§ 7.7. Изотопы

Определения и обозначения

Изотоп — разновидность атомов одного химического элемента с одинаковым зарядовым числом Z и разным массовым числом A. Иначе говоря, ядра таких атомов содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Это понятие позволяет различать варианты одного элемента, например углерод-12 и углерод-14.

Нуклид — атомное ядро с определёнными числом протонов и числом нейтронов. Каждый нуклид характеризуется конкретным составом ядра и, следовательно, конкретными значениями Z и A. Термин нужен, когда рассматривают не элемент вообще, а строго определённый вид атомных ядер.

Зарядовое число Z — число протонов в ядре, определяющее химический элемент и заряд ядра. Один протон несёт положительный элементарный заряд, поэтому заряд ядра равен +Ze. Если Z изменяется, получается уже другой химический элемент.

Массовое число A — общее число протонов и нейтронов в ядре. Нуклид записывают так: ^A_ZX, где X — символ элемента, A ставят сверху слева, а Z — снизу слева. По этой записи сразу виден состав ядра и можно вычислить число нейтронов.

Как это устроено

Изотопы одного элемента имеют одинаковое число протонов, потому что именно протоны задают заряд ядра и определяют, какой это элемент. Если изменить число протонов, изменится Z, а вместе с ним и химический элемент. Поэтому различие изотопов возникает не за счёт протонов, а за счёт добавления или удаления нейтронов.

Чтобы найти состав атома, сначала смотрят на нижний индекс Z: это число протонов. Затем из верхнего индекса A вычитают Z и получают число нейтронов: N = A − Z. В нейтральном атоме электронов столько же, сколько протонов, потому что отрицательный заряд электронов должен компенсировать положительный заряд ядра.

Изотопы помещают в одну клетку периодической системы, поскольку клетка соответствует определённому химическому элементу, а элемент определяется числом протонов. При одинаковом Z нейтральные атомы имеют одинаковое число электронов и одинаковую структуру электронных оболочек. Именно электроны внешних оболочек в основном участвуют в химических связях, поэтому химические свойства изотопов близки.

Разное число нейтронов изменяет массовое число и массу ядра, хотя заряд ядра остаётся прежним. Из-за изменения массы могут немного отличаться физические свойства вещества, например скорость некоторых процессов. Кроме того, соотношение протонов и нейтронов влияет на ядерные силы и устойчивость ядра, поэтому один изотоп может быть стабильным, а другой — радиоактивным.

Символическую запись читают слева направо по смыслу: верхнее число A показывает сумму нуклонов, нижнее Z — число протонов, а буква X обозначает элемент. Записи ¹²₆C и ¹³₆C относятся к изотопам, потому что Z одинаково, а A различается. Записи ¹⁴₇N и ¹⁴₆C изотопами не являются: у них одинаково A, но различно Z, значит, это атомы разных элементов.

Что одинаково и что различается у изотопов одного элемента

Таблица помогает быстро отделить признаки элемента от признаков конкретного изотопа. Сначала сравнивают Z и число протонов, затем — A и число нейтронов. Для нейтральных атомов число электронов также одинаково, а ядерная устойчивость требует отдельной оценки.

Разбор задач

1. Состав атома натрия

Условие: для атома натрия ²³₁₁Na определить число протонов, нейтронов и электронов. Верхний индекс равен 23, а нижний — 11. Нужно использовать их как A и Z.

1. Число протонов равно Z, поэтому p = 11.
2. Число нейтронов находим по формуле N = A − Z: N = 23 − 11 = 12.
3. Атом нейтрален, поэтому число электронов равно числу протонов: e = 11.

Ответ: в атоме натрия 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов. Проверка: 11 + 12 = 23, то есть найденные нуклоны дают указанное массовое число.

2. Выбор пар изотопов

Условие: из записей ¹²₆C, ¹³₆C, ¹⁴₇N и ¹⁶₈O выбрать пары изотопов. Сравнивать нужно прежде всего нижние индексы Z. Затем у записей с одинаковым Z проверяют различие верхних индексов A.

1. У ¹²₆C и ¹³₆C одинаково Z = 6, но A равны 12 и 13.
2. Следовательно, это изотопы углерода.
3. Остальные записи имеют Z = 7 и Z = 8 и относятся к азоту и кислороду, поэтому пар изотопов среди них нет.

Ответ: пара изотопов — ¹²₆C и ¹³₆C. Они отличаются одним нейтроном: 6 и 7 нейтронов соответственно.

3. Средняя атомная масса

Условие: природный элемент состоит из изотопов с массами 10 и 11, причём доля первого равна 20%. Доля второго равна 80%, потому что суммарная доля изотопов составляет 100%. Среднюю массу нужно найти как взвешенное среднее.

1. Переводим проценты в доли: 20% = 0,2, 80% = 0,8.
2. Умножаем массу каждого изотопа на его долю: 10 · 0,2 и 11 · 0,8.
3. Складываем результаты: Aср = 10 · 0,2 + 11 · 0,8 = 2 + 8,8 = 10,8.

Ответ: средняя атомная масса элемента равна 10,8 условной единицы массы. Она не обязана быть целым числом, поскольку представляет среднее значение для природной смеси изотопов.

Типичные ошибки

Ошибка 1: изотопами считают любые атомы с разными массовыми числами. Такое сравнение неполно: сначала нужно проверить совпадение Z, ведь разные элементы тоже могут иметь разные A. Самопроверка проста: одинаковы Z и различны A — это изотопы.

Ошибка 2: массовое число A принимают за число нейтронов. Это происходит из-за того, что именно A часто выделяют в записи ядра, но оно включает и протоны, и нейтроны. Проверяйте себя формулой N = A − Z.

Ошибка 3: элемент определяют по A, а не по Z. Массовое число может совпадать у атомов разных элементов, тогда как название элемента задаёт только число протонов. Смотрите на нижний индекс записи ^A_ZX.

Ошибка 4: изотопам приписывают совершенно разные химические свойства. Число нейтронов меняет массу и свойства ядра, но в нейтральных атомах изотопов одинаково число электронов. Поэтому химические свойства в основном близки, хотя радиоактивность может сильно различаться.

Связь с другими темами

Для понимания изотопов нужны знания о строении атома и ядра, протонах, нейтронах, электронах, заряде ядра и периодической системе. Эти понятия объясняют, почему Z определяет элемент, а A описывает состав ядра. Без них трудно правильно читать запись нуклида.

Изотопы напрямую связаны с радиоактивностью, законом радиоактивного распада и ядерными реакциями. В этих темах важно различать устойчивые и нестабильные ядра, а также отслеживать изменение их состава. Поэтому формула N = A − Z становится практическим инструментом анализа ядерных превращений.

Изотопы применяют в ядерной энергетике, радиоуглеродном датировании, медицине и масс-спектрометрии. По радиоактивному изотопу можно исследовать возраст образца или движение вещества в организме. Различия в массе позволяют разделять и точно определять нуклиды.

Что запомнить

• Изотопы имеют одинаковое число протонов и разные числа нейтронов.
• Зарядовое число Z определяет химический элемент.
• Массовое число A равно сумме числа протонов и нейтронов.
• Число нейтронов определяется формулой N = A − Z.
• В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.
• Изотопы одного элемента занимают одну клетку периодической системы.
• Изотопы могут различаться устойчивостью и радиоактивностью.