Изотопы

(от Изо... и греч. tópos — место)

разновидности одного химического элемента, занимающие одно место в периодической системе элементов Менделеева, но отличающиеся массами атомов. Химические свойства атомов, т. е. принадлежность атома к тому или иному химическому элементу, зависят от числа электронов и их расположения в электронной оболочке атома (см. Атом). Место химического элемента в периодической системе элементов определяется его порядковым номером Z, равным числу электронов в оболочке атома или, что то же самое, числу Протонов, содержащихся в атомном ядре. Кроме протонов, в ядро атома входят Нейтроны, масса каждого из которых приблизительно равна массе протона. Количество нейтронов N в ядре атома с данным Z может быть различным, но в определённых пределах. Например, в ядре атома гелия (Z = 2) может содержаться 1, 2, 4 или 6 нейтронов. Полное число протонов Z и нейтронов N в ядре (называется общим термином нуклоны) определяет массу ядра и по существу массу всего атома. Это число А=Z+N называется массовым числом атома. От соотношения чисел протонов и нейтронов в ядре зависят стабильность или нестабильность ядра, тип распада радиоактивного ядра, Спин, магнитный дипольный момент, электрический квадрупольный момент ядра (См. Квалрупольный момент ядра) и некоторые другие его свойства (см. Ядро атомное). Таким образом, атомы с одинаковым Z, но с различным числом нейтронов N обладают идентичными химическими свойствами, но имеют различные массы и различные ядерные свойства. Эти разновидности атомов также называются И. Для обозначения любых разновидностей атомов, независимо от их принадлежности к одному элементу, применяют термин нуклиды.

Массовое число И. приводится сверху слева от химического символа элемента. Например, И. гелия обозначаются: ³He, ⁴He, ⁶He, ⁸He. Более развёрнутые обозначения: 12Не³, 22He⁴, ⁴₂Не⁶, ⁶₂He⁸, где нижний индекс указывает число протонов Z, верхний левый индекс — число нейтронов N, а верхний правый — массовое число. При обозначении И. без применения символа элемента массовое число А даётся после наименования элемента: гелий-3, гелий-4 и т. п.

Массы атомов М, выраженные в атомных единицах массы (См. Атомные единицы массы), лишь немного отличаются от целых чисел. Поэтому разность М — А всегда правильная дробь, по абсолютной величине меньше ¹/₂, и таким образом массовое число А есть ближайшее к массе атома М целое число. Знание массы атома определяет полную энергию E связи всех нуклонов в ядре. Эта энергия выражается соотношением E = ΔMc², где с— скорость света в вакууме, ΔМ — разность между суммарной массой всех входящих в ядро нуклонов в свободном состоянии и массой ядра, которая равна массе нейтрального атома без массы всех электронов.

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—07 выяснилось, что продукт радиоактивного распада Урана — ионий и продукт радиоактивного распада тория (См. Торий) — радиоторий имеют те же химические свойства, что и торий, однако отличаются от последнего атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Более того, как было обнаружено позднее, все три элемента имеют одинаковые оптические и рентгеновские спектры. Такие вещества, идентичные по химическим свойствам, но различные по массе атомов и некоторым физическим свойствам, по предложению английского учёного Ф. Содди, стали называть И.

После того как И. были обнаружены у тяжёлых радиоактивных элементов, начались поиски И. у стабильных элементов. В 1913 английский физик Дж. Томсон обнаружил И. у неона. Разработанный им метод парабол позволял определить отношение массы иона к его заряду по отклонению в параллельно направленных электрическом и магнитном полях тонкого пучка положительных ионов, получаемых в высоковольтном электрическом разряде (см. Масс-спектрометры). Наряду с атомами ²⁰Ne Томсон наблюдал небольшую примесь более тяжёлых атомов. Однако убедительных доказательств того, что вторая компонента более тяжёлых атомов является И. неона, получено не было. Лишь с помощью первого масс-спектрографа, построенного в 1919 английским физиком Ф. Астоном, были получены надёжные доказательства существования двух И. ²⁰Ne и ²²Ne, относительное содержание (распространённость) которых в природе составляет приблизительно 91% и 9% . В дальнейшем был обнаружен изотоп ²¹Ne с распространённостью 0,26%, И. хлора, ртути и ряда других элементов. Примерно к 1940 изотопный анализ был осуществлен для всех существующих на Земле элементов. В результате этого были выявлены и идентифицированы практически все стабильные и долгоживущие радиоактивные И. природных элементов.

В 1934 И. Кюри и Ф. Жолио получили искусственным путём радиоактивные И. азота (¹³N), кремния (²⁸Si) и фосфора (³⁰P), отсутствующие в природе. Этими экспериментами они продемонстрировали возможность синтеза новых радиоактивных нуклидов. В последующие годы с помощью ядерных реакций (См. Ядерные реакции) под действием нейтронов и ускоренных заряженных частиц было синтезировано большое число радиоактивных И. известных элементов, а также получено около 20 новых элементов. Известно 276 стабильных И., принадлежащих 81 природному элементу, и около 1500 радиоактивных И. 105 природных и синтезированных элементов.

Анализ соотношений между числами нейтронов и протонов для различных И. одного и того же элемента показывает, что ядра стабильных И. и радиоактивных И., устойчивых по отношению к бета-распаду, содержат на каждый протон не менее одного нейтрона. Исключение из этого правила составляют лишь два нуклида — ¹H и ³He. По мере перехода ко всё более тяжёлым ядрам отношение числа нейтронов к числу протонов в ядре растет и достигает 1,6 для урана и трансурановых элементов (См. Трансурановые элементы).

Элементы с нечётным Z имеют не более двух стабильных И. Как правило, число нейтронов N в таких ядрах чётное, и, следовательно, массовое число А —нечётное. Большинство элементов с чётным Z имеет несколько стабильных И., из которых не более двух с нечётным А. Наибольшее число И. (10) имеет олово, 9 И. — у ксенона, 8 — у кадмия и теллура. Многие элементы имеют 7 И.

Такие широкие вариации в числе стабильных И. у различных элементов обусловлены сложной зависимостью энергии связи ядра от числа протонов и нейтронов в ядре. По мере изменения числа нейтронов N в ядре с данным числом протонов Z энергия связи ядра и его устойчивость по отношению к различным типам распада меняются. При добавлении нейтронов ядро становится неустойчивым по отношению к испусканию электрона с превращением одного нейтрона в ядре в протон (см. Ядро атомное). Поэтому нейтронообогащённые И. всех элементов β^— -активны (см. Бета-распад). Наоборот, при обеднении нейтронами ядро получает возможность или захватить электрон из оболочки атома, или испустить Позитрон. При этом один протон превращается в нейтрон и оптимальное соотношение между числом протонов и нейтронов в ядре восстанавливается. Нейтронообеднённые И. всех элементов испытывают или электронный захват или позитронный распад. У тяжёлых ядер наблюдаются также Альфа-распад и самопроизвольное (спонтанное) деление ядер. Получение нейтроноизбыточных И. элементов возможно несколькими способами. Один из них — реакция захвата нейтронов ядрами стабильных И. Другой — деление тяжёлых ядер под действием нейтронов или заряженных частиц, в результате которого из одного тяжёлого ядра с большим относительным содержанием нейтронов образуются два нейтронообогащённых ядра. Нейтронообогащённые И. лёгких элементов эффективно образуются в реакциях многонуклонного обмена при взаимодействии ускоренных тяжёлых ионов с веществом. Синтез нейтроно-дефицитных И. осуществляется в ядерных реакциях (См. Ядерные реакции) под действием ускоренных заряженных лёгких частиц или тяжёлых ионов.

Все стабильные И. на Земле возникли в результате ядерных процессов, протекавших в отдалённые времена, и их распространённость зависит от свойств ядер и от первоначальных условий, в которых происходили эти процессы. Изотопный состав природных элементов на Земле, как правило, постоянен. Это объясняется тем, что он не подвергается значительным изменениям в химических и физических процессах, протекающих на Земле. Однако небольшие колебания в относительной распространённости И. всё же наблюдаются для лёгких элементов, у которых различие в массах атомов И. относительно велико. Эти колебания обусловлены изменением изотопного состава элементов (фракционированием И.), происходящим в результате диффузии, изменения агрегатного состояния вещества, при некоторых химических реакциях и других процессах, непрерывно протекающих в атмосфере и земной коре (см. Изотопов разделение, Изотопные методы в геологии, Изотопный обмен). Изменение изотопного состава элементов, интенсивно мигрирующих в биосфере (Н, С, N, О, S), связано и с деятельностью живых организмов.

Для нуклидов, образующихся в результате радиоактивного распада, например для И. свинца, различное содержание И. в разных образцах обусловлено разным первоначальным содержанием их родоначальников (U или Th) и разным геологическим возрастом образцов (см. Геохронология, Масс-спектроскопия, Радиоактивность).

Единство образования тел Солнечной системы позволяет думать, что изотопный состав элементов земных образцов характерен для всей Солнечной системы в целом (при наличии известных колебаний). Метеоры и глубокие слои земной коры показывают примерно одинаковое отношение ¹⁶O/¹⁸O. Астрофизические исследования обнаруживают отклонения изотопного состава элементов, составляющих звёздное вещество и межзвёздную среду, от земного. Например, для углеродных R-звёзд отношение ¹²C/¹³C изменяется от 4—5 до земного значения.

Возможность примешивать к природным химическим элементам их радиоактивные И. позволяет следить за различными химическими и физическими процессами, в которых участвует данный элемент, с помощью детекторов радиоактивных излучений. Этот метод получил широкое применение в биологии, химии, медицине, а также в технике. Иногда примешивают стабильные И., присутствие которых обнаруживают в дальнейшем масс-спектральными методами (см. Изотопные индикаторы).

Важной проблемой является выделение отдельных И. из их природной или искусственно полученной смеси или обогащение этой смеси каким-либо И.

Лит.: Астон Ф. В., Масс-спектры и изотопы, пер. с англ., М., 1948; Кравцов В. А., Массы атомов и энергии связи ядер, М., 1965; Lederer С. М., Hollander J. М., Periman I., Table of isotopes, 6 ed., N. Y. — [a. o.], 1967.

Н. И. Тарантин.

-ов, мн. (ед. изото́п, -а, м.). спец.

Разновидности одного химического элемента, в атомных ядрах которых содержится одинаковое число протонов, но различное число нейтронов.

Радиоактивные изотопы. Изотопы урана.

[От греч. ’ίσος — равный и τόπος — место]

мн.

Разновидности одного и того же химического элемента, отличающиеся атомной массой.

ИЗОТОПЫ (от изо... и греч. topos - место) - разновидности химических элементов, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов, но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе элементов. Различают устойчивые (стабильные) изотопы и радиоактивные изотопы. Термин предложен Ф. Содди в 1910.

ИЗОТОПЫ (от изо... и греческого topos - место), разновидности химических элементов, у которых ядра атомов (нуклидов) отличаются числом нейтронов, но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов. Различают устойчивые (стабильные) и радиоактивные изотопы. Термин предложен английским ученым Ф. Содди в 1910. Первыми были открыты стабильные изотопы Ne (21Ne, 22Ne, 20Ne). Наибольшее значение в энергетике и оборонной промышленности имеют радиоактивные изотопы урана (235U, 238U) и плутония (239Pu). Элементы с измененным изотопным составом используются в качестве меток (меченые атомы, изотопные индикаторы) для исследования различных процессов в физике, химии, биологии, медицине, технике и др.

species

species

ИЗОТОПЫ

разновидности данного хим. элемента, различающиеся по массе ядер. Обладая одинаковыми зарядами ядер Z, но различаясь числом нейтронов, И. имеют одинаковое строение электронных оболочек, т. е. очень близкие хим. св-ва, и занимают одно и то же место в периодич. системе хим. элементов (отсюда термин «И.» — от греч. isos — одинаковый и topos — место). Первые эксперим. данные о существовании И. были получены в 1906 —10 при изучении св-в радиоакт. элементов. Термин «И.» предложен англ. учёным Ф. Содди в 1910. Стабильные И. были обнаружены англ. физиками Дж. Томсоном (1913) и Ф. Астоном (1919). К 1981 известно 276 стабильных И., принадлежащих 83 природным элементам, и более 2000 радиоактивных И. 107 природных и искусственно синтезиров. элементов.

Стабильные И. встречаются только у элементов с Z?83. Большее число стабильных И. имеют элементы с чётным Z, напр. 50Sn имеет 10 И., мХе—9, 48Cd и 52Те — по 8 И. Элементы с нечётным Z имеют, как правило, не более двух стабильных И.

Близость физ.-хим. св-в И. приводит к тому, что их относит. содержание почти не меняется при разл. природных процессах. Однако эти св-ва нетождественны — сказываются различия в массах атомов, а также в значениях спинов и магн. моментов ядер И. Это приводит к разл. изотопным эффектам. Различия нек-рых физ.-хим. св-в И. используется для их разделения (см. ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ).

При изучении физ.-хим., технол. и биол. процессов часто применяют соединения с искусственно введённой примесью радиоактивного (реже стабильного) И. элемента, участвующего в процессе (см. ИЗОТОПНЫЕ ИНДИКАТОРЫ). Зависимость изотопного состава природных элементов от возраста образцов и условий их образования лежит в основе методов определения возраста горных пород и рудных месторождений (см. ИЗОТОПНАЯ ХРОНОЛОГИЯ) и используется при поиске полезных ископаемых.

разновидности атомов химического элемента, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов в ядре. У изотопов данного элемента одинаковый атомный номер (равный числу протонов) и почти одинаковые химические свойства, но разные массовые числа (определяемые числом протонов и нейтронов) и немного различающиеся физические свойства. Изотопы были открыты независимо Б.Болтвудом в 1906 и Г.Мак-Коем и В.Россом в 1907 при изучении радиоактивности тяжелых элементов, а термин "изотоп" предложил английский химик Ф.Содди в 1910. Слово образовано из двух греческих слов, означающих "одинаковый" (isos) и "место" (topos), т.к. данные разновидности атомов каждого элемента занимают одно и то же место в периодической системе элементов Менделеева. Изотопы обозначают по-разному. Например, изотоп углерода, содержащий 6 протонов и 6 нейтронов, можно представить одним из следующих способов: углерод-12, С-12, 12С, где 12 - массовое число. Иногда указывают также число протонов, например 126С. Различают стабильные изотопы, которые существуют в неизменном виде неопределенно долго, и нестабильные (радиоизотопы), которые со временем распадаются. Стабильные изотопы открыл в 1919 английский физик Ф.Астон с помощью созданного им масс-спектрографа. Радиоизотопы многих элементов получены искусственным путем в ядерных реакторах. Из первых 103 химических элементов 18 представлены только радиоизотопами. 20 элементов не имеют изотопов, т.е. представлены стабильными атомами одного типа. У остальных 65 элементов существует по два и более стабильных изотопов. Атомные массы элементов в периодической системе - это средние массовые числа природных смесей изотопов. Изотопный состав природных элементов практически постоянен. Так, у природного углерода два стабильных изотопа, 12С и 13С, и соотношение между ними равно 98,89:1,11. Радиоизотопы широко применяются в научных исследованиях в качестве изотопных индикаторов (меток) и в самых разных областях науки и техники в качестве источников радиоактивных излучений. Они используются в медицине (диагностика, лучевая терапия).

См. также

АТОМНАЯ МАССА;

АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ.

ЛИТЕРАТУРА

Астон Ф.В. Масс-спектры и изотопы. М., 1948 Сиборг Г., Перлман И., Холлендер Дж. Таблица изотопов. М., 1956 Чердынцев В.В. Распространенность химических элементов. М., 1956 Кравцов В.А. Массы изотопов и энергии связи. М., 1965 Шемле М., Перье Ж. Разделение изотопов. М., 1980

(от изо... и греч. topos - место), нуклиды одного хим. элемента, т. е. разновидности атомов определенного элемента, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа. Обладают ядрами с одинаковым числом протонов и разл. числом нейтронов, имеют одинаковое строение электронных оболочек и занимают одно и то же место в периодич. системе хим. элементов. Термин "И." предложен в 1910 Ф. Содди для обозначения химически неразличимых разновидностей атомов, отличающихся по своим физ. (прежде всего радиоактивным) св-вам. Стабильные И. впервые обнаружены в 1913 Дж. Томсоном с помощью разработанного им т. наз. метода парабол - прообраза совр. масс-спектрометрии. Он установил, что у Ne имеется, по крайней мере, 2 разновидности атомов с маc. ч. 20 и 22. Названиями и символами И. обычно служат названия и символы соответствующих хим. элементов; массовое число указывают сверху слева от символа. Напр., для обозначения прир. И. хлора используют запись ³⁵ Сl и ³⁷ С1; иногда внизу слева указывают также порядковый номер элемента, т. е. пишут ³⁵₁₇ Сl и ³⁷₁₇Cl. Только И. самого легкого элемента -водорода с маc. ч. 1, 2 и 3 имеют спец. названия и символы: протий (¹₁ Н), дейтерий (D, или ²₁ Н) и тритий (Т, или ³₁H) соответственно. Из-за большой разницы в массах поведение этих И. существенно различается (см. Дейтерий, Тритий). Стабильные И. встречаются у всех четных и большинства нечетных элементов с атомными номерами [ 83. Число стабильных изотопов у элементов с четными номерами м. б. равно 10 (напр., у олова); у элементов с нечетными номерами не более двух стабильных И. Известно ок. 280 стабильных и более 2000 радиоактивных И. у 116 природных и искусственно полученных элементов. Для каждого элемента содержание отдельных И. в прир. смеси претерпевает небольшие колебания, к-рыми часто можно пренебречь. Более значит. колебания изотопного состава наблюдаются для метеоритов и др. небесных тел. Постоянство изотопного состава приводит к постоянству атомной массы встречающихся на Земле элементов, представляющей собой среднее значение массы атома данного элемента, найденное с учетом распространенности И. в природе. Колебания изотопного состава легких элементов связаны, как правило, с изменением изотопного состава при разл. процессах, протекающих в природе (испарение, растворение, диффузия и т. п.). Для тяжелого элемента Рb колебания изотопного состава разных образцов объясняются разл. содержанием в рудах, минералах и др. источниках урана и тория - родоначальников естеств. радиоактивных рядов. Различия св-в И. данного элемента наз. изотопными эффектами. Важной практич. задачей является получение из прир. смесей отдельных И. - изотопов разделение. Следует отметить, что в научной лит. термин "И." длит. время употреблялся не только в указанном значении, но и в единств. числе для обозначения разновидности атомов с определенным значением массового числа, т. е. для обозначения нуклида. В настоящее время такое использование термина "И." неправильно. Лит.: Астон Ф., Масс-спектры и изотопы, пер. с англ., М., 1948: Учение о радиоактивности. История и современность, М., 1973; Трифонов Д. Н.. Кривомазов А. Н., Лисневский Ю. И., Химические элементы и нуклиды, М., 1980. С. С. Бердоносов.

ИЗОТО́ПЫ -ов; мн. (ед. изото́п, -а; м.). [от греч. isos - равный и topos - место] Спец. Разновидности одного и того же химического элемента, различающиеся массой атомов. Радиоактивные изотопы. Изотопы урана.

◁ Изото́пный, -ая, -ое. И. индикатор.

* * *

(от изо... и греч. tópos — место), разновидности атомов одного и того же химического элемента, атомные ядра которых содержат одинаковое число протонов и различное число нейтронов. Изотопами называют также ядра таких атомов. Различают устойчивые (стабильные) изотопы и радиоактивные изотопы. Термин предложен Ф. Содди в 1910.

* * *

ИЗОТО́ПЫ (от изо...(см. ИЗО... (часть сложных слов)) и греч. topos — место), разновидности атомов одного и того же химического элемента, различающиеся по массе ядер. Ядра атомов изотопов содержат одинаковое число протонов(см. ПРОТОН (элементарная частица)) Z и различное число нейтронов(см. НЕЙТРОН) N, т. е. изотопы — нуклиды(см. НУКЛИД) одного элемента. Изотопами называют также ядра таких атомов. Изотопы имеют одинаковое строение электронных оболочек, то есть очень близкие химические свойства, и занимают одно и то же место в периодической системе элементов.

В настоящее время известно более двух тысяч изотопов химических элементов, как природных, так и искусственно синтезированных.

Для обозначения изотопов пользуются обычными символами соответствующих элементов, добавляют к ним слева вверху индекс, указывающий относительную атомную массу, то есть общее число протонов и нейтронов, и нижний индекс, соответствующий зарядовому числу A_ZX, где

X — элемент;

Z — зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре, совпадает с порядковым номером химического элемента в периодической системе;

A — массовое число(см. МАССОВОЕ ЧИСЛО), равное числу нуклонов в ядре (числу протонов и нейтронов).

Например, в ядрах природных изотопов кислорода (Z =8) содержатся соответственно 8, 9, и 10 нейтронов, то есть кислород имеет три стабильных изотопа: ¹⁶8О, ¹⁷8О, ¹⁸8О.

Уран U (Z =92) имеет 12 радиоактивных изотопов:

²²⁸92 U, ²²⁹92 U…….²³⁵92 U…²³⁹92 U, массовые числа А от 228 до 239.

Водород (Z =1) имеет три изотопа, из которых два стабильны — водород ¹1Н(изотоп ¹H называют иногда протием), и дейтерий ²1Н, и один изотоп радиоактивный — тритий — ³1Н. Из всех известных изотопов только изотопы водорода имеют собственные названия. Дейтерий и тритий обозначаются соответственно D и T. Свойства этих изотопов заметно отличаются. В обычном водороде количество дейтерия составляет около 0,017%. Тритий получают искусственно при ядерных реакциях.

В природе встречаются как стабильные изотопы, так и нестабильные — радиоактивные, ядра атомов которых подвержены самопроизвольному превращению в другие ядра с испусканием различных частиц (или процессам так называемого радиоактивного распада). Сейчас известно около 270 стабильных изотопов, причем стабильные изотопы встречаются только у элементов с атомным номером Z 83. Число нестабильных изотопов превышает 2000, подавляющее большинство их получено искусственным путем в результате осуществления различных ядерных реакций. Подавляющее большинство искусственных радиоизотопов имеют малые периоды полураспада(см. ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА), измеряемые долями секунды или секундами. Хотя известны также и изотопы с большими периодами полураспада, например, период полураспада ²³⁶U — 2,4^.10⁷ лет, ⁹²Nb — 3,3^.10⁷ лет, ²⁶Al — 7,4^.10⁵ лет. Радиоактивными, хотя и в очень слабой степени, оказались и некоторые стабильные изотопы: ⁴⁰К, ⁸⁷Rb, ¹¹⁵In, ¹⁸⁷Re. Продолжительность их жизни столь велика, что их можно считать стабильными.

У четных (по Z) элементов число стабильных изотопов может достигать 10, например, у олова имеется 10 изотопов, 9 изотопов — у ксенона, 8 — у кадмия и теллура, 4 — у железа, 7 изотопов у ртути. Элементы с нечетным Z имеют не более двух стабильных изотопов. Как правило, число нейтронов N в таких ядрах четное, и, следовательно, массовое число А — нечетное. Некоторые химические элементы состоят лишь из одного стабильного изотопа (бериллий, фтор, натрий, алюминий, фосфор, марганец, золото и ряд других элементов). Такие широкие вариации в числе стабильных изотопов у различных элементов обусловлены сложной зависимостью энергии связи ядра от числа протонов и нейтронов в ядре. По мере изменения числа нейтронов N в ядре с данным числом протонов Z энергия связи ядра и его устойчивость по отношению к различным типам распада меняются. При добавлении нейтронов ядро становится неустойчивым по отношению к испусканию электрона.

Установлено, что в природе каждый элемент существует в виде смеси изотопов. Именно этим обстоятельством объясняется дробное значение атомных масс элементов. Так, природный хлор на 75,53% состоит из изотопа ³⁵Cl и на 24,47% из изотопа ³⁷Cl; в результате средняя относительная атомная масса хлора равна 35^. 0,7553 + 37^. 0,2447 = 35,453.

Благодаря существованию изотопов становится понятно также, почему в некоторых случаях у элементов с большим порядковым номером атомная масса меньше, чем у элементов с меньшим порядковым номером. Например, в случае аргона Аr и калия К, теллура Те и йода J. Йод состоит из одного изотопа — йода 127 — J, у теллура 6 изотопов, из них преобладают наиболее тяжелые (около 66%) — теллур 128 и теллур 130. Поэтому и относительная атомная масса у теллура больше, чем у йода. Элемент калий состоит из более легких, а элемент аргон из более тяжелых изотопов. Среди изотопов встречаются устойчивые и неустойчивые (радиоактивные). Для всех элементов искусственно получены радиоактивные изотопы. Число радиоактивных изотопов у многих элементов очень велико и может превышать два десятка. Содержание отдельных изотопов в их естественной смеси может незначительно колебаться.

Таким образом, для изотопов характерно следующее:

1) Место в периодической системе элементов изотопов определяется их порядковым номером Z, равным числу электронов в оболочке атома или числу протонов, содержащихся в атомном ядре.

2) Изотопы имеют одинаковый атомный номер Z;

3) Изотопы данного химического элемента отличаются друг от друга только числом нейтронов (N). Количество нейтронов N в ядре атома с данным Z может быть различным, но в определенных пределах. Например, в ядре атома гелия (Z = 2) может содержаться 1, 2 или 4 нейтрона.

4) Изотопы имеют различные массовые числа А= Z + N. Полное число протонов Z и нейтронов N в ядре определяет массу ядра и по существу массу всего атома. Массы атомов М, выраженные в атомных единицах массы(см. АТОМНАЯ ЕДИНИЦА МАССЫ), лишь немного отличаются от целых чисел. Поэтому разность М — А всегда правильная дробь, по абсолютной величине меньше Ѕ, и таким образом массовое число А есть ближайшее к массе атома М целое число. Знание массы атома определяет полную энергию E связи всех нуклонов в ядре.

По своим ядерным свойствам — спектр энергетических уровней, способность вступать в те или иные ядерные реакции — изотопы, как правило, сильно различаются. Химические свойства данного элемента совершенно одинаковы, поскольку идентично строение их электронных оболочек. Поэтому разделение изотопов — чрезвычайно сложная задача (см. Изотопов разделение(см. ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ)). Для ее решения было предложено и развито несколько сложных и дорогостоящих методов, основанных на зависимости скорости диффузии, траектории движения в магнитном поле и некоторых других свойств от массы ядра.

Все стабильные изотопы на Земле возникли в результате ядерных процессов, протекавших в отдаленные времена, и их распространенность зависит от свойств ядер и от первоначальных условий, в которых происходили эти процессы. Изотопный состав природных элементов на Земле, как правило, постоянен. Это объясняется тем, что он не подвергается значительным изменениям в химических и физических процессах, протекающих на Земле.

Разнообразные изотопы химических элементов находят широкое применение в научных исследованиях, в различных областях промышленности и сельского хозяйства, в ядерной энергетике, современной биологии и медицине, в исследованиях окружающей среды и других областях. Возможность примешивать к природным химическим элементам их радиоактивные изотопы позволяет следить за различными химическими и физическими процессами, в которых участвует данный элемент, с помощью детекторов радиоактивных излучений. Этот метод получил широкое применение. Иногда примешивают стабильные изотопы, присутствие которых обнаруживают в дальнейшем масс-спектральными методами (см. Изотопные индикаторы(см. ИЗОТОПНЫЕ ИНДИКАТОРЫ)).

История исследований

Первые экспериментальные данные о существовании изотопов были получены в 1906—10 гг. при изучении свойств радиоактивных превращений атомов тяжелых элементов. В 1906—07 гг. было обнаружено, что продукт радиоактивного распада урана — ионий и продукт радиоактивного распада тория — радиоторий имеют те же химические свойства, что и торий, однако отличаются от последнего атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Более того: все три элемента имеют одинаковые оптические и рентгеновские спектры. По предложению английского ученого Ф. Содди(см. СОДДИ Фредерик), такие вещества стали называть изотопами.

После того как изотопы были обнаружены у тяжелых радиоактивных элементов, начались поиски изотопов у стабильных элементов. Независимое подтверждение существования стабильных изотопов химических элементов было получено в экспериментах Дж. Дж. Томсона(см. ТОМСОН Джозеф Джон) и Ф. Астона(см. АСТОН Фрэнсис Уильям). Томсон в 1913 г. обнаружил стабильные изотопы у неона. Астон, проводивший исследования с помощью сконструированного им прибора, названного масс-спектрографом (или масс-спектрометром), используя метод масс-спектрометрии(см. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ), доказал, что и многие другие стабильные химические элементы имеют изотопы. В 1919 г. он получил доказательства существования двух изотопов ²⁰Ne и ²²Ne, относительное содержание (распространенность) которых в природе составляет приблизительно 91% и 9%. В дальнейшем был обнаружен изотоп ²¹Ne с распространенностью 0,26%, изотопы хлора, ртути и ряда других элементов.

Масс-спектрометр несколько другой конструкции в те же годы был создан А. Дж. Демпстером(см. ДЕМПСТЕР Артур Джефри). В результате последующего использования и усовершенствования масс-спектрометров усилиями многих исследователей была составлена почти полная таблица изотопных составов. В 1932 г. был открыт нейтрон — частица, не имеющая заряда, с массой, близкой к массе ядра атома водорода — протона, и создана протонно-нейтронная модель ядра. В результате в науке установилось окончательное определение понятия изотопов: изотопы — это вещества, ядра атомов которых состоят из одинакового числа протонов и отличаются лишь числом нейтронов в ядре. Примерно к 1940 г. изотопный анализ был проведен для всех известных к тому времени химических элементов.

При изучении радиоактивности было открыто около 40 природных радиоактивных веществ. Они были объединены в радиоактивные семейства, родоначальниками которых являются изотопы тория и урана. К природным относятся все стабильные разновидности атомов (их около 280) и все естественно радиоактивные, входящие в состав радиоактивных семейств (их 46). Все остальные изотопы получены в результате ядерных реакций.

Впервые в 1934 г. И. Кюри(см. ЖОЛИО-КЮРИ Ирен) и Ф. Жолио-Кюри(см. ЖОЛИО-КЮРИ Фредерик) получили искусственным путем радиоактивные изотоп азота (¹³N), кремния (²⁸Si) и фосфора (³⁰P), отсутствующие в природе. Этими экспериментами они продемонстрировали возможность синтеза новых радиоактивных нуклидов. Среди известных в настоящее время искусственных радиоизотопов более 150 принадлежат трансурановым элементам(см. ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ), не встречающимся на Земле. Теоретически допускается, что число разновидностей изотопов, способных к существованию, может достигать порядка 6000.

— атомы хим. элемента, обладающие разными массовыми числами, но имеющие одинаковый заряд атомных ядер и поэтому занимающие одно место в периодической системе Менделеева. Атомы разных изотопов одного и того же хим. элемента отличаются по числу нейтронов, входящих в состав ядра, и ядерным свойствам, но вследствие одинакового строения электронных оболочек имеют практически тождественные хим. свойства. Большинство хим. элементов состоит из смеси И. с разл. ат. в. В настоящее время известно 264 стабильных И., около 50 естественных радиоактивных И. и более 1000 искусственных радиоактивных И. См. Разделение изотопов в природе, Ряд радиоактивный.

(от изо... и греч. topos - место) - разновидности хим. элемента, в атомных ядрах к-рых содержится одинаковое число протонов, но разл. число нейтронов (см. Изобары). Физ.-хим. свойства И. почти тождественны, т. к. они в осн. зависят от электронной оболочки атома, одинаковой у всех И. данного элемента. Небольшие различия в физ.-хим. св-вах И. из-за различия в массах атомов наз. изотопными эффектами. На основе этих различий можно производить разделение И. (напр., с помощью масс-спектрометров, путём термодиффузии, центрифугирования, газовой диффузии через пористые перегородки). Большинство хим. элементов в природе состоит из смеси И. У хим. элемента одни И. могут быть стабильными, а другие - претерпевать разл. радиоактивные превращения (см. Радиоактивные изотопы). И. широко применяют в качестве изотопных индикаторов, а радиоактивные И. - также как источники ядерных излучений. Нек-рые И. урана и плутония (²³⁵U, ²³⁹Pu) являются ядерным топливом.

ИЗОТОПЫ — разновидности атомов данного хим. элемента, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. И. имеют разные атомные массы (см.) и одинаковое число электронов в атомной оболочке, что определяет их очень близкие физ.-хим. свойства, вследствие чего они занимают одно и то же место в Периодической системе хим. элементов Д. И. Менделеева. Различают стабильные (устойчивые) И., которые существуют в неизменном виде неопределённо долго, и нестабильные (неустойчивые, радиоактивные) И., самопроизвольно распадающиеся. Большинство хим. элементов в природе состоит из смеси И. Известны радиоактивные И. всех хим. элементов.