با سلام و احترام خدمت شما مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده به مبحث مهم ایزوتوپ بپردازیم. ایزوتوپ مفهومی است که هم در درس شیمی و هم در درس فیزیک دارای اهمیت است. با ما در ادامه این مقاله همراه باشید.
فهرست مطالب این نوشته
ایزوتوپ
ایزوتوپ یا هم مکان، اتم‌های یک عنصر هستند که دارای عدد اتمی یکسان و عدد جرمی متفاوت هستند. از آنجایی که ایزوتوپها عدد اتمی یکسان دارند، تعداد پروتون در آنها برابر بوده و در نتیجه ماهیت اتم یکسان است. در نتیجه ایزوتوپهای یک عنصر (اتم) خواص شیمیایی مشابه دارند به همین دلیل در جدول عناصر در یک مکان قرار می گیرند که از این حیث به آنها هم مکان گویند.
تفاوت ایزوتوپها در تعداد نوترون آنها بوده و چون تعداد پروتون آنها یکسان است، پس عدد جرمی متفاوت دارند همان طور که می دانیم جرم اتم‌ها ناشی از تعداد پروتون ها و نوترون ها است و جرم الکترون‌ها ناچیز است، پس ایزوتوپ ها عدد جرمی متفاوت و در نتیجه جرم متفاوت دارند. جرم جزء خواص فیزیکی است پس ایزوتوپ ها در خواص فیزیکی وابسته به جرم (مثلا چگالی) تفاوت دارند.
در شکل زیر ایزوتوپهای کربن را می‌بینیم. در این شکل پروتون‌ها با رنگ قرمز و نوترون‌ها با رنگ سفید مشخص شده اند:
همان طور که مشاهده می‌کنید، این سه ایزوتوپ، تعداد پروتون‌های برابر و تعداد نوترون‌های متفاوت دارند. به عنوان مثالی دیگر از ایزوتوپها می‌توان به هیدروژن اشاره کرد. هیدروژن دارای ۷ ایزوتوپ است که سه مورد از آنها در طبیعت یافت می‌شوند. این سه ایزوتوپ در جدول زیر نشان داده شده‌اند. لازم به ذکر است که فراوانی ایزوتوپ \(_{۱}^{۱}\textrm{H}\) از باقی ایزوتوپهای هیدروژن بیشتر است.
اتم \(_{۱}^{۱}\textrm{H}\) تنها عنصری است که در آن تعداد پروتون از تعداد نوترون بیشتر است. در بقیه عناصر تعداد نوترون بیشتر یا مساوی تعداد پروتون است. طبق یک قاعده، اگر نسبت تعداد پروتون به تعداد نوترون بیشتر یا مساوی ۱.۵ باشد (\(\frac{N}{P} \geq 1.5\))، ایزوتوپ ناپایدار بوده و خاصیت پرتوزایی دارد. به عنوان مثال ایزوتوپ \(_{۱}^{۳}\textrm{H}\) پرتوزا است.
\(_{۱}^{۳}\textrm{H}\)
\(P = 1 \:\: , \:\: N = 2\)
\(\frac{N}{P} = \frac{2}{1} \geq 1.5\)
از خاصیت پرتوزایی ایزوتوپ، در موارد زیادی از جمله تشخیص سرطان در پزشکی استفاده می‌شود. به این صورت که گلوکز حاوی مواد پرتوزا را به بدن تزریق می کنند. با توجه به اینکه متابولیسم یا سوخت و ساز توده‌ی سرطانی بالا است، پس تجمع گلوکز حاوی مواد پرتوزا در آن قسمت زیاد شده و با آشکارساز قابل تشخیص است به این ترتیب سرطان فرد تشخیص داده می‌شود.
نیمه عمر
ماده‌ی پرتوزا پایدار نیست و در هسته‌ی آن واپاشی رخ می دهد. طی این فرایند، هسته‌های سنگین و ناپایدار به هسته‌های سبک‌تر و پایدارتر تبدیل می‌شوند. در اینجا معیاری وجود دارد به نام نیمه عمر. نیمه عمر مدت زمانی است که طول می‌کشد تا یک ماده ی پرتوزا به نصف مقدار اولیه‌ی خود برسد.
به عنوان مثال نیمه عمر هیدروژن – ۳ یا همان (تریتیم) تقریبا ۱۲ سال است. یعنی به طور مثال اگر ۸ گرم از این ماده وجود داشته باشد، طی واپاشی هسته‌ای ، پس از ۱۲ سال تنها ۴ گرم از آن باقی خواهد ماند. بنابراین نیمه عمر می تواند معیاری از میزان پایداری عناصر پرتوزا باشد. به این صورت که هر چه نیمه عمر عنصری بیشتر باشد یعنی دیرتر متلاشی شده ، پایداری بیشتری دارد و درصد فراوانی آن در طبیعت بیشتر است.
از بین سه ایزوتوپ هیدروژن ذکر شده در فوق، \(_{۱}^{۱}\textrm{H}\) از بقیه پایدارتر بوده و در طبیعت درصد فراوانی بیشتری دارد، پس در محاسبه‌ی جرم اتمی میانگین تاثیرگذارتر است.
جرم اتمی میانگین
فرض کنید می‌خواهید میانگین نمرات درس ریاضی یک کلاس بیست نفره را محاسبه کنید. در این کلاس پانزده نفر نمره‌ی ۱۸ و پنج نفر نمره‌ی ۲۰ گرفته اند. طبیعتاً چون فراوانی نمره ی ۱۸ بیشتر است، میانگین نمرات کلاس به عدد ۱۸ نزدیک‌تر است تا عدد ۲۰.
حال اگر بخواهیم جرم اتمی میانگین چند ایزوتوپ را محاسبه کنیم (می‌دانیم ایزوتوپها جرم متفاوتی دارند)، میانگین جرم، به جرم ایزوتوپ فراوان‌تر نزدیک‌تر است.
به عنوان مثال فراوانی \(_{۱}^{۱}\textrm{H}\) در طبیعت ۹۹.۹۸۸۵ درصد است و فراوانی \(_{۱}^{۲}\textrm{H}\) در طبیعت ۰.۰۱۱۴ درصد، پس جرم اتمی میانگین بایستی به جرم \(_{۱}^{۱}\textrm{H}\) نزدیک‌تر باشد که می‌دانیم هست و جرم هیدروژن در جدول تناوبی ۱ است. در صورتی که جرم ایزوتوپهای یک عنصر و درصد فراوانی آنها را داشته باشیم می‌توانیم با استفاده از فرمول محاسبه میانگین وزنی، جرم اتمی میانگین را محاسبه کنیم. جهت مطالعه بیشتر در این خصوص به مقاله جرم اتمی میانگین مراجعه فرمایید.
امیدواریم تا این مقاله مورد پسند شما عزیزان واقع شده باشد. در انتها پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقالات زیر نیز داشته باشید.
فرمول در ورد (Word) – شیمی و ریاضی
حرکت با شتاب ثابت – فیزیک دوازدهم (۳)
دیدگاهتان را بنویسید