同位体とは何ですか?

2019-06-18
各同位体は、原子内の中性子と陽子の合計数である質量数に基づいて名前が付けられています。ウィキメディアコモンズ

原子は「物質の構成要素」です。質量があり、(ボリュームを持つことによって)スペースを占めるものはすべて、これらの小さな小さなユニットで構成されています。それはあなたが呼吸する空気、あなたが飲む水、そしてあなたの体自体に当てはまります。

同位体は、原子の研究において重要な概念です。化学者、物理学者、地質学者は、私たちの世界を理解するためにそれらを使用します。しかし、同位体が何であるか、またはなぜそれらがそれほど重要であるかを説明する前に、一歩下がって原子全体を見る必要があります。

私たちの原子の世界

ご存知かもしれませんが、原子には3つの主要な構成要素があり、そのうち2つは原子核に存在します。原子の中心に位置する核は、密集した粒子のクラスターです。それらの粒子のいくつかは陽子であり、正の電荷を持っています。

反対の電荷が引き付けられることは十分に文書化されています。一方、同様に帯電した物体は互いに反発する傾向があります。それで、ここに質問があります:2つ以上の陽子(それらの正電荷を持つ)が同じ核内でどのように共存することができますか?彼らはお互いを押しのけてはいけませんか?

そこで中性子が入ります。中性子は、陽子と原子核を共有する亜原子粒子です。しかし、中性子は電荷を持っていません。その名の通り、中性子は中性であり、正にも負にも帯電していません。これは重要な属性です。それらの中立性のおかげで、中性子は陽子が互いに原子核から離れて追い出されるのを防ぐことができます。

「エレメンタリー、私の愛するワトソン」

原子核を周回しているのは、負電荷を持つ電子、超軽量粒子です。電子は化学結合を促進します—そしてそれらの動きは電気と呼ばれる小さなものを生み出すことができます。陽子はそれほど重要ではありません。一つには、それらは科学者が要素を区別するのを助けます。

周期表のほとんどのバージョンでは、各正方形の右上隅に小さな数字が印刷されていることに気付いたかもしれません。その数字は原子番号として知られています。これは、特定の元素の原子核にいくつの陽子があるかを読者に伝えます。たとえば、酸素の原子番号は8です。宇宙のすべての酸素原子には、正確に8つの陽子を持つ原子核があります。それ以上でもそれ以下でもありません。

この非常に特殊な粒子の配置がなければ、酸素は酸素ではありません。酸素を含む各元素の原子番号は完全に一意です。そしてそれは決定的な特徴です。核ごとに8つの陽子を持つ元素は他にありません。陽子を数えることで、原子を特定することができます。酸素原子が常に8個の陽子を持っているように、窒素原子は常に7個の陽子を持っています。とても簡単です。

中性子はそれに従わない。酸素原子の原子核は、8つの陽子を含むことが保証されています(私たちが確立したように)。ただし、4〜20個の中性子が含まれている場合もあります。同位体は、中性子の数が異なる同じ化学元素の変種です。

現在、各同位体は、原子内の中性子と陽子の合計数である質量数に基づいて名前が付けられています。たとえば、よく知られている酸素同位体の1つは、酸素18(O-18)と呼ばれます。標準の8個の陽子と10個の中性子があります。

エルゴ、O-18の質量数は—ご想像のとおり— 18です。関連する同位体である酸素-17(O-17)は、原子核内の中性子が1つ少なくなっています。

不安定な感じ

一部の組み合わせは他の組み合わせよりも強力です。科学者はO-17とO-18を安定同位体として分類しています。安定同位体は、陽子および中性子によって及ぼされる力は、互いに保持一緒に恒久的に無傷の核を保持し、。

反対に、「放射性同位元素」とも呼ばれる放射性同位元素の核は不安定であり、時間の経過とともに崩壊します。これらのものは、長期的には根本的に持続不可能な陽子対中性子比を持っています。誰もその苦境にとどまりたくない。したがって、放射性同位元素はなり小屋、彼らが素敵な、安定同位体に身を変換するまで一定の素粒子(とリリースエネルギー)。

O-18は安定していますが、酸素-19(O-19)は安定していません。後者は必然的に故障します—速いです!その作成から26.88秒以内に、O-19のサンプルは、崩壊の破壊によってその原子の半分を失うことが保証されています。

つまり、O-19の半減期は26.88秒です。半減期は、同位体サンプルの50%が崩壊するのにかかる時間です。この概念を覚えておいてください。次のセクションでは、それを古生物学に結び付けます。

しかし、化石科学について話す前に、重要なポイントを作成する必要があります。酸素とは異なり、一部の元素には安定同位体がまったくありません。ウランを考えてみましょう。自然界にはこの重金属の3つの同位体があり、それらはすべて放射性であり、原子核は常に崩壊状態にあります。最終的に、ウランの塊はまったく異なる元素に変わります。

移行をリアルタイムで監視しようとしないでください。プロセスは非常にゆっくりと展開します。

日付を取得する(そして健康を維持する)

この元素の最も一般的な同位体であるウラン238(U-238)の半減期は、約45億年です。徐々に安定した鉛206(Pb-206)になります。同様に、7億400万年の半減期を持つウラン235(U-235)は、別の安定同位体である鉛207(Pb-207)に移行します。

地質学者にとって、これは本当に役立つ情報です。誰かが、ジルコンの結晶にU-235とPb-207の混合物が含まれている岩のスラブを見つけたとしましょう。これらの2つの原子の比率は、科学者が岩石の年代を判断するのに役立ちます。

方法は次のとおりです。鉛原子が対応するウラン原子を大幅に上回っているとしましょう。その場合、あなたはあなたがかなり古い岩を見ていることを知っています。結局のところ、ウランはそれ自体を鉛に変え始めるのに十分な時間がありました。一方、反対のことが当てはまり、ウラン原子がより一般的である場合、岩は若い側にある必要があります。

今説明した手法は、放射年代測定と呼ばれます。これは、不安定な同位体の十分に立証された崩壊率を使用して、岩石サンプルと地層の年代を推定する行為です。古生物学者はこの戦略を利用して、特定の化石が堆積してからどれだけの時間が経過したかを判断します。(ただし、標本に直接日付を付けることが常に可能であるとは限りません。)

同位体を評価するために先史時代のバフである必要はありません。開業医は、放射性物質のいくつかを使用して、血流を監視し、骨の成長を研究し、さらには癌と闘います。放射性同位元素は、農民に土壌の質に関する洞察を与えるためにも使用されてきました。

だからあなたはそれを持っています。中性子の変動性と同じくらい抽象的なように見える何かが、癌治療から地質学的年代の謎まですべてに影響を及ぼします。科学は素晴らしいです。

今それは楽しいです

スポーツと科学は、あなたが思っているよりも頻繁に道を渡ります。ニューメキシコ最大の都市は2003年に新しいマイナーリーグベースボールチームを上陸させました。その名前は?アルバカーキアイソトープ。「ザシンプソンズ」のシーズン12エピソードへの言及は、チームの変わった名前に心地よい副作用がありました。必然的に、球場の従業員は好奇心旺盛なファンに化学のレッスンを定期的に行っています。

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