Изотопы

Изото́пы (от греч. ισος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место») — разновидности атомов (и ядер) одного химического элемента с разным количеством нейтронов в ядре. Название связано с тем, что изотопы находятся в одном и том же месте (в одной клетке) таблицы Менделеева. Химические свойства атома зависят практически только от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (то есть количеством протонов в нём) и почти не зависит от его массового числа A (то есть суммарного числа протонов Z и нейтронов N). Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов. Обычно изотоп обозначается символом химического элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левого индекса, означающего массовое число (например, 12C, 222Rn). Можно также написать название элемента с добавлением через дефис массового числа (например, углерод-12, радон-222). Некоторые изотопы имеют традиционные собственные названия (например, дейтерий, актинон).

Терминология

Основная позиция  ИЮПАК состоит в том, что правильным термином в единственном числе для  обозначения атомов (или ядер) одного химического элемента с одинаковой атомной массой является нуклид, а  термин изотопы допускается применять  для обозначения совокупности нуклидов одного элемента. Термин изотопы был  предложен и применялся изначально во множественном числе, поскольку  для сравнения необходимо минимум  две разновидности атомов. В дальнейшем в практику широко вошло также  употребление термина в единственном числе — изотоп. Кроме того, термин во множественном числе часто  применяется для обозначения  любой совокупности нуклидов, а не только одного элемента, что также  некорректно. В настоящее время  позиции международных научных  организаций не приведены к единообразию и термин изотоп продолжает широко применяться, в том числе и  в официальных материалах различных  подразделений ИЮПАК и ИЮПАП. Это один из примеров того, как смысл  термина, изначально в него заложенный, перестаёт соответствовать понятию, для обозначения которого этот термин используется (другой хрестоматийный пример — атом, который, в противоречии с названием, не является неделимым).

История открытия изотопов

Первое доказательство того, что вещества, имеющие одинаковое химическое поведение, могут иметь  различные физические свойства, было получено при исследовании радиоактивных  превращений атомов тяжёлых элементов. В 1906—07 выяснилось, что продукт радиоактивного распада урана — ионий и  продукт радиоактивного распада  тория — радиоторий, имеют те же химические свойства, что и торий, но отличаются от него атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Было обнаружено позднее, что  у всех трёх продуктов одинаковы  оптические и рентгеновские спектры. Такие вещества, идентичные по химическим свойствам, но различные по массе атомов и некоторым физическим свойствам, по предложению английского учёного Ф. Содди, стали называть изотопами.

Изотопы в природе

Считается, что изотопный  состав элементов на Земле одинаков во всех материалах. Некоторые физические процессы в природе приводят к  нарушению изотопного состава элементов (природное фракционирование изотопов, характерное для лёгких элементов, а также изотопные сдвиги при  распаде природных долгоживущих изотопов). Постепенное накопление в минералах ядер — продуктов  распада некоторых долгоживущих нуклидов используется в ядерной  геохронологии.

Применение изотопов человеком

В технологической  деятельности люди научились изменять изотопный состав элементов для  получения каких-либо специфических  свойств материалов. Например, 235U способен к цепной реакции деления тепловыми нейтронами и может использоваться в качестве топлива для ядерных реакторов или ядерного оружия. Однако в природном уране лишь 0,72 % этого нуклида, тогда как цепная реакция практически осуществима лишь при содержании 235U не менее 3 %. В связи с близостью физико-химических свойств изотопов тяжёлых элементов, процедура изотопного обогащения урана является крайне сложной технологической задачей, которая доступна лишь десятку государств в мире. Во многих отраслях науки и техники (например, в радиоиммунном анализе) используются изотопные метки.

Источники природной радиоактивности

Природная радиоактивность  обусловлена радиоактивными изотопами  естественного происхождения, присутствующими  во всех оболочках земли — литосфере, гидросфере, атмосфере и биосфере. Сохранившиеся на нашей планете  радиоактивные элементы условно  могут быть разделены на три группы.

1. Радиоактивные  изотопы, входящие в состав  радиоактивных семейств, родоначальниками  которых являются уран (U238), торий (Th232) и актиний–уран (AcU235).

2. Генетически не  связанные с ними радиоактивные  элементы: калий (К40), кальций (Ca48), рубидий (Rb87) и др.

3. Радиоактивные  изотопы, непрерывно возникающие  на земле в результате ядерных  реакций, под воздействием космических  лучей. Наиболее важные из них  — углерод (С14) и тритий (Н3).

Естественные радиоактивные  вещества широко распространены во внешней  среде. Это в основном долгоживущие изотопы с периодом полураспада 108–1016 лет. В процессе распада они  испускают a- и b-частицы, а также g-лучи.

Главным источником поступающих во внешнюю среду  естественных радиоактивных веществ, к настоящему времени широко распространенных во всех оболочках земли, являются горные породы, происхождение которых неразрывно связано с включением в их состав всех радиоактивных элементов, возникших  в период формирования и развития планеты. Благодаря деструктивным  процессам метеорологического, гидрологического, геохимического и вулканического характера, происходящих непрерывно, радиоактивные вещества подверглись широкому рассеиванию.

Естественная радиоактивность  растений и пищевых продуктов  обусловлена поглощением ими  радиоактивных веществ из окружающей среды. Из естественных радиоактивных  веществ наибольшую удельную активность в растениях составляет К40, особенно в бобовых растениях. Многие наземные растения, особенно водоросли, обладают способностью концентрировать в  своих тканях радий из почв и воды, некоторые накапливают уран. Анализы  различных продуктов питания  показали, что радий постоянно  присутствует в хлебе, овощах, мясе, рыбе и других продуктах питания.

Сельскохозяйственные  животные за свою жизнь поедают растительные корма с больших площадей. Вместе с кормом в их организм поступают  радиоактивные продукты деления, которые  в небольших количествах не приводят к регистрируемым поражениям организма. В животных организмах К40 обычно содержится меньше, чем в растениях. U238, Th232 и С14 по сравнению с К40 встречаются в биологических объектах в очень незначительных концентрациях.

Источники искусственной  радиоактивности

Кроме естественных радиоактивных изотопов, существующих в природной смеси элементов, известно много искусственных, полученных в результате различных ядерных  реакций (облучение устойчивых химических элементов потоками нейтронов в  ядерных реакторах или бомбардировка  их тяжелыми частицами — протонами, a-частицами и др.) или же образующихся в результате ядерных взрывов. При ядерном взрыве образуется большое количество радиоактивных веществ как в результате процессов деления, так и при реакции синтеза легких ядер.

Из радиоактивных  продуктов деления наибольшую опасность  представляют Sr90 и Cs137. Они имеют относительную высокую энергию излучения и большой период полураспада, исключительную способность включаться в биологический круговорот веществ, а также долго задерживаться в организме животных и человека.