Hvad er en isotop?

Atomer er "stoffets byggesten". Alt, der har masse og optager plads (ved at have volumen), består af disse små bitte små enheder. Det gælder luften du indånder, det vand du drikker og din krop selv.

Isotoper er et vigtigt begreb i studiet af atomer. Kemikere, fysikere og geologer bruger dem til at forstå vores verden. Men før vi kan forklare, hvad isotoper er - eller hvorfor de er så vigtige - bliver vi nødt til at tage et skridt tilbage og se på atomer som en helhed.

Sport og videnskab krydser veje oftere, end du skulle tro. New Mexicos største by fik et nyt baseballhold i mindre ligaer i 2003. Navnet? Albuquerque-isotoperne. En reference til et afsnit af sæson 12 af "The Simpsons", holdets usædvanlige navn har haft en behagelig bivirkning:Af nødvendighed uddeler ballpark-medarbejdere regelmæssigt kemiundervisning til nysgerrige fans.

1. Vores atomverden
2. "Elementær, min kære Watson"
3. Føles ustabil
4. Få datoer (og forbliv sund)

Vores atomare verden

Som du sikkert ved, har atomer tre hovedkomponenter - hvoraf to er bosat i kernen. Placeret i centrum af atomet, kernen er en tætpakket klynge af partikler. Nogle af disse partikler er protoner , som har positive elektriske ladninger.

Det er veldokumenteret, at modsatte ladninger tiltrækker. I mellemtiden har lignende ladede kroppe en tendens til at frastøde hinanden. Så her er et spørgsmål:Hvordan kan to eller flere protoner - med deres positive ladninger - eksistere side om side i den samme kerne? Burde de ikke skubbe hinanden væk?

Det er her neutronerne kommer ind. Neutroner er subatomære partikler, der deler kerner med protoner. Men neutroner har ikke en elektrisk ladning. Tro mod deres navn er neutroner neutrale og er hverken positivt eller negativt ladede. Det er en vigtig egenskab. I kraft af deres neutralitet kan neutroner forhindre protoner i at drive hinanden ud af kernen.

"Elementært, min kære Watson"

elektronerne kredser om kernen , ultralette partikler med negative ladninger. Elektroner letter kemisk binding - og deres bevægelser kan producere en lille ting kaldet elektricitet. Protoner er ikke mindre vigtige. For det første hjælper de videnskabsmænd med at skelne elementerne fra hinanden.

Du har måske bemærket, at i de fleste versioner af det periodiske system har hver firkant et lille tal trykt i dets øverste højre hjørne over elementsymbolet. Det tal er kendt som atomnummeret . Den fortæller læseren, hvor mange protoner der er i et bestemt grundstofs atomkerne. For eksempel er oxygens atomnummer otte. Hvert iltatom i universet har en kerne med præcis otte protoner; hverken mere eller mindre.

Uden dette meget specifikke arrangement af partikler ville oxygen ikke være oxygen. Hvert grundstofs atomnummer - inklusive oxygen - er helt unikt. Ikke to grundstoffer kan have det samme atomnummer. Intet andet grundstof har otte protoner pr. kerne. Ved at tælle antallet af protoner kan du identificere et atom. Ligesom oxygenatomer altid vil have otte protoner, kommer nitrogenatomer uvægerligt med syv. Så enkelt er det.

Neutroner følger ikke trop. Kernen i et oxygenatom er garanteret at rumme otte protoner (som vi har fastslået). Det kan dog også indeholde alt fra fire til 20 neutroner. Isotoper er varianter af det samme grundstof, der har forskelligt antal neutroner (og dermed potentielt forskellige fysiske egenskaber). De har dog en tendens til at have de samme kemiske egenskaber.

Nu er hver isotop navngivet på basis af dens massenummer , som er det samlede samlede antal neutroner og protoner i et atom. For eksempel hedder en af ​​de bedre kendte iltisotoper oxygen-18 (O-18). Den har standard otte protoner plus 10 neutroner.

Ergo er massetallet for O-18 - du gættede det - 18. En beslægtet isotop, oxygen-17 (O-17), har en neutron færre i kernen. O-16 har altså det samme antal protoner og neutroner:otte. Blandt denne trio er O-16 og O-17 de lettere isotoper, og O-16 er også den mest udbredte isotop af de tre.

Føler sig ustabil

Nogle kombinationer er stærkere end andre. Forskere klassificerer O-16, O-17 og O-18 som stabile isotoper. I en stabil isotop holder de kræfter, som protonerne og neutronerne udøver, hinanden sammen og holder kernen intakt.

På bagsiden er kernen i en radioaktiv isotop, også kaldet en "radioisotop", ustabil og vil henfalde over tid. En radioaktiv isotop har et proton-til-neutron-forhold, der er grundlæggende uholdbart i det lange løb. Ingen ønsker at blive i den knibe. Derfor vil radioaktive isotoper udskille visse subatomære partikler (og frigive energi), indtil de har omdannet sig selv til pæne, stabile isotoper.

O-18 er stabil, men oxygen-19 (O-19) er ikke. Sidstnævnte vil uundgåeligt gå i stykker - hurtigt! Inden for 26,88 sekunder efter dets oprettelse, vil en prøve af O-19 med garanti miste halvdelen af ​​sine atomer på grund af radioaktivt henfalds hærgen.

Det betyder, at O-19 har en halveringstid på 26,88 sekunder. En halveringstid er den tid, det tager 50 procent af en isotopprøve at henfalde. Husk dette koncept; vi vil forbinde det med palæontologi i næste afsnit.

Men før vi taler fossilvidenskab, er der en vigtig pointe, der skal gøres. I modsætning til oxygen har nogle grundstoffer ikke nogen som helst stabile isotoper. Overvej uran, et af de mest kendte radioaktive grundstoffer. I den naturlige verden er der tre isotoper af dette tungmetal, og de er alle radioaktive, med atomkernerne i en konstant tilstand af henfald. Til sidst vil en del uran blive til et helt andet grundstof i det periodiske system.

Lad være med at prøve at se overgangen i realtid. Processen udfolder sig meget, meget langsomt.

Få dates (og forbliv sund)

Uranium-238 (U-238), grundstoffets mest almindelige isotop, har en halveringstid på omkring 4,5 milliarder år! Efterhånden bliver dette til bly-206 (Pb-206), som er stabilt. Ligeledes overgår uranium-235 (U-235) - med sin halveringstid på 704 millioner år - til bly-207 (Pb-207), en anden stabil isotop. (Både U-238 og U-235 er eksempler på naturligt forekommende isotoper.)

For geologer er dette virkelig nyttig information. Lad os sige, at nogen finder en stenplade, hvis zirkonkrystaller indeholder en blanding af U-235 og Pb-207. Forholdet mellem disse to atomer kan hjælpe videnskabsmænd med at bestemme klippens alder.

Sådan gør du:Lad os sige, at blyatomerne er langt flere end deres uran-modstykker. I så fald ved du, at du ser på en smuk gammel sten. Efter alt havde uranerne masser af tid til at begynde at omdanne sig til bly. På den anden side, hvis det modsatte er sandt - og uranatomerne er mere almindelige - så må klippen være på den yngre side.

Den teknik, vi lige har beskrevet, kaldes radiometrisk datering. Det er handlingen med at bruge de veldokumenterede nedbrydningshastigheder af ustabile isotoper til at estimere alderen af ​​stenprøver og geologiske formationer. Palæontologer udnytter denne strategi til at bestemme, hvor lang tid der er gået, siden et bestemt fossil blev deponeret. (Selvom det ikke altid er muligt at datere prøven direkte.)

Du behøver ikke at være en forhistoriefan for at værdsætte isotoper. Læger bruger nogle af de radioaktive varianter til at overvåge blodgennemstrømningen, studere knoglevækst og endda bekæmpe kræft. Radioisotoper er også blevet brugt til at give landmænd indsigt i jordkvalitet.

Så der har du det. Noget så tilsyneladende abstrakt som neutronernes variabilitet påvirker alt fra kræftbehandling til dyb tids mysterier. Videnskab er fantastisk.

Ofte besvarede spørgsmål

Hvad er isotoper med eksempler?