Elke isotoop wordt genoemd op basis van zijn massagetal, dat is het totale gecombineerde aantal neutronen en protonen in een atoom. Wikimedia Commons

Atomen zijn de 'bouwstenen van materie'. Alles dat massa heeft en ruimte inneemt (door volume te hebben) bestaat uit deze piepkleine kleine eenheden. Dat geldt voor de lucht die je inademt, het water dat je drinkt en je lichaam zelf.

Isotopen zijn een essentieel concept in de studie van atomen. Chemici, natuurkundigen en geologen gebruiken ze om onze wereld te begrijpen. Maar voordat we kunnen uitleggen wat isotopen zijn - of waarom ze zo belangrijk zijn - moeten we een stap terug doen en naar atomen als geheel kijken.

Onze atoomwereld

Zoals je waarschijnlijk weet, atomen hebben drie hoofdcomponenten - waarvan er twee zich in de kern bevinden. Gelegen in het centrum van het atoom, de kern is een dicht opeengepakte cluster van deeltjes. Sommige van die deeltjes zijn protonen, die positieve elektrische ladingen hebben.

Het is goed gedocumenteerd dat tegengestelde ladingen elkaar aantrekken. In de tussentijd, vergelijkbaar geladen lichamen hebben de neiging elkaar af te stoten. Dus hier is een vraag:hoe kunnen twee of meer protonen - met hun positieve ladingen - naast elkaar in dezelfde kern bestaan? Zouden ze elkaar niet weg moeten duwen?

Dat is waar de neutronen binnenkomen. Neutronen zijn subatomaire deeltjes die kernen delen met protonen. Maar neutronen hebben geen elektrische lading. Trouw aan hun naam, neutronen zijn neutraal, noch positief noch negatief geladen zijn. Het is een belangrijk attribuut. Door hun neutraliteit, neutronen kunnen voorkomen dat protonen elkaar uit de kern drijven.

"Elementair, Mijn beste Watson"

Om de kern draaien de elektronen, ultralichte deeltjes met negatieve ladingen. Elektronen vergemakkelijken chemische binding - en hun bewegingen kunnen een klein ding produceren dat elektriciteit wordt genoemd. Protonen zijn niet minder belangrijk. Voor een ding, ze helpen wetenschappers de elementen uit elkaar te houden.

Het is je misschien opgevallen dat in de meeste versies van het periodiek systeem, elk vierkant heeft een klein nummer in de rechterbovenhoek. Dat cijfer staat bekend als het atoomnummer. Het vertelt de lezer hoeveel protonen zich in de atoomkern van een bepaald element bevinden. Bijvoorbeeld, het atoomnummer van zuurstof is acht. Elk zuurstofatoom in het heelal heeft een kern met precies acht protonen; niet meer, niet minder.

Zonder deze zeer specifieke rangschikking van deeltjes, zuurstof zou geen zuurstof zijn. Het atoomnummer van elk element - inclusief dat van zuurstof - is totaal uniek. En het is een bepalende eigenschap. Geen enkel ander element heeft acht protonen per kern. Door de protonen te tellen, je kunt een atoom identificeren. Net zoals zuurstofatomen altijd acht protonen zullen hebben, stikstofatomen komen steevast met zeven. Het is zo simpel.

Neutronen volgen niet. De kern in een zuurstofatoom bevat gegarandeerd acht protonen (zoals we hebben vastgesteld). Echter, het kan ook ergens tussen de vier en twintig neutronen bevatten. Isotopen zijn varianten van hetzelfde chemische element met een verschillend aantal neutronen.

Nutsvoorzieningen, elke isotoop wordt benoemd op basis van zijn massagetal, dat is het totale gecombineerde aantal neutronen en protonen in een atoom. Bijvoorbeeld, een van de bekendere zuurstofisotopen wordt zuurstof-18 (O-18) genoemd. Het heeft de standaard acht protonen plus 10 neutronen.

Ergo, het massagetal van O-18 is - je raadt het al - 18. Een verwante isotoop, zuurstof-17 (O-17), heeft één neutron minder in de kern.

Onstabiel voelen

Sommige combinaties zijn sterker dan andere. Wetenschappers classificeren O-17 en O-18 als stabiele isotopen. In een stabiele isotoop, de krachten uitgeoefend door de protonen en neutronen houden elkaar bij elkaar, het permanent intact houden van de kern.

Aan de andere kant, de kernen in radioactieve isotopen, ook wel "radio-isotopen, " zijn onstabiel en zullen na verloop van tijd vervallen. Deze dingen hebben een proton-tot-neutronenverhouding die op de lange termijn fundamenteel onhoudbaar is. Niemand wil in die hachelijke situatie blijven. radioactieve isotopen zullen bepaalde subatomaire deeltjes afstoten (en energie afgeven) totdat ze zichzelf hebben omgezet in mooie, stabiele isotopen.

O-18 is stabiel, maar zuurstof-19 (O-19) is dat niet. De laatste zal onvermijdelijk kapot gaan - snel! Binnen 26,88 seconden na het maken ervan, een monster van O-19 verliest gegarandeerd de helft van zijn atomen aan de verwoestingen van verval.

Dat betekent dat O-19 een halfwaardetijd heeft van 26,88 seconden. Een halfwaardetijd is de hoeveelheid tijd die 50 procent van een isotoopmonster nodig heeft om te vervallen. Onthoud dit concept; we gaan het in de volgende sectie verbinden met paleontologie.

Maar voordat we het over fossiele wetenschap hebben, er is een belangrijk punt dat gemaakt moet worden. In tegenstelling tot zuurstof, sommige elementen hebben helemaal geen stabiele isotopen. Denk aan uranium. In de natuurlijke wereld zijn er drie isotopen van dit zware metaal, en ze zijn allemaal radioactief, met de atoomkernen in een constante staat van verval. Eventueel, een brok uranium zal veranderen in een heel ander element.

Doe geen moeite om de overgang in realtime te bekijken. Het proces verloopt zeer, heel langzaam.

Datums krijgen (en gezond blijven)

uranium-238 (U-238), de meest voorkomende isotoop van het element, heeft een halfwaardetijd van ongeveer 4,5 miljard jaar! Geleidelijk, het wordt lood-206 (Pb-206), die stabiel is. Hetzelfde, uranium-235 (U-235) - met zijn halfwaardetijd van 704 miljoen jaar - gaat over in lood-207 (Pb-207), een andere stabiele isotoop.

aan geologen, dit is echt nuttige informatie. Laten we zeggen dat iemand een stuk rots vindt waarvan de zirkoonkristallen een mengsel van U-235 en Pb-207 bevatten. De verhouding van deze twee atomen kan wetenschappers helpen de leeftijd van het gesteente te bepalen.

Dit is hoe:Laten we zeggen dat de loodatomen veel groter zijn dan hun uranium-tegenhangers. In dat geval, je weet dat je naar een mooie oude rots kijkt. Ten slotte, de uraniums hadden alle tijd om zichzelf in lood om te zetten. Anderzijds, als het tegenovergestelde waar is - en de uraniumatomen komen vaker voor - dan moet het gesteente aan de jongere kant zijn.

De techniek die we zojuist hebben beschreven heet radiometrische datering. Dat is de handeling van het gebruik van de goed gedocumenteerde vervalsnelheden van onstabiele isotopen om de leeftijd van gesteentemonsters en geologische formaties te schatten. Paleontologen gebruiken deze strategie om te bepalen hoeveel tijd is verstreken sinds een bepaald fossiel werd afgezet. (Hoewel het niet altijd mogelijk is om het exemplaar direct te dateren.)

Je hoeft geen prehistoriefanaat te zijn om isotopen te waarderen. Artsen gebruiken enkele van de radioactieve varianten om de bloedstroom te controleren, botgroei bestuderen en zelfs kanker bestrijden. Radio-isotopen zijn ook gebruikt om boeren inzicht te geven in de bodemkwaliteit.

Dus daar heb je het. Iets dat zo schijnbaar abstract is als de variabiliteit van neutronen beïnvloedt alles, van de behandeling van kanker tot de mysteries van de verre tijd. Wetenschap is geweldig.

NU DAT IS LEUK

Sport en wetenschap kruisen elkaar vaker dan je zou denken. De grootste stad van New Mexico kreeg in 2003 een nieuw honkbalteam in de minor league. De naam? De isotopen van Albuquerque. Een verwijzing naar een aflevering van seizoen 12 van "The Simpsons, " de ongebruikelijke naam van het team heeft een prettige bijkomstigheid gehad:Ballpark-medewerkers delen regelmatig scheikundelessen uit aan nieuwsgierige fans.