Изотоп определение. Что такое изотопы

ИЗОТОПЫ (греч, isos равный, одинаковый + topos место)- разновидности одного химического элемента, занимающие одно и то же место в периодической системе элементов Менделеева, т. е. имеющие одинаковый заряд ядра, но различающиеся массами атомов. При упоминании об И. обязательно указывают, изотопом какого хим. элемента он является. Термин «изотоп» иногда употребляют и в более широком смысле - для описания атомов различных элементов. Однако для обозначения любого из атомов независимо от его принадлежности к тому или иному элементу принято использовать термин «нуклид».

Принадлежность И. к определенному элементу и основные хим. свойства определяются его порядковым номером Z или числом протонов, содержащихся в ядре (соответственно и одинаковым числом электронов в оболочке атома), а его ядерно-физ. свойства определяются совокупностью и соотношением числа входящих в него протонов и нейтронов. Каждое ядро состоит из Z протонов и N нейтронов, а общее число этих частиц, или нуклонов, составляет массовое число А = Z + N, определяющее массу ядра. Оно равно округленному до целого числа значению массы данного нуклида. Любой нуклид, т. о., определяется значениями Z и N, хотя некоторые радиоактивные нуклиды с одинаковыми Z и N могут находиться в различных ядерно-энергетических состояниях и различаться своими ядерно-физ. свойствами; такие нуклиды называются изомерами. Нуклиды с одинаковым числом протонов называются изотопами.

И. обозначаются символом соответствующего хим. элемента с расположенным вверху слева индексом А - массовым числом; иногда слева внизу приводится также число протонов (Z). Напр., радиоактивные И. фосфора с массовыми числами 32 и 33 обозначают: 32 P и 33 P или 32 P и 33 P соответственно. При обозначении И. без указания символа элемента массовое число приводится после обозначения элемента, напр. фосфор-32, фосфор-33.

У И. разных элементов может быть одно и то же массовое число. Атомы с различным числом протонов Z и нейтронов N, но с одинаковым массовым числом А называют изобарами (напр., 14 32 Si, 15 32 P, 16 32 S, 17 32 Cl- изобары).

Название «изотоп» предложено англ. ученым Содди (F. Soddy). Впервые существование И. было открыто в 1906 г. при изучении радиоактивного распада тяжелых естественно-радиоактивных элементов; в 1913 г. они были обнаружены и у нерадиоактивного элемента неона, а затем с помощью масс-спектрометрии был определен изотопный состав всех элементов периодической системы. В 1934 г. И. Жолио-Кюри и Ф. Жолио-Кюри впервые получили искусственно-радиоактивные И. азота, кремния и фосфора, а впоследствии с помощью различных ядерных реакций на нейтронах, заряженных частицах и фотонах высоких энергий были получены радиоактивные И. всех известных элементов и синтезированы радиоактивные И. 13 сверхтяжелых - трансурановых элементов (с Z≥ 93). Известно 280 стабильных, характеризующихся устойчивостью, и более 1500 радиоактивных, т. е. неустойчивых, И., которые с той или иной скоростью претерпевают радиоактивные превращения. Продолжительность существования радиоактивного И. характеризуется периодом полураспада (см.) - промежутком времени T 1/2 , в течение к-рого количество радиоактивных ядер уменьшается вдвое.

В природной смеси И. хим. элемента разные И. содержатся в разных количествах. Процентное содержание И. в данном хим. элементе называется их относительной распространенностью. Так, напр., в природном кислороде содержится три стабильных И.: 16O (99,759%), 17O(0,037%) и 18O (0,204%). Многие хим. элементы имеют только по одному стабильному И. (9 Be, 19 F, 23 Na, 31 P, 89 Y, 127 I и др.), а некоторые (Тс, Pm, Lu и все элементы с Z больше 82) не имеют ни одного стабильного И.

Изотопный состав природных элементов на нашей планете (и в пределах Солнечной системы) в основном постоянен, однако наблюдаются небольшие колебания в распространенности атомов легких элементов. Это объясняется тем, что различия в массах их И. относительно велики, и поэтому изотопный состав этих элементов изменяется под воздействием различных природных процессов, в результате изотопных эффектов (т. е. различия свойств хим. веществ, в которых содержатся эти изотопы). Так, изотопный состав ряда биологически важных элементов (Н, С, N, О, S) связан, в частности, с наличием биосферы и жизнедеятельностью растительных и животных организмов.

Различие в составе и структуре атомных ядер И. одного и того же хим. элемента (разное число нейтронов) определяет и различие их ядерно-физ. свойств, в частности то, что одни его И. могут быть стабильными, а другие - радиоактивными.

Радиоактивные превращения. Известны следующие виды радиоактивных превращений.

Альфа-распад - самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием альфа-частиц, т. е. двух протонов и двух нейтронов, образующих ядро гелия 2 4 He. В результате заряд Z исходного ядра уменьшается на 2, а общее число нуклидов или массовое число - на 4 единицы, напр.:

88 226 Ra -> 86 222 Ra + 2 4 He

При этом кинетическая энергия вылетающей альфа-частицы определяется массами исходного и конечного ядер (с учетом массы самой альфа-частицы) и их энергетическим состоянием. Если конечное ядро образуется в возбужденном состоянии, то кинетическая энергия альфа-частицы несколько уменьшается, а если распадается возбужденное ядро, то энергия альфа-частицы соответственно возрастает (при этом образуются так наз. длиннопробежные альфа-частицы). Энергетический спектр альфа-частиц дискретный и лежит в пределах 4-9 МэВ примерно для 200 И. тяжелых элементов и 2-4,5 МэВ для почти 20 альфа-радиоактивных И. редкоземельных элементов.

Бета-распад - самопроизвольное превращение ядер, при к-ром заряд Z исходного ядра изменяется на единицу, а массовое число А остается тем же. бета-распад представляет собой взаимопревращение входящих в состав ядра протонов (p) и нейтронов (n), сопровождающееся испусканием или поглощением электронов (е -) или позитронов (е +), а также нейтрино (v) и антинейтрино (v -). Существуют три вида бета-распада:

1) электронный бета-распад n -> p + e - + v - , сопровождающийся увеличением заряда Z на 1 единицу, с превращением одного из нейтронов ядра в протон, напр.

2) позитронный бета-распад p -> n + e + + v , сопровождающийся уменьшением заряда Z на 1 единицу, с превращением одного из протонов ядра в нейтрон, напр.

3) электронный захват p + е - -> n + v с одновременным превращением одного из протонов ядра в нейтрон, как и в случае распада с испусканием позитрона, также сопровождающийся уменьшением заряда на 1 единицу, напр.

Захват электрона при этом происходит с одной из электронных оболочек атома, чаще всего с ближайшей к ядру К-оболочки (К-захват).

Бета-минус-распад характерен для нейтроноизбыточных ядер, у которых число нейтронов больше, чем в устойчивых ядрах, а бета-плюс-распад и, соответственно, электронный захват - для нейтронодефицитных ядер, у которых число нейтронов меньше, чем у устойчивых, или так наз. бета-стабильных, ядер. Энергия распада распределяется между бета-частицей и нейтрино, в связи с чем бета-спектр не дискретный, как у альфа-частиц, а сплошной и содержит бета-частицы с энергиями от близких к нулю до нек-рой Еmax, характерной для каждого радиоактивного И. Бета-радиоактивные И. встречаются у всех элементов периодической системы.

Спонтанное деление - самопроизвольный распад тяжелых ядер на два (иногда 3-4) осколка, представляющих собой ядра средних элементов периодической системы (явление открыто в 1940 г. советскими учеными Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком).

Гамма-излучение - фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникает при ядерных превращениях, изменении энергетического состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц. Испускание гамма-квантов сопровождает радиоактивное превращение в тех случаях, когда новое ядро образуется в возбужденном энергетическом состоянии. Время жизни таких ядер определяется ядерно-физ. свойствами материнского и дочернего ядер, в частности возрастает с уменьшением энергии гамма-переходов и может достигать относительно больших величин для случаев метастабильного возбужденного состояния. Энергия гамма-излучения, испускаемого разными П., лежит в пределах от десятков кэВ до нескольких МэВ.

Устойчивость ядер. При бета-распаде происходят взаимные превращения протонов и нейтронов до достижения наиболее энергетически выгодного соотношения p и n, что соответствует устойчивому состоянию ядра. Все нуклиды разделяются по отношению к бета-распаду на бета-радиоактивные и бета-устойчивые ядра. Под бета-устойчивыми понимаются либо стабильные, либо альфа-радиоактивные нуклиды, для которых бета-распад энергетически невозможен. Все бета-устойчивые И. у хим. элементов с атомными номерами Z до 83 стабильны (за несколькими исключениями), а у тяжелых элементов стабильных И. нет, и все их бета-устойчивые И. альфа-pадиоактивны.

При радиоактивном превращении происходит выделение энергии, соответствующее соотношению масс исходного и конечного ядер, массе и энергии испускаемого излучения. Возможность p-распада, происходящего без изменения массового числа А, зависит от соотношения масс соответствующих изобар. Изобары с большей массой в результате бета-распада превращаются в изобары с меньшей массой; при этом чем масса изобара меньше, тем он ближе к P-устойчивому состоянию. Обратный же процесс в силу закона сохранения энергии идти не может. Так, напр., для упомянутых выше изобар превращения идут в следующих направлениях с образованием стабильного изотопа серы-32:

Ядра нуклидов, устойчивых к бета-распаду, содержат не менее одного нейтрона на каждый протон (исключением являются 1 1 H и 2 3 He), а по мере возрастания атомного номера соотношение N/Z увеличивается и достигает значения 1,6 для урана.

С увеличением числа N ядро данного элемента становится неустойчивым по отношению к электронному бета-минус-распаду (с превращением n->p), поэтому нейтронообогащенные ядра бета-активны. Соответственно нейтронодефицитные ядра неустойчивы к позитронному бета+-распаду или электронному захвату (с превращением p->n), а у тяжелых ядер наблюдается также альфа-распад и спонтанное деление.

Разделение стабильных и получение искусственно-радиоактивных изотопов. Разделение И.- это обогащение природной смеси И. данного хим. элемента отдельными входящими в его состав И. и выделение чистых И. из этой смеси. Все методы разделения основаны на изотопных эффектах, т. е. на различиях физ.-хим. свойств разных И. и содержащих их хим. соединений (прочность хим. связей, плотность, вязкость, теплоемкость, температура плавления, испарения, скорость диффузии и т. д.). Способы разделения и основаны на различиях в поведении И. и содержащих их соединений в физ.-хим. процессах. Практически используются электролиз, центрифугирование, газовая и термодиффузия, диффузия в потоке пара, ректификация, хим. и изотопный обмены, электромагнитное разделение, разделение с помощью лазера и др. Если единичный процесс дает низкий эффект, т. е. малый коэффициент разделения И., его многократно повторяют до получения достаточной степени обогащения. Наиболее эффективно идет разделение И. легких элементов в связи с большими относительными различиями масс их изотопов. Напр., «тяжелую воду», т. е. воду, обогащенную тяжелым И. водорода- дейтерием, масса к-рого вдвое больше, в промышленном масштабе получают на электролизных установках; высокоэффективно также выделение дейтерия низкотемпературной дистилляцией. Разделение И. урана (для получения ядерного топлива - 235 U) проводят на газодиффузионных заводах. Широкий спектр обогащенных стабильных И. получают на электромагнитных разделительных установках. В некоторых случаях применяют разделение и обогащение смеси радиоактивных И., напр, для получения радиоактивного И. железа-55 с высокой удельной активностью и радионуклидной чистотой.

Искусственно-радиоактивные И. получают в результате ядерных реакций - взаимодействия нуклидов друг с другом и с ядерными частицами или фотонами, в результате которых происходит образование других нуклидов и частиц. Ядерная реакция условно обозначается следующим образом: вначале указывается символ исходного изотопа, а затем - образующегося в результате данной ядерной реакции. В скобках между ними первой указывается воздействующая, а за нею - вылетающая частица или квант излучения (см. табл., графа 2).

Вероятность осуществления ядерных реакций количественно характеризуется так называемым эффективным поперечным сечением (или сечением) реакции, обозначаемым греческой буквой о и выражаемым в барнах (10 -24 см 2). Для получения искусственно-радиоактивных нуклидов используют ядерные реакторы (см. Реакторы ядерные) и ускорители заряженных частиц (см.). Многие радионуклиды, применяемые в биологии и медицине, получают в ядерном реакторе по ядерным реакциям радиационного захвата, т. е. захвата ядром нейтрона с испусканием гамма-кванта (n, гамма), в результате чего образуется изотоп того же элемента с массовым числом, на единицу большим исходного, напр. 23 Na (n, γ) 24 Na, 31 P(n, γ) 32 Р; по реакции (n, γ) с последующим распадом полученного радионуклида и образованием «дочернего», напр. 130 Te (n, γ) 131 Te -> 131 I; по реакциям с вылетом заряженных частиц (n, p), (n, 2n), (n, α); напр., 14 N (n, p) 14 C; по вторичным реакциям с тритонами (t, p) и (t, n), напр. 7 Li (n, α) 3 H и затем 16O (t, n) 18 F; по реакции деления U (n, f), напр. 90 Sr, 133 Xe и др. (см. Ядерные реакции).

Некоторые радионуклиды либо вообще не могут быть получены в ядер-ном реакторе, либо такое их производство нерационально в медицинских целях. По реакции (n, γ) в большинстве случаев нельзя получить изотопы без носителя; некоторые реакции имеют слишком малую величину сечения a, a облучаемые мишени - малое относительное содержание исходного изотопа в природной смеси, что приводит к низким выходам реакций, недостаточной удельной активности препаратов. Поэтому многие важные радионуклиды, применяемые в клинич. радиодиагностике, получают с достаточной удельной активностью, используя изотопно-обогащенные мишени. Напр., для получения кальция-47 облучают мишень, обогащенную по кальцию-46 с 0,003 до 10-20%, для получения железа-59 - мишень с железом-58, обогащенным с 0,31 до 80%, для получения ртути-197 - мишень с ртутью-196, обогащенной с 0,15 до 40%, и т. д.

В реакторе гл. обр. получают радионуклиды с избытком нейтронов, распадающиеся с бета-мирус_излучением. Нейтронодефицитные радионуклиды, которые образуются в ядерных реакциях на заряженных частицах (p, d, альфа) и фотонах и распадаются с испусканием позитронов или посредством захвата электронов, в большинстве случаев получают на циклотронах, линейных ускорителях протонов и электронов (в последнем случае используется тормозное излучение) при энергиях ускоряемых частиц порядка десятков и сотен МэВ. Так получают для мед. целей радионуклиды по реакциям: 51 V (р, n) 51 Cr, 67 Zn (р, n) 67 Ga, 109 Ag (α, 2n) 111 In, 44 Ca (γ, p) 43 K, 68 Zn (γ, p) 67 Cu и др. Важным преимуществом такого способа получения радионуклидов является то, что они, имея, как правило, иную хим. природу, чем материал облучаемой мишени, могут быть выделены из последней без носителя. Это позволяет получать нужные радиофарм. препараты с высокой удельной активностью и радионуклидной чистотой.

Для получения многих короткоживущих радионуклидов непосредственно в клинических учреждениях используют так наз. изотопные генераторы, содержащие долгоживущий материнский радионуклид, при распаде к-рого образуется нужный короткоживущий дочерний радионуклид, напр. 99m Tc, 87m Sr, 113m In, 132 I. Последний может быть многократно выделен из генератора в течение времени жизни материнского нуклида (см. Генераторы радиоактивных изотопов).

Применение изотопов в биологии и медицине. Радиоактивные и стабильные И. широко применяются в научных исследованиях. В качестве метки их используют для приготовления изотопных индикаторов (см. Меченые соединения) - веществ и соединений, имеющих отличный от природного изотопный состав. Методом изотопных индикаторов исследуют распределение, пути и характер перемещения меченых веществ в различных средах и системах, проводят их количественный анализ, изучают строение хим. соединений и биологически активных веществ, механизмы различных динамических процессов, в т. ч. их метаболизм в организме растений, животных и человека (см. Радиоизотопное исследование). С помощью метода изотопных индикаторов проводят исследования в биохимии (изучение обмена веществ, строения и механизма биосинтеза белков, нуклеиновых к-т, жиров и углеводов в живом организме, скорости протекания биохим, реакций и т. д.); в физиологии (миграции ионов и различных веществ, процессов всасывания из жел.-киш. тракта жиров и углеводов, экскреции, кровообращения, поведения и роли микроэлементов и т. д.); в фармакологии и токсикологии (исследование поведения лекарственных препаратов и токсических веществ, их всасывания, путей и скорости накопления, распределения, выведения, механизма действия и т. д.); в микробиологии, иммунологии, вирусологии (изучение биохимии микроорганизмов, механизмов ферментативных и Иммунохим, реакций, взаимодействия вирусов и клетки, механизмов действия антибиотиков и т. д.); в гигиене и экологии (изучение загрязненности вредными веществами и дезактивации производств и окружающей среды, экологической цепочки различных веществ, их миграции и т. д.). И. применяют и в других медико-биол. исследованиях (для изучения патогенеза различных заболеваний, исследования ранних изменений обмена веществ и т. д.).

В мед. практике радионуклиды применяют для диагностики и лечения различных заболеваний, а также для радиационной стерилизации мед. материалов, изделий и медикаментов. В клиниках используют более 130 радиодиагностических и 20 радиотерапевтических методик с применением открытых радиофарм. препаратов (РФП) и закрытых изотопных источников излучения. В этих целях используют св. 60 радионуклидов, ок. 30 из них - наиболее широко (табл.). Радиодиагностические препараты позволяют получать информацию о функц, и анатомическом состоянии органов и систем организма человека. В основе радиоизотопной диагностики (см.) лежит возможность проследить за биол, поведением меченных радионуклидами хим. веществ и соединений в живом организме без нарушения его целостности и изменения функций. Введение нужного радиоизотопа соответствующего элемента в структуру хим. соединения, практически не изменяя его свойства, позволяет следить за его поведением в живом организме путем наружного детектирования излучения И., в чем и состоит одно из очень важных преимуществ метода радиоизотопной диагностики.

Динамические показатели поведения меченого соединения дают возможность оценить функц, состояние исследуемого органа или системы. Так, по степени разбавления РФП с 24 Na, 42 K, 51 Cr, 52 Fe, 131 I и др. в жидких средах определяют объем циркулирующей крови, эритроцитов, обмен альбумина, железа, водный обмен электролитов и др. По показателям накопления, перемещения и выведения РФП в органах, системах организма или в очаге поражения можно оценить состояние центральной и периферической гемодинамики, определить функцию печени, почек, легких, изучить йодный обмен и т. п. РФП с радиоизотопами йода и технеция позволяют исследовать все функции щитовидной железы. С помощью 99м Tc, 113m In, 123 I, 131 I, 133 Xe можно провести всестороннее исследование легких - изучить распределение кровотока, состояние вентиляции легких и бронхов. РФП с 43 K, 86 Rb, 99м Тс, 67 Ga, 131 I, 113m In, 197 Hg и др. дают возможность определить кровоток и кровоснабжение головного мозга, сердца, печени, почек и других органов. Радиоактивные коллоидные р-ры и некоторые йодорганические препараты позволяют оценить состояние полигональных клеток и гепатоцитов (купферовских клеток) и антитоксической функции печени. С помощью радиоизотопного сканирования проводят анатомо-топографическое изучение и определение наличия, величины, формы и положения объемных поражений печени, почек, костного мозга, щитовидной, паращитовидной и слюнных желез, легких, лимф, узлов; радионуклиды 18 F, 67 Ga, 85 Sr, 87M Sr, 99M Tc позволяют исследовать заболевания скелета и т. д.

В СССР разработаны и введены в действие нормы радиационной безопасности для пациентов при использовании радиоактивных веществ с диагностической целью, которые строго регламентируют эти процедуры с точки зрения допустимых уровней облучения. Благодаря этому, а также рациональному выбору методов и аппаратуры для разных видов обследований и применению в РФП по возможности короткоживущих радионуклидов, обладающих благоприятными характеристиками излучения в отношении эффективности их регистрации при минимальном лучевом воздействии, лучевые нагрузки на организм пациента при радиоизотопных диагностических процедур ах гораздо ниже доз, получаемых при рентгенол, обследованиях, и в большинстве случаев не превышают сотых и десятых долей рада.

В 70-х гг. 20 в. радиоизотопные препараты стали шире применяться для исследований in vitro, в основном - для иммунохим. анализа. Радиоиммунохим. методы основаны на высокоспецифичной иммунохим. реакции антиген - антитело, в результате к-рой образуется устойчивый комплекс из антитела и антигена. После отделения образующегося комплекса от непрореагировавших антител или антигенов проводят количественное определение путем измерения их радиоактивности. Использование антигенов или антител, меченных радиоизотопами, напр. 125 I, повышает чувствительность иммунохим. тестов в десятки и сотни раз. С помощью этих тестов можно определить содержание в организме гормонов, антител, антигенов, энзимов, ферментов, витаминов и других биологически активных веществ в концентрациях до 0,1 мг/мл. Таким образом удается определять не только различные патол, состояния, но и весьма малые изменения, отражающие начальные стадии заболевания. Напр., эти методики успешно применяют для ранней диагностики in vitro сахарного диабета, инфекционного гепатита, нарушений углеводного обмена, некоторых аллергических и ряда других заболеваний. Такие радиоизотопные тесты не только чувствительнее, проще, но и позволяют проводить массовые исследования и совершенно безопасны для пациентов (см. Pадиоизотопная диагностика).

С леч. целью РФП и радионуклидные источники излучения применяются гл. обр. в онкологии, а также при лечении воспалительных заболеваний, экзем и др. (см. Лучевая терапия). Для этих целей используются как открытые РФП, вводимые внутрь организма, в ткани, серозные полости, полости суставов, внутривенно, внутриартериально и в лимф, систему, так и закрытые источники излучения для наружной, внутриполостной и внутритканевой терапии. С помощью соответствующих РФП, гл. обр. коллоидов и суспензий, содержащих 32 P, 90 Y, 131 I, 198 Au и другие радионуклиды, лечат заболевания кроветворной системы и различные опухоли, воздействуя локально на патол, очаг. При контактном облучении (дерматол, и офтальмол. бета-аппликаторы) применяют 32 P, 90 Sr, 90 Y, 147 Pm, 204 Tl, в дистанционных гамма-терапевтических аппаратах - источники 60 Co или 137 Cs высокой активности (сотни и тысячи кюри). Для внутритканевого и внутриполостного облучения используют иглы, гранулы, проволоку и другие специальные типы закрытых источников с 60 Co, 137 Cs, 182 Ta, 192 Ir, 198 Au (см. Pадиоактивные препараты).

Радиоактивные нуклиды используются также для стерилизации материалов, изделий мед. назначения и лекарственных средств. Практическое применение радиационной стерилизации стало возможным с 50-х гг., когда появились мощные источники ионизирующих излучений.По сравнению с традиционными методами стерилизации (см.) радиационный метод имеет ряд преимуществ. Поскольку при обычной стерилизующей дозе излучения (2-3 Мрад) не возникает значительного повышения температуры облучаемого объекта, становится возможной радиационная стерилизация термолабильных объектов, в т. ч. биол, препаратов и изделий из некоторых видов пластиков. Воздействие излучения на облучаемый образец происходит одновременно во всем его объеме, и стерилизация осуществляется с высокой степенью надежности. При этом для контроля используют цветовые индикаторы полученной дозы, помещаемые на поверхности упаковки стерилизуемого объекта. Мед. изделия и средства стерилизуются в конце технол. цикла уже в готовом виде и в герметической упаковке, в т. ч. и из полимерных материалов, что исключает необходимость создания строго асептических условий производства и гарантирует стерильность после выпуска изделий предприятием. Радиационная стерилизация особенно эффективна для мед. изделий разового пользования (шприцы, иглы, катетеры, перчатки, шовные и перевязочные материалы, системы для взятия и переливания крови, биопрепараты, хирургические инструменты и т. д.), неинъекционных лекарственных средств, таблеток и мазей. При радиационной стерилизации лекарственных р-ров следует считаться с возможностью их радиационного разложения, ведущего к изменению состава и свойств (см. Стерилизация, холодная).

Токсикология радиоактивных изотопов - раздел токсикологии, изучающий влияние инкорпорированных радиоактивных веществ на живые организмы. Основными задачами ее являются: установление допустимых уровней содержания и поступления радионуклидов в организм человека с воздухом, водой и продуктами питания, а также степени безвредности РВ, вводимых в организм при клин, радиодиагностических исследованиях; выяснение специфики поражения радионуклидами в зависимости от характера их распределения, энергии и вида излучения, периода полураспада, дозы, путей и ритма поступления и изыскание эффективных средств для профилактики поражения.

Наиболее глубоко исследуется влияние на организм человека радионуклидов, широко используемых в промышленности, научных и мед. исследованиях, а также образующихся в результате расщепления ядерного горючего.

Токсикология радиоактивных изотопов органически связана с радиобиологией (см.), радиационной гигиеной (см.) и медицинской радиологией (см.).

Радиоактивные вещества могут проникать в организм человека через дыхательные пути, жел.-киш. тракт, кожу, раневые поверхности, а при инъекциях - через кровеносные сосуды, мышечную ткань, суставные поверхности. Характер распределения радионуклидов в организме зависит от основных хим. свойств элемента, формы вводимого соединения, пути поступления и физиол, состояния организма.

Обнаружены довольно существенные различия в распределении и путях выведения отдельных радионуклидов. Растворимые соединения Ca, Sr, Ва, Ra, Y, Zr избирательно накапливаются в костной ткани; La, Ce, Pr, Pu, Am, Cm, Cf, Np - в печени и костной ткани; K, Cs, Rb - в мышечной ткани; Nb, Ru, Te, Po распределяются сравнительно равномерно, хотя и имеют тенденцию к накоплению в ретикулоэндотелиальной ткани селезенки, костного мозга, надпочечниках и лимф, узлах; I и At - в щитовидной железе.

Распределение в организме элементов, относящихся к определенной группе периодической системы Менделеева, имеет много общего. Элементы первой основной группы (Li, Na, К, Rb, Cs) полностью всасываются из кишечника, сравнительно равномерно распределяются по органам и выделяются преимущественно с мочой. Элементы второй основной группы (Ca, Sr, Ba, Rа) хорошо всасываются из кишечника, избирательно откладываются в скелете, выделяются в несколько больших количествах с калом. Элементы третьей основной и четвертой побочной групп, в т. ч. легкие лантаниды, актиниды и трансурановые элементы, практически не всасываются из кишечника, как правило, избирательно откладываются в печени и в меньшей мере в скелете, выделяются преимущественно с калом. Элементы пятой и шестой основной групп периодической системы, за исключением Ро, сравнительно хорошо всасываются из кишечника и выводятся почти исключительно с мочой в течение первых суток, благодаря чему в органах обнаруживаются в сравнительно небольших количествах.

Отложение радионуклидов в легочной ткани при ингаляции зависит от размера вдыхаемых частиц и их растворимости. Чем крупнее аэрозоли, тем большая доля их задерживается в носоглотке и меньшая проникает в легкие. Медленно покидают легкие плохо растворимые соединения. Высокая концентрация таких радионуклидов часто обнаруживается в лимф, узлах корней легких. Очень быстро всасываются в легких окись трития, растворимые соединения щелочных и щелочноземельных элементов. Медленно всасываются в легких Pu, Am, Се, Cm и другие тяжелые металлы.

Нормы радиационной безопасности (НРБ) регламентируют поступление и содержание радионуклидов в организме лиц, работа которых связана с профвредностями, и отдельных лиц из населения, а также населения в целом, допустимые концентрации радионуклидов в атмосферном воздухе и воде, продуктах питания. Эти нормы основаны на величинах предельно допустимых доз (ПДД) облучения, установленных для четырех групп критических органов и тканей (см. Критический орган , Предельно допустимые дозы).

Для лиц, работающих в условиях профвредностей, принятая величина ПДД облучения всего тела, гонад и красного костного мозга равна 5 бэр/год, мышечной и жировой тканей, печени, почек, селезенки, жел.-киш. тракта, легких, хрусталика глаз - 15 бэр/год, костной ткани, щитовидной железы и кожи -30 бэр/год, кистей рук, предплечий, лодыжек и стоп -75 бэр/год.

Нормы для отдельных лиц из населения рекомендованы в 10 раз ниже, чем для лиц, работающих в условиях профвредностей. Облучение всего населения регламентируется генетически значимой дозой, к-рая не должна превышать 5 бэр за 30 лет. В эту дозу не входят возможные дозы облучения, обусловленные мед. процедурами и естественным радиационным фоном.

Величина годового предельно допустимого поступления растворимых и нерастворимых соединений (мкКи/год) через органы дыхания для персонала, предел годового поступления радионуклидов через органы дыхания и пищеварения для отдельных лиц из населения, среднегодовые допустимые концентрации (СДК) радионуклидов в атмосферном воздухе и воде (кюри/л) для отдельных лиц из населения, а также содержание радионуклидов в критическом органе, соответствующее предельно допустимому уровню поступления (мкКи) для персонала, приведены в нормативах.

При расчете допустимых уровней поступления радионуклидов в организм учитывается также нередко встречающийся неравномерный характер распределения радионуклидов в отдельных органах и тканях. Неравномерное распределение радионуклидов, приводящее к созданию высоких локальных доз, лежит в основе высокой токсичности альфа-излучателей, чему в немалой степени способствуют отсутствие восстановительных процессов и практически полная суммация повреждений, вызываемых этим видом излучения.

Обозначения: β- - бета-излучение; β+ - позитронное излучение; n - нейтрон; p - протон; d - дейтрон; t - тритон; α - альфа-частица; Э.З. - распад путем захвата электрона; γ - гамма-излучение (как правило, приведены лишь основные линии γ-спектра); И. П. - изомерный переход; U (n, f) - реакция деления урана. Указанный изотоп выделяют из смеси продуктов деления; 90 Sr-> 90 Y - получение дочернего изотопа (90 Y) в результате распада материнского (90 Sr), в т. ч. с помощью изотопного генератора.

Библиография: Иванов И. И. и др. Радиоактивные изотопы в медицине и биологии, М., 1955; К а м e н М. Радиоактивные индикаторы в биологии, пер. с англ., М., 1948, библиогр.; Левин В. И. Получение радиоактивных изотопов, М., 1972; Нормы радиационной безопасности (НРБ-69), М., 1972; Получение в реакторе и применение короткоживущих изотопов, пер. с ин., под ред. В. В. Бочкарева и Б. В. Курчатова, М., 1965; Производство изотопов, под ред. В. В. Бочкарева, М., 1973; Селинов И. П. Атомные ядра и ядерные превращения, т. 1, М.-Л., 1951, библиогр.; Туманян М. А. и К а у-шанский Д. А. Радиационная стерилизация, М., 1974, библиогр.; Фатеева М. Н. Очерки радиоизотопной диагностики, М., 1960, библиогр.; Xeвеши Г. Радиоактивные индикаторы, пер. с англ., М., 1950, библиогр.; Dynamic studies with radioisotopes in medicine 1974, Proc, symp., v. 1-2, Vienna, IAEA, 1975; L e d e г e г Ch. М., Hollander J. M. a. P e г 1 m а n I. Tables of isotopes, N. Y., 1967; Silver S. Radioactive isotopes in clinical medicine, New Engl. J. Med., v. 272, p. 569, 1965, bibliogr.

В. В. Бочкарев; Ю. И. Москалев (токе.), составитель табл. В. В. Бочкарев.

Изотопы - разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа.

Термин изотоп формируется из греческих корней isos (ἴσος «equal») и topos (τόπος «место»), что означает «то же место»; Таким образом, смысл имени заключается в том, что разные изотопы одного элемента занимают одинаковое положение в периодической таблице.

Три естественных изотопа водорода. Тот факт, что каждый изотоп имеет один протон, имеет варианты водорода: тождество изотопа определяется числом нейтронов. Слева направо изотопы представляют собой протий (1H) с нулевыми нейтронами, дейтерий (2H) с одним нейтроном и тритий (3H) с двумя нейтронами.

Число протонов в ядре атома называется атомным числом и равно числу электронов в нейтральном (неионизированном) атоме. Каждое атомное число идентифицирует конкретный элемент, но не изотоп; Атом данного элемента может иметь широкий диапазон по числу нейтронов. Число нуклонов (как протонов, так и нейтронов) в ядре — это массовое число атома, и каждый изотоп данного элемента имеет разное массовое число.

Например, углерод-12, углерод-13 и углерод-14 представляют собой три изотопа элементарного углерода с массовыми числами 12, 13 и 14 соответственно. Атомный номер углерода равен 6, что означает, что каждый атом углерода имеет 6 протонов, так что нейтронные числа этих изотопов составляют 6, 7 и 8 соответственно.

Н уклиды и изотопы

Нуклид относится к ядру, а не к атому. Идентичные ядра принадлежат одному нуклиду, например, каждое ядро ​​нуклида углерод-13 состоит из 6 протонов и 7 нейтронов. Концепция нуклидов (относящаяся к отдельным ядерным видам) подчеркивает ядерные свойства по сравнению с химическими свойствами, тогда как изотопная концепция (группирующая все атомы каждого элемента) подчеркивает химическую реакцию над ядерной. Нейтронное число оказывает большое влияние на свойства ядер, но его влияние на химические свойства пренебрежимо мало для большинства элементов. Даже в случае самых легких элементов, где отношение количества нейтронов к атомному номеру изменяется в наибольшей степени между изотопами, оно обычно имеет лишь незначительный эффект, хотя это имеет значение в некоторых случаях (для водорода, самого легкого элемента, изотопный эффект является большим Чтобы сильно повлиять на биологию). Поскольку изотоп — это более древний термин, он лучше известен, чем нуклид, и до сих пор иногда используется в контекстах, где нуклид может быть более подходящим, например, ядерные технологии и ядерная медицина.

Обозначения

Изотоп или нуклид определяется по имени конкретного элемента (это указывает номер атома), за которым следует дефис и массовое число (например, гелий-3, гелий-4, углерод-12, углерод-14, уран-235 и Уран-239). Когда используется химический символ, например. «C» для углерода, стандартная нотация (теперь известная как «AZE-нотация», потому что A — это массовое число, Z — атомный номер и E для элемента) — указать массовое число (число нуклонов) с верхним индексом в верхней Слева от химического символа и указать атомный номер с нижним индексом в левом нижнем углу). Поскольку атомный номер задается символом элемента, обычно указывается только массовое число в верхнем индексе и не указывается индекс атома. Букву m иногда присоединяют после массового числа, чтобы указать ядерный изомер, метастабильное или энергетически-возбужденное ядерное состояние (в отличие от основного состояния с наименьшей энергией), например, 180м 73Ta (тантал-180м).

Радиоактивные, первичные и стабильные изотопы

Некоторые изотопы являются радиоактивными и поэтому называются радиоизотопами или радионуклидами, тогда как другие никогда не наблюдались для радиоактивного распада и называются стабильными изотопами или стабильными нуклидами. Например, 14 С представляет собой радиоактивную форму углерода, тогда как 12 С и 13 С являются стабильными изотопами. На Земле существует около 339 естественных нуклидов, из которых 286 являются первичными нуклидами, что означает, что они существуют с момента образования Солнечной системы.

Первоначальные нуклиды включают 32 нуклида с очень большим периодом полураспада (более 100 миллионов лет) и 254, которые формально считаются «стабильными нуклидами», поскольку они не наблюдались для распада. В большинстве случаев, по очевидным причинам, если элемент имеет стабильные изотопы то эти изотопы преобладают в элементарной распространенности, обнаруженной на Земле и в Солнечной системе. Однако в случае трех элементов (теллур, индий и рений) наиболее распространенным изотопом, обнаруженным в природе, является фактически один (или два) чрезвычайно долгоживущий радиоизотоп(ы) элемента, несмотря на то, что эти элементы имеют один или более устойчивых изотопов.

Теория предсказывает, что многие, по-видимому, «стабильные» изотопы / нуклиды являются радиоактивными, с чрезвычайно длинными периодами полураспада (не учитывая возможность распада протонов, что сделает все нуклиды в конечном итоге неустойчивыми). Из 254 нуклидов, которые никогда не наблюдались, только 90 из них (все из первых 40 элементов) теоретически устойчивы ко всем известным формам распада. Элемент 41 (ниобий) теоретически нестабилен спонтанным делением, но это никогда не было обнаружено. Многие другие устойчивые нуклиды в теории энергетически восприимчивы к другим известным формам распада, таким как альфа-распад или двойной бета-распад, но продукты распада еще не наблюдались, и поэтому считается, что эти изотопы являются «стабильными по наблюдениям». Прогнозируемые периоды полураспада для этих нуклидов часто значительно превышают расчетный возраст Вселенной, и на самом деле существует также 27 известных радионуклидов с периодами полураспада, превышающими возраст Вселенной.

Радиоактивные нуклиды, созданные искусственно, в настоящее время их известно 3 339 нуклидов. К ним относятся 905 нуклидов, которые либо стабильны, либо имеют периоды полувыведения более 60 минут.

Свойства изотопов

Химические и молекулярные свойства

Нейтральный атом имеет такое же число электронов, как и протоны. Таким образом, разные изотопы данного элемента имеют одинаковое число электронов и имеют сходную электронную структуру. Поскольку химическое поведение атома в значительной степени определяется его электронной структурой, различные изотопы демонстрируют почти идентичное химическое поведение.

Исключением из этого является кинетический изотопный эффект: из-за их больших масс более тяжелые изотопы имеют тенденцию реагировать несколько медленнее, чем более легкие изотопы того же элемента. Это наиболее ярко выражено для протия (1 H), дейтерия (2 H) и трития (3 H), так как дейтерий имеет в два раза больше массы протия, а тритий имеет в три раза больше массы протия. Эти различия в массе также влияют на поведение их соответствующих химических связей, изменяя центр тяжести (уменьшенную массу) атомных систем. Однако для более тяжелых элементов относительная разность масс между изотопами намного меньше, так что эффекты разности масс в химии обычно незначительны. (Тяжелые элементы также имеют относительно больше нейтронов, чем более легкие элементы, поэтому отношение массы ядра к совокупной электронной массе несколько больше).

Аналогично, две молекулы, которые отличаются только изотопами их атомов (изотопологи), имеют одинаковую электронную структуру и следовательно почти неразличимые физические и химические свойства (опять же с первичными исключениями являются дейтерий и тритий). Колебательные моды молекулы определяются ее формой и массами составляющих ее атомов; Поэтому разные изотопологи имеют разные наборы вибрационных мод. Поскольку колебательные моды позволяют молекуле поглощать фотоны соответствующих энергий, изотопологи имеют различные оптические свойства в инфракрасном диапазоне.

Ядерные свойства и стабильность

Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, связанных друг с другом остаточной сильной силой. Поскольку протоны заряжены положительно, они отталкивают друг друга. Нейтроны, которые электрически нейтральны, стабилизируют ядро ​​двумя способами. Их соприкосновение немного отодвигает протоны, уменьшая электростатическое отталкивание между протонами, и они оказывают привлекательную ядерную силу друг на друга и на протоны. По этой причине один или несколько нейтронов необходимы для того, чтобы два или более протона связывались с ядром. По мере увеличения числа протонов увеличивается и отношение нейтронов к протонам, необходимое для обеспечения стабильного ядра (см. график справа). Например, хотя отношение нейтрон: протон 3 2 He составляет 1:2, отношение нейтрон: протон 238 92 U
Больше 3:2. Ряд более легких элементов имеет устойчивые нуклиды с отношением 1:1 (Z = N). Нуклид 40 20 Ca (кальций-40) является наблюдательным самым тяжелым стабильным нуклидом с таким же числом нейтронов и протонов; (Теоретически, самый тяжелый стабильный — это сера-32). Все стабильные нуклиды, более тяжелые, чем кальций-40, содержат больше нейтронов, чем протоны.

Число изотопов на один элемент

Из 81 элемента со стабильными изотопами, наибольшее число стабильных изотопов наблюдаемыми для любого элемента составляет десять (для элемента олова). Ни один элемент не имеет девять стабильных изотопов. Ксенон — единственный элемент с восемью стабильными изотопами. Четыре элемента имеют семь стабильных изотопов, восемь из которых имеют шесть стабильных изотопов, десять имеют пять стабильных изотопов, девять имеют четыре стабильных изотопа, пять имеют три стабильных изотопа, 16 имеют два стабильных изотопа, а 26 элементов имеют только один (Из них 19 являются так называемыми мононуклидными элементами, имеющими единственный примордиальный стабильный изотоп, который доминирует и фиксирует атомный вес естественного элемента с высокой точностью, 3 также присутствуют радиоактивные мононуклидные элементы). В общей сложности имеется 254 нуклидов, которые не наблюдались для распада. Для 80 элементов, которые имеют один или более стабильных изотопов, среднее число стабильных изотопов составляет 254/80 = 3,2 изотопов на элемент.

Четные и нечетные числа нуклонов

Протоны: отношение нейтронов не является единственным фактором, влияющим на ядерную стабильность. Это зависит также от четности или нечетности его атомного номера Z, числа нейтронов N, следовательно их суммы массового числа A. Нечетные как Z так и N имеет тенденцию к снижению ядерной энергии связи, создавая нечетные ядра, как правило менее стабильные. Это значимое различие ядерной энергии связи между соседними ядрами, особенно нечетные изобары, имеют важные последствия: неустойчивые изотопы с неоптимальным числом нейтронов или протонов распадаются на бета-распад (включая позитронный распад), захват электронов или другие экзотические средства, такое как спонтанное деление и распад кластеров.

Большинство устойчивых нуклидов являются четным числом протоннов и четным числом нейтронов, где все числа Z, N и A четные. Нечетные стабильные нуклиды делятся (примерно равномерно) на нечетные.

Атомный номер

148 четных протонных, четных нейтронов (ЭЭ) нуклидов составляют ~ 58% всех стабильных нуклидов. Имеются также 22 первичных долгоживущих четных нуклида. В результате каждый из 41 четных элементов от 2 до 82 имеет по крайней мере один стабильный изотоп, и большинство из этих элементов имеют несколько первичных изотопов. Половина этих четных элементов имеет шесть или более стабильных изотопов. Крайняя стабильность гелия-4 из-за двойного соединения двух протонов и двух нейтронов предотвращает существование любых нуклидов, содержащих пять или восемь нуклонов, достаточно долго, чтобы служить платформами для накопления более тяжелых элементов посредством ядерного синтеза.

Эти 53 стабильных нуклида имеют четное число протонов и нечетное число нейтронов. Они являются меньшинством по сравнению с четными изотопами, которые примерно в 3 раза многочисленны. Среди 41 четно-Z элементов, которые имеют стабильный нуклид, только два элемента (аргон и церий) не имеют четных нечетных устойчивых нуклидов. Один элемент (олово) имеет три. Имеется 24 элемента, которые имеют один четно-нечетный нуклид и 13, которые имеют два нечетно-четных нуклида.

Из-за их нечетных нейтронных чисел, четно-нечетные нуклиды имеют тенденцию иметь большие сечения захвата нейтронов из-за энергии, которая возникает из-за эффектов соединения нейтронов. Эти стабильные нуклиды могут быть необычными по обилию в природе, в основном потому что для образования и вступления в первобытное обилие они должны избежать захвата нейтронов, чтобы образовать еще другие стабильные четно-нечетные изотопы в течение, как s — процесс и r — процесс захвата нейтронов при нуклеосинтезе.

Нечетный атомный номер

48 стабильных нечетно-протонных и четно-нейтронных нуклидов, стабилизированных их четным числом спаренных нейтронов, образуют большинство стабильных изотопов нечетных элементов; Очень немногие нечетные-протон-нечетные нейтронные нуклиды составляют другие. Есть 41 нечетных элементов с Z = 1 по 81, из которых 39 имеют стабильные изотопы (у элементов технеция (43 Tc) и прометия (61 Pm) нет стабильных изотопов). Из этих 39 нечетных Z элементов 30 элементов (включая водород-1, где 0 нейтронов четный) имеют один стабильный четно-нечетный изотоп, а девять элементов: хлор (17 Cl), калий (19K), медь (29 Cu), галлий (31 Ga), Бром (35 Br), серебро (47 Ag), сурьма (51 Sb), иридий (77 Ir) и таллий (81 Tl) имеют по два нечетно-четных стабильных изотопа. Таким образом получается 30 + 2 (9) = 48 стабильных четно-четных изотопов.

Только пять устойчивых нуклидов содержат как нечетное число протонов, так и нечетное число нейтронов. Первые четыре «нечетно-нечетных» нуклида происходят в низкомолекулярных нуклидах, для которых изменение протона на нейтрон или наоборот приведет к очень однобокому соотношению протон-нейтрон.

Единственной полностью «стабильной», нечетно-нечетным нуклидом является 180m 73 Ta, который считается самым редким из 254 стабильных изотопов и является единственным изначальным ядерным изомером, который еще не наблюдался до распада, несмотря на экспериментальные попытки.

Нечетное число нейтронов

Актиниды с нечетным числом нейтронов, как правило, делятся (с тепловыми нейтронами), в то время как с четным нейтронным числом, как правило, нет, хотя они делятся на быстрые нейтроны. Все наблюдательно устойчивые нечетно-нечетные нуклиды имеют ненулевой целочисленный спин. Это объясняется тем, что одиночный неспаренный нейтронный и неспаренный протон имеют большее притяжение ядерной силы друг к другу, если их спины выровнены (производя полный спин по крайней мере на 1 единицу), а не выровнены.

Возникновение в природе

Элементы состоят из одного или более естественных изотопов. Нестабильные (радиоактивные) изотопы являются либо первичными, либо постпримерными. Изначальные изотопы были продуктом звездного нуклеосинтеза или другого типа нуклеосинтеза, такого как расщепление космических лучей, и сохранялись вплоть до настоящего времени, потому что их скорость распада настолько низкая (например, уран-238 и калий-40). Постприродные изотопы были созданы путем бомбардировки космическими лучами как космогенные нуклиды (например, тритий, углерод-14) или распад радиоактивного первичного изотопа на дочь радиоактивного радиогенного нуклида (например, от урана до радия). Несколько изотопов естественным образом синтезируются как нуклеогенные нуклиды, другими естественными ядерными реакциями, например, когда нейтроны от естественного деления ядер поглощаются другим атомом.

Как обсуждалось выше, только 80 элементов имеют стабильные изотопы, а 26 из них имеют только один стабильный изотоп. Таким образом, около двух третей стабильных элементов происходят естественным образом на Земле в нескольких стабильных изотопах, причем наибольшее число стабильных изотопов для элемента составляет десять, для олова (50Sn). На Земле существует около 94 элементов (до плутония включительно), хотя некоторые обнаружены только в очень малых количествах, таких как плутоний-244. Ученые считают, что элементы, которые происходят естественным образом на Земле (некоторые только как радиоизотопы), встречаются в виде 339 изотопов (нуклидов) в целом. Только 254 из этих естественных изотопов устойчивы в том смысле, что на сегодняшний день их не наблюдали. Еще 35 первичных нуклидов (в сумме 289 первичных нуклидов) являются радиоактивными с известными периодами полураспада, но имеют периоды полураспада более 80 миллионов лет, что позволяет им существовать с начала Солнечной системы.

Все известные стабильные изотопы естественным образом происходят на Земле; Другие природные изотопы являются радиоактивными, но из-за их относительно длительного периода полураспада или же из-за других способов непрерывного естественного производства. К ним относятся упомянутые выше космогенные нуклиды, нуклеогенные нуклиды и любые радиогенные изотопы, образующиеся в результате продолжающегося распада первичного радиоактивного изотопа, такого как радон и радий из урана.

В ядерных реакторах и ускорителях частиц созданы еще ~ 3000 радиоактивных изотопов, не обнаруженных в природе. Многие короткоживущие изотопы, не найденные естественным путем на Земле, также наблюдались спектроскопическим анализом, естественно создаваемым в звездах или сверхновых. Примером может служить алюминий-26, который, естественно, не встречается на Земле, но встречается в изобилии в астрономических масштабах.

Табулированные атомные массы элементов представляют собой средние величины, которые объясняют наличие множественных изотопов с различными массами. До открытия изотопов эмпирически определенные неинтегрированные значения атомной массы путали ученых. Например, образец хлора содержит 75,8% хлора-35 и 24,2% хлора-37, что дает среднюю атомную массу 35,5 атомных единиц массы.

Согласно общепринятой теории космологии, только изотопы водорода и гелия, следы некоторых изотопов лития и бериллия и возможно, некоторые боры, были созданы при Большом взрыве, а все остальные изотопы были синтезированы позже, в звездах и сверхновых звездах, а также в Взаимодействия между энергичными частицами, такими как космические лучи, и ранее полученными изотопами. Соответствующее изотопное содержание изотопов на Земле обусловлено величинами, образованными этими процессами, их распространением через галактику и скоростью распада изотопов, которые являются неустойчивыми. После первоначального слияния Солнечной системы изотопы были перераспределены в соответствии с массой и изотопный состав элементов слегка меняется от планеты к планете. Это иногда позволяет проследить происхождение метеоритов.

Атомная масса изотопов

Атомная масса (mr) изотопа определяется главным образом его массовым числом (т. е. Числом нуклонов в его ядре). Небольшие поправки обусловлены энергией связи ядра, небольшим различием в массе между протоном и нейтроном и массой электронов, связанных с атомом.

Массовое число — безразмерная величина. Атомная масса, с другой стороны, измеряется с использованием единицы атомной массы, основанной на массе атома углерода-12. Он обозначается символами «u» (для унифицированной атомной единицы массы) или «Da» (для дальтона).

Атомные массы естественных изотопов элемента определяют атомную массу элемента. Когда элемент содержит N изотопов, нижеприведенное выражение применяется для средней атомной массы:

Где m 1 , m 2 , …, mN — атомные массы каждого отдельного изотопа, а x 1 , …, xN — относительное обилие этих изотопов.

Применение изотопов

Существует несколько приминений, которые используют свойства различных изотопов данного элемента. Разделение изотопов является важной технологической проблемой, особенно с тяжелыми элементами, такими как уран или плутоний. Более легкие элементы, такие как литий, углерод, азот и кислород, обычно разделяются газовой диффузией их соединений, таких как СО и NO. Разделение водорода и дейтерия необычно, поскольку оно основано на химических, а не физических свойствах, например, в сульфидном процессе Гирдлера. Изотопы урана были разделены по объему путем диффузии газов, газового центрифугирования, лазерного ионизационного разделения и (в Манхэттенском проекте) по типу масс-спектрометрии производства.

Использование химических и биологических свойств

• Изотопный анализ — это определение изотопной сигнатуры, относительной распространенности изотопов данного элемента в конкретном образце. Для биогенных веществ, в частности, могут иметь место существенные изменения изотопов С, N и О. Анализ таких вариаций имеет широкий спектр применений, таких как обнаружение фальсификации в пищевых продуктах или географическое происхождение продуктов с использованием изоскапий. Идентификация некоторых метеоритов, возникших на Марсе, основана частично на изотопной сигнатуре содержащихся в них следовых газов.
• Изотопическое замещение может быть использовано для определения механизма химической реакции посредством кинетического изотопного эффекта.
• Другим распространенным применением является изотопная маркировка, использование необычных изотопов в качестве индикаторов или маркеров в химических реакциях. Обычно атомы данного элемента неотличимы друг от друга. Однако, используя изотопы разных масс, даже различные нерадиоактивные стабильные изотопы можно отличить с помощью масс-спектрометрии или инфракрасной спектроскопии. Например, при «стабильном маркировании изотопов аминокислотами в культуре клеток» (SILAC), стабильные изотопы используются для количественного определения белков. Если используются радиоактивные изотопы, они могут быть обнаружены излучаемым ими излучением (это называется радиоизотопным маркированием).
• Изотопы обычно используются для определения концентрации различных элементов или веществ с использованием метода изотопного разбавления, при котором известные количества изотопически замещенных соединений смешиваются с образцами, и изотопные характеристики полученных смесей определяются с помощью масс-спектрометрии.

Использование ядерных свойств

• Методом, подобным радиоизотопному меток, является радиометрическое датирование: с использованием известного периода полураспада неустойчивого элемента можно вычислить время, прошедшее с момента существования известной концентрации изотопа. Наиболее широко известный пример — радиоуглеродная датировка, используемая для определения возраста углеродистых материалов.
• Некоторые формы спектроскопии основаны на уникальных ядерных свойствах конкретных изотопов, как радиоактивных, так и стабильных. Например, спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) может быть использована только для изотопов с отличным от нуля ядерным спином. Наиболее распространенными изотопами, используемыми при ЯМР-спектроскопии, являются 1 H, 2 D, 15 N, 13 C и 31 P.
• Мессбауэровская спектроскопия также опирается на ядерные переходы конкретных изотопов, таких как 57 Fe.

Изотопы

Атомы одного элемента, которые имеют разные массовые числа, называются изотопами. Атомы изотопов одного элемента имеют одинаковое число протонов (Z) и отличаются друг от друга числом нейтронов (N).

Изотопы различных элементов не имеют собственных названий, а повторяют название элемента; при этом атомная масса данного изотопа - его единственное отличие от других изотопов этого же элемента - отражается с помощью верхнего индекса в химической формуле элемента: например, для изотопов урана - 235 U, 238 U. Единственным исключением из правил номенклатуры изотопов является элемент № 1 - водород. Все три известных на настоящий момент изотопа водорода имеют не только собственные специальные химические символы, но и собственное название: 1 Н - протий, 2 D - дейтерий, 3 Т - тритий; при этом ядро протия - это просто один протон, ядро дейтерия содержит один протон и один нейтрон, ядро трития - один протон и два нейтрона. С названиями изотопов водорода так исторически сложилось потому, что относительное различие масс изотопов водорода, вызванное добавлением одного нейтрона, является максимальным среди всех химических элементов.

Все изотопы можно подразделить на стабильные (устойчивые), то есть не подверженные самопроизвольному распаду ядер атомов на части (распад в таком случае называется радиоактивным), и нестабильные (неустойчивые) - радиоактивные, то есть подверженные радиоактивному распаду. Большинство широко распространенных в природе элементов состоит из смеси двух или большего числа стабильных изотопов: например, 16 О, 12 С. Из всех элементов наибольшее число стабильных изотопов имеет олово (10 изотопов), а, например, алюминий существует в природе в виде только одного стабильного изотопа - остальные его известные изотопы неустойчивы. Ядра нестабильных изотопов самопроизвольно распадаются, выделяя при этом б-частицы и в-частицы (электроны) до тех пор, пока не образуется стабильный изотоп другого элемента: например, распад 238 U (радиоактивного урана) завершается образованием 206 Pb (стабильного изотопа свинца). При изучении изотопов установлено, что они не различаются по химическим свойствам, которые, как нам известно, определяются зарядом их ядер и не зависят от массы ядер.

Электронные оболочки

Электронная оболочка атома - область пространства вероятного местонахождения электронов, характеризующихся одинаковым значением главного квантового числа n и, как следствие, располагающихся на близких энергетических уровнях. Каждая электронная оболочка может иметь определенное максимальное число электронов.

Начиная со значения главного квантового числа n = 1, энергетические уровни (слои) обозначаются К, L, М и N. Они подразделяются на подуровни (подслои), отличающиеся друг от друга энергией связи с ядром. Число подуровней равно значению главного квантового числа, но не превышает четырех: 1-й уровень имеет один подуровень, 2-й - два, 3-й - три, 4-й - четыре подуровня. Подуровни, в свою очередь, состоят из орбиталей. Принято подуровни обозначать латинскими буквами, s - первый, ближайший к ядру подуровень каждого энергетического уровня; он состоит из одной s-орбитали, р - второй подуровень, состоит из трех р-орбиталей; d - третий подуровень, он состоит из пяти d-орбиталей; f - четвертый подуровень, содержит семь f-орбиталей. Таким образом, для каждого значения n имеется n 2 орбиталей. В каждой орбитали может находиться не более двух электронов - принцип Паули. Если в орбитали находится один электрон, то он называется неспаренным, если два - то это спаренные электроны. Принцип Паули поясняет формулу N=2n 2 . Если на первом уровне K(n=1) содержится 1 2 = 1 орбиталь, а в каждой орбитали по 2 электрона, то максимальное число электронов составит 2*1 2 =2; L (n = 2) =8; M (n = 3) =18; N (n = 4) =32.

Изотопы

ИЗОТО́ПЫ -ов; мн. (ед. изото́п, -а; м.). [от греч. isos - равный и topos - место] Спец. Разновидности одного и того же химического элемента, различающиеся массой атомов. Радиоактивные изотопы. Изотопы урана.

◁ Изото́пный, -ая, -ое. И. индикатор.

История исследований
Первые экспериментальные данные о существовании изотопов были получены в 1906-10 гг. при изучении свойств радиоактивных превращений атомов тяжелых элементов. В 1906-07 гг. было обнаружено, что продукт радиоактивного распада урана - ионий и продукт радиоактивного распада тория - радиоторий имеют те же химические свойства, что и торий, однако отличаются от последнего атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Более того: все три элемента имеют одинаковые оптические и рентгеновские спектры. По предложению английского ученого Ф. Содди (см. СОДДИ Фредерик) , такие вещества стали называть изотопами.
После того как изотопы были обнаружены у тяжелых радиоактивных элементов, начались поиски изотопов у стабильных элементов. Независимое подтверждение существования стабильных изотопов химических элементов было получено в экспериментах Дж. Дж. Томсона (см. ТОМСОН Джозеф Джон) и Ф. Астона (см. АСТОН Фрэнсис Уильям) . Томсон в 1913 г. обнаружил стабильные изотопы у неона. Астон, проводивший исследования с помощью сконструированного им прибора, названного масс-спектрографом (или масс-спектрометром), используя метод масс-спектрометрии (см. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ) , доказал, что и многие другие стабильные химические элементы имеют изотопы. В 1919 г. он получил доказательства существования двух изотопов 20 Ne и 22 Ne, относительное содержание (распространенность) которых в природе составляет приблизительно 91% и 9% . В дальнейшем был обнаружен изотоп 21 Ne с распространенностью 0,26%, изотопы хлора, ртути и ряда других элементов.
Масс-спектрометр несколько другой конструкции в те же годы был создан А. Дж. Демпстером (см. ДЕМПСТЕР Артур Джефри) . В результате последующего использования и усовершенствования масс-спектрометров усилиями многих исследователей была составлена почти полная таблица изотопных составов. В 1932 г. был открыт нейтрон - частица, не имеющая заряда, с массой, близкой к массе ядра атома водорода - протона, и создана протонно-нейтронная модель ядра. В результате в науке установилось окончательное определение понятия изотопов: изотопы - это вещества, ядра атомов которых состоят из одинакового числа протонов и отличаются лишь числом нейтронов в ядре. Примерно к 1940 г. изотопный анализ был проведен для всех известных к тому времени химических элементов.
При изучении радиоактивности было открыто около 40 природных радиоактивных веществ. Они были объединены в радиоактивные семейства, родоначальниками которых являются изотопы тория и урана. К природным относятся все стабильные разновидности атомов (их около 280) и все естественно радиоактивные, входящие в состав радиоактивных семейств (их 46). Все остальные изотопы получены в результате ядерных реакций.
Впервые в 1934 г. И. Кюри (см. ЖОЛИО-КЮРИ Ирен) и Ф. Жолио-Кюри (см. ЖОЛИО-КЮРИ Фредерик) получили искусственным путем радиоактивные изотоп азота (13 N), кремния (28 Si) и фосфора (30 P), отсутствующие в природе. Этими экспериментами они продемонстрировали возможность синтеза новых радиоактивных нуклидов. Среди известных в настоящее время искусственных радиоизотопов более 150 принадлежат трансурановым элементам (см. ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ) , не встречающимся на Земле. Теоретически допускается, что число разновидностей изотопов, способных к существованию, может достигать порядка 6000.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Смотреть что такое "изотопы" в других словарях:

Современная энциклопедия

Изотопы - (от изо... и греческого topos место), разновидности химических элементов, у которых ядра атомов (нуклидов) отличаются числом нейтронов, но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе химических … Иллюстрированный энциклопедический словарь

- (от изо... и греч. topos место) разновидности химических элементов, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов, но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе элементов. Различают… … Большой Энциклопедический словарь

ИЗОТОПЫ - ИЗОТОПЫ, хим. элементы, расположенные в одной и той же клетке периодической системы и следовательно обладающие одинаковым атомным номером или порядко вым числом. При этом И. не должны, вообще говоря, обладать одинаковым атомным весом. Различные… … Большая медицинская энциклопедия

Разновидности данного хим. элемента, различающиеся по массе ядер. Обладая одинаковыми зарядами ядер Z, но различаясь числом нейтронов, И. имеют одинаковое строение электронных оболочек, т. е. очень близкие хим. св ва, и занимают одно и то же… … Физическая энциклопедия

Атомы одного и того же хим. элемента, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов; имеют разные атомные массы, обладают одними и теми же хим. свойствами, но различаются по своим физ. свойствам, в частности… … Словарь микробиологии

Атомы хим. элемента, обладающие разными массовыми числами, но имеющие одинаковый заряд атомных ядер и поэтому занимающие одно место в периодической системе Менделеева. Атомы разных изотопов одного и того же хим. элемента отличаются по числу… … Геологическая энциклопедия

Установлено, что каждый химический элемент, находящийся в природе – это смесь изотопов (отсюда у них дробные атомные массы). Чтобы понять, чем отличаются изотопы один от другого, необходимо детально рассмотреть строение атома. Атом образует ядро и электронное облако. На массу атома влияют электроны, движущиеся с ошеломительной скоростью по орбиталям в электронном облаке, нейтроны и протоны, входящие в состав ядра.

Что такое изотопы

Изотопы – это разновидность атомов какого-либо химического элемента. Электронов и протонов в любом атоме всегда равное количество. Поскольку они обладают противоположными зарядами (электроны – отрицательным, а протоны – положительным), атом всегда нейтрален (эта элементарная частица не несет заряда, он равен у нее нулю). При потере или захвате электрона атом теряет нейтральность, становясь либо отрицательным, либо положительным ионом.
Нейтроны не имеют заряда, зато их количество в атомном ядре одного и того же элемента может быть разным. Это никак не сказывается на нейтральности атома, однако влияет на его массу и свойства. Например, в любом изотопе атома водорода есть по одному электрону и протону. А количество нейтронов разное. В протии имеется всего лишь 1 нейтрон, в дейтерии – 2 нейтрона и в тритии – 3 нейтрона. Эти три изотопа заметно отличаются друг от друга по свойствам.

Сравнение изотопов

Чем различаются изотопы? В них разное количество нейтронов, неодинаковая масса и различные свойства. Изотопы обладают идентичным строением электронных оболочек. Это значит, что они довольно близки по химическим свойствам. Поэтому им отведено в периодической системе одно место.
В природе обнаружены изотопы стабильные и радиоактивные (нестабильные). Ядра атомов радиоактивных изотопов способны самопроизвольно превращаться в другие ядра. В процессе радиоактивного распада они испускают различные частицы.
Большинство элементов имеет свыше двух десятков радиоактивных изотопов. К тому же радиоактивные изотопы искусственно синтезированы абсолютно для всех элементов. В естественной смеси изотопов их содержание незначительно колеблется.
Существование изотопов позволило понять, почему в отдельных случаях элементы с меньшей атомной массой обладают большим порядковым номером, чем элементы с большей атомной массой. Например, в паре аргон-калий аргон включает тяжелые изотопы, а калий – легкие изотопы. Поэтому масса аргона больше, чем калия.

ImGist определил, что отличие изотопов друг от друга заключается в следующем:

Они обладают разным числом нейтронов.
Изотопы имеют разную массу атомов.
Значение массы атомов ионов влияет на их полную энергию и свойства.