איזוטופ

אִיזוֹטוֹפּים של יסוד כימי הם אטומים בעלי אותו מספר אטומי אך בעלי מסה שונה, כלומר מספר הנייטרונים שונה. לאיזוטופים של אותו יסוד יש אותן התכונות הכימיות.
כיום מוכרים למדע מעל 1000 איזוטופים שונים המשויכים ל-118 היסודות בטבלה המחזורית.
מקורה של המלה איזוטופ, ביוונית: Ισος (איסוֹס) = שווה, Τοπος  (טוֹפּוֹס) = מקום, ופירושה "אותו מקום", מקור השם נעוץ בעובדה שאיזוטופים נמצאים באותו מקום בטבלה המחזורית של היסודות.

רקע

כל היסודות בנויים מאטומים. האטום בנוי, באופן כללי, מגרעין, המורכב מפרוטונים ונייטרונים הבונים את הגרעין, ומאלקטרונים הסובבים סביב הגרעין.
התכונה האטומית המבדילה בין חומר אחד למשנהו, היא מספר הפרוטונים שבגרעין. מספר זה - הקרוי מספר אטומי של היסוד, והמייצג גם את מספר הפרוטונים של יסוד זה - קובע את תכונותיו הכימיות של החומר, וממנו נובעים צבעו, מרקמו, ותכונותיו המכניות.
מספר הנייטרונים שבגרעין, לעומת זאת, יכול להשתנות מבלי לשנות את תכונותיו הכימיות של החומר. פעמים רבות מספרם של הנייטרונים שווה למספר הפרוטונים (בפרט ביסודות הקלים), אך הדבר אינו מחויב. מספר הפרוטונים והנייטרונים גם יחד קובע את המשקל האטומי - הנקרא גם מסה אטומית - של האטום. מסת האלקטרונים קטן פי כ-1836 ממסת הפרוטון או הנייטרון ולכן זניח.
הצורה הנפוצה של החומר בטבע היא "הצורה הטבעית" שלו, אך לעיתים קרובות ניתן למצוא אטומים של החומר עם מספר שונה של נייטרונים מן הצורה הטבעית. צורה פחות נפוצה זו של החומר נקראת איזוטופ.
בצורתו הטבעית של גרעין המימן, למשל, יש פרוטון אחד, ללא נייטרון. בנוסף, קיימים אטומים של מימן להם יש נייטרון בגרעין, בנוסף לפרוטון - זהו איזוטופ של מימן הקרוי דאוטריום. בריאקציות גרעיניות נוצר איזוטופ נוסף של מימן הקרוי טריטיום, ולו שני נייטרונים בגרעין.
בניגוד לדוגמה זו, שבה לכל איזוטופ יש שם, מרבית האיזוטופים אינם קרויים בשם, אלא קרויים בשם הבנוי משם היסוד ומספר הפרוטונים והנייטרונים שבגרעינו. אורניום-238, למשל הוא איזוטופ של אורניום שבגרעינו סך הפרוטונים והנייטרונים ביחד הוא 238. בכתיב הכימי מסומן האיזוטופ בסמל היסוד, שלפניו רשום, בספרות עיליות, מספר הפרוטונים והנייטרונים. ²³⁸U, למשל, הוא אורניום-238.
קיומם של איזוטופים שונים לאותו יסוד גורם לכך שהמשקל האטומי, כפי שהוא מופיע בטבלה המחזורית של היסודות, אינו מייצג משקל אטומי של איזוטופ מסוים, אלא את המשקל האטומי המשוקלל, בהתאם לתפוצתם של האיזוטופים בטבע.
אף שלמספר הנייטרונים בגרעין אין השפעה על התכונות הכימיות של היסוד, יש לו השפעה רבה על היציבות של הגרעין - חלק מהאיזוטופים הם איזוטופים רדיואקטיביים. לניקל, למשל, יש 5 איזוטופים יציבים (הגרעין שלהם אינו מתפרק מעצמו), איזוטופ אחד (⁵⁹Ni) שזמן מחצית החיים שלו הוא יותר מ-10,000 שנה, איזוטופ אחד (⁶³Ni) שזמן מחצית חייו נמדד בשנים רבות ו-3 איזוטופים (⁵⁶Ni, ⁵⁷Ni ו-⁶⁶Ni) שזמן מחצית חייהם הוא פחות מעשרה ימים.

שימושי האיזוטופים

בין אטומים זהים של אותו יסוד אי אפשר להבדיל בתהליכים כימיים, אך ניתן להבדיל בין איזוטופים שונים בתהליכים פיזיקליים (בעיקר על פי משקלם). יצירת תרכובת מאיזוטופ מסוים מאפשרת מעקב אחר ההתנהגות של האטומים המרכיבים תרכובת זו בתערובת שבה נמצאים אטומים אלה גם בתרכובות אחרות. דוגמה: בחקר התנהגותו של הפנול (C₆H₅OH) במים, משתמשים במים כבדים (D₂O), כלומר מים שהמימן בהם הוא האיזוטופ דאוטריום. בצורה זו ניתן להבחין בין המימן שבפנול ובין המימן שבמים, ולגלות שהפנול המומס במים מחליף אטומי מימן עם המים.
הבדל נוסף אפשרי הוא בתהודה מגנטית גרעינית, אם לאיזוטופ מסוים (כמו ³¹P, ¹H וכו') יש 1/2+ ניתן לראותו במכשיר NMR, או לפחות את האחוז היחסי שלו מתוך היסוד.
לייצורה של פצצת אטום דרושים איזוטופים מסוימים. הפעולה הקרויה "העשרת אורניום" היא בידודו של האיזוטופ הנדיר, ²³⁵U, הנחוץ לייצור הפצצה, מתוך האורניום המצוי בטבע שבו האיזוטופ הנפוץ הוא ²³⁸U. זהו אתגר טכנולוגי לא פשוט, עקב ההבדלים הפעוטים שבין האיזוטופים.
האיזוטופים ²³⁵U ו-²³⁹Pu נוחים לביקוע גרעיני, ולפיכך הם משמשים כדלק לכורים גרעיניים וכחומר בקיע בפצצות גרעיניות.
לאיזוטופים הרדיואקטיביים של יסודות רבים (הנקראים רדיו-איזוטופים) יש שימושים במדע בכלל ובביולוגיה בפרט (לרבות המחקר הרפואי) כסַמָּנִים – הודות לכך שאין כל הבדל ממשי בין הפעילות הכימית של האיזוטופים השונים של אותו החומר, ניתן להתחקות אחר התהליכים העוברים על חומר כלשהו בגוף האדם, באמצעות שימוש באיזוטופ הרדיואקטיבי שלו ומדידת הקרינה הנפלטת. לדוגמה, היסוד יוד ממלא תפקיד חשוב בגוף, ובייחוד בפעולתה של בלוטת התריס. בעזרת האיזוטופים הרדיואקטיביים שלו, למשל ¹³⁵I, אפשר להתחקות אחר מהלך היוד בגוף ולעמוד על סיבותיהן של הפרעות לפעולתה של בלוטה זו.
שימוש אחר לאיזוטופים רדיואקטיביים הוא הפקת חשמל לפי העיקרון התרמו-חשמלי: האנרגיה הנפלטת בהתפרקות מומרת במישרין לזרם חשמלי. התקנים מסוג זה משמשים במקומות שיש בהם צורך בזרם, אך קשה או בלתי-אפשרי לתחזק את מקור הזרם באופן שוטף; לדוגמה, בגשושות חלל או בקוצבי לב.