Izotops ir tāda elementa variants, kura atomu svars atšķiras no citiem variantiem. Izņemot visizplatītāko ūdeņraža formu, kurā ir tikai protons, katrs parastās vielas atoma kodols sastāv gan no protoniem, gan neitroniem. Dotā elementa izotopiem ir vienāds protonu skaits, bet atšķirīgs neitronu skaits. Tiem būtībā ir vienādas ķīmiskās īpašības, bet nedaudz atšķiras to fizikālās īpašības, piemēram, kušanas temperatūra un viršanas temperatūra. Daži izotopi ir nestabili un mēdz sadalīties citos elementos, izdalot subatomiskas daļiņas vai starojumu; tie ir radioaktīvi un ir pazīstami kā radioizotopi.
Kad zinātnieki atsaucas uz konkrētu elementa izotopu, augšējā kreisajā stūrī blakus elementa simbolam tiek parādīts masas skaitlis vai protonu skaits plus neitronu skaits. Piemēram, ūdeņraža forma, kurai ir protons un neitrons, ir rakstīta kā 2H. Tāpat 235U un 238U ir divi dažādi urāna izotopi. Tos parasti raksta arī kā urāns-235 un urāns-238.
Atomu kodols
Neitroni ir elektriski neitrāli, bet protoniem ir pozitīvs elektriskais lādiņš. Tā kā līdzīgi lādiņi atgrūž, kodolam, kurā ir vairāk nekā viens protons, ir nepieciešams kaut kas, lai novērstu šo daļiņu izlidošanu. Šo kaut ko sauc par spēcīgo kodolspēku, ko dažreiz dēvē vienkārši par spēcīgu spēku. Tas ir daudz spēcīgāks par elektromagnētisko spēku, kas ir atbildīgs par atgrūšanos starp protoniem, taču atšķirībā no šī spēka tam ir ļoti mazs darbības rādiuss. Spēcīgais spēks saista protonus un neitronus kopā kodolā, bet elektromagnētiskais spēks vēlas izstumt protonus.
Stabili un nestabili kodoli
Vieglākos elementos spēcīgais spēks spēj noturēt kodolu kopā tik ilgi, kamēr ir pietiekami daudz neitronu, lai atšķaidītu elektromagnētisko spēku. Parasti šajos elementos protonu un neitronu skaits ir aptuveni vienāds. Smagākos elementos, lai nodrošinātu stabilitāti, ir jābūt neitronu pārpalikumam. Tomēr ārpus noteikta punkta nav konfigurācijas, kas nodrošinātu stabilu kodolu. Nevienam no elementiem, kas ir smagāki par svinu, nav stabilu izotopu.
Pārāk daudz neitronu var arī padarīt izotopu nestabilu. Piemēram, visizplatītākajā ūdeņraža formā ir viens protons un nav neitronu, bet ir arī divas citas formas ar vienu un diviem neitroniem, ko sauc attiecīgi par deitēriju un tritiju. Tritijs ir nestabils, jo tajā ir pārāk daudz neitronu.
Kad nestabils vai radioaktīvs kodols sadalās, tas pārvēršas par cita elementa kodolu. Ir divi mehānismi, kā tas var notikt. Alfa sabrukšana notiek, ja spēcīgais spēks nevar noturēt kopā visus protonus kodolā. Tomēr tā vietā, lai vienkārši izmestu protonu, tiek izmesta alfa daļiņa, kas sastāv no diviem protoniem un diviem neitroniem. Protoni un neitroni ir cieši saistīti kopā, un alfa daļiņa ir stabila konfigurācija.
Beta sabrukšana notiek, ja kodolā ir pārāk daudz neitronu. Viens no neitroniem pārvēršas par protonu, kas paliek kodolā, un par elektronu, kas tiek izmests. Piemēram, tritijā viens no diviem neitroniem agrāk vai vēlāk pārvērtīsies par protonu un elektronu. Tas dod kodolu ar diviem protoniem un vienu neitronu, kas ir hēlija forma, kas pazīstama kā 3He vai hēlijs-3. Šis izotops ir stabils, neskatoties uz protonu pārpalikumu, jo kodols ir pietiekami mazs, lai spēcīgais spēks to noturētu kopā.
Half-Lives
Pastāv būtiska nenoteiktība par laiku, kas nepieciešams, lai atsevišķam nestabilam kodolam sabruktu; tomēr konkrētam izotopam sabrukšanas ātrums ir paredzams. Ir iespējams norādīt ļoti precīzu vērtību laika periodam, kas nepieciešams, lai puse no konkrēta izotopa parauga sadalītos citā elementā. Šī vērtība ir pazīstama kā pussabrukšanas periods, un tā var svārstīties no niecīgas sekundes daļas līdz miljardiem gadu. Visizplatītākās elementa bismuta formas pussabrukšanas periods ir miljards reižu garāks par aplēsto Visuma vecumu. Kādreiz tas tika uzskatīts par smagāko stabilo elementu, taču 2003. gadā tika pierādīts, ka tas ir ļoti nedaudz radioaktīvs.
Rekvizīti
Papildus radioaktivitātes problēmai dažādiem elementa izotopiem ir atšķirīgas fizikālās īpašības. Smagākām formām ar vairāk neitronu parasti ir augstāka kušanas un viršanas temperatūra, jo ir nepieciešams vairāk enerģijas, lai to atomi un molekulas pārvietotos pietiekami ātri, lai mainītu stāvokli. Piemēram, “smagais ūdens”, ūdens veids, kurā parasto ūdeņradi aizstāj ar smagāku deitēriju, sasalst 38.9 °C (3.82 °F) un vārās 214.5 °C (101.4 °F) pretstatā 32 °C temperatūrai. F (0°C) un 212°F (100°C) parastajam ūdenim. Tā paša iemesla dēļ smagākiem izotopiem ķīmiskās reakcijas var noritēt nedaudz lēnāk.
Izmanto
Iespējams, slavenākais izotops ir 235U, jo to izmanto kodolenerģijā un ieročos. Tā nestabilitāte ir tāda, ka tajā var notikt kodola ķēdes reakcija, atbrīvojot milzīgu enerģijas daudzumu. “Bagātināts” urāns ir urāns ar lielāku šī izotopa koncentrāciju, savukārt “noplicinātajam” urānam ir daudz zemāka koncentrācija.
Radiometriskā datēšana izmanto dažādu izotopu proporcijas, lai novērtētu paraugu vecumu, piemēram, bioloģisko materiālu vai iežu vecumu. Radiooglekļa datēšana, piemēram, izmanto radioaktīvo izotopu 14C jeb oglekli-14, lai datētu materiālus, kas satur organiskas izcelsmes oglekli. Zemes vecums un ģeoloģiskā vēsture ir zināma galvenokārt, salīdzinot dažādu izotopu proporcijas iežu paraugos.
Bioloģijā un medicīnā nelielu daudzumu nedaudz radioaktīvu izotopu var izmantot kā atomu marķierus, lai izsekotu dažādu vielu, piemēram, narkotiku, kustībai caur ķermeni. Spēcīgākus radioaktīvos izotopus var izmantot kā starojuma avotu, lai iznīcinātu audzējus un vēža veidojumus. Hēlijs-3, kas, domājams, pastāv lielos daudzumos uz Mēness, ir viens no daudzsološākajiem ilgtermiņa kodolsintēzes enerģijas reaktoriem. Tomēr, lai to efektīvi izmantotu, vispirms būs jāapgūst citi saplūšanas veidi.