Izotopy — czym są i gdzie się je stosuje
Izotopy to odmiany tego samego pierwiastka różniące się liczbą neutronów. Mają identyczne właściwości chemiczne, ale różną masę i trwałość jądra.
Izotopy to odmiany tego samego pierwiastka różniące się liczbą neutronów w jądrze. Mają tę samą liczbę protonów, więc pozostają tym samym pierwiastkiem, ale różnią się masą.
Co odróżnia izotopy
- Liczba atomowa — taka sama, bo decyduje o tożsamości pierwiastka
- Liczba masowa — różna, bo obejmuje protony i neutrony
- Właściwości chemiczne — praktycznie identyczne
- Właściwości fizyczne — nieco odmienne, głównie masa i trwałość jądra
Zachowanie chemiczne zależy od elektronów, a tych izotopy mają tyle samo. Dlatego wodór i deuter reagują tak samo, choć różnią się masą dwukrotnie.
Nazwane izotopy wodoru
Wodór jako jedyny pierwiastek ma izotopy z własnymi nazwami. Prot nie zawiera neutronów, deuter jeden, a tryt dwa.
Powód jest praktyczny: przy tak małych jądrach dodanie jednego neutronu podwaja masę, więc różnice we właściwościach są zauważalne. U cięższych pierwiastków jeden neutron zmienia masę o ułamek procenta.
Woda zbudowana z deuteru, zwana ciężką wodą, ma wyższą temperaturę wrzenia i inną gęstość — jest jedyną substancją, w której podmiana izotopu daje różnicę widoczną gołym okiem.
Izotopy trwałe i promieniotwórcze
Część izotopów ma jądra niestabilne i rozpada się samorzutnie, emitując promieniowanie. Tempo rozpadu opisuje okres połowicznego rozpadu — czas, po którym połowa jąder ulegnie przemianie.
Wartości te sięgają od ułamków sekundy po miliardy lat. Uran-238 ma okres około czterech i pół miliarda lat, czyli porównywalny z wiekiem Ziemi — dlatego wciąż występuje w skorupie ziemskiej.
Datowanie węglem
Najbardziej znane zastosowanie izotopów. Węgiel-14 powstaje nieustannie w atmosferze, a organizmy żywe pobierają go wraz z węglem zwykłym, utrzymując stały stosunek obu.
Po śmierci pobieranie ustaje, a węgiel-14 zaczyna się rozpadać. Mierząc jego udział, można ustalić czas, jaki upłynął od śmierci organizmu.
Metoda ma granicę: przy okresie połowicznego rozpadu wynoszącym około 5700 lat, po pięćdziesięciu tysiącach lat pozostaje zbyt mało izotopu, by pomiar był wiarygodny. Do datowania skał używa się więc innych izotopów, o dłuższych okresach.
Zastosowania medyczne
Izotopy promieniotwórcze służą do obrazowania i leczenia. Podane w niewielkiej ilości gromadzą się w wybranym narządzie, a emitowane promieniowanie pozwala prześledzić jego pracę.
W leczeniu wykorzystuje się natomiast to, że promieniowanie niszczy komórki dzielące się szybko — a takie są komórki nowotworowe. Dawka i umiejscowienie źródła decydują o tym, czy izotop jest narzędziem diagnostycznym, czy leczniczym.