Изотопы
Явления, которые были открыты при исследовании радиоактивности, заставили ученых предположить, что химические элементы, являясь совершенно чистыми химически, на самом, деле являются смесью атомов одинаковой структуры, но разной массы.
При измерении атомных масс были обнаружены разновидности атомов химических элементов, которые имеют одинаковый заряд, но разную атомную массу. Атомные массы изотопов называют изотопными массами. Их измерения показали, что они всегда в атомных единицах массы (а.е.м.) являются числами близкими к целым.
В большом числе случаев каждый химический элемент имеет постоянное содержание (в процентах) разных изотопов. При этом химический элемент имеет определенную атомную массу, которая является средней величиной масс всех его изотопов. И так, чистый химический элемент -- смесь своих изотопов, которые различаются атомными массами.
Изотопными (изотопическими) эффектами называют различие в свойствах изотопов исследуемого элемента, которые вызваны разницей масс изотопов. Данные свойства проявляются в любых свойствах изотопов, за исключением радиоактивных.
Для большей части элементов их изотопы имеют очень небольшие различия в атомных весах, то изотопические эффекты проявляются слабо. Так, для элементов от $Li$ о $Ne$ относительная разница в атомных массах изотопов составляет не более $35\%$, для тяжелых элементов она не более $15\%$.
Только для элементов, относящихся к первому периоду таблицы Менделеева $(H, He)$ относительные разницы в массах изотопов очень велики. Так, для водорода максимальная разница составляет: $200\%$, а для He -- $100\%$.
Допустим, что мы имеем два изотопа. Их массы равны $M_1$ и $M_2$. В таком случае если энергии электронов на каком-то уровне равны $E_1$ и $E_2$, то их отношение равно:
где $m_e$ -- масса электрона.
Строения электронных оболочек изотопов и состояния энергии электронов практически одинаковы. Этот факт объясняет одинаковые химические свойства элемента.
Однако изотопы имеют физико-химические особенности. Это ведет к изотопическим эффектам, которые делят на термодинамические и кинетические.
На сегодняшний день известно около 300 устойчивых изотопов и более $100$ радиоактивных изотопов.
Для ядерной техники весьма важным является разделение разных изотопов одного химического элемента. При этом решают 2 задачи: получают чистые изотопы и обогащают смеси изотопов избранным изотопом.
Изотопический сдвиг
Связь оптических спектров с массой изотопа называют изотопическим сдвигом. Изотопическим сдвигом называют сдвиг уровней энергии и линий спектра атомов разных изотопов для одного химического элемента по отношению друг к другу. Изотопический сдвиг может проявляться в колебательных и вращательных спектрах молекул, если они имеют в своем составе изотопы одного элемента.
Данный эффект вызван следующими причинами:
-
Перемещением ядра относительно центра инерции атома.
-
Обменным квантовым взаимодействием электронов в атоме.
Изотопический сдвиг называют положительным, если длина волны линии спектра при увеличении массы ядра атома уменьшается. Разница длин волн при изотопическом сдвиге применяется в разделении изотопов при помощи лазера.
Величина изотопического сдвига и сверхтонкого расщепления могут быть примерно одинакового порядка. У лёгких элементов изотопический сдвиг называют массовым эффектом, так как смещение вызвано зависимостью энергии уровней от массы ядра. Для водородоподобных атомов разность термов изотопов имеющих массы $M_1$ и $M_2$ можно определить как:
где $R=R\left(M\right)=R{\left(1+\frac{m_e}{M}\right)}^{-1}\approx R(1-\frac{m_e}{M})$, $M$ -- масса ядра. Уровни тяжелого изотопа смещаются вниз по отношению к уровням более легкого изотопа.
Термодинамические изотопические эффекты
Разные атомные массы изотопов вызывают разницу в свойствах изотопных соединений таких как: вязкость, плотность, преломление, диффузия, переход в состояние сверхпроводимости в зависимости от состава изотопов.
Изменение энергоуровней при изотопном замещении обуславливает изменение термодинамических свойств, например, теплоемкости, теплопроводности, плавления, теплоты испарения, температуры кипения и др. Надо заметить, что химические свойства соединений изотопов неизменны, так как масса атома не влияет на конфигурацию электронов, которая в сою очередь определяет химические свойства. Однако изотопный состав все же оказывает влияние на химические процессы. Так как термодинамическая разница изотопных соединений ведет к неравномерности в распределении изотопов при равновесном изотопном обмене и преимущественной адсорбции одной из форм на сорбенте.
Кинетические изотопические эффекты
Термодинамическая неравновесность первоначальных соединений изотопов сочетается с неравновесием переходных состояний при реакциях, это определяет разницу в скорости течения химических реакций. Это составляет суть кинетических эффектов. Данные эффекты проявляются через отношение постоянных скоростей химических реакций для разных соединений изотопов. Кинетическое поведение изотопов можно определять отношением постоянных скоростей одинаковых реакций, которые идут при участии разных составов изотопов.
Надо отметить, что:
-
Химические, термодинамические, кинетические свойства разных изотопов одного элемента почти одинаковы. Исключением являются свойства самых легких элементов системы Менделеева $(H, He,Li,B).$
-
Свойства элемента можно изучать, исследуя поведение любой совокупности его изотопов. Что является особенно значимым для радиоактивных элементов, так как их изотопный состав имеет динамический характер.
Разница в свойствах изотопов дает возможность разделить изотопы и находить их содержание в изотопных смесях. Такой анализ основывается на присутствии какого -- либо изотопического эффекта. Так, методы разделения, в которых применяется реакция изотопного обмена, имеет в своем основании термодинамический изотопный эффект. Электрохимический метод получения тяжелой воды основан на кинетическом изотопном эффекте.
Задание: Как изменится картина сверхтонкого расщепления, если учесть, что элемент является смесью нескольких изотопов?
Решение:
Спины и магнитные моменты ядер разных изотопов одного элемента неодинаковы. Соответственно, изотопы отличаются характером сверхтонкого расщепления. Картина наблюдения усложняется и состоит из наложения картин, которые получаются от каждого отдельного изотопа.
Задание: В чем состоит суть метода изотопных индикаторов?
Решение:
Данный метод предложили Д. Хевеши и Ф. Панет в $1913$ г. Изотоп, который используют как метку, вводят состав исследуемого вещества. При этом используют и стабильные и радиоактивные изотопы. Рассматриваемый метод основан на том, что химические свойства изотопов одного и того же элемента практически одинаковы. Вследствие чего, «меченые» атомы в исследуемых процессах ведут себя так же как остальные атомы этого элемента. Кроме того данные атомы легко обнаружить (в особенности, если применяются радиоактивные атомы). Трудность метода в том, что следует учитывать возможность прохождения реакций изотопного обмена. Данные реакции ведут к тому, что меченые атомы перераспределяются, и метка теряется. Стабильные изотопы имеют преимущество, так как они устойчивы и нет необходимости учитывать ядерное излучение. Но только небольшая часть элементов имеет такие изотопы. Эти изотопы сложнее обнаруживать. Основной метод анализа стабильных изотопов -- масс-спектрометрия, спектральные методы и парамагнитный резонанс.
Радиоактивные изотопы можно получить почти для всех элементов системы Менделеева. Их легко обнаружить. Но при их использовании следует учесть радиационные эффекты, которые могут влиять на ход изучаемого процесса. Данные изотопы определяют по излучению, применяя, например, счетчик Гейгера.
