izotop

Některé izotopy prvků nikl (Ni), měď (Cu) a zinek (Zn). Stejně jako ve většině nuklidových map jsou prvky uspořádány v pořadí zvyšování atomového čísla zdola nahoru, izotopy v pořadí zvyšování hmotnostního čísla zleva doprava. Černá: stabilní, modrá: beta-minus-radioaktivní , červená: beta-plus-radioaktivní izotop.

Jak izotopy (ze starořeckého ἴσος isos „stejné“ a τόπος tópos „místo Agent“) označují typy atomů, jejichž atomová jádra mají stejný počet protonů, ale liší se, obsahuje mnoho neutronů . Mají stejné atomové číslo, a proto představují stejný prvek, ale mají různá hmotnostní čísla ; Takže tam jsou kyslíkové izotopy , železné izotopy apod různé izotopy elementu chovají chemicky téměř identicky.

Název pochází ze skutečnosti, že izotopy prvku jsou v periodické tabulce na stejném místě. Jsou zobrazeny samostatně na mapě nuklidů . Termín izotop je starší než termín nuklid , což obecně znamená „typ atomu“. „Izotop“ se proto stále často používá ve smyslu nuklidu, tj. H. i když nemluvíme jen o atomech jednoho a téhož prvku. Termín izotop vytvořil Frederick Soddy , který v roce 1921 obdržel Nobelovu cenu za chemii za svou práci a znalosti v oblasti izotopů a radionuklidů .

U každého známého prvku, s výjimkou oganessonu , který byl poprvé syntetizován v roce 2006 , bylo zjištěno několik izotopů (viz seznam izotopů a mapa nuklidů ). Celkově je známo asi 3300 nuklidů. Asi 240 z nich je stabilních. Všechny ostatní jsou nestabilní, to znamená, že jejich atomy se po delší nebo kratší době přeměňují radioaktivním rozpadem na jiné atomy. U některých nuklidů, které jsou tradičně považovány za stabilní, je tato doba tak dlouhá, že jejich rozpad byl objeven až dnes nebo je stále hledán v experimentech.

Z 91 přirozeně se vyskytujících prvků je 69 v přírodě nalezeno jako směsi několika izotopů ( smíšené prvky ). Zbývajících 22 se nazývá čisté prvky . Chemická atomová hmotnost smíšených prvků je průměrná hodnota různých atomových hmot příslušných izotopů.

Označení a zápis vzorce

Zápis je podrobně popsán v Nuklid . V textu je izotop označen názvem prvku nebo symbolem s připojeným hmotnostním číslem, například kyslík-16 nebo O-16, železo-56 nebo Fe-56. Výjimkou jsou někdy izotopy vodíku (viz následující část).

Hromadné číslo se přidá k symbolu prvku vlevo nahoře jako symbol vzorce. Atomové číslo je již dán název (symbol element), ale může také být psán na symbol prvku v levém dolním rohu, za předpokladu, že - z. B. v jaderných reakcích - je zajímavé, jako v

${\ displaystyle {} _ {3} ^ {6} \ mathrm {Li} + {} _ {1} ^ {2} \ mathrm {H} \ rightarrow {} _ {2} ^ {4} \ mathrm {He } + {} _ {2} ^ {4} \ mathrm {He}}$

Pokud se v označení objeví ^m (např. 16 ^ml N), znamená to izomer jádra . Pokud je po ^m číslo, jedná se o číslování, pokud existuje několik izomerů.

Chemické reakce izotopů

Izotopy prvku mají stejný elektronový obal. Ve výsledku se neliší v typu možných reakcí , ale pouze v jejich reakční rychlosti , protože to je do jisté míry závislé na hmotnosti.

V případě těžkých prvků je však relativní hmotnostní rozdíl velmi malý. Poměr atomových hmot uranu 238 a uranu 235 je 1: 1,013; v jejich chemickém chování není patrný žádný rozdíl; k separaci je třeba použít fyzikální metody (viz obohacování uranu ). Pro izotopy lithia lithium-7 a lithium-6 je poměr 1: 1,17; Zde jsou možné fyzikálně-chemické separační metody (viz lithium ). Hmotnostní rozdíly tří izotopů vodíku jsou velmi velké ( ¹ H:  ² H:  ³ H jako 1: 2: 3), a proto reagují chemicky mírně odlišně a dokonce mají své vlastní názvy a chemické symboly:

• Zdaleka nejběžnější izotop vodíku ¹ H je také známý jako protium nebo lehký vodík .
• Izotop ² H je také známý jako deuterium nebo těžký vodík . Symbol: D.
• ³ H izotop je také známý jako tritium nebo supertěžkého vodíku . Symbol: T.

Rozdílná chemicko-fyzikální chování z H a D zobrazí v elektrolýzy z vody . Voda s normální ¹ H reaguje přednostně a je rozdělen na vodík a kyslík, přičemž molekuly vody, které obsahují D ( ² H deuterium, těžkého vodíku) se hromadí ve zbývající vodě (v porovnání s přírodním poměru asi 1: 7000).

Smíšené prvky a čisté prvky

Prakticky všechny přirozeně se vyskytující nuklidy na Zemi jsou buď stabilní (tj. Nebyl pozorován žádný rozpad), nebo jsou radioaktivní s poločasem, který není výrazně kratší než věk Země . Říká se jim prvotní nuklidy .

Je známo celkem asi 245 stabilních nuklidů (viz mapa nuklidů : stabilní nuklidy jsou zobrazeny s černým pozadím). V případě „stabilní“ je však třeba rozlišovat mezi tím, zda se zdá, že rozpad nuklidu je přirozeným zákonem vyloučen, nebo zda se zdá být možný, ale dosud nebyl pozorován. Počet nuklidů, které jsou ve druhém smyslu stabilní, se časem znovu a znovu snižoval: Díky vylepšeným metodám detekce byly některé nuklidy, které byly dříve považovány za stabilní, později rozpoznány jako radioaktivní. S detekcí radioaktivity vizmutu -209 v roce 2003 bylo zjištěno, že olovo -208 je nejtěžší stabilní nuklid, a tedy olovo je nejtěžší prvek se stabilními izotopy.

Prvky vyskytující se v přírodě jsou většinou smíšené prvky, tj. H. Izotopové směsi. Cín má nejpřirozenější izotopy s 10 izotopy, následuje xenon s 9 přírodními izotopy, z nichž 8 je stabilních. Prvky, které se skládají pouze z jednoho přirozeného izotopu, se nazývají čistý prvek . Čistý prvek má přesně jeden prvotní izotop. Tato vlastnost má 19 stabilních a 3 dlouhodobě nestabilní prvky.

Známé izotopy

vodík

Vodík je prvek s nejsilnějším chemickým izotopovým účinkem . Těžký vodík ( ² H nebo deuterium ) slouží jako moderátor v těžkovodním reaktoru . Těžký vodík ( ³ H nebo tritium ) je radioaktivní. Je vytvářen v atmosféře kosmickým paprskem a v jaderných reaktorech. Tritium bylo používáno ve světelných barvách pro ciferníky hodin atd. Mezi lety 1960 a 1998. V budoucnu se bude deuterium a tritium používat ve větších množstvích jako palivo pro reaktory jaderné fúze .

hélium

Helium je prvek s nejsilnějším fyzickým izotopovým účinkem . V oblasti nízkých teplot , zejména , dva hélium izotopy chovají velmi odlišně, protože ³ Je fermion a ⁴ Je boson .

uhlík

Známým izotopem je radioaktivní ¹⁴ C , který se používá ke stanovení stáří organických materiálů ( archeologie ) ( radiokarbonová metoda ). Přírodní uhlík se nachází hlavně ve stabilních izotopech ¹² C a ¹³ C. ¹⁴ C se tvoří z dusíku ve vysoce atmosférických vrstvách.

kyslík

Poměr dvou stabilních izotopů kyslíku ¹⁸ O a ¹⁶ O se používá ke zkoumání paleo teplot . Stabilní izotopy kyslíku jsou také vhodné jako přírodní stopovací látky ve vodních systémech.

uran

Izotop ²³⁵ U se používá jako palivo v jaderných elektrárnách . U většiny typů reaktorů musí být přírodní uran obohacen o ²³⁵ U. Téměř čistý ²³⁵ U se používá v některých jaderných zbraní .

Izotopy v analytice

Při měření optického spektra s dostatečným rozlišením lze izotopy prvku rozlišit podle jejich spektrálních čar ( posun izotopů ).

Izotopové složení ve vzorku se obvykle stanoví pomocí hmotnostního spektrometru , v případě stopových izotopů s urychlovačem hmotnostní spektrometrií .

Radioaktivní izotopy lze často identifikovat podle jejich produktů rozpadu nebo emitovaného ionizujícího záření .

Izotopy také hrají roli v NMR spektroskopii . Například běžný uhlíkový izotop ¹² C nemá žádný magnetický moment, a proto jej nelze pozorovat. Vyšetřování uhlíku lze proto provádět pouze s použitím mnohem vzácnějšího ¹³ C izotopu.

Izotopy se také používají k objasnění reakčních mechanismů nebo metabolismu pomocí takzvaného izotopového značení .

Izotopové složení vody je odlišné a charakteristické na různých místech světa. Tyto rozdíly umožňují zkontrolovat prohlášení o místě původu u potravin, jako je víno nebo sýr .

Vyšetřování určitých izotopových vzorů (zejména izotopových vzorců ¹³ C) v organických molekulách se nazývá analýza izotopomerů. Mimo jiné umožňuje stanovení toků intracelulárního materiálu v živých buňkách. Kromě toho je dnes v ekologii rozšířená analýza poměrů ¹³ C / ¹² C, ¹⁵ N / ¹⁴ N a ³⁴ S / ³² S. Na základě frakcionace mohou být hromadné toky v potravních sítích sledovány nebo Trophieniveaus určovat jednotlivé druhy. Stabilní izotopy také slouží jako přírodní stopovací látky v medicíně .

V hydrologii jsou závěry o hydrologických procesech vyvozovány z koncentračních poměrů izotopů. Koloběh vody doprovází nejvíce materiálových toků nad a pod zemským povrchem. Jako reference se často používá Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOV).

Geochemie se zabývá izotopů minerálů , hornin , půdy , vody a ovzduší .

Viz také

• Seznam izotopů
• Periodická tabulka (PSE) s počtem izotopů

literatura

• Werner Stolz: Radioaktivita. Základy, měření, aplikace. 5. vydání. Teubner, Wiesbaden 2005, ISBN 3-519-53022-8 .
• Bogdan Povh , K. Rith , C. Scholz, F. Zetsche: Částice a jádra. Úvod do fyzikálních konceptů. 7. vydání. Springer, Berlin / Heidelberg 2006, ISBN 978-3-540-36685-0 .
• Klaus Bethge , Gertrud Walter, Bernhard Wiedemann: Jaderná fyzika. 2. vydání. Springer, Berlin / Heidelberg 2001, ISBN 3-540-41444-4 .
• Hanno Krieger: Základy radiační fyziky a radiační ochrany. 2. vydání. Teubner, Wiesbaden 2007, ISBN 978-3-8351-0199-9 .

webové odkazy

Wikislovník: Izotop  - vysvětlení významů, původ slov, synonyma, překlady

• Velký izotopový stůl u Mezinárodní agentury pro atomovou energii (IAEA)

Individuální důkazy

1. ↑ Pierre de Marcillac, Noël Coron, Gérard Dambier, Jacques Leblanc, Jean-Pierre Moalic: Experimentální detekce α-částic z radioaktivního rozpadu přírodního vizmutu . In: Příroda . páska 422 , č. 6934 , duben 2003, s. 876–878 , tabulka výsledků 1 , doi : 10,1038 / nature01541 . 
2. ↑ Paul Königer: Tracerové hydrologické přístupy k určení nové formace podzemní vody . Inst. Pro hydrologii, Freiburg i. Br. 2003, DNB  969622139 ( PDF - plus disertační práce, University of Freiburg).