Ядерно физические свойства изотопов. Стабильные изотопы – на службе здоровья

Определенного элемента, имеющие одинаковый , но разные . Обладают ядрами с одинаковым числом и разл. числом , имеют одинаковое строение электронных оболочек и занимают одно и то же место в периодич. системе хим. элементов. Термин "изотопы" предложен в 1910 Ф. Содди для обозначения химически неразличимых разновидностей , отличающихся по своим физ. (прежде всего радиоактивным) св-вам. Стабильные изотопы впервые обнаружены в 1913 Дж. Томсоном с помощью разработанного им т. наз. метода парабол - прообраза совр. . Он установил, что у Ne имеется, по крайней мере, 2 разновидности с маc. ч. 20 и 22. Названиями и символами изотопов обычно служат названия и символы соответствующих хим. элементов; указывают сверху слева от символа. Напр., для обозначения прир. изотопов используют запись 35 Сl и 37 С1; иногда внизу слева указывают также элемента, т.е. пишут 35 17 Сl и 37 17 Cl. Только изотопы самого легкого элемента -водорода с маc. ч. 1, 2 и 3 имеют спец. названия и символы: (1 1 Н), (D, или 2 1 Н) и (Т, или 3 1 H) соответственно. Из-за большой разницы в массах поведение этих изотопов существенно различается (см. , ). Стабильные изотопы встречаются у всех четных и большинства нечетных элементов с [ 83. Число стабильных изотопов у элементов с четными номерами м. б. равно 10 (напр., у ); у элементов с нечетными номерами не более двух стабильных изотопов. Известно ок. 280 стабильных и более 2000 радиоактивных изотопов у 116 природных и искусственно полученных элементов. Для каждого элемента содержание отдельных изотопов в прир. смеси претерпевает небольшие колебания, к-рыми часто можно пренебречь. Более значит. колебания изотопного состава наблюдаются для метеоритов и др. небесных тел. Постоянство изотопного состава приводит к постоянству встречающихся на Земле элементов, представляющей собой среднее значение массы данного элемента, найденное с учетом распространенности изотопов в природе. Колебания изотопного состава легких элементов связаны, как правило, с изменением изотопного состава при разл. процессах, протекающих в природе ( , и т.п.). Для тяжелого элемента Рb колебания изотопного состава разных образцов объясняются разл. содержанием в , и др. источниках и - родоначальников естеств. . Различия св-в изотопов данного элемента наз. . Важной практич. задачей является получение из прир. смесей отдельных изотопов -

Например, в качестве терапии Базедовой болезни щитовидной железы используется радиоактивный йод-131. В данном случае рекомендуется вводить большие дозы этого элементы, так как они способствуют разрушению аномальных тканей, вследствие чего структура органа восстанавливается, а с ним и функция. Йод широко применяется и для диагностики состояния щитовидной железы. При введении его в организм на экране монитора оценивается скорость отложения в клетках, на основании чего ставится диагноз.

Для диагностики нарушений кровообращения большую роль играют изотопы натрия.

Наиболее часто в повседневной жизни для лечения опухолевых заболеваний применяются изотопы кобальта, в частности кобальт-60. Он нашел применение в радиохирургии при создании“кобальтовых пушек, в дезинфектологии для стерилизации медицинского инструментария, материалов.

В целом все методы исследования внутренних органов с помощью подобных элементов принято называть радиоизотопными. Изотопы могут применяться и для получения полезных микроорганизмов. А те являются основой синтезирования антибактериальных средств.

Использование в промышленности и сельском хозяйстве

По ним можно определять скорость диффузии металлов в доменных печах.

Важное направление – это дефектоскопия. При помощи подобных химических элементов можно исследовать структуру деталей, в том числе металлических.

При помощи радиоактивных изотопов создают новые сорта сельскохозяйственных растений. Кроме того, научно доказано, что гамма-облучение способствует повышению урожайности культур, повышает их устойчивость к неблагоприятным факторам. Широкое применение эти вещества нашли в селекции. При удобрении растений используют способ, при котором их помечают радиоактивным фосфором и оценивают эффективность удобрений. В силу всего можно сделать вывод о том, что радиоактивные изотопы применяются вот многих сферах деятельности. Они обладают свойствами, которых нет у тех же элементов с нормальной атомной массой.

Чтобы лучше понять, что такое изотопы, можно поиграть. Представьте большие прозрачные шары. Их иногда можно увидеть в парке. Каждый шар – это ядро атома.

Каждое ядро состоит из протонов и нейтронов. Протоны – положительно заряженные частицы. Вместо протонов у вас будут игрушечные зайчики на батарейках. А вместо нейтронов - зайчики без батареек, ведь они не несут никакого заряда. В оба шара положите по 8 зайчиков с батарейками. Значит, в каждом шаре-ядре у вас по 8 положительно заряженных протонов. Теперь вот что надо сделать с зайцами без батареек – нейтронами. В один шар положите 8 зайцев-нейтронов, а в другой –7 зайцев-нейтронов.

Массовое число – это сумма протонов и нейтронов. Посчитайте зайцев в каждом шаре и узнайте массовое число. В одном шаре массовое число – 16, в другом шаре – 17. Вы видите два одинаковых ядра-шара с одним и тем же числом протонов. Число нейтронов у них отличается. Шары выступили в роли изотопов. Знаете, ? Потому что изотопы – это варианты одного элемента с разным числом нейтронов. Оказывается, эти шары на самом деле не просто ядра атомов, а самые настоящие химические элементы в таблице Менделеева. Вспомните, какой имеет заряд +8? Конечно, это кислород. Теперь понятно, что у кислорода несколько изотопов, и все они отличаются друг от друга числом нейтронов. Изотоп кислорода с массовым числом 16 имеет 8 нейтронов, а изотоп кислорода с массовым числом 17 имеет 9 нейтронов. Массовое число указывается сверху слева от химического символа элемента.

Представьте шары с зайцами, и будет легче понять изотопов. Итак, изотопы – это атомы химического элемента с одинаковым зарядом ядра, но разным массовым числом. Или определение: изотопы - это варианты одного химического элемента, которые занимают одно место в периодической системе элементов Менделеева, но при этом отличаются массами атомов.

Зачем же нужны знания об изотопах? Изотопы разных элементов применяются

При изучении свойств радиоактивных элементов было обнаружено, что у одного и того же химического элемента можно встретить атомы с различной массой ядра. Заряд ядра при этом они имеют одинаковый, то есть это не примеси сторонних веществ, а то же самое вещество.

Что такое и почему существуют изотопы

В периодической системе Менделеева и данный элемент, и атомы вещества с отличающейся массой ядра занимают одну клетку. Исходя из вышеперечисленного таким разновидностям одного и того же вещества было дано название «изотопы» (от греческого isos – одинаковый и topos – место). Итак, изотопы – это разновидности данного химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер.

По принятой нейтронно-протонной модели ядра объяснить существование изотопов удалось следующим образом: ядра некоторых атомов вещества содержат различное количество нейтронов, но одинаковое количество протонов. В самом деле, заряд ядра изотопов одного элемента одинаков, следовательно, количество протонов в ядре одинаково. Ядра различаются по массе, соответственно, они содержат разное количество нейтронов.

Стабильные и нестабильные изотопы

Изотопы бывают стабильными и нестабильными. На сегодняшний день известно около 270 стабильных изотопов и более 2000 нестабильных. Стабильные изотопы – это разновидности химических элементов, которые могут самостоятельно существовать продолжительное время.

Большая часть нестабильных изотопов была получена искусственным путем. Нестабильные изотопы радиоактивны , их ядра подвержены процессу радиоактивного распада, то есть самопроизвольному превращению в другие ядра, сопровождающемуся испусканием частиц и/или излучений. Практически все радиоактивные искусственные изотопы имеют очень маленькие периоды полураспада, измеряемые секундами и даже долями секунд.

Сколько изотопов может содержать ядро

Ядро не может содержать произвольное количество нейтронов. Соответственно, количество изотопов ограниченно. У четных по количеству протонов элементов количество стабильных изотопов может достигать десяти. Например, олово имеет 10 изотопов, ксенон – 9, ртуть – 7 и так далее.

Те элементы, количество протонов которых нечетно , могут иметь лишь по два стабильных изотопа. У ряда элементов имеется только один стабильный изотоп. Это такие вещества как золото, алюминий, фосфор, натрий, марганец и другие. Такие вариации по числу стабильных изотопов у разных элементов связано со сложной зависимостью числа протонов и нейтронов от энергии связи ядра.

Практически все вещества в природе существуют в виде смеси изотопов. Количество изотопов в составе вещества зависит от вида вещества, атомной массы и количества стабильных изотопов данного химического элемента.

· Период полураспада · Массовое число · Цепная ядерная реакция

Терминология

История открытия изотопов

Первое доказательство того, что вещества, имеющие одинаковое химическое поведение, могут иметь различные физические свойства, было получено при исследовании радиоактивных превращений атомов тяжёлых элементов. В 1906-07 выяснилось, что продукт радиоактивного распада урана - ионий и продукт радиоактивного распада тория - радиоторий, имеют те же химические свойства, что и торий, но отличаются от него атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Было обнаружено позднее, что у всех трёх продуктов одинаковы оптические и рентгеновские спектры. Такие вещества, идентичные по химическим свойствам, но различные по массе атомов и некоторым физическим свойствам, по предложению английского учёного Ф. Содди , стали называть изотопами.

Изотопы в природе

Считается, что изотопный состав элементов на Земле одинаков во всех материалах. Некоторые физические процессы в природе приводят к нарушению изотопного состава элементов (природное фракционирование изотопов, характерное для лёгких элементов, а также изотопные сдвиги при распаде природных долгоживущих изотопов). Постепенное накопление в минералах ядер - продуктов распада некоторых долгоживущих нуклидов используется в ядерной геохронологии.

Применение изотопов человеком

В технологической деятельности люди научились изменять изотопный состав элементов для получения каких-либо специфических свойств материалов. Например, 235 U способен к цепной реакции деления тепловыми нейтронами и может использоваться в качестве топлива для ядерных реакторов или ядерного оружия . Однако в природном уране лишь 0,72 % этого нуклида, тогда как цепная реакция практически осуществима лишь при содержании 235 U не менее 3 %. В связи с близостью физико-химических свойств изотопов тяжёлых элементов, процедура изотопного обогащения урана является крайне сложной технологической задачей, которая доступна лишь десятку государств в мире. Во многих отраслях науки и техники (например, в радиоиммунном анализе) используются изотопные метки.

См. также

• Изотопная геохимия

Нестабильные (менее суток): 8 C: Углерод-8, 9 C: Углерод-9, 10 C: Углерод-10, 11 C: Углерод-11

Стабильные: 12 C: Углерод-12, 13 C: Углерод-13

10-10 000 лет: 14 C: Углерод-14

Нестабильные (менее суток) : 15 C: Углерод-15, 16 C: Углерод-16, 17 C: Углерод-17, 18 C: Углерод-18, 19 C: Углерод-19, 20 C: Углерод-20, 21 C: Углерод-21, 22 C: Углерод-22

Наверное, нет на земле такого человека, который не слышал бы об изотопах. Но далеко не все знают, что это такое. Особенно пугающе звучит словосочетание «радиоактивные изотопы». Эти непонятные химические элементы нагоняют ужас на человечество, но на самом деле они не так страшны, как это может показаться на первый взгляд.

Определение

Чтобы разобраться с понятием радиоактивных элементов, необходимо для начала сказать, что изотопы - это образцы одного и тот же химического элемента, но с разной массой. Что это значит? Вопросы исчезнут, если для начала мы вспомним строение атома. Состоит он из электронов, протонов и нейтронов. Число первых двух элементарных частиц в ядре атома всегда постоянно, тогда как нейтроны, имеющие собственную массу, могут встречаться в одном и том же веществе в разных количествах. Это обстоятельство и порождает разнообразие химических элементов с разными физическими свойствами.

Теперь мы можем дать научное определение исследуемому понятию. Итак, изотопы - это совокупный набор похожих по свойствам химических элементов, но имеющих разную массу и физические свойства. Согласно более современной терминологии, они носят название плеяды нуклеотидов химического элемента.

Немного истории

В начале прошлого века ученые обнаружили, что у одного и того же химического соединения в разных условиях могут наблюдаться разные массы ядер электронов. С чисто теоретической точки зрения, такие элементы можно было посчитать новыми и начать заполнять ими пустые клеточки в периодической таблице Д. Менделеева. Но свободных ячеек в ней всего девять, а новые элементы ученые открывали десятками. К тому же и математические подсчеты показали, что обнаруженные соединения не могут считаться ранее не известными, ведь их химические свойства полностью соответствовали характеристикам уже существующих.

После длительных обсуждений было решено назвать эти элементы изотопами и помещать их в одну клеточку с теми, ядра которых содержат с ними одинаковое количество электронов. Ученым удалось определить, что изотопы - это всего лишь некоторые вариации химических элементов. Однако причины их возникновения и длительность жизни изучались еще почти целое столетие. Даже в начале XXI века утверждать, что человечество знает абсолютно все об изотопах, нельзя.

Стойкие и нестойкие вариации

Каждый химический элемент имеет несколько изотопов. Из-за того, что в их ядрах есть свободные нейтроны, они не всегда вступают в стабильные связи с остальными составляющими атома. Через некоторое время свободные частицы покидают ядро, из-за чего меняется его масса и физические свойства. Так образуются другие изотопы, что ведет в конце концов к образованию вещества с равным количеством протонов, нейтронов и электронов.

Те вещества, которые распадаются очень быстро, называются радиоактивными изотопами. Они выпускают в пространство большое количество нейтронов, образующих мощное ионизирующее гамма-излучение, известное своей сильной проникающей способностью, которая негативно влияет на живые организмы.

Более стойкие изотопы не являются радиоактивными, поскольку количество выделяемых ими свободных нейтронов не способно образовывать излучения и существенно влиять на другие атомы.

Достаточно давно учеными была установлена одна важная закономерность: у каждого химического элемента есть свои изотопы, стойкие или радиоактивные. Интересно, что многие из них были получены в лабораторных условиях, а их присутствие в естественном виде невелико и не всегда фиксируется приборами.

Распространение в природе

В естественных условиях чаще всего встречаются вещества, масса изотопа которых напрямую определяется его порядковым числом в таблице Д. Менделеева. К примеру, водород, обозначаемый символом Н, имеет порядковый номер 1, а его масса равна единице. Изотопы его, 2Н и 3Н, в природе встречаются крайне редко.

Даже человеческий организм имеет некоторое количество радиоактивных изотопов. Попадают они внутрь через пищу в виде изотопов углерода, который, в свою очередь, впитывается растениями из почвы или воздуха и переходит в состав органических веществ в процессе фотосинтеза. Поэтому и человек, и животные, и растения излучают определенный радиационный фон. Только он настолько низкий, что не мешает нормальному функционированию и росту.

Источниками, которые способствуют образованию изотопов, выступают внутренние слои земного ядра и излучения из космоса.

Как известно, температура на планете во многом зависит от ее горячего ядра. Но только совсем недавно стало понятно, что источником этого тепла выступает сложная термоядерная реакция, в которой участвуют радиоактивные изотопы.

Распад изотопов

Поскольку изотопы - это нестойкие образования, можно предположить, что они по прошествии времени всегда распадаются на более постоянные ядра химических элементов. Это утверждение верно, поскольку ученым не удалось обнаружить в природе огромного количества радиоактивных изотопов. Да и большинство из тех, которые были добыты в лабораториях, просуществовали от пары минут до нескольких дней, а потом снова превратились в обычные химические элементы.

Но есть в природе и такие изотопы, которые оказываются очень устойчивыми к распаду. Они могут существовать миллиарды лет. Образовались такие элементы в те далекие времена, когда земля еще формировалась, а на ее поверхности не было даже твердой коры.

Радиоактивные изотопы распадаются и вновь образуются очень быстро. Поэтому с той целью, чтобы облегчить оценку стойкости изотопа, учеными было принято решение рассматривать категорию периода его полураспада.

Период полураспада

Не всем читателям может быть сразу понятно, что имеется в виду под этим понятием. Определим же его. Период полураспада изотопа - это время, за которое перестанет существовать условная половина взятого вещества.

Это не означает, что оставшаяся часть соединения будет уничтожена за такое же количество времени. Применительно к этой половине необходимо рассматривать иную категорию - период времени, за который исчезнет ее вторая часть, то есть четверть изначального количества вещества. И такое рассмотрение продолжается до бесконечности. Можно предположить, что время полного распада изначального количества вещества посчитать просто невозможно, поскольку этот процесс практически бесконечен.

Однако ученые, зная период полураспада, могут определить, какое количество вещества существовало вначале. Эти данные успешно используются в смежных науках.

В современном научном мире понятие полного распада практически не используется. Относительно каждого изотопа принято указывать время его полураспада, которое варьирует от нескольких секунд до многих миллиардов лет. Чем меньше показатель полураспада, там большее излучение исходит от вещества и тем выше его радиоактивность.

Обогащение ископаемых

В некоторых отраслях науки и техники использование относительно большого количества радиоактивных веществ считается обязательным. Но при этом в естественных условиях таких соединений совсем немного.

Известно, что изотопы - это нераспространенные варианты химических элементов. Количество их измеряется несколькими процентами от самой стойкой разновидности. Именно поэтому ученым необходимо проводить искусственное обогащение ископаемых материалов.

За годы исследований удалось узнать, что распад изотопа сопровождается цепной реакцией. Освобожденные нейтроны одного вещества начинают влиять на другое. В результате этого тяжелые ядра распадаются на более легкие и получаются новые химические элементы.

Это явление получило название цепной реакции, в результате которой можно получить более стойкие, но менее распространенные изотопы, которые в дальнейшем используются в народном хозяйстве.

Применение энергии распада

Также учеными было выяснено, что в ходе распада радиоактивного изотопа выделяется огромное количество свободной энергии. Ее количество принято измерять единицей Кюри, равной времени деления 1 г радона-222 за 1 секунду. Чем выше этот показатель, тем больше энергии выделяется.

Это стало поводом для разработки способов использования свободной энергии. Так появились атомные реакторы, в которые помещается радиоактивный изотоп. Большая часть энергии, выделяемой им, собирается и превращается в электричество. На основании этих реакторов создаются атомные станции, которые дают самое дешевое электричество. Уменьшенные варианты таких реакторов ставят на самоходные механизмы. Учитывая опасность аварий, чаще всего такими машинами выступают подводные лодки. В случае отказа реактора количество жертв на подлодке будет легче свести к минимуму.

Еще один очень страшный вариант использования энергии полураспада - атомные бомбы. Во время Второй мировой войны они были испытаны на человечестве в японских городах Хиросима и Нагасаки. Последствия оказались очень печальными. Поэтому в мире действует соглашение о неиспользовании этого опасного оружия. В месте с тем большие государства с ориентацией на милитаризацию и сегодня продолжают исследования в этой отрасли. Кроме того, многие из них втайне от мирового сообщества изготавливают атомные бомбы, которые в тысячи раз опаснее тех, которые использовались в Японии.

Изотопы в медицине

В мирных целях распад радиоактивных изотопов научились использовать в медицине. Направив излучение на пораженный участок организма, можно приостановить течение болезни или помочь пациенту полностью излечиться.

Но чаще радиоактивные изотопы используют для диагностики. Все дело в том, что их движение и характер скопления проще всего зафиксировать по излучению, которое они производят. Так, в организм человека вводится определенное неопасное количество радиоактивного вещества, а по приборам медики наблюдают, как и куда оно попадет.

Таким образом проводят диагностику работы головного мозга, характера раковых опухолей, особенности работы желез внутренней и внешней секреции.

Применение в археологии

Известно, что в живых организмах всегда есть радиоактивный углерод-14, полураспад изотопа которого равен 5570 лет. Кроме того, ученные знают, какое количество этого элемента содержится в организме до момента его смерти. Это значит, что все спиленные деревья излучают одинаковое количество радиации. Со временем интенсивность излучения падает.

Это помогает археологам определить, как давно умерло дерево, из которого построили галеру или любой другой корабль, а значит, и само время строительства. Этот метод исследования получил название радиоактивного углеродного анализа. Благодаря ему ученым легче установить хронологию исторических событий.