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 1,000 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, ומייצג 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 קטנה פי כ-2,000 ממסת הפרוטון או הנייטרון ולכן זניחה וניתן להתעלם ממנה.

גרעינים שונים של אותו יסוד (כלומר מספר זהה של פרוטונים, אך מספר נייטרונים שונה) נקראים איזוטופים של היסוד. לדוגמה, מימן הוא היסוד הכימי שבגרעין האטום שלו קיים פרוטון אחד בלבד. לרוב, בגרעין מימן אין נייטרונים, ולכן זהו האיזוטופ הנפוץ של מימן. עם זאת, קיימים עוד איזוטופים: גרעין שמכיל פרוטון אחד ונייטרון אחד גם הוא גרעין מימן (בגלל קיום פרוטון בודד) אך זהו איזוטופ שונה שלרוב נקרא דאוטריום או "מימן כבד". בנוסף, קיים איזוטופ נוסף של מימן המכיל שני נייטרונים בגרעין הנקרא טריטיום.

לפעמים איזוטופ מסוים של היסוד מהווה את רוב האטומים של יסוד זה. זהו לדוגמה המצב במימן בו רוב האטומים שלו הם מהאיזוטופ בלי נייטרונים. לעומת זאת, קיימים יסודות בעלי שכיחות דומה של האיזוטופים השונים. לדוגמה, הגז האציל קסנון הוא בעל גרעין עם 54 פרוטונים, וניתן למצוא אותו בטבע בשלושה איזוטופים בעלי תפוצה דומה: 75, 77 או 78 נייטרונים.

בניגוד למימן, שבה לכל איזוטופ יש שם, מרבית האיזוטופים אינם קרויים בשם, אלא קרויים בשם הבנוי משם היסוד ומספר הנוקליאונים (הפרוטונים והנייטרונים שבגרעין) הכולל 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. עוד דוגמה היא היסוד הכימי פחמן (סימון כימי: C), בעל 6 פרוטונים. 99% מגרעיני הפחמן הם בעלי 6 נייטרונים ולכן מסמנים את האיזוטופ הנפוץ ביותר של פחמן כפחמן-12 או 12C. עם זאת, אחוז מכלל אטומי הפחמן הוא 13C ובאטמוספירה נוצרת כל הזמן כמות מזערית ביותר של 14C שדועכת עם הזמן.

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.

משום שאין הבדלים כימיים בין האיזוטופים השונים של אותו יסוד, לא ניתן להבדיל ביניהם באמצעים כימיים. לדוגמה, כאשר יוצרים מולקולות פחמן דו-חמצני (CO2), כ-99% מהמולקולות יכללו אטום פחמן-12 וכ-1% יכללו פחמן-13, בהתאם לשכיחות שלהם בטבע. כלומר, לאטומי החמצן "לא אכפת" איזה סוג פחמן נקשר אליהם.

למרות שאיזוטופים שונים מגיבים כימית באותו אופן, מהירות תגובתם עשויה להיות שונה. תופעה זו נקראת  ובולטת בעיקר ביסודות עם מספר אטומי נמוך, בהם תוספת הנייטרונים משפיעה מהותית על מסת האטום (מימן כבד למשל כפול במסתו מן המימן). איזוטופ כבד יותר יגיב לרוב לאט יותר, אך אין זה תמיד כך.

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). 
ניתן לזהות את שכיחותם באמצעות ספקטרומטר מסה. הבדל נוסף אפשרי הוא בתהודה מגנטית גרעינית, אם לאיזוטופ מסוים (כמו 31P, 1H וכו') יש ספין 1/2+ ניתן לראותו במכשיר NMR, או לפחות את האחוז היחסי שלו מתוך היסוד.

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.

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.

 מחקר ההיסטוריה של האקלים 
היחס האיזוטופי במים שברקמות הגוף יכול לשמש כחלון אל תנאי הסביבה בעבר. אטומים של מים יכולים להיות איזוטופים שונים. למשל, המימן יכול להיות איזוטופ פרוטיום (¹H) או דאוטריום (²H), והחמצן יכול להיות חמצן-16, חמצן-17 או חמצן-18. היחס בין האיזוטופים 16 ו-18 וכן ²H ו-¹H במים מושפע מגורמים שונים, ובהם טמפרטורה, לחות ואידוי. היחסים בין האיזוטופים נשמרים ברקמות ביולוגיות, ובהן שיניים, עצמות ושערות, והם משקפים את המים שצרך בעל החיים. המים האלה מגיעים מהסביבה, ממקורות שתייה וממזון, ולכן היחס האיזוטופי שקיים בהם משקף את תנאי האקלים. אלה מושפעים מריכוז גזי החממה, שכוללים פחמן דו-חמצני. ריכוז גבוה של פחמן דו-חמצני באטמוספירה גורם לשינוי אקלים גלובלי וזה משנה את דפוסי האידוי, המשקעים וזרימת המים, מה שמשפיע על היחס האיזוטופי שבמים. כך מדידת היחס האיזוטופי ברקמות עתיקות יכולה לעזור לשחזר תנאי אקלים, ובאופן עקיף לעזור לנו להסיק על רמות הפחמן הדו-חמצני באותה תקופה. מדידה כזו בוצעה על שיני דינוזאורים. D. Feng, T. Tütken, E.M. Griebeler, D. Herwartz, & A. Pack, Mesozoic atmospheric CO2 concentrations reconstructed from dinosaur tooth enamel, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (33) e2504324122, https://doi.org/10.1073/pnas.2504324122 (2025).

 זמן מחצית החיים של יסודות 83 עד 118
כל היסודות בעלי מספר אטומי מעל 82 (עופרת) אינם יציבים, וככלל, זמן מחצית החיים פוחת עם עליית המספר האטומי, החל מהיסוד היציב למדי אורניום (מספר 92) ועד היסוד הכבד ביותר 118. זמן מחצית החיים גדל בתחום היסודות 103 עד 105, יורד ביסוד 106 ועולה שוב קלות ביסודות 110 עד 114, מה שמרמז על היתכנות אי של יציבות.

בטבלה מוצג זמן מחצית החיים של האיזוטופ היציב ביותר של היסוד בטווח.

 מספר אטומי  שם היסוד  האיזוטופ היציב ביתר  מחצית חיים 83 ביסמוט  209Bi 2 × 1019 שנים 84 פולוניום  209Po 130 שנים 85 אסטטין  210At 8 שעות 86 רדון  222Rn 3.824 ימים 87 פרנציום 223Fr 22.0 דקות 88 רדיום  226Ra 1600 שנים 89 אקטיניום  227Ac 21.77 שנים 90 תוריום  232Th 1.41 × 1010 שנים 91 פרוטקטיניום  231Pa 32800 שנים 92 אורניום  238U 4.47 × 109 שנים 93 נפטוניום  237Np 2.14 × 106 שנים 94 פלוטוניום  244Pu 8.0 × 107 שנים 95 אמריציום  243Am 7400 שנים 96 קוריום  247Cm 1.6 × 107 שנים 97 ברקליום  247Bk 1000 שנים 98 קליפורניום  251Cf 900 שנים 99 איינשטייניום  252Es 470 ימים 100 פרמיום  257Fm 100.5 ימים 101 מנדלביום  258Md 51.5 ימים 102 נובליום  259No 58 דקות 103 לורנציום  266Lr ~11 שעות 104 רתרפורדיום  267Rf ~1.3 שעות 105 דובניום  268Db 1.3 ימים 106 סיבורגיום  269Sg ~3.1 דקות 107 בוהריום  270Bh 3.8 דקות 108 האסיום  277mHs ~130 שניות 109 מייטנריום  278Mt 7.6 שניות 110 דרמשטטיום  281mDs ~3.7 דקות 111 רנטגניום  282Rg 2.1 דקות 112 קופרניקיום  285mCn ~8.9 דקות 113 ניהוניום  286Nh 19.6 שניות 114 פלרוביום  289mFl ~1.1 דקות 115 מוסקוביום  289Mc 220 מילי-שניות 116 ליברמוריום  293Lv 61 מילי-שניות 117 טנסין  294Ts 78 מילי-שניות 118 אוגאנסון  294Og 890 מיקרו-שניות

בדרך-כלל, מספר הנייטרונים בגרעין שווה או גדול ממספר הפרוטונים. הליום-3 ומימן-1 הם שני האיזוטופים היציבים היחידים בהם מספר הפרוטונים גדול ממספר הנייטרונים.


ראו גם
 נוקליד
 פרדריק סודי
 פרנסיס ויליאם אסטון
 איזוטופולוג
 אי של יציבות
גבישי מולקולות

קישורים חיצוניים

 מידע על איזוטופים
 טבלה ובה פרטים על כל האיזוטופים הקיימים

 Table of Isotopic Masses and Natural Abundances, University of Alberta
 Live Chart of Nuclides, International Atomic Energy Agency

הערות שוליים

*
קטגוריה:כימיה פיזיקלית
קטגוריה:פיזיקה גרעינית