Γιατί τα ισότοπα του ίδιου στοιχείου έχουν διαφορετικές πυκνότητες;

Τα ισότοπα του ίδιου στοιχείου έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων. Τα νετρόνια είναι υποατομικά σωματίδια που συμβάλλουν στη συνολική μάζα ενός ατόμου, αλλά δεν επηρεάζουν τις χημικές του ιδιότητες. Ως αποτέλεσμα, τα ισότοπα του ίδιου στοιχείου έχουν πολύ παρόμοια χημική συμπεριφορά, αλλά μπορούν να έχουν ελαφρώς διαφορετικές φυσικές ιδιότητες, όπως η πυκνότητα.

Η πυκνότητα ορίζεται ως μάζα ανά όγκο μονάδας. Δεδομένου ότι τα ισότοπα έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, θα έχουν παρόμοιο αριθμό ηλεκτρονίων που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα. Αυτό σημαίνει ότι το συνολικό φορτίο του ατόμου παραμένει το ίδιο. Ωστόσο, η προσθήκη νετρονίων αυξάνει τη μάζα του ατόμου χωρίς να αλλάζει σημαντικά το μέγεθός του. Ως αποτέλεσμα, τα ισότοπα με περισσότερα νετρόνια θα έχουν υψηλότερη πυκνότητα από τα ισότοπα με λιγότερα νετρόνια.

Για παράδειγμα, εξετάστε τον άνθρακα-12 και τον άνθρακα-13. Το Carbon-12 έχει 6 πρωτόνια, 6 νετρόνια και 6 ηλεκτρόνια, ενώ ο άνθρακας-13 έχει 6 πρωτόνια, 7 νετρόνια και 6 ηλεκτρόνια. Η προσθήκη ενός νετρονίου αυξάνει τη μάζα του άνθρακα-13 κατά περίπου 1,6%, αλλά δεν αλλάζει σημαντικά το μέγεθός του. Ως αποτέλεσμα, ο άνθρακας-13 είναι πυκνότερος από τον άνθρακα-12.

Η διαφορά στην πυκνότητα μεταξύ των ισοτόπων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να τα διαχωρίσει. Αυτό γίνεται μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται διαχωρισμός ισοτόπων, ο οποίος χρησιμοποιείται σε μια ποικιλία εφαρμογών, όπως η παραγωγή πυρηνικών καυσίμων και ο εμπλουτισμός του ουρανίου για χρήση σε πυρηνικούς αντιδραστήρες.