Atomy są „cegiełkami materii”. Wszystko, co ma masę i zajmuje przestrzeń (poprzez objętość), składa się z tych malutkich małych jednostek. Dotyczy to powietrza, którym oddychasz, wody, którą pijesz i samego ciała.
Izotopy są istotną koncepcją w badaniu atomów. Chemicy, fizycy i geolodzy używają ich do zrozumienia naszego świata. Ale zanim będziemy mogli wyjaśnić, czym są izotopy — lub dlaczego są tak ważne — musimy cofnąć się o krok i spojrzeć na atomy jako całość.
Nasz atomowy świat
Jak zapewne wiesz, atomy składają się z trzech głównych składników — z których dwa znajdują się w jądrze. Znajdujące się w centrum atomu jądro jest ciasno upakowanym skupiskiem cząstek. Niektóre z tych cząstek to protony, które mają dodatnie ładunki elektryczne.
Dobrze udokumentowano, że przeciwne ładunki się przyciągają. Tymczasem podobnie naładowane ciała mają tendencję do odpychania się nawzajem. Oto pytanie: jak dwa lub więcej protonów — z ich dodatnimi ładunkami — mogą współistnieć w tym samym jądrze? Czy nie powinny się odpychać?
Tu właśnie wkraczają neutrony. Neutrony to cząstki subatomowe, które dzielą jądra z protonami. Ale neutrony nie mają ładunku elektrycznego. Zgodnie ze swoją nazwą neutrony są neutralne, nie są ani dodatnio, ani ujemnie naładowane. To ważny atrybut. Dzięki swojej neutralności neutrony mogą powstrzymać protony przed wypychaniem się nawzajem z jądra.
Na orbicie jądra znajdują się elektrony, ultralekkie cząstki o ujemnych ładunkach. Elektrony ułatwiają wiązanie chemiczne — a ich ruchy mogą wytwarzać małą rzecz zwaną elektrycznością. Nie mniej ważne są protony. Po pierwsze, pomagają naukowcom rozróżniać pierwiastki.
Być może zauważyłeś, że w większości wersji układu okresowego każdy kwadrat ma małą liczbę wydrukowaną w prawym górnym rogu. Ta liczba jest znana jako liczba atomowa. Informuje czytelnika, ile protonów znajduje się w jądrze atomowym danego pierwiastka. Na przykład liczba atomowa tlenu wynosi osiem. Każdy atom tlenu we wszechświecie ma jądro z dokładnie ośmioma protonami; nie więcej nie mniej.
Bez tego bardzo specyficznego układu cząsteczek tlen nie byłby tlenem. Liczba atomowa każdego pierwiastka — w tym tlenu — jest całkowicie unikalna. I to jest cecha definiująca. Żaden inny pierwiastek nie ma ośmiu protonów na jądro. Licząc protony, możesz zidentyfikować atom. Tak jak atomy tlenu zawsze będą miały osiem protonów, tak atomy azotu niezmiennie mają siedem. To takie proste.
Neutrony nie idą w ich ślady. Jądro w atomie tlenu gwarantuje, że zawiera osiem protonów (jak ustaliliśmy). Jednak może również zawierać od czterech do 20 neutronów. Izotopy to warianty tego samego pierwiastka chemicznego, które mają różną liczbę neutronów.
Teraz każdy izotop jest nazwany na podstawie jego liczby masowej, która jest całkowitą łączną liczbą neutronów i protonów w atomie. Na przykład jednym z lepiej znanych izotopów tlenu jest tlen-18 (O-18). Ma standardowe osiem protonów plus 10 neutronów.
Ergo, liczba masowa O-18 wynosi — zgadliście — 18. Pokrewny izotop, tlen-17 (O-17), ma o jeden neutron mniej w jądrze.
Uczucie niestabilności
Niektóre kombinacje są silniejsze niż inne. Naukowcy klasyfikują O-17 i O-18 jako stabilne izotopy. W stabilnym izotopie siły wywierane przez protony i neutrony utrzymują się nawzajem, utrzymując jądro w stanie nienaruszonym.
Z drugiej strony jądra w izotopach promieniotwórczych, zwanych również „radioizotopami”, są niestabilne i z czasem ulegają rozkładowi. Te rzeczy mają stosunek protonów do neutronów, który jest zasadniczo nie do utrzymania na dłuższą metę. Nikt nie chce pozostać w takiej sytuacji. W związku z tym izotopy radioaktywne będą zrzucać pewne cząstki subatomowe (i uwalniać energię), dopóki nie przekształcą się w ładne, stabilne izotopy.
O-18 jest stabilny, ale tlen-19 (O-19) nie. Ten ostatni nieuchronnie się załamie — szybko! W ciągu 26,88 sekundy od powstania próbka O-19 na pewno straci połowę swoich atomów w wyniku rozpadu.
Oznacza to, że O-19 ma okres półtrwania 26,88 sekundy. Okres półtrwania to czas potrzebny do rozpadu 50 procent próbki izotopu.
W przeciwieństwie do tlenu, niektóre pierwiastki nie mają w ogóle żadnych stabilnych izotopów. Rozważ uran. W naturalnym świecie istnieją trzy izotopy tego metalu ciężkiego i wszystkie są radioaktywne, a jądra atomowe są w ciągłym stanie rozpadu. W końcu kawałek uranu zamieni się w zupełnie inny pierwiastek.
Uzyskiwanie dat (i zachowanie zdrowia)
Uran-238 (U-238), najpopularniejszy izotop tego pierwiastka, ma okres półtrwania około 4,5 miliarda lat! Stopniowo stanie się ołowiem-206 (Pb-206), który jest stabilny. Podobnie uran-235 (U-235) — z okresem półtrwania wynoszącym 704 miliony lat — przechodzi w ołów-207 (Pb-207), inny stabilny izotop.
Dla geologów to naprawdę przydatna informacja. Powiedzmy, że ktoś znajduje płytę skalną, której kryształy cyrkonu zawierają mieszankę U-235 i Pb-207. Stosunek tych dwóch atomów może pomóc naukowcom określić wiek skały.
Oto jak: Powiedzmy, że atomy ołowiu znacznie przewyższają liczebnie ich odpowiedniki z uranu. W takim razie wiesz, że patrzysz na dość starą skałę. W końcu uran miał mnóstwo czasu, by zacząć przekształcać się w ołów. Z drugiej strony, jeśli jest odwrotnie – a atomy uranu są bardziej powszechne – to skała musi znajdować się po młodszej stronie.
Technika, którą właśnie opisaliśmy, nazywa się datowaniem radiometrycznym. Jest to akt wykorzystania dobrze udokumentowanych szybkości rozpadów niestabilnych izotopów do oszacowania wieku próbek skał i formacji geologicznych. Paleontolodzy wykorzystują tę strategię, aby określić, ile czasu upłynęło od zdeponowania konkretnej skamieniałości. (Chociaż nie zawsze można bezpośrednio datować okaz.)
Nie musisz być miłośnikiem prehistorii, aby docenić izotopy. Lekarze stosują niektóre z radioaktywnych odmian do monitorowania przepływu krwi, badania wzrostu kości, a nawet walki z rakiem. Zastosowano również radioizotopy, aby dać rolnikom wgląd w jakość gleby.
