Atomy to „budulec materii”. Wszystko, co ma masę i zajmuje przestrzeń (przez swoją objętość), składa się z tych malutkich małych jednostek. Dotyczy to powietrza, którym oddychasz, wody, którą pijesz i samego ciała.
Izotopy są istotną koncepcją w badaniach atomów. Chemicy, fizycy i geolodzy używają ich do nadawania sensu naszemu światu. 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 środku atomu jądro jest ciasno upakowanym skupiskiem cząstek. Niektóre z tych cząstek to protony, które mają dodatnie ładunki elektryczne.
Dobrze udokumentowano, że przyciągają się przeciwne ładunki. Tymczasem podobnie naładowane ciała mają tendencję do odpychania się. Oto więc pytanie: w jaki sposób dwa lub więcej protonów - z ich dodatnimi ładunkami - może współistnieć w tym samym jądrze? Czy nie powinni się odpychać?
Tam właśnie wchodzą neutrony. Neutrony to cząstki subatomowe, które dzielą jądro z protonami. Ale neutrony nie mają ładunku elektrycznego. Zgodnie z ich nazwą neutrony są neutralne, nie mają ani ładunku dodatniego, ani ujemnego. To ważny atrybut. Dzięki swojej neutralności neutrony mogą powstrzymać protony przed wypychaniem się wzajemnie poza jądro.
"Podstawowe mój drogi Watsonie"
Wokół jądra krążą elektrony, ultralekkie cząsteczki z ładunkami ujemnymi. Elektrony ułatwiają wiązanie chemiczne - a ich ruchy mogą wytwarzać niewielką rzecz zwaną elektrycznością . Protony są nie mniej ważne. Po pierwsze, pomagają naukowcom rozróżniać poszczególne elementy.
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 rozmieszczenia cząstek tlen nie byłby tlenem. Liczba atomowa każdego pierwiastka - w tym tlenu - jest całkowicie wyjątkowa. I to cecha definiująca. Żaden inny pierwiastek nie ma ośmiu protonów w jądrze. Licząc protony, możesz zidentyfikować atom. Tak jak atomy tlenu zawsze mają osiem protonów, tak atomy azotu zawsze mają siedem. To takie proste.
Neutrony nie podążają za tym przykładem. Jądro w atomie tlenu ma gwarancję, że zawiera osiem protonów (jak ustaliliśmy). Jednak może również zawierać od czterech do 20 neutronów . Izotopy to odmiany 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 jeden z lepiej znanych izotopów tlenu nazywa się tlen-18 (O-18). Ma standardowe osiem protonów plus 10 neutronów.
Ergo, liczba masowa O-18 wynosi - zgadłeś - 18. Pokrewny izotop, tlen-17 (O-17), ma o jeden neutron mniej w jądrze.
Poczucie 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 razem , trwale utrzymując jądro w stanie nienaruszonym.
Z drugiej strony, jądra radioaktywnych izotopów, zwanych także „ radioizotopami ”, są niestabilne i z czasem ulegną rozpadowi. Te rzeczy mają stosunek protonów do neutronów, który na dłuższą metę jest zasadniczo nie do utrzymania. Nikt nie chce pozostać w takiej sytuacji. W związku z tym izotopy radioaktywne będą wyrzucać 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 zepsuje - szybko! W ciągu 26,88 sekundy od powstania próbka O-19 ma gwarancję utraty połowy atomów w wyniku rozpadu.
Oznacza to, że okres półtrwania O-19 wynosi 26,88 sekundy. Okres półtrwania to czas , w którym rozpada się 50 procent próbki izotopu. Zapamiętaj tę koncepcję; w następnej sekcji połączymy to z paleontologią.
Ale zanim porozmawiamy o nauce o kopalinach, należy zwrócić uwagę na ważną kwestię. W przeciwieństwie do tlenu, niektóre pierwiastki nie mają żadnych stabilnych izotopów . Weźmy pod uwagę uran. W świecie przyrody 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.
Nie przejmuj się próbą oglądania przejścia w czasie rzeczywistym. Proces przebiega bardzo, bardzo wolno.
Uzyskiwanie randek (i zachowanie zdrowia)
Uran-238 (U-238), najpowszechniejszy izotop 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 milionów lat - przechodzi w ołów-207 (Pb-207), kolejny stabilny izotop.
To bardzo przydatna informacja dla geologów. Powiedzmy, że ktoś znajduje płytkę skalną, której cyrkonie zawierają mieszaninę 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 uranowe. W takim razie wiesz, że patrzysz na dość stary kamień. W końcu uran miał mnóstwo czasu, aby 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 . To akt polegający na wykorzystaniu dobrze udokumentowanych szybkości rozpadu niestabilnych izotopów do oszacowania wieku próbek skał i formacji geologicznych. Paleontolodzy wykorzystują tę strategię, aby określić, ile czasu upłynęło od zdeponowania określonej skamieliny. (Chociaż nie zawsze jest możliwe bezpośrednie datowanie okazu .)
Nie musisz być prehistorią, aby docenić izotopy. Lekarze używają niektórych radioaktywnych odmian do monitorowania przepływu krwi, badania wzrostu kości, a nawet walki z rakiem. Radioizotopy były również używane, aby dać rolnikom wgląd w jakość gleby .
Więc masz to. Coś tak pozornie abstrakcyjnego, jak zmienność neutronów, wpływa na wszystko, od leczenia raka po tajemnice głębokiego czasu. Nauka jest niesamowita.
TERAZ TO ZABAWA
Sport i nauka krzyżują się częściej niż myślisz. Największe miasto Nowego Meksyku założyło nową drużynę baseballową niższej ligi w 2003 roku. Jak nazywa się? Izotopy Albuquerque. Nawiązanie do odcinka serialu „Simpsonowie” z 12. sezonu, niezwykła nazwa zespołu miała przyjemny efekt uboczny: z konieczności pracownicy boiska regularnie udzielają ciekawym fanom lekcji chemii .
