Joomla Software solutions Template

Payday loan

ИЗОТОПИ

При изучаване на явлението радиоактивност през първото десетилетие на XX в. учените откриват голямо количество радиоктивни вещества — около 40. Те били значително повече, отколкото са свободните места в периодичната система на елементите в интер­вала между бисмута и урана. Природата на тези вещества предизвикала спорове. Едни изследователи ги смятали за самостоятелни химични елементи, но в такъв случай оста­вал нерешен въпросът за мястото им в перио­дичната система на Менделеев. Други изобщо им отказвали правото да се наричат елементи в класическия смисъл. През 1902 г. англий­ският физик Д. Мартин нарекъл тези вещест­ва радиоелементи. Постепенно с изучаването им се установило, че някои радиоелементи имат съвършено еднакви химични свойства, но се различават по големината на атомните маси. Това обстоятелство е в противоречие с основните положения на периодичния за­кон. Противоречието е разрешено от англий­ския учен Ф. Соди. През 1913 г. той нарича сходните в химично отношение радиоелемен­ти изотопи (от гръцките думи, означа­ващи „еднакъв" и „място"), т.е. заемащи едно и също място в периодичната система. Радиоелементите се оказват изотопи на естес­твените радиоктивни елементи. Всички те се обединяват в три радиоактивни семейства, родоначалници на които са изотопите на тория и урана.

Наскоро се изяснява, че и стабилните хи­мични елементи също могат да имат изотопи. Основната заслуга в тяхното откриване при­надлежи на английския физик Ф. Астон. Със специален прибор — масспектрометър — той открива стабилни изотопи на много елементи.

От съвременна гледна точка изотопите са разновидности на атомите на химичния еле­мент: те имат различна атомна маса, но една­къв заряд на ядрото Z. По такъв начин ядра­та им съдържат еднакъв брой протони, но различен брой неутрони. Например природ­ните изотопи на кислорода със Z = 8 съдър­жат в ядрата си 8, 9 и 10 неутрона. Сумата от броя на протоните и на неутроните в ядро­то на изотопа се нарича масово число А. Следователно масовите числа на посоче­ните изотопи на кислорода са 16, 17 и 18. Сега е прието следното означение на изото­пите: долу вляво от символа на елемента се дава големината на Z, вляво горе — стой­ността на А Например:О,О,

О.

След откриване на явлението изкуствена радиоактивност чрез ядрени реакции са по­лучени повече от 1600 изкуствени радиоак­тивни изотопа за елементите със Z от 1 до 107. Повечето от изкуствените радиоизотопи имат много малки периоди на полуразпадане, измервани със секунди и части от секундата; само малък брой имат сравнително голяма продължителност на живот (например ¹⁰Ве - 2,7 .10⁶ години, ²⁶ Аl - 8.10⁵ години и т.н.).

Стабилните елементи са застъпени в приро­дата примерно с 280 изотопа. Някои от тях обаче са в малка степен радиоактивни, с огромни периоди на полуразпадане (напри­мер ⁴⁰ К, ⁸⁷Rb, ¹³⁸La, ¹⁴⁷Sm, ¹⁷⁶Lu, ¹⁸⁷Re). Продължителността на живота на тези изото­пи е толкова голяма, че позволява да се раз­глеждат като стабилни.

В света на стабилните изотопи засега има немалко загадки. Например не е ясно защо броят им при различните елементи силно се различава. Около 25% от стабилните еле­менти (Be, F, Na, Al, Р, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) са за­стъпени в природата само с един вид атоми. Това са т.нар. елементи самотници. Интересно е, че всички те (освен Be) имат нечетни стойности на Z. И изобщо за нечетните елементи броят на стабилните изотопи не преви­шава две.

Напротив, някои елементи с четни Z се състоят от голям брой изотопи (напри­мер Хе има 9, Sn — 10 стабилни изотопа). Строго научно обяснение на тези факти засега няма.

Съвкупността от стабилни изотопи за даден елемент се нарича плеяда. Съдър­жанието им в плеядата често силно се коле­бае. Интересно е да се отбележи,че най-много са изотопите със стойности на масовите числа, кратни на четири (¹²С, ¹⁶ О,²⁰Са и т.н.) , ма­кар че има и изключения от това правило.

Откриването на стабилните изотопи позво­ли да се разреши старата загадка за атомните маси - отклонението им от цели числа се обяснява с различното процентно съдържа­ние на стабилните изотопи на елементите в плеядата.

Ако изотопите на два различни елемента имат еднакви масови числа, те се наричат и з о б а р и („барос" на гръцки означава ,тежък"). През 1934 г. немският учен И. Матаух формулира правилото: ако два изобара се различават по стойностите на Z с единица, единият от тях е радиоактивен. Например в двойката изобари Ar -  К последният е радиоактивен. Правилото на Матаух позволява да се обясни липсата на стабилни изотопи при Tc(Z = 43) и Pm(Z = 61); съседните на тях елементи Mo(Z = 42) и Ru (Z = 44), Nd (Z = 60) и Sm (Z = 62) са за­стъпени в природата със стабилни изотопи в широк интервал на масовите числа.

Електронните слоеве на изотопите на даден елемент са построени напълно еднакво. Поради това химичните и физичните им свой­ства са практически тъждествени. Само изо­топите на водорода (протий и деутерий) и техните съединения проявяват забележими различия в свойствата. Например тежката вода (D₂О) кристализира при +3,8 °С, кипи при 101,4 °С, има плътност 1,1059 g/cm³, не поддържа живота на животинските и расти­телните организми. При електролиза на вода на водород и кислород се разлагат предимно молекулите на Н₂О, докато молекулите на тежката вода остават в електролитния разтвор.

Разделянето на изотопите на другите еле­менти е извънредно сложна задача. При все това при много случаи са необходими ве­щества с повишено съдържание на един или друг изотоп в сравнение с природното съдър­жание. Например при решаването на пробле­ма за атомната енергия възниква необходи­мостта от разделянето на изотопите ²³⁵ U и ²³⁸ U. За тази цел отначало бил приложен методът на масспектрометрията, с помощта на който през 1944 г. са получени първите килограми уран-235. Този метод обаче е твърде скъп и е заменен с метода на газовата дифузия, при който се използува UF₆. Днес се използуват няколко метода за разделяне на изотопи, но всички те са доста сложни и скъпи. И все пак проблемът за „разделяне на неразделимото" се решава успешно.

Появи се новата научна дисциплина — хи­мия на изотопите. Тя изучава отнасянията на различните изотопи на химичните елементи при химични реакции и процеси с изотопен обмен. В резултат на тези процеси настъпва преразпределение на изотопите на даден елемент между реагиращите вещества. Ето най-простият пример: Н₂ О + HD  HDO + Н₂ (молекула вода обменя атом протий с атом деутерий). Развива се и геохимията на изо­топите. Тя изследва отклоненията на изо­топния състав на различните елементи в земната кора.

Най-широко приложение намират т.нар. белязани атоми — стабилни изотопи или изкуствени радиоактивни изотопи на стабилни елементи. С помощта на изотопни индикатори — белязани атоми — се изучават пътищата на преместване на елементите в неживата и в живата природа, характерът на разпределение на веществата и елемен­тите в различни обекти. Изотопите се изпол­зуват в ядрената техника: като материали за конструкции на ядрени реактори; като ядрено гориво (изотопите на тория, урана, плутония); в термоядрения синтез (деуте­рий, ⁶ Li, ³Не). Изотопите се употребяват широко и като източници на излъчвания.