Warto przeczytać

Każdy atom zbudowany jest z jądra i otaczającej go chmury elektronowej. Promień atomu jest rzędu 10Indeks górny -10^-10 m, natomiast promień jego jądra jest około pięciu rzędów wielkości mniejszy. Jądro jest zwartym obiektem, który budują dwa typy cząstek: protony i neutrony, które nazywamy wspólnie nukleonaminukleonynukleonami. Badania pokazują, że atomy o tej samej liczbie protonów w jądrze zachowują się praktycznie identycznie pod względem chemicznym. Dlatego pierwiastkiem chemicznympierwiastek chemicznypierwiastkiem chemicznym nazywamy zbiór wszystkich atomów o identycznej liczbie protonów w jądrze. Obecnie znamy 118 pierwiastków (stan na rok 2019). Każdemu pierwiastkowi przyporządkowano symbol, który jednoznacznie go określa. Pierwiastki zostały uszeregowane, ze względu na swoje właściwości fizykochemiczne, w układzie okresowym pierwiastków, zwanym również tablicą Mendelejewa (Rys. 1.).

R1FihMM4l3le3

Rys. 1. Rysunek przedstawia układ okresowy pierwiastków. Piątym pierwiastkiem w układzie okresowym jest bor o symbolu wielkie B. Szóstym pierwiastkiem w układzie okresowym jest węgiel o symbolu wielkie C. Siódmym pierwiastkiem w układzie okresowym jest azot o symbolu wielkie N. Ósmym pierwiastkiem w układzie okresowym jest tlen o symbolu wielkie O. Dziewiątym pierwiastkiem w układzie okresowym jest fluor o symbolu wielkie F. Dziesiątym pierwiastkiem w układzie okresowym jest neon o symbolu wielkie N małe e. W celu skorzystania w pełni z układu okresowego pierwiastków rekomendujemy korzystanie z dostępnych w internecie źródeł, na przykład: https://www.acs.org/education/students/highschool/olympiad/prepare‑for‑exams/accessible‑periodic‑table..html

Skład jądra atomu dowolnego pierwiastka można opisać, stosując notację

gdzie:

• X oznacza symbol pierwiastka,

• Z to liczba atomowaliczba atomowaliczba atomowa równa liczbie protonów w jądrze,

• N to liczba neutronowaliczba neutronowaliczba neutronowa równa liczbie neutronów w jądrze,

• A = Z + N to liczba masowaliczba masowaliczba masowa, czyli sumaryczna liczba protonów i neutronów.

Neutron jest cząstką obojętną elektrycznie, natomiast proton posiada ładunek dodatni, +1e, gdzie e oznacza ładunek elementarny, równy co do wartości bezwzględnej ładunkowi pojedynczego elektronu. Wynika stąd, że ładunek elektryczny jądra atomowego o liczbie atomowej Z wynosi +Ze. W obojętnym elektrycznie (niezjonizowanym) atomie, ładunki jądra i otaczającej go chmury elektronowej wzajemnie się równoważą (liczba elektronów jest równa liczbie atomowej). NuklidemnuklidNuklidem nazywamy obojętny atom danego pierwiastka, o określonych liczbach masowej A i atomowej Z. Przyjęło się używać terminu nuklid, gdy chcemy podkreślić właściwości jądrowe danego atomu. Do opisu nuklidów używamy tej samej notacji, ${\displaystyle {}_Z^A{X}_N}$. W zapisie tym nie ma konieczności podawania liczby atomowej i liczby neutronowej. Zapis ${\displaystyle {}^{A}X}$ jednoznacznie określa, ile protonów, neutronów i elektronów buduje dany nuklid. Więcej na temat notacji służącej do opisu składu jądra atomowego możesz przeczytać w e‑materiale “Liczba atomowa i liczba masowa, czyli jak opisać skład jądra atomu?”.

Wśród nuklidów wyróżniamy:

• IzotopyizotopyIzotopy, czyli atomy tego samego pierwiastka, różniące się między sobą liczbą neutronów w jądrach (zatem również masą atomową). Na przykład, wszystkie trzy stabilne izotopy tlenu, ${\displaystyle {}_8^{16}{O}_8}$, ${\displaystyle {}_8^{17}{O}_9}$ i ${\displaystyle {}_8^{18}{O}_{10}}$ mają tę samą liczbę atomową Z = 8, ale każdy ma inną liczbę neutronową.

• IzotonyizotonyIzotony, czyli atomy różnych pierwiastków o takiej samej liczbie neutronów w jądrach, na przykład tlen‑16 ${\displaystyle {}_8^{16}{O}_8}$ i azot‑15 ${\displaystyle {}_7^{15}{N}_8}$.

• IzobaryizobaryIzobary, czyli atomy różnych pierwiastków o tej samej liczbie masowej, na przykład Indeks górny 40⁴⁰K i Indeks górny 40⁴⁰Ca, czyli potas‑40 i wapń‑40. Szczególnym przypadkiem jąder izobarycznych są tzw. jądra lustrzane, czyli jądra dwóch różnych pierwiastków, dla których liczba atomowa jednego jest równa liczbie neutronowej drugiego, np. chlor‑35 ${\displaystyle {}_{17}^{35}C{l}_{18}}$ i argon‑35 ${\displaystyle {}_{18}^{35}A{r}_{17}}$. Jądra lustrzane występują tylko w obszarze lekkich pierwiastków, gdyż dla jąder cięższych pierwiastków liczba neutronów jest zawsze większa od liczby protonów.

• Izomery jądrowe, czyli nuklidy mające ten sam skład (tę samą liczbę protonów i neutronów w jądrze), ale będące w innych stanach kwantowych. Przykładem izomerów jądrowych są nuklidy Indeks górny 99⁹⁹Tc oraz Indeks górny 99m^99mTc (litera m przy liczbie masowej wskazuje na to, że nuklid ten znajduje się w tzw. stanie metastabilnym). Technet‑99m ma większą masę spoczynkową niż technet‑99 i średnio po niecałych dziewięciu godzinach ulega przemianie promieniotwórczej do jego lżejszego odpowiednika. Izomer ten jest szeroko wykorzystywany w medycynie nuklearnej, a jednym z głównych miejsc jego produkcji na świecie jest reaktor Maria w Świerku pod Warszawą.

RAq26UjobPSGK

Rys. 2. Zdjęcie przedstawia kompleks budynków położony wśród lasów. Wyróżnia się najwyższy budynek w kształcie szerokiego walca, położony w centrum zabudowań, kilka niskich długich budynków ułożonych obok niego oraz wysoki komin z prawej strony kompleksu zabudowań.

Przyjęło się używać terminu izotopizotopyizotop, gdy chcemy podkreślić właściwości chemiczne danej grupy atomów. Dla wszystkich pierwiastków, poza najcięższym, znanych jest od kilku do kilkudziesięciu izotopów (dotychczas otrzymano tylko jeden izotop 118. pierwiastka). Izotopy danego pierwiastka różnią się między sobą niektórymi właściwościami fizycznymi, np. masą, czy gęstością.

IzotopyizotopyIzotopy dzielimy na:

• Izotopy stabilne, czyli takie, które nie ulegają samorzutnym przemianom promieniotwórczym. Wśród pierwiastków lżejszych od uranu osiemdziesiąt posiada izotopy uważane za stabilne.

• Izotopy niestabilne, czyli promieniotwórcze, zwane również radioizotopami, które w wyniku przemian promieniotwórczych ulegają transmutacji w izotopy innych pierwiastków. Większość poznanych dotychczas jąder niestabilnych nie występuje naturalnie na Ziemi. Jądra te są wytwarzane w warunkach laboratoryjnych. Niektóre syntetyczne radioizotopy znalazły zastosowanie w przemyśle i medycynie.

Analogiczny podział stosuje się w odniesieniu do nuklidów, które również dzielimy na stabilne i niestabilne (radionuklidy).

Spośród wszystkich pierwiastków tylko izotopy wodoru mają swoje oddzielne nazwy i symbole. Naturalnie występujący wodór jest mieszaniną trzech izotopów, Indeks górny 1¹H, Indeks górny 2²H i Indeks górny 3³H, przedstawionych symbolicznie na Rys. 3. Izotop Indeks górny 1¹H nazywany jest protem, a jego jądro składa się z pojedynczego protonu. Izotop Indeks górny 2²H nazywany jest deuterem i ma symbol D, natomiast izotop Indeks górny 3³H nazywany jest trytem i ma symbol T. Symbole D i T są dopuszczone w użyciu, jednak Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej rekomenduje używanie symboli Indeks górny 2²H i Indeks górny 3³H. Jądra izotopów wodoru, rozumiane jako osobne cząstki, biorą udział, lub są produkowane w wielu różnych reakcjach jądrowych. Poza symbolem protonu p używane są nazwy i symbole: deuteron oznaczany d oraz tryton oznaczany t. Co więcej, w zapisach reakcji i przemian jądrowych stosuje się dla jądra helu‑4 symbol $\alpha$, a samo jądro Indeks górny 4⁴Indeks dolny 2₂He nazywa się cząstką alfa. Więcej na ten temat możesz przeczytać w e‑materiale „Zapis równań reakcji jądrowych”.

Najcięższym naturalnie występującym pierwiastkiem w znaczących ilościach jest uran, 92. pierwiastek. Pierwiastki występują naturalnie zazwyczaj jako mieszanina izotopów. Więcej na ten temat możesz przeczytać w e‑materiale „Skład izotopowy pierwiastków”.

Słowniczek