Izotop

Właściwości chemiczne i molekularneEdit

Atom neutralny ma taką samą liczbę elektronów jak protony. Dlatego różne izotopy danego pierwiastka mają taką samą liczbę elektronów i podobną strukturę elektronową. Ponieważ zachowanie chemiczne atomu jest w dużej mierze zdeterminowane przez jego strukturę elektroniczną, różne izotopy wykazują niemal identyczne zachowanie chemiczne.

Głównym wyjątkiem jest kinetyczny efekt izotopowy: ze względu na większą masę, cięższe izotopy mają tendencję do reagowania nieco wolniej niż lżejsze izotopy tego samego pierwiastka. Jest to najbardziej widoczne w przypadku protu (1
H
), deuteru (2
H
) i trytu (3
H
), ponieważ deuter ma dwa razy większą masę od protu, a tryt ma trzy razy większą masę od protu. Te różnice mas wpływają również na zachowanie odpowiednich wiązań chemicznych, poprzez zmianę środka ciężkości (masy zredukowanej) układów atomowych. Jednak w przypadku cięższych pierwiastków względna różnica mas pomiędzy izotopami jest znacznie mniejsza, tak więc wpływ różnicy mas na chemię jest zazwyczaj pomijalny. (Ciężkie pierwiastki mają również stosunkowo więcej neutronów niż lżejsze, więc stosunek masy jądrowej do masy elektronowej jest nieco większy). Występuje również równowagowy efekt izotopowy.

Półokresy życia izotopów. Z = liczba protonów. N = liczba neutronów. Wykres dla stabilnych izotopów odbiega od linii Z = N, gdy liczba pierwiastka Z staje się większa

Podobnie dwie cząsteczki różniące się jedynie izotopami swoich atomów (izotopologi) mają identyczną strukturę elektroniczną, a zatem prawie nieodróżnialne właściwości fizyczne i chemiczne (ponownie z deuterem i trytem jako podstawowymi wyjątkami). Tryby wibracyjne cząsteczki są zdeterminowane przez jej kształt i masy atomów wchodzących w jej skład; tak więc różne izotopologie mają różne zestawy trybów wibracyjnych. Ponieważ tryby wibracyjne pozwalają cząsteczce na absorbowanie fotonów o odpowiednich energiach, izotopologi mają różne właściwości optyczne w zakresie podczerwieni.

Właściwości jądrowe i stabilnośćEdit

Jądra atomowe składają się z protonów i neutronów związanych ze sobą resztkową siłą silną. Ponieważ protony są dodatnio naładowane, odpychają się wzajemnie. Neutrony, które są elektrycznie obojętne, stabilizują jądro na dwa sposoby. Ich współobecność nieznacznie rozpycha protony, zmniejszając odpychanie elektrostatyczne między nimi, a ponadto wywierają one przyciągającą siłę jądrową na siebie nawzajem i na protony. Z tego powodu, aby dwa lub więcej protonów mogło połączyć się w jądro, potrzebny jest jeden lub więcej neutronów. Wraz ze wzrostem liczby protonów rośnie stosunek liczby neutronów do liczby protonów koniecznych do utworzenia stabilnego jądra (patrz wykres po prawej). Na przykład, chociaż stosunek neutronów do protonów w przypadku 3
2He
wynosi 1:2, stosunek neutronów do protonów w przypadku 238
92U
jest większy niż 3:2. Szereg lżejszych pierwiastków posiada stabilne nuklidy o stosunku 1:1 (Z = N). Nuklid 40
20Ca
(wapń-40) jest obserwacyjnie najcięższym stabilnym nuklidem o tej samej liczbie neutronów i protonów. Wszystkie stabilne nuklidy cięższe od wapnia-40 zawierają więcej neutronów niż protonów.

Liczba izotopów na pierwiastekEdit

Wśród 80 pierwiastków posiadających stabilny izotop, największa liczba stabilnych izotopów zaobserwowana dla jakiegokolwiek pierwiastka wynosi dziesięć (dla pierwiastka cyna). Żaden pierwiastek nie ma dziewięciu lub ośmiu stabilnych izotopów. Pięć pierwiastków ma siedem stabilnych izotopów, osiem ma sześć stabilnych izotopów, dziesięć ma pięć stabilnych izotopów, dziewięć ma cztery stabilne izotopy, pięć ma trzy stabilne izotopy, 16 ma dwa stabilne izotopy (licząc 180m
73Ta
jako stabilny), a 26 pierwiastków ma tylko jeden stabilny izotop (spośród nich 19 to tzw. pierwiastki mononuklidalne, mające jeden pierwotny stabilny izotop, który dominuje i z dużą dokładnością ustala masę atomową naturalnego pierwiastka; Występują też 3 promieniotwórcze pierwiastki mononuklidowe). W sumie istnieją 252 nuklidy, których rozpadu nie zaobserwowano. Dla 80 pierwiastków, które mają jeden lub więcej stabilnych izotopów, średnia liczba stabilnych izotopów wynosi 252/80 = 3,15 izotopów na pierwiastek.

Parzyste i nieparzyste liczby nukleonówEdit

.

Stosunek protonów:stosunek neutronów nie jest jedynym czynnikiem wpływającym na stabilność jądrową. Zależy on również od parzystości lub nieparzystości jego liczby atomowej Z, liczby neutronów N i w konsekwencji ich sumy, liczby masowej A. Nieparzystość zarówno Z jak i N ma tendencję do obniżania energii wiązania jądrowego, czyniąc jądra nieparzyste, ogólnie rzecz biorąc, mniej stabilnymi. Ta niezwykła różnica energii wiązania jądrowego między sąsiednimi jądrami, zwłaszcza izobar nieparzystych-A, ma ważne konsekwencje: niestabilne izotopy z nieoptymalną liczbą neutronów lub protonów rozpadają się przez rozpad beta (w tym emisję pozytonów), wychwyt elektronów lub inne, rzadziej spotykane sposoby rozpadu, takie jak spontaniczne rozszczepienie i rozpad klasterowy.

Większość stabilnych nuklidów to nuklidy parzystoprotonowo-neutronowe, w których wszystkie liczby Z, N i A są parzyste. Nieparzyste-A stabilne nuklidy są podzielone (mniej więcej równomiernie) na nieparzyste-protonowe-nieparzyste-neutronowe i parzyste-protonowe-odd-neutronowe. Stabilne jądra nieparzysto-protonowe-odd-neutronowe są najrzadziej spotykane.

Parzysta liczba atomowaEdit

146 nuklidów parzystoprotonowych, parzystych-neutronowych (EE) stanowi ~58% wszystkich stabilnych nuklidów i wszystkie mają spin 0 z powodu parowania. Istnieją również 24 pierwotne długożyciowe nuklidy parzystoprotonowe. W rezultacie każdy z 41 parzystych pierwiastków o numerach od 2 do 82 ma co najmniej jeden stabilny izotop, a większość z tych pierwiastków ma kilka pierwotnych izotopów. Połowa z tych parzystych pierwiastków ma sześć lub więcej stabilnych izotopów. Wyjątkowa stabilność helu-4, wynikająca z podwójnego sparowania 2 protonów i 2 neutronów, uniemożliwia istnienie nuklidów zawierających pięć (5
2He
, 5
3Li
) lub osiem (8
4Be
) nukleonów na tyle długo, by mogły służyć jako platformy do budowy cięższych pierwiastków poprzez syntezę jądrową w gwiazdach (patrz proces potrójnej alfa).

53 stabilne nuklidy mają parzystą liczbę protonów i nieparzystą liczbę neutronów. Stanowią one mniejszość w porównaniu z izotopami parzysto-nieparzystymi, których jest około 3 razy więcej. Wśród 41 pierwiastków parzystych-Z posiadających trwały nuklid, tylko dwa pierwiastki (argon i cer) nie mają parzystych-nieparzystych trwałych nuklidów. Jeden pierwiastek (cyna) ma ich trzy. Są 24 pierwiastki, które mają jeden nuklid parzysto-nieparzysty i 13, które mają dwa nuklidy parzysto-nieparzyste. Spośród 35 pierwotnych radionuklidów istnieją cztery parzyste nuklidy (patrz tabela po prawej), w tym rozszczepialny 235
92U
. Ze względu na nieparzystą liczbę neutronów, nuklidy parzyste mają zwykle duże przekroje wychwytu neutronów, ze względu na energię wynikającą z efektów parowania neutronów. Te stabilne parzysto-protonowe nuklidy nieparzysto-neutronowe są zwykle rzadkie w przyrodzie, generalnie dlatego, że aby się utworzyć i wejść do pierwotnej obfitości, musiały uciec przed wychwytem neutronów, aby utworzyć jeszcze inne stabilne parzysto-nieparzyste izotopy, zarówno w procesie s jak i r wychwytu neutronów, podczas nukleosyntezy w gwiazdach. Z tego powodu tylko 195
78Pt
i 9
4Be
są najliczniejszymi naturalnie występującymi izotopami swojego pierwiastka.

Nieparzysta liczba atomowaEdit

Czterdzieści osiem stabilnych nuklidów nieparzysto-protonowo-neutronowych, stabilizowanych przez sparowane neutrony, tworzy większość stabilnych izotopów pierwiastków nieparzysto-liczbowych; bardzo nieliczne nuklidy nieparzysto-protonowo-odd-neutronowe składają się na pozostałe. Istnieje 41 pierwiastków nieparzystych o liczbie Z = 1 do 81, z których 39 ma stabilne izotopy (pierwiastki technet (
43Tc
) i promet (
61Pm
) nie mają stabilnych izotopów). Spośród tych 39 pierwiastków nieparzystych Z, 30 pierwiastków (w tym wodór-1, w którym 0 neutronów jest parzystych) ma jeden stabilny izotop nieparzysto-nieparzysty, a dziewięć pierwiastków: chlor (
17Cl
),potas (
19K
),miedź (
29Cu
),gal (
31Ga
),brom (
35Br
),srebro (
47Ag
), antymon (
51Sb
), iryd (
77Ir
) i tal (
81Tl
), mają po dwa nieparzysto-nieparzyste stabilne izotopy. W sumie daje to 30 + 2(9) = 48 stabilnych izotopów nieparzystych.

Istnieje również pięć pierwotnych długożyciowych radioaktywnych izotopów nieparzystych, 87
37Rb
, 115
49In
, 187
75Re
, 151
63Eu
i 209
83Bi
. Dwa ostatnie dopiero niedawno odkryto, że ulegają rozpadowi, z okresami półtrwania dłuższymi niż 1018 lat.

Tylko pięć stabilnych nuklidów zawiera zarówno nieparzystą liczbę protonów, jak i nieparzystą liczbę neutronów. Pierwsze cztery „nieparzyste” nuklidy występują w nuklidach o niskiej masie, dla których zamiana protonu na neutron lub odwrotnie prowadziłaby do bardzo niekorzystnego stosunku proton-neutron (2
1H
, 6
3Li
, 10
5B
i 14
7N
; spiny 1, 1, 3, 1). Jedyny inny całkowicie „stabilny” nuklid nieparzystoboczny, 180m
73Ta
(spin 9), uważany jest za najrzadszy z 252 stabilnych izotopów i jest jedynym pierwotnym izomerem jądrowym, którego rozpadu nie zaobserwowano mimo prób eksperymentalnych.

Znanych jest wiele nieparzystobocznych nuklidów promieniotwórczych (jak tantal-180) o stosunkowo krótkich czasach połowicznego rozpadu. Zazwyczaj ulegają one rozpadowi beta do pobliskich izobarów parzystych, które mają sparowane protony i sparowane neutrony. Spośród dziewięciu pierwotnych nuklidów nieparzysto-nieparzystych (pięć stabilnych i cztery promieniotwórcze o długich czasach połowicznego zaniku), tylko 14
7N
jest najpospolitszym izotopem pospolitego pierwiastka. Dzieje się tak, ponieważ jest on częścią cyklu CNO. Nuklidy 6
3Li
i 10
5B
są mniejszościowymi izotopami pierwiastków, które same są rzadkie w porównaniu z innymi lekkimi pierwiastkami, podczas gdy pozostałe sześć izotopów stanowi jedynie niewielki procent naturalnej liczebności ich pierwiastków.

Nieparzysta liczba neutronówEdit

Aktynowce z nieparzystą liczbą neutronów są na ogół rozszczepialne (z neutronami termicznymi), podczas gdy te z parzystą liczbą neutronów na ogół nie są, choć są rozszczepialne przy neutronach prędkich. Wszystkie obserwacyjnie stabilne nuklidy nieparzysto-nieparzyste mają niezerowy spin całkowity. Dzieje się tak dlatego, że pojedynczy niesparowany neutron i niesparowany proton mają większą siłę przyciągania jądrowego do siebie, jeśli ich spiny są wyrównane (dając całkowity spin co najmniej 1 jednostki), a nie antyspinowe. Zobacz deuter dla najprostszego przypadku tego zachowania jądrowego.

Tylko 195
78Pt
, 9
4Be
i 14
7N
mają nieparzystą liczbę neutronów i są najbardziej naturalnie obfitym izotopem swojego pierwiastka.

Dzięki temu, że mają nieparzystą liczbę neutronów, są najbardziej naturalnie obfitym izotopem swojego pierwiastka.