ატომური რიცხვი, ატომური მასა და იზოტოპები

ატომის ფუნდამენტური მახასიათებლებია ატომური ნომერი და ატომის მასა. ატომური ნომერია ატომში პროტონების რაოდენობა. იზოტოპებს ერთნაირი ატომური ნომერი, მაგრამ ნეიტრონების განსხვავებული რაოდენობა აქვთ.

შესავალი

რადიოაქტიურობა ხშირად შეგხვდებოდათ ახალ ამბებში. მაგალითად, შეიძლება, წაკითხული გქონდეთ დისკუსიები ატომური ენერგიის, ფუკუშიმას რეაქტორის ტრაგედიის ან ატომური იარაღის შექმნის შესახებ. ის პოპულარულ კულტურაშიც ხშირად გვხვდება: მაგალითად, ბევრი სუპერგმირის წარმოშობის ისტორია რადიაციულ აფეთქებას უკავშირდება; ან ადამიანი ობობას შემთხვევა, რადიოაქტიური ობობის ნაკბენი. მაგრამ რას ნიშნავს ის, რომ რაღაც შეიძლება რადიოაქტიური იყოს?
რადიოაქტიურობა, სინამდვილეში, ატომის თვისებაა. რადიოაქტიურ ატომებს აქვთ არასტაბილური ბირთვი და ისინი, საბოლოოდ, გამოყოფენ სუბატომურ ნაწილაკებს იმისთვის, რომ გახდნენ უფრო სტაბილური და ამ პროცესში გამოათავისუფლებენ ენერგიას — რადიაციას. ხშირად ერთი და იგივე ელემენტი გვხვდება როგორც რადიოაქტიურ, ისე არარადიოაქტიურ მდგომარეობაში; ამ განსხვავებას განაპირობებს ნეირტონების რაოდენობა. ერთისა და იმავე ელემენტების სხვადასხვა ვერსიებს იზოტოპები ეწოდება და ბუნებაში ხშირად გვხვდება მცირე რაოდენობით რადიოაქტიური იზოტოპები. მაგალითად, ნახშირბადი ატმოსფეროში მცირე მოცულობით გვხვდება რადიოაქტიური ნახშირბად-14-ის სახით და სწორედ ნახშირბად-14-ის ოდენობით განამარხებულ ორგანიზმებში პალეონტოლოგები ადგენენ მათ ასაკს.
ამ სტატიაში უფრო დეტალურად განვიხილავთ სუბატომურ ნაწილაკებს, რომლებსაც შეიცავს სხადასხვა ატომი და ვისაუბრებთ იმაზე, რა ხდის ეზოტოპებს რადიოაქტიურს.

ატომური ნომერი, ატომური მასა და ფარდობითი ატომური მასა

თითოეული ელემენტის ატომი შეიცავს პროტონების მისთვის დამახასიათებელ რიცხვს. უფრო მეტიც, პროტონების რიცხვი განსაზღვრავს, რა ატომთან გვაქვს საქმე (ესე იგი, ყველა ატომი, რომელსაც ექვსი პროტონი აქვს, არის ნახშირბადის ატომი); ატომში პროტონების რაოდენობას ეწოდება ატომური რიცხვი. თუმცა ატომში ნეიტრონების რაოდენობა შეიძლება სხვადასხვა იყოს. ერთი და იგივე ატომებს, რომლებიც განსხვავდებიან მხოლოდ ნეიტრონების რაოდენობით, იზოტოპები ეწოდებათ. ატომის პროტონებისა და ნეიტრონების ჯამური რაოდენობა განსაზღვრავს ელემენტის მასურ რიცხვს: მასური რიცხვი = პროტონებს + ნეიტრონები. თუ გვინდა გამოვთვალოთ, რამდენი ნეიტრონია ატომში, უბრალოდ, მასურ რიცხვს გამოვაკლებთ ატომურ რიცხვს, ანუ პროტონების რაოდენობას.
ატომის მასურ რიცხვთან ახლოს მგომი ცნებაა ატომური მასა. ერთი ატომის ატომური მასა არის, უბრალოდ, მისი ჯამური მასა და ის, უმეტესად, გამოსახულია ატომური მასის ერთეულით, ანუ ამე-თი. ნახშისბადის ექვსნეიტრონიანი ატომის ნახშირბად-12-ის მასა არის 12 ამე. სხვა ატომებს არ აქვთ მრგვალი ატომური რიცხვი, ისეთი მიზეზების გამო, რაც ამ სტატიის შინაარსს სცდება. თუმცა, ზოგადად, ატომის ატომური მასა ძალიან ახლოს იქნება მის მასურ რიცხვთან, მაგრამ მცირედი გადახრა ექნება ათწილადის თანრიგში.
რადგანაც ელემენტის იზპტოპებს სხვადასხვა ატომური მასები აქვთ, მეცნიერებმა განსაზღვრეს ელემენტის ფარდობითი ატომური მასა — ზოგჯერ მას ატომურ წონას უწოდებენ. ფარდობითი ატომური მასა არის შერჩევაში ყველა იზოტოპის ატომური მასების საშუალო, სადაც თითო იზოტოპის მონაწილეობა საშუალოში განსაზღვრულია იმით, თუ შერჩევის რამდენად დიდ ნაწილს იკავებს ის. ფარდობითი ატომური მასები, რომლებიც მოცემულია პერიოდულ სისტემაში, როგორც წყალბადის მაგალითი, გამოთვლილია თითოეული ელემენტისთვის ბუნებაში არსებული ყველა ეზოტოპის გათვალისწინებით, დედამიწაზე ამ იზოტოპების შეფარდებითი შემადგენლობის აწონვით. კოსმოსურ ობიექტებს, მაგალითად, ასტეროიდებს ან მეტეორებს, შეიძლება ძალიან განსხვავებული იზოტოტების შეფარდებითი შემადგენლობა ჰქონდეთ.
წარმოიდგინეთ პერიოდული სისტემის "ანატომია". ზედა მარცხენა მხარეს აღნიშნულია ატომური რიცხვი ანუ პროტონების რაოდენობა. შუაში მოთავსებულია ელემენტის სიმბოლო (მაგალითად H) ქვემოთ წერია ფარდობითი ატომური მასა, რომელიც გამოთვლილია დედამიწაზე ნაპოვნი იზოტოპებისათვის. ყველაზე დაბლა წერია ელემენტის დასახელება (მაგალითად წყალბადი).
მოდიფიცირებული სურათის წყაროა OpenStax CNX Biology

იზოტოპები და რადიოაქტიური შლა

როგორც ზემოთ აღვნიშნეთ, იზოტოპები არის ელემენტის სხვადასხვა ფორმები, რომლებსაც აქვთ პროტონების ერთი და იგივე, მაგრამ ნეიტრონების სხვადასხვა რაოდენობა. ბევრ ელემენტს, მაგალითად, ნახშირბადს, კალიუმსა და ურანს, აქვს რამდენიმე ბუნებრივი იზოტოპი. ნეიტრალური ნახშირბად-12-ის ატომი შეიცავს ექვს პროტონს, ექვს ნეიტრონსა და ექვს ელექტრონს; შესაბამისად, მისი მასური რიცხვია 12 (ექვს პროტონს დამატებული ექვსი ნეიტრონი). ნეიტრალური ნახშირბად-14 შეიცავს ექვს პროტონს, რვა ნეიტრონსა და ექვს ელექტრონს; მისი მასური რიცხვია 14 (ექვს პროტონს დამატებული რვა ნეიტრონი). ეს ორი ალტერნატიული ფორმა არის ნახშირბადის იზოტოპები.
ზოგი იზოტოპი სტაბილურია, მაგრამ ზოგიერთი გამოყოფს (აგდებს) სუბატომურ ნაწილაკებს იმისთვის, რომ მიაღწიოს სტაბილურ, დაბალი ენერგიის მდგომარეობას. ასეთ იზოტოპებს რადიოიზოტოპებს უწოდებენ, ხოლო პროცესს, როდესაც ისინი გამოსცემენ ნაწილაკებსა და ენერგიას, ეწოდება დაშლა. რადიოაქტიურმა შლამ შეიძლება გამოიწვიოს ბირთვში პროტონების რაოდენობის შეცვლა; როდესაც ეს ხდება, იცვლება თავად ატომი (მაგალითად, ნახშირბად-14 იშლება აზოტ-14-მდე).
რადიოაქტიური დაშლა არის შემთხვევითი, მაგრამ ხარისხობრივი პროცესი, იზოტოპის ნახევარდაშლის პერიოდი კი არის დრო, რომლის განმავლობაშიც ნივთიერება დაიშლება სხვადასხვა, შედარებით სტაბილურ პროდუქტებამდე. თავდაპირველი იზოტოპისა და მისი დაშლის პროდუქტისა და სტაბილური იზოტოპის შეფარდების ცვლილება პროგნოზირებადია; ეს პროგნოზირებადობა იძლევა საშუალებას, იზოტოპის შეფარდებითი შემადგენლობა გამოვიყენოთ როგორც საათი, რომელიც ზომავს დროს იზოტოპის შერევიდან (მაგალითად, წიაღისეულში) დღევანდელ დღემდე.
ნახშირბად-14-ის რადიოაქტიული დაშლის გრაფიკი. დროთა განმავლობაში ნახშირბად-14-ის რაოდენობა ექსპონენციურად კლებულობს. დრო, როდესაც თავდაპირველი ნახშირბად-14-ის ნახევარი დაიშალა, ხოლო ნახევარი დარჩა, აღნიშნულია როგორც t 1/2. ამ დროს ასევე უწოდებენ ნახშირბად-14-ის რადიოიზოტოპის ნახევარდაშლის პერიოდს, რაც 5730 წელიწადს უდრის.
სურათის წყარო: მოდიფიცირებულია CK-12 Biology-დან
მაგალითად, ნახშირბადი ატმოსფეროში გვხვდება აირების სახით, ლოგორიცაა ნახშირბადის დიოქსიდი, და არსებობს მისი სამი იზოტოპური ფორმა: ნახშირბად-12 და ნახშირბად-13, რომლებიც სტაბილურია, და ნახშირბად-14, რომელიც რადიოაქტიურია. ნახშირბადის ეს ფორმები ატმოსფეროში გვხვდება ფარდობითად მუდმივი პროპორციებით; ნაშირბად-12 არის ძირითადი ფორმა, დაახლოებით 99%, ნახშირბად-13 მცირე ოდენობით, დაახლოებით 1%, ხოლო ნახშირბად-14 არსებობს მხოლოდ ძალიან მცირე ოდენობით1^1. როცა მცენარეები იწოვენ ნახშირბადის დიოქსიდს ჰაერიდან შაქრების შესაქმნელად, ნახშირბად-14-ის შეფარდებითი ოდენობა მათ ქსოვილებში იქნება ატმოსფეროში ნახშირბად-14-ის ოდენობის ტოლი. როცა ცხოველები ჭამენ მცენარეებს, ან სხვა ცხოველებს, რომლებიც მცენარეებით იკვებებიან, მათ სხეულში ნახშირბად-14-ის კონცენტრაციაც იქნება ატმოსფერული კონცენტრაციის შესაბამისი. როცა ორგანიზმი კვდება, ის წყვეტს ნახშირბად-14-ის მიღებას, ანუ მასში დარჩენილი ნახშირბად-14-ისა და ნახშირბად12-ის თანაფარდობა, მაგალითად, განამარხებულ ძვლებში, დაიკლებს, როცა ნახშირბად-14 თანდათანობით დაიშლება აზოტ-14-მდე2^2.
ნახევარდაშლის 5,730 წლიანი პერიოდის შემდეგ, ნახევარი იმ ნახშირბად-14-ისა, რაც თავდაპირველად გვქონდა, უკვე გადაქცეული იქნება აზოტ-14-ად. ეს თვისება შეიძლება გამოვიყენოთ წარსულში ცოცხალი ორბანიზმების, როგორიცაა ძველი ძვლები ან ხეები, დასათარიღებლად. ნახშირბად-14-ისა და ნახშირბად-12-ის თანაფარდობის შედარებით ატმოსფეროში ამავე თანაფარდობასთან, რომელიც ორგანიზმში თავდაპირველი კონცენტრაციის ტოლია, შეიძლება განვსაზღვროთ იზოტოპის ნაწილი, რაც ჯერ არ დაშლილა. ამ ნაწილზე დაყრდნობით, შეიძლება ორგანიზმის ასაკის ზუსტად გამოთვლა, თუ ის 50 000 წელზე მეტის არ არის. სხვა ელემენტებს სხვა ნახევარდაშლის პერიოდის მქონე იზოტოპები აქვთ და, შესაბამისად, მათი გამოყენება შეიძლება ასაკის გამოსათვლელად დროის სხვადასხვა მასშტაბით. მაგალითად, კალიუმ-40-ს დახევარდაშლის პერიოდია 1.25 მილიარდი წელი, ურან-235-ის ნახევარდაშლის პერიოდი კი 700 მილიონი წელიწადია და გამოიყენება მთვარის ქვების2^2 ასაკის გამოსათვლელად.

ატრიბუცია:

მოდიფიცირებული სტატიის თავდაპირველი ორი ვერსიაა:
სახეცვლილი სტატია ვრცელდება CC BY-NC-SA 4.0 ლიცენზიით.

ციტირებული შრომები:

  1. "Isotopes of Carbon." Wikipedia. 8 სექტემბერი, 2015. მოძიების თარიღი 4 ოქტომბერი, 2015. https://en.wikipedia.org/wiki/Isotopes_of_carbon.
  2. Reece, J. B., L. A. Urry, M. L. Cain, S. A. Wasserman, P. V. Minorsky, and R. B. Jackson. "Calibrating a Standard Radioactive Isotope Decay Curve and Interpreting Data." In Campbell Biology, 28-43. 10th ed. San Francisco, CA: Pearson, 2011.

დამატებითი ბიბლიოგრაფია:

"Atomic Mass." Wikipedia. 6 ივნისი, 2015. მოძიების თარიღი 24 ივნისი, 2015. https://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_mass.
"Atomic Mass". UC Davis ChemWiki. მოძიების თარიღი 24 ივნისი, 2015. http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/Atomic_Theory/Atomic_Mass
Brain, M. "How Carbon-14 Dating Works." HowStuffWorks. October 3, 2000. http://science.howstuffworks.com/environmental/earth/geology/carbon-14.htm.
Raven, P. H., G. B. Johnson, K. A. Mason, J. B. Losos, and S. R. Singer. "The Nature of Molecules and Properties of Water." In Biology, 17-30. 10th ed. AP Edition. New York, NY: McGraw-Hill, 2014.
Reece, J. B., L. A. Urry, M. L. Cain, S. A. Wasserman, P. V. Minorsky, and R. B. Jackson. "The Chemical Context of Life." In Campbell Biology, 28-43. 10th ed. San Francisco, CA: Pearson, 2011.
იტვირთება