იზოტოპები

იზოტოპები ( და ) — ერთი განსაზღვრული ელემენტის ატომთა (ნუკლიდების) სახესხვაობები, რომელთა ბირთვი შეიცავს პროტონების ერთნაირ და ნეიტრონების განსხვავებულ რაოდენობას. ამიტომ იზოტოპების (ნეიტრალური ატომების) ელექტრონული გარსი შეიცავს ელექტრონების ერთნაირ რაოდენობას. შედეგად, იზოტოპებს ახასიათებს იდენტური ქიმიური თვისებები და უკავია ერთი და იგივე ადგილი ელემენტთა პერიოდულ სისტემაში (იზოტოპების ბირთვული თვისებები განსხვავებულია). განასხვავებენ სტაბილურ (მდგრად) და რადიოაქტიურ იზოტოპებს. იზოტოპების რადიოაქტიური დაშლის ტიპი, აგრეთვე სპინი, მაგნ. დიპოლური მომენტი და ბირთვის ზოგიერთი სხვა თვისება დამოკიდებულია ბირთვში პროტონებისა და ნეიტრონების რაოდენობის თანაფარდობაზე. იზოტოპები სტაბილურია ამ თანაფარდობის მხოლოდ გარკვეული მნიშვნელობებისათვის.

კვლევის ისტორია
ტერმინი იზოტოპი 1910 წელს შემოიღო ინგლისელმა ფიზიკოსმა ფ. სოდიმ. იზოტოპების დასახელება და სიმბოლოები ანალოგიურია ქიმიური ელემენტის დასახელებისა და სიმბოლოების. როგორც წესი, ქიმიური ელემენტის სიმბოლოს მარცხნივ და ქვევით მიუთითებენ რიგით ნომერს (ქეის ატომბირთვში პროტონების რაოდენობა), მარცხნივ და ზევით კი — მასურ რიცხვს (ატომბირთიზაბელავში პროტონების და ნეიტრონების საერთო რაოდენობა). მაგ., ქლორის იზოტოპები არის ^35_17 და ^37_17. გამონაკლისია წყალბადის იზოტოპები მასური რიცხვებით 1, 2 და 3, რომელთაც ერთმანეთისგან განსხვავებული დასახელებები და სიმბოლოები აქვს: პროთიუმი , ანუ ^1_1 (სტაბილური), დეიტერიუმი , ანუ ^2_1 (სტაბილური) და ტრიტიუმი , ანუ ^3_1 (რადიოაქტიური).

იზოტოპების არსებობა აღმოაჩინეს 1900-1907 წლებში ურანის რადიოაქტიური დშლის ექსპერიმენტული კვლევისას. მოგვიანებით, ინგლისელმა ფიზიკოსებმა ჯ. ტომსონმა და შემდგომ ფ. ასტონმა აღმოაჩნიეს ნეონის , ქლორის , ვერცხლისწყლის და სხვა ქიმიური ელემენტების სტაბილური იზოტოპები. 1934 წელს ფრანგმა ფიზიკოსებმა ი. კიურიმ და ფ. ჟოლიო-კიურიმ ხელოვნურად მიიღეს აზოტის , ფოსფორის და სილიციუმის რადიოაქტიური იზოტოპები, რითაც პირველად აჩვენეს ახალი ნუკლიდების სინთეზის შესაძლებლობა. 1940 წლისთვის უკვე განხორციელებული იყო დედამიწაზე არსებული ყველა ქიმიური ელემენტის იზოტოპური ანალიზი. დღეისათვის ცნობილია 81 ბუნებრივი ქიმიური ელემენტის 275 სტაბილური იზოტოპი და 118 ბუნებრივი და ხელოვნური ქიმიური ელემენტის დაახლოებით 1500-მდე რადიოაქტიური იზოტოპი.

საქართველოში მნიშვნელოვან გამოკვლევებს იზოტოპების შესწავლასა და გამოყენებაში საფუძველი ჩაეყარა საუკუნის 40-იანი წლების ბოლოს, სოხუმის მახლობლად მდებარე გასაიდუმლოებულ ორ სამეცნიერო-კვლევით ინსტიტუტში, გერმანელი მეცნიერების, მ. ფონ ადერნეს და გ. ჰერცის, ხელმძღვანელობით, სადაც მიმდინარეობდა სამუშაოები ურანის ^235_92 და ^238_92 იზოტოპების განცალკევების პრობლემებზე შესაბამისი სამრეწველო ტექნოლოგიების შესაქმნელად. 1950 წლიდან ამ ბაზაზე ჩამოყალიბდა სოხუმის ფიზიკა-ტექნიკის ინსტიტუტი. აქ მოღვაწეობდნენ შ. ბურდიაშვილი (ფილტრებისა და დიფუზიური მანქანების შექმნა, სტალინური პრემია, 1951), რ. დემირხანოვი (ლითიუმის იზოტოპების ელექტრომაგნიტური განცალკევება, სტალინური პრემია, 1953), ქ. ორჯონიკიძე (მაღალი სიზუსტის მას-სპექტომეტრი იზოტოპების მასის დეფექტის გასაზომად, სტაინური პრემია, 1953) და სხვა. სოხუმის ფიზიკურ-ტექნიკურ ინსტიტუტში ი. გვერდწითელის თაოსნობით დაიწყო სტაბილური იზოტოპების (ბორის, ჟანგბადის, ნახშირბადის, აზოტის და სხვა) განცალკევების, იზოტოპებით ნიშანდებული ნაერთების სინთეზისა და მათი ხარისხის კონტროლის ანალიზური მეთოდების დამუშავება.

 საუკუნის 50-იანი წლების ბოლოს ჰელიუმის იზოტოპების განცალკევების კრიოგენულ მეთოდებზე პ. კაპიცას ხელმძღვანელობით მუშაობდა რ. ბაბლიძე.

1962 წელს სოხუმის ფიზიკურ-ტექნიკური ინსტიტუტის ბაზაზე დაფუძნდა სოხუმის სტაბილური იზოტოპების ინსტიტუტი (ამჟამად საქართველოს მაღალი ტექნოლოგიების ეროვნული ცენტრი), სადაც ხორციელდებოდა მსუბუქი ქიმიური ელემენტების იზოტოპური ნარევიდან ცალკეული იზოტოპების გამოყოფისა და სხვა იზოტოპით გამდიდრების სამუშაოები. ცენტრის კვლევის ძირითადი მიმართულებებია მაღალგამდიდრებული და მაღალი სისუფთავის ნახშირბადის ^13_6, აზოტის ^15_7, ბორის ^10_5 და ^11_5, ჟანგბადის ^17_8 და ^18_8 და სხვა სტაბილური იზოტოპების წარმოება, რომელიც ეფუძნება დაბალტემპერატურული რექტიფიკაციისა და იზოტოპების გაცვლის ქიმიურ მეთოდებს (ე. ოზიაშვილი, ფ. ასათიანი, გ. თევზაძე; სახელმწიფო პრემია 1982). ცენტრის სამეცნიერო-ტექნოლოგიური და საწარმოო პროდუქცია განკუთვნილია ატომური ენერგეტიკის, მიკროელექტრონიკის, მედიცინის, სოფლის მეურნეობისა და სხვა დარგებისათვის. 1960-1990 წლებში ცენტრი იყო ერთადერთი სტრუქტურა ევრაზიაში სტაბილური იზოტოპების წარმოების სფეროში.

 საუკუნის 60-იან წლებში მნიშვნელოვანი შედეგები წყალბადის იზოტოპების შესწავლაში მიღებული აქვს თ. ცეცხლაძეს.

 საუკუნის 70-70-იანი წლებში თსუ-ში მსუბუქი ქიმიური ელემენტების იზოტოპების თვისებებს თეორიულად იკვლევდნენ ვ. მამასახლისოვი, ი. ვაშაკიძე, გ. ჭილაშვილი და სხვა.

1974 წლიდან საქართელოს მეცნიერებათა აკადემიის ფიზიკის ინსტიტუტში ჰელიუმის ^3_2 იზოტოპის ზედენადობას, აგრეთვე სხვა თვისებებს იკვლევდნენ გ. ვაჩნაძე, ი. მამალაძე, ჯ. სანიკიძე, ჯ. წაქაძე, გ. ხარაძე და სხვანი. უფრო ადრე, 1946 წლიდან ჰელიუმის ^4_2 იზოტოპისზედენადობას იკვლევდა ე. ანდრონიკაშვილი.

1960-იან წლებში თსუ-ის ფიზიკის ფაკულტეტზე გ. მირიანაშვილის, ა. ბურჭულაძისა და ვ. კოკოჩაშვილის ძალისხმევით დაარსდა რადიონახშირბადის სამეცნიერო-კვლევითი ლაბორატორია არქეოლოგიური სინჯების აბსოლუტური ასკის განსაზღვრისათვის. 1975-2003 წლებში თსუ-ის რადიონახშირბადის ლაბორატორია, ბრატისლავის უნივერსიტეტის ბირთვული ფიზიკის კათედრასთან კოლაბორაციაში, იკვლევდა კოსმოგენური და ანთროპოგენული რადიონუკლიდების, კერძოდ , ნახშირბადის 146ც იზოტოპის დროით ვარიაციებს 1900-1980 წლების პერიოდში და სხვა რადიოეკოლოგიურ პრობლემებს. 1995-2003 წლებში ს. ფაღავამ, ვ. რუსეცკიმ და სხვებმა, სლოვაკ კოლეგებთან ერთად, შეისწავლეს სტრონციუმის 9038, ცეზიუმისა 13755 და პლუტონიუმის 23994 და 24094-ს იზოტოპების განაწილება შავი და კასპიის ზღვების სანაპირო ზოლში, წყალსა და ბიოტაში. 2007-2009 წლებში შესწავლილ იქნა რადონის 22286რნ იზოტოპის განაწილება თბილისის სხვადასხვა უბნებში — ვერა, მთაწმინდა, კალა, სოლოლაკი, კრწანისი, ასევე დელისისა და ვეძისის ერთ და ორსართულიანი საცხოვრებელი სახლების ნაწილში (აღმოჩნდა, რომ 22255 კონცენტრაცია აქ 1,5-2,5-ჯერ აღემატება ე. წ. „სამოქმედო დონეს“ — 148 ბკ/მ3). ამავე იზოტოპის გავრცელებას შავი ზღვის სანაპირო ზოლსა და დასავლეთ საქართველოს რეგიონის თერმულ წყლებში იკვლევდა ნ. კეკელიძე, ხოლო ა. ამირანაშვილი, ვ. ჩიხლაძე და სხვა — თბილისის შემოგარენში.

თსუ-ის ფიზიკის ფაკულტეტზე საუკუნის 70-იანი წლებიდან მოქმედებს იზოტოპური ანალიზის ლაბორატორია, სადაც მაღალი სიზუსტის თანამედროვე გამზომი აპარატურით ტარდება ნიმუშების იზოტოპური ანალიზი, კერძოდ, კვების პროდუქტებში, საშენ მასალებსა და ნიადაგის ნიმუშებში ცეზიუმის 13755 იზოტოპის კონსენტრაციის გაზომვა, ხელსაწყოების დაკალიბრება და სხვა.

1976 წელს თსუ-ის ფიზიკის ფაკულტეტის გამოყენებითი ბირთვული ფიზიკის ლაბორატორიის ბაზაზე შეიქმნა სსრკ-ში პირველი რესპუბლიკური მას-სპექტრომეტრული ცენტრი, სადაც ტარდებოდა და ტარდება ელემენტარული და იზოტოპური პრეციზიული ანალიზი მას-სპექტრომეტრული მეთოდებით — სეტყვის მარცვლისა და ბირთვის ანალიზი (წყალბადის /2 ფარდობების შეწავლა); გოგირდის იზოტოპური ფარდობების 3216/3416 დადგენა საქართველოს სიღრმულ და ზედაპირულ წყლებში; სიღრმული აირების (რადონი, წყალბადი, ჰელიუმი, ნეონი) და აეროზოლების ელემენტური და იზოტოპური შემადგენლობის განსაზღვრა მიწისძრის წინმსწრები მოვლენების შესწავლასთან დაკავშირებით; ნახშირბადისა და ჟანგბადის იზოტოპური ფარდობების დადგენა სხვადასხვა ობიექტებში; ნავთობშ არსებული მინარევების იზოტოპური და ელემენტური ანალიზი; მეტეორიტებში ლითიუმისა და ბორის იზოტოპური ფარდობების 63/73 და 105/115 დადგენა და მეტეორიტის ნივთიერების ელემენტური შემადგენლობის განსაზღვრა (მეთოდმა პირველად გახადა შესაძლებელი მეტეორიტის მიკრომოცულობებში 10-15-10-14 გ დონეზე მსუბუქი ქიმიური ელემენტების იზოტოპური შემდგენლობის განსაზღვრა: მ. კავილაძე, ნ. გუბაძე, ქ. ხაბულიანი, ლ. ცაგურიშვილი); რადიოაქტიური იზოტოპების შემცველობის განსაზღვრა საშენ მასალებში, საკვებ პროდუქტებში, სასმელ წყალში, ნიადაგში, საყოფაცხოვრებო ნივთებში და სხვა.

2008 წელს თ. კერესელიძის ხელმძღვანელობით თსუ-ში ჩამოყალიბდა აიდაჰოს უნივერსიტეტთან ერთობლივი მულტიდისციპლინური სამეცნიერო-კვლევითი ინსტიტუტი, სადაც მიმდინარეობს ურბანულ გარემოში ადამიანის ჯანმრთელობაზე რადონის 222,220,21986 იზოტოპებით და მათი რადიოაქტიური დაშლის პროდუქტებით (პოლონიუმი 218,216,215,214,21084, ბისმუტი 214,212,211,21083, ტყვია 208,207,20682, თალიუმი 20781) განპირობებული რისკების შეფასება, ასევე ნახშირბადის ^14_6 იზოტოპის მეთოდით ორგანული წარმოშობის არქეოლოგიური, გეოლოგიური, პალეობოტანიკური და პალეოგეოგრაფიული სინჯების აბსოლუტური ასაკის განსაზღვრის მეთოდოლოგიის სრულყოფა.

1983-2011 წლებში თსუ-ის ფიზიკის ფაკულტეტზე მიმდინარეობდა კოსმოგენური ნახშირბადის ^14_6 იზოტოპის კონცენტრაციის გაზომვები ხეების 1600-1940 წლების პერიოდის შესატყვის წლიურ რგოლებში. ამ კვლევებმა გამოავლინა გალაქტიკური კოსმოსური სხივების ინტენსივობის 22-წლიანი ციკლურობა მზის აქტივობის მაუნდერის მინიმუმის პერიოდში. დადგინდა, რომ ნახშირბადის ^14_6 იზოტოპის გავრცელება საიმედო ინფორმაციას იძლევა წარსულ ეპოქებში მზის აქტივობის შესაფასებლად.

თვისებები
სტაბილური იზოტოპების ყველაზე მაქსიმალური რაოდენობა (10) აქვს კალას , თუმცა არსებობს ისეთი ქიმიური ელემენტები, რომელთაც მხოლოდ ერთი სტაბილური ელემენტი გააჩნიათ (მაგალითად, ოქრო , იოდი და სხვა). ეს განსხვავება განპირობებულია ნუკლიდის ბირთვში პროტონებისა დ ანეიტრონების რაოდენობით: ბირთვები, რომლებიც შეიცავს პროტონების და/ან ნეიტრონების ე. წ. მაგიურ რიცხვს (2, 8, 10, 28, 50, 82, 126; ბოლო რიცხვი მხოლოდ ნეიტრონებს შეესაბამება), უფრო მდგრადია, ვიდრე მათი „მეზობელი“ ბირთვები. მიმდინარეობს სამეცნიერო კვლევები ახალი ზემძიმე ქიმიური ელემენტების იზოტოპების სინთეზის განსახორციელებლად, რომელთა მიზანია ე. წ. „სტაბილობის კუნძულის“ არსებობის ჰიპოთეზის შემოწმება: ნუკლეიდები პროტონების მაგიური რიცხვით =126, შესაძლოა საკმაოდ მდგრადი აღმოჩნდეს.

რადიოაქტიური იზოტოპების ნახევრადდაშლის პერიოდი 1/2 (იზოტოპების სიცოცხლის საშუალო ხანგრძლივობა = 1/2/2) ფართო საზღვრებში იცვლება. მაგალითად ლითიუმის იზოტოპს 43 აქვს 1/2=0,9·10-22 წამი, ხოლო ტელურს 12852 — 1/2=2,2·1024 წელი.

დედამიწაზე გავრცელებული იზოტოპების უმრავლესობა შორეულ წარსულში მიმდინარე ბირთვულ პროცესებში წარმოიშვა. იზოტოპების წარმოშობას, ბუნებაში მათ გავრცელებასა და პროცენტულ თანაფარდობას ხსნის თანამედროვე წარმოდგენები სამყაროსა და ასტრონომიული ობიექტების ევოლუციაზე. ამ წარმოდგენების შემოწმება ტარდება მათ შორის დიდ ჰადრონულ კოლაიდერზე მიმდინარე ექსპერიმენტებში, რომლებშიც მონაწილეობენ ქართელი ფიზიკოსებიც. ბუნებრივი ქიმიური ელემენტების იზოტოპური შემადგენლობა დედამიწაზე, როგორც წესი, არ განიცდის მნიშვნელოვან ცვლილებებს გარემოში მიმდინარე ქიმიური და ფიზიკური პროცესების შედეგად, მაგრამ იცვლება რადიოაქტიური დაშლის პროცესში. >82 მქონე ყველა იზოტოპი რადიოაქტიურია და წარმოიქმნება უფრო მძიმე იზოტოპების რადიოაქტიური დაშლების ჯაჭვის შედეგად. იზოტოპების მასური რიცხვი -დაშლისას მცირდება 4-ით, ხოლო - და - დაშლისას არ იცვლება.

გამოყენების სფეროები
ატმოსფეროსა და დედამიწის ქერქში შემავალი მსუბუქი ქიმიური ელემენტის იზოტოპური შემადგენლობა უმნიშვნელოდ ვარირებს მიმდინარე პროცესების (ნივთიერებების აგრეგატული მდგომარეობის ცვლილება — აორთქლება, გახსნა, დიფუზია და სხვა) გამო. ბიოსფეროში ინტენსიურად მიგრირებული ზოგიერთი ქიმიური ელემენტის (წყალბადი , ნახშირბადი , აზოტი , ჟანგბადი , გოგირდი ) იზოტოპური შემადგენლობა იცვლება ცოცხალ ორგანიზმებში ნივთიერებათა ცვლის პროცესებში. ნამარხ ყინულებში (ანტარქტიდასა და არქტიკაში მოპოვებული ყინულის კერნებში) ჟანგბადის იზოტოპების 188/168 ფარდობის საფუძველზე ხდება პალეოკლიმატური პირობების რეკონსტრუქცია. დიდი 1/2 მქონე იზოტოპების პროცენტული შემადგენლობის საფუძველზე ადგენენ გეოლოგიური ნიმუშების, ასევე, მეტეორიტებისა და სხვა ციური სხეულების ასაკს (მაგალითად, ურან-ტყვიის ან კალიუმ-არგონის იზოტოპების პროცენტულ შემადგენლობაზე დაყრდნობით); არქეოლოგიური მასალების დათარიღებისათვის ზომავენ ნახშირბადის იზოტოპების 146/126 ფარდობას და სხვა. სტაბილურ და რადიოაქტიურ იზოტოპებს ფართოდ იყენებენ მეცნიერებისა და ტექნიკის სხვადასხვა დარგში, ასევე სამხედრო მიზნებისათვის. სტაბილური და რადიოაქტიური იზოტოპების შემცველ პრეპარატებს მოიხმარენ ზოგიერთი დაავადების დიაგნოსტიკისა და მკურნალობისათვის (კომპიუტერულ ტომოგრაფიაში კონტრასტის ფონზე იოდის 12753 სტაბილურ იზოტოპს, პოზიტრონულ-ემისიურ ტომოგრაფიაში ფტორის 189 იზოტოპს და სხვა). კობალტის და ცეზიუმის რადიოაქტიური იზოტოპები 6027 და 13724 -გამოსხივების წყაროს წარმოადგენს და ფართოდ გამოიყენება სხვადასხვა მიზნებისათვის. ატომურ ენერგეტიკაში ბირთვულ „საწვავად“ იყენებენ ურანისა და პლუტონიუმის 23392, 23592, 23994, 24194, რადიოაქტიურ იზოტოპებს. 23292 იზოტოპი გამოიყენება კოსმოსური აპარატების ენერგეტიკულ დანადგარებში.

იზობარები
ატომებს, რომელთაც აქვთ ერთნაირი მასური რიცხვები, მაგრამ პროტონებისა და ნეიტრონების განსხვავებული რაოდენობა, იზობარები ეწოდებათ. მაგალითად, 4018 , 4019 და 4020.

იზოტონები
ატომებს, რომელთაც ბირთვში აქვთ ნეიტრონების ერთნაირი რაოდენობა, მაგრამ განსხვავდებიან პროტონების რიცხვით (ე.ი. ბირთვის მუხტით), იზოტონები ეწოდებათ. მაგალითად: 13654, 13856, 13957 (ნეიტრონების რაოდენობა სამივე ატომის ბირთვში 82-ის ტოლია).