Izotopy, izobary i izotony — budowa atomu i promieniotwórczość
Ten sam pierwiastek, a jednak dwa różne atomy? Brzmi jak sprzeczność, a to codzienność w świecie jąder atomowych. Izotopy, izobary i izotony to trójka pojęć, które łatwo pomylić, dopóki ktoś nie pokaże Ci prostego klucza. Zaraz to zrobię, a przy okazji ogarniemy średnią masę atomową i promieniotwórczość, żeby zadania z tego działu przestały być loterią.
Na dobry początek obejrzyj nasz krótki filmik z TikToka, w którym dr Filip Stanek tłumaczy w pigułce, czym właściwie są izotopy:
Budowa jądra, liczba atomowa i liczba masowa
Jądro atomu tworzą protony i neutrony (wspólnie zwane nukleonami). Do ich opisu służą dwie liczby:
- Liczba atomowa Z, liczba protonów w jądrze. To ona decyduje, jakim pierwiastkiem jest atom, i wyznacza jego miejsce w układzie okresowym.
- Liczba masowa A, łączna liczba nukleonów, czyli protonów i neutronów: A = Z + N.
- Liczba neutronów N wynika z prostego przekształcenia: N = A − Z.
Atom zapisujemy w notacji AZX, gdzie X to symbol pierwiastka. Na przykład 2311Na to atom sodu o 11 protonach i 12 neutronach (23 − 11 = 12).
Czym są izotopy?
Izotopy to atomy tego samego pierwiastka (mają tę samą liczbę protonów Z), które różnią się liczbą neutronów, a więc i liczbą masową A. Mają identyczne właściwości chemiczne (bo o chemii decydują elektrony, a tych jest tyle samo), różnią się natomiast masą i niekiedy trwałością jądra.
| Pierwiastek | Izotopy | Liczba protonów (Z) | Liczba neutronów (N) |
|---|---|---|---|
| Wodór | 11H (prot) | 1 | 0 |
| Wodór | 21H (deuter) | 1 | 1 |
| Wodór | 31H (tryt) | 1 | 2 |
| Węgiel | 126C | 6 | 6 |
| Węgiel | 136C | 6 | 7 |
| Węgiel | 146C | 6 | 8 |
Zobacz jak możemy Ci pomóc
Izobary i izotony
Izotopy łatwo pomylić z dwoma pokrewnymi pojęciami. Klucz to pilnowanie, która wielkość pozostaje taka sama:
| Pojęcie | Co jest wspólne? | Co się różni? |
|---|---|---|
| Izotopy | ta sama liczba protonów (Z) | liczba neutronów i masowa (A) |
| Izobary | ta sama liczba masowa (A) | liczba protonów (Z) i neutronów |
| Izotony | ta sama liczba neutronów (N) | liczba protonów (Z) i masowa (A) |
Przykłady: 4018Ar i 4020Ca to izobary (obie mają A = 40). Z kolei 146C i 168O to izotony (obie mają po 8 neutronów: 14 − 6 = 8 oraz 16 − 8 = 8).
Średnia masa atomowa
Masa atomowa pierwiastka podana w układzie okresowym to średnia ważona mas jego izotopów, „ważona” zawartością procentową (rozpowszechnieniem) każdego izotopu w przyrodzie. Dlatego masa atomowa chloru to ok. 35,45 u, a nie liczba całkowita.
Chlor występuje jako dwa izotopy: 35Cl (75,77%) i 37Cl (24,23%). Średnią masę liczymy tak:
M = 35 u · 0,7577 + 37 u · 0,2423 = 26,52 u + 8,97 u ≈ 35,45 u
Promieniotwórczość, rozpad jąder
Niektóre izotopy mają niestabilne jądra i samorzutnie ulegają rozpadowi, emitując promieniowanie. Wyróżniamy trzy podstawowe typy:
- Promieniowanie α, jądro emituje cząstkę α (42He). Liczba masowa maleje o 4, a atomowa o 2.
- Promieniowanie β−, neutron zamienia się w proton, emitowany jest elektron. Liczba atomowa rośnie o 1, masowa się nie zmienia.
- Promieniowanie γ, nadmiar energii jądra; nie zmienia ani liczby atomowej, ani masowej (zmienia się tylko stan energetyczny jądra).
Zmiany opisuje prawo przesunięć Soddy’ego–Fajansa. Przykłady równań reakcji jądrowych:
rozpad α: 23892U → 23490Th + 42He
rozpad β−: 146C → 147N + 0−1e
Tempo rozpadu opisuje okres półtrwania (T½), czas, po którym rozpadowi ulega połowa początkowej liczby jąder. Po jednym okresie zostaje 1/2 próbki, po dwóch, 1/4, po trzech, 1/8 itd.
Najważniejsze w pigułce
Zapamiętaj trzy filary tego działu: Z (protony) to tożsamość pierwiastka, A (nukleony) to masa, a N = A − Z zawsze policzysz z różnicy. Izotopy, izobary i izotony różnicuj po tym, która wielkość jest wspólna, a średnią masę atomową licz jako średnią ważoną rozpowszechnieniem izotopów. Sprawdź się w krótkim quizie poniżej.
