Wszystkie pierwiastki są izotopami. Chociaż wszystkie atomy danego pierwiastka mają tę samą liczbę atomową (liczbę protonów), masa atomowa (liczba protonów i neutronów razem) jest różna. Termin „izotop” odnosi się do tej zmiany masy atomowej – dwa atomy o tej samej liczbie protonów i różnej liczbie neutronów to dwa izotopy tego samego pierwiastka.
Liczba atomowa
Protony to dodatnio naładowane cząstki w jądrze atomowym. Atom jako całość ma ładunek neutralny, więc każdy dodatnio naładowany proton jest równoważony przez ujemnie naładowaną cząstkę. Te ujemne cząstki – elektrony – krążą poza jądrem. Orbitalna konfiguracja elektronów określa, jak atom będzie reagował i wiązał się z innymi atomami, nadając każdemu pierwiastkowi jego specyficzne właściwości chemiczne i fizyczne. Każdy pierwiastek ma niepowtarzalną liczbę atomową wydrukowaną nad skrótem chemicznym w układzie okresowym pierwiastków.
Masa atomowa
Neutrony to cząstki subatomowe, które nie mają ładunku, więc liczba neutronów w jądrze atomu nie wpływa na liczbę elektronów ani na ich konfigurację orbitalną. Dwa atomy o tej samej liczbie protonów i różnej liczbie neutronów będą miały te same właściwości fizyczne i chemiczne, ale różne masy atomowe. Te dwa atomy są różnymi izotopami tego samego pierwiastka. Na przykład najczęstszym izotopem wodoru jest H-1, co oznacza, że atom ma jeden proton i nie ma neutronów, ale istnieją również izotopy H-2 i H-3, odpowiednio z jednym i dwoma neutronami. Układ okresowy pierwiastków podaje średnią masę atomową pierwiastka pod symbolem chemicznym pierwiastka.
Izotopy radioaktywne
Cięższe izotopy atomu są często niestabilne i z czasem rozpadną się na lżejsze izotopy. Ten rozpad atomowy uwalnia energię w postaci promieniowania alfa, beta i gamma. Na przykład wodór-3 jest radioaktywny i rozpadnie się na wodór-2. Wszystkie pierwiastki mają radioaktywne izotopy, które rozpadają się w różnym tempie. Szybkość rozpadu jest mierzona w okresach półtrwania – ilości czasu potrzebnego, aby połowa izotopów promieniotwórczych w próbce danego pierwiastka rozpadła się na izotopy lżejsze. Okres półtrwania wodoru-3 wynosi 12,32 lat.
Zastosowania izotopów promieniotwórczych
Naukowcy i lekarze intensywnie wykorzystują izotopy promieniotwórcze. Mierząc ilość naturalnie występującego radioaktywnego izotopu węgla-14, archeolodzy i paleontolodzy mogą określić przybliżony wiek skamieniałości lub artefaktu. Lekarze stosują izotopy jodu-131 i baru-137 jako znaczniki radioaktywne do wykrywania problemów z sercem, guzów mózgu i innych nieprawidłowości, a kobalt-60 służy jako źródło promieniowania do powstrzymania rozwoju guzów nowotworowych.