Izotop je različica elementa, ki ima drugačno atomsko težo od drugih variant. Razen najpogostejše oblike vodika – ki ima samo proton – je vsako atomsko jedro v normalni snovi sestavljeno iz protonov in nevtronov. Izotopi danega elementa imajo enako število protonov, vendar različno število nevtronov. Imajo v bistvu enake kemijske lastnosti, vendar se nekoliko razlikujejo po svojih fizikalnih lastnostih, kot sta tališče in vrelišče. Nekateri izotopi so nestabilni in se nagibajo k razpadu na druge elemente, pri čemer oddajajo subatomske delce ali sevanje; ti so radioaktivni in so znani kot radioizotopi.
Ko se znanstveniki sklicujejo na določen izotop elementa, se masno število ali število protonov in število nevtronov prikaže zgoraj levo, poleg simbola za element. Na primer, oblika vodika, ki ima proton in nevtron, je zapisana kot 2H. Podobno sta 235U in 238U dva različna izotopa urana. Te se običajno pišejo tudi kot uran-235 in uran-238.
Atomsko jedro
Nevtroni so električno nevtralni, protoni pa imajo pozitiven električni naboj. Ker se podobni naboji odbijajo, jedro, ki vsebuje več kot en proton, potrebuje nekaj, da prepreči, da bi ti delci razleteli narazen. Temu nečemu pravimo močna jedrska sila, včasih imenovana preprosto močna sila. Je veliko močnejša od elektromagnetne sile, ki je odgovorna za odboj med protoni, vendar ima za razliko od te sile zelo kratek doseg. Močna sila veže protone in nevtrone skupaj v jedro, toda elektromagnetna sila želi protone potisniti narazen.
Stabilna in nestabilna jedra
V lažjih elementih je močna sila sposobna držati jedro skupaj, dokler je dovolj nevtronov, da razredčijo elektromagnetno silo. Običajno je v teh elementih število protonov in nevtronov približno enako. V težjih elementih mora biti za zagotovitev stabilnosti presežek nevtronov. Onkraj določene točke pa ni konfiguracije, ki bi zagotavljala stabilno jedro. Noben element, težji od svinca, nima stabilnih izotopov.
Preveč nevtronov lahko povzroči tudi nestabilnost izotopa. Na primer, najpogostejša oblika vodika ima en proton in ni nevtronov, obstajata pa dve drugi obliki, z enim in dvema nevtronima, ki se imenujeta devterij in tritij. Tritij je nestabilen, ker ima preveč nevtronov.
Ko nestabilno ali radioaktivno jedro razpade, se spremeni v jedro drugega elementa. Obstajata dva mehanizma, s katerima se to lahko zgodi. Alfa razpad se zgodi, ko močna sila ne more zadržati vseh protonov v jedru skupaj. Namesto da bi samo vrgel proton, se izvrže alfa delec, sestavljen iz dveh protonov in dveh nevtronov. Protoni in nevtroni so med seboj tesno povezani in alfa delec je stabilna konfiguracija.
Beta razpad se pojavi, ko ima jedro preveč nevtronov. Eden od nevtronov se spremeni v proton, ki ostane v jedru, in elektron, ki se izvrže. V tritiju se bo na primer eden od njegovih dveh nevtronov prej ali slej spremenil v proton in elektron. Tako dobimo jedro z dvema protonoma in enim nevtronom, ki je oblika helija, znana kot 3He ali helij-3. Ta izotop je kljub presežku protonov stabilen, ker je jedro dovolj majhno, da ga močna sila drži skupaj.
Razpolovna življenja
Obstaja temeljna negotovost glede časa, ki bo potreben za razpad posameznega nestabilnega jedra; vendar je za dani izotop hitrost razpada predvidljiva. Možno je podati zelo natančno vrednost za čas, ki bo potreben, da polovica vzorca določenega izotopa razpade v drug element. Ta vrednost je znana kot razpolovna doba in se lahko giblje od majhnega delčka sekunde do milijard let. Najpogostejša oblika elementa bizmut ima razpolovno dobo milijardokrat daljšo od ocenjene starosti vesolja. Nekoč je veljal za najtežji stabilen element, vendar se je izkazalo, da je zelo malo radioaktiven leta 2003.
Nepremičnine
Poleg vprašanja radioaktivnosti imajo različni izotopi elementa različne fizikalne lastnosti. Težje oblike z več nevtroni imajo običajno višje tališče in vrelišče, ker je potrebno več energije, da se njihovi atomi in molekule premikajo dovolj hitro, da povzročijo spremembo stanja. Na primer, »težka voda«, oblika vode, v kateri je običajni vodik nadomeščen s težjim devterijem, zmrzne pri 38.9 °F (3.82 °C) in zavre pri 214.5 °F (101.4 °C), v nasprotju s 32 °C. F (0°C) oziroma 212°F (100°C) za navadno vodo. Kemične reakcije lahko potekajo nekoliko počasneje za težje izotope iz istega razloga.
uporabljate
Verjetno najbolj znan izotop je 235U, zaradi njegove uporabe v jedrski energiji in orožju. Njegova nestabilnost je taka, da lahko preide v jedrsko verižno reakcijo, pri čemer se sprosti ogromne količine energije. “Obogateni” uran je uran z višjo koncentracijo tega izotopa, medtem ko ima “osiromašeni” uran veliko nižjo koncentracijo.
Radiometrično datiranje uporablja deleže različnih izotopov za oceno starosti vzorcev, kot so biološki materiali ali kamnine. Radiokarbonsko datiranje na primer uporablja radioaktivni izotop 14C ali ogljik-14 za materiale, ki vsebujejo ogljik organskega izvora. Starost in geološka zgodovina Zemlje sta znani predvsem s primerjavo deležev različnih izotopov v vzorcih kamnin.
V biologiji in medicini se lahko majhne količine rahlo radioaktivnih izotopov uporabljajo kot atomski markerji za sledenje gibanja različnih snovi, kot so zdravila, skozi telo. Močnejši radioaktivni izotopi se lahko uporabljajo kot vir sevanja za uničenje tumorjev in rakavih izrastkov. Helij-3, za katerega se domneva, da obstaja v velikih količinah na Luni, je med najbolj obetavnimi dolgoročnimi gorivi za fuzijske reaktorje. Vendar pa bo za njegovo učinkovito uporabo potrebno najprej obvladati druge oblike fuzije.