Atomerna i ett kemiskt grundämne kan finnas i flera varianter som har mycket liknande kemiskt beteende men olika massa. Dessa varianter kallas isotoper av grundämnet. Atomer av samma grundämne har alltid samma antal protoner, men olika isotoper skiljer sig åt i antal neutroner. Eftersom neutroner bidrar till atomkärnans massa har isotoper olika massa. Massa är ett mått på hur mycket substans (eller materia) något innehåller, och föremål med olika massa har också ofta olika vikt i ett gravitationsfält.

Masstal och notering

Atomer av samma grundämne har samma antal protoner, vilket kallas atomnummer (vanligt betecknat Z). Olika isotoper hos ett grundämne har olika antal neutroner, och därför olika masstal (vanligt betecknat A). Masstalet är summan av antalet protoner och neutroner i kärnan: A = Z + N (där N är antalet neutroner).

En isotop betecknas ofta genom att ange grundämnet och masstalet. Till exempel är symbolen för kol C och alla kolatomer har 6 protoner. Den vanligaste isotopen av kol har också 6 neutroner, vilket ger ett masstal på 12, och den skrivs kol-12 eller 12 C. Den isotop av kol som har 8 neutroner skrivs kol-14 eller 14 C. Ett annat vanligt sätt att skriva nuklidsymbolen är AZX, där X är grundämnets kemiska symbol, A masstalet och Z atomnumret.

Stabila och radioaktiva isotoper

Vissa isotoper är stabila och förändras inte spontant över tid. Andra är instabila och sönderfaller till en annan nuklid genom radioaktivt sönderfall. Sådana instabila varianter kallas radioaktiva isotoper eller radionuklider, medan de som inte sönderfaller kallas stabila isotoper.

Radioaktivt sönderfall kan ske på flera sätt, bland annat alfa‑sönderfall (sändning av en heliumkärna), beta‑sönderfall (omvandling mellan proton och neutron med utsändning av en elektron eller positron) och utsändning av högenergetisk gamma‑strålning. Varje radioaktiv isotop har en typisk halveringstid — den tid det tar för hälften av en given mängd att sönderfalla — som kan vara allt från bråkdelar av en sekund till miljarder år.

Exempel: kol-14 är en radioaktiv isotop som används för radiokolmetoden (åldersbestämning av organiskt material). Ett annat exempel är väte‑isotoperna protium (1H), deuterium (2H) och tritium (3H) — där tritium är radioaktivt med relativt kort halveringstid.

Användning och betydelse

Isotoper är viktiga i många områden:

  • Geologi och arkeologi: Åldersbestämning med radioaktiva isotoper (t.ex. kol‑14, uran‑bly).
  • Medicinsk diagnostik och behandling: Radioaktiva spårämnen (t.ex. i PET‑skanning) och terapeutiska isotoper för cancerbehandling.
  • Industri: Spårning av läckor, materialprovning och strålkällor för sterilisering.
  • Forskning: Studier av kemiska reaktioner och biologiska processer med stabila eller märkta isotoper.
  • Energiproduktion: Bestämda isotoper av t.ex. uran och plutonium används i kärnreaktorer och kärnvapen.

I naturen förekommer ofta flera isotoper av ett grundämne i bestämda relativa mängder (isotopisk naturlig abundans). Den relativa atomvikten som anges i det periodiska systemet är vanligen ett viktat medel av massorna för de naturliga isotoperna, viktat med deras relativa abundans.

Relaterade begrepp

Några närliggande begrepp att känna till:

  • Nuclid eller nuklid: en art med ett bestämt antal protoner och neutroner (alltså en bestämd isotop av ett grundämne).
  • Isobarer: nuklider med samma masstal A men olika atomnummer Z (olika grundämnen med samma totalantal nukleoner).
  • Isotoner: nuklider med samma antal neutroner N men olika antal protoner.
  • Isotopseffekt: massdifferenser mellan isotoper kan ge små men mätbara skillnader i kemiska reaktioner och fysiska egenskaper, vilket utnyttjas i forskning och tekniska tillämpningar.

Sammanfattningsvis är isotoper olika versioner av samma grundämne som skiljer sig i neutronantal och därmed i massa. Vissa är stabila, andra radioaktiva, och deras egenskaper gör dem användbara inom vetenskap, medicin, industri och energiproduktion. Ordet "isotop", som betyder "på samma plats", kommer från det faktum att isotoper av samma grundämne befinner sig på samma plats i det periodiska systemet.