Każdy pierwiastek w układzie okresowym ma unikalną liczbę dodatnio naładowanych protonów w swoim jądrze, ale liczba neutronów, które nie mają ładunku, może się różnić. Atomy pierwiastka o różnej liczbie neutronów są izotopami tego pierwiastka. Wszystkie pierwiastki oprócz 20 mają więcej niż jeden naturalnie występujący izotop, a niektóre pierwiastki mają ich wiele. W tej kategorii zwycięzcą jest cyna (Sn), zawierająca 10 naturalnych izotopów. Neutrony mają taką samą masę jak protony, więc różne izotopy mają różne masy atomowe, a masa pierwiastka wymienionego w układzie okresowym to średnia każdego izotopu pomnożona przez jego obfitość.
Masa atomowa = ∑ (masa atomowa x względna liczebność)
Możliwe jest matematyczne obliczenie ułamkowych liczebności pierwiastków z dwoma izotopami na podstawie mas atomowych izotopów, ale potrzebne są techniki laboratoryjne dla pierwiastków o więcej niż dwóch.
TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)
Jeśli pierwiastek ma dwa izotopy, możesz znaleźć ich ułamkowe obfitości za pomocą matematyki. W przeciwnym razie potrzebujesz spektrometru mas.
Obliczanie względnej obfitości dwóch izotopów
Rozważmy pierwiastek z dwoma izotopami o masach m1 oraz m2. Ich ułamkowe obfitości muszą być równe 1, więc jeśli obfitość pierwszego wynosi x, obfitość drugiego wynosi 1 - x. To znaczy
Masa atomowa = m1x + m2(1-x).
Upraszczanie i rozwiązywanie dla x:
x = (masa atomowa - m2) ÷ (m1 - m2)
Wielkość x to ułamkowa liczebność izotopu o masie m1.
Przykładowe obliczenia
Chlor ma dwa naturalnie występujące izotopy: 35Cl, o masie 34,9689 amu (jednostek masy atomowej) i 37Cl, o masie 36,9659 amu. Jeśli masa atomowa chloru wynosi 35,46 amu, jakie są ułamkowe zawartości każdego izotopu?
Niech x będzie ułamkową obfitością 35kl. Zgodnie z powyższym równaniem, jeśli pozwolimy masie 35Cl być m1 i to z 37Cl być m2otrzymujemy:
x = (35,46 - 36,9659) ÷ (34,9689 - 36,9659) = 0,5911/1,997 = -1,5059/-1,997 = 0,756
Ułamkowa obfitość 35Cl wynosi 0,756, a 37Cl wynosi 0,244.
Więcej niż dwa izotopy
Naukowcy określają w laboratorium względną obfitość pierwiastków zawierających więcej niż dwa izotopy za pomocą techniki zwanej spektrometrią mas. Odparowują próbkę zawierającą pierwiastek i bombardują ją wysokoenergetycznymi elektronami. To ładuje cząstki, które są nimi kierowane przez pole magnetyczne, które je odchyla. Cięższe izotopy odchylają się bardziej niż lżejsze. Spektrometr mierzy stosunek masy do ładunku każdego wykrytego izotopu, a także mierzy liczbę każdego z nich i wyświetla je w postaci szeregu linii, zwanych widmem. Widmo jest jak wykres słupkowy, który przedstawia stosunek masy do ładunku w stosunku do względnej obfitości.