Как найти изотоп калия

Изотопы калия — разновидности химического элемента калия с разным количеством нейтронов в атомном ядре. Известны изотопы калия с массовыми числами от 33 до 59 (количество протонов 19, нейтронов от 14 до 40) и 5 ядерных изомеров.

Природный калий представляет собой смесь трех изотопов. Двух стабильных:

• ³⁹K (изотопная распространённость 93,258 %)
• ⁴¹K (изотопная распространённость 6,730 %)

И одного нестабильного, но с большим периодом полураспада:

• ⁴⁰K (изотопная распространённость 0,012 %), период полураспада 1,25⋅10⁹ лет.

Благодаря радиоактивности ⁴⁰K природный калий обладает удельной активностью около 31 кБк/кг. Самым долгоживущим из остальных радиоизотопов является ⁴³K с периодом полураспада 22,3 часа.

Калий-40[править | править код]

⁴⁰K распадается по одной из трех схем:

• Бета-распад: вероятность 89,28 %, дочерний изотоп стабильный ⁴⁰Ca.
• Электронный захват: вероятность 10,72 %, дочерний изотоп стабильный ⁴⁰Ar.
• Позитронный распад: вероятность 0,001 %, дочерний изотоп стабильный ⁴⁰Ar.

Значимость калия-40 определяется его определяющим вкладом в собственную радиоактивность биологических тканей, содержащих природный калий. Ввиду наличия калия-40 в теле человека природная радиоактивность человеческого организма составляет 4—5 кБк. Это примерно 80—85 % собственной радиоактивности организма. Оставшаяся часть обусловлена в основном изотопом ¹⁴С. Среднегодовая эффективная эквивалентная доза, получаемая человеком в результате распада калия-40 в тканях организма, составляет 0,18 мЗв.

Соотношение калия-40 и аргона-40 используется в калий-аргоновом способе датирования  (англ.) (рус. абсолютного возраста минералов в геохронологии.

Таблица изотопов калия[править | править код]

Пояснения к таблице[править | править код]

• Распространённость изотопов приведена для большинства природных образцов. Для других источников значения могут сильно отличаться.

• Индексами ‘m’, ‘n’, ‘p’ (рядом с символом) обозначены возбужденные изомерные состояния нуклида.

• Символами, выделенными жирным шрифтом, обозначены стабильные продукты распада. Символами, выделенными жирным курсивом, обозначены радиоактивные продукты распада, имеющие периоды полураспада, сравнимые с возрастом Земли или превосходящие его и вследствие этого присутствующие в природной смеси.

• Значения, помеченные решёткой (#), получены не из одних лишь экспериментальных данных, а (хотя бы частично) оценены из систематических трендов у соседних нуклидов (с такими же соотношениями Z и N). Неуверенно определённые значения спина и/или чётности заключены в скобки.

• Погрешность приводится в виде числа в скобках, выраженного в единицах последней значащей цифры, означает одно стандартное отклонение (за исключением распространённости и стандартной атомной массы изотопа по данным ИЮПАК, для которых используется более сложное определение погрешности). Примеры: 29770,6(5) означает 29770,6 ± 0,5; 21,48(15) означает 21,48 ± 0,15; −2200,2(18) означает −2200,2 ± 1,8.

Примечания[править | править код]

Калий является химическим элементом, которому в периодической таблице Д. И. Менделеева соответствует символ “K” (с лат. Kalium) и номер 19. С арабского языка название этого элемента переводится как “зола растений”. Металл обладает яркими щелочными свойствами, имеет бело-серебристый цвет и распространен в природе в соленой воде и минералах. Химическая активность металла достаточно высокая, он легко окисляется на воздухе. Существует большое число изотопов калия, которые используются в различных областях деятельности человека.

Что такое атомные изотопы?

Перед рассмотрением вопроса об изотопах калия объясним термин “изотоп”. Под изотопами атома конкретного химического элемента понимается набор атомов, которые имеют один и тот же номер в периодической системе Менделеева, но отличаются друг от друга массой ядер. При этом число протонов во всех ядрах изотопов данного элемента является одинаковым. Отличается лишь число нейтронов.

Сам термин “изотоп” ведет свое происхождение с греческого языка и состоит из двух слов: isos – равный и topos – место. Впервые этот термин начал использоваться в начале XX века английским ученым Фредериком Содди, который вошел в историю химии, как исследователь радиоактивности атомов и природы изотопов различных элементов. За свои заслуги Содди получил Нобелевскую премию в 1921 году по химии.

Отметим, что большинство химических элементов имеют более одного изотопа. Всего 8 элементов периодической таблицы обладают одним изотопом, например, натрий или бериллий. Элементом, который имеет больше всего стабильных изотопов, является олово, у него их 10.

Стабильность изотопов

Чтобы ядро атома конкретного химического элемента было стабильным, необходимо соблюдение определенного соотношения нейтронов и протонов в этом ядре. Если это соотношение нарушается, изотоп становится нестабильным и в результате процессов радиоактивности распадается на более стабильные изотопы. Понятие стабильности является относительным, поскольку многие изотопы, будучи нестабильными, имеют большой период полураспада и могут считаться относительно стабильными.

Нестабильные или радиоактивные изотопы преобразуются в более стабильные атомы. В результате этого процесса происходит испускание бета-, альфа- или гамма-излучения.

Искусственно полученные радиоактивные изотопы используются для различных техник исследования в медицине. Применение же природных радиоактивных изотопов находит себя в области геологии для определения возраста пород и живых организмов, а также при производстве атомной энергии.

Изотопы калия

Калий имеет 24 различных изотопа. Эти изотопы обладают массой от 32 до 56 в атомных единицах массы (АЕМ). Учитывая, что калий занимает 19 порядковый номер в таблице Менделеева, значит, ядро изотопа калия содержит 19 протонов и от 13 до 37 нейтронов. Из всех этих изотопов всего три обладают большим временем жизни. Говоря более точно, отметим, что два изотопа, ³⁹K и ⁴¹K, являются стабильными, в то время как третий изотоп, ⁴⁰K, имеет большой период полураспада (1,25 миллиарда лет).

Содержание в природе калия и его изотопов

Содержание в природе изотопов калия составляет 2,4 % от массы всей земной коры, что ставит его на 7-е место в списке самых распространенных элементов на нашей планете. Из-за его высокой химической активности очень тяжело получить чистый калий. Кроме того, растворимость калия очень велика, поэтому во многих минералах он содержится в небольших концентрациях. Тем не менее на дне древних озер находятся большие количества этого элемента в виде следующих минералов:

• карналлит;
• лангбейнит;
• полигалит;
• сильвин.

Из этих минералов добыча калия является экономически целесообразной. Но калий существует в этих минералах не в виде одного изотопа. Как было выше сказано про стабильные изотопы, калий имеет три изотопа, содержание в природе которых составляет 93,3 % ³⁹K, 6,7 % ⁴¹K и 0,012 % ⁴⁰K.

Относительно стабильный изотоп K40

Радиоактивный изотоп калия ⁴⁰K распадается либо за счет захвата электрона, либо за счет испускания позитрона. При этом образуется изотоп аргона ⁴⁰Ar. Большой период полураспада ⁴⁰K (1,248*10⁹ лет) объясняется спин-запрещенным переходом этого изотопа в другой стабильный элемент.

В любом калийсодержащем минерале этот радиоактивный изотоп находится в достаточных количествах для демонстрации в школьных экспериментах явления радиоактивности. У людей и животных этот изотоп является главным источником их радиоактивности. Так, у человека весом 70 кг в организме находится около 4400 ядер ⁴⁰K, которые распадаются каждую секунду.

Радиоактивный распад ⁴⁰K на ⁴⁰Ar используется в качестве одного из самых надежных методов определения возраста горных пород. Суть метода калия-аргона заключается в том, что при преобразовании гор в них не содержался аргон. В процессе времени атомы ⁴⁰K распадались с образованием аргона, который задерживался в толще горных пород. Определение количества этого благородного газа, а также процентное содержание изотопов калия дает информацию о геологическом возрасте пород.

Другие радиоактивные изотопы

За исключением отмеченного изотопа ⁴⁰K, все остальные изотопы этого химического элемента имеют периоды полураспада меньше 1 дня, большая же часть изотопов распадается быстрее, чем проходит минута. Почему изотопы калия, имеющие массы отличные от 39-41 АЕМ, распадаются так быстро? Дело в том, что в ядре атома калия содержится 19 протонов, а законы стабильности атомного ядра говорят, что количество нейтронов должно быть приблизительно такое же, чтобы атом мог существовать большое количество времени, не испытывая радиоактивный распад. Иными словами, чем ближе число нейтронов в ядре калия к 19, тем стабильнее будет такой изотоп.

Например, изотопы ⁴²K и ⁴³K (число нейтронов 23 и 24) имеют периоды полураспада 12,3 часа и 22,3 часа, соответственно. В то же время изотопы ³³K и ³⁴K (число нейтронов 14 и 15) распадаются за несколько наносекунд.

From Wikipedia, the free encyclopedia

Potassium (
₁₉K) has 26 known isotopes from ³¹
K to ⁵⁷
K, with the exception of still-unknown ³²
K, as well as an unconfirmed report of ⁵⁹
K.^[3] Three of those isotopes occur naturally: the two stable forms ³⁹
K (93.3%) and ⁴¹
K (6.7%), and a very long-lived radioisotope ⁴⁰
K (0.012%)

Naturally occurring radioactive ⁴⁰
K decays with a half-life of 1.248×10⁹ years. 89% of those decays are to stable ⁴⁰
Ca by beta decay, whilst 11% are to ⁴⁰
Ar by either electron capture or positron emission. ⁴⁰
K has the longest known half-life for any positron-emitter nuclide. The long half-life of this primordial radioisotope is caused by a highly spin-forbidden transition: ⁴⁰
K has a nuclear spin of 4, while both of its decay daughters are even–even isotopes with spins of 0.

⁴⁰
K occurs in natural potassium in sufficient quantity that large bags of potassium chloride commercial salt substitutes can be used as a radioactive source for classroom demonstrations.^{[citation needed] 40}
K is the largest source of natural radioactivity in healthy animals and humans, greater even than ¹⁴
C. In a human body of 70 kg mass, about 4,400 nuclei of ⁴⁰
K decay per second.^[4]

The decay of ⁴⁰
K to ⁴⁰
Ar is used in potassium-argon dating of rocks. Minerals are dated by measurement of the concentration of potassium and the amount of radiogenic ⁴⁰
Ar that has accumulated. Typically, the method assumes that the rocks contained no argon at the time of formation and all subsequent radiogenic argon (i.e., ⁴⁰
Ar) was retained.^{[citation needed] 40}
K has also been extensively used as a radioactive tracer in studies of weathering.^{[citation needed]}

All other potassium isotopes have half-lives under a day, most under a minute. The least stable is ³¹
K, a three-proton emitter discovered in 2019; its half-life was measured to be shorter than 10 picoseconds.^[5][6]

Various potassium isotopes have been used for nutrient cycling studies because potassium is a macronutrient required for life.^{[citation needed]}

List of isotopes[edit]

See also[edit]

• Banana equivalent dose

References[edit]

Изотопы калия