Atomer är "materiens byggstenar". Allt som har massa och upptar utrymme (genom att ha volym) består av dessa små små enheter. Det gäller luften du andas, vattnet du dricker och kroppen själv.
Isotoper är ett viktigt begrepp i studiet av atomer. Kemister, fysiker och geologer använder dem för att förstå vår värld. Men innan vi kan förklara vad isotoper är – eller varför de är så viktiga – måste vi ta ett steg tillbaka och titta på atomer som en helhet.
Nu är det kul
Sport och vetenskap korsar varandra oftare än man tror. New Mexicos största stad landade ett nytt basebolllag i mindre liga 2003. Vad heter det? Albuquerque-isotoperna. En hänvisning till ett avsnitt av säsong 12 av "The Simpsons", lagets ovanliga namn har haft en trevlig bieffekt:av nödvändighet delar bollparkanställda regelbundet ut kemilektioner till nyfikna fans.
InnehållSom du säkert vet har atomer tre huvudkomponenter - varav två finns i kärnan. Ligger i mitten av atomen, kärnan är ett tätt packat kluster av partiklar. Vissa av dessa partiklar är protoner , som har positiva elektriska laddningar.
Det är väldokumenterat att motsatta laddningar lockar. Samtidigt tenderar liknande laddade kroppar att stöta bort varandra. Så här är en fråga:Hur kan två eller flera protoner - med sina positiva laddningar - samexistera i samma kärna? Borde de inte trycka undan varandra?
Det är där neutronerna kommer in. Neutroner är subatomära partiklar som delar kärnor med protoner. Men neutroner har ingen elektrisk laddning. I enlighet med sitt namn är neutroner neutrala och är varken positivt eller negativt laddade. Det är en viktig egenskap. På grund av sin neutralitet kan neutroner hindra protoner från att driva ut varandra ur kärnan.
Runt om kärnan finns elektronerna , ultralätta partiklar med negativa laddningar. Elektroner underlättar kemisk bindning - och deras rörelser kan producera en liten sak som kallas elektricitet. Protoner är inte mindre viktiga. För det första hjälper de forskare att skilja elementen åt.
Du kanske har märkt att i de flesta versioner av det periodiska systemet har varje kvadrat ett litet nummer tryckt i det övre högra hörnet ovanför elementsymbolen. Den siffran kallas atomnumret . Den berättar för läsaren hur många protoner som finns i atomkärnan hos ett visst grundämne. Till exempel är syrets atomnummer åtta. Varje syreatom i universum har en kärna med exakt åtta protoner; varken mer, inte mindre.
Utan detta mycket specifika arrangemang av partiklar, skulle syre inte vara syre. Varje grundämnes atomnummer - inklusive syre - är helt unikt. Inga två grundämnen kan ha samma atomnummer. Inget annat grundämne har åtta protoner per kärna. Genom att räkna antalet protoner kan du identifiera en atom. Precis som syreatomer alltid kommer att ha åtta protoner, kommer kväveatomer alltid med sju. Så enkelt är det.
Neutroner följer inte efter. Kärnan i en syreatom kommer garanterat att hysa åtta protoner (som vi har fastställt). Men den kan också innehålla allt från fyra till 20 neutroner. Isotoper är varianter av samma grundämne som har olika antal neutroner (och därmed potentiellt olika fysikaliska egenskaper). De tenderar dock att ha samma kemiska egenskaper.
Nu är varje isotop namngiven på basis av dess massnummer , vilket är det totala sammanlagda antalet neutroner och protoner i en atom. Till exempel kallas en av de mer kända syreisotoperna oxygen-18 (O-18). Den har standard åtta protoner plus 10 neutroner.
Massantalet för O-18 är alltså – du gissade rätt – 18. En besläktad isotop, oxygen-17 (O-17), har en neutron färre i kärnan. O-16 har alltså samma antal protoner och neutroner:åtta. Bland denna trio är O-16 och O-17 de lättare isotoperna, och O-16 är också den vanligaste isotopen av de tre.
Vissa kombinationer är starkare än andra. Forskare klassificerar O-16, O-17 och O-18 som stabila isotoper. I en stabil isotop håller krafterna som utövas av protonerna och neutronerna varandra samman och håller kärnan intakt permanent.
Å andra sidan är kärnan i en radioaktiv isotop, även kallad en "radioisotop", instabil och kommer att sönderfalla med tiden. En radioaktiv isotop har ett proton-till-neutronförhållande som är i grunden ohållbart i det långa loppet. Ingen vill stanna i den situationen. Därför kommer radioaktiva isotoper att avge vissa subatomära partiklar (och frigöra energi) tills de har omvandlat sig själva till fina, stabila isotoper.
O-18 är stabilt, men oxygen-19 (O-19) är det inte. Det senare kommer oundvikligen att gå sönder - snabbt! Inom 26,88 sekunder efter att det skapades kommer ett prov av O-19 garanterat att förlora hälften av sina atomer till radioaktivt sönderfalls härjningar.
Det betyder att O-19 har en halveringstid på 26,88 sekunder. En halveringstid är den tid det tar 50 procent av ett isotopprov att sönderfalla. Kom ihåg detta koncept; vi kommer att koppla det till paleontologi i nästa avsnitt.
Men innan vi pratar fossilvetenskap finns det en viktig punkt som måste göras. Till skillnad från syre har vissa grundämnen inga som helst stabila isotoper. Tänk på uran, ett av de mest kända radioaktiva grundämnena. I den naturliga världen finns det tre isotoper av denna tungmetall, och de är alla radioaktiva, med atomkärnorna i ett konstant tillstånd av förfall. Så småningom kommer en bit uran att förvandlas till ett helt annat grundämne i det periodiska systemet.
Bry dig inte om att försöka se övergången i realtid. Processen utvecklas väldigt, mycket långsamt.
Uran-238 (U-238), grundämnets vanligaste isotop, har en halveringstid på cirka 4,5 miljarder år! Efter hand kommer detta att bli bly-206 (Pb-206), vilket är stabilt. På samma sätt övergår uran-235 (U-235) - med sin halveringstid på 704 miljoner år - till bly-207 (Pb-207), en annan stabil isotop. (Både U-238 och U-235 är exempel på naturligt förekommande isotoper.)
För geologer är detta verkligen användbar information. Låt oss säga att någon hittar en stenplatta vars zirkonkristaller innehåller en blandning av U-235 och Pb-207. Förhållandet mellan dessa två atomer kan hjälpa forskare att bestämma bergartens ålder.
Så här gör du:Låt oss säga att blyatomerna är betydligt fler än sina motsvarigheter i uran. I så fall vet du att du tittar på en ganska gammal sten. Uranet hade trots allt gott om tid på sig att börja förvandla sig till bly. Å andra sidan, om motsatsen är sant - och uranatomerna är vanligare - måste berget vara på den yngre sidan.
Tekniken vi just har beskrivit kallas radiometrisk datering. Det är handlingen att använda de väldokumenterade sönderfallshastigheterna för instabila isotoper för att uppskatta åldern på stenprover och geologiska formationer. Paleontologer utnyttjar denna strategi för att avgöra hur mycket tid som har gått sedan ett visst fossil deponerades. (Även om det inte alltid är möjligt att datera exemplaret direkt.)
Du behöver inte vara en förhistoriafantast för att uppskatta isotoper. Läkare använder några av de radioaktiva varianterna för att övervaka blodflödet, studera bentillväxt och till och med bekämpa cancer. Radioisotoper har också använts för att ge bönder insikter om markkvalitet.
Så där har du det. Något så till synes abstrakt som neutronernas variation påverkar allt från cancerbehandling till djuptidens mysterier. Vetenskap är fantastiskt.
