Variații, ocurența, aplicații ale izotopilor

Proprietăți chimice și moleculare

Un atom neutru are același număr de electroni ca și protonii. Astfel, diferiți izotopi ai unui element dat au același număr de electroni și au o structură electronică similară. Deoarece comportamentul chimic al unui atom este în mare măsură determinat de structura sa electronică, izotopii diferiți prezintă un comportament chimic aproape identic.

Principala excepție este efectul cinetic izotopic: datorită masei lor mai mari, izotopii mai grei tind să reacționeze într-o oarecare măsură mai încet decât izotopii mai ușori ai aceluiași element. Acest lucru este cel mai pronunțat de departe pentru protiu (₁H), deuteriu (₂H) și tritiu (₃H), deoarece deuteriul are de două ori masa protiului și tritiul are de trei ori masa protiului. Aceste diferențe de masă afectează de asemenea comportamentul propriilor legături chimice prin schimbarea centrului de greutate (masa redusă) a sistemelor atomice. Cu toate acestea, pentru elementele mai grele diferența masică relativă între izotopi este mult mai mică, astfel încât efectele diferenței de masă asupra chimiei sunt de obicei neglijabile. (Elementele grele au de asemenea mai mulți neutroni decât elementele mai ușoare, deci raportul dintre masa nucleară și masa electronică colectivă este puțin mai mare.)

(Timpul de înjumătățire al izotopilor. Diagrama pentru izotopi stabili diferă de linia Z = N, deoarece numărul Z al elementului devine mai mare)

În mod similar, două molecule care diferă numai în izotopii atomilor lor (izotopologi) au structură electronică identică și prin urmare proprietăți fizice și chimice aproape de nedistins (din nou cu excepția primară a deuteriului și a tritiului). Modurile vibraționale ale unei molecule sunt determinate de forma ei și de masele atomilor constituenți ai acesteia; izotopologii diferiți au diferite seturi de moduri vibrationale. Deoarece modurile vibraționale permit unei molecule să absoarbă fotoni de energii corespunzătoare, izotopologiile au proprietăți optice diferite în domeniul infraroșu.

Proprietăți nucleare și stabilitatea

Atomii nucleului constau din protoni și neutroni legați împreună de forța reziduală puternică. Deoarece protonii sunt încărcați pozitiv, ei se resping reciproc. Neutronii, care sunt neutri din punct de vedere electric, stabilizează nucleul în două moduri. Coprezența lor împinge protonii ușor în afară, reducând repulsia electrostatică dintre protoni, și exercită forța nucleară atractivă unul asupra altuia și asupra protonilor. Din acest motiv, unul sau mai mulți neutroni sunt necesari pentru ca doi sau mai mulți protoni să se lege într-un nucleu. Pe măsură ce numărul de protoni crește, la fel crește și raportul dintre neutroni și protoni necesar pentru a asigura un nucleu stabil (vezi graficul). De exemplu, deși raportul neutron: proton al lui ³₂He este 1:2, raportul neutron: proton de ²³⁸₉₂U este mai mare de 3:2. Un număr de elemente mai ușoare au nuclide stabile cu raportul 1:1 (Z = N). Nuclidul ⁴⁰₂₀Ca (calciu-40) este observațional cel mai greu nucleu stabil cu același număr de neutroni și protoni; (teoretic, cea mai greu stabil este sulful-32). Toate nuclidele stabile mai grele decât calciu-40 conțin mai mulți neutroni decât protonii.

Numere de izotopi per element

Din cele 80 de elemente cu un izotop stabil, cel mai mare număr de izotopi stabili observat pentru orice element este zece (pentru elementul staniu). Niciun element nu are nouă izotopi stabili. Xenonul este singurul element cu opt izotopi stabili. Patru elemente au șapte izotopi stabili, opt au șase izotopi stabili, zece au cinci izotopi stabili, nouă au patru izotopi stabili, cinci au trei izotopi stabili, 16 au doi izotopi stabili (numărând ^180m₇₃Ta ca stabil) și 26 de elemente au doar un singur izotop stabil (dintre care 19 sunt așa-numitele elemente mononuclidice, având un singur izotop stabil primordial care domină și fixează greutatea atomică a elementului natural la o precizie ridicată, și 3 elemente mononuclidice radioactive). În total, există 253 de nuclizi care nu au fost observați să se dezintegreze. Pentru cele 80 de elemente care au unul sau mai mulți izotopi stabili, numărul mediu de izotopi stabili este de 253/80 = 3,1625 izotopi per element.

Numerele de nucleoni pare și impare

Z par/impar, N (Hidrogen-1 inclus ca IP)

p,n	PP	II	PI	IP	Total
Stabil	147	5	53	48	253
Viață lungă	23	4	3	5	35
Primordial	170	9	56	53	288

Raportul proton:neutron nu este singurul factor care afectează stabilitatea nucleară. Depinde și de uniformitatea sau paritatea numărului său atomic Z, neutronul N și, prin urmare, de suma lor, numărul de masă A. Paritatea atât a lui Z cât și a lui N are tendința de a reduce energia de legare nucleară, făcând nucleii impari, în general, mai puțin stabili. Această diferență remarcabilă a energiei de legare nucleară dintre nucleele vecine, în special a isobarilor A impari, are consecințe importante: izotopii instabili cu un număr neoptimal de neutroni sau protoni se dezintegrează prin dezintegrarea beta (incluzând dezintegrarea cu pozitroni), captarea electronică sau alte mijloace exotice ca fisiune spontană și dezintegrare cluster.

Majoritatea nucleilor stabili sunt protoni-pari-neutroni-pari, unde toate numerele Z, N și A sunt egale. Nuclizii stabili A impari sunt divizați (aproximativ uniform) în nuclizi neutroni cu proton-impar-neutron-par, și proton-par-neutron0impar. Nucleele proton-impar-neutron-impar sunt cele mai puțin frecvente.

Existența în natură

Elementele sunt compuse dintr-un singur nuclid (elemente mononucleice) sau din mai mulți izotopi naturali. Izotopii instabili (radioactivi) sunt fie primordiali, fie postprimordiali. Izotopii primordiali au fost produși de nucleosinteza stelară sau un alt tip de nucleosinteză cum ar fi spalarea cu raze cosmice, și au persistat până în prezent, deoarece viteza lor de dezintegrare este lentă (de exemplu, uraniu-238 și potasiu-40). Izotopii post-primordiali au fost creați prin bombardarea cu raze cosmice ca nuclide cosmogene (de exemplu, tritiu, carbon-14) sau prin dezintegrarea unui izotop radioactiv primordial la un nuclid fiu radiogenic radioactiv (de exemplu uraniu la radiu). Câțiva izotopi sunt sintetizați în mod natural ca nuclizi nucleogeni, prin alte reacții nucleare naturale, cum ar fi atunci când neutronii din fisiunea nucleară naturală sunt absorbiți de un alt atom.

După cum s-a discutat mai sus, doar 80 de elemente au izotopi stabili și 26 dintre aceștia au un singur izotop stabil. Astfel, aproximativ două treimi din elementele stabile se găsesc natural pe Pământ în mai mulți izotopi stabili, cu cel mai mare număr de izotopi stabili pentru un element fiind zece, pentru staniu (₅₀Sn). Există aproximativ 94 de elemente găsite natural pe Pământ (până la plutoniu inclusiv), deși unele sunt detectate numai în cantități foarte mici, cum ar fi plutoniul-244. Oamenii de știință estimează că elementele care apar natural pe Pământ (unele doar ca radioizotopi) sunt  în total 339 izotopi (nuclizi). Doar 253 dintre acești nuclizi care apar în mod natural sunt stabili în sensul că nu au fost niciodată observați că se descompun în prezent. Alți 35 de nuclizi primordiali (din un total de 289 nuclizi primordiali) sunt radioactivi cu perioade de înjumătățire cunoscute, dar au jumătăți de viață mai lungi de 80 de milioane de ani, permițându-le să existe de la începutul sistemului solar.

Toți nuclizii stabili cunoscuți apar în mod natural pe Pământ; ceilalți nuclizi naturali sunt radioactivi, dar apar pe Pământ datorită perioadei de înjumătățire relativ îndelungată sau datorită altor mijloace de producție naturală continuă. Aceștia includ nuclizii cosmogeni menționați mai sus, nuclizii nucleogeni și orice nucleu radiogenic format prin dezintegrarea continuă a unui nucleu radioactiv primordial, cum ar fi radon și radiu din uraniu.

În reactoarele nucleare și în acceleratoarele de particule s-au creat un număr suplimentar de ~ 3000 de nuclizi radioactivi care nu au fost găsiți în natură. Mulți nuclizi de scurtă durată care nu au fost găsiți în mod natural pe Pământ au fost, de asemenea, observați prin analize spectroscopice, fiind creați în mod natural în stele sau supernove. Un exemplu este aluminiu-26, care nu se găsește în mod natural pe Pământ, dar se găsește în abundență pe o scară astronomică.

Masa atomică tabelară a elementelor reprezintă medii care reprezintă prezența izotopilor multipli cu diferite mase. Înainte de descoperirea izotopilor, valorile determinate empiric ale masei atomice au produs confuzie în rândul oamenilor de știință. De exemplu, o probă de clor conține 75,8% clor-35 și 24,2% clor-37, dând o masă atomică medie de 35,5 unități de masă atomică.

Potrivit teoriei cosmologice general acceptate, la Big Bang au fost creați doar izotopi de hidrogen și heliu, urme ale unor izotopi de litiu și beriliu și, probabil, puțin bor, în timp ce toți ceilalți nuclizi s-au sintetizat mai târziu, în stele și supernove, interacțiunile dintre particulele energetice, cum ar fi razele cosmice, și nucleele produse anterior. Abundențele respective ale izotopilor de pe Pământ rezultă din cantitățile formate prin aceste procese, răspândirea lor prin galaxie și ratele de dezintegrare a izotopilor instabili. După coalescența inițială a sistemului solar, izotopii au fost redistribuiți în funcție de masă, iar compoziția izotopică a elementelor variază ușor de la planetă la planetă. Aceasta uneori face posibilă urmărirea originii meteoriților.

Aplicații ale izotopilor

Purificarea izotopilor

Există mai multe aplicații care valorifică proprietățile diferiților izotopi ai unui element dat. Separarea izotopilor reprezintă o provocare tehnologică semnificativă, în special la elemente grele, cum ar fi uraniul sau plutoniul. Elementele mai ușoare, cum ar fi litiul, carbonul, azotul și oxigenul, sunt în mod obișnuit separate prin difuzia gazoasă a compușilor lor, cum ar fi CO și NO. Separarea hidrogenului și a deuteriului este neobișnuită deoarece se bazează mai degrabă pe proprietăți chimice decât pe proprietăți fizice, de exemplu în procesul sulfurii Girdler. Izotopii de uraniu au fost separați în masă prin difuzia gazului, centrifugarea gazului, separarea prin ionizare cu laser și (în proiectul Manhattan) printr-un tip de spectrometrie de masă.

Utilizarea proprietăților chimice și biologice

• Analiza izotopică este determinarea semnăturii izotopice, abundența relativă a izotopilor unui element dat într-o anumită probă. În special pentru substanțele biogene, pot apărea variații semnificative ale izotopilor de C, N și O. Analiza unor astfel de variații are o gamă largă de aplicații, cum ar fi detectarea falsificării în produsele alimentare sau originea geografică a produselor. Identificarea anumitor meteoriți originari pe Marte se bazează în parte pe semnătura izotopică a gazelor de trasare conținute în ele.
• Substituirea izotopică poate fi utilizată pentru a determina mecanismul unei reacții chimice prin efectul izotopic cinetic.
• O altă aplicație comună este etichetarea izotopică, utilizarea izotopilor neobișnuiți ca trasori sau markeri în reacțiile chimice. În mod normal, atomii unui element dat nu pot fi diferențiați unul de celălalt. Cu toate acestea, prin utilizarea izotopilor de diferite mase, izotopii stabili nonradioactivi diferiți se pot distinge prin spectrometrie de masă sau prin spectroscopie în infraroșu. De exemplu, în „etichetarea izotopică stabilă cu aminoacizi în cultură celulară” se utilizează izotopi stabili pentru cuantificarea proteinelor. Dacă se utilizează izotopi radioactivi, aceștia pot fi detectați prin radiațiile pe care le emit (acest lucru se numește etichetare radioizotopică).
• Izotopii sunt utilizați în mod obișnuit pentru a determina concentrația diferitelor elemente sau substanțe utilizând metoda de diluare a izotopilor, prin care cantitățile cunoscute de compuși izotopici substituiți sunt amestecate cu probele și semnăturile izotopice ale amestecurilor rezultate sunt determinate prin spectrometrie de masă.

Utilizarea proprietăților nucleare

• O tehnică similară etichetării radioizotopice este datarea radiometrică: folosind timpul de înjumătățire cunoscut al unui element instabil, se poate calcula cantitatea de timp care a trecut de când există o concentrație cunoscută de izotop. Cel mai cunoscut exemplu este datarea cu radiocarbon utilizată pentru a determina vârsta materialelor carbonice.
• Mai multe forme de spectroscopie se bazează pe proprietățile unice ale izotopilor specifici, atât radioactivi cât și stabili. De exemplu, spectroscopia cu rezonanță magnetică nucleară (RMN) poate fi utilizată numai pentru izotopi cu spin nuclear nonzero. Cei mai frecvenți nuclizi utilizați cu spectroscopie RMN sunt ¹H, ²D, ¹⁵N, ¹³C și ³¹P.
• Spectroscopia Mössbauer se bazează, de asemenea, pe tranzițiile nucleare ale unor izotopi specifici, cum ar fi ⁵⁷Fe.
• Radionuclizii au, de asemenea, utilizări importante. Energia nucleară și dezvoltarea armelor nucleare necesită cantități relativ mari de izotopi specifici. Medicina nucleară și oncologia radiațiilor utilizează, respectiv, radioizotopi pentru diagnosticul și tratamentul medical.