İzotop

İzotoplar, periyodik tabloda aynı atom numarasına ve konuma sahip olan ve farklı nötron sayıları nedeniyle nükleon sayıları bakımından farklılık gösteren iki veya daha fazla atom türüdür. Belirli bir elementin tüm izotopları neredeyse aynı kimyasal özelliklere sahipken, farklı atomik kütlelere ve fiziksel özelliklere sahiptirler.
İzotop terimi, "aynı yer" anlamına gelen Yunan kökenli isos (ἴσος "eşit") ve topos (τόπος "yer") 'den oluşur; isimin anlamı ise, tek bir elementin farklı izotoplarının periyodik tabloda aynı pozisyonda yer alması anlamına gelir. Margaret Todd tarafından 1913 yılında Frederick Soddy'ye öneri olarak sunulmuştur.
Atom çekirdeğindeki proton sayısına atom numarası denir ve nötr (iyonize olmayan) atomdaki elektron sayısına eşittir. Her atom numarası belirli bir elementi tanımlarken, izotopu tanımlamaz; belirli bir elementin atomu, nötron sayısında geniş bir aralığa sahip olabilir. Çekirdekteki nükleonların (hem protonları hem de nötronları) atomun kütle sayısıdır ve belirli bir elementin her izotopu farklı bir kütle numarasına sahiptir.
Örneğin, karbon-12, karbon-13 ve karbon-14, sırasıyla kütle numaraları 12, 13 ve 14 olan karbon elementinin üç izotopudur. Karbonun atom numarası 6'dır, yani her karbon atomunun 6 protonu vardır, böylece bu izotopların nötron sayıları sırasıyla 6, 7 ve 8'dir.
İzotop ve Nüklid
Nüklit çekirdekte belirli sayıda proton ve nötron bulunduran bir atom türüdür, örneğin 6 protonlu ve 7 nötronlu karbon-13. Nüklid kavramı (tek tek nükleer türlere atıfta bulunarak) kimyasal özellikler üzerindeki nükleer özellikleri vurgular, izotop kavramı ise (her yılda bir defa elementin tüm atomlarını gruplandırarak) nükleer üzerindeki kimyasalları vurgular. Nötron sayısının nükleer özellikler üzerinde büyük etkisi vardır, ancak kimyasal özellikler üzerindeki etkisi çoğu element için önemsizdir. Nötron sayısının atom numarasına oranının izotoplar arasında en çok değişen en hafif elementlerdir ve (hidrojen için, en hafif element olmasına rağmen, izotop etkisi biyolojiyi güçlü bir şekilde etkileyecek kadar büyüktür). İzotoplar terimi (başlangıçta da izotopik elementlerdir. Yani bazen izotopik nüklitler ) karşılaştırmayı (eşanlamlılar veya izomerler gibi) ima etmek için tasarlanmıştır, örneğin: nüklitler ^{12}_{6}C, ^{13}_{6}C, ^{14}_{6}C izotoplar (aynı atom numarasına sahip nüklidlerdir, ancak farklı kütle numaraları da vardır), gibi ^{40}_{18}Ar, ^{40}_{19}K, ^{40}_{20}Ca izobarlardır). Bununla birlikte, izotop eski bir terimdir, çünkü nüklitten daha iyi bilinir ve bazen nüklitin nükleer teknoloji ve r nükleer tıp gibi daha uygun olabileceği bağlamlarda kullanılır.
Gösterim
Bir izotop veya nüklit, belirli elemanın adıyla belirtilir (bu atom numarasını gösterir), ardından bir tire ve kütle numarası (örneğin helyum-3, helyum-4, karbon-12, karbon-14, uranyum-235 ve uranyum-239). kimyasal sembolü kullanılır, örneğin "C" karbon, standart gösterim (şimdi olarak bilinen "AZE gösterim" çünkü Bir kütle numarası, Z atom numarası ve element öğesi) olduğunu gösterir, kütle sayısı (nükleon sayısı) ile kimyasal sembolün sol alt tarafına ve sol üst tarafına yazılır (örneğin ^{3}_{2}He, ^{4}_{2}He, ^{12}_{6}C, ^{14}_{6}C ve ^{239}_{92}U. Atom numarası eleman sembolü tarafından verildiğinden, yalnızca üst simgedeki kütle numarasını belirtmek ve atom numarası alt simgesini (örneğin 3) dışarıda bırakmak yaygındır. (3He, 4He,12C,14C 235U ve 239U). M harfi bazen bir nükleer izomeri, metastabil veya enerjik olarak uyarılmış bir nükleer durumu (en düşük enerjili zemin durumunun aksine) belirtmek için kütle numarasından sonra eklenir, örneğin ^{180m}_{73}Ta (tantal-180m). AZE gösteriminin ortak telaffuzu, asıl yazıldığından farklıdır: ^{4}_{2}He yaygın olarak dört-iki-helyum yerine helyum-dört ve 235 olarak telaffuz edilir ^{235}_{92}U (235-92-uranyum.) yerine (Amerikan İngilizcesi) ile iki-otuz beş veya (İngilizce) -iki-üç-beş olarak telaffuz edilir.
Radyoaktif, ilkel ve kararlı izotoplar
Bazı izotoplar veya nüklitler radyoaktif ve bu nedenle radyoizotoplar veya radyonüklitler olarak adlandırılır, oysa diğerleri radyoaktif olarak çürümeye hiç rastlanmamıştır ve kararlı izotoplar veya kararlı nüklitler olarak adlandırılır. Örneğin, 14C radyoaktif bir karbon şeklidir, 12C ve 13C kararlı izotoplardır. Yeryüzünde yaklaşık 339 doğal olarak meydana gelen nüklitler vardır, bunların 286 tanesi ilkel nüklitlerdir, yani güneş sisteminin oluşumundan beri var oldukları anlamına gelir.
İlkel nüklitler, çok uzun yarı ömürleri (100 milyon yıldan fazla) olan 34 nüklitleri ve resmi olarak "kararlı nüklitler" olarak kabul edilen 252'leri içerir, çünkü çürümeye rastlanmamıştır. Çoğu durumda, bilinen nedenlerden dolayı, bir elementin kararlı izotopları varsa, bu izotoplar Dünya'da ve güneş sisteminde bulunan element bolluğunda baskındır. Bununla birlikte, üç element (tellür, indiyum ve renyum) durumunda, doğada bulunan en bol izotoplar, aslında bir veya daha fazla kararlı izotopa sahip olan bu elementlere rağmen, elemanın bir (veya iki) son derece uzun ömürlü radyoizotopudur.
Teori, görünüşe göre birçok "kararlı" izotop / nüklitin radyoaktif olduğunu ve son derece uzun yarı ömürlü olduğunu (tüm nüklitleri sonuçta kararsız hale getirecek proton bozulma olasılığını azaltığını) öngörür. Bazı kararlı nüklitler teorik olarak alfa bozulması veya çift beta bozulması gibi bilinen diğer bozulma biçimlerine enerjik olarak duyarlıdır, ancak henüz hiç bozulma ürünü gözlenmemiştir ve bu nedenle bu izotopların "gözlemsel olarak kararlı" olduğu söylenmektedir. Bu nüklitler için öngörülen yarılanma ömürleri genellikle evrenin tahmini yaşını büyük ölçüde aşmaktadır ve aslında yarılanma ömrü evrenin yaşından daha uzun olan 31 bilinen radyonüklid (örneğin Primordial nüklit) bulunmaktadır.
Yapay olarak oluşturulan radyonüklitlere ek olarak, şu anda bilinen 3.339 nüklit vardır Bunlar, kararlı olan veya 60 dakikadan daha uzun yarı ömre sahip 905 nüklidi içerir. Ayrıntılar için nüklitler listesine bakınız.
Geçmiş
Radyoaktif izotoplar
İzotopların varlığı ilk olarak 1913'te uranyum ve kurşun arasında radyo elementleri (yani radyoaktif elementler) olarak adlandırılan yaklaşık 40 farklı türün belirtildiği radyoaktif çözülme zincirleri üzerinde yapılan çalışmalara dayanır. Radyocu ve kimyacı olan Frederick Soddy tarafından önerildi, ancak periyodik tabloda sadece 11 kurşun ve uranyum elementleri dahildir.
Bu yeni radyo elemanlarını kimyasal olarak ayırma girişimleri başarısız olmuştu. Mesela Soddy bu durumu 1910'da göstermişti fakat mesothoriumun (daha sonra olduğu gösterilmiştir 228Ra) radyum (226Ra, uzun ömürlü bir izotop) ve toryum X (224Ra) ayırmak imkansızdır. Radyo elementleri periyodik tabloya yerleştirme girişimleri, Soddy ve Kazimierz Fajans'ın bağımsız olarak radyoaktif yer değiştirme yasalarını 1913'te, alfa bozunumu periyodik tabloda solda iki yer oluşturduğu sonucuna götürmesine neden oldu. emisyon bir parça sağda bir yer üretti. Soddy, bir alfa parçacığının ve ardından iki beta parçacığının yayılmasının, başlangıç elemanı ile kimyasal olarak özdeş ancak dört birim daha hafif ve farklı radyoaktif özelliklere sahip bir elementin oluşumuna yol açtığını fark etti.
Soddy, çeşitli atom türlerinin (radyoaktif özelliklerde farklılık göstererek) tabloda aynı yeri işgal edebileceğini öne sürdü. Örneğin, uranyum-235'in alfa bozunumu toryum-231'i, aktinyum-230'un beta bozunumu toryum-230'u oluşturur. aynı yerde için Yunanca izotop terimi, fikirlerini kendisine anlattığı bir konuşma sırasında İskoç bir hekim ve aile dostu Margaret Todd tarafından Soddy'ye önerildi. 1921 Nobel Kimya Ödülü'nü kısmen izotoplarla yaptığı çalışmalar nedeniyle kazandı.
1914 yılında T. W. Richards, farklı radyoaktif kökenlere bağlı olarak izotopik kompozisyondaki değişikliklere atfedilebilen, farklı mineral kaynaklarından gelen kurşunun atom ağırlığı arasında farklılıklar buldu.
Kararlı izotoplar
Kararlı (radyoaktif olmayan) bir elementin çoklu izotoplarına yönelik ilk kanıtlar, 1912'de J. J. Thomson tarafından kanal ışınlarının (pozitif iyonlar) bileşimine yaptığı araştırmanın bir parçası olarak bulundu. Thomson, neon iyon akışlarını paralel manyetik ve elektrik alanlardan kanalize etti, sapmalarını yollarına bir fotoğraf plakası yerleştirerek ölçtü ve Thomson'ın parabol yöntemi olarak bilinen bir yöntem kullanarak kütlelerini yük oranına hesapladı. Her dere vurduğu noktada plaka üzerinde parlayan bir yama oluşturdu. Thomson, fotografik plaka üzerinde iki ayrı parabolik ışık yaması gözlemledi, bu da oranları yüklemek için farklı kütleye sahip iki çekirdek türü önerdi.
F. W Astonn daha sonra bir kütle spektrometrisi kullanan çok sayıda element için çoklu ve kararlı izotoplar keşfetti. 1919'da Aston, iki izotopik kütlenin 20 ve 22 tam sayılarına çok yakın olduğunu ve neon gazının bilinen molar kütlesine (20,2) eşit olmadığını göstermek için yeterli çözünürlüğe sahip neonu inceledi. Bu Aston'un izotopik kütleler için tam sayı kuralının bir örneğidir, bu da elementel molar kütlelerin tam sayılardan büyük sapmalarının temel olarak elemanın izotopların bir karışımı olması gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Aston da benzer şekilde klorun molar kütlesinin (35,45) iki izotop için neredeyse integral kütlelerin ağırlıklı ortalaması olması 35Cl ve 37Cl.
İzotoplar arasındaki özelliklerde değişiklik
Kimyasal ve moleküler özellikler
Nötr bir atom, protonlarla aynı sayıya sahiptir. Dolayısıyla, belirli bir elemanın farklı izotoplarının hepsi aynı sayıda elektrona sahiptir ve benzer bir elektronik yapıyı paylaşır. Bir atomun kimyasal davranışı büyük ölçüde elektronik yapısı ile belirlendiğinden, farklı izotoplar neredeyse aynı kimyasal davranış sergiler.
Bunun ana istisnası kinetik izotop etkisidir daha büyük kütleleri nedeniyle, daha ağır izotoplar aynı elementin daha hafif izotoplarından biraz daha yavaş reaksiyona girme eğilimindedir. Bu en protium için bugüne kadar telaffuz edilir protium (1H) döteryum (2H) ve trityum (3H), çünkü döteryumun iki kat protium kütlesi vardır ve trityum, üç kat protium kütlesine sahiptir. Bu kütle farklılıkları, atomik sistemlerin ağırlık merkezini (azaltılmış kütle) değiştirerek ilgili kimyasal bağlarının davranışlarını da etkiler. Bununla birlikte, daha ağır elementler için izotoplar arasındaki nispi kütle farkı ütleüçok daha azdır, böylece kimya üzerindeki kütle farkı etkileri genellikle ihmal edilebilir. (Ağır elementler ayrıca daha hafif elementlerden nispeten daha fazla nötrona sahiptir, bu nedenle nükleer kütlenin kolektif elektronik kütleye oranı biraz daha yüksektir.)
Benzer şekilde, sadece atomlarının izotoplarında (izotopologlar) farklılık gösteren iki molekül aynı elektronik yapıya sahiptir ve bu nedenle neredeyse ayırt edilemez fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptir (yine deuterium ve trityum birincil istisnalardır). Titreşim modları, bir molekülün şekli ile ve onu oluşturan atomlarının kitleler tarafından belirlenir; bu nedenle farklı izotopologlar farklı titreşim modlarına sahiptir. Titreşim modları bir molekülün karşılık gelen enerjilerin fotonlarını emmesine izin verdiğinden, izotopologlar kızılötesi aralıkta farklı optik özelliklere sahiptir.
Nükleer özellikler ve kararlılık