Ізотопи

Конкретне ядро (або атом) з певним значенням масового числа називається нуклідом (від латинського «nucleus» ― ядро). Нуклід ― це різновид атомів з певним числом протонів і нейтронів в ядрі . Кожен нуклід характеризують певними числами. Нукліди з однаковим значенням протонного числа (Z), але різними значеннями масового (А) або нейтронного (N) чисел, називають ізотопами. Цей термін був запропонований у 1910 році англійським хіміком Фредеріком Содді. Термін «ізотоп» походить від давньогрецького ισος (ізос) ― «рівний», «однаковий», і τόπος (топос) ― «місце», тобто такі, що займають одну і ту ж клітку у періодичній системі. Різні ізотопи даного елемента називають так само, як і сам елемент з додаванням масового числа: Хлор-35, Хлор-37. Позначають же ізотопи символами відповідного елемента із зазначенням зверху ліворуч масового числа: ${^{35}}Cl$, ${^{37}}Cl$, тощо. Важливо не плутати поняття «нукліди» і «ізотопи». Правильним буде, наприклад, таке твердження: природний Хлор представлений двома ізотопами: ${^{35}}Cl$ і ${^{37}}Cl$, Оксиген ― трьома (нукліди ${^{16}}О$, ${^{17}}O$ і ${^{18}}O$), Сульфур ― чотирма, Титан ― п'ятьма, тощо. Рекорд належить Стануму, ― він має аж десять ізотопів (нукліди від ${^{112}}Sn$ до ${^{124}}Sn$, виключаючи ${^{113}}Sn$, ${^{121}}Sn$ і ${^{123}}Sn$). Деякі елементи в природі представлені лише одним нуклідом, наприклад, ${^{9}}Be$, ${^{19}}F$, ${^{23}}Na$, ${^{27}}Al$, ${^{31}}P$, ${^{197}}Au$ і деякі інші. (Запам'ятовувати їх не потрібно ― це довідникова інформація). Як правило, нукліди хімічних елементів не мають власних назв, єдиним винятком є Гідроген. Його нукліди позначаються спеціальними символами і мають різні назву. Звичайний Гідроген (Н) ― Протій, ядра його атомів складаються тільки з одного протона. Важкий Гідроген (D) ― Дейтерій, в ядрах його атомів, крім одного протона, міститься ще один нейтрон. Надважкий Гідроген (Т) – Тритій, в ядрах його атомів, крім одного протона, міститься два нейтрони. І ось тепер, нарешті, ми можемо відповісти на питання про еталони маси (пам'ятаєте, 1/12 нукліда Карбона ${^{6}}C$), кому, природно, це цікаво. Поняття про цю величині зазнавало тривалі зміни відповідно до зміни уявлення про атоми. Відповідно до теорії англійського фізика і хіміка Джона Дáльтона (1803), всі атоми одного і того ж хімічного елемента ідентичні і його атомна маса ― це число, яке дорівнює відношенню їхньої маси до маси атома якогось стандартного елемента. Однак приблизно до 1920 р. стало ясно, що елементи, які зустрічаються у природі, бувають двох типів: одні дійсно представлені ідентичними атомами, а в інших атоми мають однаковий заряд ядра, але різну масу; такі різновиди атомів були названі ізотопами. Визначення Дáльтона, таким чином, справедливо тільки для елементів першого типу. Атомна маса елемента, який представлено декількома ізотопами, є середня величина з масових чисел всіх його ізотопів, узятих в процентному відношенні, що відповідає їх поширеності в природі. У XIX ст. в якості стандарту при визначенні атомних мас хіміки використовували Гідроген або Оксиген. У 1904 р. за стандарт була прийнята 1/16 середньої маси атома природного Оксигена (Оксигенова одиниця) і, відповідно, шкала отримала назву хімічної. У 1920-х роках було встановлено, що природний Оксиген складається із суміші трьох ізотопів: ${^{16}}O$, ${^{17}}O$ і ${^{18}}O$. У зв'язку із цим виникли дві проблеми. По-перше, виявилося, що відносна поширеність природних ізотопів Оксигена трохи варіює, отже, в основі хімічної шкали лежить величина, яка не є абсолютною константою. По-друге, у фізиків і хіміків виходили різні значення таких похідних констант, як молярні об'єми, число Авогадро та ін. Вирішення питання було знайдено у 1961 році, коли за атомну одиницю маси (а.о.м.) була прийнята 1/12 маси нукліда Карбона ${^{12}}C$ (Карбонова одиниця). (1 а.о.м., або 1D (дáльтон), в СІ-одиницях маси становить $1,66057·10^{-27} кг$). Природний Карбон також складається з двох ізотопів: ${^{12}}C$ ― 99% і ${^{13}}C$ ― 1%, але нові величини атомних мас елементів пов'язані тільки з першим оскільки практично весь Карбон складається з нукліда ${^{12}}C$. У результаті була отримана універсальна таблиця відносних атомних мас. Нуклід ${^{12}}C$ виявився зручним і для фізичних вимірювань. З відкриттям ізотопів нецілі значення відносних атомних мас елементів (${A^{\,\,\,}_{r}}$) (які ми бачимо у Періодичній системі Д.І. Менделєєва) легко можна було пояснити тим, що елементи складаються з декількох ізотопів. При цьому відносна атомна маса хімічного елемента розраховується як усереднене значення для всіх природних ізотопів даного елемента з урахуванням їх розповсюдженості. Для простоти розрахунків можна використовувати формулу: ${A^{\,\,\,}_{r}}$($Э$) = ${χ^{}_{1}}$·${A^{\,\,\,}_{r}}('Э)$ + ${χ^{}_{2}}$·${A^{\,\,\,}_{r}}$($''Э$) + ${χ^{}_{3}}$·${A^{\,\,\,}_{r}}$($'''Э$) + …+ ${χ^{}_{n}}$·${A^{\,\,\,}_{r}}$($nЭ$) де ${χ^{}_{1}}$, ${χ^{}_{2}}$, ${χ^{}_{3}}$… ${χ^{}_{n}}$ ― атомні частки нуклідів у їх природної суміші, а · ${A^{\,\,\,}_{r}}('Э)$, ${A^{\,\,\,}_{r}}(''Э)$, ${A^{\,\,\,}_{r}}('''Э)$ …${A^{\,\,\,}_{r}}(nЭ)$) ― відповідні нуклонні числа Якщо елементів близько 100, то нуклідів більше за 2000. Нукліди можуть бути стійкими, наприклад, Карбон-12, і нестійкими: Карбон-14 Ізотопи утворюються в результаті природних і штучних радіоактивних перетворень.