Izotopy a nové chemické prvky. Stabilné izotopy – v službách zdravia

Určitý prvok, ktorý má rovnaký, ale odlišný. Majú jadrá s rovnakým počtom a rôznorodosťou. číslo, majú rovnakú štruktúru elektrónových obalov a zaberajú rovnaké miesto v periodicite. chemický systém prvkov. Termín „izotopy“ navrhol v roku 1910 F. Soddy na označenie chemicky nerozlíšiteľných odrôd, ktoré sa líšia svojimi fyzikálnymi vlastnosťami. (predovšetkým rádioaktívne) Svätí. Stabilné izotopy prvýkrát objavil v roku 1913 J. Thomson pomocou vyvinutého tzv. metóda parabol - prototyp modernej. . Zistil, že Ne má minimálne 2 odrody s hm. časti 20 a 22. Názvy a symboly izotopov sú zvyčajne názvy a symboly zodpovedajúcich chemikálií. prvky; ukážte vľavo hore od symbolu. Napríklad na označenie prirodzeného izotopy používajú označenie 35 Cl a 37 Cl; niekedy je prvok označený aj vľavo dole, t.j. napíšte 35 17 Cl a 37 17 Cl. Len izotopy najľahšieho prvku, vodíka, s hm. časti 1, 2 a 3 majú špeciálne. mená a symboly: (11H), (D alebo 21H) a (T, alebo 31H). Vzhľadom na veľký rozdiel v hmotnostiach sa správanie týchto izotopov výrazne líši (pozri,). Stabilné izotopy sa vyskytujú vo všetkých párnych a najnepárnych prvkoch s[ 83. Počet stabilných izotopov prvkov s párnymi číslami môže byť rovná sa 10 (napr. y); Prvky s nepárnymi číslami nemajú viac ako dva stabilné izotopy. Známy cca. 280 stabilných a viac ako 2000 rádioaktívnych izotopov 116 prírodných a umelo získaných prvkov. Pre každý prvok obsah jednotlivých izotopov v prírode. zmes podlieha malým výkyvom, ktoré možno často zanedbať. Viac prostriedkov. kolísanie izotopového zloženia sa pozoruje pri meteoritoch a iných nebeských telesách. Stálosť izotopového zloženia vedie ku stálosti prvkov nachádzajúcich sa na Zemi, čo je priemerná hodnota hmotnosti daného prvku, zistená pri zohľadnení množstva izotopov v prírode. Kolísanie izotopového zloženia ľahkých prvkov je spravidla spojené so zmenami izotopového zloženia počas rozkladu. procesy prebiehajúce v prírode (a pod.). Pre ťažký prvok Pb sa variácie v izotopovom zložení rôznych vzoriek vysvetľujú rôznymi faktormi. obsah v, a iné zdroje a - predkovia prírody. . Rozdiely vo vlastnostiach izotopov daného prvku sú tzv. . Dôležité praktické Úlohou je získať z prírody. zmesi jednotlivých izotopov -

Izotopy, najmä rádioaktívne izotopy, majú početné využitie. V tabuľke 1.13 uvádza vybrané príklady niektorých priemyselných aplikácií izotopov. Každá technika uvedená v tejto tabuľke sa používa aj v iných odvetviach. Napríklad, technika zisťovania úniku látky pomocou rádioizotopov sa používa: pri výrobe nápojov - na zisťovanie úniku zo skladovacích nádrží a potrubí; pri výstavbe inžinierskych stavieb-Pre

Tabuľka 1.13. Niektoré použitia rádioizotopov

Samček muchy tse-tse sterilizovaný slabým zdrojom rádioaktívneho žiarenia je označený pre neskoršiu detekciu (Burkina Faso). Tento postup je súčasťou experimentu uskutočneného s cieľom študovať muchu tse-tse a zaviesť účinné kontrolné opatrenia na zabránenie rozšírenému výskytu trypanosomiázy (spavej choroby). Mucha tse-tse prenáša túto chorobu a infikuje ľudí, domáce zvieratá a voľne žijúce hospodárske zvieratá. Spavá choroba je v niektorých častiach Afriky mimoriadne bežná.

určenie úniku z podzemných vodovodných potrubí; v energetike - zisťovať netesnosti z výmenníkov tepla v elektrárňach; v ropnom priemysle - určiť úniky z podzemných ropovodov; v službe kontroly odpadov a splaškových vôd - zisťovať netesnosti z hlavnej kanalizácie.

Izotopy sú tiež široko používané v vedecký výskum . Používajú sa najmä na určenie mechanizmov chemických reakcií. Ako príklad poukazujeme na použitie vody označenej stabilným izotopom kyslíka 18O na štúdium hydrolýzy esterov, ako je etylacetát (pozri tiež časť 19.3). Pomocou hmotnostnej spektrometrie na detekciu izotopu 18O sa zistilo, že počas hydrolýzy sa atóm kyslíka z molekuly vody prenesie na kyselinu octovú a nie na etanol.

Rádioizotopy sú široko používané ako značené atómy v biologickom výskume. Na sledovanie metabolických dráh * v živých systémoch sa používajú rádioizotopy uhlík-14, trícium, fosfor-32 a síra-35. Napríklad príjem fosforu rastlinami z pôdy ošetrenej hnojivami možno monitorovať pomocou hnojív, ktoré obsahujú prímes fosforu-32.

Liečenie ožiarením. Ionizujúce žiarenie môže zničiť živé tkanivo. Tkanivá malígneho nádoru sú citlivejšie na žiarenie ako zdravé tkanivá. To umožňuje liečiť rakovinu pomocou y-lúčov emitovaných zo zdroja, ktorý využíva rádioaktívny izotop kobalt-60. Žiarenie smeruje do oblasti tela pacienta postihnutej nádorom; Ošetrenie trvá niekoľko minút a opakuje sa denne počas 2-6 týždňov. Počas sedenia musia byť všetky ostatné časti tela pacienta starostlivo pokryté materiálom nepriepustným pre žiarenie, aby sa zabránilo deštrukcii zdravého tkaniva.

Stanovenie veku vzoriek pomocou rádiokarbónu. Malá časť oxidu uhličitého, ktorý je v atmosfére, obsahuje rádioaktívny izotop "bC. Rastliny absorbujú tento izotop počas fotosyntézy. Preto tkanivá všetkých

* Metabolizmus je súhrn všetkých chemických reakcií vyskytujúcich sa v bunkách živých organizmov. V dôsledku metabolických reakcií sa živiny premieňajú na užitočná energia alebo do bunkových komponentov. Metabolické reakcie zvyčajne prebiehajú v niekoľkých jednoduchých krokoch – štádiách. Postupnosť všetkých štádií metabolickej reakcie sa nazýva metabolická dráha (mechanizmus).

Rádioizotopy sa používajú na monitorovanie mechanizmov ukladania sedimentov v ústiach riek, prístavoch a dokoch.

Použitie rádioizotopov na získanie fotografického obrazu spaľovacej komory prúdového motora v zariadení na testovanie nepoškodenia na londýnskom letisku Heathrow. (Na plagátoch je napísané: Žiarenie. Drž sa ďalej.) Rádioizotopy sa v priemysle široko používajú na testovanie bez poškodenia.

Živé tkanivá majú konštantnú úroveň rádioaktivity, pretože jej pokles v dôsledku rádioaktívneho rozpadu je kompenzovaný neustálym prísunom rádioaktívneho uhlíka z atmosféry. Akonáhle však dôjde k úhynu rastliny alebo živočícha, tok rádioaktívneho uhlíka do jeho tkanív sa zastaví. To vedie k postupnému znižovaniu úrovne rádioaktivity v odumretom tkanive.

Rádiokarbónové datovanie odhalilo, že vzorky dreveného uhlia zo Stonehenge sú staré asi 4000 rokov.

Rádiokarbónovú metódu geochronológie vyvinul v roku 1946 U.F. Libby, ktorá za to dostala nobelová cena v chémii v roku 1960. Táto metóda je dnes široko používaná archeológmi, antropológmi a geológmi na datovanie vzoriek starých až 35 000 rokov. Presnosť tejto metódy je približne 300 rokov. Najlepšie výsledky sa dosahujú pri určovaní veku vlny, semien, škrupín a kostí. Na určenie veku vzorky sa meria aktivita p-žiarenia (počet rozpadov za minútu) na 1 g uhlíka v nej obsiahnutého. To vám umožňuje určiť vek vzorky pomocou krivky rádioaktívneho rozpadu pre izotop 14C.

Koľko rokov má Zem a Mesiac?

Mnohé horniny na Zemi a Mesiaci obsahujú rádioizotopy s polčasmi rozpadu rádovo 10-9 -10-10 rokov. Meraním a porovnávaním relatívneho množstva týchto rádioizotopov s relatívnym množstvom produktov ich rozpadu vo vzorkách takýchto hornín možno určiť ich vek. Tri najdôležitejšie metódy geochronológie sú založené na stanovení relatívneho množstva izotopov K (polčas rozpadu 1,4-109 rokov). "Rb (polčas rozpadu 6 1010 rokov) a 2I29U (polčas rozpadu 4,50-109 rokov).

Metóda datovania draslíka a argónu. Minerály ako sľuda a niektoré živce obsahujú malé množstvo rádioizotopu draslíka-40. Rozpadá sa zachytávaním elektrónov a premenou na argón-40:

Vek vzorky sa určuje na základe výpočtov, ktoré využívajú údaje o relatívnom obsahu draslíka-40 vo vzorke v porovnaní s argónom-40.

Metóda datovania pre rubídium a stroncium. Niektoré z najstarších hornín na Zemi, ako napríklad žuly zo západného pobrežia Grónska, obsahujú rubídium. Približne tretinu všetkých atómov rubídia tvorí rádioaktívne rubídium-87. Tento rádioizotop sa rozpadá na stabilný izotop stroncium-87. Výpočty založené na použití údajov o relatívnom obsahu izotopov rubídia a stroncia vo vzorkách umožňujú určiť vek takýchto hornín.

Metóda datovania pomocou uránu a olova. Izotopy uránu sa rozpadajú na izotopy olova. Vek minerálov, ako je apatit, ktoré obsahujú nečistoty uránu, možno určiť porovnaním obsahu určitých izotopov uránu a olova v ich vzorkách.

Všetky tri opísané metódy boli použité na datovanie suchozemských hornín. Výsledné údaje naznačujú, že vek Zeme je 4,6-109 rokov. Tieto metódy sa použili aj na určenie veku mesačných hornín privezených na Zem z vesmírnych misií. Vek týchto plemien sa pohybuje od 3,2 do 4,2 *10 9 rokov.

jadrové štiepenie a jadrová fúzia

Už sme spomenuli, že experimentálne hodnoty izotopových hmotností sú nižšie ako hodnoty vypočítané ako súčet hmotností všetkých elementárnych častíc obsiahnutých v jadre. Rozdiel medzi vypočítanou a experimentálnou atómovou hmotnosťou sa nazýva hmotnostný defekt. Hmotnostný defekt zodpovedá energii potrebnej na prekonanie odpudivých síl medzi časticami s rovnakým nábojom atómové jadro a ich spojenie do jedného jadra; z tohto dôvodu sa nazýva väzbová energia. Väzbovú energiu možno vypočítať prostredníctvom hmotnostného defektu pomocou Einsteinovej rovnice

kde E je energia, m je hmotnosť a c je rýchlosť svetla.

Väzbová energia sa zvyčajne vyjadruje v megaelektrónvoltoch (1 MeV = 106 eV) na subjadrovú časticu (nukleón). Elektrónvolt je energia, ktorú častica s jednotkovým elementárnym nábojom (rovná sa absolútna hodnota elektrónový náboj), pohybujúci sa medzi bodmi s rozdielom elektrického potenciálu 1 V (1 MeV = 9,6 * 10 10 J/mol).

Napríklad väzbová energia na nukleón v jadre hélia je približne 7 MeV a v jadre s chlórom-35 je to 8,5 MeV.

Čím vyššia je väzbová energia na nukleón, tým väčšia je stabilita jadra. Na obr. Na obrázku 1.33 je znázornená závislosť väzbovej energie od hmotnostného počtu prvkov. Je potrebné poznamenať, že prvky s hmotnostným číslom blízkym 60 sú najstabilnejšie. Tieto prvky zahŕňajú 56Fe, 59Co, 59Ni a 64Cu. Prvky s nižšími hmotnostnými číslami môžu, aspoň z teoretického hľadiska, zvýšiť svoju stabilitu v dôsledku zvýšenia ich hmotnostného čísla. V praxi sa však zdá, že je možné zvýšiť hmotnostné čísla len tých najľahších prvkov, ako je vodík. (Hélium má anomálne vysokú stabilitu; väzbová energia nukleónov v jadre hélia nezodpovedá krivke znázornenej na obr. 1.33.) Hmotnostný počet takýchto prvkov sa zvyšuje v procese nazývanom jadrová fúzia (pozri nižšie).

Obsah článku

IZOTOPY– odrody toho istého chemického prvku, ktoré sú podobné svojimi fyzikálno-chemickými vlastnosťami, ale majú rozdielne atómové hmotnosti. Názov „izotopy“ navrhol v roku 1912 anglický rádiochemik Frederick Soddy, ktorý ho vytvoril z dvoch gréckych slov: isos – identický a topos – miesto. Izotopy zaberajú rovnaké miesto v bunke Mendelejevovej periodickej tabuľky prvkov.

Atóm akéhokoľvek chemického prvku pozostáva z kladne nabitého jadra a oblaku záporne nabitých elektrónov, ktoré ho obklopujú. Poloha chemického prvku v periodickej tabuľke Mendelejeva (jeho sériové číslo) je určená nábojom jadra jeho atómov. Izotopy sú preto tzv odrody toho istého chemického prvku, ktorého atómy majú rovnaký jadrový náboj (a teda prakticky rovnaké elektrónové obaly), ale líšia sa hodnotami jadrovej hmotnosti. Podľa obrazného vyjadrenia F. Soddyho sú atómy izotopov rovnaké „vonku“, ale odlišné „vo vnútri“.

Neutrón bol objavený v roku 1932 – častica, ktorá nemá náboj, s hmotnosťou blízkou hmotnosti jadra atómu vodíka - protón , a vytvorili protón-neutrónový model jadra. Ako výsledok veda stanovila konečnú moderná definícia pojmy izotopy: izotopy sú látky, ktorých atómové jadrá pozostávajú z rovnakého počtu protónov a líšia sa iba počtom neutrónov v jadre . Každý izotop je zvyčajne označený súborom symbolov, kde X je symbol chemického prvku, Z je náboj atómového jadra (počet protónov), A je hmotnostné číslo izotopu (celkový počet nukleónov - protóny a neutróny v jadre, A = Z + N). Keďže sa zdá, že náboj jadra je jednoznačne spojený so symbolom chemického prvku, často sa ako skratka používa jednoducho označenie A X.

Zo všetkých nám známych izotopov majú svoje vlastné názvy iba izotopy vodíka. Preto sa izotopy 2H a 3H nazývajú deutérium a trícium a označujú sa ako D a T (izotop 1H sa niekedy nazýva protium).

V prírode sa vyskytuje ako stabilné izotopy , a nestabilné – rádioaktívne, ktorých jadrá atómov podliehajú samovoľnej premene na iné jadrá s emisiou rôznych častíc (alebo procesmi tzv. rádioaktívneho rozpadu). V súčasnosti je známych asi 270 stabilných izotopov a stabilné izotopy sa nachádzajú len v prvkoch s atómovým číslom Z Ј 83. Počet nestabilných izotopov presahuje 2000, veľká väčšina z nich bola získaná umelo v dôsledku rôznych jadrových reakcií. Počet rádioaktívnych izotopov mnohých prvkov je veľmi veľký a môže presiahnuť dva tucty. Počet stabilných izotopov je výrazne menší, niekt chemické prvky pozostávajú iba z jedného stabilného izotopu (berýlium, fluór, sodík, hliník, fosfor, mangán, zlato a množstvo ďalších prvkov). Najväčší počet stabilných izotopov - 10 - bol nájdený v cíne, napríklad v železe sú 4 a v ortuti - 7.

Objav izotopov, historické pozadie.

V roku 1808 anglický prírodovedec John Dalton prvýkrát zaviedol definíciu chemického prvku ako látky pozostávajúcej z atómov rovnakého typu. V roku 1869 objavil chemik D.I. Mendelejev periodický zákon chemických prvkov. Jednou z ťažkostí pri zdôvodňovaní konceptu prvku ako látky zaujímajúcej určité miesto v bunke periodickej tabuľky boli experimentálne pozorované neceločíselné atómové hmotnosti prvkov. Anglický fyzik a chemik Sir William Crookes predložil v roku 1866 hypotézu, že každý prírodný chemický prvok je určitou zmesou látok, ktoré sú svojimi vlastnosťami identické, ale majú rozdielne atómové hmotnosti, no v tom čase ešte takýto predpoklad neexistoval experimentálne potvrdenie, a preto si dlho nevšimol.

Dôležitým krokom k objavu izotopov bolo objavenie fenoménu rádioaktivity a hypotéza rádioaktívneho rozpadu, ktorú sformulovali Ernst Rutherford a Frederick Soddy: rádioaktivita nie je nič iné ako rozpad atómu na nabitú časticu a atóm iného prvku. , odlišný svojimi chemickými vlastnosťami od pôvodného. V dôsledku toho vznikla myšlienka rádioaktívnych sérií alebo rádioaktívnych rodín , na začiatku ktorého je prvý materský prvok, ktorý je rádioaktívny, a na konci - posledný stabilný prvok. Analýza reťazcov transformácií ukázala, že počas ich priebehu sa v jednej bunke periodickej tabuľky môžu objaviť rovnaké rádioaktívne prvky, ktoré sa líšia iba atómovými hmotnosťami. V skutočnosti to znamenalo zavedenie konceptu izotopov.

Nezávislé potvrdenie existencie stabilných izotopov chemických prvkov potom získali experimenty J. J. Thomsona a Astona v rokoch 1912–1920 s lúčmi kladne nabitých častíc (alebo tzv. channel beams ) vychádzajúci z výbojovej trubice.

V roku 1919 Aston navrhol prístroj s názvom hmotnostný spektrograf. (alebo hmotnostný spektrometer) . Iónový zdroj stále používal výbojovú trubicu, ale Aston našiel spôsob, ktorým postupné vychyľovanie lúča častíc v elektrických a magnetických poliach viedlo k zaostreniu častíc s rovnakým pomerom náboja k hmotnosti (bez ohľadu na ich rýchlosť) pri rovnaký bod na obrazovke. Spolu s Astonom vznikol v rovnakých rokoch aj hmotnostný spektrometer trochu inej konštrukcie od Američana Dempstera. V dôsledku následného používania a zdokonaľovania hmotnostných spektrometrov úsilím mnohých výskumníkov bola do roku 1935 zostavená takmer úplná tabuľka izotopového zloženia všetkých dovtedy známych chemických prvkov.

Metódy separácie izotopov.

Pre štúdium vlastností izotopov a najmä pre ich využitie na vedecké a aplikačné účely je potrebné ich získavať vo viac či menej nápadných množstvách. V konvenčných hmotnostných spektrometroch sa dosiahne takmer úplná separácia izotopov, ale ich množstvo je zanedbateľne malé. Preto úsilie vedcov a inžinierov smerovalo k hľadaniu ďalších možných metód separácie izotopov. Najprv boli zvládnuté fyzikálno-chemické metódy separácie založené na rozdieloch v takých vlastnostiach izotopov toho istého prvku, ako sú rýchlosti odparovania, rovnovážne konštanty, rýchlosti chemických reakcií atď. Najúčinnejšie z nich boli metódy rektifikácie a výmeny izotopov, ktoré našli široké uplatnenie pri priemyselnej výrobe izotopov ľahkých prvkov: vodíka, lítia, bóru, uhlíka, kyslíka a dusíka.

Ďalšiu skupinu metód tvoria takzvané molekulárne kinetické metódy: difúzia plynov, tepelná difúzia, hmotnostná difúzia (difúzia v prúde pary), centrifugácia. Metódy plynovej difúzie, založené na rôznych rýchlostiach difúzie izotopových zložiek vo vysoko disperzných poréznych médiách, sa používali počas druhej svetovej vojny na organizáciu priemyselnej výroby separácie izotopov uránu v Spojených štátoch ako súčasť takzvaného projektu Manhattan na vytvorenie atómová bomba. Na získanie potrebného množstva uránu obohateného na 90 % ľahkým izotopom 235 U, hlavnou „horľavou“ zložkou atómovej bomby, boli vybudované závody na ploche asi štyritisíc hektárov. Na vytvorenie atómového centra so závodmi na výrobu obohateného uránu bolo vyčlenených viac ako 2 miliardy dolárov. postavený v ZSSR. IN posledné roky táto metóda ustúpila efektívnejšej a lacnejšej metóde odstreďovania. Pri tejto metóde sa efekt separácie izotopovej zmesi dosiahne v dôsledku rôznych účinkov odstredivých síl na zložky izotopovej zmesi vypĺňajúce rotor odstredivky, čo je tenkostenný valec ohraničený zhora a dole, otáčajúci sa rýchlosťou veľmi vysoká rýchlosť vo vákuovej komore. Státisíce centrifúg zapojených do kaskád, z ktorých rotor každej robí viac ako tisíc otáčok za sekundu, sa v súčasnosti používajú v moderných separačných závodoch ako v Rusku, tak aj v iných vyspelých krajinách sveta. Centrifúgy slúžia nielen na výrobu obohateného uránu potrebného na pohon jadrových reaktorov jadrových elektrární, ale aj na výrobu izotopov asi tridsiatich chemických prvkov v strednej časti periodickej tabuľky. Elektromagnetické separačné jednotky s výkonnými zdrojmi iónov sa v posledných rokoch používajú aj na separáciu rôznych izotopov, rozšírené sú aj metódy laserovej separácie.

Aplikácia izotopov.

Rôzne izotopy chemických prvkov sú široko používané vo vedeckom výskume, v rôznych oblastiach priemyslu a poľnohospodárstva, v jadrovej energetike, modernej biológii a medicíne, vo výskume životné prostredie a ďalšie oblasti. Vo vedeckom výskume (napríklad v chemickej analýze) sú spravidla potrebné malé množstvá vzácnych izotopov rôznych prvkov, počítané v gramoch a dokonca miligramoch za rok. Zároveň pre množstvo izotopov široko používaných v jadrovej energetike, medicíne a iných priemyselných odvetviach môže potreba ich výroby predstavovať množstvo kilogramov a dokonca ton. V dôsledku používania ťažkej vody D 2 O v jadrových reaktoroch bola jej celosvetová produkcia začiatkom 90. rokov minulého storočia približne 5 000 ton ročne. Izotop vodíka deutérium, ktoré je súčasťou ťažkej vody, ktorej koncentrácia v prírodnej zmesi vodíka je len 0,015 % spolu s tríciom, sa v budúcnosti podľa vedcov stane hlavnou zložkou paliva termonukleárnej energetiky. reaktory fungujúce na báze reakcií jadrovej fúzie. V tomto prípade bude potreba výroby izotopov vodíka obrovská.

Vo vedeckom výskume sa stabilné a rádioaktívne izotopy široko používajú ako izotopové indikátory (stopovacie látky) pri štúdiu naj rôzne procesy vyskytujúce sa v prírode.

V poľnohospodárstve sa izotopy („označené“ atómy) využívajú napríklad na štúdium procesov fotosyntézy, stráviteľnosti hnojív a na stanovenie efektívnosti využívania dusíka, fosforu, draslíka, stopových prvkov a iných látok rastlinami.

Izotopové technológie sú široko používané v medicíne. V USA sa teda podľa štatistík denne vykoná viac ako 36 tisíc lekárskych zákrokov a približne 100 miliónov laboratórnych testov s použitím izotopov. Najbežnejšie postupy zahŕňajú počítačovú tomografiu. Izotop uhlíka C13 obohatený na 99 % (prirodzený obsah asi 1 %) sa aktívne používa pri takzvanej „diagnostickej kontrole dýchania“. Podstata testu je veľmi jednoduchá. Obohatený izotop sa zavádza do potravy pacienta a po účasti na metabolickom procese v rôznych orgánoch tela sa uvoľňuje vo forme oxidu uhličitého CO 2 vydychovaného pacientom, ktorý sa zbiera a analyzuje pomocou spektrometra. Rozdiely v rýchlostiach procesov spojených s uvoľňovaním rôznych množstiev oxidu uhličitého, označeného izotopom C13, umožňujú posúdiť stav rôznych orgánov pacienta. V USA sa počet pacientov, ktorí podstúpia tento test, odhaduje na 5 miliónov ročne. Teraz sa metódy laserovej separácie používajú na výrobu vysoko obohateného izotopu C13 v priemyselnom meradle.

Vladimír Ždanov

Izotopy- odrody atómov (a jadier) chemického prvku, ktoré majú rovnaké atómové (poradové) číslo, no zároveň rôzne hmotnostné čísla.

Termín izotop je vytvorený z gréckych koreňov isos (ἴσος "rovnaký") a topos (τόπος "miesto"), čo znamená "rovnaké miesto"; Význam názvu je teda taký, že rôzne izotopy toho istého prvku zaberajú rovnakú pozíciu v periodickej tabuľke.

Tri prírodné izotopy vodíka. Skutočnosť, že každý izotop má jeden protón, má varianty vodíka: identita izotopu je určená počtom neutrónov. Zľava doprava sú izotopy protium (1H) s nulovými neutrónmi, deutérium (2H) s jedným neutrónom a trícium (3H) s dvoma neutrónmi.

Počet protónov v jadre atómu sa nazýva atómové číslo a rovná sa počtu elektrónov v neutrálnom (neionizovanom) atóme. Každé atómové číslo identifikuje špecifický prvok, ale nie izotop; Atóm daného prvku môže mať široký rozsah počtu neutrónov. Počet nukleónov (protónov aj neutrónov) v jadre je hmotnostné číslo atómu a každý izotop daného prvku má iné hmotnostné číslo.

Napríklad uhlík-12, uhlík-13 a uhlík-14 sú tri izotopy elementárneho uhlíka s hmotnostnými číslami 12, 13 a 14. Atómové číslo uhlíka je 6, čo znamená, že každý atóm uhlíka má 6 protónov, takže neutrónové čísla týchto izotopov sú 6, 7 a 8.

Nupokojuje A izotopy

Nuklid označuje jadro, nie atóm. Identické jadrá patria k rovnakému nuklidu, napríklad každé jadro nuklidu uhlík-13 pozostáva zo 6 protónov a 7 neutrónov. Koncept nuklidov (týkajúci sa jednotlivých jadrových druhov) zdôrazňuje jadrové vlastnosti pred chemickými vlastnosťami, zatiaľ čo koncept izotopov (zoskupujúci všetky atómy každého prvku) zdôrazňuje chemickú reakciu pred jadrovou reakciou. Neutrónové číslo má veľký vplyv na vlastnosti jadier, ale jeho vplyv na Chemické vlastnosti zanedbateľné pre väčšinu prvkov. Dokonca aj v prípade najľahších prvkov, kde sa pomer neutrónov k atómovému číslu medzi jednotlivými izotopmi najviac líši, má zvyčajne len malý vplyv, hoci v niektorých prípadoch na tom záleží (pre vodík, najľahší prvok, je izotopový efekt veľký mať veľký vplyv na biológiu). Pretože izotop je starší termín, je známejší ako nuklid a stále sa niekedy používa v kontextoch, kde môže byť nuklid vhodnejší, ako je nukleárna technológia a nukleárna medicína.

Označenia

Izotop alebo nuklid sa identifikuje názvom konkrétneho prvku (označuje atómové číslo), za ktorým nasleduje spojovník a hmotnostné číslo (napríklad hélium-3, hélium-4, uhlík-12, uhlík-14, urán- 235 a urán-239). Keď sa použije chemická značka, napr. "C" pre uhlík, štandardná notácia (teraz známa ako "AZE-notation", pretože A je hmotnostné číslo, Z je atómové číslo a E je pre prvok) - uveďte hmotnostné číslo (počet nukleónov) horným indexom v ľavom hornom rohu chemickej značky a uveďte atómové číslo s dolným indexom v ľavom dolnom rohu). Pretože atómové číslo je dané symbolom prvku, zvyčajne sa v hornom indexe uvádza iba hmotnostné číslo a neuvádza sa atómový index. Písmeno m sa niekedy pridáva za hmotnostné číslo na označenie jadrového izoméru, metastabilného alebo energeticky excitovaného jadrového stavu (na rozdiel od základného stavu s najnižšou energiou), napríklad 180 m 73Ta (tantal-180 m).

Rádioaktívne, primárne a stabilné izotopy

Niektoré izotopy sú rádioaktívne, a preto sa nazývajú rádioizotopy alebo rádionuklidy, zatiaľ čo u iných nebolo nikdy pozorované, že by sa rádioaktívne rozpadli a nazývajú sa stabilné izotopy alebo stabilné nuklidy. Napríklad 14C je rádioaktívna forma uhlíka, zatiaľ čo 12C a 13C sú stabilné izotopy. Na Zemi je približne 339 prirodzene sa vyskytujúcich nuklidov, z ktorých je 286 prvotných nuklidov, čo znamená, že existujú od sformovania Slnečnej sústavy.

Pôvodné nuklidy zahŕňajú 32 nuklidov s veľmi dlhým polčasom rozpadu (viac ako 100 miliónov rokov) a 254, ktoré sú formálne považované za "stabilné nuklidy", pretože nebolo pozorované, aby sa rozpadli. Vo väčšine prípadov, zo zrejmých dôvodov, ak má prvok stabilné izotopy, potom tieto izotopy dominujú nadbytku prvkov na Zemi a v slnečnej sústave. V prípade troch prvkov (telúr, indium a rénium) je však najbežnejším izotopom vyskytujúcim sa v prírode v skutočnosti jeden (alebo dva) rádioizotopy prvku s extrémne dlhou životnosťou, napriek tomu, že tieto prvky majú jeden alebo stabilnejšie izotopy.

Teória predpovedá, že mnohé zdanlivo „stabilné“ izotopy/nuklidy sú rádioaktívne, s extrémne dlhými polčasmi rozpadu (ignorujúc možnosť rozpadu protónov, čo by nakoniec spôsobilo nestabilitu všetkých nuklidov). Z 254 nuklidov, ktoré neboli nikdy pozorované, je len 90 z nich (všetky z prvých 40 prvkov) teoreticky stabilných voči všetkým známym formám rozpadu. Prvok 41 (niób) je teoreticky nestabilný spontánnym štiepením, ale to sa nikdy nepodarilo objaviť. Mnohé ďalšie stabilné nuklidy sú teoreticky energeticky náchylné na iné známe formy rozpadu, ako je alfa rozpad alebo dvojitý beta rozpad, ale produkty rozpadu ešte neboli pozorované, a preto sa tieto izotopy považujú za „pozorovateľne stabilné“. Predpovedané polčasy rozpadu týchto nuklidov často výrazne prevyšujú odhadovaný vek vesmíru a v skutočnosti je známych aj 27 rádionuklidov s polčasmi dlhšími ako je vek vesmíru.

Rádioaktívne nuklidy vytvorené umelo, v súčasnosti je známych 3 339 nuklidov. Patrí medzi ne 905 nuklidov, ktoré sú buď stabilné, alebo majú polčas rozpadu dlhší ako 60 minút.

Vlastnosti izotopov

Chemické a molekulárne vlastnosti

Neutrálny atóm má rovnaký počet elektrónov ako protónov. Rôzne izotopy daného prvku teda majú rovnaký počet elektrónov a podobné elektronické štruktúry. Pretože chemické správanie atómu je do značnej miery určené jeho elektronickou štruktúrou, rôzne izotopy vykazujú takmer identické chemické správanie.

Výnimkou je kinetický izotopový efekt: v dôsledku ich veľkých hmotností majú ťažšie izotopy tendenciu reagovať o niečo pomalšie ako ľahšie izotopy toho istého prvku. Toto je najvýraznejšie pre protium (1 H), deutérium (2 H) a trícium (3 H), pretože deutérium má dvojnásobnú hmotnosť ako protium a trícium má trojnásobok hmotnosti protia. Tieto rozdiely v hmotnosti ovplyvňujú aj správanie ich príslušných chemických väzieb, čím sa mení ťažisko (znížená hmotnosť) atómových systémov. Avšak pre ťažšie prvky sú relatívne hmotnostné rozdiely medzi izotopmi oveľa menšie, takže účinky hmotnostných rozdielov v chémii sú zvyčajne zanedbateľné. (Ťažké prvky majú tiež relatívne viac neutrónov ako ľahšie prvky, takže pomer jadrovej hmoty k celkovej hmotnosti elektrónov je o niečo väčší).

Podobne dve molekuly, ktoré sa líšia iba izotopmi svojich atómov (izotopológy), majú rovnakú elektrónovú štruktúru, a teda takmer nerozoznateľné fyzikálne a chemické vlastnosti (opäť, s primárnymi výnimkami sú deutérium a trícium). Vibračné módy molekuly sú určené jej tvarom a hmotnosťou atómov, z ktorých pozostáva; Preto majú rôzne izotopológy rôzne sady vibračných režimov. Pretože vibračné režimy umožňujú molekule absorbovať fotóny s vhodnými energiami, izotopológie majú v infračervenom spektre rôzne optické vlastnosti.

Jadrové vlastnosti a stabilita

Atómové jadrá pozostávajú z protónov a neutrónov, ktoré sú navzájom spojené zvyškovou silnou silou. Pretože protóny sú kladne nabité, navzájom sa odpudzujú. Neutróny, ktoré sú elektricky neutrálne, stabilizujú jadro dvoma spôsobmi. Ich kontakt mierne posúva protóny od seba, čím sa znižuje elektrostatické odpudzovanie medzi protónmi a pôsobia na seba a na protóny príťažlivou jadrovou silou. Z tohto dôvodu je potrebný jeden alebo viac neutrónov, aby sa dva alebo viac protónov naviazalo na jadro. So zvyšujúcim sa počtom protónov sa zvyšuje aj pomer neutrónov k protónom potrebný na vytvorenie stabilného jadra (pozri graf vpravo). Napríklad, hoci pomer neutrónov:protón 3 2 He je 1:2, pomer neutrónov:protón je 238 92 U
Viac ako 3:2. Množstvo ľahších prvkov má stabilné nuklidy s pomerom 1:1 (Z = N). Nuklid 40 20 Ca (vápnik-40) je pozorovateľne najťažší stabilný nuklid s rovnakým počtom neutrónov a protónov; (Teoreticky je najťažšia stabilná síra-32). Všetky stabilné nuklidy ťažšie ako vápnik-40 obsahujú viac neutrónov ako protónov.

Počet izotopov na prvok

Z 81 prvkov so stabilnými izotopmi je najvyšší počet stabilných izotopov pozorovaných pre akýkoľvek prvok desať (pre prvok cín). Žiadny prvok nemá deväť stabilných izotopov. Xenón je jediný prvok s ôsmimi stabilnými izotopmi. Štyri prvky majú sedem stabilných izotopov, z ktorých osem má šesť stabilných izotopov, desať má päť stabilných izotopov, deväť má štyri stabilné izotopy, päť má tri stabilné izotopy, 16 má dva stabilné izotopy a 26 prvkov má iba jeden (z toho 19 takzvané mononuklidové prvky, ktoré majú jediný primordiálny stabilný izotop, ktorý dominuje a s vysokou presnosťou fixuje atómovú hmotnosť prírodného prvku, sú prítomné aj 3 rádioaktívne mononuklidové prvky; Celkovo existuje 254 nuklidov, ktorých rozpad nebol pozorovaný. Pre 80 prvkov, ktoré majú jeden alebo viac stabilných izotopov, je priemerný počet stabilných izotopov 254/80 = 3,2 izotopov na prvok.

Párne a nepárne počty nukleónov

Protóny: Pomer neutrónov nie je jediným faktorom ovplyvňujúcim jadrovú stabilitu. Závisí to aj od parity alebo nepárnosti jeho atómového čísla Z, počtu neutrónov N, teda ich súčtu hmotnostného čísla A. Nepárne Z aj N majú tendenciu znižovať jadrovú väzbovú energiu, čím vznikajú nepárne jadrá, ktoré sú vo všeobecnosti menej stabilné. Tento významný rozdiel v jadrovej väzbovej energii medzi susednými jadrami, najmä nepárnymi izobarami, má dôležité dôsledky: nestabilné izotopy so suboptimálnym počtom neutrónov alebo protónov sa rozpadajú beta rozpadom (vrátane rozpadu pozitrónov), zachytávaním elektrónov alebo inými exotickými prostriedkami, ako je spontánne štiepenie a rozpadové zhluky.

Najstabilnejšie nuklidy sú párny počet protónov a párny počet neutrónov, pričom čísla Z, N a A sú všetky párne. Nepárne stabilné nuklidy sú rozdelené (približne rovnomerne) na nepárne.

Atómové číslo

148 párnych protónových, dokonca neutrónových (NE) nuklidov predstavuje ~ 58 % všetkých stabilných nuklidov. Existuje tiež 22 prvotných dlhožijúcich párnych nuklidov. Výsledkom je, že každý zo 41 párnych prvkov od 2 do 82 má aspoň jeden stabilný izotop a väčšina týchto prvkov má viacero primárnych izotopov. Polovica týchto párnych prvkov má šesť alebo viac stabilných izotopov. Extrémna stabilita hélia-4 vďaka dvojitej zlúčenine dvoch protónov a dvoch neutrónov bráni nuklidom obsahujúcim päť alebo osem nukleónov existovať dostatočne dlho na to, aby slúžili ako platformy na akumuláciu ťažších prvkov prostredníctvom jadrovej fúzie.

Týchto 53 stabilných nuklidov má párny počet protónov a nepárny počet neutrónov. Je ich menšina v porovnaní s párnymi izotopmi, ktorých je približne 3-krát viac. Spomedzi 41 párnych-Z prvkov, ktoré majú stabilný nuklid, iba dva prvky (argón a cér) nemajú párne-nepárne stabilné nuklidy. Jeden prvok (cín) má tri. Existuje 24 prvkov, ktoré majú jeden párny-nepárny nuklid a 13 prvkov, ktoré majú dva nepárne-párne nuklidy.

Kvôli ich nepárnemu počtu neutrónov majú nepárne-párne nuklidy tendenciu mať veľké prierezy zachytávania neutrónov v dôsledku energie, ktorá vzniká z efektov väzby neutrónov. Tieto stabilné nuklidy môžu byť v prírode nezvyčajne hojné, hlavne preto, že na vytvorenie a vstup do prvotného množstva musia uniknúť zachytávaniu neutrónov, aby vytvorili ďalšie stabilné párne-nepárne izotopy počas procesu a procesu zachytávania neutrónov počas nukleosyntézy.

Nepárne atómové číslo

48 stabilných nuklidov nepárnych protónov a párnych neutrónov, stabilizovaných ich párnym počtom párových neutrónov, tvorí väčšinu stabilných izotopov nepárnych prvkov; Len veľmi málo nepárnych-protón-nepárnych neutrónových nuklidov tvorí ostatné. Existuje 41 nepárnych prvkov od Z = 1 do 81, z ktorých 39 má stabilné izotopy (prvky technécium (43 Tc) a prométium (61 Pm) nemajú stabilné izotopy). Z týchto 39 nepárnych prvkov Z má 30 prvkov (vrátane vodíka-1, kde 0 neutrónov je párnych) jeden stabilný párny-nepárny izotop a deväť prvkov: chlór (17 Cl), draslík (19 K), meď (29 Cu), gálium ( 31 Ga), bróm (35 Br), striebro (47 Ag), antimón (51 Sb), irídium (77 Ir) a tálium (81 Tl) majú dva stabilné izotopy nepárne-párne. To dáva 30 + 2 (9) = 48 stabilných párnych izotopov.

Len päť stabilných nuklidov obsahuje nepárny počet protónov a nepárny počet neutrónov. Prvé štyri "nepárne" nuklidy sa vyskytujú v nuklidoch s nízkou molekulovou hmotnosťou, pre ktoré zmena protónu na neutrón alebo naopak povedie k veľmi nevychýlenému pomeru protón-neutrón.

Jediný úplne „stabilný“, nepárny nuklid je 180 m 73 Ta, ktorý sa považuje za najvzácnejší z 254 stabilných izotopov a je jediným prvotným jadrovým izomérom, ktorý sa napriek experimentálnym pokusom ešte nepozoroval.

Nepárny počet neutrónov

Aktinidy s nepárnym počtom neutrónov majú tendenciu sa štiepiť (s tepelnými neutrónmi), zatiaľ čo tie s párnym počtom neutrónov vo všeobecnosti nie, hoci sa štiepia s rýchlymi neutrónmi. Všetky pozorovane stabilné nepárne-nepárne nuklidy majú nenulový celočíselný spin. Je to preto, že jeden nepárový neutrón a nepárový protón majú voči sebe väčšiu jadrovú silu, ak sú ich rotácie zarovnané (vytvárajúce plná rotácia o aspoň 1 jednotku) a nie zarovnané.

Výskyt v prírode

Prvky sú tvorené jedným alebo viacerými prirodzene sa vyskytujúcimi izotopmi. Nestabilné (rádioaktívne) izotopy sú buď primárne alebo postprimárne. Prvotné izotopy boli produktom hviezdnej nukleosyntézy alebo iného typu nukleosyntézy, ako je štiepenie kozmického žiarenia, a pretrvali až do súčasnosti, pretože ich rýchlosť rozpadu je taká nízka (napr. urán-238 a draslík-40). Postprirodzené izotopy vznikli bombardovaním kozmickým žiarením ako kozmogénne nuklidy (napr. trícium, uhlík-14) alebo rozpad rádioaktívneho prvotného izotopu na dcéru rádioaktívneho rádiogénneho nuklidu (napr. urán na rádium). Niekoľko izotopov sa prirodzene syntetizuje ako nukleogénne nuklidy inými prirodzenými jadrovými reakciami, napríklad keď sú neutróny z prirodzeného jadrového štiepenia absorbované iným atómom.

Ako je uvedené vyššie, iba 80 prvkov má stabilné izotopy a 26 z nich má iba jeden stabilný izotop. Približne dve tretiny stabilných prvkov sa teda prirodzene vyskytujú na Zemi v niekoľkých stabilných izotopoch, pričom najväčší počet stabilných izotopov pre prvok je desať, pre cín (50Sn). Na Zemi je asi 94 prvkov (až po plutónium vrátane), hoci niektoré sa nachádzajú len vo veľmi malých množstvách, ako napríklad plutónium-244. Vedci sa domnievajú, že prvky, ktoré sa prirodzene vyskytujú na Zemi (niektoré len ako rádioizotopy), sa celkovo vyskytujú ako 339 izotopov (nuklidov). Len 254 z týchto prirodzených izotopov je stabilných v tom zmysle, že doteraz neboli pozorované. Ďalších 35 prvotných nuklidov (celkovo 289 prvotných nuklidov) je rádioaktívnych so známymi polčasmi rozpadu, ale majú polčasy rozpadu viac ako 80 miliónov rokov, čo im umožňuje existovať od začiatku Slnečnej sústavy.

Všetky známe stabilné izotopy sa prirodzene vyskytujú na Zemi; Ostatné prirodzene sa vyskytujúce izotopy sú rádioaktívne, ale kvôli ich relatívne dlhému polčasu rozpadu alebo iným spôsobom nepretržitej prirodzenej produkcie. Patria sem kozmogénne nuklidy uvedené vyššie, nukleogénne nuklidy a akékoľvek rádiogénne izotopy vyplývajúce z prebiehajúceho rozpadu primárneho rádioaktívneho izotopu, ako je radón a rádium z uránu.

Ďalších ~ 3000 rádioaktívnych izotopov, ktoré sa nenachádzajú v prírode, bolo vytvorených v jadrových reaktoroch a urýchľovačoch častíc. Mnoho izotopov s krátkou životnosťou sa nenašlo prirodzene na Zemi, boli tiež pozorované spektroskopickou analýzou, prirodzene vytvorené vo hviezdach alebo supernovách. Príkladom je hliník-26, ktorý sa prirodzene nenachádza na Zemi, ale nachádza sa v hojnom množstve v astronomickom meradle.

Tabuľkové atómové hmotnosti prvkov sú priemery, ktoré zodpovedajú za prítomnosť viacerých izotopov s rôznymi hmotnosťami. Pred objavením izotopov empiricky určené, neintegrované hodnoty atómovej hmotnosti zmiatli vedcov. Napríklad vzorka chlóru obsahuje 75,8 % chlóru-35 a 24,2 % chlóru-37, čo dáva priemernú atómovú hmotnosť 35,5 jednotiek atómovej hmotnosti.

Podľa všeobecne uznávanej teórie kozmológie vznikli pri Veľkom tresku iba izotopy vodíka a hélia, stopy niektorých izotopov lítia a berýlia a možno aj časť bóru a všetky ostatné izotopy sa syntetizovali neskôr, vo hviezdach a supernovách. a pri interakciách medzi energetickými časticami, ako je kozmické žiarenie, a predtým získanými izotopmi. Zodpovedajúce izotopové zastúpenie izotopov na Zemi je určené množstvom produkovaným týmito procesmi, ich šírením v galaxii a rýchlosťou rozpadu izotopov, ktoré sú nestabilné. Po počiatočnom zlúčení slnečnej sústavy sa izotopy prerozdelili podľa hmotnosti a izotopové zloženie prvkov sa medzi planétami mierne líši. To niekedy umožňuje vystopovať pôvod meteoritov.

Atómová hmotnosť izotopov

Atómová hmotnosť (mr) izotopu je určená predovšetkým jeho hmotnostným číslom (t. j. počtom nukleónov v jeho jadre). Malé korekcie sú spôsobené väzbovou energiou jadra, malým rozdielom v hmotnosti protónu a neutrónu a hmotnosťou elektrónov spojených s atómom.

Hromadné číslo - bezrozmerné množstvo. Atómová hmotnosť sa na druhej strane meria pomocou jednotky atómovej hmotnosti založenej na hmotnosti atómu uhlíka-12. Označuje sa symbolmi „u“ (pre jednotnú jednotku atómovej hmotnosti) alebo „Da“ (pre dalton).

Atómové hmotnosti prirodzených izotopov prvku určujú atómovú hmotnosť prvku. Ak prvok obsahuje izotopy N, pre priemernú atómovú hmotnosť platí tento výraz:

Kde m 1, m 2, ..., mN sú atómové hmotnosti každého jednotlivého izotopu a x 1, ..., xN je relatívny výskyt týchto izotopov.

Aplikácia izotopov

Existuje niekoľko aplikácií, ktoré využívajú vlastnosti rôznych izotopov daného prvku. Izotopová separácia je dôležitým technologickým problémom, najmä pri ťažkých prvkoch, ako je urán alebo plutónium. Ľahšie prvky, ako je lítium, uhlík, dusík a kyslík, sú zvyčajne oddelené plynnou difúziou ich zlúčenín, ako sú CO a NO. Separácia vodíka a deutéria je nezvyčajná, pretože je založená skôr na chemikáliách fyzikálne vlastnosti napríklad v Girdlerovom sulfidovom procese. Izotopy uránu boli objemovo oddelené difúziou plynu, centrifugáciou plynu, separáciou laserovou ionizáciou a (v projekte Manhattan) výrobou typu hmotnostnej spektrometrie.

Využitie chemických a biologických vlastností

• Izotopová analýza je určenie izotopového podpisu, relatívneho množstva izotopov daného prvku v konkrétnej vzorke. Najmä v prípade živín sa môžu vyskytnúť významné odchýlky v izotopoch C, N a O. Analýza takýchto variácií má širokú škálu aplikácií, ako je zisťovanie falšovania v potravinových produktoch alebo geografického pôvodu produktov pomocou izostín. Identifikácia niektorých meteoritov, ktoré vznikli na Marse, je čiastočne založená na izotopovom podpise stopových plynov, ktoré obsahujú.
• Izotopová substitúcia sa môže použiť na určenie mechanizmu chemickej reakcie prostredníctvom kinetického izotopového efektu.
• Ďalšou bežnou aplikáciou je izotopové značenie, použitie neobvyklých izotopov ako indikátorov alebo markerov v chemických reakciách. Zvyčajne sú atómy daného prvku navzájom nerozoznateľné. Použitím izotopov rôznych hmotností je však možné rozlíšiť aj rôzne nerádioaktívne stabilné izotopy pomocou hmotnostnej spektrometrie alebo infračervenej spektroskopie. Napríklad pri „stabilnom izotopovom značení aminokyselín v bunkovej kultúre“ (SILAC) sa na kvantifikáciu proteínov používajú stabilné izotopy. Ak sa použijú rádioaktívne izotopy, možno ich zistiť podľa žiarenia, ktoré vyžarujú (toto sa nazýva rádioizotopové označovanie).
• Izotopy sa bežne používajú na stanovenie koncentrácie rôznych prvkov alebo látok pomocou metódy riedenia izotopov, pri ktorej sa známe množstvá izotopovo substituovaných zlúčenín zmiešajú so vzorkami a izotopové podpisy výsledných zmesí sa stanovia pomocou hmotnostnej spektrometrie.

Použitie jadrových vlastností

• Podobnou metódou ako rádioizotopové značkovanie je rádiometrické datovanie: pomocou známeho polčasu rozpadu nestabilného prvku možno vypočítať čas, ktorý uplynul od existencie známej koncentrácie izotopu. Najširšie slávny príklad- rádiouhlíkové datovanie, používané na určenie veku uhlíkatých materiálov.
• Niektoré formy spektroskopie sa spoliehajú na jedinečné jadrové vlastnosti špecifických izotopov, rádioaktívnych aj stabilných. Napríklad nukleárna magnetická rezonančná (NMR) spektroskopia sa môže použiť len pre izotopy s nenulovým jadrovým spinom. Najbežnejšie izotopy používané v NMR spektroskopii sú 1H, 2D, 15N, 13C a 31P.
• Mössbauerova spektroskopia sa tiež spolieha na jadrové prechody špecifických izotopov, ako je 57Fe.

/ Na čele vedy a techniky

Čo sú izotopy

Pri štúdiu vlastností rádioaktívnych prvkov sa zistilo, že ten istý chemický prvok môže obsahovať atómy s rôznymi jadrovými hmotnosťami. Zároveň majú rovnaký jadrový náboj, to znamená, že nejde o nečistoty cudzích látok, ale o rovnakú látku. V Mendelejevovej periodickej tabuľke tento prvok aj atómy látky s rôznymi jadrovými hmotnosťami zaberajú jednu bunku. Takéto odrody tej istej látky dostali názov „izotopy“ (z gréckeho isos - identické a topos - miesto). Izotopy sú teda odrody toho istého chemického prvku, ktoré sa líšia hmotnosťou atómových jadier.

Ako viete, jadrá atómov pozostávajú z protónov a neutrónov. Jadrá niektorých atómov hmoty obsahujú rôzne množstvo neutrónov, ale rovnaký počet protónov. V skutočnosti je jadrový náboj izotopov jedného prvku rovnaký, preto je počet protónov v jadre rovnaký. Jadrá sa líšia hmotnosťou, a preto obsahujú rôzny počet neutrónov.

Izotopy môžu byť stabilné alebo nestabilné. K dnešnému dňu je známych asi 270 stabilných izotopov a viac ako 2000 nestabilných. Stabilné izotopy sú typy chemických prvkov, ktoré môžu existovať nezávisle po dlhú dobu.

Väčšina nestabilných izotopov bola získaná umelo. Nestabilné izotopy sú rádioaktívne, ich jadrá podliehajú procesu rádioaktívneho rozpadu, teda spontánnej premene na iné jadrá, sprevádzanej emisiou častíc a/alebo žiarenia. Takmer všetky rádioaktívne umelé izotopy majú veľmi krátke polčasy, merané v sekundách alebo dokonca zlomkoch sekúnd. Jadro nemôže obsahovať ľubovoľný počet neutrónov. V súlade s tým je počet izotopov obmedzený. Pre prvky s párnym počtom protónov môže počet stabilných izotopov dosiahnuť desať. Napríklad cín má 10 izotopov, xenón má 9, ortuť má 7 atď.

Prvky s nepárnym počtom protónov môžu mať iba dva stabilné izotopy. Niektoré prvky majú iba jeden stabilný izotop. Ide o látky ako zlato, hliník, fosfor, sodík, mangán a iné. Takéto variácie v počte stabilných izotopov rôznych prvkov sú spojené s komplexnou závislosťou počtu protónov a neutrónov od väzbovej energie jadra.

Takmer všetky látky v prírode existujú vo forme zmesi izotopov. Počet izotopov v látke závisí od typu látky, atómovej hmotnosti a počtu stabilných izotopov daného chemického prvku.

Kde sa používajú izotopy?

Rôzne izotopy chemických prvkov sú široko používané vo vedeckom výskume, v rôznych oblastiach priemyslu a poľnohospodárstva, v jadrovej energetike, modernej biológii a medicíne, v environmentálnych štúdiách a iných oblastiach. Stabilné izotopy našli najväčšie uplatnenie v chémii (na štúdium mechanizmu chemických reakcií, spaľovacích procesov, katalýzy, syntézy chemických zlúčenín, v spektrometrii), v biológii, fyziológii, biochémii a agrochémii (na štúdium metabolických procesov v živých organizmoch, napr. transformácia bielkovín, mastných a aminokyselín, procesy fotosyntézy v rastlinách, pohyb vody z koreňa pozdĺž stonky k listom a plodom). Používajú sa aj v zariadeniach jadrovej fyziky na výrobu čítačov neutrónov, čo umožňuje zvýšiť účinnosť počítania viac ako 5-krát, v jadrovej energetike ako moderátory a absorbéry neutrónov. Vyššie uvedené však zďaleka nevyčerpáva všetky existujúce a možné oblasti využitia izotopov. Navyše, rozsah ich využitia ako účinných pomocníkov pri riešení množstva vedeckých a aplikovaných problémov sa každým rokom rozširuje.

Vo vedeckom výskume (napríklad v chemickej analýze) sú spravidla potrebné malé množstvá vzácnych izotopov rôznych prvkov, počítané v gramoch a dokonca miligramoch za rok. Zároveň pre množstvo izotopov široko používaných v jadrovej energetike, medicíne a iných priemyselných odvetviach môže potreba ich výroby predstavovať množstvo kilogramov a dokonca ton.

V biológii sa izotopy používajú na riešenie základných aj aplikovaných biologických problémov, ktorých štúdium inými metódami je ťažké alebo nemožné. Výhodou metódy značeného atómu, ktorá je významná pre biológiu, je, že použitie izotopov nenarúša integritu organizmu a jeho základné životné funkcie. Mnohé významné úspechy modernej biológie sú spojené s používaním izotopov, ktoré predurčili rozkvet biologických vied v druhej polovici 20. storočia. Pomocou stabilných a rádioaktívnych izotopov vodíka, uhlíka, dusíka, kyslíka, fosforu, síry, železa, jódu, komplexných a vzájomne prepojených procesov biosyntézy a rozkladu bielkovín, nukleových kyselín, sacharidov, tukov a iných biologicky aktívnych zlúčenín, napr. ako aj chemické mechanizmy ich premien v živej bunke. Použitie izotopov viedlo k revízii doterajších predstáv o povahe fotosyntézy. Uskutočnilo sa veľké množstvo štúdií s použitím izotopov v širokej škále oblastí biológie a biochémie. Jednou z oblastí je práca na štúdiu dynamiky a ciest pohybu populácií v biosfére a jedincov v rámci danej populácie, migrácie mikróbov, ako aj jednotlivých zlúčenín v organizme. Zavedením označenia do organizmov s potravou alebo injekciou bolo možné študovať rýchlosť a migračné trasy mnohých druhov hmyzu (komáre, muchy, kobylky), vtákov, hlodavcov a iných drobných živočíchov a získať údaje o veľkosti ich populácií. V oblasti fyziológie a biochémie rastlín sa pomocou izotopov vyriešilo množstvo teoretických a aplikovaných problémov: cesty vstupu minerálov, kvapalín a plynov do rastlín, ako aj úloha rôznych chemických prvkov, napr. mikroelementy, v živote rastlín boli objasnené. Ukázalo sa najmä, že uhlík sa do rastlín dostáva nielen cez listy, ale aj cez koreňový systém dráhami a rýchlosťami pohybu množstva látok z koreňového systému do stonky a listov a z týchto orgánov do korene boli založené. V oblasti fyziológie a biochémie zvierat a ľudí sa skúmali rýchlosti vstupu rôznych látok do ich tkanív (vrátane rýchlosti inkorporácie železa do hemoglobínu, fosforu do nervového a svalového tkaniva, vápnika do kostí). Dôležitú skupinu prác tvoria štúdie o mechanizmoch chemických reakcií v tele. V mnohých prípadoch sa tak podarilo nadviazať spojenie medzi pôvodnými a novovzniknutými molekulami, sledovať „osud“ jednotlivých atómov a chemických skupín v metabolických procesoch a tiež určiť postupnosť a rýchlosť týchto premien. Získané údaje zohrali rozhodujúcu úlohu pri konštrukcii moderných schém biosyntézy a metabolizmu (metabolické mapy), dráh premeny potravín, liečiv a jedov v živých organizmoch.

V medicíne sa pomocou izotopov podarilo odhaliť vývojové mechanizmy (patogenézu) radu chorôb; Používajú sa aj na štúdium metabolizmu a diagnostiku mnohých chorôb. Izotopy sa do tela dostávajú v extrémne malých množstvách, ktoré nie sú schopné spôsobiť žiadne patologické zmeny. Rôzne prvky sú v tele nerovnomerne rozložené. Izotopy sú distribuované podobne. Žiarenie produkované rozpadom izotopu sa zaznamenáva pomocou špeciálnych prístrojov. Tak je možné určiť stav systémového a pľúcneho obehu, srdcového obehu, rýchlosť prietoku krvi a získať obraz dutín srdca.

Prečo potrebujete dychovú skúšku?

Vzduch vydychovaný osobou obsahuje toľko informácií, že keď sa ich naučíte analyzovať, môžete získať úplný obraz o stave tela. Diagnózu možno vykonať v závislosti od zloženia vydychovaného vzduchu. Na základe toho nová metódaštúdie tráviaceho systému človeka, pri ktorých sa využívajú takzvané dychové testy. Jeho najzreteľnejšou výhodou je, že nehrozí riziko nákazy hepatitídou alebo AIDS. A tradičné skúmavky na vyšetrenie žalúdka a príjem žalúdočnej šťavy so slabou dezinfekciou môžu spôsobiť tieto a ďalšie vírusové infekcie. Táto metóda je veľmi presná - približne 90% presnosť.

„Neškodiť“ je základným princípom medicíny už od staroveku. Respiračné diagnostické testy na choroby ho na rozdiel od sondovania a biopsie úplne uspokojujú. A použitie testovacích prípravkov so stabilným izotopom uhlíka 13C (toto je označenie pre izotop s atómovou hmotnosťou, tzn. celkový počet neutrónov a protónov v jadre rovných 13) eliminuje možnosť rádioaktívneho ožiarenia (nielen pacientov, ale aj personálu). Vypil som roztok lieku 13C a na základe obsahu 13CO 2 (oxidu uhličitého) vo vydychovanom vzduchu som určil stav konkrétneho orgánu - jednoducho, presne a bezpečne. Ešte väčšie možnosti však otvárajú najnovšie metódy 13C magnetickej rezonancie, ktoré umožňujú získať kvalitné snímky nádorov, ciev... a dokonca sledovať metabolické procesy, a teda aj naše zdravie, bez použitia X- lúče, rádioizotopy a iné drahé, zložité a nebezpečné diagnostické metódy.

Stabilná izotopová diagnostika nie je bolestivá!

Vojdete do ordinácie gastroenterológa. Dostanete vypiť roztok lieku rozpusteného v pomarančovej šťave a po 20 minútach vás požiadajú, aby ste vydýchli do skúmavky. Výdych! A o zvyšok sa postará lekár. Pripojí túto skúmavku k špeciálnemu zariadeniu a oznámi výsledok: najnebezpečnejšie baktérie Nemáte H. pylori.

Aký druh drogy bol rozpustený v šťave? Áno, najbežnejšia močovina. No namiesto bežného uhlíka 12C obsahuje jeho molekula izotop 13C, ktorého v prírode nie je veľa – niečo viac ako 1 %, ale je všade a v ľudskom tele je ho okolo dvesto gramov. Ide o takzvaný stabilný izotop uhlíka, ktorý sa nerozpadá, nič nevyžaruje a od „obyčajného“ atómu 12C sa líši len tým, že je o niečo ťažší – o jeden neutrón.

Hodnota izotopu 13C je v tom, že vôbec nemení chemické vlastnosti látok, vďaka čomu môžeme prípravky 13C užívať bez ujmy na zdraví. Tento izotop je ľahko viditeľný pomocou moderných prístrojov, na čom je založená stabilná diagnostika izotopov: ak sa vám škodlivý H. pylori predsa len dostane do tela, jeho enzým (ureáza) rýchlo rozloží močovinu, vzniknutý oxid uhličitý sa prenesie krv do pľúc a vydýchnutým vzduchom. Po vypití roztoku 13C-močoviny vydýchnete 13CO 2, čo lekár uvidí na obrazovke prístroja.

A nemusíte prehĺtať strašidelné, klzké kovové trubice sondy. Tieto metódy majú okrem iného najvyššiu presnosť (až 100 %) a špecifickosť (diagnóza bude jednoznačná). Práve vďaka týmto výhodám môžete získať množstvo informácií, napr. ako funguje žalúdok (peristaltika), pankreas (dobre sa trávia tuky), či je zdravá pečeň (cirhóza, hepatitída) a podobne.

Na využitie aktívnych izotopov v medicíne potrebujeme zavedenú produkciu látok, ktoré ich obsahujú, teda značených. V Rusku takáto výroba neexistuje.

Stabilné izotopové lekárske testovacie prípravky sa v zahraničí vyrábajú už viac ako 15 rokov a ich produkcia neustále rastie. Zahraničné firmy zvládli výrobu niekoľkých stoviek diagnostických látok a množstvo hotových liekových foriem. Diagnostické prístroje vyrábajú rôzne firmy a používajú sa na rutinné analýzy, vďaka čomu sa metóda SID (stabilná izotopová diagnostika) stala súčasťou každodennej praxe lekárov vo vyspelých krajinách. Avšak len niekoľko krajín (hlavne USA) má vlastnú výrobu stabilných izotopových zlúčenín; zvyšok je nútený nakupovať ich na zahraničnom trhu.

Zároveň sa rýchlo rozrastá zoznam ochorení zistených pomocou testovacích preparátov na báze stabilných izotopov a zahŕňa ochorenia tráviaceho ústrojenstva, pečene a pankreasu. Metóda sa používa na identifikáciu množstva onkologických ochorení, krvných ochorení, centrálnych nervový systém(CNS), ako aj v endokrinológii (diabetes). Vo všeobecnosti sa medicínska diagnostika využívajúca stabilné izotopy rýchlo rozvíja a má veľký prísľub.

Najžiadanejšie sú organické zlúčeniny označené svetelne stabilnými izotopmi 13C.

V Rusku existujú objektívne podmienky pre rýchly rozvoj tejto oblasti. Rosatom State Corporation vyrába izotopové suroviny najvyššia kvalita– oxid uhličitý (113CO 2), vhodný na výrobu lekárskych testovacích prípravkov, je zvládnutá výroba oxidu uhoľnatého (13CO).

V roku 2007 z iniciatívy autorov projektu na základe vedecko-technického programu moskovskej vlády (odbor vedy) „Vývoj a praktický rozvoj v zdravotníctve nových metód a prostriedkov prevencie, diagnostiky a liečby onkologických ochorení , infekčné a iné nebezpečných chorôb» tento program výskumu a vývoja sa začal. Na prácach sa podieľali poprední zdravotníci vedeckých centier: Štátne vedecké centrum Ruskej federácie - Ústav biomedicínskych problémov Ruskej akadémie vied, Výskumný ústav urgentnej medicíny pomenovaný po. N.V. Sklifosovsky, Ruské centrum pre výskum rakoviny pomenované po. N.N. Blokhin RAMS a množstvo ďalších vedeckých organizácií.

V súčasnosti sú u nás po prvýkrát vyvinuté metódy získavania 14 rôznych 13C liečiv na medicínske účely. V súlade s nariadením Ministerstva zdravotníctva a sociálneho rozvoja Ruskej federácie z 25. augusta 2005 č. 539 sa začali prípravy na výrobu prvého ruského lieku SID „Helikotest“ na báze vysoko obohateného (99 %) 13C- močoviny na diagnostiku Helicobacter pylori metódou dychového testu. Bol vyvinutý originálny a lacný domáci prístroj na hromadnú diagnostiku 13C metódou dychovej skúšky (vyrobené prevádzkové vzorky prístroja na lekársku registráciu). Uskutočnili sa úspešné lekárske testy dychových testov s použitím viacerých liekov 13C.

Počas práce dostali účastníci projektu ruské patenty. V domácej medicíne o tento problém rastie záujem.

Ruské lekárske organizácie sú však pri absencii domácich liekov SED nútené nakupovať ich dovážané. V rovnakom čase začali na domáci trh prenikať zahraničné firmy, ktoré dodávali drahé dovážané prípravky 13C.

Trhové ceny značených zlúčenín sa pohybujú od 100 do 1000 amerických dolárov (alebo viac) za 1 gram látky; Dopyt je viac ako 1000 kilogramov ročne a neustále rastie. Len Moskva vyžaduje stovky kilogramov 13C-močoviny na jedno lekárske vyšetrenie obyvateľstva a rozsah potrebných LED liekov presahuje 20 položiek. Vzhľadom na výrazný nárast potreby stabilných izotopových testovacích prípravkov v medicíne a iných oblastiach by sa výroba týchto produktov mala zvyšovať zrýchleným tempom.

Konečné vyhliadky projektu LED

Projekt zabezpečuje riešenie troch hlavných úloh:

1) vývoj nových metód získavania produktov 13C a výrazné rozšírenie ich sortimentu s cieľom rozsiahleho zavedenia stabilných izotopových diagnostických metód do ruskej zdravotníckej praxe;

2) tvorba nových high-tech domácich produktov – vysoko obohatených (99 %) prípravkov 13C – na predaj na zahraničnom trhu;

3) zvládnutie a rozvoj nových oblastí využitia produktov stabilných izotopov – v súdnej vede, súdnom lekárstve, kozmickej medicíne, antidopingovej kontrole, ekológii, geológii, geofyzike, štúdiu biosyntézy a inom vedeckom výskume, produkcia referenčných materiálov.

Prvou úlohou je vývoj metód syntézy a vytvorenie vedeckých základov pre výrobu stabilných izotopových prípravkov na lekárske účely, pomoc pri vývoji a výrobe diagnostických prístrojov a zariadení a rozsiahly rozvoj LED metód v rôznych oblastiach domácej liek.

Druhá úloha je zameraná na výrobu a predaj širokého sortimentu domácich stabilných izotopových produktov na svetovom trhu. Výrazná vlastnosť produkty – ich ekonomická efektívnosť (malé množstvá a vysoké ceny).

Vyriešením tretej úlohy sa zabezpečí výroba a používanie účelových testovacích liekov bez ohľadu na podmienky trhu (teda dovoz), ako aj zrýchlený rozvoj viacerých oblastí ekonomiky.

V priebehu prác sa plánuje vývoj nových metód syntézy produktov 13C na výrobu diagnostických liečiv na dychové testy.

V dôsledku práce sa očakávajú tieto výsledky:

– rozšírenie sortimentu domácich produktov 13C patriacich do rôznych tried zlúčenín na 40–50 položiek vrátane mono- a polykarboxylových organických (vrátane aromatických) kyselín a ich derivátov, aminokyselín, uhľohydrátov, močovín, cyklických uhličitanov a iných;

– vedecké základy technológií pre efektívnu výrobu produktov 13C;

– zariadenia na syntézu produktov 13C v množstvách potrebných na vykonávanie lekárskych a iných testov za účelom vytvorenia domácej stabilnej izotopovej diagnostiky (vrátane vývoja a lekárskej registrácie liekov 13C a zariadení na dychové testy);

– vzorky výrobkov 13C na lekárske a iné účely.

Získané výsledky umožnia začať organizovať hromadnú výrobu prípravkov 13C na dychové testy, ako aj produktov 13C na iné účely, vrátane exportu, vykonávať klinické testovanie a implementovať metódy diagnostiky chorôb 13C pomocou počítačovej tomografie 13C, rozšíriť výskum v súvisiacich (nemedicínskych) oblastiach použitia testovacích liekov a produktov 13C.

Rozvoj tejto oblasti výrazne rozšíri možnosti ruského zdravotníctva, zníži jeho závislosť od dovozu, zvýši exportovateľnosť domácich high-tech produktov a pomôže zvýšiť ich podiel na svetovom trhu.

Vedci z RN-TsIR v tomto smere vedú úspešný výskum a očakávajú dobré výsledky.

Odhad: