Isotopen, varianten van een element met verschillend aantal neutronen

In elk neutraal atoom is het aantal elektronen gelijk aan het aantal protonen. Bijgevolg hebben isotopen van hetzelfde element ook hetzelfde aantal elektronen en dezelfde elektronische structuur. De werking van een atoom wordt bepaald door zijn elektronische structuur, dus hebben isotopen van hetzelfde element vrijwel hetzelfde chemische gedrag, zoals de moleculen die het kan vormen. Het is heel moeilijk om de isotopen van een element te scheiden van een mengsel van verschillende isotopen, omdat dit gedrag zo op elkaar lijkt.

Zwaardere isotopen reageren chemisch langzamer dan lichtere isotopen van hetzelfde element. Dit "massa effect" is groot voor protium (¹ H) en deuterium (² H), omdat deuterium tweemaal zoveel massa heeft als protium. Voor zwaardere elementen is de relatieve atoomgewichtsverhouding tussen isotopen veel kleiner, zodat het massa-effect meestal klein is.

Sommige isotopen zijn niet stabiel en veranderen door radioactief verval in een andere isotoop of een ander element. Dit worden onstabiele isotopen of radioactieve isotopen genoemd. De gemiddelde tijd die een isotoop nodig heeft om te vervallen wordt de halveringstijd genoemd. Andere isotopen vervallen niet en zijn dus niet radioactief. Deze worden stabiele isotopen genoemd.

Elk atoom heeft een atoomkern, die bestaat uit protonen en neutronen die bij elkaar worden gehouden door de kernkracht. Omdat protonen een positieve elektrische lading hebben, stoten ze elkaar af. Neutronen zijn neutraal en stabiliseren de kern. De neutronen houden de protonen iets uit elkaar. Dit vermindert de elektrostatische afstoting tussen de protonen, zodat de kernkracht de protonen en neutronen bij elkaar kan houden. Er zijn één of meer neutronen nodig om twee of meer protonen in een kern te binden. Naarmate het aantal protonen toeneemt, neemt ook het aantal neutronen dat nodig is voor een stabiele kern toe.

Sommige elementen hebben slechts één stabiele isotoop. Zo is fluor-19 (¹⁹ F) de enige stabiele isotoop van fluor. De andere isotopen van fluor vervallen snel, zodat ze in de natuur niet voorkomen. Andere elementen hebben veel stabiele isotopen. Zo heeft xenon zeven stabiele isotopen. Het heeft ook twee isotopen die zeer langzaam vervallen en die in de natuur voorkomen. Het grootste aantal stabiele isotopen voor een element is tien, voor het element tin. Sommige elementen hebben geen stabiele isotopen, zoals curium. Deze bestaan alleen op aarde omdat ze ontstaan in kernreactoren, kernexplosies of deeltjesversnellers.

Sommige onstabiele isotopen bestaan van nature op aarde omdat ze een zeer lange halveringstijd hebben. Zo heeft uranium-238 een halveringstijd van 4468 miljoen jaar. De halveringstijd van radium-226 is slechts 1600 jaar, en het wordt in de natuur aangetroffen omdat het zich voortdurend vormt uit het verval van uranium-238.

Waterstof heeft drie veel voorkomende isotopen. De meest voorkomende isotoop van waterstof heet protium (¹ H), dat één proton en geen neutronen heeft. Een waterstofatoom met een proton en een neutron (atoommassa 2) heet deuterium (² H). Waterstof met één proton en twee neutronen (atoommassa 3) heet tritium (³ H). Protium en deuterium zijn stabiele isotopen, terwijl tritium een radioactieve isotoop is.

De zwaarste elementen in het periodiek systeem zijn allemaal radioactief. Alle isotopen van radon, thorium en uranium zijn radioactief, omdat ze erg zwaar zijn. Dat komt omdat de kernkrachten in de atoomkern niet alle protonen en neutronen bij elkaar kunnen houden.

• Isotopen elektrochemie
• Radionuclide