Izotop je varijanta elementa koja ima drugačiju atomsku težinu od drugih varijanti. Osim najčešćeg oblika vodika – koji ima samo proton – svaka atomska jezgra u normalnoj materiji sastoji se od protona i neutrona. Izotopi danog elementa imaju isti broj protona, ali različit broj neutrona. U osnovi imaju ista kemijska svojstva, ali se malo razlikuju po svojim fizičkim karakteristikama, kao što su talište i vrelište. Neki izotopi su nestabilni i imaju tendenciju raspadanja na druge elemente, dajući subatomske čestice ili zračenje; oni su radioaktivni i poznati su kao radioizotopi.
Kada se znanstvenici pozivaju na određeni izotop elementa, maseni broj ili broj protona plus broj neutrona pojavljuje se u gornjem lijevom kutu, pored simbola za element. Na primjer, oblik vodika koji ima proton i neutron zapisuje se kao 2H. Slično, 235U i 238U su dva različita izotopa urana. Oni se također obično pišu kao uran-235 i uran-238.
Atomska jezgra
Neutroni su električni neutralni, ali protoni imaju pozitivan električni naboj. Budući da se slični naboji odbijaju, jezgri koja sadrži više od jednog protona treba nešto da spriječi da se te čestice razlijete. To nešto se naziva jakom nuklearnom silom, ponekad se naziva jednostavno jakom silom. Mnogo je jača od elektromagnetske sile koja je odgovorna za odbijanje između protona, ali za razliku od ove sile ima vrlo kratak domet. Jaka sila veže protone i neutrone zajedno u jezgri, ali elektromagnetska sila želi razdvojiti protone.
Stabilne i nestabilne jezgre
U lakšim elementima, jaka sila može držati jezgru zajedno sve dok ima dovoljno neutrona da razrijedi elektromagnetsku silu. Tipično, u ovim elementima, brojevi protona i neutrona su otprilike isti. U težim elementima mora postojati višak neutrona kako bi se osigurala stabilnost. Međutim, izvan određene točke ne postoji konfiguracija koja osigurava stabilnu jezgru. Niti jedan od elemenata teži od olova nema stabilne izotope.
Previše neutrona također može učiniti izotop nestabilnim. Na primjer, najčešći oblik vodika ima jedan proton i nema neutrona, ali postoje dva druga oblika, s jednim i dva neutrona, koji se nazivaju deuterij i tricij. Tricij je nestabilan jer ima previše neutrona.
Kada se nestabilna ili radioaktivna jezgra raspadne, ona se pretvara u jezgru drugog elementa. Dva su mehanizma pomoću kojih se to može dogoditi. Alfa raspad se događa kada jaka sila ne može držati sve protone u jezgri zajedno. Međutim, umjesto da se samo izbaci proton, izbacuje se alfa čestica koja se sastoji od dva protona i dva neutrona. Protoni i neutroni su čvrsto povezani i alfa čestica je stabilna konfiguracija.
Beta raspad nastaje kada jezgra ima previše neutrona. Jedan od neutrona pretvara se u proton, koji ostaje u jezgri, i elektron koji se izbacuje. U tritiju će se, na primjer, jedan od njegova dva neutrona, prije ili kasnije, pretvoriti u proton i elektron. To daje jezgru s dva protona i jednim neutronom, što je oblik helija, poznat kao 3He ili helij-3. Ovaj izotop je stabilan, unatoč višku protona, jer je jezgra dovoljno mala da je snažna sila drži zajedno.
Poluživoti
Postoji temeljna nesigurnost u vezi s vremenom koje je potrebno da se pojedinačna nestabilna jezgra raspadne; međutim, za dati izotop, brzina raspada je predvidljiva. Moguće je dati vrlo preciznu vrijednost za vrijeme koje će biti potrebno da se polovica uzorka određenog izotopa raspadne u drugi element. Ova vrijednost je poznata kao vrijeme poluraspada i može varirati od malog djelića sekunde do milijardi godina. Najčešći oblik elementa bizmuta ima vrijeme poluraspada milijardu puta dulje od procijenjene starosti svemira. Nekada se smatralo da je to najteži stabilni element, ali se pokazalo da je vrlo malo radioaktivan 2003. godine.
Nekretnine
Osim radioaktivnosti, različiti izotopi elementa pokazuju različita fizikalna svojstva. Teži oblici, s više neutrona, obično imaju više točke taljenja i vrelišta, zbog činjenice da je potrebno više energije da se njihovi atomi i molekule kreću dovoljno brzo da dovedu do promjene stanja. Na primjer, “teška voda”, oblik vode u kojoj je normalni vodik zamijenjen težim deuterijem, smrzava se na 38.9°F (3.82°C) i ključa na 214.5°F (101.4°C), za razliku od 32°C F (0°C) i 212°F (100°C), za običnu vodu. Kemijske reakcije mogu se odvijati nešto sporije za teže izotope iz istog razloga.
Koristi
Vjerojatno najpoznatiji izotop je 235U, zbog njegove upotrebe u nuklearnoj energiji i oružju. Njegova nestabilnost je takva da može proći nuklearnu lančanu reakciju, oslobađajući ogromne količine energije. “Obogaćeni” uran je uran s višom koncentracijom ovog izotopa, dok “obogaćeni” uran ima puno nižu koncentraciju.
Radiometrijsko datiranje koristi omjere različitih izotopa za procjenu starosti uzoraka, kao što su biološki materijali ili stijene. Radiokarbonsko datiranje, na primjer, koristi radioaktivni izotop 14C, ili ugljik-14, do danas materijale koji sadrže ugljik organskog podrijetla. Starost i geološka povijest Zemlje poznati su uglavnom kroz usporedbu omjera različitih izotopa u uzorcima stijena.
U biologiji i medicini, male količine blago radioaktivnih izotopa mogu se koristiti kao atomski markeri za praćenje kretanja raznih tvari, poput lijekova, kroz tijelo. Jači radioaktivni izotopi mogu se koristiti kao izvor zračenja za uništavanje tumora i kancerogenih izraslina. Helij-3, za koji se smatra da postoji u velikim količinama na Mjesecu, među najperspektivnijim je dugoročnim gorivima za fuzijske energetske reaktore. Međutim, njegovo učinkovito korištenje zahtijevat će prvo svladavanje drugih oblika fuzije.