Изотопы

Изото́пы (от др.-греч. ἴσος «равный; одинаковый» + τόπος «место») — разновидности атомов (и ядер) химического элемента, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа^[1]. Название связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то же место (в одну клетку) таблицы Менделеева^[2]. Химические свойства атома зависят от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (то есть количеством протонов в нём), и почти не зависят от его массового числа A (то есть суммарного числа протонов Z и нейтронов N).

Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, различаясь 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)^[3]. Некоторые изотопы имеют традиционные собственные названия (например, дейтерий, актинон).

Различают изотопы устойчивые (стабильные) и радиоактивные^[4]. На 2017 год было известно 3437 изотопов всех элементов, из них 252 изотопа стабильны^[5].

Пример изотопов: 16
8O, 17
8O, 18
8O — три стабильных изотопа кислорода.

Терминология

Первоначально изотопы также назывались изотопными элементами^[6], а в настоящее время иногда называют изотопными нуклидами^[7].

Основная позиция ИЮПАК состоит в том, что правильным термином в единственном числе для обозначения атомов 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—1907 годах 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 Содди с 1910 г. стали называть изотопами^[2].

На март 2017 года известно 3437 изотопов всех элементов^[5], из них 254 стабильных, 29 условно-стабильных (с периодом полураспада более 10 миллиардов лет), 294 (9 %) изотопы трансурановых элементов, 1209 (38 %) нейтронно-избыточных и 1277 (40 %) протонно-избыточных (то есть отклоняющихся от линии бета-стабильности в сторону избытка нейтронов или протонов, соответственно). По количеству открытых изотопов первое место занимают США (1237), затем идут Германия (558), Великобритания (299), СССР/Россия (247) и Франция (217). Среди лабораторий мира первые пять мест по числу открытых изотопов занимают Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли (638), Институт тяжёлых ионов в Дармштадте (438), Объединённый институт ядерных исследований в Дубне (221), Кавендишская лаборатория в Кембридже (218) и ЦЕРН (115). За 10 лет (2006—2015 годы включительно) в среднем физики открывали в год 23 нейтронно-избыточных и 3 протонно-избыточных изотопа, а также 4 изотопа трансурановых элементов. Общее количество учёных, являвшихся авторами или соавторами открытия какого-либо изотопа, составляет 3598 человек^[8][9].

Изотопы в природе

Известно, что изотопный состав большинства 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.

Особое значение имеют процессы образования изотопов углерода в верхних слоях атмосферы под воздействием космического излучения. Эти изотопы распределяются в атмосфере и гидросфере планеты, вовлекаются в оборот углерода живыми существами (животными и растениями). Изучение распределения изотопов углерода лежит в основе радиоуглеродного анализа.

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^[10]. Во многих отраслях науки и техники (например, в радиоиммунном анализе) используются изотопные метки.

Нуклиды ⁶⁰Co и ¹³⁷Cs используются в стерилизации γ-лучами (лучевая стерилизация) как один из методов физической стерилизации инструментов, перевязочного материала и прочего. Доза проникающей радиации должна быть весьма значительной — до 20-25 кГр, что требует особых мер безопасности. В связи с этим лучевая стерилизация проводится в специальных помещениях и является заводским методом стерилизации (непосредственно в стационарах она не производится)^[11].

Таблица стабильных изотопов
(Кроме стабильных нуклидов, в природных изотопных смесях также присутствуют примордиальные радионуклиды (отмечены в таблице *), то есть нуклиды с очень большими периодами полураспада, сохранившиеся с момента образования Земли).

Количество энергетических уровней электронной оболочки	Количество протонов (электронов)	Символ	Элемент	Количество протонов и нейтронов	Изотопная распространённость на Земле, %
1	1	H	Водород	1 2	99,98 0,02
1	2	He	Гелий	3 4	0,00001 99,99999
2	3	Li	Литий	6 7	7,9 92,1
2	4	Be	Бериллий	9	100
2	5	B	Бор	10 11	18,8 81,2
2	6	C	Углерод	12 13	98,9 1,1
2	7	N	Азот	14 15	99,62 0,38
2	8	O	Кислород	16 17 18	99,76 0,04 0,20
2	9	F	Фтор	19	100
2	10	Ne	Неон	20 21 22	90,48 0,27 9,25
3	11	Na	Натрий	23	100
3	12	Mg	Магний	24 25 26	78,6 10,1 11,3
3	13	Al	Алюминий	27	100
3	14	Si	Кремний	28 29 30	92,23 4,67 3,10
3	15	P	Фосфор	31	100
3	16	S	Сера	32 33 34 36	95,02 0,75 4,21 0,02
3	17	Cl	Хлор	35 37	75,78 24,22
3	18	Ar	Аргон	36 38 40	0,337 0,063 99,600
4	19	K	Калий	39 40* 41	93,258 0,012 6,730
4	20	Ca	Кальций	40 42 43 44 46 48*	96,941 0,647 0,135 2,086 0,004 0,187
4	21	Sc	Скандий	45	100
4	22	Ti	Титан	46 47 48 49 50	7,95 7,75 73,45 5,51 5,34
4	23	V	Ванадий	50* 51	0,25* 99,750
4	24	Cr	Хром	50 52 53 54	4,345 83,789 9,501 2,365
4	25	Mn	Марганец	55	100
4	26	Fe	Железо	54 56 57 58	5,845 91,754 2,119 0,282
4	27	Co	Кобальт	59	100
4	28	Ni	Никель	58 60 61 62 64	68,27 26,10 1,13 3,59 0,91
4	29	Cu	Медь	63 65	69,1 30,9
4	30	Zn	Цинк	64 66 67 68 70	49,2 27,7 4,0 18,5 0,6
4	31	Ga	Галлий	69 71	60,11 39,89
4	32	Ge	Германий	70 72 73 74 76*	20,55 27,37 7,67 36,74 7,67
4	33	As	Мышьяк	75	100
4	34	Se	Селен	74 76 77 78 80 82*	0,87 9,02 7,58 23,52 49,82 9,19
4	35	Br	Бром	79 81	50,56 49,44
4	36	Kr	Криптон	78* 80 82 83 84 86	0,35 2,28 11,58 11,49 57,00 17,30
5	37	Rb	Рубидий	85 87*	72,2 27,8
5	38	Sr	Стронций	84 86 87 88	0,56 9,86 7,00 82,58
5	39	Y	Иттрий	89	100
5	40	Zr	Цирконий	90 91 92 94 96*	51,46 11,23 17,11 17,4 2,8
5	41	Nb	Ниобий	93	100
5	42	Mo	Молибден	92 94 95 96 97 98 100*	15,86 9,12 15,70 16,50 9,45 23,75 9,62
5	44	Ru	Рутений	96 98 99 100 101 102 104	5,54 1,87 12,76 12,6 17,06 31,55 18,62
5	45	Rh	Родий	103	100
5	46	Pd	Палладий	102 104 105 106 108 110	1,02 11,14 22,33 27,33 26,46 11,72
5	47	Ag	Серебро	107 109	51,839 48,161
5	48	Cd	Кадмий	106 108 110 111 112 113* 114 116*	1,25 0,89 12,49 12,80 24,13 12,22 28,73 7,49
5	49	In	Индий	113 115*	4,29 95,71
5	50	Sn	Олово	112 114 115 116 117 118 119 120 122 124	0,96 0,66 0,35 14,30 7,61 24,03 8,58 32,85 4,72 5,94
5	51	Sb	Сурьма	121 123	57,36 42,64
5	52	Te	Теллур	120 122 123 124 125 126 128* 130*	0,09 2,55 0,89 4,74 7,07 18,84 31,74 34,08
5	53	I	Иод	127	100
5	54	Xe	Ксенон	124* 126 128 129 130 131 132 134 136*	0,095 0,089 1,910 26,401 4,071 21,232 26,909 10,436 8,857
6	55	Cs	Цезий	133	100
6	56	Ba	Барий	130* 132 134 135 136 137 138	0,11 0,10 2,42 6,59 7,85 11,23 71,70
6	57	La	Лантан	138* 139	0,089 99,911
6	58	Ce	Церий	136 138 140 142	0,185 0,251 88,450 11,114
6	59	Pr	Празеодим	141	100
6	60	Nd	Неодим	142 143 144* 145 146 148 150*	27,153 12,173 23,798 8,293 17,189 5,756 5,638
6	62	Sm	Самарий	144 147* 148* 149* 150 152 154	3,07 14,99 11,24 13,82 7,38 26,75 22,75
6	63	Eu	Европий	151 153	52,2 47,8
6	64	Gd	Гадолиний	150* 154 155 156 157 158 160	0,2 2,18 14,80 20,47 15,65 24,84 21,86
6	65	Tb	Тербий	159	100
6	66	Dy	Диспрозий	156 158 160 161 162 163 164	0,056 0,095 2,329 18,889 25,475 24,896 28,260
6	67	Ho	Гольмий	165	100
6	68	Er	Эрбий	162 164 166 167 168 170	0,139 1,601 33,503 22,869 26,978 14,910
6	69	Tm	Тулий	169	100
6	70	Yb	Иттербий	168 170 171 172 173 174 176	0,126 3,023 14,216 21,754 16,098 31,896 12,887
6	71	Lu	Лютеций	175 176*	97,41 2,59
6	72	Hf	Гафний	174* 176 177 178 179 180	0,16 5,26 18,60 27,28 13,62 35,08
6	73	Ta	Тантал	181	99,9877
6	74	W	Вольфрам	180* 182 183 184 186	0,12 26,50 14,31 30,64 28,43
6	75	Re	Рений	185 187*	37,4 62,6
6	76	Os	Осмий	184* 186* 187 188 189 190 192	0,02 1,59 1,96 13,24 16,15 26,26 40,78
6	77	Ir	Иридий	191 193	37,3 62,7
6	78	Pt	Платина	190* 192 194 195 196 198	0,014 0,782 32,967 33,832 25,242 7,163
6	79	Au	Золото	197	100
6	80	Hg	Ртуть	196 198 199 200 201 202 204	0,15 10,04 16,94 23,14 13,17 29,74 6,82
6	81	Tl	Таллий	203 205	29,52 70,48
6	82	Pb	Свинец	204 206 207 208	1,4 24,1 22,1 52,4
6	83	Bi	Висмут	209*[12]	100

Тантал также имеет стабильный изомер (энергетически возбуждённое состояние): ^180mTa (изотопная распространённость 0,0123 %).

См. также

• Изобары
• Изотоны
• Изотопная распространённость
• Изомерия атомных ядер
• Таблица нуклидов
• Радиоактивные изотопы
• Изотопический сдвиг