Атомы - это «строительные блоки материи». Все, что имеет массу и занимает пространство (имея объем), состоит из этих крошечных крошечных единиц. Это касается воздуха, которым вы дышите, воды, которую вы пьете, и самого вашего тела.
Изотопы - жизненно важная концепция при изучении атомов. Химики, физики и геологи используют их, чтобы понять наш мир. Но прежде чем мы сможем объяснить, что такое изотопы - или почему они так важны, - нам нужно сделать шаг назад и взглянуть на атомы в целом.
Наш атомный мир
Как вы, наверное, знаете, атомы состоят из трех основных компонентов, два из которых находятся в ядре. Ядро, расположенное в центре атома, представляет собой плотно упакованный кластер частиц. Некоторые из этих частиц являются протонами, которые имеют положительный электрический заряд.
Доказано, что привлекаются противоположные обвинения. Между тем, тела с одинаковым зарядом имеют тенденцию отталкиваться друг от друга. Итак, вот вопрос: как два или более протонов - с их положительными зарядами - могут сосуществовать в одном ядре? Разве они не должны отталкивать друг друга?
Вот где вступают в игру нейтроны. Нейтроны - это субатомные частицы, которые имеют общие ядра с протонами. Но нейтроны не обладают электрическим зарядом. Как следует из названия, нейтроны нейтральны, они не заряжены ни положительно, ни отрицательно. Это важный атрибут. Благодаря своей нейтральности нейтроны могут мешать протонам вытеснять друг друга из ядра.
"Элементарно, мой дорогой Ватсон"
По орбите ядра вращаются электроны, сверхлегкие частицы с отрицательными зарядами. Электроны способствуют химическому связыванию - и их движения могут производить небольшую вещь, называемую электричеством . Не менее важны протоны. Во-первых, они помогают ученым различать элементы.
Вы могли заметить, что в большинстве версий таблицы Менделеева в правом верхнем углу каждого квадрата напечатано небольшое число. Эта цифра известна как атомный номер. Он сообщает читателю, сколько протонов находится в атомном ядре данного элемента. Например, атомный номер кислорода восемь. У каждого атома кислорода во Вселенной есть ядро с восемью протонами; Ни больше ни меньше.
Без этого очень специфического расположения частиц кислород не был бы кислородом. Атомный номер каждого элемента, включая кислород, абсолютно уникален. И это отличительная черта. Ни у одного другого элемента нет восьми протонов на ядро. Подсчитав протоны, вы можете идентифицировать атом. Так же, как у атомов кислорода всегда будет восемь протонов, у атомов азота всегда будет семь. Это так просто.
Нейтроны не следуют этому примеру. Ядро атома кислорода гарантированно содержит восемь протонов (как мы установили). Однако он также может содержать от четырех до 20 нейтронов . Изотопы - это варианты одного и того же химического элемента, которые имеют разное количество нейтронов.
Теперь каждый изотоп назван на основе его массового числа, которое представляет собой общее суммарное количество нейтронов и протонов в атоме. Например, один из наиболее известных изотопов кислорода называется кислород-18 (O-18). У него стандартные восемь протонов плюс 10 нейтронов.
Итак, массовое число O-18, как вы уже догадались, равно 18. У родственного изотопа, кислорода-17 (O-17), в ядре на один нейтрон меньше.
Чувство нестабильности
Некоторые комбинации сильнее других. Ученые классифицируют О-17 и О-18 как стабильные изотопы. В стабильном изотопе силы протонов и нейтронов удерживают друг друга вместе , надолго сохраняя целостность ядра.
С другой стороны, ядра радиоактивных изотопов, также называемых « радиоизотопами », нестабильны и со временем распадаются. У этих вещей отношение протонов к нейтронам принципиально неустойчиво в долгосрочной перспективе. Никто не хочет оставаться в этом затруднительном положении. Следовательно, радиоактивные изотопы проливают некоторые субатомные частицы (и высвобождать энергию) , пока они не превращают себя в хорошие, изотопы стабильны.
О-18 стабилен, а кислород-19 (О-19) - нет. Последний неизбежно выйдет из строя - быстро! В течение 26,88 секунд после своего создания образец O-19 гарантированно потеряет половину своих атомов из-за разрушительного распада.
Это означает, что период полураспада O-19 составляет 26,88 секунды. Период полураспада - это время, необходимое для распада 50 процентов образца изотопа. Помните эту концепцию; мы собираемся связать это с палеонтологией в следующем разделе.
Но прежде чем мы поговорим об окаменелостях, необходимо сделать важный момент. В отличие от кислорода, некоторые элементы вообще не имеют стабильных изотопов . Рассмотрим уран. В естественном мире есть три изотопа этого тяжелого металла, и все они радиоактивны , а атомные ядра находятся в постоянном состоянии распада. В конце концов кусок урана превратится в совершенно другой элемент.
Не пытайтесь наблюдать за переходом в реальном времени. Процесс разворачивается очень и очень медленно.
Свидания (и оставаться здоровым)
Уран-238 (U-238), самый распространенный изотоп этого элемента, имеет период полураспада около 4,5 миллиардов лет ! Постепенно он станет стабильным свинцом-206 (Pb-206). Точно так же уран-235 (U-235) - с периодом полураспада 704 миллиона лет - переходит в свинец-207 (Pb-207), еще один стабильный изотоп.
Для геологов это действительно полезная информация. Допустим, кто-то нашел каменную плиту, кристаллы циркона которой содержат смесь U-235 и Pb-207. Соотношение этих двух атомов может помочь ученым определить возраст породы.
Вот как: допустим, атомов свинца намного больше, чем урановых аналогов. В этом случае вы знаете, что смотрите на довольно старый камень. В конце концов, у урана было достаточно времени, чтобы начать превращаться в свинец. С другой стороны, если верно обратное - и атомы урана встречаются чаще, - тогда порода должна быть на более молодой стороне.
Техника, которую мы только что описали, называется радиометрическим датированием . Это акт использования хорошо задокументированных скоростей распада нестабильных изотопов для оценки возраста образцов горных пород и геологических образований. Палеонтологи используют эту стратегию, чтобы определить, сколько времени прошло с тех пор, как была отложена конкретная окаменелость. (Хотя не всегда возможно датировать образец напрямую .)
Не нужно быть фанатом предыстории, чтобы ценить изотопы. Практикующие врачи используют некоторые из радиоактивных разновидностей для контроля кровотока, изучения роста костей и даже борьбы с раком. Радиоизотопы также использовались, чтобы дать фермерам представление о качестве почвы .
Вот и все. Такая на первый взгляд абстрактная вещь, как изменчивость нейтронов, влияет на все, от лечения рака до загадок глубоких времен. Наука прекрасна.
ТЕПЕРЬ ЭТО УДОВОЛЬСТВИЕ
Пути спорта и науки пересекаются чаще, чем вы думаете. В 2003 году в крупнейшем городе Нью-Мексико появилась новая бейсбольная команда низшей лиги. Каково ее название? Изотопы Альбукерке. Отсылка к эпизоду 12-го сезона «Симпсонов», необычное название команды имело приятный побочный эффект: по необходимости сотрудники стадиона регулярно раздавали уроки химии любопытным фанатам.
