Атомы являются «строительными блоками материи». Все, что имеет массу и занимает пространство (имея объем), состоит из этих крошечных маленьких блоков. Это касается воздуха, которым вы дышите, воды, которую вы пьете, и самого тела.
Изотопы являются жизненно важной концепцией в изучении атомов. Химики, физики и геологи используют их, чтобы осмыслить наш мир. Но прежде чем мы сможем объяснить, что такое изотопы или почему они так важны, нам нужно сделать шаг назад и посмотреть на атомы в целом.
Наш атомный мир
Как вы, вероятно, знаете, атомы имеют три основных компонента, два из которых находятся в ядре. Расположенное в центре атома, ядро представляет собой плотно упакованный кластер частиц. Некоторые из этих частиц являются протонами, которые имеют положительные электрические заряды.
Хорошо известно, что противоположные частицы притягиваются. Между тем, одинаково заряженные тела имеют тенденцию отталкиваться друг от друга. Итак, вот вопрос: как два или более протона с их положительными зарядами могут сосуществовать в одном ядре? Разве они не должны отталкивать друг друга?
Вот тут вступают нейтроны. Нейтроны — это субатомные частицы, которые делят ядра с протонами. Но нейтроны не обладают электрическим зарядом. Верные своему названию, нейтроны нейтральны, не заряжены ни положительно, ни отрицательно. Это важный атрибут. В силу своей нейтральности нейтроны могут мешать протонам выталкивать друг друга из ядра.
«Элементарно, мой дорогой Ватсон»
На орбите ядра находятся электроны, сверхлегкие частицы с отрицательными зарядами. Электроны облегчают химическую связь и их движения могут производить небольшую вещь, называемую электричеством. Протоны не менее важны. Во-первых, они помогают ученым отличать элементы друг от друга.
Вы могли заметить, что в большинстве версий периодической таблицы каждый квадрат имеет маленькое число, напечатанное в его верхнем правом углу. Эта цифра известна как атомный номер. Он сообщает читателю, сколько протонов находится в атомном ядре данного элемента. Например, атомный номер кислорода составляет восемь. Каждый атом кислорода во вселенной имеет ядро равный восьми протонам, ни больше ни меньше.
Без этого очень специфического расположения частиц кислород не был бы кислородом. Атомный номер каждого элемента в том числе кислород абсолютно уникален. И это отличительная черта. Ни у одного другого элемента нет восьми протонов на ядро. Подсчитав протоны, вы можете идентифицировать атом. Так же, как атомы кислорода всегда будут иметь восемь протонов, атомы азота всегда идут с семью. Это так просто.
Нейтроны не следуют примеру. Ядро в атоме кислорода гарантированно содержит восемь протонов (как мы установили). Тем не менее, он также может содержать от четырех до 20 нейтронов. Изотопы — это варианты одного и того же химического элемента, которые имеют разное количество нейтронов.
Теперь каждый изотоп назван на основе его массового числа, которое является общим объединенным числом нейтронов и протонов в атоме. Например, один из наиболее известных изотопов кислорода называется кислород-18 (О-18). У него есть восемь стандартных протонов плюс 10 нейтронов.
Его, массовое число O-18 - как вы уже догадались - 18. Связанный изотоп, кислород-17 (O-17), имеет на одно ядро меньше нейтронов.
Чувство нестабильности
Некоторые комбинации сильнее, чем другие. Ученые классифицируют O-17 и O-18 как стабильные изотопы. В стабильном изотопе, силы, с которыми протоны и нейтроны держат друг друга вместе, постоянно сохраняя ядро нетронутым.
С другой стороны, ядра в радиоактивных изотопах, также называемых «радиоизотопами», нестабильны и со временем распадутся. У этих вещей есть отношение протона к нейтрону, которое принципиально неустойчиво в долгосрочной перспективе. Никто не хочет оставаться в этом положении. Следовательно, радиоактивные изотопы проливают некоторые субатомные частицы (и высвобождают энергию), пока они не преобразовались в хорошие, стабильные изотопы.
О-18 стабилен, а кислород-19 (О-19) - нет. Последний неизбежно сломается - быстро! В течение 26,88 секунд после его создания образец О-19 гарантированно потеряет половину своих атомов в результате сильного разрушения.
Это означает, что период полураспада О-19 составляет 26,88 секунды. Период полураспада - это количество времени, которое требуется 50 процентам образца изотопа для распада. Запомните эту концепцию; мы свяжем это с вами это с палеонтологией в следующем части.
Но прежде чем говорить о науке об ископаемых, необходимо сделать важный момент. В отличие от кислорода, некоторые элементы не имеют каких-либо стабильных изотопов вообще. Рассмотрим уран. В естественном мире есть три изотопа этого тяжелого металла, и все они радиоактивны, а атомные ядра находятся в постоянном состоянии распада. Со временем кусок урана превратится в совершенно другой элемент.
Не пытайтесь наблюдать за переходом в режиме реального времени. Процесс разворачивается очень и очень медленно.
Получать даты (и оставаться здоровым)
Уран-238 (U-238), самый распространенный изотоп элемента, имеет период полураспада около 4,5 миллиардов лет! Постепенно это станет свинец-206 (Pb-206), который стабилен. Аналогично, уран-235 (U-235) с его периодом полураспада в 704 миллиона лет — переходит в свинец-207 (Pb-207), еще один стабильный изотоп.
Для геологов это действительно полезная информация. Допустим, кто-то нашел каменную плиту, в кристаллах циркона которой содержится смесь U-235 и Pb-207. Соотношение этих двух атомов может помочь ученым определить возраст породы.
Вот как: допустим, атомы свинца значительно превосходят их урановые аналоги. В этом случае вы знаете, что смотрите на довольно старый камень. В конце концов, у урана было достаточно времени, чтобы начать превращаться в свинец. С другой стороны, если верно обратное и атомы урана встречаются чаще — тогда камень должен быть на более молодой стороне.
Технику, которую только что описали, называется радиометрическим датированием. Это акт использования хорошо документированных скоростей распада нестабильных изотопов для оценки возраста образцов горных пород и геологических формаций. Палеонтологи используют эту стратегию, чтобы определить, сколько времени прошло с тех пор, как было отложено конкретное ископаемое. (Хотя не всегда возможно датировать образец напрямую.)
Вам не нужна предыстория, чтобы оценить изотопы. Врачи используют некоторые из радиоактивных разновидностей, чтобы контролировать кровоток, изучать рост костей и даже бороться с раком. Радиоизотопы также использовались, чтобы дать фермерам понимание качества почвы.
Так что у вас есть это. Нечто столь же абстрактное, как изменчивость нейтронов, влияет на все — от лечения рака до тайн глубокого времени. Наука потрясающая.