ایزوتوپ

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
فیزیک هسته‌ای
CNO Cycle fa.png
واپاشی
شکافت هسته‌ای
گداخت هسته‌ای
دانشمندان
هانری بکرل · ماری کوری · پی‌یر کوری · هانس بتدیگران
نمونه‌ای از جدول ایزوتوپی از عناصر ۱ تا ۲۹. خانه‌های آبی رنگ ایزوتوپ‌های پایدار و خانه‌های صورتی رنگ ناپایدارند. هیدروژن فقط دو ایزوتوپ پایدار دارد.

ایزوتوپ‌ها (از یونانی Ισότοπο، =هم‌جا)، اتمهای یک نوع عنصر هستند که عدد اتمی (Z) یکسان و عدد جرمی (A) متفاوتی دارند. عدد اتمی بیانگر تعداد پروتونهای هسته اتم است. بنابراین ایزوتوپ‌های یک عنصر، تعداد پروتون‌های مساوی دارند. اختلاف در جرم اتمی ایزوتوپ‌ها از اختلاف تعداد نوترونهای موجود در هسته آنها ناشی می‌شود.

در فارسی واژه‌های «همجا» و «هم‌مکان» در برابر واژه ایزوتوپ پیشنهاد شده است.

نام‌گذاری[ویرایش]

نام‌گذاری یک ایزوتوپ به صورت نام عنصر مربوطه، خط فاصله و عدد جرمی آن ایزوتوپ انجام می‌شود (برای نمونه هیدروژن-۲ و اورانیوم-۲۳۵).[۱] هنگامی که از نمادهای شیمیایی استفاده شود، عدد اتمی به صورت زیرنویس و عدد جرمی به صورت بالانویس، هر دو پیش از نماد عنصر نوشته می‌شوند (مانند O۱۸
۸
). البته با توجه به این که نماد یک عنصر، معرف عدد اتمی آن نیز هست؛ معمولاً تنها عدد جرمی نشان داده می‌شود (مانند O۱۸
). گاهی حرف m نیز به عدد جرمی افزوده می شود که نشان دهنده ایزومر بودن آن ایزوتوپ است (مانند Tc۹۹m
).

انواع ایزوتوپ‌ها[ویرایش]

ایزوتوپ پایدار[ویرایش]

نوشتار اصلی: ایزوتوپ پایدار

ایزوتوپ پایدار به عنوان ایزوتوپی تعریف می‌شود که تاکنون هیچ شکلی از واپاشی آن مشاهده نشده‌است. تاکنون ۲۵۴ ایزوتوپ پایدار شناسایی شده‌اند که مربوط به ۸۲ عنصر اول جدول تناوبی (به جز تکنسیم و پرومتیم) هستند. البته پیش‌بینی می‌شود که تنها ایزوتوپ‌هایی از ۴۰ عنصر اول (شامل ۹۰ ایزوتوپ)، نسبت به همه شکل‌های واپاشی پایدار باشند و سایر ایزوتوپ‌هایی که اکنون به عنوان ایزوتوپ پایدار خوانده می‌شوند، در مقابل شکلی از واپاشی، ناپایدار باشند که تاکنون مشاهده نشده‌است.

هسته دیرینه[ویرایش]

نوشتار اصلی: هسته دیرینه

هسته دیرینه، به ایزوتوپی گفته می‌شود که ناپایدار است، ولی نیم‌عمر آن بیشتر از عمر زمین است و همچنان در پوسته زمین یافت می‌شود. تاکنون ۳۴ هسته دیرینه، شناسایی شده‌اند. عناصر بیسموت، توریوم و اورانیوم، هیچ ایزوتوپ پایداری ندارند؛ ولی ایزوتوپ‌هایی با نیم‌عمر بسیار زیاد دارند و به همین دلیل، همچنان در پوسته زمین یافت می‌شوند.

ایزوتوپ پرتوزا[ویرایش]

نوشتار اصلی: ایزوتوپ پرتوزا

ایزوتوپ پرتوزا، گونه‌ای از ایزوتوپ ناپایدار است که نیم‌عمر پایینی دارد. البته هسته دیرینه نیز نوعی ایزوتوپ پرتوزا است، ولی به دلیل پرتوزایی بسیار پایین آن، به عنوان یک گروه جداگانه در نظر گرفته می‌شود. همه ایزوتوپ‌های تکنسیوم، پرومتیوم و عناصر با عدد اتمی بیش از ۸۳ (به جز یک ایزوتوپ توریوم و دو ایزوتوپ اورانیوم) در دسته ایزوتوپ‌های پرتوزا جای می‌گیرند.

تفاوت در ویژگی‌های ایزوتوپ‌ها[ویرایش]

ویژگی‌های شیمیایی[ویرایش]

از آنجا که ایزوتوپ‌های یک عنصر ساختار الکترونی مشابهی دارند، بنابراین ویژگی‌های شیمیایی آنها نیز یکسان است، اما ویژگی‌های هسته‌ای آنها متفاوت است. تنها استثنای این مطلب، سرعت واکنش است. ایزوتوپ‌های سنگین‌تر یک عنصر با سرعت کمتری نسبت به ایزوتوپ‌های سبک‌تر آن در واکنش شیمیایی شرکت می‌کنند. افزون بر این، تفاوت وزن ایزوتوپ‌ها می‌تواند با جابجا کردن مرکز جرم یک سیستم اتمی، در رفتار پیوند شیمیایی تأثیر بگذارد. (البته برای عناصر سنگین‌تر، می‌توان از تأثیر اختلاف ایزوتوپ‌ها چشم پوشی کرد.)

ویژگی‌های هسته‌ای[ویرایش]

تعداد نوترون‌ها و پروتون‌های یک عنصر، تأثیر قابل توجهی بر پایداری آن دارد. اگر تعداد پروتون‌ها بسیار بیشتر از نوترون‌ها باشد، پروتون‌ها یکدیگر را دفع می‌کنند و واپاشی رخ می‌دهد. وجود نوترون‌ها باعث افزایش پایداری هسته می‌شود. زیرا حضور نوترون‌ها باعث فاصله افتادن میان پروتون‌ها و کاهش نیروی دافعه بین آنها و همچنین نیروی جاذبه آنها باعث در کنار هم ماندن ذرات در هسته می‌شود. برای نمونه در He۳
۲
، نسبت نوترونها به پروتونها ۱:۲ است؛ در حالی که در U۲۳۸
۹۲
این نسبت به حدود ۳:۲ می‌رسد.

تعداد ایزوتوپ‌های پایدار یک عنصر[ویرایش]

بیشترین تعداد ایزوتوپ‌های پایدار یک عنصر برابر با ده و مربوط به قلع است. زنون هشت ایزوتوپ پایدار دارد. پس از آن، چهار عنصر با هفت و هشت عنصر با شش ایزوتوپ پایدار وجود دارند. در نهایت، ۲۶ عنصر تنها یک ایزوتوپ پایدار دارند که عنصر تک هسته نامیده می‌شوند.

عدد جرمی فرد و زوج[ویرایش]

تعداد پروتون و نوترون زوج/فرد (هیدروژن-۱ به عنوان زف در نظر گرفته می‌شود)
پروتون،نوترون زز ف‌ف زف ف‌ز مجموع
پایدار ۱۴۸ ۵ ۵۳ ۴۸ ۲۵۴
هسته دیرینه ۲۲ ۴ ۳ ۵ ۳۴
مجموع ۱۷۰ ۹ ۵۶ ۵۳ ۲۸۸

فرد یا زوج بودن تعداد پروتون‌ها، نوترون‌ها و مجموع آنها تأثیر زیادی در پایداری هسته دارد. فرد بودن همزمان تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها باعث کاهش انرژی بستگی هسته‌ای می‌شود. بنابراین، تعداد ایزوتوپ‌های پایدار در این حالت، بسیار کم است (تنها ۵ مورد شامل H۲
۱
و Li۶
۳
و B۱۰
۵
و N۱۴
۷
و Ta۱۸۰m
۷۳
). در نقطه مقابل، زوج بودن همزمان تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها یکی از عوامل اصلی پایداری هسته است. حدود ۵۸٪ ایزوتوپ‌های پایدار در این دسته قرار دارند و به علت جفت‌شدگی، اسپین همه آنها صفر است. در نیمی از عناصر دارای عدد اتمی زوج، تعداد ایزوتوپ‌های پایدار، بیشتر یا مساوی شش است.

تعداد ایزوتوپ‌های پایدار با عدد جرمی زوج نسبت به عدد جرمی فرد بیشتر است. یک دلیل آن، انرژی بستگی هسته‌ای است. در هر عدد جرمی فرد، تنها یک ایزوتوپ پایدار می‌تواند وجود داشته باشد، در حالی که در یک عدد جرمی زوج، می‌تواند تا ۳ ایزوتوپ پایدار وجود داشته باشد که البته همه آنها باید دارای عدد اتمی زوج باشند. در واقع، وجود یک ایزوتوپ پایدار با تعداد پروتون و نوترون زوج، باعث می‌شود که ایزوتوپی با همان عدد جرمی و دارای عدد اتمی فرد، ناپایدار شود.

جرم اتمی ایزوتوپ‌ها[ویرایش]

جرم اتمی یک ایزوتوپ را می‌توان تقریباً معادل با عدد جرمی آن در نظر گرفت. اصلاحات جزئی، ناشی از انرژی بستگی هسته (کاهش جرم)، اختلاف اندک جرم پروتون و نوترون و تعداد الکترون‌های آن است. عدد جرمی، یک کمیت بی‌بعد است. در حالی که جرم اتمی با یکای جرم اتمی اندازه‌گیری می‌شود.

جرم اتمی یک عنصر را می‌توان بر پایه جرم اتمی ایزوتوپ‌های پایدار آن به دست آورد. از رابطه زیر برای محاسبه جرم اتمی یک عنصر ( \overline m_a) با تعداد N ایزوتوپ پایدار استفاده می‌شود.  \overline m_a = m_1 x_1+m_2 x_2+...+m_Nx_N

که مقادیر m_1 تا m_N جرم اتمی ایزوتوپ‌ها و مقادیر x_1 تا x_N وفور هر ایزوتوپ در طبیعت هستند.

منابع[ویرایش]

  1. (کانلی، ان. جی.؛ داموس، تی.؛ هارتشورن، آر. ام. و هاتن، ای. تی.)، نام‌گذاری شیمی غیر آلی – IUPAC توصیه‌های ۲۰۰۵، انجمن سلطنتی شیمی، ۲۰۰۵

پیوند به بیرون[ویرایش]