Більшість елементів, що містяться в природі, складається з декількох видів атомів, що відрізняються значеннями відносної атомної маси.
Приклад. Хлор у природі зустрічається як суміш двох видів атомів, один з яких містить 18, а інший 20 нейтронів в ядрі.
Кожен вид атомів, незалежно від приналежності до конкретного елементу, однозначно описується числом нуклідів (сумою протонів і нейтронів). Тому число видів атомів перевищує число елементів.
Кожен вид атомів (ядер) називається нуклідом.
Нуклід – це вид атомів і ядер, що відповідає певному числу протонів і нейтронів.
Ізотопні нукліди (ізотопи) – це нукліди які належать одному хімічному елементу і мають однакове число протонів, але розрізняються по числу нейтронів.
Ізотопи елемента – це нукліди, що володіють однаковим зарядом ядра (однаковим числом протонів).
Приклад. Ядра двох природних ізотопів хлору містять по 17 протонів, 18 і 20 нейтронів, тобто 35 і 37 нуклонів відповідно.
Внаслідок того, що саме числом протонів в ядрі визначається число електронів в оболонці атома і хімічні властивості елемента, маємо, що атоми всіх ізотопів одного й того ж елемента мають однакову електронну будову, а самі ізотопи – близькі за хімічними властивостями, в наслідок чого, їх не вдається розділити хімічними методами.
В літературі ще зустрічається змішування понять нуклід і ізотоп, хоча в 1950 р. було прийнято міжнародну угоду, за якою до ізотопів слід відносити різні види атомів (точніше, ядер) тільки одного елемента (Z = const), а різні не тільки за кількістю нейтронів, але й також за кількістю протонів і електронів ядра і атоми слід називати нуклідами. Наприклад, атом Карбону з 12 нуклонами в ядрі, атом Кобальту з 59 нуклонами і атом Урану з 235 нуклонами – це нукліди, тобто конкретні види атомів різних елементів, а три різних атома Карбону з 12, 13 і 14 нуклонами в їх ядрах – це ізотопи (ізотопні нукліди) елемента Карбон. Таким чином, нуклід – це більш широке поняття, ніж ізотоп, так як кожен ізотоп є нуклід, але тільки нукліди одного елемента є ізотопами.
У природі зустрічаються елементи, що мають тільки один ізотоп. Такі елементи називаються изотопно-чистими. Періодична система хімічних елементів налічується 21 изотопно-чистий елемент (вони перераховані нижче за зростанням порядкового номера):
Інші природні елементи являють собою суміш двох або більше ізотопів, атоми яких розрізняються по числу нуклонів. Такі елементи називаються изотопно-змішаними, їх у Періодичній системі більшість. Значення відносних атомних мас елементів відповідають природній суміші ізотопів і є усередненими за вмістом ізотопів, тому значення Ar багатьох елементів сильно відхиляються від цілочисельних значень, і часто, початківці вивчаючи хімію, сприймають їх як помилку Періодичної системи елементів(!). Наприклад, звичайне і закономірне збільшення атомної маси із збільшенням порядкового номера, “порушується” для таких елементів як Телур і Іод:127.652 Te126.904553I. Навіть Карбон, який прийнятий за точку відліку відносних атомних мас елементів, є изотопно-змішаним елементом (два ізотопу з Ar = 12 b Ar = 13), і заходом визначення відносної атомної маси є один з природних ізотопів Карбону, а саме Карбон-12.
Найбільше число ізотопів (десять) має елемент Станум Sn. У першому наближенні вважається, що співвідношення ізотопів елемента в будь-яких природних об’єктах, і воно не змінюється в хімічних реакціях.
Приклад: Изотопно-змішаний елемент Хлор завжди відповідає природному вмісту двох ізотопів: 75,77% з Ar = 35 (34,9688 точно) і 24,23% з Ar = 37 (36,9658).
На основі прецизійних експериментальних визначень встановлено, що деякі изотопно-змішані елементи в зразках різного походження виявляють відхилення (хоча й незначні) по ізотопному складу, вперше це було виявлено у Сульфуру в межах ±0,003%.
Для нуклідів точні значення відносних атомних мас завжди близькі до цілочисельних значень, тому маси нуклідів можна порівнювати з значенням Ar, так званими масовими числами.
Масове число нукліда дорівнює числу нуклонів (сумі протонів і нейтронів) які в ньому містяться. Кожен нуклон має масове число, рівне 1 ( точні значення Arp = 1,0073 а.о.м., для нейтрона Arn = 1,0087 а.о.м.). Так як маса атома зосереджена в його ядрі, то фактично за одиницю атомної маси прийнята маса одного нуклона, або1/12 частина маси атома ізотопу Карбон-12.
Для позначення конкретного нукліда застосовується спеціальна символіка. Зліва від символу хімічного елемента верхнім індексом вказується масове число, а нижнім індексом – заряд ядра (порядковий номер елемента).
Приклад:
126C;168O;3517Cl;5927Co;23592U
Масове число = Число нуклонів в ядрі
Порядковий номер = Число протонів в ядрі або число електронів в оболонці атома
Різниця між масовим числом і порядковим номером = Число нейтронів в ядрі
За походженням нукліди (види атомів і ядер) поділяються на природні та штучні залежно від того, виділені з природних об’єктів або синтезовані в лабораторії.
По стійкості тобто здатності мимовільно видозмінюватися, радіонукліди поділяються на стабільні та радіоактивні.
Більшість нуклідів, що зустрічаються в природі є стабільними. Чи не радіоактивні; вони можуть зберігатися в незміненому вигляді необмежено довго. У природі є і радіоактивні нукліди з обмеженим часом життя, однак майже у всіх природних нуклідів воно досить велике і не викликає коливань природного ізотопного складу. Так, серед трьох природних ізотопів Калію ( 39, 40, 41) ізотоп 40K радіоактивний; половина атомів ізотопу 40K розпадається за 1,28·109 років; це час називається періодом напіврозпаду.
період напіврозпаду – це час, по закінченні якого кількість радіоактивної речовини зменшиться в 2 рази в порівнянні з початковою кількістю цієї речовини на момент початку відліку часу
Формула для розрахунку кількості радіоактивної речовини (ν½, моль), з відомим часом напіврозпаду (T½), яке залишається з плином часу (t):
ν½ = 2(t/T½ )
Наприклад, ізотоп елементу 106 з масовим числом 263 має період напіврозпаду 0,9 с, а ізотоп 60Co – 5,272 років.
Радіоактивні нукліди спонтанно розпадаються, перетворюючись в інші види ядер, при розпаді крім інших видів ядер, виникають і інші частинки.
α-частинки – це ядра атомів Гелію42H (ядерна реакція – альфа-розпад) і β-частинки – це електрони0-1e (ядерна реакція – бета-розпад).