Ізотопи калію і їх вміст в природі: стабільні та радіоактивні атомні ядра

Калій є хімічним елементом, якому в періодичній таблиці Менделєєва Д. І. відповідає символ “K” (з лат. Kalium) і номер 19. З арабської мови назва цього елемента перекладається як “зола рослин”. Метал володіє яскравими лужними властивостями, має біло-сріблястий колір і поширений в природі в солоній воді і мінералах. Хімічна активність металу досить висока, він легко окислюється на повітрі. Існує велике число ізотопів калію, які використовуються в різних областях діяльності людини.

Що таке атомні ізотопи?

Перед розглядом питання про изотопах калію пояснимо термін “ізотоп”. Під ізотопами конкретного атома хімічного елемента розуміється набір атомів, які мають один і той же номер у періодичній системі Менделєєва, але відрізняються один від одного масою ядер. При цьому число протонів у всіх ядрах ізотопів даного елементу є однаковим. Відрізняється лише число нейтронів.

Сам термін “ізотоп” веде своє походження з грецької мови і складається з двох слів: isos – рівний і topos – місце. Вперше цей термін почав використовуватись на початку XX століття англійським ученим Фредеріком Содді, який увійшов в історію хімії, як дослідник радіоактивності атомів і природи ізотопів різних елементів. За свої заслуги Содді отримав Нобелівську премію в 1921 році з хімії.

Зазначимо, що більшість хімічних елементів мають більше одного ізотопу. Всього 8 елементів періодичної таблиці володіють одним ізотопом, наприклад, натрій або берилій. Елементом, який має найбільше стабільних ізотопів, є олово, у нього їх 10.

Стабільність ізотопів

Щоб ядро атома конкретного хімічного елементу було стабільним, необхідно дотримання певного співвідношення нейтронів і протонів в цьому ядрі. Якщо це співвідношення порушується, ізотоп стає нестабільним і в результаті процесів радіоактивності розпадається на більш стабільні ізотопи. Поняття стабільності є відносним, оскільки багато ізотопи, будучи нестабільними, мають великий період напіврозпаду і можуть вважатися відносно стабільними.

Дивіться також:  Що таке ліга? Значення, походження, синоніми та фразеологізми

Нестабільні або радіоактивні ізотопи перетворюються в більш стабільні атоми. В результаті цього процесу відбувається випущення бета-, альфа – або гамма-випромінювання.

Штучно отримані радіоактивні ізотопи використовуються для різних технік дослідження в медицині. Застосування ж природних радіоактивних ізотопів знаходить себе в області геології для визначення віку порід і живих організмів, а також при виробництві атомної енергії.

Ізотопи калію

Калій має 24 різних ізотопу. Ці ізотопи мають масу від 32 до 56 в атомних одиницях маси (ємо себе). Враховуючи, що калій займає 19 порядковий номер в таблиці Менделєєва, значить, ядро ізотопу калію містить 19 протонів і від 13 до 37 нейтронів. З усіх цих ізотопів всього три володіють великим часом життя. Говорячи більш точно, зазначимо, що два ізотопи, 39K і 41 K, є стабільними, у той час як третій ізотоп, 40K, має великий період напіврозпаду (1,25 мільярда років).

Вміст в природі калію і його ізотопів

Вміст в природі ізотопів калію становить 2,4 % від маси всієї земної кори, що ставить його на 7-е місце в списку найбільш поширених елементів на нашій планеті. З-за високої хімічної активності дуже важко отримати чистий калій. Крім того, розчинність калію дуже велика, тому в багатьох мінералах він міститься в невеликих концентраціях. Тим не менше на дні давніх озер знаходяться великі кількості цього елемента у вигляді наступних мінералів:

  • карналіт;
  • лангбейнит;
  • полигалит;
  • сильвин.

З цих мінералів видобуток калію є економічно доцільною. Але калій існує в цих мінералах не у вигляді одного ізотопу. Як було вище сказано про стабільні ізотопи, калій має три ізотопи, вміст в природі яких становить 93,3 % 39K, 6,7 % 41 K і 0,012 % 40K.

Дивіться також:  Лапки - це... Опис, способи друку на компютері

Відносно стабільний ізотоп K40

Радіоактивний ізотоп калію 40K розпадається або за рахунок захоплення електрона, або за рахунок випущення позитрона. При цьому утворюється ізотоп аргону 40Ar. Великий період напіврозпаду 40K (1,248*109 років) пояснюється спін-забороненим переходом цього ізотопу в інший стабільний елемент.

У будь-якому калийсодержащем мінералі цей радіоактивний ізотоп знаходиться в достатніх кількостях для демонстрації в шкільних експериментах явища радіоактивності. У людей і тварин цей ізотоп є головним джерелом їх радіоактивності. Так, у людини вагою 70 кг в організмі знаходиться близько 4400 ядер 40K, які розпадаються щосекунди.

Радіоактивний розпад 40K на 40Ar використовується в якості одного з найбільш надійних методів визначення віку гірських порід. Суть методу калію-аргону полягає в тому, що при перетворенні гір в них не утримувався аргон. В процесі часу атоми 40K розпадалися з утворенням аргону, який затримувався в товщі гірських порід. Визначення кількості цього благородного газу, а також процентний вміст ізотопів калію дає інформацію про геологічний вік порід.

Інші радіоактивні ізотопи

За винятком зазначеного ізотопу 40K, всі інші ізотопи цього хімічного елемента мають періоди напіврозпаду менше 1 дня, більша ж частина ізотопів розпадається швидше, ніж проходить хвилина. Чому ізотопи калію, мають маси відмінні від 39-41 ОТРИМАЄМО, розпадаються так швидко? Справа в тому, що в ядрі атома калію міститься 19 протонів, а закони стабільності атомного ядра кажуть, що кількість нейтронів має бути приблизно таке ж, щоб атом міг існувати велика кількість часу, не відчуваючи радіоактивний розпад. Іншими словами, чим ближче число нейтронів у ядрі калію до 19, тим стабільніше буде такий ізотоп.

Наприклад, ізотопи 42K і 43ДО (число нейтронів 23 і 24) мають періоди напіврозпаду 12,3 години і 22,3 години, відповідно. У той же час ізотопи 33K і 34K (число нейтронів 14 і 15) розпадаються за кілька наносекунд.

Дивіться також:  Значення слова Вікіпедія: трактування поняття