Атомите на даден химичен елемент могат да съществуват в различни форми, които имат почти еднакво химично поведение, но различна маса. Тези форми се наричат изотопи на елемента. Всички атоми на един и същи елемент притежават един и същи брой протони (това е атомният номер), но различните изотопи се различават по броя на неутроните. Поради това различните изотопи имат и различна маса — неутроните допринасят за общата маса на ядрото.

Масово число и нотация

Масовото число (обикновено отбелязвано с A) е сборът от протони и неутрони в ядрото. За всеки изотоп важи равенството:

брой неутрони N = масово число A − брой протони Z.

Изотопът се означава по два често използвани начина: с името на елемента и масовия номер (напр. въглерод-12) или чрез супрескрипт пред символа на елемента (напр. 12C). Съответно изотопът с 8 неутрона се изписва като въглерод-14 или 14C.

Стабилни и радиоактивни изотопи

Някои изотопи са стабилни и не се променят с времето. Други са нестабилни и се превръщат в други ядра чрез радиоактивен разпад; тези се наричат радиоактивни изотопи. При разпада ядрата могат да емитират частици или гама-лъчение (напр. алфа-, бета- и гама-разпад). Важна характеристика на радиоизотопите е техният период на полуразпад — времето, за което половината от първоначалното количество се разпада.

Средна атомна маса и изотопно изобилие

Елементите в природата обикновено се срещат като смеси от изотопи. Поради това отчетът в периодичната таблица — относителната атомна маса — е среднопретеглена стойност, която зависи от естественото изобилие на всеки изотоп и от неговата маса (т.е. не е цяло число). Масата се измерва в атомни масови единици (u), като приблизително 1 u е равна на 1/12 от масата на атом на въглерод-12.

Примери

  • Водород: 1H (протий, няма неутрон), 2H (деутерий, 1 неутрон), 3H (тритий, 2 неутрона, радиоактивен).
  • Въглерод: въглерод-12 (стабилен), 13C (стабилен, ~1.1% в природата), въглерод-14 (14C, радиоактивен, използва се за радиовъглеродно датиране).
  • Уран: 238U (най-разпространеният, нестабилен с много дълъг период), 235U (по-рядък, но фисилен — важен за ядрени реакции).

Приложения на изотопите

Изотопите имат широко приложение в наука и техника:

  • Радиовъглеродно датиране (използва 14C) за определяне на възрастта на органични материали.
  • Медицинска диагностика и терапия — радиофармацевтици и трасери (напр. 18F в PET-скенери).
  • Ядрена енергетика — разграждане и делене на определени изотопи като 235U.
  • Изотопно маркиране и трасиране в химията и биологията за изучаване на реакции и метаболитни пътища.
  • Геохимия и климатология — съотношенията на стабилни изотопи (напр. O-16/O-18) дават информация за древни климатични условия.

Други термини, свързани с изотопите

  • Изобари — ядра с еднакво масово число A, но различен атомен номер Z (т.е. различни елементи, но същ брой нуклони).
  • Изотони — ядра с еднакъв брой неутрони N, но различен брой протони.
  • Изомерни състояния — някои ядра имат възбудени, относително устойчиви състояния (ядрени изомери), които могат да се разглеждат като „изотопи“ с различна енергия и полуживот.

Думата "изотоп" буквално означава "на едно и също място" и идва от факта, че изотопите на един и същи елемент заемат едно и също място в периодичната таблица — същият атомен номер, различно масово число.