Atomen zijn de ‘bouwstenen van materie’. Alles wat 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 stapje terug doen en naar atomen als geheel kijken.

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

1. Onze atomaire wereld
2. "Elementair, mijn beste Watson"
3. Instabiel gevoel
4. Dates krijgen (en gezond blijven)

Onze Atoomwereld

Zoals je waarschijnlijk weet, bestaan ​​atomen uit 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. Ondertussen hebben gelijksoortige geladen lichamen de neiging elkaar af te stoten. Dus hier is een vraag:hoe kunnen twee of meer protonen – met hun positieve ladingen – naast elkaar bestaan ​​in dezelfde kern? Moeten ze elkaar niet wegduwen?

Dat is waar de neutronen in beeld komen. Neutronen zijn subatomaire deeltjes die kernen delen met protonen. Maar neutronen hebben geen elektrische lading. Zoals hun naam doet vermoeden zijn neutronen neutraal en noch positief noch negatief geladen. Het is een belangrijk kenmerk. Dankzij hun neutraliteit kunnen neutronen voorkomen dat protonen elkaar uit de kern drijven.

"Elementair, mijn beste Watson"

In een baan om de kern draaien de elektronen , ultralichte deeltjes met negatieve lading. Elektronen vergemakkelijken chemische bindingen – en hun bewegingen kunnen een klein dingetje produceren dat elektriciteit wordt genoemd. Protonen zijn niet minder belangrijk. In de eerste plaats helpen ze wetenschappers de elementen uit elkaar te houden.

Het is je misschien opgevallen dat in de meeste versies van het periodiek systeem op elk vierkant een klein getal staat afgedrukt in de rechterbovenhoek, boven het elementsymbool. Dat cijfer staat bekend als het atoomnummer . Het vertelt de lezer hoeveel protonen er in de atoomkern van een bepaald element zitten. Het atoomnummer van zuurstof is bijvoorbeeld acht. Elk zuurstofatoom in het heelal heeft een kern met precies acht protonen; niet meer en niet minder.

Zonder deze zeer specifieke rangschikking van deeltjes zou zuurstof geen zuurstof zijn. Het atoomnummer van elk element – ​​inclusief dat van zuurstof – is volkomen uniek. Geen twee elementen kunnen hetzelfde atoomnummer hebben. Geen enkel ander element heeft acht protonen per kern. Door het aantal protonen te tellen, kun je een atoom identificeren. Net zoals zuurstofatomen altijd acht protonen zullen hebben, hebben stikstofatomen er steevast zeven. Zo simpel is het.

Neutronen volgen dit voorbeeld niet. De kern van een zuurstofatoom herbergt gegarandeerd acht protonen (zoals we hebben vastgesteld). Het kan echter ook vier tot twintig neutronen bevatten. Isotopen zijn varianten van hetzelfde element met verschillende aantallen neutronen (en dus mogelijk verschillende fysieke eigenschappen). Ze hebben echter meestal dezelfde chemische eigenschappen.

Nu wordt elke isotoop genoemd op basis van zijn massagetal , wat het totale gecombineerde aantal neutronen en protonen in een atoom is. Een van de bekendere zuurstofisotopen wordt bijvoorbeeld zuurstof-18 (O-18) genoemd. Het heeft de standaard acht protonen plus tien 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. O-16 heeft dus hetzelfde aantal protonen en neutronen:acht. Van dit trio zijn O-16 en O-17 de lichtere isotopen, en O-16 is ook de meest voorkomende isotoop van de drie.

Je onstabiel voelen

Sommige combinaties zijn sterker dan andere. Wetenschappers classificeren O-16, O-17 en O-18 als stabiele isotopen. In een stabiele isotoop houden de krachten die worden uitgeoefend door de protonen en neutronen elkaar bij elkaar, waardoor de kern permanent intact blijft.

Aan de andere kant is de kern in een radioactieve isotoop, ook wel een 'radio-isotoop' genoemd, onstabiel en zal deze na verloop van tijd vervallen. Een radioactieve isotoop heeft een verhouding tussen protonen en neutronen die op de lange termijn fundamenteel onhoudbaar is. Niemand wil in die situatie blijven. Daarom zullen radioactieve isotopen bepaalde subatomaire deeltjes afstoten (en energie vrijgeven) totdat ze zichzelf hebben omgezet in mooie, stabiele isotopen.

O-18 is stabiel, maar zuurstof-19 (O-19) niet. Deze laatste zal onvermijdelijk kapot gaan – snel! Binnen 26,88 seconden na de creatie verliest een monster van O-19 gegarandeerd de helft van zijn atomen door de verwoestingen van radioactief 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, moet er een belangrijk punt worden gemaakt. In tegenstelling tot zuurstof hebben sommige elementen helemaal geen stabiele isotopen. Neem uranium, een van de bekendste radioactieve elementen. In de natuur zijn er drie isotopen van dit zware metaal, en ze zijn allemaal radioactief, waarbij de atoomkernen voortdurend in verval zijn. Uiteindelijk zal een stuk uranium veranderen in een heel ander element op het periodiek systeem.

Probeer de overgang niet in realtime te bekijken. Het proces verloopt heel, heel langzaam.

Dates 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 zal dit lood-206 (Pb-206) worden, wat stabiel is. Op dezelfde manier gaat uranium-235 (U-235) – met zijn halfwaardetijd van 704 miljoen jaar – over in lood-207 (Pb-207), een andere stabiele isotoop. (Zowel U-238 als U-235 zijn voorbeelden van in de natuur voorkomende isotopen.)

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

Dit gaat als volgt:Laten we zeggen dat er veel meer loodatomen zijn dan hun uranium-tegenhangers. In dat geval weet je dat je naar een behoorlijk oude rots kijkt. Het uranium heeft immers ruim de tijd gehad om zichzelf in lood te transformeren. Aan de andere kant, 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 het gebruik van de goed gedocumenteerde vervalsnelheden van onstabiele isotopen om de ouderdom van gesteentemonsters en geologische formaties te schatten. Paleontologen gebruiken deze strategie om te bepalen hoeveel tijd er is verstreken sinds een bepaald fossiel werd afgezet. (Hoewel het niet altijd mogelijk is om het exemplaar rechtstreeks te dateren.)

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

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

Veel beantwoorde vragen

Wat zijn isotopen met voorbeelden?