איזוטופ

איזוטופים הם אטומים של אותו יסוד שיש להם אותו מספר פרוטונים אבל מספר נייטרונים שונה. כלומר הם שייכים לאותו מקום בטבלה המחזורית אך יש להם מסת גרעין שונה. מקור המונח ביוונית: 'איסוס' = שווה ו-'טופוס' = מקום.

כל היסודות בנויים מאטומים. האטום כולל גרעין עם פרוטונים ונייטרונים, וסביבה של אלקטרונים. הפרוטון קובע מהו היסוד (המספר האטומי). הנייטרונים יכולים להשתנות בלי לשנות את התכונות הכימיות של היסוד, אך הם משפיעים על מסת האטום והיציבות של הגרעין. מסת האלקטרון זניחה ביחס לפרוטון ולנייטרון.

דוגמה בולטת היא מימן. לכל גרעין מימן יש פרוטון אחד. אם אין נייטרון מדובר בפרוטיום (¹H). עם נייטרון אחד זה דאוטריום (²H), המכונה גם 'מימן כבד'. עם שני נייטרונים זה טריטיום (³H). בפחמן 99% מהאטומים הם פחמן-12 (12C), ויש גם 13C ו-14C במיעוט.

שינוי במספר הנייטרונים לא משנה את הכימיה, ולכן אי-אפשר להפריד איזוטופים באמצעים כימיים. עם זאת, יש הבדלים פיזיקליים. למשל, איזוטופ כבד בדרך כלל יגיב לאט יותר. תופעה זו בולטת ביסודות קלים כמו המימן.

ניתן להבחין באיזוטופים בשיטות פיזיקליות. ספקטרומטר מסה (מכשיר שמודד מסת חלקיקים) מזהה את התפלגות האיזוטופים. גם תהודה מגנטית גרעינית (NMR, שיטה הבודקת תכונות מגנטיות של גרעינים) משמשת לזיהוי איזוטופים מסוימים.

איזוטופים משמשים כ'סמנים' במעבדה. לדוגמה, בחקר מולקולות משתמשים במים כבדים (D2O) כדי לעקוב אחרי החלפת אטומי מימן. איזוטופים רדיואקטיביים (רדיו-איזוטופים) נפוצים ברפואה כמכשירים לאבחון ומעקב, כי הם פולטים קרינה שאפשר למדוד. לדוגמה, איזוטופי יוד עוזרים להבחין בבעיות בבלוטת התריס.

איזוטופים מסוימים משמשים גם באנרגיה גרעינית ובנשק. להפרדת איזוטופים נעשית העשרת אורניום כדי לקבל יותר 235U, האיזוטופ המתאים לביקוע. איזוטופים כמו 235U ו-239Pu נוחים לביקוע ולכן משמשים בדלק לכורים ובבחלק מהמקרים כחומר בקיע בפצצות.

רדיו-איזוטופים משמשים גם להפקת חשמל בהתקנים תרמו-חשמליים. התקנים אלו עובדים בחלל ובמכשירים שקשה לתחזק אותם, למשל בגשושות חלל או בהתקנים רפואיים מסוימים.

היחס בין איזוטופי המים בשרידים ביולוגיים (כמו שיניים ועצמות) משקף את סוג המים שבעל החיים צרך. החמצן יכול להיות 16O או 18O, והמימן יכול להיות 1H או 2H. יחסים אלה מושפעים מטמפרטורה, לחות ודפוסי משקעים. לכן מדידת היחס האיזוטופי ברקמות עתיקות יכולה לעזור לשחזר תנאי אקלים קדומים, ואפילו להניח רמזים על רמות פחמן דו-חמצני באטמוספירה. מדידות כאלה בוצעו אף על שיני דינוזאורים.

יסודות הכבדים ביותר (מעל מספר אטומי 82, כלומר מעל עופרת) בדרך כלל אינם יציבים. זמן מחצית החיים שלהם משתנה עם המספר האטומי, ויש אזורים שבהם המחצית חיים עולה או יורדת. תופעות אלו נותנות רמזים על אפשרות של 'אי של יציבות' גם בקרבת יסודות כבדים.

בדרך כלל מספר הנייטרונים שווה או גדול ממספר הפרוטונים. יוצאי דופן יציבים הם הליום-3 ומימן-1, שבהם יש יותר פרוטונים מאשר נייטרונים.

איזוטופים הם גרסאות שונות של אותו יסוד. פעם ראשונה שומעים את המילה: איזוטופ = אותו יסוד, מספר נייטרונים שונה.

כל דבר בנוי מאטומים. האטום כולל פרוטונים ונייטרונים בגרעין. הפרוטון קובע מהו היסוד. נייטרונים משנים את המשקל והיציבות.

מימן הוא דוגמה פשוטה. פרוטון אחד בלבד זה פרוטיום (1H). פרוטון + נייטרון זה דאוטריום (2H). פרוטון + שני נייטרונים זה טריטיום (3H).

האיזוטופים דומים בכימיה. כלומר הם יוצרים את אותן מולקולות. אבל הם שוקלים אחרת. איזוטופ כבד יכול להגיב לאט יותר.

מכשיר בשם ספקטרומטר מסה מודד איזוטופים לפי משקלם. איזוטופים מועילים במדע וברפואה. משתמשים בהם כדי לעקוב אחרי איפה חומרים נודדים בגוף. מים כבדים (D2O) עוזרים לחוקרים לבדוק החלפת מימנים.

איזוטופים רדיואקטיביים לפעמים עושים עבודה שימושית. הם משמשים ברפואה, ומייצרים חשמל במכשירים מיוחדים בגשושות חלל.

היחס בין איזוטופים במים נשמר ברקמות כמו שיניים ועצמות. הוא משקף טמפרטורה ומשקעים קדומים. כך אפשר ללמוד על האקלים של פעם. מדדו זאת אפילו בשיני דינוזאורים.

בדרך-כלל יש יותר נייטרונים מפרוטונים. שתי יוצאות דופן יציבות הן הליום-3 ומימן-1.