свинцевий]] методи, що дозволяють датувати більші часові інтервали.

=== Мічені атоми ===
{{main|Мічені атоми}}
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.

=== Використання в кліматичних дослідженнях ===
Природний [[кисень]] 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 льодяні [[Керн (проба)|керни]] з полярних [[льодовик]]ів, або визначаючи концентрацію цих ізотопів у мушлях скам'янілостей. <ref>[https://www.iaea.org/sites/default/files/32406880915_ru.pdf Изотопы в  климатологических исследованиях] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20150606223541/https://www.iaea.org/sites/default/files/32406880915_ru.pdf |date=6 червня 2015 }}{{ref-ru}}</ref>

=== Ядерна енергетика і зброя ===
{{main|Ядерна енергетика}}
{{main|Ядерна зброя}}
На відміну від урану-238, в [[уран-235|урані-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.

=== Ядерний магнітний резонанс ===
{{main|Ядерний магнітний резонанс}}
У медицині, на використанні явища ядерного магнітного резонансу побудовані кілька важливих діагностичних технік, таких як [[ЯМР-спектроскопія]] і [[магнітно-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.<ref>[https://postnauka.ru/faq/38785 FAQ: Ядерный магнитный резонанс] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20161225080415/https://postnauka.ru/faq/38785 |date=25 грудня 2016 }}{{ref-ru}}</ref>

== Див. також ==
* [[Таблиця ізотопів]]
* [[Ізотопний ефект]]
* [[Мічені атоми|Ізотопний трейсер]]
* [[Радіоактивні ряди]]

== Примітки ==
{{reflist}}

== Джерела ==
* ''Деркач Ф. А.'' Хімія : посібник для вступ. до вузів / Ф.&nbsp;А.&nbsp;Деркач.&nbsp;— Л. : Видавництво Львівського університету, 1968.&nbsp;— 312 с.
* {{Глосарій термінів з хімії}}

== Посилання ==
* [http://esu.com.ua/search_articles.php?id=13850 Ізотопи] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20170903042646/http://esu.com.ua/search_articles.php?id=13850 |date=3 вересня 2017 }} //[[ЕСУ]]
* [http://www.pharmencyclopedia.com.ua/article/3297/izotopi А. М. Бризицька. Ізотопи // Фармацевтична енциклопедія] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20161003213050/http://www.pharmencyclopedia.com.ua/article/3297/izotopi |date=3 жовтня 2016 }}
* [http://leksika.com.ua/19870828/ure/izotopi М. Д. Корнієнко. Ізотопи // Українська радянська енциклопедія] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20161018205507/http://leksika.com.ua/19870828/ure/izotopi |date=18 жовтня 2016 }}
* [http://leksika.com.ua/11381026/ure/radioaktivni_izotopi М. Д. Корнієнко. Радіоактивні зотопи // Українська радянська енциклопедія] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20161018202740/http://leksika.com.ua/11381026/ure/radioaktivni_izotopi |date=18 жовтня 2016 }}
* {{ref-en}} [http://www.thingsmadethinkable.com/item/nuclides.php Nuclides] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20150716160736/http://www.thingsmadethinkable.com/item/nuclides.php |date=16 липня 2015 }}&nbsp;— таблиця ізотопів.
* {{ref-ru}} [http://www.chemport.ru/chemical_encyclopedia_article_1351.html Хімічна енциклопедія онлайн.] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20100718102016/http://www.chemport.ru/chemical_encyclopedia_article_1351.html |date=18 липня 2010 }}

[[Категорія:Ізотопи|*]]
[[Категорія:Основні поняття хімії]]