زمان مطالعه: ۴ دقیقه

با سلام و احترام خدمت شما شما مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده به مبحث ساختار هسته اتم از کتاب فیزیک (۳) دوازدهم بپردازیم. مبحث ساختار هسته اتم، موضوعی مشترک برای هر دو رشته ریاضی و تجربی است.

ساختار هسته اتم

شاخه‌ای از علم فیزیک موسوم به فیزیک هسته‌ای وجود دارد که ساختار، برهم‌کنش و واپاشی هسته‌های اتمی می‌پردازد. پس جهت ورود به این شاخه جذاب از علم فیزیک، نیاز است تا با ساختار هسته اتم آشنا شویم.

اگر از دروس شیمی یا علوم دوره متوسطه اول (راهنمایی) به خاطر داشته باشید، هسته اتم در مرکز آن قرار گرفته و شعاعی در حدود یک صد هزارم شعاع اتم دارد.

ابعاد هسته اتم
شکل (۱) : مقایسه‌ای بین ابعاد اتم و هسته آن

هسته اتم از نوترون‌ها و پروتون‌ها تشکیل شده است که به طور کلی به آن نوکلئون یا نوکلید (nuclide) می‌گویند. خواص نوترون، پروتون و الکترون در جدول زیر نشان داده شده است.

خواص الکترون پروتون نوترون
جدول (۱) : خواص الکتریکی و جرم سه ذره اصلی الکترون پروتون و نوترون در اتم

در جدول فوق، مشاهده می‌کنید که جرم نوترون مقداری جزئی از جرم پروتون بیشتر است. اما به طور کل در محاسبه جرم کل هسته، جرم نوترون و پروتون را برابر در نظر می‌گیرند تا محاسبات ساده‌تر شود. علاوه بر واحد استاندارد کیلوگرم، در شیمی و فیزیک هسته‌ای از یکای جرم اتمی با نماد u نیز استفاده می‌کنند.

لازم به ذکر است که  جرم کربن ۱۲ به یکای جرم اتمی (atomic mass unit) موسوم است. یکای جرم اتمی با نماد amu یا u نمایش داده می‌شود. با توجه به این تعریف، جرم اتم کربن ۱۲ دقیقا برابر با ۱۲/۰۰۰۰۰۰u است.

لازم به ذکر است که نوترون که توسط فیزکدان انگلیسی جیمز چادویک کشف شد، بار الکتریکی نداشته و خنثی است. در واقع نوترون از لحاظ الکتریکی برهمکنشی با پروتون و الکترون ندارد.

عدد اتمی

تعداد پروتون‌های هسته اتم به عدد اتمی موسوم است که عموماً آن را با نماد Z نشان می‌دهند. بدیهی است که در عناصر مختلف، عدد اتمی متفاوت است. در واقع جدول تناوبی عناصر که در شیمی با آن آشنا شدید، بر اساس افزایش عدد اتمی تدوین شده است.

در جدول (۱) مشاهده کردید که بار الکتریکی ذره الکترون و ذره پروتون از نظر عددی برابر و از نظر علامت به ترتیب منفی و مثبت هستند. به همین جهت در یک اتم خنثی، تعداد الکترون‌ها و پروتون‌ها با یکدیگر مساوی است.

عدد نوترونی

در یک اتم، یا بهتر است بگوییم در هسته اتم، تعداد نوترون‌ها به عدد نوترونی موسوم بوده و آن را با نماد N نمایش می‌دهند.

عدد جرمی

برای هسته یک اتم، مجموع تعداد کل پروتون‌ها (یعنی عدد اتمی Z) و تعداد کل نوترون‌ها (یعنی عدد نوترونی N) به جرم اتمی موسوم است. جرم اتمی با نماد A نمایش داده می‌شود.

عدد جرمی

نماد هسته عنصر

جهت نمایش یک عنصر با نماد شیمیایی X، نماد هسته آن به صورت زیر نشان داده می‌شود. لازم به ذکر است که در مراجع تخصصی فیزیک هسته‌ای، نماد هسته اتم به نماد نوکلوئید (nuclide) یا نوکلئون موسوم است.

نماد هسته اتم

برخی از مراجع، عدد نوترونی N را در نماد نوکلوئید درج نمی‌کنند. چرا که مقدار N، یعنی تعداد نوترون‌ها، از تفاضل عدد جرمی با عدد اتمی حاصل می‌شود. همچنین می‌توان عدد اتمی Z را نیز در نماد درج نکرد. چرا که نماد شیمیایی عنصر، خود تعداد پروتون‌ها را می‌رساند. به طور مثال اگر نماد He باشد، یعنی عنصر هلیوم، از جدول تناوبی می‌دانیم که عدد اتمی آن برابر با ۲ است.

پس به عنوان مثالی از نماد هسته عنصر آلومینیم می‌توانیم سه حالت زیر را بنویسیم:

\(_{۱۳}^{۲۷}\textrm{Al}_{14} \:\:\: , \:\:\: _{13}^{27}\textrm{Al}\:\:\: , \:\:\: _{}^{27}\textrm{Al}\)

ایزوتوپ

ویژگی‌های هسته‌ای یک اتم را تعداد پروتون‌ها (Z) و تعداد نوترون‌ها (N) آن تعیین می‌کند. همچنین خواص شیمیایی هر اتم، از عدد اتمی، یعنی همان تعداد پروتون‌ها، تعیین می‌شود.

با توجه به دو جمله فوق، می‌توان گفت که هسته‌هایی که عدد اتمی در آن‌ها برابر، ولی عدد نوتورنی آن‌ها با یکدیگر متفاوت است، از حیث خواص شیمیایی یکسان هستند. از آنجایی که عدد اتمی چنین هسته‌هایی یکسان است، پس در جدول تناوبی عناصر، مکان یا جایگاه یکسانی دارند. از این حیث، به چنین هسته‌هایی، ایزوتوپ یا هم‌مکان می‌گویند.

به عنوان مثال می‌توان به اتم کربن اشاره کرد که به دو صورت پایدار با درصد‌های فراوانی متفاوتی در طبیعت یافت می‌شوند. در واقع هسته اتم کربن دارای دو ایزوتوپ به صورت زیر است.

\(_{۶}^{۱۲}\textrm{C} \:\:\: , \:\:\: _{6}^{13}\textrm{C}\)

به عبارت دیگر این دو ایزوتوپ هسته کربن در جدول تناوبی، در خانه شماره ۶ (عدد اتمی ۶) هم مکان هستند. لازم به ذکر است که جرم‌‌های اتمی درج شده در جدول تناوبی، میانگین جرم‌های اتمی ایزوتوپ‌های مختلف هر عنصر است که با توجه به میزان درصد فراوانی آن‌ها محاسبه شده‌اند.

لازم به ذکر است که نماد هسته برای تمامی ایزوتوپ‌ها یکسان است. یعنی تمامی ایزوتوپ‌های یک اتم (هسته) با همان نماد شیمیایی عنصر نمایش داده می‌شوند. تنها استثنا در این مورد، ایزوتوپ‌های هیدروژن هستند.

ایزوتوپ‌های هیدروژن و چند عنصر دیگر در جدول زیر آورده شده‌اند:

ایزوتوپ
جدول (۲) : نماد و مقدار فراوانی برخی از ایزوتوپ‌ها

امیدواریم تا این مقاله برای شما عزیزان مفید واقع شده باشد. در ادامه پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقالات زیر نیز داشته باشید.

میانگین امتیازات ۵ از ۵