Изотоп

Изотопите — различни јадрени видови (или ''нуклиди'') од истиот хемиски елемент. Тие имаат ист атомски број (број на протони во нивните јадра) и местоположба во периодниот систем (и оттука припаѓаат на истиот хемиски елемент), но различни нуклеонски броеви (масени броеви) поради различниот број на неутрони во нивните јадра. Додека сите изотопи на даден елемент имаат слични хемиски својства, тие имаат различни атомски маси и физички својства.
Терминот изотоп е изведен од грчките корени исос (ἴσος „еднаков“) и топос (τόπος „место“), што значи „исто место“; Така, значењето зад името е дека различни изотопи на еден елемент заземаат иста местоположА на периодниот систем. Бил измислен од шкотската докторка и писателка Маргарет Тод во предлог од 1913 година до британскиот хемичар Фредерик Соди, кој го популаризирал терминот.
Бројот на протони во атомското јадро се нарекува негов атомски број и е еднаков на бројот на електрони во неутралниот (нејонизиран) атом. Секој атомски број идентификува специфичен елемент, но не и изотоп; атом на даден елемент може да има широк опсег на неговиот број на неутрони. Бројот на нуклеони (и протони и неутрони) во јадрото е масниот број на атомот, и секој изотоп на даден елемент има различен масен број.
На пример, јаглерод-12, јаглерод-13 и јаглерод-14 се три изотопи на елементот јаглерод со масен број 12, 13 и 14, соодветно. Атомскиот број на јаглерод е 6, што значи дека секој јаглероден атом има 6 протони, така што неутронските броеви на овие изотопи се соодветно 6, 7 и 8.
1 Изотоп наспроти нуклид
Нуклид е вид на атом со специфичен број на протони и неутрони во јадрото, на пример, јаглерод-13 со 6 протони и 7 неутрони. Концептот на ''нуклид'' (се однесува на поединечни јадрени видови) ги нагласува јадрените својства над хемиските својства, додека концептот на ''изотоп'' (групирање на сите атоми на секој елемент) ги нагласува хемиските пред јадрените. Бројот на неутроните во голема мера влијае на јадрените својства, но неговиот ефект врз хемиските својства е занемарлив за повеќето елементи. Дури и за најлесните елементи, чиј сооднос меѓу неутронскиот број и атомскиот број најмногу варира помеѓу изотопите, тој обично има само мал ефект, иако тоа е важно во некои околности (за водородот, најлесниот елемент, ефектот на изотоп е доволно голем за да влијае силно на биологијата). Терминот ''изотопи'' (оригинално, исто така, ''изотопски елементи'', понекогаш ''изотопски нуклиди'' ) има за цел да покаже споредба (како ''синоними'' или ''изомери''). На пример, нуклидите , , се изотопи (нуклиди со ист атомски број, но различен масен број ), но , , се изобари (нуклиди со ист масен број ). Сепак, ''изотоп'' е постар термин и затоа е попознат од ''нуклид'' и сè уште понекогаш се употребува во контексти во кои ''нуклидот'' може да биде посоодветен, како што се јадрената технологија и јадрената медицина.
2 Означување
Изотоп и/или нуклид се специфицирани со името на конкретниот елемент (ова го означува атомскиот број) проследено со цртичка и масен број (на пр. хелиум-3, хелиум-4, јаглерод-12, јаглерод-14, ураниум-235 и ураниум-239). Кога се употребува хемиски симбол, на пр. „C“ за јаглерод, стандардната ознака (денес позната како „AZE ознака“ бидејќи ''A'' е масен број, ''Z'' атомски број и E за елементот) е да го означи масниот број (бројот на нуклеони) со надпис во горниот лев агол на хемискиот симбол и да го означи атомскиот број со знакот во долниот лев агол (на пр , , , , и ). Бидејќи атомскиот број е даден со симболот на елементот, вообичаено е да се наведе само масниот број во надредениот знак и да се изостави подлогата на атомскиот број (на пр. , , , , и ). Буквата ''m'' (за метастабилна) понекогаш се додава по масниот број за да означи јадрениот изомер, метастабилна или енергетски возбудена јадрена состојба (за разлика од основната состојба со најниска енергија), на пример (тантал-180м).
Заедничкиот изговор на ознаката AZE се разликува од тоа како е напишано: најчесто се изговара како хелиум-четири наместо четири-два-хелиум, и како ураниум две-триесет и пет (американско англиски) или ураниум-два-три-пет (британски) наместо 235-92-ураниум.
3 Радиоактивни, првобитни и стабилни изотопи
Некои изотопи/нуклиди се радиоактивни и затоа се нарекуваат радиоизотопи или радионуклиди, додека кај други пак никогаш не било забележано дека радиоактивно се распаѓаат и се нарекуваат стабилни изотопи или стабилни нуклиди. На пример, е радиоактивен облик на јаглерод, додека и се стабилни изотопи. Постојат околу 339 природни нуклиди на Земјата, од кои 286 се првобитни нуклиди, што значи дека тие постојат уште од формирањето на Сончевиот Систем.
Првобитните нуклиди вклучуваат 35 нуклиди со многу долг полураспад (над 100 милиони години) и 251 кои формално се сметаат за „ стабилни нуклиди“, бидејќи не е забележано дека се распаѓаат. Во повеќето случаи, од очигледни причини, доколку некој елемент има стабилни изотопи, тие изотопи преовладуваат во елементарната застапеност што се наоѓа на Земјата и во Сончевиот Систем. Меѓутоа, во случаите на три елементи (телур, индиум и рениум) најзастапениот изотоп пронајден во природата е всушност еден (или два) екстремно долготрајни радиоизотоп(и) на елементот, и покрај тоа што овие елементи имаат еден или повеќе стабилни изотопи.
Теоријата предвидува дека многу навидум „стабилни“ нуклиди се радиоактивни, со екстремно долг полураспад (намалувајќи ја можноста за протонски распад, што би ги направило сите нуклиди на крајот нестабилни). Некои стабилни нуклиди се теоретски енергетски подложни на други познати форми на распаѓање, како што е алфа-распадот или двојниот бета-распад, но сè уште не се забележани распадни производи, и затоа се вели дека овие изотопи се „набљудувачко стабилни“. Предвидениот полураспад за овие нуклиди често во голема мера ја надминува проценетата старост на Вселената, а всушност, постојат и 31 познати радионуклиди (види првобитен нуклид) со полураспад подолг од староста на Вселената.
Додавајќи ги радиоактивните нуклиди кои се создадени вештачки, постојат 3.339 моментално познати нуклиди. Тие вклучуваат 905 нуклиди кои се или стабилни или имаат полураспад подолг од 60 минути.
4 Историја
4.1 Радиоактивни изотопи
Постоењето на изотопи првпат било предложено во 1913 година од радиохемичарот Фредерик Соди, врз основа на испитувања за радиоактивни распадни ланци кои укажале на околу 40 различни видови наведени како радиоелементи (т.е. радиоактивни елементи) помеѓу ураниум и олово, иако периодниот систем дозволува само 11 елементи помеѓу олово и ураниум.
Неколку обиди за хемиски раздвојување на овие нови радиоелементи биле неуспешни. На пример, Соди покажал во 1910 година дека мезоториумот (подоцна се покажало како <sup>228</sup>Ra), радиум (<sup>226</sup>Ra, најдолговечниот изотоп), и ториум X (<sup>224</sup>Ra) е невозможно да се одвојат. Обидите да се постават радиоелементите во периодниот систем ги навеле Соди и Казимир Фајанс независно да го предложат својот закон за радиоактивно поместување во 1913 година, според тоа дека алфа-распадот произведува елемент две места лево во периодниот систем, додека емисијата на бета-распад произведува елемент едно место надесно. Соди докажал дека емисијата на алфа-честичка проследена со две бета честички довела до формирање на елемент хемиски идентичен со почетниот елемент, но со маса за четири единици полесна и со различни радиоактивни својства.
Соди предложил неколку типови на атоми (кои се разликуваат по радиоактивни својства) да го заземат истото место во табелата. На пример, алфа-распадот на ураниум-235 формира ториум-231, додека бета-распадот на актиниум-230 формира ториум-230. Терминот „изотоп“, на грчки значи „на истото место", ѝ бил предложен на Соди од Маргарет Тод, шкотски лекар и семеен пријател, за време на разговор во кој тој и ги објаснил своите идеи. Тој ја добил Нобеловата награда за хемија во 1921 година делумно за неговата работа на изотопи.
Во 1914 година, Теодор Ричардс открил варијации помеѓу атомската тежина на оловото од различни минерални извори, што се припишуваат на варијации во изотопскиот состав поради различното радиоактивно потекло.
4.2 Стабилни изотопи
Првиот доказ за повеќе изотопи на стабилен (нерадиоактивен) елемент бил пронајден од Џозеф Џон Томсон во 1912 година како дел од неговото истражување во составот на каналните зраци (позитивни јони). Томсон канализирал струи на неонски јони низ паралелни магнетни и електрични полиња, го мерел нивното отклонување ставајќи фотографска плоча на нивниот пат и го пресметал нивниот однос маса и полнеж користејќи метод кој станал познат како метод на Томсонова парабола. Секој поток создава блескава лепенка на плочата во точката што ја удира. Томсон забележал две одделни параболични дамки на светлина на фотографската плоча (види слика), што сугерирало два вида јадра со различен однос маса-полнење. Тој напишал: „''Затоа, сметам дека може да има мало сомневање дека она што се нарекува неон не е едноставен гас, туку смеса од два гаса, од кои едниот има атомска тежина околу 20, а другиот околу 22. Параболата поради потешкиот гас е секогаш многу побледа од онаа поради полесниот, така што веројатно потешкиот гас формира само мал процент од смесата''."
Френсис Астон последователно открил повеќе стабилни изотопи за бројни елементи користејќи масен спектрограф. Во 1919 година Астон го проучувал неонот со доволна резолуција за да покаже дека двете изотопски маси се многу блиску до цели броеви 20 и 22 и дека ниту еден не е еднаков на познатата моларна маса (20,2) на неонскиот гас. Ова е пример на Астоновото правило за цели броеви за изотопски маси, кое вели дека големите отстапувања на елементарните моларни маси од цели броеви првенствено се должат на фактот дека елементот е мешавина од изотопи. Астон на сличен начин покажал во 1920 година дека моларната маса на хлорот (35,45) е пондериран просек од речиси интегралните маси за двата изотопи <sup>35</sup>Cl и <sup>37</sup>Cl.
4.3 Неутрони
По откривањето на неутронот од страна на Џејмс Чедвик во 1932 година, била разјаснета крајната основна причина за постоењето на изотопи, односно јадрата на различни изотопи за даден елемент имаат различен број на неутрони, иако имаат ист број на протони.
5 Варијации во својствата помеѓу изотопи
5.1 Хемиски и молекуларни својства
Неутрален атом има ист број на електрони како и протони. Така, различните изотопи на даден елемент имаат ист број на електрони и споделуваат слична електронска структура. Бидејќи хемиското однесување на атомот во голема мера е определено од неговата електронска структура, различните изотопи покажуваат речиси идентично хемиско однесување.
Главниот исклучок од ова е ефектот на кинетичкиот изотоп: поради нивните поголеми маси, потешките изотопи имаат тенденција да реагираат нешто побавно од полесните изотопи на истиот елемент. Ова е убедливо најизразено за протиумот, деутериум, и тритиум, бидејќи деутериумот има двојно поголема маса од протиум, а тритиумот има три пати поголема маса од протиум. Овие масивни разлики влијаат и на однесувањето на нивните соодветни хемиски врски, со менување на средиштето на гравитација (намалена маса) на атомските системи. Меѓутоа, за потешките елементи, релативната масена разлика помеѓу изотопите е многу помала, така што ефектите на разликата во масата врз хемијата обично се занемарливи. (Тешките елементи, исто така, имаат релативно повеќе неутрони од полесните елементи, така што односот на јадрената маса со колективната електронска маса е малку поголем.) Исто така, постои ефект на изотоп на рамнотежа.
Слично на тоа, две молекули кои се разликуваат единствено во изотопите на нивните атоми (изотополози) имаат идентични електронски структури, и затоа речиси не се разликуваат физички и хемиски својства (повторно со деутериум и тритиум кои се примарни исклучоци). Вибрационите начини на молекулата се одредуваат според неговата форма и од масите на нејзините составни атоми; така што различните изотополози имаат различни множества на вибрациони режими. Бидејќи режимите на вибрации дозволуваат молекулата да впива фотони со соодветните енергии, изотополозите имаат различни оптички својства во инфрацрвениот опсег.
5.2 Јадрени својства и стабилност
Атомските јадра се состојат од протони и неутрони поврзани заедно со преостанатата јадрена сила. Бидејќи протоните се позитивно наелектризирани, тие се одбиваат едни со други. Неутроните, кои се електрично неутрални, го стабилизираат јадрото на два начини. Нивната заедничко присуство ги турка протоните малку настрана, намалувајќи ја електростатската одбивност помеѓу протоните и тие вршат привлечна јадрена сила едни на други и на протоните. Поради оваа причина, еден или повеќе неутрони се неопходни за два или повеќе протони да се поврзат во јадрото. Како што се зголемува бројот на протони, така се зголемува и односот на неутроните и протоните неопходен за да се обезбеди стабилно јадро (види графикон десно). На пример, иако односот неутрони: протон е 1:2, односот неутрони:протон е е поголем од 3:2. Голем број полесни елементи имаат стабилни нуклиди со сооднос 1:1 (Z = N). Нуклидот (калциум-40) е набљудувачки најтешкиот стабилен нуклид со ист број на неутрони и протони. Сите стабилни нуклиди потешки од калциум-40 содржат повеќе неутрони отколку протони.
5.3 Numbers of isotopes per element
Од 80 елементи со стабилен изотоп, најголемиот број на стабилни изотопи забележани за кој било елемент е десет (за елементот калај). Ниту еден елемент нема девет или осум стабилни изотопи. Пет елементи имаат седум стабилни изотопи, осум имаат шест стабилни изотопи, десет имаат пет стабилни изотопи, девет имаат четири стабилни изотопи, пет имаат три стабилни изотопи, 16 имаат два стабилни изотопи (броејќи како стабилни), а 26 елементи имаат само еден стабилен изотоп (од нив, 19 се таканаречени еднонуклидни елементи, кои имаат единствен исконски стабилен изотоп кој доминира и ја фиксира атомската тежина на природниот елемент на висока прецизност; се појавуваат и 3 радиоактивни мононуклидни елементи). Вкупно, има 251 нуклид за кои не е забележано да се распаѓаат. За 80 елементи кои имаат еден или повеќе стабилни изотопи, просечниот број на стабилни изотопи е 251/80 ≈ 3,14 изотопи по елемент.
5.4 Парни и непарни нуклеонски броеви
+ Even/odd ''Z'', ''N'' ( as OE), p, n, EE, OO, EO, OE, Total
Стабилност, 145, 5, 53, 48, 251
Полураспад, 23, 4, 3, 5, 35
Сите првобитни, 168, 9, 56, 53, 286
Односот протон:неутрон не е единствениот фактор што влијае на јадрената стабилност. Тоа зависи и од парноста или непарноста на неговиот атомски број Z, неутронскиот број N и, следствено, од нивниот збир, масниот број A. Волшебноста на Z и N има тенденција да ја намали јадрената енергија на сврзување, правејќи ги непарните јадра, генерално, помалку стабилни. Оваа извонредна разлика во јадрената енергија на сврзување помеѓу соседните јадра, особено на непарните А изобари, има важни последици: нестабилните изотопи со неоптимален број на неутрони или протони се распаѓаат со бета-распад (вклучувајќи ја емисијата на позитрон), електронски зафат или други поретки начини на распаѓање, како што се спонтаното цепење и кластерскиот распад.
Повеќето стабилни нуклиди се парни-протон-парни-неутрони, каде што сите броеви Z, N и A се парни. Нуклидите непарни -А се поделени (приближно рамномерно) на непарни-протон-парни-неутрони и парни-протон-непарни-неутрони. Стабилните непарни-протон-непарни-неутронски нуклиди се најмалку чести.
5.4.1 Атомски број
146-те нуклиди со парен протон, парен неутрон (ЕЕ) сочинуваат ~ 58% од сите стабилни нуклиди и сите имаат спин 0 поради спарувањето. Има и 24 првобитни долговечни дури и нуклиди. Како резултат на тоа, секој од 41 парен елемент од 2 до 82 има барем еден стабилен изотоп, а повеќето од овие елементи имаат неколку првобитни изотопи. Половина од овие парно нумерирани елементи имаат шест или повеќе стабилни изотопи. Екстремната стабилност на хелиум-4 поради двојното спарување на 2 протони и 2 неутрони спречува какви било нуклиди кои содржат пет или осум нуклеоните од постоечките доволно долго за да служат како платформи за создавање на потешки елементи преку јадрено соединување во ѕвезди (види троен алфа-процес).
+ Времетраере на Пар-непар, , Распад, Период на полураспад
бета, 7.7 г
алфа, 1.06 г
алфа, 7.04 г
Само пет стабилни нуклиди содржат и непарен број протони и непарен број неутрони. Првите четири „непарно-непарни“ нуклиди се јавуваат во нуклиди со мала маса, за кои менувањето на протон во неутрон или обратно би довело до многу искривен однос протон-неутрони (, , , и ; спин 1, 1, 3, 1). Единствениот друг целосно „стабилен“ непарен-непарен нуклид, (спин 9), се смета дека е најретката од 251 стабилни нуклиди и е единствениот исконски јадрен изомер, кој сè уште не е забележан дека се распаѓа и покрај експерименталните обиди.
Познати се многу непарни-непарни радионуклиди (како основната состојба на тантал-180) со релативно краток полураспад. Вообичаено, тие бета-распаѓаат до нивните блиски дури и изедначени изобари кои имаат спарени протони и спарени неутрони. Од деветте првобитни непарни и непарни нуклиди (пет стабилни и четири радиоактивни со долг полураспад), само е најчестиот изотоп на заеднички елемент. Ова е случај затоа што е дел од Јаглеродно-азотно-кислородниот циклус. Нуклидите и се малцински изотопи на елементи кои самите се ретки во споредба со другите лесни елементи, додека другите шест изотопи сочинуваат само мал процент од природната застапеност на нивните елементи.
5.4.2 Непарен атомски број
53 стабилни нуклиди имаат парен број на протони и непарен број на неутрони. Тие се малцинство во споредба со парните изотопи, кои се околу 3 пати побројни. Помеѓу 41 парен- Z елемент кои имаат стабилен нуклид, само два елементи (аргон и цериум) немаат парни-непарни стабилни нуклиди. Еден елемент (калај) има три. Има 24 елементи кои имаат еден пар-непар нуклид и 13 кои имаат два парни-непарни нуклиди. Од 35 првобитни радионуклиди постојат четири парни-непарни нуклиди (види табела десно), вклучувајќи го и . Поради нивниот непарен број на неутрони, парните-непарните нуклиди имаат тенденција да имаат големи пресеци за неутронски зафат, поради енергијата што произлегува од ефектите на спарување на неутрони. Овие стабилни парни-протонски неутронски нуклиди имаат тенденција да се невообичаени по изобилство во природата, генерално затоа што, за да се формираат и да влезат во исконско изобилство, тие мора да избегале од фаќање неутрони за да формираат други стабилни парни-парни изотопи, и за време на s-процесот и за време на r-процесот на фаќање на неутрони во текот на нуклеосинтезата на ѕвездите. Поради оваа причина, само и се природно најзастапените изотопи на нивниот елемент.
48 стабилни непарни-протон-парни-неутрони нуклиди, стабилизирани со нивните спарени неутрони, ги формираат повеќето стабилни изотопи на непарните елементи; многу малку непарни-протон-неутронски нуклиди ги сочинуваат другите. Има 41 непарен елемент со Z = 1 до 81, од кои 39 имаат стабилни изотопи (технициум и прометиум немаат стабилни изотопи). Од овие 39 непарни Z елементи, 30 елементи (вклучувајќи го водород-1 каде 0 неутрони е парен ) имаат еден стабилен непарен изотоп и девет елементи:
хлор,
калиум,
бакар,
галиум,
бром,
сребро,
антимон,
иридиум, and
талиум, имаат по два непарни-парни стабилни изотопи. Ова прави вкупно 30 + 2(9) = 48 стабилни непарни изотопи.
Исто така, постојат пет исконски долговечни радиоактивни непарни изотопи, , , , , and . Последните две неодамна биле откриени дека се распаѓаат, со полураспад поголем од 10 години.
5.4.3 Непарен неутронски број
+ Паритет на неутронски број, N, Even, Odd
Stable, 193, 58
Long-lived, 28, 7
All primordial, 221, 65
Актинидите со непарен неутронски број се генерално фисилни (со термички неутрони ), додека оние со парен неутронски број генерално не се, иако се расцепуваат со брзи неутрони . Сите набљудувачки стабилни непарни-непарни нуклиди имаат ненула целоброен спин. Тоа е затоа што единечниот неспарен неутрон и неспарениот протон имаат поголема привлечност на јадрена сила еден кон друг ако нивните вртења се порамнети (произведувајќи вкупно спин од најмалку 1 единица), наместо анти-порамнети. Видете деутериум за наједноставниот случај на ова јадрено однесување
Само , , и имаат непарен неутронски број и се природно најзастапениот изотоп на нивниот елемент.
6 Појава во природата
Елементите се составени или од еден нуклид (еднонуклидни елементи), или од повеќе од еден природен изотопи. Нестабилните (радиоактивни) изотопи се или првобитни или постппрвобитни. Првобитните изотопи биле производ на ѕвездена нуклеосинтеза или друг тип на нуклеосинтеза како што е распрснувањето на космичките зраци, и опстојуваат до денес бидејќи нивната стапка на распаѓање е многу бавна (на пр. ураниум-238 и калиум-40). Пост-првобитните изотопи се создадени со бомбардирање на космички зраци како космогени нуклиди (на пример, тритиум, јаглерод-14), или со распаѓање на радиоактивен првобитен изотоп до ќерка на радиоактивен радиоген нуклид (на пр. ураниум во радиум). Неколку изотопи природно се синтетизираат како нуклеогени нуклиди, со некоја друга природна реакција, како на пример кога неутроните од природното јадрено цепење се апсорбираат од друг атом.
Како што бише дискутирано погоре, само 80 елементи имаат стабилни изотопи, а 26 од нив имаат само еден стабилен изотоп. Така, околу две третини од стабилните елементи природно се појавуваат на Земјата во повеќе стабилни изотопи, при што најголемиот број стабилни изотопи за елемент е десет, за калај. На Земјата има околу 94 елементи природно (до плутониум), иако некои се откриени само во многу мали количини, како што е плутониум-244. Научниците проценуваат дека елементите кои природно се појавуваат на Земјата (некои само како радиоизотопи) се јавуваат како вкупно 339 изотопи (нуклиди). Само 251 од овие природни нуклиди се стабилни, во смисла дека никогаш не биле забележани да се распаѓаат до сега. Дополнителни 35 првобитни нуклиди (на вкупно 286 првобитни нуклиди) се радиоактивни со познати полураспади, но имаат полураспад подолг од 100 милиони години, што им овозможува да постојат од почетокот на Сончевиот Систем.
Сите познати стабилни нуклиди се јавуваат природно на Земјата; другите природни нуклиди се радиоактивни, но се појавуваат на Земјата поради нивниот релативно долг полураспад или поради други средства за тековно природно производство. Тие ги вклучуваат гореспоменатите космогени нуклиди, нуклеогените нуклиди и сите радиогени нуклиди формирани со тековно распаѓање на првобитен радиоактивен нуклид, како што се радон и радиум од ураниум.
Дополнителни ~ 3000 радиоактивни нуклиди кои не се наоѓаат во природата се создадени во јадрените реактори и во акцелераторите на честички. Многу краткотрајни нуклиди кои не се наоѓаат природно на Земјата, исто така, се забележани со спектроскопска анализа, природно создадени во ѕвезди или супернови. Пример е алуминиум-26, кој природно не се наоѓа на Земјата, но го има во застапеност на астрономски размери.
Табеларните атомски маси на елементите претставуваат просеци кои го објаснуваат присуството на повеќе изотопи со различни маси. Пред откривањето на изотопите, емпириски утврдените нецелобројни вредности на атомската маса ги збуниле научниците. На пример, примерок од хлор содржи 75,8% хлор-35 и 24,2% хлор-37, што дава просечна атомска маса од 35,5 единици на атомска маса.
Според општо прифатената теорија на космологијата, единствено изотопи на водород и хелиум, траги од некои изотопи на литиум и берилиум, а можеби и малку бор, биле создадени во Големата експлозија, додека сите други нуклиди биле вештачки направени подоцна, во ѕвезди и супернови и во заемните дејства помеѓу енергетските јадрени честички и претходно произведени такви честички. Соодветната застапеност на изотопи на Земјата произлегува од количините формирани од овие процеси, нивното ширење низ галаксијата и стапките на распаѓање за изотопи кои се нестабилни. По првичното спојување на Сончевиот Систем, изотопите биле прераспределени според масата, а изотопскиот состав на елементите малку варира од планета до планета. Ова понекогаш овозможува да се следи потеклото на метеоритите.
7 Атомска маса на изотопи
Атомската маса (mr) на изотоп (нуклид) се определува главно од неговиот масен број (т.е. бројот на нуклеони во неговото јадро). Малите корекции се должат на сврзувачката енергија на јадрото (види масен дефект), малата разлика во масата помеѓу протонот и неутронот и масата на електроните поврзани со атомот, второто затоа што односот електрон:нуклеон се разликува меѓу изотопи.
Масниот број претставува бездимензионална величина. Атомската маса, од друга страна, се мери со помош на единицата за атомска маса врз основа на масата на атомот на јаглерод-12. Се означува со симболите „u“ (за унифицирана единица за атомска маса) или „Da“ (за далтон).
Атомските маси на природните изотопи на елементот ја одредуваат стандардната атомска тежина на елементот. Кога елементот содржи N изотопи, изразот подолу се применува за просечната атомска маса: <math>\overline m_a</math>:
<math> \overline m_a = m_1 x_1+m_2 x_2+...+m_Nx_N</math>
каде ''m''<sub>1</sub>, ''m''<sub>2</sub>, ..., ''m''<sub>''N''</sub> се атомските маси на секој поединечен изотоп, а x 1, ... , x N се релативното изобилство на овие изотопи
8 Употреба на изотопи
8.1 Прочистување на изотопи
Постојат неколку употреби кои капитализираат од својствата на различните изотопи на даден елемент. Раздвојувањето на изотопи е значаен технолошки предизвик, особено со тешки елементи како што се ураниум или плутониум. Полесните елементи како што се литиум, јаглерод, азот и кислород вообичаено се одвојуваат со дифузија на гас на нивните соединенија како што се CO и NO. Раздвојувањето на водородот и деутериумот е невообичаено бидејќи се заснова на хемиски, а не на физички својства, на пример во процесот на сулфид на Гирдлер. Изотопи на ураниум се одвоени на големо со расејување на гас, гасна центрифугирање, ласерско јонизирачко одвојување и (во проектот „Менхетен“) со еден вид производствена масна спектрометрија.
8.2 Употреба на хемиски и биолошки својства
* Изотопската анализа претставува определување на изотопски потпис, релативната застапеност на изотопи на даден елемент во одреден примерок. Анализата на изотоп често се прави со масена спектрометрија на односот на изотопите. Особено за биогени супстанции, може да се појават значителни варијации на изотопи на C, N и O. Анализата на таквите варијации има широк опсег на примени, како што е откривањето на фалсификување во прехранбените производи или географското потекло на производите кои користат изоскепи. Откривањето на одредени метеорити дека потекнуваат од Марс делумно се заснова на изотопскиот потпис на гасовите во траги кои се содржани во нив.* Изотопската замена може да се употреби за да се одреди механизмот на хемиската реакција преку ефектот на кинетичкиот изотоп.
* Друга честа примена е изотопското означување, употребата на необични изотопи како трагачи или маркери во хемиските реакции. Нормално, атомите на даден елемент не се разликуваат едни од други. Меѓутоа, со употреба на изотопи со различни маси, дури и различни нерадиоактивни стабилни изотопи може да се разликуваат со масна спектрометрија или инфрацрвена спектроскопија. На пример, во „означувањето на стабилни изотопи со аминокиселини во клеточна култура се користат стабилни изотопи за квантифицирање на протеините. Доколку се користат радиоактивни изотопи, тие може да се откријат со зрачењето што го емитуваат (ова се нарекува радиоизотопско означување).
* Изотопите најчесто се употребуваат за одредување на концентрацијата на различни елементи или супстанции со помош на методот на разредување на изотоп, при што познатите количини на изотопски супституирани соединенија се мешаат со примероците и изотопските знаци на добиените мешавини се одредуваат со масна спектрометрија.
8.3 Употреба на јадрени својства
* Техника слична на радиоизотопското обележување е радиометриското датирање: користејќи го познатиот полураспад на нестабилен елемент, може да се пресмета времето што поминало откако постои позната концентрација на изотоп. Најпознат пример е радиојаглеродното датирање кое се употребува за одредување на староста на јаглеродните материјали..
* Неколку форми на спектроскопија се потпираат на уникатните јадрени својства на специфичните изотопи, и радиоактивни и стабилни. На пример, спектроскопијата на јадрена магнетна резонанца (NMR) може да се користи само за изотопи со ненулти јадрен спин. Најчестите нуклиди кои се користат со NMR спектроскопија се <sup>1</sup>H, <sup>2</sup>D, <sup>15</sup>N, <sup>13</sup>C, and <sup>31</sup>P.
* Спектроскопијата на Мосбауер, исто така, се потпира на јадрените премини транзиции на специфични изотопи, како што е <sup>57</sup>Fe.
* Радионуклидите исто така имаат важна употреба. Јадрената енергија и развојот на јадреното оружје бараат релативно големи количини на специфични изотопи. Јадрената медицина и радијациската онкологија користат радиоизотопи соодветно за медицинска дијагноза и третман.