ایزوتوپ

[MR_Jentelman]

یکی از فرض های بدیهی نظریه اتمی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%A7%D8%AA%D9%85) دالتون این است که هر یک از اتمهای یک عنصر (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%B9%D9%86%D8%B5%D8%B1+%D8%B4%DB% 8C%D9%85%DB%8C%D8%A7%DB%8C%DB%8C) از هر لحاظ (از جمله جرم) با اتمهای دیگر آن یکسان است. ولی در اوایل قرن بیستم معلوم شد که یک عنصر ممکن است شامل چند نوع اتم باشد که اختلاف آنها با یکدیگر در جرم اتمی است. فردریک سودی اصطلاح ایزوتوپ (از واژه یونانی به معنای هم مکان) را برای اتمهای یک عنصر که که از نظر جرم با یکدیگر تفاوت دارند پیشنهاد کرد.

برای بررسی ایزوتوپها از طیف نگار جرمی استفاده می شود.دستگاههایی از این نوع ابتدا توسط فرانسیس استون (1919) و آرتور دمپستر (1918) با پیروی از اصول روشهایی که جی جی تامسون در 1912 ارائه کرده بود ساخته شد. اگر عنصری شامل چند نوع اتم با جرمهای متفاوت (ایزوتوپها ) باشد، این تفاوت در مقادیر یونهای مثبت حاصل از این اتمها پدیدار می گردد.طیف نگار جرمی یونها را بر حسب مقادیر نسبت بار به جرم ، از یکدیگر جدا می کند، و سبب می شود که یونهای مثبت متفاوت در محلهای مختلف روی یک صفحه عکاسی اثر کند.
وقتی دستگاه کار می کند، اتمهای بخار ماده مورد مطالعه در معرض بمباران الکترونی قرار گرفته و به یونهای مثبت تبدیل می شوند.این یونها بر اثر عبور از یک میدان الکتریکی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%85%DB%8C%D8%AF%D8%A7%D9%86+%D8% A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9%DB%8C) ، به قدرت چندین هزار ولت ، شتاب (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%B4%D8%AA%D8%A7%D8%A8) پیدا می کنند. اگر ولتاژ این میدان ثابت نگه داشته شود، تمام یونهایی که مقدار بار به جرم مساوی دارند، با سرعت مساوی وارد یک میدان مغناطیسی می شوند. این سرعت، مقدار بار به جرم و شدت میدا مغناطیسی، شعاع مسیر یون را در میدان مغناطیسی تعیین می کند.

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/img/daneshnameh_up/9/9a/izotop.jpg

اگر شدت میدان مغناطیسی و ولتاژ شتاب دهنده ثابت نگه داشته شوند، تمام یونهایی که مقدار بار به جرم مساوی دارند، در یک محل بر روی صفحه عکاسی متمرکز می شوند. این محل را می توان با تغییر پتانسیلی که موجب شتاب یونها می شود، تغییر داد. ولی یونهایی که مقدار بار (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%A8%D8%A7%D8%B1+%D8%A7%D9%84%DA% A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9%DB%8C) به جرم متفاوت دارند در محلهای مختلف روی صفحه عکاسی متمرکز می شوند. هر گاه یک وسیله الکتریکی که شدت اشعه یونی را اندازه می گیرد، جای گزین صفحه عکاسی شود، دستگاه را طیف سنج جرمی می نامیم. با استفاده از طیف سنج جرمی می توان هم جرم اتمی دقیق ایزوتوپها و هم ترکیب ایزوتوپی عناصر (انواع ایزوتوپهای موجود و مقدار نسبی هر یک) را تعیین کرد.

ایزوتوپها، اتمهایی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%A7%D8%AA%D9%85) با عدد اتمی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%B9%D8%AF%D8%AF+%D8%A7%D8%AA%D9% 85%DB%8C) مساوی و عدد جرمی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%B9%D8%AF%D8%AF+%D8%AC%D8%B1%D9% 85%DB%8C) متفاوتند. این اتمها دارای خواص شیمیایی بسیار مشابه هم (در اغلب موارد غیر قابل تشخیص) هستند. مثلا در طبیعت دو نوع اتم کلر وجود داردکه هر دو 17 پروتون (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%BE%D8%B1%D9%88%D8%AA%D9%88%D9%8 6) و 17 الکترون (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%D9%8 8%D9%86) دارند ولی یکی دارای 18 نوترون (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%86%D9%88%D8%AA%D8%B1%D9%88%D9%8 6) و دیگری دارای 20 نوترون است. بنابراین، اختلاف ایزوتوپها در تعداد نوترونهای هسته ها آنهاست. بعضی از عناصر فقط به یک شکل ایزوتوپی در طبیعت وجود دارند(مثل سدیم (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%B3%D8%AF%DB%8C%D9%85)، بریلیم (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%A8%D8%B1%DB%8C%D9%84%DB%8C%D9%8 5) و فلوئور (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%81%D9%84%D9%88%D8%A6%D9%88%D8%B 1)). ولی اغلب عناصر (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%B9%D9%86%D8%B5%D8%B1+%D8%B4%DB% 8C%D9%85%DB%8C%D8%A7%DB%8C%DB%8C) بیش از یک ایزوتوپ دارند.مثلا قلع دارای ده ایزوتوپ است. اصطلاح نوکلید، به طور کلی، برای گونه های اتمی به کار می رود.

بسیاری از ایزوتوپها از ایزوتوپها رادیواکتیو هستن ، یعنی ذراتی با فرکانس (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%81%D8%B1%DA%A9%D8%A7%D9%86%D8%B 3) بالا را از هسته (مرکز) اتمهای خود را ساطع می کنند . از آنها می توان برای دنبال کردن مسیر مواد متحرکی که از دید پنهان هستند ، مانند جریان خون در بدن یک بیمار در بیمارستان ، استفاده کرد.

جریان خون


مقدار کمی از یک ایزوتوپ رادیو اکتیو به درون جریان خون بیمار تزریق می شود . سپس مسیر آن توسط آشکارسازهای خاصی که فعالیت رادیواکتیویته را مشخص می کنند دنبال می شود . این اطلاعات به یک کامپیوتر داده می شود ، که صفحه آن هر گونه اختلالی ، مانند انعقاد خون در رگها ، را نشان می دهد . با استفاده از روشی مشابه ، می توان از ایزوتوپها برای مطالعه جریان مایعات در تاسیسات شیمیایی نیز استفاده کرد.

فرسودگی ماشین آلات


آهنگ فرسودگی ماشین آلات صنعتی را نیز می توان با استفاده از ایزوتوپها اندازه گرفت . مقادیر اندکی از ایزوتوپهای رادیواکتیو به بخشهای فلزی ماشین آلات ، مانند یاتاقانها و رینگ وپیستون (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%BE%DB%8C%D8%B3%D8%AA%D9%88%D9%8 6)ها اضافه می شود . سپس سرعت فرسودگی با اندازه گرفتن رادیواکتیویته روغنی که برای روغنکاری این بخشها به کار رفته است مححاسبه می شود.

[*مینا*]

http://www.greengold.fr/Images-Afghan-Science/kimia/atom.jpg اتم كوچكترین واحد تشکیل دهنده یک عنصر کیمیاوی است كه خواص همان عنصر ا دارا باشد . یابه عباره دیگر اتم كوچك ترین ذرة یك عنصر بوده كه در تعامل كیمیاوی به حیث كتلة واحد عنصر مذكور سهم می گیرد.
هر اتم دارای یک هسته کوچک است که بیشتر کتله اتم در آن واقع است و هسته اتم بوسیله الکترونها محاصره شده است.
هسته نیز خود از پروتون ها که دارای چارج مثبت است و نوترون ها که از لحاظ الکتریکی خنثی میباشند تشکیل شده است. زمانی که تعداد پروتون‌ها و الکترون‌های اتم با هم برابر هستند اتم از نظر الکتریکی در حالت خنثی یا متعادل قرار دارد در غیر این صورت آن را ایون می‌نامند که می‌تواند دارای چارج مثبت یا منفی باشد.
حجم هسته در مقایسه با حجم اتم بسیار کوچک است زیرا بیشتر حجم اتم را فضای خالی تشکیل میدهد.
الكترون -e ذره كوچكی است و كتلة یك الكترون ۱۸۴۰ بار کوچکتر از کتله یک پروتون میباشد.
الكترون واحد طبیعی چارج برقی محسوب می شود، معمولا ً الكترون توسط حرف e نشان داده می شود.
الكترونها دارا ی چارج منفی اند از طرف دیگر در حالت عادی هر اتم خنثی میباشد. پس چنین نتیجه به دست میآید كه در ساختمان اتم تعداد الکترون ها و پروتون ها مساوی میباشد.
اگر یک اتم را X و تعداد پروتون های آنرا Z بنامیم در آن صورت خواهیم گفت:
Z = تعداد پروتون های اتم
Z = تعداد الکترون های اتم
چنانچه در بالا گفته شد، در هسته اتم نوترون ها نیز شامل میباشند که ذرات بدون چارج برقی بوده کتله تقریباً مساوی به پروتون ها دارند. مجموع تعداد پروتون ها و نوترون های یک هسته را به حرف A نشان میدهند.

http://www.greengold.fr/Images-Afghan-Science/kimia/symbole-atome.jpg
X را بنام سمبول اتم، Z را بنام نمره یا شماره اتمی و A را نمره یا بنام شماره کتله می خوانند.
مثلاً سمبول کاربن C بوده در هسته اتم کاربن ۶ پروتون و ۶ نوترون شامل اند. درین صورت گفته میتوانیم:
سمبول کاربن X = C
نمره اتمی کاربن Z مساوی به ۶ میباشد
نمره کتله کاربن A = پروتون ۷ + نوترون ۶ = ۱۲
پس میتوانیم بگوییم که تعداد الکترون های اتم نیز مانند تعداد پروتون ها ۶ میباشد.


تعداد الکترون

تعداد نوترون

تعداد پروتون

نمره کتله A

نام اتم

سمبول

نمره اتمی Z

۱

صفر

۱

۱

هایدروژن

H

۱

۲

۲

۲

۴

هلیوم

He

۲

۶

۶

۶

۱۲

کاربن

C

۶

۷

۷

۷

۱۴

نایتروژن

N

۷

۸

۸

۸

۱۶

اکثیژن

O

۸

۱۷

۱۸

۱۷

۳۵

کلورین

Cl

۱۷

ایزوتوپ :
بعضی اتم ها که نمره اتمی Z شان یکی ولی تعداد نوترون های مختلف دارند بنام ایزوتوپ یاد میشوند. مثلاً اکثیژن (Z=8 ; A=16) تعداد نوترون ها A-Z=8 است و در اکثیژن (Z=8 ; A=18) تعداد نوترون ها A-Z=10 میباشد. در هر دو اتم تعداد پروتون ها یکی بوده در حالیکه تعداد نوترون های آنان از هم تفاوت دارد. این دو اتم را میتوان ایزوتوپ های اکثیژن نامید.
اتم ها میتوانند دو، سه یا به تعداد اضافه تر ایزوتوپ داشته باشند.
ایزوتوپ کاربن ۱۲ (A=12 ; Z=6) در طبعیت به مقدار ۹۸،۹ فیصد میباشد و فیصدی ایزوتوپ کاربن ۱۳(A=13 ; Z=6) در حدود ۱،۱ فیصد میباشد. یک ایزوتوپ دیگر کاربن بنام ایزوتوپ کاربن ۱۴ یاد میشود که فیصدی آن خیلی کم است. در کاربن ۱۴ عدد اتمی Z مانند کاربن ۱۲ و کاربن ۱۳ مساوی به ۶ است در حالیکه مقدار نوترون در آنها فرق میداشته باشد و عدد کتله آن ۱۴ است که درین صورت در کاربن ۱۴ تعداد نوترون ها به ۸ میرسد.

عنصر :
مجموع همه ایزوتوپ های یک اتم را یک عنصر مینامند. به عبارت دیگر اتم های مختلف كه دارای چارج هستوی مساو ی میباشد به نام عنصر كیمیاوی یاد می گردد.
بطور مثال مجموع ایزوتوپ های کاربن ۱۲، ۱۳ و ۱۴ عنصر کاربن را تشکیل میدهند و مجموع ایزوتوپ های هایدروژن عنصر هایدروژن را و مجموع ایزوتوپ های کلورین، عنصر کلورین را تشکیل میدهد.
چون ایزوتوپ های مختلف یك عنصر دارای خواص كیمیاوی یكسان اند ؛ لذا چنین نتیجه میگیریم كه خواص كیمیاوی یك عنصر مربوط به کتلة اتمی آن نبوده بلكه مربوط به نمبر اتمی (چارج هستوی) آن میباشد. به همین اساس ایزوتوپ های مختلف یك عنصر توسط یك سمبول نشان داده میشود. و اگر بخواهیم كه هر ایزوتوپ یك عنصر جدا جدا نوشته شود در اینصورت در قسمت فوقانی سمبول عنصر مذكور کتله اتمی هر اتم را مینویسیم.
در جدول ذیل چند نمونه را مشاهده میتوان کرد:

نام عنصر

تعداد الکترون

تعداد نوترون

تعداد پروتون

Z

A

سمبول عنصر

کاربن

۶

۶

۶

۶

۱۲

http://www.greengold.fr/Images-Afghan-Science/kimia/symbole-carbon12.jpg

کاربن

۶

۷

۶

۶

۱۳

http://www.greengold.fr/Images-Afghan-Science/kimia/symbole-carbon13.jpg

کاربن

۶

۸

۶

۶

۱۴

http://www.greengold.fr/Images-Afghan-Science/kimia/symbole-carbon14.jpg

مثال دیگر ، ایزوتوپ های هایدروژن میباشد که نام عنصر هایدروژن بوده به ایزوتوپ (۱،۱) هایدروژن Hydrogen, به ایزوتوپ (۱،۲) دوتریوم Deuterium و به ایزوتوپ (۱،۳) ترییسم Tritium خطاب میکنند که هر کدام یک پروتون داشته ولی در هسته اتم هایدروژن تعداد نوترون ها صفر، در دوتریوم یک و در تریسیم ۲ میباشد.




منبع :

Atome, Isotope, Element (http://www.greengold.fr/afghan-science-atome-kimya.html)