Isotooppi on muunnelma alkuaineella, jolla on erilainen atomipaino kuin muilla muunnelmilla. Lukuun ottamatta tavallisinta vetyä – jossa on vain protoni – jokainen normaalin aineen ydin koostuu sekä protoneista että neutroneista. Tietyn alkuaineen isotoopeilla on sama määrä protoneja, mutta eri määrä neutroneja. Niillä on olennaisesti samat kemialliset ominaisuudet, mutta niiden fyysiset ominaisuudet, kuten sulamis- ja kiehumispiste, eroavat hieman toisistaan. Jotkut isotoopit ovat epävakaita ja hajoavat muiksi alkuaineiksi, jolloin syntyy subatomisia hiukkasia tai säteilyä; nämä ovat radioaktiivisia ja tunnetaan radioisotoopeina.
Kun tutkijat viittaavat elementin tiettyyn isotooppiin, massan numero tai protonien lukumäärä ja neutronien lukumäärä näkyvät vasemmassa yläkulmassa elementin symbolin vieressä. Esimerkiksi vedyn muoto, jossa on protoni ja neutroni, kirjoitetaan 2H: ksi. Vastaavasti 235U ja 238U ovat kaksi erilaista uraanin isotooppia. Näitä kirjoitetaan myös yleisesti nimillä uraani-235 ja uraani-238.
Atominen ydin
Neutronit ovat sähköisesti neutraaleja, mutta protoneilla on positiivinen sähkövaraus. Koska samanlaiset varaukset hylkivät, ydin, joka sisältää useamman kuin yhden protonin, tarvitsee jotain estääkseen hiukkaset lentämästä toisistaan. Tätä jotain kutsutaan vahvaksi ydinvoimaksi, jota joskus kutsutaan yksinkertaisesti vahvaksi voimaksi. Se on paljon vahvempi kuin sähkömagneettinen voima, joka on vastuussa protonien välisestä karkottamisesta, mutta toisin kuin tämä voima, sillä on hyvin lyhyt kantama. Vahva voima sitoo protoneja ja neutroneja yhteen ytimessä, mutta sähkömagneettinen voima haluaa työntää protonit erilleen.
Vakaa ja epävakaa ydin
Kevyemmissä elementeissä vahva voima pystyy pitämään ytimen yhdessä niin kauan kuin neutroneja on riittävästi sähkömagneettisen voiman laimentamiseksi. Tyypillisesti näissä elementeissä protonien ja neutronien lukumäärä on suunnilleen sama. Raskaammissa elementeissä neutroneja on oltava liikaa vakauden aikaansaamiseksi. Tietyn pisteen jälkeen ei kuitenkaan ole konfiguraatiota, joka tarjoaisi vakaan ytimen. Yhdessäkään lyijyä raskaammasta elementistä ei ole stabiileja isotooppeja.
Liian monet neutronit voivat myös tehdä isotoopista epävakaan. Esimerkiksi tavallisimmassa vedyn muodossa on yksi protoni ja ei neutroneja, mutta on olemassa kaksi muuta muotoa, joissa on yksi ja kaksi neutronia, joita kutsutaan vastaavasti deuteriumiksi ja tritiumiksi. Tritium on epävakaa, koska siinä on liikaa neutroneja.
Kun epävakaa tai radioaktiivinen ydin hajoaa, siitä tulee toisen alkuaineen ydin. On kaksi mekanismia, joilla tämä voi tapahtua. Alfahajoaminen tapahtuu, kun vahva voima ei pysty pitämään kaikkia ytimen protoneja yhdessä. Sen sijaan, että heittäisimme vain protonin ulos, alfa -hiukkanen, joka koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista, tulee ulos. Protonit ja neutronit ovat tiiviisti sidoksissa toisiinsa ja alfahiukkaset ovat vakaita.
Beetahajoaminen tapahtuu, kun ytimessä on liikaa neutroneja. Yksi neutroneista muuttuu protoniksi, joka jää ytimeen, ja elektroniksi, joka poistuu. Esimerkiksi tritiumissa toinen sen kahdesta neutronista muuttuu ennemmin tai myöhemmin protoniksi ja elektroniksi. Tämä antaa ytimen, jossa on kaksi protonia ja yksi neutroni, joka on heliumin muoto, joka tunnetaan nimellä 3He tai helium-3. Tämä isotooppi on vakaa, vaikka protoneja on liikaa, koska ydin on riittävän pieni voimakkaan voiman pitämiseksi yhdessä.
Puoli elämää
On perustavanlaatuista epävarmuutta ajasta, joka kuluu yksittäisen epävakaan ytimen hajoamiseen; tietylle isotoopille hajoamisnopeus on kuitenkin ennustettavissa. On mahdollista antaa erittäin tarkka arvo ajalle, joka kuluu puoleen tietyn isotoopin näytteestä hajoamaan toiseksi alkuaineeksi. Tämä arvo tunnetaan puoliintumisaikana ja voi vaihdella pienestä sekunnin murto-osasta miljardeihin vuosiin. Yleisimmän vismuttielementin muodon puoliintumisaika on miljardi kertaa niin pitkä kuin maailmankaikkeuden arvioitu ikä. Sitä pidettiin aikoinaan raskaimpana vakaana alkuaineena, mutta sen osoitettiin olevan erittäin lievästi radioaktiivinen vuonna 2003.
ominaisuudet
Radioaktiivisuuden lisäksi elementin eri isotoopeilla on erilaisia fysikaalisia ominaisuuksia. Raskaammilla muodoilla, joissa on enemmän neutroneja, on tyypillisesti korkeammat sulamis- ja kiehumispisteet johtuen siitä, että niiden atomien ja molekyylien liikkumiseen tarvitaan tarpeeksi energiaa, jotta tila muuttuu. Esimerkiksi ”raskas vesi”, sellainen vesimuoto, jossa normaali vety korvataan raskaammalla deuteriumilla, jäätyy 38.9 ° C: n lämpötilassa ja kiehuu 3.82 ° C: n lämpötilassa, toisin kuin 214.5 ° F (101.4 ° C) ja 32 ° F (0 ° C), vastaavasti tavalliselle vedelle. Kemialliset reaktiot voivat edetä hieman hitaammin raskaammille isotoopeille samasta syystä.
käytät
Todennäköisesti tunnetuin isotooppi on 235U, koska sitä käytetään ydinenergiassa ja aseissa. Sen epävakaus on sellainen, että se voi käydä läpi ydinketjureaktion ja vapauttaa valtavia määriä energiaa. “Rikastettu” uraani on uraania, jolla on suurempi tämän isotoopin pitoisuus, kun taas “köyhdytetyllä” uraanilla on paljon pienempi pitoisuus.
Radiometrinen dating käyttää eri isotooppien osuuksia näytteiden, kuten biologisten materiaalien tai kivien, ikän arvioimiseksi. Esimerkiksi radiohiilen dating käyttää radioaktiivista isotooppia 14C tai hiiltä-14, tähän mennessä materiaaleja, jotka sisältävät orgaanista alkuperää olevaa hiiltä. Maan ikä ja geologinen historia tunnetaan suurelta osin vertaamalla eri isotooppien osuuksia kivinäytteissä.
Biologiassa ja lääketieteessä pieniä määriä hieman radioaktiivisia isotooppeja voidaan käyttää atomimarkkereina eri aineiden, kuten lääkkeiden, liikkeen seurantaan kehon läpi. Voimakkaammin radioaktiivisia isotooppeja voidaan käyttää säteilylähteenä tuhoamaan kasvaimia ja syöpäkasvaimia. Helium-3, jonka uskotaan esiintyvän suuria määriä kuussa, on yksi lupaavimmista pitkän aikavälin polttoaineista fuusiovoimareaktoreissa. Sen tehokas käyttö vaatii kuitenkin ensin muiden fuusiomuotojen hallitsemista.