Warto przeczytać

Każdy atom we Wszechświecie zbudowany jest w podobny sposób i składa się z maleńkiego, w porównaniu z jego rozmiarami, jądra otoczonego chmurą elektronową. Natomiast każde jądro atomowe to zwarty obiekt składający się tylko z dwóch typów cząstek: protonów i neutronów nazywanych wspólnie nukleonaminukleonynukleonami. Badania pokazują, że atomy o tej samej liczbie protonów w jądrze zachowują się identycznie pod względem chemicznym. Obserwacja ta stanowi podstawy definicji pierwiastka chemicznegopierwiastek chemicznypierwiastka chemicznego oraz sposobu uszeregowania substancji chemicznych w układzie okresowym pierwiastków.

R3OXYdtUt57PE

Rys. 1. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest układ okresowy pierwiastków. Układ okresowy składa się z kolorowych prostokątów, w których widnieje symbol pierwiastka chemicznego oraz jego liczba atomowa. W układzie okresowym pierwiastków zawartych jest osiemnaście grup widocznych w postaci osiemnastu kolumn jedna obok drugiej. Pierwiastki w układzie okresowym ułożone są również według okresu. Okresy pierwiastków widoczne są w postaci siedmiu wierszy jeden pod drugim. Poniżej głównej części układu pierwiastków widoczne są dwa wiersze, w których zaprezentowano lantanowce i aktynowce. Każda z grup pierwiastków została wyróżniona, poprzez kolor wypełnienia kwadratu, w którym widoczny jest symbol pierwiastka i jego liczba atomowa. Na zielono zaznaczone zostały pierwiastki z grupy niemetali. Na czerwono zaznaczone zostały pierwiastki z grupy metali alkaicznych. Na brązowo zaznaczone zostały pierwiastki z grupy metale ziem alkaicznych. Kolorem bladoczerwonym zaznaczone zostały pierwiastki z grupy metali przejściowych. Kolor ciemnozielony przypisany został do pierwiastków z grupy półmetali. Na żółto oznaczono pierwiastki z grupy halogenów. Błękitny kolor przypisany został do grupy pierwiastków z rodziny metali szlachetnych. Kolorem szarym oznaczono pierwiastki o właściwościach nieznanych. W dwóch rzędach poniżej głównej części układu okresowego pierwiastków, zaznaczono na fioletowo pierwiastki z grupy lantanowców a na bordowo z grupy aktynowców.

W ogólności możemy powiedzieć, że dany pierwiastek chemiczny oznacza zbiór wszystkich atomów o identycznej liczbie protonów w jądrze (liczba neutronów nie ma tu znaczenia). Na przykład, wszystkie atomy we Wszechświecie mające 14 protonów w jądrze nazywamy atomami krzemu i oznaczamy symbolem Si. Atomy tego samego pierwiastka różniące się między sobą liczbą neutronów w jądrze atomowym nazywamy izotopami. Aby ułatwić rozróżnianie pierwiastków i ich izotopówizotopyizotopów wprowadzono prosty i wygodny system oznaczeń. Najbardziej rozpowszechniony jest system zapisu w postaci

gdzie X oznacza symbol pierwiastka, a $A$ to liczba masowa, czyli sumaryczna liczba protonów i neutronów w jądrze atomowym danego izotopu. Do opisu izotopów przydają się również liczby określające ilości protonów i neutronów w jądrze atomowym. Liczbę protonów nazywamy liczbą atomową i oznaczamy symbolem Z, natomiast liczbę neutronów oznaczamy symbolem $N$. Zgodnie z tym systemem oznaczeń izotop krzemu posiadający 16 neutronów w jądrze atomowym oznaczymy Indeks górny 30³⁰Si, a jądro izotopu berylu Indeks górny 9⁹Be składa się z 5 neutronów i 4 protonów (Rys. 2.). Więcej na temat liczb atomowejliczba atomowaliczb atomowej i masowejliczba masowamasowej i ich zastosowań w fizyce jądrowej możesz przeczytać w e‑materiale “Liczba atomowa i liczba masowa, czyli jak opisać skład jądra atomu?”.

R9B6e53Ggjn0e

Rys. 2. Na rysunku widoczne jest jądro izotopu berylu dziewięć. Jądro tego izotopu składa się z czterech protonów i pięciu neutronów. Protony przedstawiono w postaci czerwonych kulek. Neutrony, za pomocą niebieskich kulek. Jądro widoczne jest jako zlepek czterech czerwonych i pięciu niebieskich kulek. Nad jądrem atomowym po lewej stronie widoczna jest liczba masowa wielka litera A równa się dziewięć. W lewej strony i nieco z dołu widoczna jest liczba atomowa wielka litera Z równa się cztery. Po prawej stronie i u dołu ilustracji widoczna jest liczba neutronów wielka litera N równa pięć.

Obecnie znamy 118 pierwiastków (stan na rok 2019), jednak atomy nie wszystkich z nich występują naturalnie na Ziemi. Najcięższym naturalnie występującym pierwiastkiem w znaczących ilościach jest uran, 92. pierwiastek. Kolejne dwa cięższe pierwiastki, neptun ($Z$ = 93) i pluton ($Z$ = 94), występują w śladowych ilościach w rudach uranu. W praktyce, atomy 26 pierwiastków cięższych od uranu są wytwarzane sztucznie, w warunkach laboratoryjnych. Z pierwiastków chemicznych występujących na Ziemi największy wkład w masę naszej planety mają: żelazo, tlen, krzem, magnez, siarka, nikiel, wapń i glin. Sumaryczna masa tych ośmiu pierwiastków odpowiada prawie 99% masy Ziemi!

Sprawa jest jednak jeszcze bardziej złożona, ponieważ tylko 80 pierwiastków lżejszych od uranu ma izotopy uważane za stabilne, czyli nieulegające samorzutnym przemianom promieniotwórczym na inne izotopy tego samego lub innego pierwiastka. Izotopy niestabilne, czyli ulegające przemianom promieniotwórczym, nazywamy radioizotopami. Średni czas, jaki upływa od momentu powstania radioizotopu do jego przemiany w inny obiekt, jest różny dla każdego radioizotopu i może wynosić od ułamków sekundy do wielu miliardów lat. Dla przykładu uran nie posiada ani jednego stabilnego izotopu, jednak jego radioizotopy charakteryzują się bardzo długim czasem życia. Czas połowicznego zaniku, czyli czas, po którym liczba nietrwałych obiektów maleje o połowę, dla najbardziej rozpowszechnionego w przyrodzie izotopu uranu, Indeks górny 238²³⁸U, jest porównywalny z wiekiem Ziemi i wynosi około 4,5 miliarda lat. Oznacza to, że w momencie formowania się skorupy ziemskiej było około dwa razy więcej jąder tego izotopu niż jest obecnie. Najcięższym pierwiastkiem posiadającym stabilne izotopy jest ołów ($Z$ = 82). Wszystkie pierwiastki lżejsze od ołowiu, poza technetem ($Z$ = 43) i prometem ($Z$ = 61), posiadają co najmniej jeden stabilny izotop. Naturalnie na Ziemi występuje około 340 izotopów i radioizotopówradioizotopradioizotopów różnych pierwiastków, 252 z nich to stabilne izotopy, a 34 to tzw. długożyciowe radioizotopy mające czas połowicznego zaniku wynoszący ponad 100 milionów lat. Kolejne kilkadziesiąt radioizotopów występujących na Ziemi powstaje w wyniku naturalnie występujących procesów (np. przemian promieniotwórczych długożyciowych radioizotopów). Naukowcom udało się wytworzyć w laboratoriach wiele izotopów niewystępujących naturalnie na Ziemi. Mimo że wszystkie są nietrwałe, część z nich znalazła zastosowanie w przemyśle lub medycynie.

Pierwiastki występują naturalnie zazwyczaj jako mieszanina izotopówizotopyizotopów. Np. naturalny krzem składa się z trzech stabilnych izotopów: Indeks górny 28²⁸Si, Indeks górny 29²⁹Si oraz Indeks górny 30³⁰Si. Najwięcej, bo aż 92,23% krzemu naturalnego stanowi Indeks górny 28²⁸Si. Wkłady od Indeks górny 29²⁹Si oraz Indeks górny 30³⁰Si są porównywalne i wynoszą odpowiednio 4,67% i 3,10%. Poszczególne izotopy krzemu różnią się między sobą liczbami masowi, a co za tym idzie masami. Masę atomów i cząsteczek podaje się stosując atomową jednostkę masy uAtomowa jednostka masy $u$atomową jednostkę masy u, zwaną również unitem. Masa jednego unitu została zdefiniowana jako 1/12 masy izotopu węgla Indeks górny 12¹²C i wynosi 931,494 MeV/$c^2$, co odpowiada 1,66 · 10Indeks górny -27^-27 kg. Masę podaną w jednostkach $u$ nazywamy masą atomową lub masą względną, natomiast masę podaną w kg (g lub MeV/$c^2$) nazywamy masą bezwzględną. W obliczeniach rachunkowych można przyjąć, że masa atomowa danego izotopu o liczbie masowej $A$ wynosi $Au$. W większości przypadków tak obliczona masa różni się nieznacznie od rzeczywistej masy izotopu. Należy pamiętać, że masy atomowe pierwiastków podane np. w układzie okresowym pierwiastków to masy średnie uwzględniające skład izotopowy danego pierwiastka. Dla krzemu średnia masa atomowa wynosi $28u\cdot 92,23\mathrm{\%}+29u\cdot 4,67\mathrm{\%}+30u\cdot 3,10\mathrm{\%}=28,1u$ i właśnie ta masa widnieje jako masa atomowa naturalnego krzemu w tablicach chemicznych i fizycznych.

Niektóre radioizotopy najprawdopodobniej występowały na Ziemi, jednak z powodu niedostatecznie długiego czasu połowicznego zaniku zdążyły ulec przemianom promieniotwórczym, zmieniając tym samym pierwotny skład izotopowy pierwiastków na Ziemi. Obecnie składy izotopowe pierwiastków również ulegają drobnym zmianom w wyniku naturalnych procesów. W praktyce zmiany te są bardzo powolne i niezauważalne, głównie z racji długich, sięgających nawet miliardów lat, czasów życia radioizotopów obecnych w naturze. Przykładem wpływu człowieka na ilość danego izotopu w naturze mogą być naziemne próby jądrowe przeprowadzone w latach 60 XX wieku, w wyniku których ilość radioizotopu węgla Indeks górny 14¹⁴C w atmosferze na północnej półkuli uległa prawie podwojeniu. Obecnie stężenie Indeks górny 14¹⁴C w atmosferze wraca do stanu sprzed okresu prób jądrowych. Węgiel Indeks górny 14¹⁴C powstaje w wyniku bombardowania atmosfery Ziemskiej przez promieniowanie kosmiczne i występuje w śladowych ilościach (około 0,0000000001% naturalnie występującego węgla). Znaleziono jednak dla tego izotopu bardzo konkretne zastosowanie. Pomiar stężenia Indeks górny 14¹⁴C jest podstawą tzw. datowania radiowęglowego, dzięki któremu można określić wiek badanych próbek nawet do 40000 lat wstecz.

Słowniczek