Isotop adalah varian pada elemen yang memiliki berat atom berbeda dari varian lainnya. Kecuali untuk bentuk hidrogen yang paling umum — yang hanya memiliki proton — setiap inti atom dalam materi normal terbuat dari proton dan neutron. Isotop suatu unsur tertentu memiliki jumlah proton yang sama, tetapi jumlah neutron yang berbeda. Mereka pada dasarnya memiliki sifat kimia yang sama, tetapi sedikit berbeda dalam karakteristik fisiknya, seperti titik leleh dan titik didih. Beberapa isotop tidak stabil dan cenderung meluruh menjadi unsur lain, mengeluarkan partikel atau radiasi subatom; ini adalah radioaktif dan dikenal sebagai radioisotop.
Ketika ilmuwan mengacu pada isotop tertentu dari suatu unsur, nomor massa, atau jumlah proton ditambah jumlah neutron, muncul di kiri atas, di sebelah simbol untuk unsur tersebut. Misalnya, bentuk hidrogen yang memiliki proton dan neutron ditulis sebagai 2H. Demikian pula, 235U dan 238U adalah dua isotop uranium yang berbeda. Ini juga biasa ditulis sebagai uranium-235 dan uranium-238.
Inti atom
Neutron secara listrik netral, tetapi proton memiliki muatan listrik positif. Karena muatan sejenis tolak-menolak, inti yang mengandung lebih dari satu proton membutuhkan sesuatu untuk mencegah partikel-partikel ini terbang terpisah. Sesuatu itu disebut gaya nuklir kuat, kadang-kadang disebut hanya sebagai gaya kuat. Ini jauh lebih kuat daripada gaya elektromagnetik yang bertanggung jawab atas tolakan antara proton, tetapi tidak seperti gaya ini, ia memiliki jangkauan yang sangat pendek. Gaya kuat mengikat proton dan neutron bersama-sama di dalam inti, tetapi gaya elektromagnetik ingin mendorong proton terpisah.
Inti Stabil dan Tidak Stabil
Pada unsur yang lebih ringan, gaya kuat mampu menahan inti bersama-sama selama ada cukup neutron untuk mencairkan gaya elektromagnetik. Biasanya, dalam unsur-unsur ini, jumlah proton dan neutron hampir sama. Dalam unsur-unsur yang lebih berat, harus ada kelebihan neutron untuk memberikan stabilitas. Namun, di luar titik tertentu, tidak ada konfigurasi yang menyediakan inti yang stabil. Tidak ada unsur yang lebih berat dari timbal yang memiliki isotop stabil.
Terlalu banyak neutron juga dapat membuat isotop tidak stabil. Misalnya, bentuk hidrogen yang paling umum memiliki satu proton dan tidak memiliki neutron, tetapi ada dua bentuk lain, dengan satu dan dua neutron, masing-masing disebut deuterium dan tritium. Tritium tidak stabil karena memiliki terlalu banyak neutron.
Ketika inti yang tidak stabil, atau radioaktif, meluruh, ia berubah menjadi inti unsur lain. Ada dua mekanisme yang memungkinkan hal ini terjadi. Peluruhan alfa terjadi ketika gaya kuat tidak dapat menahan semua proton dalam inti bersama-sama. Alih-alih hanya membuang proton, partikel alfa yang terdiri dari dua proton dan dua neutron dikeluarkan. Proton dan neutron terikat erat dan partikel alfa adalah konfigurasi yang stabil.
Peluruhan beta terjadi ketika inti memiliki terlalu banyak neutron. Salah satu neutron berubah menjadi proton, yang tetap berada di inti, dan elektron, yang dikeluarkan. Dalam tritium, misalnya, salah satu dari dua neutronnya, cepat atau lambat, akan berubah menjadi proton dan elektron. Ini menghasilkan inti dengan dua proton dan satu neutron, yang merupakan bentuk helium, yang dikenal sebagai 3He atau helium-3. Isotop ini stabil, meskipun memiliki kelebihan proton, karena nukleus cukup kecil untuk menahan gaya yang kuat untuk menyatukannya.
Setengah-Hidup
Ada ketidakpastian mendasar tentang waktu yang diperlukan bagi inti individu yang tidak stabil untuk meluruh; namun, untuk isotop tertentu, laju peluruhan dapat diprediksi. Dimungkinkan untuk memberikan nilai yang sangat tepat untuk jumlah waktu yang dibutuhkan setengah dari sampel isotop tertentu untuk meluruh menjadi unsur lain. Nilai ini dikenal sebagai waktu paruh dan dapat bervariasi dari sepersekian detik hingga miliaran tahun. Bentuk paling umum dari unsur bismut memiliki waktu paruh satu miliar kali lebih lama dari perkiraan usia alam semesta. Itu pernah dianggap sebagai elemen stabil terberat, tetapi terbukti sangat sedikit radioaktif pada tahun 2003.
properti
Selain masalah radioaktivitas, isotop yang berbeda dari suatu unsur menunjukkan sifat fisik yang berbeda. Bentuk yang lebih berat, dengan lebih banyak neutron, biasanya memiliki titik leleh dan titik didih yang lebih tinggi, karena fakta bahwa lebih banyak energi diperlukan untuk membuat atom dan molekulnya bergerak cukup cepat untuk menghasilkan perubahan keadaan. Misalnya, “air berat”, suatu bentuk air di mana hidrogen normal digantikan oleh deuterium yang lebih berat, membeku pada 38.9°F (3.82°C) dan mendidih pada 214.5°F (101.4°C), berlawanan dengan 32° F (0 ° C) dan 212 ° F (100 ° C), masing-masing, untuk air biasa. Reaksi kimia dapat berlangsung sedikit lebih lambat untuk isotop yang lebih berat karena alasan yang sama.
penggunaan
Mungkin isotop yang paling terkenal adalah 235U, karena penggunaannya dalam energi nuklir dan persenjataan. Ketidakstabilannya sedemikian rupa sehingga dapat mengalami reaksi berantai nuklir, melepaskan sejumlah besar energi. Uranium yang “diperkaya” adalah uranium dengan konsentrasi isotop ini lebih tinggi, sedangkan uranium “depleted” memiliki konsentrasi yang jauh lebih rendah.
Penanggalan radiometrik menggunakan proporsi isotop yang berbeda untuk memperkirakan usia sampel, seperti bahan biologis atau batuan. Penanggalan radiokarbon, misalnya, menggunakan isotop radioaktif 14C, atau karbon-14, untuk menentukan umur bahan yang mengandung karbon asal organik. Usia dan sejarah geologis Bumi sebagian besar diketahui melalui perbandingan proporsi berbagai isotop dalam sampel batuan.
Dalam biologi dan kedokteran, sejumlah kecil isotop radioaktif dapat digunakan sebagai penanda atom untuk melacak pergerakan berbagai zat, seperti obat-obatan, melalui tubuh. Isotop radioaktif yang lebih kuat dapat digunakan sebagai sumber radiasi untuk menghancurkan tumor dan pertumbuhan kanker. Helium-3, diperkirakan ada dalam jumlah besar di bulan, adalah salah satu bahan bakar jangka panjang yang paling menjanjikan untuk reaktor tenaga fusi. Namun, menggunakannya secara efektif akan membutuhkan penguasaan bentuk fusi lain terlebih dahulu.