Изото́пы (от «равный; одинаковый» + «место») — разновидности атомов (и ядер) химического элемента, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа. Название связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то же место (в одну клетку) таблицы Менделеева. Химические свойства атома зависят от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра (то есть количеством протонов в нём), и почти не зависят от его массового числа (то есть суммарного числа протонов и нейтронов ).
Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, различаясь лишь числом нейтронов. Обычно изотоп обозначается символом химического элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левого индекса, означающего массовое число (например, 12C, 222Rn). Можно также написать название элемента с добавлением через дефис массового числа (например, углерод-12, радон-222)IUPAC (Connelly, N. G.; Damhus, T.; Hartshorn, R. M.; and Hutton, A. T.), Nomenclature of Inorganic Chemistry — IUPAC Recommendations 2005 , The Royal Society of Chemistry, 2005; IUPAC (McCleverty, J. A.; and Connelly, N. G.), Nomenclature of Inorganic Chemistry II. Recommendations 2000, The Royal Society of Chemistry, 2001; IUPAC (Leigh, G. J.), Nomenclature of Inorganic Chemistry (recommendations 1990), Blackwell Science, 1990; IUPAC, Nomenclature of Inorganic Chemistry, Second Edition , 1970; probably in the 1958 first edition as well. Некоторые изотопы имеют традиционные собственные названия (например, дейтерий, актинон).
Различают изотопы устойчивые (стабильные) и радиоактивные. На 2017 год было известно 3437 изотопов всех элементов, из них 252 изотопа стабильны.
Пример изотопов: , , — три стабильных изотопа кислорода.
Терминология Первоначально изотопы также назывались изотопными элементами, а в настоящее время иногда называют изотопными нуклидамиIUPAP Red Book // iupap.org..
Основная позиция ИЮПАК состоит в том, что правильным термином в единственном числе для обозначения атомов одного химического элемента с одинаковой атомной массой является нуклид, а термин изотопы допускается применять для обозначения совокупности нуклидов одного элемента. Термин изотопы был предложен и применялся изначально во множественном числе, поскольку для сравнения необходимо минимум две разновидности атомов. В дальнейшем в практику широко вошло также употребление термина в единственном числе — изотоп. Кроме того, термин во множественном числе часто применяется для обозначения любой совокупности нуклидов, а не только одного элемента, что также некорректно. В настоящее время позиции международных научных организаций не приведены к единообразию и термин изотоп продолжает широко применяться, в том числе и в официальных материалах различных подразделений ИЮПАК и ИЮПАП. Это один из примеров того, как смысл термина, изначально в него заложенный, перестаёт соответствовать понятию, для обозначения которого этот термин используется (другой хрестоматийный пример — атом, который, в противоречии с названием, не является неделимым).
История открытия изотопов Первое доказательство того, что вещества, имеющие одинаковое химическое поведение, могут иметь различные физические свойства, было получено при исследовании радиоактивных превращений атомов тяжёлых элементов. В 1906—1907 годах выяснилось, что продукт радиоактивного распада урана — ионий и продукт радиоактивного распада тория — радиоторий имеют те же химические свойства, что и торий, но отличаются от него атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Было обнаружено позднее, что у всех трёх продуктов одинаковы оптические и рентгеновские спектры. Такие вещества, идентичные по химическим свойствам, но различные по массе атомов и некоторым физическим свойствам, по предложению английского учёного Содди с 1910 г. стали называть изотопами.
На март 2017 года известно 3437 изотопов всех элементов, из них 254 стабильных, 29 условно-стабильных (с периодом полураспада более 10 миллиардов лет), 294 (9 %) изотопы трансурановых элементов, 1209 (38 %) нейтронно-избыточных и 1277 (40 %) протонно-избыточных (то есть отклоняющихся от линии бета-стабильности в сторону избытка нейтронов или протонов, соответственно). По количеству открытых изотопов первое место занимают США (1237), затем идут Германия (558), Великобритания (299), СССР/Россия (247) и Франция (217). Среди лабораторий мира первые пять мест по числу открытых изотопов занимают Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли (638), Институт тяжёлых ионов в Дармштадте (438), Объединённый институт ядерных исследований в Дубне (221), Кавендишская лаборатория в Кембридже (218) и ЦЕРН (115). За 10 лет (2006—2015 годы включительно) в среднем физики открывали в год 23 нейтронно-избыточных и 3 протонно-избыточных изотопа, а также 4 изотопа трансурановых элементов. Общее количество учёных, являвшихся авторами или соавторами открытия какого-либо изотопа, составляет 3598 человек.
Изотопы в природе
Известно, что изотопный состав большинства элементов на Земле одинаков во всех материалах. Некоторые физические процессы в природе приводят к нарушению изотопного состава элементов (природное фракционирование изотопов, характерное для лёгких элементов, а также изотопные сдвиги при распаде природных долгоживущих изотопов). Постепенное накопление в минералах ядер — продуктов распада некоторых долгоживущих нуклидов используется в ядерной геохронологии.
Особое значение имеют процессы образования изотопов углерода в верхних слоях атмосферы под воздействием космического излучения. Эти изотопы распределяются в атмосфере и гидросфере планеты, вовлекаются в оборот углерода живыми существами (животными и растениями). Изучение распределения изотопов углерода лежит в основе радиоуглеродного анализа.
Применение изотопов человеком В технологической деятельности люди научились изменять изотопный состав элементов для получения каких-либо специфических свойств материалов. Например, 235U способен к цепной реакции деления тепловыми нейтронами и может использоваться в качестве топлива для ядерных реакторов или ядерного оружия. Однако в природном уране лишь 0,72 % этого нуклида, тогда как цепная реакция практически осуществима лишь при содержании 235U не менее 3 %. В связи с близостью физико-химических свойств изотопов тяжёлых элементов процедура изотопного обогащения урана является крайне сложной технологической задачей, которая доступна лишь десятку государств в мире. Во многих отраслях науки и техники (например, в радиоиммунном анализе) используются изотопные метки.
Нуклиды 60Co и 137Cs используются в стерилизации γ-лучами (лучевая стерилизация) как один из методов физической стерилизации инструментов, перевязочного материала и прочего. Доза проникающей радиации должна быть весьма значительной — до 20-25 кГр, что требует особых мер безопасности. В связи с этим лучевая стерилизация проводится в специальных помещениях и является заводским методом стерилизации (непосредственно в стационарах она не производится).
+ Таблица стабильных изотопов(Кроме стабильных нуклидов, в природных изотопных смесях также присутствуют примордиальные радионуклиды (отмечены в таблице *), то есть нуклиды с очень большими периодами полураспада, сохранившиеся с момента образования Земли). Количество энергетических уровней электронной оболочки Количество протонов (электронов) Символ Элемент Количество протонов и нейтронов Изотопная распространённостьна Земле, % 1 1 H Водород 12 99,980,02 1 2 He Гелий 34 0,0000199,99999 2 3 Li Литий 67 7,992,1 2 4 Be Бериллий 9 100 2 5 B Бор 1011 18,881,2 2 6 C Углерод 1213 98,91,1 2 7 N Азот 1415 99,620,38 2 8 O Кислород 161718 99,760,040,20 2 9 F Фтор 19 100 2 10 Ne Неон 202122 90,480,279,25 3 11 Na Натрий 23 100 3 12 Mg Магний 242526 78,610,111,3 3 13 Al Алюминий 27 100 3 14 Si Кремний 282930 92,234,673,10 3 15 P Фосфор 31 100 3 16 S Сера 32333436 95,020,754,210,02 3 17 Cl Хлор 3537 75,7824,22 3 18 Ar Аргон 363840 0,3370,06399,600 4 19 K Калий 3940*41 93,2580,0126,730 4 20 Ca Кальций 404243444648* 96,9410,6470,1352,0860,0040,187 4 21 Sc Скандий 45 100 4 22 Ti Титан 4647484950 7,957,7573,455,515,34 4 23 V Ванадий 50*51 0,25*99,750 4 24 Cr Хром 50525354 4,34583,7899,5012,365 4 25 Mn Марганец 55 100 4 26 Fe Железо 54565758 5,84591,7542,1190,282 4 27 Co Кобальт 59 100 4 28 Ni Никель 5860616264 68,2726,101,133,590,91 4 29 Cu Медь 6365 69,130,9 4 30 Zn Цинк 6466676870 49,227,74,018,50,6 4 31 Ga Галлий 6971 60,1139,89 4 32 Ge Германий 7072737476* 20,5527,377,6736,747,67 4 33 As Мышьяк 75 100 4 34 Se Селен 747677788082* 0,879,027,5823,5249,829,19 4 35 Br Бром 7981 50,5649,44 4 36 Kr Криптон 78*8082838486 0,352,2811,5811,4957,0017,30 5 37 Rb Рубидий 8587* 72,227,8 5 38 Sr Стронций 84868788 0,569,867,0082,58 5 39 Y Иттрий 89 100 5 40 Zr Цирконий 9091929496* 51,4611,2317,1117,42,8 5 41 Nb Ниобий 93 100 5 42 Mo Молибден 929495969798100* 15,869,1215,7016,509,4523,759,62 5 44 Ru Рутений 969899100101102104 5,541,8712,7612,617,0631,5518,62 5 45 Rh Родий 103 100 5 46 Pd Палладий 102104105106108110 1,0211,1422,3327,3326,4611,72 5 47 Ag Серебро 107109 51,83948,161 5 48 Cd Кадмий 106108110111112113*114116* 1,250,8912,4912,8024,1312,2228,737,49 5 49 In Индий 113115* 4,2995,71 5 50 Sn Олово 112114115116117118119120122124 0,960,660,3514,307,6124,038,5832,854,725,94 5 51 Sb Сурьма 121123 57,3642,64 5 52 Te Теллур 120122123124125126128*130* 0,092,550,894,747,0718,8431,7434,08 5 53 I Иод 127 100 5 54 Xe Ксенон 124*126128129130131132134136* 0,0950,0891,91026,4014,07121,23226,90910,4368,857 6 55 Cs Цезий 133 100 6 56 Ba Барий 130*132134135136137138 0,110,102,426,597,8511,2371,70 6 57 La Лантан 138*139 0,08999,911 6 58 Ce Церий 136138140142 0,1850,25188,45011,114 6 59 Pr Празеодим 141 100 6 60 Nd Неодим 142143144*145146148150* 27,15312,17323,7988,29317,1895,7565,638 6 62 Sm Самарий 144147*148*149*150152154 3,0714,9911,2413,827,3826,7522,75 6 63 Eu Европий 151153 52,247,8 6 64 Gd Гадолиний 150*154155156157158160 0,22,1814,8020,4715,6524,8421,86 6 65 Tb Тербий 159 100 6 66 Dy Диспрозий 156158160161162163164 0,0560,0952,32918,88925,47524,89628,260 6 67 Ho Гольмий 165 100 6 68 Er Эрбий 162164166167168170 0,1391,60133,50322,86926,97814,910 6 69 Tm Тулий 169 100 6 70 Yb Иттербий 168170171172173174176 0,1263,02314,21621,75416,09831,89612,887 6 71 Lu Лютеций 175176* 97,412,59 6 72 Hf Гафний 174*176177178179180 0,165,2618,6027,2813,6235,08 6 73 Ta Тантал 181 99,9877 6 74 W Вольфрам 180*182183184186 0,1226,5014,3130,6428,43 6 75 Re Рений 185187* 37,462,6 6 76 Os Осмий 184*186*187188189190192 0,021,591,9613,2416,1526,2640,78 6 77 Ir Иридий 191193 37,362,7 6 78 Pt Платина 190*192194195196198 0,0140,78232,96733,83225,2427,163 6 79 Au Золото 197 100 6 80 Hg Ртуть 196198199200201202204 0,1510,0416,9423,1413,1729,746,82 6 81 Tl Таллий 203205 29,5270,48 6 82 Pb Свинец 204206207208 1,424,122,152,4 6 83 Bi Висмут 209*Практически стабилен, период полураспада 2,01·1019 лет. 100
Тантал также имеет стабильный изомер (энергетически возбуждённое состояние): 180mTa (изотопная распространённость 0,0123 %).
См. также
Изобары Изотоны Изотопная распространённость Изомерия атомных ядер Таблица нуклидов Радиоактивные изотопы Изотопический сдвиг
Примечания
Ссылки Таблица изотопов химических элементов на сайте Berkeley Laboratory
Категория:Ядерная физика
Категория:Радиобиология Категория:Нуклиды