Isotooppi

Alkuaineen isotoopit ovat atomeja, joissa on sama määrä protoneja, mutta eri määrä neutroneja, joten ne poikkeavat massaltaan toisistaan.

Termi ja nimeäminen

Ensimmäisen kerran isotooppi-termiä käytti vuonna 1913 Margaret Toddlle, joka ehdotti nimeä Frederick Soddy. Soddy huomasi, että isotoopit kuuluvat samaan paikkaan jaksollisessa järjestelmässä kuin itse alkuaine. Todd ehdotti nimeksi kreikan kielistä sanaa, joka tarkoittaa samassa paikassa. Tällä juuri viittaa siihen, että saman alkuaineen isotoopit ovat alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä samassa paikassa.

Isotoopit nimetään IUPAC-nimeämiskäytännön mukaisesti siten, että ensin kirjoitetaan alkuaineen nimi ja jonka perään liitetään isotoopin massaluku. Esimerkiksi helium-3 ja uraani-238. Isotooppi on mahdollista ilmaista käyttämällä alkuaineen lyhennettä. Tällöin massaluku kirjoitetaan lyhenteen vasemmalle puolelle yläindeksiin. Esimerkiksi ²³⁸U ja ³He.

Isotooppien ominaisuuksien vaihtelu

Atomit ovat sähköisesti neutraaleja eli niillä on energiatasoilla yhtä monta elektronia kuin ytimessä on protoneja. Isotoopeilla protonien ja elektronien määrä ei muutu, jolloin kaikki isotoopit ovat sähköisesti neutraaleja, ja koska elektronirakenne ei eroa isotoopeilla, ovat isotoopit kemiallisesti hyvin samankaltaisia. Atomin kemialliseen käyttäytmiseen vaikuttaa lähinnä elektronien miehittyminen energiatasoille. On kuitenkin huomattu, että raskaampien isottoopien reaktioajat ovat pidempiä kuin kevyempien. Ilmiö on havaittavissa etenkin vedyllä ja deuteriumilla, sillä deuteriumin massaluku on kaksi kertaa suurempi kuin vedyn. Raskaampien atomien isotoopeilla massalukujen suhde on huomattavasti pienempi.

Molekyylit voivat erota toisistaan siten, että molekyylin yksi tai useampi atomi on korvattu alkuaineen isotoopilla. Esimerkiksi raskaassa vedessä on vetyjen tilalla vedyn isotooppi deuterium. Kemiallisesti aineet ovat samallaisia. Englannin kielinen nimitys tällaisille molekyyleille on isotopologue.

Atomin ydin koostuu positiivisesti varautuneista protoneista ja sähköisesti neutraaleista neutroneista. Koska ytimessä on positiivisia protoneita useimmiten enemmän kuin yksi niin protonit hylkivät toisiaan. Ydin kuitenkin pysyy koossa vahvan voiman ansioista. Neutroni tasoittavat protonien hylkimisvoimaa. Mikäli atomissa on liian vähän neutroneja tai liian paljon ydin voi hajota muiksi alkuaineiksi.

Esiintyminen luonnossa

Kaikilla alkuaineilla on useampia isotooppeja. Esimerkiksi kloori, joka esiintyy luonnostaan seoksena, jossa noin 3/4 atomeista on atomimassaltaan 35 ja 1/4 on massaa 37. Keskimääräinen atomimassa on siis 35,5 g/mol. Useimmilla alkuaineilla on vain hyvin pieni määrä vakaita isotooppeja, monilla vain yksi, eikä lyijyä raskaammilla alkuaineilla ole yhtäkään. Epävakaat, esimerkiksi liian raskaat tai kevyet isotooppit hajoaa radioaktiivisesti. Ns. isotooppisäteilylähteet sisältävät jotain vakaaksi liian raskasta isotooppia alkuaineesta, jonka luonnossa esiintyvät isotoopit ovat vakaita. Esimerkiksi koboltin luonnolliset isotoopit ovat vakaita aineita, mutta sen epävakaita isotooppeja käytetään sädehoidossa.

Isotoonit ja isobaarit

Ydinfysiikassa käytetään isotoopin lisäksi usein myös termejä isotooni ja isobaari:

• Isotooni on ydin jonka neutroniluku on yhtä suuri, mutta varausluku erisuuri kuin ytimellä johon sitä verrataan.
• Isobaari on ydin jonka massaluku on yhtä suuri kuin ytimellä johon sitä verrataan.