Un izotop este o variantă a unui element care are o greutate atomică diferită de alte variante. Cu excepția formei cea mai comună de hidrogen – care are doar un proton – fiecare nucleu atomic din materia normală este format atât din protoni, cât și din neutroni. Izotopii unui element dat au același număr de protoni, dar un număr diferit de neutroni. Au în esență aceleași proprietăți chimice, dar diferă ușor în caracteristicile lor fizice, cum ar fi punctul de topire și punctul de fierbere. Unii izotopi sunt instabili și tind să se descompună în alte elemente, eliberând particule subatomice sau radiații; acestea sunt radioactive și sunt cunoscute sub denumirea de radioizotopi.
Când oamenii de știință se referă la un anumit izotop al unui element, numărul de masă sau numărul de protoni plus numărul de neutroni apare în stânga sus, lângă simbolul elementului. De exemplu, forma hidrogenului care are un proton și un neutron este scrisă ca 2H. În mod similar, 235U și 238U sunt doi izotopi diferiți ai uraniului. Acestea sunt, de asemenea, scrise în mod obișnuit ca uraniu-235 și uraniu-238.
Nucleul atomic
Neutronii sunt neutri din punct de vedere electric, dar protonii au o sarcină electrică pozitivă. Deoarece sarcinile asemănătoare se resping, un nucleu care conține mai mult de un proton are nevoie de ceva pentru a împiedica aceste particule să se despartă. Acel ceva se numește forța nucleară puternică, uneori denumită pur și simplu forța puternică. Este mult mai puternică decât forța electromagnetică care este responsabilă pentru repulsia dintre protoni, dar, spre deosebire de această forță, are o rază de acțiune foarte scurtă. Forța puternică leagă protonii și neutronii împreună în nucleu, dar forța electromagnetică vrea să împingă protonii în afară.
Nuclei stabili și instabili
În elementele mai ușoare, forța puternică este capabilă să țină nucleul împreună atâta timp cât există destui neutroni pentru a dilua forța electromagnetică. De obicei, în aceste elemente, numărul de protoni și neutroni este aproximativ același. În elementele mai grele, trebuie să existe un exces de neutroni pentru a oferi stabilitate. Dincolo de un anumit punct, însă, nu există nicio configurație care să ofere un nucleu stabil. Niciunul dintre elementele mai grele decât plumbul nu are izotopi stabili.
Prea mulți neutroni pot face, de asemenea, un izotop instabil. De exemplu, cea mai comună formă de hidrogen are un proton și nici un neutron, dar există alte două forme, cu unul și doi neutroni, numite deuteriu și, respectiv, tritiu. Tritiul este instabil deoarece are prea mulți neutroni.
Când un nucleu instabil sau radioactiv se descompune, se transformă într-un nucleu al unui alt element. Există două mecanisme prin care acest lucru se poate întâmpla. Dezintegrarea alfa are loc atunci când forța puternică nu poate ține toți protonii dintr-un nucleu împreună. Totuși, în loc să arunce doar un proton, o particulă alfa constând din doi protoni și doi neutroni este ejectată. Protonii și neutronii sunt strâns legați împreună, iar particula alfa are o configurație stabilă.
Dezintegrarea beta apare atunci când un nucleu are prea mulți neutroni. Unul dintre neutroni se transformă într-un proton, care rămâne în nucleu, și într-un electron, care este ejectat. În tritiu, de exemplu, unul dintre cei doi neutroni ai săi se va transforma, mai devreme sau mai târziu, într-un proton și un electron. Acest lucru dă un nucleu cu doi protoni și un neutron, care este o formă de heliu, cunoscută sub numele de 3He sau heliu-3. Acest izotop este stabil, în ciuda excesului de protoni, deoarece nucleul este suficient de mic pentru ca forța puternică să-l țină împreună.
Înjumătățiți
Există o incertitudine fundamentală cu privire la timpul necesar pentru ca un nucleu individual instabil să se descompună; cu toate acestea, pentru un izotop dat, rata de dezintegrare este previzibilă. Este posibil să se dea o valoare foarte precisă pentru timpul necesar pentru ca jumătate dintr-o probă dintr-un anumit izotop să se descompună într-un alt element. Această valoare este cunoscută ca timp de înjumătățire și poate varia de la o mică fracțiune de secundă la miliarde de ani. Cea mai comună formă a elementului bismut are un timp de înjumătățire de un miliard de ori mai lung decât vârsta estimată a universului. Se credea cândva a fi cel mai greu element stabil, dar s-a dovedit a fi foarte ușor radioactiv în 2003.
Proprietăţi
Pe lângă problema radioactivității, diferiți izotopi ai unui element prezintă proprietăți fizice diferite. Formele mai grele, cu mai mulți neutroni, au, de obicei, puncte de topire și de fierbere mai mari, datorită faptului că este necesară mai multă energie pentru ca atomii și moleculele lor să se miște suficient de repede pentru a produce o schimbare de stare. De exemplu, „apa grea”, o formă de apă în care hidrogenul normal este înlocuit cu deuteriu mai greu, îngheață la 38.9 ° F (3.82 ° C) și fierbe la 214.5 ° F (101.4 ° C), spre deosebire de 32 ° C. F (0°C) și, respectiv, 212°F (100°C), pentru apă obișnuită. Reacțiile chimice pot avea loc ceva mai lent pentru izotopii mai grei din același motiv.
Utilizeaza
Probabil cel mai faimos izotop este 235U, din cauza utilizării sale în energia nucleară și în armament. Instabilitatea sa este de așa natură încât poate suferi o reacție nucleară în lanț, eliberând cantități uriașe de energie. Uraniul „îmbogățit” este uraniu cu o concentrație mai mare a acestui izotop, în timp ce uraniul „sărăcit” are o concentrație mult mai mică.
Datarea radiometrică utilizează proporțiile diferiților izotopi pentru a estima vârsta probelor, cum ar fi materialele biologice sau rocile. Datarea cu radiocarbon, de exemplu, folosește izotopul radioactiv 14C, sau carbon-14, pentru a data materialele care conțin carbon de origine organică. Vârsta și istoria geologică a Pământului sunt cunoscute în mare măsură prin compararea proporțiilor diferiților izotopi din probele de rocă.
În biologie și medicină, cantități mici de izotopi ușor radioactivi pot fi utilizați ca markeri atomici pentru a urmări mișcarea diferitelor substanțe, cum ar fi medicamentele, prin organism. Izotopii mai puternic radioactivi pot fi utilizați ca sursă de radiații pentru a distruge tumorile și excrescentele canceroase. Heliul-3, despre care se crede că există în cantități mari pe Lună, este printre cei mai promițători combustibili pe termen lung pentru reactoarele de fuziune. Folosirea eficientă a acestuia va necesita mai întâi stăpânirea altor forme de fuziune.