Czym są izotopy?

W ramach przedstawiania podstawowych zagadnień chciałbym przybliżyć pojęcie izotopu, stanowiącego jedno z najważniejszych zjawisk w fizyce jądrowej.

Izotopy są odmiennymi postaciami danego pierwiastka, różniącymi się liczbą neutronów w jądrze. Liczba protonów, czyli tzw. liczba atomowa, która świadczy o przynależności do danego pierwiastka, pozostaje taka sama, różna jest jednak liczba masowa, czyli suma liczby protonów i neutronów. Najłatwiej prześledzić to na przykładzie najlżejszego pierwiastka - wodoru. Ma on trzy izotopy:

• wodór lekki (¹H) - 1 proton = liczba atomowa 1 = liczba masowa 1
• wodór ciężki (²H, deuter, D) - 1 proton i 1 neutron = liczba atomowa 1 = liczba masowa 2
• wodór superciężki (³H, tryt, T) - 1 proton i 2 neutrony  = liczba atomowa 1 = liczba masowa 3

Wszystkie z nich mają podobne właściwości fizyczne i chemiczne, m.in. reagują z tlenem, tworząc wodę. Jednak ta woda będzie miała pewne różnice w gęstości, temperaturach przemian fazowych  wrzenia, krzepnięcia) oraz przenikalności elektrycznej, w zależności od izotopu wodoru, z którego powstała. Przykładowo, woda ciężka (D₂O) będzie mieć wyższą temperaturę krzepnięcia i wrzenia w stosunku do wody lekkiej. Z kolei woda superciężka, znana też jako woda trytowa (T₂O), będzie radioaktywna, gdyż tryt jako jedyny z naturalnych izotopów wodoru emituje promieniowanie. Podobna sytuacja występuje w przypadku izotopów węgla: najpowszechniej występujący w przyrodzie izotop ¹²C tak samo ulega spalaniu, tworząc dwutlenek węgla, jak izotopy ¹⁴C i ¹³C. Radioaktywny będzie jednak tylko  izotop ¹⁴C, powstający w atmosferze pod wpływem promieniowania kosmicznego i stosowany w datowaniu radiowęglowym. Również w przypadku izotopów uranu wspólne będą chemiczne właściwości pierwiastka, takie jak m.in. piroforyczność czy wysoka reaktywność, występują jednak znaczne różnice w zdolności do reakcji rozszczepienia. Uran-235 ulega rozszczepieniu od neutronów powolnych, podczas gdy uran-238 od neutronów prędkich, a neutrony powolne pochłania, tworząc pluton-239. Z kolei różnice w masach atomowych obu tych izotopów uranu pozwalają na stosowanie różnych metod separacji w procesie wzbogacania, czyli zwiększania procentowej zawartości uranu-235. Podsumowując, wszystkie izotopy danego pierwiastka uczestniczą w reakcjach chemicznych typowych dla danego pierwiastka w tym samym kierunku przemiany (utlenianie, redukcja itp.), jednak niekiedy robią to z różną intensywnością. Największe różnice występują w przypadku izotopów promieniotwórczych, które wykazują niekiedy bardzo zróżnicowane czasy połowicznego rozpadu, sposób rozpadu (alfa, beta) czy energie emitowanego promieniowania. Dobrym przykładem jest pluton, którego poszczególne izotopy mają czas półrozpadu od 14 lat do 80,8 mln lat:

Pierwiastki mogą mieć jeden lub więcej izotopów i to w różnych konfiguracjach (naturalny, sztuczny, radioaktywny, stabilny). Przykładowo:

• wodór - naturalny stabilny H-1 i H-2 (D), naturalny radioaktywny H-3 (T), sztuczne izotopy radioaktywne H-4, H-5, H-6 i H-7 o skrajnie krótkich czasach połowicznego rozpadu
• hel - wszystkie naturalne izotopy stabilne: He-3, He-4, sztuczny radioaktywny He-6
• kobalt - naturalny stabilny Co-59, sztuczny radioaktywny Co-60
• technet - sztuczny radioaktywny Tc-99
• cez - naturalny stabilny Cs-133, sztuczne radioaktywne: Cs-134, Cs-135 i Cs-137
• astat - wszystkie izotopy sztuczne, radioaktywne: At-209, At-210, At-211
• uran - wszystkie naturalne izotopy radioaktywne: U-233, U-234, U-235, U-238 i sztuczne również: U-236, U-237.

Zapisu nazw izotopów możemy dokonywać na kilka sposobów:

1. liczba masowa w indeksie górnym przed symbolem pierwiastka - ¹⁴C, ²²⁶Ra, na potrzeby zapisów reakcji jądrowych można dodać w indeksie dolnym liczbę atomową, by ukazać zmianę liczby nukleonów (por. izotopy wodoru na początku notki)
2. liczba masowa po myślniku przed symbolem pierwiastka - C-14, Ra-226
3. liczba masowa po myślniku przed pełną nazwą pierwiastka - węgiel-14, rad-226 (często spotykany zapis "węgiel C-14" jest "masłem maślanym")

W większości przypadków wystarczy stosować zapis nr 2 lub nr 3, jest on też najwygodniejszy, gdyż oszczędza męczącego stosowania indeksu górnego w edytorze tekstu i nie powoduje problemów przy kopiowaniu, zmianie formatowania etc. Przestrzegam natomiast przed używaniem samej nazwy pierwiastka (uran, rad) bez jego liczby masowej, gdyż jest to bardzo nieścisłe z uwagi na istotne różnice np. w rozszczepialności poszczególnych izotopów uranu. Pominięcie liczby masowej dopuszczalne jest jedynie w niektórych przypadkach, np. gdy omawiamy tylko jeden izotop, a wcześniej pojawiła się już jego pełna nazwa, bądź też dany nuklid ma szczególne znaczenie w badanym zagadnieniu. Takim przypadkiem są m.in. skażenia cezem-137, czyli produktem rozszczepienia uranu, powszechnie występującym w opadzie promieniotwórczym. Jakkolwiek w opadzie występuje również cez-134, też radioaktywny, to jednak bada się głównie aktywność cezu-137, tak samo jak w przypadku skażenia radioaktywnym jodem mierzy się stężenie jodu-131, a nie również radioaktywnego jodu-129.

Spośród izotopów własne nazwy mają jedynie izotopy wodoru z uwagi na znaczne różnice w ich masach atomowych, a przez to i właściwościach. Nazwa "prot" w odniesieniu do wodoru lekkiego jest obecnie rzadko używana, jednak terminy "deuter" i "tryt" wraz z odnośnymi symbolami (D i T) są powszechnie stosowane w zapisie naukowym.

W pionierskim etapie badań nad radioaktywnością stosowano nazwy pochodne od izotopu macierzystego, tak więc "mezotor-I" (rad-228) był produktem rozpadu toru-232, rozpoczynającego torowy szereg radioaktywny. Stosowano też dodawanie kolejnych liter alfabetu, a nawet znaków prim (') i bis (") - poniżej przykład z "Promieniotwórczości" Marii Skłodowskiej-Curie:

https://bcpw.bg.pw.edu.pl/Content/2454/PDF/28mscp_radu.pdf

Przekładając w/w nazwy na obecny zapis poszczególne izotopy to:

• Rad-A = polon-218
• Rad-B = ołów-214
• Rad-C = bizmut-214
• Rad-C' = polon-214
• Rad-C" = tal-210
• Rad-D = ołów-210
• Rad-E = bizmut-210
• Rad-F = polon-210

 Dla porównania zamieszczam ciąg produktów rozpadu radu-226 z użyciem współczesnego zapisu:

http://www.nucleide.org/DDEP_WG/Ra-226D_NT04-04.pdf

Oprócz izotopów występują jeszcze tzw. izotony i izobary. Izotony są to nuklidy mające tą samą liczbę neutronów w jądrze, ale różniące się liczbą protonów. Są to więc zupełnie inne pierwiastki, choć zwykle następują po sobie w układzie okresowym i tworzą całe ciągi:

³⁶S (16p, 20n), ³⁷Cl (17p, 20n), ³⁸Ar (18p, 20n), ³⁹K (19p, 20n), ⁴⁰Ca (20p, 20n)

Z kolei izobary to nuklidy o tej samej masie atomowej, ale różnej liczbie protonów, a więc innej liczbie atomowej. Ponieważ masa atomowa jest (w uproszczeniu*) sumą mas protonów i neutronów tworzących jądro danego pierwiastka, zatem ta sama wartość (np. 40) może być uzyskana z różnych kombinacji protonów i neutronów: 

 ⁴⁰S (16p, 24n), ⁴⁰Cl (17p, 23n), ⁴⁰Ar (18p, 12n) , ⁴⁰K (19p, 11n), ⁴⁰Ca (20p, 20n)

Istnieją jeszcze tzw. izomery jądrowe, czyli jądra tego samego pierwiastka, różniące się stanem energetycznym, czyli np. jądro w stanie podstawowym i wzbudzonym. 

_________________________________

* masa jądra atomowego jest nieco mniejsza niż suma mas wszystkich nukleonów (protonów i neutronów) zawartych w tym jądrze. Jest to tzw. defekt masy (deficyt masy), odpowiadający energii wiązania jądra (która, jak wykazał Einstein swym wzorem E=mc2, jest równoważna masie).