1.3. Разновидности химических элементов в природе

В природе существует большое многообразие химических элементов. Их разновидностями являются изотопы, изомеры, изобары, изотоны.

Изотоп (от греч. isos – одинаковый, topas – место) – химический элемент, занимающий одно и то же место, но атомов его имеется несколько разновид-ностей. Понятие об изотопах ввел в 1910 году английский ученый радиохимик Фредерик Содди. К концу 20-х гг. ХХ века изотопы были найдены у многих стабильных элементов, в том числе у всех редкоземельных. Изотопы по своим физическим и химическим свойствам очень близки.

Изотопами называют атомы, однотипные по количеству протонов, но различные по числу нейтронов и являющиеся разновидностями одного и того же химического элемента. Существуют и другие определения. Изотопы – атомы одного и того же химического элемента, имеющие разные массовые числа. Изотопы это одинаковые химические элементы, у которых разное количество нейтронов.

Изотопы называют путем указания названия химического элемента и его массового числа: стронций-89 (⁸⁹Sr), стронций-90 (⁹⁰Sr), цезий-133 (¹³³Cs), цезий-137 (¹³⁷Cs). Все изотопы одного химического элемента имеют одина-ковое строение электронных оболочек. Термин «изотопы» следует применять только в тех случаях, когда речь идет об атомах одного и того же химического элемента. Если речь идет об атомах разных химических элементов, то следует использовать термин «нуклиды» (например, радионуклиды ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs).

Известно 23 одноизотопных элемента. Большинство (более 90) химичес-ких элементов Периодической системы Д.И. Менделеева представляют собой смесь от двух до десяти изотопов. Водород представлен тремя изотопами (протий ₁¹Н – на него приходится 99,985%, дейтерий 1²Н – 0,0148%, тритий 1³Н – 5∙10^-16 %). Природный калий также имеет три изотопа: 19³⁹К, 19⁴⁰К, 19⁴¹К. Соотношение их составляет соответственно 93,08%, 0,0119% и 6,9%. Часть изотопов являются радиоактивными. Среди трех изотопов водорода только один является радиоактивным и среди трех изотопов калия имеется только один радиоактивный, это соответственно 1³Н и 19⁴⁰К. В то же время уран имеет 11 изотопов, и все они являются радиоактивными. Радиоактивные изото-пы имеют нестабильные ядра и превращаются в другие элементы, испуская при этом ионизирующее излучение. Радионуклиды – это радиоактивные атомы химических элементов. Например, радионуклиды: ₃₈⁹⁰Sr и ₅₅¹³⁷Cs.

Известно более 2000 изотопов химических элементов. Стабильных изотопов известно около 350. Радиоактивных изотопов намного больше и большинство их не существует в природе. Они получены искусственным путем на ускорителях и в реакторах. Количество радиоактивного изотопа со временем постоянно уменьшается вследствие его распада. Для характеристики скорости распада используют понятие «период полураспада».

Период полураспада (Т_½) – время, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер. У ¹⁴С период полураспада равен 5730 лет, ⁴⁰К – 1,45∙10⁹ лет, ¹³¹J – 8,04 суток, ¹³⁷Cs – 30,17 года, ²²⁶Ra – 1622 года.

Атомные массы некоторых химических элементов Периодической системы Д.И. Менделеева значительно отличаются от целых чисел. Это связано с тем, что такие элементы представляют собой смесь нескольких изотопов, а также с «дефектом массы» ядра.

Наряду с радиоактивными изотопами, существует понятие «изомеры».

Изомеры – атомы одного и того же химического элемента с одинаковым массовым числом, ядра которых имеют разное энергетическое состояние. Например, изомеры: 27 ⁶⁰Со (Т_½ – 5,3 года) и 27 ⁶⁰Со (Т_½ – 10,7 мин). Они имеют разный период полураспада, разную энергию и в ряде случаев – вид излучения. Изомер с избытком энергии находится в метастабильном состоянии, которое обозначается символически латинской буквой m (ставится рядом с массовым числом – ^80mBr). Метастабильный изомер, отдавая излишек энергии, совершает изомерный переход в основное состояние. Изомеры метастабильный и основ-ной могут быть радиоактивными, но они имеют разные периоды полураспада (например, ^110m Ag, Т_½ = 250 суток и ¹¹⁰Ag, Т_½ = 25 с). Встречаются изомеры, из которых один является радиоактивным (например,^137mBa, Т_½ = 2,55 мин и ¹³⁷Ba – стабильный).

В ядерной физике существует понятие «изобары».

Изобары – разные химические элементы, имеющие одинаковое массовое число. Например, изобары: 18⁴⁰Ar (18 протонов, 22 нейтрона) и 19⁴⁰К (19 протонов, 21 нейтрон). Естественно, что такие атомы имеют в ядре разное количество протонов и нейтронов. Можно сказать, что изобарами называются атомы разных элементов, которые содержат разные количества протонов и нейтронов, однако имеют одинаковые массовые числа.

В 1934 году немецкий физик Иосиф Мотоух сформулировал правило: «Не может быть двух стабильных изобаров у элементов, заряды ядер которых отличаются на единицу; один из них (изобаров) обязательно будет радиоак-тивным».

Таким из изобаров 18⁴⁰Ar и 19⁴⁰К оказался изобар 19⁴⁰К. Он радиоактивный.

Существует среди разновидностей элементов и такое понятие как «изотоны».

Изотоны - атомные ядра разных элементов с равным числом нейтронов. Например, изотоны: 6¹³С и 7¹⁴N. У данных элементов в ядре разное количество протонов, соответственно 6 и 7, а количество нейтронов одинаковое – 7.