نوکلید

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

واژه نوکلید (به انگلیس Nuclide) به اتم یا هسته‌ای اشاره می‌کند که تعداد پروتون‌ها، تعداد نوترون‌ها و حالت انرژی (سطح برانگیختگی) آن مشخص و منحصر به فرد باشد.[۱] حداقل عمر یک نوکلید باید ثانیه باشد تا به عنوان یک نوکلید متمایز شناخته شود.[۲]

تا کنون (سال ۲۰۱۷) ۳۳۸۶ نوکلید شاناسایی شده است[۳] که ۳۴۰ عدد[۴] از آن‌ها به صورت طبیعی در زمین وجود دارند و مابقی به صورت مصنوعی توسط واکنش‌های هسته ای در آزمایشگاه‌ها ساخته شده اند.

این واژه در فارسی به صورت‌های نوکلاید، نوکلئید (تلفظ فرانسوی Nucléideویژه‌هسته[۴] و گونه‌هسته[۲] نیز نوشته می‌شود.

نمایش نوکلیدها[ویرایش]

برای نمایش یک نوکلید از نماد شیمیایی عنصر به اضافه عدد جرمی (مجموع تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها) آن استفاده می‌شود. برای مثال C۱۲
که به صورت کربن-۱۲ هم نوشته می‌شود، نوکلیدی است که ۶ پروتون و ۶ نوترون دارد. در نماد نوکلیدها معمولا عدد اتمی نوشته نمی‌شود چرا که عدد اتمی هر عنصر شیمیایی مشخص و ثابت است و نمایش آن کار زائدی است. با این حال در بعضی موارد تعداد نوترون‌ها و پروتون‌ها نیز در کنار نماد شیمیایی عنصر نوشته می‌شود. این طرز نمایش معمولا در نوشتن واکنش‌های هسته ای و موازنه کردن آن‌ها به کار می‌رود.[۵] از لحاظ سطح انرژی برخی نوکلیدها یک سطح پایه و یک یا چند حالت برانگیخته دارند. حالت‌های برانگیخته در نماد نوکلیدها با یک حرف m پس از عدد جرمی مشخص می‌شود. m حرف اول کلمه metastable[۶] به معنی نیم‌پایدار یا فراپایدار است.[۷] به عنوان مثال نوکلید تربیم علاوه بر حالت پایدار، چندین حالت برانگیخته نیز دارد که به صورت‌های Tb144m1
٬ Tb144m2
٬ Tb144m3
٬ Tb144m4
٬ و یا تربیم-144m1، تربیم-144m2، تربیم-144m3 و تربیم-144m4 نشان داده می‌شوند. روش‌های واپاشی و نیمه عمر این نوکلیدها با هم متفاوت است.[۸]

تاریخچه و ریشه‌شناسی[ویرایش]

پس از کشف و مطالعهٔ عنصرهای شیمیایی، دانشمندان به تدریج متوجه تناقض‌هایی در ویژگی‌های آن‌ها شدند. طبق نظریه اتمی دالتون تمام اتم‌های یک عنصر باید وزن یکسانی داشته باشند، اما اندازه‌گیری‌های شیمیدانان در قرن نوزدهم خلاف آن را نشان می‌داد. آن‌ها پی بردند که برخی عنصرها در شکل‌های مختلفی در طبیعت یافت می‌شوند و هر کدام از این شکل‌ها جرم اتمی مخصوص به خود را دارند. برای حل این مشکل٬ شیمیدان انگلیسی فردریک سودی در سال ۱۹۱۳ پیشنهاد کرد که اتم‌هایی که تنها اختلافشان در وزنشان است٬ همگی در یک خانه جدول تناوبی قرار داده شوند و برای تمایزگذاری بین آن ها از واژه ایزوتوپ (به معنی هم‌خانه) استفاده شود.[۴] با ظهور دانش هسته ای در قرن بیستم معلوم شد که این اختلافات مربوط به تفاوت در تعداد نوترون‌ها است. نهایتاً در سال ۱۹۴۷ شیمیدان آمریکایی ترومن پی. کومان (Truman P. Kohman) واژه نوکلید را برای اشاره دقیق به یک هسته خاص ابداع کرد.[۹]

واژه نوکلید از ترکیب کلمه لاتین Nucleus (به معنای هسته) و پسوند ide- (به معنای شکل، فرم) ساخته شده‌است.

ضرورت استفاده از واژه نوکلید[ویرایش]

هنگامی که از واژه نوکلید استفاده می‌کنیم، سه ویژگی اساسی یک اتم یا هسته را به طور دقیق مشخص می‌کنیم:

  • تعداد پروتون‌ها (یا عدد اتمیZ)
  • تعداد نوترون‌ها
  • سطح انرژی یا حالت برانگیختگی.

به این ترتیب از ایجاد هرگونه ابهام جلوگیری می‌کنیم چرا که تغییر هرکدام از این ویژگی‌ها باعث تغییرات چشمگیری در اتم یا هسته می‌شود. مثلا:

  • تغییر در تعداد پروتون‌ها در واقع به معنای تغییر ماهیت عنصر است. مثلاً اکسیژن و نیتروژن که اولی هشت و دومی نُه پروتون دارد، دو عنصر متفاوت هستند.
  • با تغییر تعداد نوترون‌ها، جرم اتمی و خواص هسته‌ای عنصر تغییر می‌کند. مثلاً اورانیم-۲۳۵ (که۱۴۳ نوترون دارد) شکافت پذیر است ولی اورانیم-۲۳۸ (که ۱۴۶ نوترون دارد) شکافت پذیر نیست.
  • با تغییر سطح انرژی یا حالت برانگیختگی هسته‌ها، برخی ویژگی‌های مهم آن‌ها مثل نیمه عمر یا چگونگی فروپاشی تغییر می‌کند.

با توجه به این موارد، استفاده از واژه‌های اتم، عنصر، هسته یا حتی ایزوتوپ به ویژه در علوم هسته‌ای می‌توانند باعث ایجاد ابهام شوند.

تفاوت نوکلید و ایزوتوپ[ویرایش]

ایزوتوپ‌ها اتم‌هایی از یک عنصر هستند که تعداد نوترون‌های متفاوتی دارند. با استفاده از واژه ایزوتوپ تنها تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها را مشخص می‌کنیم. اما واژه نوکلید علاوه بر اشاره به تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها، سطح انرژی یا حالت برانگیختگی را نیز مشخص می‌کند. به عبارت صحیح‌تر می‌توان گفت که ایزوتوپ‌ها نوکلیدهایی هستند که تعداد پروتون‌هایشان با هم برابر است. به این ترتیب ایزوتوپ‌ها در واقع یکی از زیر مجموعه‌های نوکلیدها هستند.

علاوه بر این نوکلید بیشتر بر ویژگی‌های هسته‌ای تأکید دارد تا ویژگی‌های شیمیایی. در حالی که ایزوتوپ بیشتر به ویژگی‌های شیمیایی می‌پردازد تا هسته ای. به این دلیل که تعداد نوترون‌ها هرچند تأثیر زیادی بر ویژگی‌های هسته‌ای دارد، تأثیر چندانی بر خواص شیمیایی ندارد. حتی در هسته‌های سبک که اختلاف نسبت نوترون به پروتون بین ایزوتوپ‌های مختلف زیاد است، تغییر تعداد نوترون‌ها تأثیر محسوسی بر خواص شیمیایی ایزوتوپ‌ها ندارد (البته استثناءهای معدودی مثل هیدروژن وجود دارد).

البته واژه ایزوتوپ در مجموع رایج‌تر از نوکلید است و هنوز هم در جاهایی که نوکلید مناسبتر است، مثلاً در پزشکی هسته‌ای، گاهی به اشتباه از واژه ایزوتوپ استفاده می‌شود.[۱۰]

انواع نوکلیدها[ویرایش]

نوکلیدها را می‌توان از نظر روابط میان ذرات تشکیل دهنده و سطوح مختلف انرژی، به گروه‌های زیر تقسیم کرد:

۱-ایزوتوپ‌ها:

نوکلیدهایی که تعداد پروتون‌هایشان مساوی باشد را ایزوتوپ می‌نامند. واژه ایزوتوپ به معنی هم‌جا یا هم‌خانه است و به این واقعیت اشاره دارد که ایزوتوپ‌ها در واقع نوکلیدهایی هستند که در یک خانه جدول تناوبی قرار دارند. به عبارت دیگر آن‌ها شکل‌های مختلف یک عنصر شیمیایی هستند. مانند C۱۲
٬ C۱۳
و C۱۴
که همه ایزوتوپ‌های مختلف عنصر کربن هستند.

۲-ایزوتون‌ها:

نوکلیدهایی که نوترون‌های برابر ولی تعداد پروتون‌های متفاوت دارند، ایزوتون نامیده می‌شوند. به عنوان مثال K۳۹
۱۹
٬ Ar۳۸
۱۸
٬ Cl۳۷
۱۷
و S۳۶
۱۶
همگی ۲۰ نوترون دارند و با هم ایزوتون هستند.

واژه ایزوتون را فیزیکدان آلمانی ک. گوگن هایمر (K. Guggenheimer)در سال ۱۹۳۴ ابداع کرد. وی در کلمه isotope حرف p (به عنوان نماینده پروتون) را با حرف n (به عنوان نماینده نوترون) جایگزین کرد تا به یکسان بودن تعداد نوترون‌ها اشاره کند.[۱۱]

۳-ایزوبارها:

نوکلیدهایی که عدد جرمی یکسان دارند ولی تعداد پروتون‌هایشان متفاوت است، ایزوبارهای یکدیگر محسوب می‌شوند. برای مثال F۱۷
۹
٬ O۱۷
۸
٬ و O۱۷
۷
که عدد جرمی هرکدامشان ۱۷ است، با هم ایزوبار هستند. واژه ایزوبار نخستین بار توسط شیمیدان بریتانیایی آلفرد والتر استوارت (Alfred Walter Stewart) در سال ۱۹۱۸ پیشنهاد شد. او این واژه را از ترکیب دو کلمه یونانی isos (یکسان) و baros (وزن) ابداع کرد. ایزوبار به معنی هم‌وزن است ولی باید توجه داشت که منظور از هم وزن، یکسان بودن عددهای جرمی این نوکلیدها است. بدیهی است که جرم اتمی ایزوبارها با هم متفاوت است.[۱۲]

۴-ایزوبارهای آینه‌ای:

هرگاه تعداد نوترون‌ها و پروتون‌های یک نوکلید به ترتیب برابر با تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های یک نوکلید دیگر باشد، آن‌ها را ایزوبارهای آینه ای می‌نامند. مانند نوکلیدهای O۱۴
۸
٬ C۱۴
۶
یا He۳
۲
٬ H۳
۱
.

همان‌طور که ملاحظه می‌شود عدد جرمی این نوکلیدها با هم برابر است به همین دلیل ایزوبار محسوب می‌شوند. این نوکلیدها را هسته‌های آینه‌ای (Mirror nuclei) نیز می‌نامند.[۱۳]

۵-ایزومرهای هسته‌ای:

نوکلیدهایی که تعداد نوترون‌ها و پروتون‌هایشان با هم برابر است ولی سطح‌های انرژی یا حالت‌های برانگیختگی متفاتی دارند، ایزومرهای هسته‌ای نامیده می‌شوند. برای مثال Tc۹۹m
و Tc۹۹
دارای دو سطح انرژی مختلف هستند؛ بنابراین هرچند از لحاظ شیمیایی ایزوتوپ یکدیگرند، از لحاظ هسته ای دو نوکلید مختلف به‌شمار می‌آیند.[۱۴]



نام ویژگیها مثال
۱ ایزوتوپ‌ها تعداد پروتون‌ها برابر٬ تعداد نوترون‌ها متفاوت C۱۲
C۱۳
C۱۴
۲ ایزوتون‌ها تعداد نوترون‌ها برابر٬ تعداد پروتون‌ها متفاوت K۳۹
۱۹
Ar۳۸
۱۸
Cl۳۷
۱۷
۳ ایزوبارها عددهای جرمی یکسان٬ تعداد پروتون‌ها متفاوت F۱۷
۹
O۱۷
۸
O۱۷
۷
۴ ایزوبارهای آینه‌ای تعداد نوترون‌ها و پروتون‌ها به صورت ضربدری برابر He۳
۲
H۳
۱
۵ ایزومرهای هسته‌ای سطح‌های انرژی یا حالت‌های برانگیختگی متفات Tc۹۹m
Tc۹۹


مرجع اطلاعات جدید در باره نوکلیدها[ویرایش]

نشریه Nuclear Data Sheets [۱۵] یکی از معتبرترین منابع اطلاعات مربوط به نوکلیدهاست. این نشریه به صورت ماهانه منتشر می‌شود و ناشر آن آزمایشگاه ملی بروک هِیوِن (Brookhaven National Laboratory) ایالات متحده آمریکا است. داده‌های این نشریه توسط گروهی از فیزیکدانان از سراسر جهان تهیه می‌شود که از اعضای آژانس بین المللی انرژی اتمی هستند.[۱۶]. این نشریه در سایت ساینس دایرکت قابل دسترس است.[۱۷]



جستارهای وابسته[ویرایش]

پانویس[ویرایش]

  1. International Union of Pure and Applied Chemistry (1997). "Nuclide". In A. D. McNaught and A. Wilkinson. Compendium of Chemical Terminology. Wiley-Blackwell. ISBN 0-632-01765-1. doi:10.1351/goldbook.N04257. 
  2. ۲٫۰ ۲٫۱ کاشیگر، لطیف. فرهنگ فیزیک. ج. ۳. تهران: فرهنگ معاصر، ۱۳۹۴. ۲۱۱۵. 
  3. «Chart of Nuclides Description». بازبینی‌شده در ۱۹ اکتبر ۲۰۱۷. 
  4. ۴٫۰ ۴٫۱ ۴٫۲ لییزر، کارل هاینریخ. شیمی هسته‌ای و رادیوشیمی-مبانی و کاربردها. تهران: سازمان انرژی اتمی ایران، ۱۳۸۲. ۹. 
  5. کرین، کنت. آشنایی با فیزیک هسته‌ای. تهران: مرکز نشر دانشگاهی، ۱۳۷۱. ۱۲. 
  6. «Metastability». بازبینی‌شده در ۱۶ اکتبر ۲۰۱۷. 
  7. آرنیکار، اچ. جی. اصول و مبانی شیمی هسته‌ای. تهران: سازمان انرژی اتمی ایران، ۱۳۷۲. ۹. 
  8. «Isotopes of terbium». بازبینی‌شده در ۱۳ اکتبر ۲۰۱۷. 
  9. ولیخوف. فیزیک قرن بیستم. مشهد: دنیای پژوهش، ۱۳۷۹. ۷۷. 
  10. «Isotope vs. nuclide». بازبینی‌شده در ۱۳ اکتبر ۲۰۱۷. 
  11. Brucer، Marshall. «Nuclear Medicine Begins With a Boa Constrictor». 590. 
  12. «(Isobar (nuclide». بازبینی‌شده در ۱۶ اکتبر ۲۰۱۷. 
  13. «Mirror nuclei». بازبینی‌شده در ۱۷ اکتبر ۲۰۱۷. 
  14. «Nuclear isomer». بازبینی‌شده در ۱۶ اکتبر ۲۰۱۷. 
  15. «Nuclear Data Sheets». بازبینی‌شده در ۱۹ اکتبر ۲۰۱۷. 
  16. «INTERNATIONAL NETWORK OF NUCLEAR STRUCTURE AND DECAY DATA EVALUATORS (NSDD)». بازبینی‌شده در ۱۹ اکتبر ۲۰۱۷. 
  17. «Nuclear Data Sheets». بازبینی‌شده در ۱۹ اکتبر ۲۰۱۷. 

منابع[ویرایش]

پیوند به بیرون[ویرایش]