İzotop Nedir, Örnekleri Nelerdir?
İzotoplar aynı sayıda protona ancak farklı sayıda nötrona sahip atomlardır. Başka bir ifade ile izotoplar farklı atom ağırlıklarına sahiptir. İzotoplar tek bir elementin farklı formlarıdır.Doğal olarak oluşan 90 elementin 250 izotopu vardır ve bu izotopların bazıları doğal ve bazıları sentetik olmak üzere 3.200’den fazla radyoaktif izotopları vardır. Periyodik tablodaki her elementin birden fazla izotop formu mevcuttur. Bir elementin izotopları hemen hemen benzer kimyasal özellikler gösterir. Ancak bu konuda bir istisna vardır ve bu da hidrojen izotoplarıdır. Nötronların sayısı hidrojen çekirdeğinin boyutu üzerinde çok önemli bir etkiye sahiptir. Bu durumda hidrojen atomu farklılık göstermektedir. Hidrojen haricinde doğal halde en bol bulunan element hidrojen izotoplarıdır. Hidrojenin en bol bulunan izotopu ise bir protonu olan ve nötron içermeyen protium’dur.
ÖNEMLİ NOT: İzotopların fiziksel özellikleri birbirinden farklıdır çünkü bu özellikler genellikle kütleye bağlı olarak değişmektedir. Bu fark fraksiyonel damıtma ve difüzyon ile bir elementin izotoplarını birbirinden ayırmak için kullanılabilir.
İzotop Kelimesinin Kökeni ve Tarihi
Margaret Todd’un önerdiği “izotop” terimi 1913’te İngiliz kimyager Frederick Soddy tarafından tanıtıldı. Yunanca isos kelimesi eşit, topos kelimesi yer anlamındadır, (iso)+ (topos) aynı yere sahip olmak anlamına gelir. Bir elementin izotopları farklı atom ağırlıklarına sahip olsa da izotoplar periyodik cetvelde aynı yeri kaplar.
İzotopların Belirlenmesi
İzotopları belirlemenin birkaç yöntemi vardır.
- YÖNTEM: İsminden veya element sembolünden sonra bir elementin kütle numarası listelenir. Örnek olarak, 6 protonlu ve 6 nötronlu bir izotop, karbon-12 veya C-12’dir. 6 proton ve 7 nötron içeren bir izotop, karbon-13 veya C-16’dır. İki izotopun kütle numarası farklı elementler olsalar bile aynı olabilir. Örneğin karbon-14 ve nitrojen-14 aynı kütle numarasına sahiptir.
- YÖNTEM: Kütle numarası bir element sembolünün sol üst tarafında belirtilir. Örnek olarak hidrojen izotopları şöyle ifade edilebilir 1 1H, 2 1H, 3 1H.
İzotop Örnekleri
- Karbon-12 ve Karbon-14 maddelerinden biri 6 nötronlu ve diğeri 8 nötronlu (her ikisi de 6 protonlu) karbon izotoplarıdır. C-12 kararlı bir izotoptur, C-14 ise radyoaktif bir izotoptur (radyoizotop).
- Uranyum-235 ve uranyum-238 Dünya yer kabuğunda doğal olarak bulunur. Her ikisinin de uzun yarı ömürleri vardır. Uranyum-234 bir bozunma ürünü olarak oluşur.
Ana ve Yavru İzotoplar
Radyoizotoplar radyoaktif bozunmaya uğradığında ilk izotop ortaya çıkan izotoptan farklı olabilir. İlk izotop ana izotop olarak adlandırılır, reaksiyon tarafından üretilen atomlar ise yavru izotoplar olarak adlandırılır. Birden fazla türde yavru izotop oluşabilir.
Örneğin U-238, Th-234’e bozunduğunda uranyum atomu ana izotop, toryum atomu ise yavru izotop olur.
Kararlı Radyoaktif İzotoplar
Kararlı izotopların çoğu radyoaktif bozunmaya uğramaz ancak birkaç tanesi bozunabilir. Bir izotop çok çok yavaş bir şekilde radyoaktif bozunursa kararlı olarak adlandırılabilir. Bizmut-209 kararlı izotop örneğidir. Bizmut-209 alfa bozunmasına uğrayan ancak 1,9 x 1019 yıllık yarı ömre sahip olan (evrenin tahmini yaşından bir milyar kat daha uzun olan) kararlı radyoaktif bir izotoptur. Tellür-128 beta bozunmasına uğrar, yarı ömrü 7.7 x 1024 yıl olarak tahmin edilmektedir.
Karbon-14’teki nötronlardan biri bir protona dönüşerek nitrojen-14 oluşturur. Beta bozunması olarak adlandırılan bu süreçte çekirdek bir elektron ve bir antinötrino şeklinde radyasyon yayar.
Çekirdeğin çürümesine neden olabilecek birçok faktör vardır. En önemli faktörlerden biri, çekirdeğin sahip olduğu protonların nötronlara oranıdır. Bir çekirdekte çok fazla nötron varsa (çok fazla ile kastedilen, çekirdeğin ne kadar ağır olduğuna bağlı olarak değişir, kararlılığa doğru bozunma ihtimali vardır. Çekirdekte çok fazla proton varsa da aynı durum geçerlidir. Bu, belirli bir elementin bazı izotoplarının radyoaktif iken diğerlerinin olmamasının nedenlerinden biridir.
İzotoplar Nasıl Oluşur?
Daha hafif izotoplardan bazıları, Büyük Patlama sırasında oluştu. Diğerleri, yıldızların içinde meydana gelen patlamalar veya atmosferdeki kozmik ışınlar olarak bilinen yüksek enerjili çekirdekler arasındaki çarpışmalar sonucunda oluştu.Doğal olarak var olan izotoplar çoğunlukla uzun bir dizi nükleer reaksiyon ve bozulmadan kaynaklanan nihai (kararlı veya uzun ömürlü) üründür.
Bu olayların çoğunda hafif çekirdekler protonları birbirinden ayıran elektromanyetik kuvvetten daha güçlü bir kuvvet oluşturmak amacı ile protonlar ve nötronlar birbirine dokunacak kadar yaklaştığında oluşan güçlü kuvvet etkisi ile benzer bir bağ oluşturur ve yeterli enerjiyle birlikte bu bağı parçalarlar. Güçlü kuvvet kazanırsa çarpışan çekirdekler daha ağır bir çekirdek oluşturmak için birbirine bağlanır veya birleşirler. Güneş bu duruma verilecek en güzel örnektir. Burada hidrojeni helyuma dönüştüren bir dizi füzyon reaksiyonu ve beta bozunması gerçekleşir.
İzotopların Kullanım Alanları
İzotopların doğası, kimyasal tekdüzelikleri, nükleer ayırt edicilikleri onların tıp, arkeoloji, tarım, enerji üretimi ve madencilik gibi çok çeşitli alanlarda ve çok çeşitli uygulamalarda kullanılmasını sağlamaktadır.
PET taramasında , belirli izotopların radyoaktif çürümelerinden yan ürün olarak yararlanmıştır. Bunlara genellikle tıbbi izotoplar denir. Bu tıbbi izotoplar, nükleer reaktörlerde veya siklotron adı verilen hızlandırıcılar yardımıyla nükleer reaksiyonların nasıl ilerlediğine dair bilgileri kullanarak üretilmektedir.
Doğal olarak oluşan radyoaktif izotoplardan da yararlanılmaktadır. Örneğin karbon izotopu (C-14) nesnelerin kaç yaşında olduğunu belirlemek için kullanılmaktadır.
ÖNEMLİ NOT: Normal şartlar altında karbon-14 atmosferdeki nitrojen-14 ile kozmik ışın reaksiyonları yoluyla üretilir. Yaklaşık 5.700 yıllık bir yarılanma ömrüne sahiptir. Bu durumda karbon-14’ün yarısı o zaman diliminde bozulur.
ÖNEMLİ NOT: Bir numuneden kimyasal yöntemler kullanarak karbon çıkarılırsa karbon izotoplarını ağırlıkça tek tek ayırmak için hızlandırıcı kütle spektrometresi (AMS) adı verilen bir yöntem uygulanabilir.
AMS, aynı yüke ancak farklı kütlelere sahip hızlandırılmış parçacıkların manyetik alanlar boyunca ayrı yollar izlediği prensibi ile tasarlanmıştır. Bu ayrı yollar kullanılarak izotop oranları doğru şekilde belirlenebilir.