2.3: Атоми, ізотопи, іони та молекули - ізотопи

Last updated
Save as PDF

Page ID: 5039

Boundless
Boundless

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Обговорити властивості ізотопів та їх використання в радіометричних датуваннях

Що таке ізотоп?

Ізотопи - це різні форми елемента, які мають однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів. Деякі елементи, такі як вуглець, калій та уран, мають кілька природних ізотопів. Ізотопи визначаються спочатку їх елементом, а потім сумою наявних протонів і нейтронів.

^{Вуглець-12 (або 12} С) містить шість протонів, шість нейтронів і шість електронів; отже, він має масове число 12 аму (шість протонів і шість нейтронів).
Вуглець-14 (або ¹⁴ С) містить шість протонів, вісім нейтронів і шість електронів; його атомна маса становить 14 аму (шість протонів і вісім нейтронів).

У той час як маса окремих ізотопів різна, їх фізико-хімічні властивості залишаються здебільшого незмінними.

Ізотопи дійсно відрізняються своєю стабільністю. ^{Вуглець-12 (12} С) є найпоширенішим з ізотопів вуглецю, на який припадає 98,89% вуглецю на Землі. Вуглець-14 (¹⁴ С) нестабільний і зустрічається лише в слідових кількостях. Нестабільні ізотопи найчастіше виділяють альфа-частинки (^{He 2+}) і електрони. Нейтрони, протони та позитрони також можуть випромінюватися, а електрони можуть бути захоплені для досягнення більш стабільної атомної конфігурації (нижчий рівень потенційної енергії) за допомогою процесу, званого радіоактивним розпадом. Нові створені атоми можуть перебувати у стані високої енергії і випромінювати гамма-промені, які знижують енергію, але поодинці не змінюють атом на інший ізотоп. Ці атоми називаються радіоактивними ізотопами або радіоізотопами.

радіовуглецеві знайомства

Вуглець зазвичай присутній в атмосфері у вигляді газоподібних сполук, таких як вуглекислий газ і метан. ^{Вуглець-14 (14} С) - це природний радіоізотоп, який створюється з атмосферних ¹⁴ Н (азот) шляхом додавання нейтрона і втрати протона, що викликається космічними променями. Це безперервний процес, тому в атмосфері завжди створюється більше ¹⁴ С. Після отримання ¹⁴ С часто поєднується з киснем в атмосфері, утворюючи вуглекислий газ. Вуглекислий газ, що утворюється таким чином, дифундує в атмосфері, розчиняється в океані і включається рослинами за допомогою фотосинтезу. Тварини поїдають рослини і, в кінцевому рахунку, радіовуглець розподіляється по всій біосфері.

У живих організмів відносна кількість ¹⁴ С в їх організмі приблизно дорівнює концентрації ¹⁴ С в атмосфері. Коли організм помирає, він більше не проковтує ¹⁴ С, тому співвідношення між ¹⁴ C і ¹² C буде знижуватися, оскільки ¹⁴ C поступово розпадається назад до ¹⁴ Н. Цей повільний процес, який називається бета-розпадом, вивільняє енергію через випромінювання електронів з ядро або позитрони.

Приблизно через 5,730 років половина початкової концентрації ¹⁴ С буде перетворена назад до ¹⁴ Н. Це називається його період напіврозпаду, або час, який потрібно для половини початкової концентрації ізотопу розпаду назад до більш стабільної форми. Оскільки період напіврозпаду ¹⁴ C є довгим, він використовується на сьогоднішній день колишні живі об'єкти, такі як старі кістки або дерево. Порівнюючи співвідношення виявленої в об'єкті концентрації ¹⁴ С до кількості ¹⁴ С в атмосфері, можна визначити кількість ізотопу, який ще не розпався. На основі цієї кількості можна точно розрахувати вік матеріалу, якщо вважається, що матеріал менше 50 000 років. Ця техніка називається радіовуглецевим датуванням, або коротше карбоновим датуванням.

зображення — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Застосування датування вуглецю: Вік вуглецю залишається менше 50 000 років, таких як цей карликовий мамонт, можна визначити за допомогою датування вуглецю.

Інші елементи мають ізотопи з різним періодом напіврозпаду. Наприклад, ⁴⁰ К (калій-40) має період напіввиведення 1,25 мільярда років, а ²³⁵ U (уран-235) має період напіввиведення близько 700 мільйонів років. Вчені часто використовують ці інші радіоактивні елементи на сьогоднішній день об'єкти, які старше 50 000 років (межа датування вуглецю). За допомогою радіометричного датування вчені можуть вивчати вік скам'янілостей або інших залишків вимерлих організмів.

Ключові моменти

Ізотопи - це атоми одного і того ж елемента, які містять ідентичну кількість протонів, але різну кількість нейтронів.
Незважаючи на наявність різної кількості нейтронів, ізотопи одного і того ж елемента мають дуже схожі фізичні властивості.
Деякі ізотопи нестабільні і зазнають радіоактивного розпаду, щоб стати іншими елементами.
Прогнозований період напіврозпаду різних розкладаються ізотопів дозволяє вченим дати матеріал на основі його ізотопного складу, наприклад, з датуванням Carbon-14.

Ключові умови

ізотоп: Будь-яка з двох або більше форм елемента, де атоми мають однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів всередині своїх ядер.
Період напіврозпаду: Час, необхідний для половини початкової концентрації ізотопу, щоб розпастися назад до більш стабільної форми.
радіоактивні ізотопи: атом з нестабільним ядром, що характеризується надлишковою наявною енергією, яка піддається радіоактивному розпаду і створює найчастіше гамма-промені, альфа- або бета-частинки.
радіовуглецеве датування: Визначення віку об'єкта шляхом порівняння співвідношення виявленої в ньому концентрації 14С до кількості 14С в атмосфері.