ไอโซโทป

ด้วยเหตุนี้ ไอโซโทปของธาตุชนิดเดียวกันจึงมีตำแหน่งเดียวกันในตารางธาตุ และแต่ละไอโซโทปมีขนาดเท่ากัน นอกจากนี้คุณสมบัติทางเคมีและกายภาพยังคล้ายคลึงกันอีกด้วย อย่างไรก็ตาม มีข้อยกเว้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งคุณสมบัติทางกายภาพที่หลากหลายมากขึ้น ซึ่งมักจะเกิดขึ้นเมื่อเราจัดการกับไอโซโทปสองไอโซโทปที่มีมวลแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ นี่เป็นเพราะมวลที่กำหนดคุณสมบัติทั้งหมด เช่น ความหนาแน่นหรือความเร็วการแพร่กระจายของอนุภาค ในทางตรงกันข้าม พารามิเตอร์ต่างๆ เช่น การนำไฟฟ้าหรือสีไม่ได้ขึ้นอยู่กับมวล ความหลากหลายของคุณสมบัติทางเคมีมักมาจากความเร็วปฏิกิริยาที่ไม่เท่ากันของไอโซโทปต่างๆ

นิวไคลด์กับไอโซโทป

มีแนวคิดที่เกี่ยวข้องกับไอโซโทปซึ่งเป็นข้อมูลทั่วไปมากกว่า นิวไคลด์คืออะตอมทั้งชุดที่มีโครงสร้างนิวเคลียร์ถูกกำหนดโดยจำนวนโปรตอนและนิวตรอนโดยเฉพาะ ซึ่งหมายความว่านิวไคลด์สองตัวที่มีจำนวนนิวตรอนต่างกันสามารถเป็นไอโซโทปได้ ในทางปฏิบัติ ไอโซโทปทั้งหมดเป็นนิวไคลด์ แต่ไม่ใช่ทุกนิวไคลด์ที่จำเป็นต้องเป็นไอโซโทป แนวคิดหลักที่อยู่เบื้องหลังแนวคิดทั้งสองนี้ครอบคลุมคุณสมบัติทางเคมีในกรณีของไอโซโทปและคุณสมบัติทางนิวเคลียร์ในกรณีของนิวไคลด์ ตัวอย่างเช่น:

1. นิวไคลด์ซึ่งเป็นไอโซโทป:
2. นิวไคลด์ที่ไม่ใช่ไอโซโทป:

ไอโซโทปในธรรมชาติ

องค์ประกอบทางเคมีที่มีอยู่ในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติเป็นส่วนผสมของไอโซโทปที่มีองค์ประกอบเป็นเปอร์เซ็นต์คงที่ ขึ้นอยู่กับนิวเคลียส ธาตุสามารถประกอบด้วยหนึ่ง ไอโซโทปหลายไอโซโทปหรือมากกว่านั้น บางคนมีความเสถียร แต่บางคนก็เปลี่ยนอย่างรวดเร็ว การสลายตัวดังกล่าวอาจสร้างไอโซโทปของธาตุเดียวกันหรือต่างกัน การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวมักจะไปพร้อมกับการแผ่รังสี หากต้องการใช้ค่าเฉพาะ บนโลกมีธาตุที่มีเลขอะตอมเท่ากับหรือต่ำกว่า 92 ธาตุที่มีเลขสูงถึง 83 ถือว่าเสถียร มีธาตุที่มีอยู่ตามธรรมชาติมากถึง 81 ชนิดที่มีไอโซโทปที่เสถียร เหล่านี้รวมถึงซิลิคอนที่มีไอโซโทป ²⁸ Si, ²⁹ Si และ ³⁰ Si, เหล็กที่มีไอโซโทป ⁵⁴ Fe, ⁵⁶ Fe, ⁵⁷ Fe และ ⁵⁸ Fe หรืออะลูมิเนียมซึ่งมีไอโซโทปเสถียรเพียงไอโซโทปเดียว: ²⁷ Al

ไอโซโทปไฮโดรเจน

ในธรรมชาติ เราสามารถพบไอโซโทปของไฮโดรเจนสามชนิดที่เป็นส่วนผสมของธาตุ ในทางปฏิบัติ ไอโซโทป ¹ H (ไฮโดรเจน-1) และ ² H (ไฮโดรเจน-2) เป็นตัวแทนส่วนใหญ่ตามลำดับ 99.985%และ 0.015%ของการเกิดไฮโดรเจนทั้งหมด ไอโซโทป ³ H (ไฮโดรเจน-3) ไม่เสถียรและแสดงปริมาณเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ไฮโดรเจน-1 เป็นโปรเทียมที่รู้จักกันดีที่สุด ไฮโดรเจน-2 (เรียกอีกอย่างว่าดิวทีเรียม) ประกอบด้วยโปรตอน 1 ตัวและนิวตรอน 1 ตัว ในขณะที่นิวเคลียสของไอโซโทปสุดท้าย (ไฮโดรเจน-3 เช่น ทริเทียม) ประกอบด้วยโปรตอน 1 ตัวและนิวตรอน 2 ตัว ด้วยเหตุนี้ ความแตกต่างของมวลระหว่างไอโซโทปเหล่านี้จึงมีความสำคัญ: อะตอมของดิวทีเรียมหนักเป็นสองเท่าของโปรเทียม ในขณะที่ไอโซโทปหนักกว่าโปรเทียมถึงสามเท่า ดังที่เราทราบ ไฮโดรเจนในรูปแบบไอโซโทปใดๆ มีอยู่ในรูปของโมเลกุลไดอะตอมมิก ปรากฎว่ามันอาจสร้างโมเลกุลที่มีไอโซโทปต่างๆ เช่น HD (โปรเทียม-ดิวเทอเรียม), HT (โปรเทียม-ทริเทียม) และ DT (ดิวทีเรียม-ทริเทียม) ดิวทีเรียมเป็นไอโซโทปที่ไม่มีกัมมันตภาพรังสีและมีความเสถียรสูง บางครั้งเรียกว่าไฮโดรเจนหนัก ถ้าเราแทนที่ไฮโดรเจน-1 ด้วยดิวเทอเรียมในโมเลกุลของน้ำ (D ₂ O) โมเลกุลจะเปลี่ยนคุณสมบัติ จุดหลอมเหลวจะเพิ่มขึ้นประมาณ 1.5 ^o C และจุดเยือกแข็งจะลดลงมากถึง 3.81 ^o C ความหนาแน่นของมันจะเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับ H ₂ O ประมาณ 0.1%ในทางตรงกันข้าม ทริเทียมเป็นไอโซโทปที่ไม่เสถียรสูงซึ่งมีกัมมันตภาพรังสีด้วย นิวเคลียสของมันคือสถานที่ของการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสีที่เกิดขึ้นเองซึ่งผลิตอะตอมของฮีเลียม หากเราเปรียบเทียบคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ของไอโซโทป เราจะพบความแตกต่างที่สำคัญซึ่งแสดงไว้ในตารางที่ 1 ตารางที่ 1 การเปรียบเทียบค่าพารามิเตอร์พื้นฐานทางเคมีฟิสิกส์ของไอโซโทปไฮโดรเจน

ไอโซโทปของคาร์บอน

คาร์บอนมีไอโซโทปที่รู้จักกันสามชนิด: ¹² C, ¹³ C และ ¹⁴ C ซึ่งแต่ละไอโซโทปมีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกัน ที่พบมากที่สุดคือคาร์บอน-12 ซึ่งคิดเป็น 98.89%ของอะตอมทั้งหมด ไอโซโทป ¹³ C ที่มีอยู่บนโลกคิดเป็นประมาณ 1.11%ในขณะที่อะตอม ¹⁴ C เกิดขึ้นในหนึ่งอะตอมต่อประมาณ 10 ¹² อันหลังมีแนวโน้มที่จะสลายตัวได้เองซึ่งทำให้เกิดการปลดปล่อยรังสีบีตา จากนั้นไอโซโทปจะเปลี่ยนเป็นอะตอมของไนโตรเจน ไอโซโทปที่เสถียรคือคาร์บอน-13 เนื่องจากการหมุนที่ไม่เป็นศูนย์จึงสามารถนำมาใช้ในเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ 13 NMR

การประยุกต์ใช้ไอโซโทป

ในอุปกรณ์ตรวจจับควัน เราใช้ไอโซโทปที่ไม่เสถียร ²⁴¹ Am หรือ ²³⁸ Pu ซึ่งมีลักษณะการสลายตัวช้าร่วมกับการปล่อยรังสี เมื่อควันปรากฏขึ้น การแผ่รังสีจะถูกปิดกั้นและไม่ไปถึงเครื่องตรวจจับอีกต่อไป ซึ่งจะทำให้สัญญาณเตือนทำงาน รังสีจากการสลายตัวของธาตุบางชนิดสามารถทำลายจุลินทรีย์ได้ ดังนั้นไอโซโทปต่างๆ รวมถึง ⁶⁰ Co จึงอาจใช้ในการถนอมอาหารได้ ในการวินิจฉัยทางการแพทย์ นิวเคลียสบางอย่างถูกใช้เพื่อตรวจหาการเปลี่ยนแปลงในอวัยวะที่ทดสอบ เช่น ในไตหรือในหัวใจ ไอโซโทปดังกล่าวรวมกับสารที่ไม่ใช้งานทางชีวภาพกับเส้นทางที่รู้จักในร่างกายและแนะนำให้รู้จักกับระบบการไหลเวียนโลหิต สิ่งนี้ทำให้สามารถติดตามเส้นทางของรังสีและสังเกตขณะที่มันสะสมอยู่ในเนื้อเยื่อและอวัยวะต่างๆ ในการรักษาเนื้องอก เรายังใช้รังสีรักษาตามการปล่อยรังสีจากไอโซโทปที่ไม่เสถียร เช่น ²²⁶ Ra และ ⁶⁰ Co เป้าหมายของการบำบัดดังกล่าวคือการทำลายเซลล์เนื้องอก หนึ่งใน ไอโซโทปของคาร์บอน ¹⁴ C ถูกนำไปใช้ในการวิเคราะห์อายุของวัสดุที่มีต้นกำเนิดจากสารอินทรีย์ นิวเคลียสที่ไม่เสถียรนี้จะสลายตัวอย่างช้าๆ และหากสิ่งมีชีวิตตาย (ซึ่งเมื่อการดูดซึมคาร์บอนหยุดลง) ความเข้มข้นของคาร์บอน-14 จะลดลงตามสัดส่วนของปีที่ผ่านไป ไอโซโทปบางชนิด เช่น ²³⁹ Pu และ ²³⁵ U ใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ในระหว่างการสลายตัวของนิวเคลียสที่ไม่เสถียรนั้น จะมีการผลิตพลังงานซึ่งอาจเปลี่ยนเป็นไฟฟ้าได้

มวลอะตอมและไอโซโทป

มวลอะตอมของธาตุที่แสดงในตารางธาตุคือมวลเฉลี่ย เมื่อเราคำนวณ เราจะพิจารณาจำนวน (n) และองค์ประกอบร้อยละ (x _n ) ของแต่ละไอโซโทปขององค์ประกอบที่เป็นปัญหา ตามสูตรต่อไปนี้: ตัวอย่างเช่น เมื่อคำนวณมวลอะตอมเฉลี่ยของไฮโดรเจน เราจะได้สมการต่อไปนี้: