En isotop är en variant på ett grundämne som har en annan atomvikt än andra varianter. Förutom den vanligaste formen av väte – som bara har en proton – är varje atomkärna i normal materia gjord av både protoner och neutroner. Isotoper av ett givet grundämne har samma antal protoner, men olika antal neutroner. De har i huvudsak samma kemiska egenskaper, men skiljer sig något i sina fysikaliska egenskaper, såsom smältpunkt och kokpunkt. Vissa isotoper är instabila och tenderar att sönderfalla till andra element och avger subatomära partiklar eller strålning; dessa är radioaktiva och kallas radioisotoper.
När forskare refererar till en viss isotop av ett grundämne, visas masstalet, eller antalet protoner plus antalet neutroner, uppe till vänster, bredvid symbolen för elementet. Till exempel skrivs formen av väte som har en proton och en neutron som 2H. På samma sätt är 235U och 238U två olika isotoper av uran. Dessa skrivs också vanligtvis som uranium-235 och uranium-238.
Atomkärnan
Neutroner är elektriskt neutrala, men protoner har en positiv elektrisk laddning. Eftersom lika laddningar stöter bort behöver en kärna som innehåller mer än en proton något för att förhindra dessa partiklar från att flyga isär. Att något kallas den starka kärnkraften, ibland kallad den starka kraften. Den är mycket starkare än den elektromagnetiska kraft som är ansvarig för avstötningen mellan protoner, men till skillnad från denna kraft har den mycket kort räckvidd. Den starka kraften binder samman protoner och neutroner i kärnan, men den elektromagnetiska kraften vill trycka isär protonerna.
Stabila och instabila kärnor
I de lättare elementen kan den starka kraften hålla ihop kärnan så länge det finns tillräckligt med neutroner för att späda ut den elektromagnetiska kraften. Normalt är antalet protoner och neutroner i dessa element ungefär detsamma. I tyngre grundämnen måste det finnas ett överskott av neutroner för att ge stabilitet. Utöver en viss punkt finns det dock ingen konfiguration som ger en stabil kärna. Inget av de grundämnen som är tyngre än bly har några stabila isotoper.
För många neutroner kan också göra en isotop instabil. Till exempel har den vanligaste formen av väte en proton och inga neutroner, men det finns två andra former, med en och två neutroner, som kallas deuterium respektive tritium. Tritium är instabilt eftersom det har för många neutroner.
När en instabil eller radioaktiv kärna sönderfaller förvandlas den till en kärna av ett annat grundämne. Det finns två mekanismer genom vilka detta kan hända. Alfasönderfall inträffar när den starka kraften inte kan hålla ihop alla protoner i en kärna. Istället för att bara kasta ut en proton, stöts dock en alfapartikel som består av två protoner och två neutroner ut. Protoner och neutroner är tätt bundna tillsammans och alfapartikeln är en stabil konfiguration.
Beta-sönderfall uppstår när en kärna har för många neutroner. En av neutronerna förvandlas till en proton, som stannar kvar i kärnan, och en elektron, som stöts ut. I tritium, till exempel, kommer en av dess två neutroner förr eller senare att förvandlas till en proton och en elektron. Detta ger en kärna med två protoner och en neutron, vilket är en form av helium, känd som 3He eller helium-3. Denna isotop är stabil, trots överskottet av protoner, eftersom kärnan är tillräckligt liten för att den starka kraften ska hålla ihop den.
Halvera liv
Det finns en grundläggande osäkerhet om den tid det kommer att ta för en enskild instabil kärna att förfalla; för en given isotop är dock sönderfallshastigheten förutsägbar. Det är möjligt att ge ett mycket exakt värde för hur lång tid det tar för hälften av ett prov av en viss isotop att sönderfalla till ett annat element. Detta värde är känt som halveringstiden och kan variera från en liten bråkdel av en sekund till miljarder år. Den vanligaste formen av grundämnet vismut har en halveringstid som är en miljard gånger så lång som universums beräknade ålder. Det ansågs en gång vara det tyngsta stabila elementet, men visade sig vara mycket svagt radioaktivt 2003.
Fastigheter
Förutom frågan om radioaktivitet uppvisar olika isotoper av ett grundämne olika fysikaliska egenskaper. Tyngre former, med fler neutroner, har vanligtvis högre smält- och kokpunkter, på grund av det faktum att det krävs mer energi för att få deras atomer och molekyler att röra sig tillräckligt snabbt för att åstadkomma en tillståndsändring. Till exempel, ”tungt vatten”, en form av vatten där normalt väte ersätts med det tyngre deuteriumet, fryser vid 38.9°F (3.82°C) och kokar vid 214.5°F (101.4°C), i motsats till 32° F (0°C) respektive 212°F (100°C), för vanligt vatten. Kemiska reaktioner kan gå något långsammare för tyngre isotoper av samma anledning.
du använder
Den förmodligen mest kända isotopen är 235U, på grund av dess användning inom kärnenergi och vapen. Dess instabilitet är sådan att den kan genomgå en kärnkedjereaktion, vilket frigör enorma mängder energi. ”Anrikat” uran är uran med en högre koncentration av denna isotop, medan ”utarmat” uran har en mycket lägre koncentration.
Radiometrisk datering använder proportionerna mellan olika isotoper för att uppskatta åldern på prover, såsom biologiska material eller stenar. Radiokoldatering, till exempel, använder den radioaktiva isotopen 14C, eller kol-14, för att datera material som innehåller kol av organiskt ursprung. Jordens ålder och geologiska historia är till stor del känd genom att jämföra proportionerna mellan olika isotoper i bergprover.
Inom biologi och medicin kan små mängder lätt radioaktiva isotoper användas som atommarkörer för att spåra rörelsen av olika ämnen, såsom droger, genom kroppen. Starkare radioaktiva isotoper kan användas som en strålkälla för att förstöra tumörer och cancerväxter. Helium-3, som tros finnas i stora mängder på månen, är bland de mest lovande långsiktiga bränslena för fusionskraftreaktorer. Att använda det effektivt kräver dock att först bemästra andra former av fusion.