Isotopo

Isotopoen arteko alde nabarmenena haien masan datza, neutroi kopuru ezberdina dutelako, propietate masiko ezberdinak dituzte eta horrek inertzi eta azeleraziopean portaera ezberdinak egozten dizkie. Masa ezberdintasun hori are nabarmenagoa da zenbaki atomiko txikia duten elementuetan nukleo oso handiak dituzten elementuetan ez baita alde handirik neutroi bat gehiago ala gutxiago izan, nukleo txikidun atomoetan alde handia dago ordea, hidrogenoan adibidez deuterio (²H) nukleoaren masa protio (¹H) nukleoaren masaren bikoitza da gutxi gorabehera.

${\displaystyle k=\mathrm {{{(A\ isotopoaren\ nukleoi\ kopurua)-(B\ isotopoaren\ nukleoi\ kopurua)} \over {elementuaren\ batezbesteko\ nukleoi\ kopurua}}\times 100} }$

${\displaystyle \mathrm {Geroz\ eta\ {\mathit {k}}\ handiagoa\ \rightarrow \ Isotopoen\ arteko\ alde\ handiagoa} }$

${\displaystyle \mathrm {Geroz\ eta\ {\mathit {k}}\ txikiagoa\ \rightarrow \ Isotopoen\ arteko\ alde\ txikiagoa} }$

Elementu beraren isotopo bi hartu eta elektroi kopuru bera kentzen badiegu bien karga elektrikoa berdina izango da, ez ordea haien masa, bi ioi isotopiko horiek eremu magnetiko batean jaurtitzen baditugu, biak abiadura berdinean, kurbatura ezberdineko ibilbidea jarraituko dute masa handiena duenak kurba zabalagoa jarraituko duelarik (kurbatura erradio handiagoa) masa txikiena duenak kontrakoa egiten duen bitartean (kurba itxiagoa), ikus diagrama:

Aurrekoa zenbait masa espektroskopioren funtsa dugu. Kargadun partikulek Lorentzen indar deritzon indar bat jasaten dute eremu elektromagnetikoetan zehar igitzen direnean, indar hau (eremu elektriko ezean) eremu magnetikoaren noranzkoa eta abiadurarekiko perpendikularra da. Newtonen bigarren legeak dioenez objektu batek jasaten duen indarra eta azelerazioa bata bestearen proportzionalak dira proportzionaltasun konstantea objektuaren masa delarik. Aurreko legeak hurrengo ekuazio matematikoetan adieraz daitezke:

${\displaystyle {\vec {F_{L}}}=q({\vec {E}}+{\vec {v}}\times {\vec {B}})\,}$

${\displaystyle {\vec {F}}=m{\vec {a}}\,}$

Non:

• ${\displaystyle {\vec {F_{L}}}\,}$ = Lorentzen indarra
• ${\displaystyle {q}\,}$ = karga elektrikoa
• ${\displaystyle {\vec {E}}\,}$ = eremu elektrikoa
• ${\displaystyle {\vec {v}}\,}$ = abiadura
• ${\displaystyle {\vec {B}}\,}$ = eremu magnetikoa
• ${\displaystyle {\vec {F}}\,}$ = indarra (edozein)
• ${\displaystyle {m}\,}$ = masa
• ${\displaystyle {\vec {a}}\,}$ = azelerazioa

Esan bezala eremu elektriko ezean Lorentzen indarra sinpleagoa izanen da eta beste indarrik jasaten ez duen partikula bat badugu ondorengoa idatz genezake:

${\displaystyle {\vec {F_{L}}}=q({\vec {v}}\times {\vec {B}})=m{\vec {a}}\,}$

Inongo marruskadurarik gabe (abiadura konstantea izango da)partikula bat bere abiadurarekiko perpendikularra den eremu magnetiko konstante batean sartzen bada ibilbide zirkularra jarraitzen du. Zirkulu batean abiadura konstantez biraka dabilen objektuak azelerazio zentrifugoa du soilik:

${\displaystyle {\vec {a}}={{{\vec {v}}{\vec {v}}} \over {R}}{\vec {u_{r}}}={v^{2} \over R}{\vec {u_{r}}}\,}$

Non ${\displaystyle {\vec {u_{r}}}}$ zirkunferentziaren erradioaren norabidea duen bektore unitarioa den.

Abiadura eta eremu magnetikoa perpendikularrak direnez:

${\displaystyle {\vec {F_{L}}}=q({\vec {v}}\times {\vec {B}})=qvB{\vec {u_{r}}}\,}$

Aurreko ekuazioen bitartez ibilbidearen erradioa lor genezake:

${\displaystyle qvB{\vec {u_{r}}}=m{v^{2} \over R}{\vec {u_{r}}}\,}$${\displaystyle R={mv \over qB}\,}$

Azken ekuaziotik jada aipatu den propietatea lortzen da, beste magnitude guztiak konstante mantentzen badira masa handiena duten partikulek erradio handiagoa duten zirkunferentziak osatuko dituzte eta txikienek erradio txikiagokoak (m↑ orduan R↑ eta m↓ orduan R↓).

Espektroskopio infragorriak fotoiak xurgatzen diren frekuentziak aurkitu eta espektroa marrazten du, molekula bakoitzak bere espektroa du gizakiok hatz-markak ditugun bezala

Formula berdina duten bi molekulek elementu kimiko beraren isotopo ezberdinak izan ditzakete (molekula batek isotopo mota bat eta besteak bestea), molekula hauek isotopologoak direla esan ohi da. Isotopologoak diren bi molekula baditugu, haien portaera ez da guztiz berdina izango elementu beraren bi isotoporen artean gertatzen den bezala. Bi molekulen neutroi kopuruaren arteko aldearen eta molekulak batez beste duen nukleoi kopuruaren arteko proportzioaren araberakoak izango dira ezberdintasunak atomo hutsekin gertatzen zen antzera:

${\displaystyle k=\mathrm {{{(A\ molekularen\ nukleoiak)-(B\ molekularen\ nukleoiak)} \over {Molekularen\ batezbesteko\ nukleoiak}}\times 100} }$

${\displaystyle \mathrm {Geroz\ eta\ {\mathit {k}}\ handiagoa\ \rightarrow \ Molekulen\ arteko\ alde\ handiagoa} }$

${\displaystyle \mathrm {Geroz\ eta\ {\mathit {k}}\ txikiagoa\ \rightarrow \ Molekulen\ arteko\ alde\ txikiagoa} }$

Atmosferaren infragorri absortzio espektroa, atmosferaren osagaiak bereizten direlarik

Molekula baten bibrazio modoak bere egitura atomiko eta masaren araberakoak dira. Molekularen bibrazio modoek molekularen fotoi absortzioan zerikusia dute beraz molekula isotopologoek masa ezberdina dutenez bibrazio modo ezberdinak izango dituzte, energia desberdinetara jasoko dituzte fotoiak eta honen ondorioz molekula isotopologoek argi infragorriarekiko portaera optiko ezberdina izango dute. Erradiazio infragorria (argi ikusgaiarena baino uhin luzera handiagoa duten uhin elektromagnetikoak) era ezberdinean xurgatzen dute beraz isotopo ezberdinek; fenomeno honek espektrometria infragorriaren bidez isotopoak bereiztea ahalbidetzen du. Espektrometria infragorrian molekulak frekuentzia ezberdineko argi infragorriarekin argiztatzen dira eta frekuentzia aldatu ahala fotoien absortzioa neurtzen da, horrela molekularen absortzio espektro bat lortzen da non frekuentzia eta energia absortzioa erlazionatzen diren. Isotopo ezberdinek marka ezberdinak eragiten dituzte, eta espektroan horren bidez molekula isotopologoak bereiz daitezke (bai eta molekulak ere). Espektrometria infragorria burutzen duen ekipamenduari espektrometro infragorri deritzo.

Isotopoak kimiko eta elektrikoki oso antzekoak diren arren, sekulako aldea dago haien portaera nuklearrean. Indar nuklear bortitz delakoak (ikusi naturako funtsezko indarrei buruzko artikulua) mantentzen ditu bat eginik protoi eta neutroiak atomoen nukleoan garrantzi handia du indar honek protoiak bata bestearengandik urbil mantentzerakoan indar elektromagnetikoa dela eta zeinu bereko karga dutenez bata bestearengandik aldentzeko joera baitute. Neutroiek ez dute karga elektrikorik eta protoien artean tarteak egotea ahalbidetzen dute. Esan bezala indar nuklear bortitzak mantentzen ditu protoi eta neutroiak batera horretarako partikulak bata bestearengandik oso gertu egon behar dute, nolabait esan liteke neutroiak indar nuklear bortitzaren bidez pegamento lanak egiten ditu protoiak eutsiz eta nukleoa egonkor bilakatuz. Hori dela eta nukleo batean protoi bat baino gehiago egon dadin neutroi bat edo gehiago beharko dira eta protoi kopuruak gora egin ahala neutroi kopuruak ere hazi egin beharko du nukleo egonkor bat izan nahi badugu behintzat.

Protoi eta neutroi konbinazio jakin batzuk soilik izango dira egonkorrak asko eta asko ezegonkorrak diren artean beraz protoi kopuruak elementuaren araberakoa den lez isotopo baten neutroi kopurua (isotopo bera definitzen duena) atomoaren egonkortasunak mugatzen du. Orohar elementuek bizpairu isotopo egonkor izan ditzakete eta beste bizpahiru isotopo ezegonkor. Isotopo ezegonkorretan nukleoko ekilibrioak ez du luzaro irauten eta zenbait perturbazio medio desegin egingo da konfigurazio egonkorragoak osatuz, azken fenomeno honi desintegrazio nuklear deritzo erradiaktibitatean garrantzi handia duena.

Orohar nukleo txikiak oso egonkorrak dira zenbaki atomikoa hazi ahala egonkortasuna galtzen delarik. ³He atomoek 1:2 protoi neutroi proportzioa duten artean ²³⁸U atomoek 3:2 baino handiago den proportzioa behar dute nolabaiteko egonkortasuna lortzearren.

Isotopo ezegonkorrak desegiten direnean beste elementu egonkorragoetan bihurtzen dira prozesu honek karbono-14 eta beste datazio sistema erradiometriko askoren funtsa delarik (argon-argon, potasio-argon, uranio-torio...). Karbono-14 datazio sisteman karbonodun materia zati bat hartzen da (materia organikoak karbonoa duenez oso aproposa da metodo hau aztarna biologikoak datatzeko) eta karbono-14 isotopo ezegonkor eta karbono-12 isotopo egonkorraren arteko proportzioa neurtzen da. Jakin badakigu karbono-14ak 5730±40 urteko semidesintegrazio-periodoa duela eta hildako materiak ez duela bere karbono-14a berritzen horrek 5730 urtero hildako materiak duen karbono-14 erdia beta desintegrazio bidez desegiten dela esan nahi du ¹⁴N arrunta bihurtzen delarik:

${\displaystyle \mathrm {~_{6}^{14}C} \rightarrow \mathrm {~_{7}^{14}N} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}$

Beraz aztarna batek duen karbono-14 proportzioa jakinda eta materia biziak duen proportzioa ezaguna denez materia zati horrek hilda daraman denbora kalkulatu liteke ±30 urteko prezisioaz duela 60 000 urteraino. Karbono-14 metodoak garrantzi handia du arkeologia eta antropologian.