Ізотопи (від з... і греч.(грецький) tópos — місце), різновиди одного хімічного елементу, що займають одне місце в періодичній системі елементів Менделєєва, але що відрізняються масами атомів. Хімічні властивості атомів, тобто приналежність атома до того або іншого хімічного елементу, залежать від числа електронів і їх розташування в електронній оболонці атома (див. Атом ). Місце хімічного елементу в періодичній системі елементів визначається його порядковим номером Z , рівним числу електронів в оболонці атома або, що те ж саме, числу протонів, що містяться в атомному ядрі. Окрім протонів, в ядро атома входять нейтрони, маса кожного з яких приблизно рівна масі протона. Кількість нейтронів N в ядрі атома з даним Z може бути різним, але в певних межах. Наприклад, в ядрі атома гелію ( Z = 2) може міститися 1, 2, 4 або 6 нейтронів. Повне число протонів Z і нейтронів N в ядрі (називається загальним терміном нуклони) визначає масу ядра і по суті масу всього атома. Це число А = Z + N називається масовим числом атома. Від співвідношення чисел протонів і нейтронів в ядрі залежать стабільність або нестабільність ядра, тип розпаду радіоактивного ядра, спин, магнітний дипольний момент, електричний квадрупольний момент ядра і деякі інші його властивості (див. Ядро атомне ). Таким чином, атоми з однаковим Z , але з різним числом нейтронів N володіють ідентичними хімічними властивостями, але мають різні маси і різні ядерні властивості. Ці різновиди атомів також називаються І. Для позначення будь-яких різновидів атомів, незалежно від їх приналежності до одного елементу, застосовують термін нукліди.
Масове число І. приводиться зверху зліва від хімічного символу елементу. Наприклад, І. гелію позначаються: 3 He, 4 He, 6 He, 8 He. Більш розгорнуті позначення: 12Не 3 , 22he 4 , 4 2 Не 6 , 6 2 He 8 , де нижній індекс вказує число протонів Z , верхній лівий індекс — число нейтронів N, а верхній правий — масове число. При позначенні І. без вживання символу елементу масове число А дається після найменування елементу: гелій-3, гелій-4 і тому подібне
Маси атомів М-коду , виражені в атомних одиницях маси, лише трохи відрізняються від цілих чисел. Тому різниця М-коду — А завжди правильний дріб, по абсолютній величині менше 1 / 2 , і таким чином масове число А є найближче до маси атома М-коду ціле число. Знання маси атома визначає повну енергію E зв'язку всіх нуклонів в ядрі. Ця енергія виражається співвідношенням E = D Mc 2 , де с — швидкість світла у вакуумі, D М-коду — різниця між сумарною масою всіх вхідних в ядро нуклонів у вільному стані і масою ядра, яка дорівнює масі нейтрального атома без маси всіх електронів.
Перший доказ того, що речовини, що мають однакову хімічну поведінку можуть мати різні фізичні властивості, було отримано при дослідженні радіоактивних перетворень атомів важких елементів. У 1906—07 з'ясувалося, що продукт радіоактивного розпаду урану — іоній і продукт радіоактивного розпаду торія — радіоторій мають ті ж хімічні властивості, що і торій, проте відрізняються від останнього атомною масою і характеристиками радіоактивного розпаду. Більш того, як було виявлено пізніше, всі три елементи мають однакові оптичні і рентгенівські спектри. Такі речовини, ідентичні по хімічних властивостях, але різні по масі атомів і деяким фізичним властивостям, за пропозицією англійського ученого Ф. Содді, стали називати І.
Після того, як І. були виявлені в важких радіоактивних елементів, почалися пошуки І. в стабільних елементів. У 1913 англійський фізик Дж. Томсон виявив І. в неону. Розроблений ним метод парабол дозволяв визначити відношення маси іона до його заряду по відхиленню в паралельно направлених електричному і магнітному полях тонкого пучка позитивних іонів, що отримуються у високовольтному електричному розряді (див. Мас-спектрометри ). Поряд з атомами 20 Ne Томсон спостерігав невелику домішку важчих атомів. Проте переконливих доказів того, що друга компонента важчих атомів є І. неону, отримано не було. Лише за допомогою першого масс-спектрографа, побудованого в 1919 англійським фізиком Ф. Астоном, були отримані надійні докази існування два І. 20 Ne і 22 Ne відносний вміст (поширеність) яких в природі складає приблизно 91% і 9% . В дальнейшем був виявлений ізотоп 21 Ne з поширеністю 0,26%, І. хлору, ртуті і ряду інших елементів. Приблизно до 1940 ізотопний аналіз був здійснений для всіх елементів, що існували на Землі. В результаті цього були виявлені і ідентифіковані практично всі стабільні і довгоживучі радіоактивні І. природних елементів.
У 1934 І. Кюрі і Ф. Жоліо отримали штучним шляхом радіоактивні І. азоту ( 13 N), кремнію ( 28 Si) і фосфору ( 30 P), відсутні в природі. Цими експериментами вони продемонстрували можливість синтезу нових радіоактивних нуклідів. У подальші роки за допомогою ядерних реакцій під дією нейтронів і прискорених заряджених часток було синтезовано велике число радіоактивних І. відомих елементів, а також отримано близько 20 нових елементів. Відомо 276 стабільних І., що належать 81 природному елементу, і близько 1500 радіоактивних І. 105 природних і синтезованих елементів.
Аналіз співвідношень між числами нейтронів і протонів для різних І. одного і того ж елементу показує, що ядра стабільних І. і радіоактивних І., стійких по відношенню до бета-розпаду, містять на кожен протон не менш одного нейтрона. Виняток з цього правила становлять лише два нукліди — 1 H і 3 He. У міру переходу до усе більш важких ядер відношення числа нейтронів до протонів в ядрі зростає і досягає 1,6 для урану і трансуранових елементів .
Елементи з непарним Z мають не більше двох стабільних І. Как правило, число нейтронів N в таких ядрах парне, і, отже, масове число А — непарне. Більшість елементів з парним Z має декілька стабільних І., з яких не більше двох з непарним А. Найбільше число І. (10) має олово, 9 І. — в Ксенону, 8 — в кадмію і теллура. Багато елементів мають 7 І.
Такі широкі варіації в числі стабільних І. в різних елементів обумовлені складною залежністю енергії зв'язку ядра від числа протонів і нейтронів в ядрі. У міру зміни числа нейтронів N в ядрі з даним числом протонів Z енергія зв'язку ядра і його стійкість по відношенню до різних типів розпаду міняються. При додаванні нейтронів ядро стає нестійким по відношенню до випускання електрона з перетворенням одного нейтрона в ядрі в протон (див. Ядро атомне ). Тому нейтронообогащенниє І. всіх елементів b — -актівни (див. Бета-розпад ). Навпаки, при збідненні нейтронами ядро отримує можливість або захопити електрон з оболонки атома, або випустити позитрон . При цьому один протон перетворюється на нейтрон і оптимальне співвідношення між числом протонів і нейтронів в ядрі відновлюється. Нейтронообедненниє І. всіх елементів випробовують або електронний захват або позитронний розпад. У тяжелых ядер спостерігаються також альфа-розпад і мимовільне (спонтанне) ділення ядер. Здобуття нейтроноїзбиточних І. елементів можливо декількома способами. Один з них — реакція захвату нейтронів ядрами стабільних І. Другой — ділення важких ядер під дією нейтронів або заряджених часток, в результаті якої з одного важкого ядра з великим відносним вмістом нейтронів утворюються два нейтронообогащенних ядра. Нейтронообогащенниє І. легких елементів ефективно утворюються в реакціях багатонуклонного обміну при взаємодії прискорених важких іонів з речовиною. Синтез нейтроно-дефіцитніх І. здійснюється в ядерних реакціях під дією прискорених заряджених легких часток або важких іонів.
Все стабільні І. на Землі виникли в результаті ядерних процесів, що протікали у віддалені часи, і їх поширеність залежить від властивостей ядер і від первинних умов, в яких відбувалися ці процеси. Ізотопний склад природних елементів на Землі, як правило, постійний. Це пояснюється тим, що він не піддається значним змінам в хімічних і фізичних процесах, що протікають на Землі. Проте невеликі коливання у відносній поширеності І. все же спостерігаються для легких елементів, в яких відмінність в масах атомів І. відносно велике. Ці коливання обумовлені зміною ізотопного складу елементів (фракціонуванням І.), що відбувається в результаті дифузії, зміни агрегатного стану речовини, при деяких хімічних реакціях і інших процесах, що безперервно протікають в атмосфері і земній корі (див. Ізотопів розділення, Ізотопні методи в геології, Ізотопний обмін ). Зміна ізотопного складу елементів, інтенсивно мігруючих в біосфері (Н, З, N, Про, S), зв'язана і з діяльністю живих організмів.
Для нуклідів, що утворюються в результаті радіоактивного розпаду, наприклад для І. свинцю, різний вміст І. у різних зразках обумовлено різним первинним вмістом їх родоначальників (U або Th) і різним геологічним віком зразків (див. Геохронологія, Мас-спектроскопія, Радіоактивність ) .
Єдність утворення тіл Сонячної системи дозволяє думати, що ізотопний склад елементів земних зразків характерний для всієї Сонячної системи в цілому (за наявності відомих коливань). Метеори і глибокі шари земної кори показують приблизно однакове відношення 16 O/ 18 O. Астрофізичні дослідження виявляють відхилення ізотопного складу елементів, складових зоряну речовину і міжзоряне середовище, від земного. Наприклад, для вуглецевих R -звезд відношення 12 C/ 13 C змінюється від 4—5 до земного значення.
Можливість домішувати до природних хімічних елементів їх радіоактивні І. дозволяє стежити за різними хімічними і фізичними процесами, в яких бере участь даний елемент, за допомогою детекторів радіоактивних випромінювань. Цей метод отримав широке вживання в біології, хімії, медицині, а також в техніці. Інколи домішують стабільні І., присутність яких виявляють надалі спектральними для мас методами (див. Ізотопні індикатори ).
Важливою проблемою є виділення окремих І. з їх природної або штучно отриманої суміші або збагачення цієї суміші яким-небудь І.
Літ.: Астон Ф. Ст, маси-спектри і ізотопи, перло.(переведення) з англ.(англійський), М., 1948; Кравцов Ст А., Маси атомів і енергії зв'язку ядер, М. 1965; Lederer С. М., Hollander J. М., Periman I., Table of isotopes, 6 ed., N. Y. — [а. о.], 1967.
