ایزوتوپ ها
در سال ١٢٣٩ شمسی (١٩١٠م) دانشمندان با مشکلی مواجه شدند و آن اینکه بعضی محصولات واپایشی ها. خواص شیمیایی یکسانی داشتند ولی خواص فیزیکی آنها متفاوت بود. "سدی" که یک دانشمند (شیمی دان) انگلیسی است متوجه شد محصول نهایی و پایدار واپاشی اورانیم یا رادیم خواص شیمیایی سرب را دارد. همچنین محصول نهایی واپاشی توریوم نیز خواص شیمیایی سرب را دارد ولی همه آنها جرم اتمی متفاوت با سرب معمولی (طبیعی) داشتند. به عنوان مثالی دیگر، هسته هایی با عدد اتمی ٦ که مربوط به کربن هستند یافت می‌شدند که عدد جرمی آنها ١٢ نبود بلکه ١٣ و ١٤ بود.
حال این سؤال پیش آمد که آیا در جدول تناوبی باید جای جدایی بر آنها در نظر گرفت؟
دانشمندان به این نتیجه رسیدند که هر خانه جدول متناوبی می‌تواند معرف عنصری باشد که از نظر شیمیایی با عنصر دیگر تفاوت دارد. به همین خاطر عناصری که خواص شیمیایی یکسانی داشتند (عدد اتمی یکسان) ولی از نظر فیزیکی خواص متفاوت نشان می‌دادند (عدد جرمی متفاوت داشتند) را ایزوتوپ نامیدند. ایزوتوپ از دو کلمه به معنی هم و دیگری به معنی جا اقتباس شده است و تداعی کننده اینست که این عناصر در یک خانه جدول تناوبی جای می‌گیرند.
بنابراین ایزوتوپهای یک عنصر دارای یک عدد اتمی هستند ولی عدد جرمی آنها متفاوت است. یعنی تعداد نوترونهای هسته متفاوت میباشد. به عنوان مثال ایزوتوپهای کربن عبارتند از:
،
،
البته حدود ٩٠% کربن موجود در طبیعت است.
ایزوتوپهای سرب ، ، ، میباشد. در جدول زیر ایزوتوپهای چند عنصر و درصد فراوانی آنها را در طبیعت می‌بینید.
باید توجه داشت که در فرآیندهای هسته‌ای عدد اتمی و عدد جرمی دو طرف معادله یکسان است
یکی از فرض های بدیهی نظریه اتمی دالتون این است که هر یک از اتمهای یک عنصر 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 ، به قدرت چندین هزار ولت ، شتاب 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.
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 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 با عدد اتمی مساوی و عدد جرمی 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 و 17 الکترون دارند ولی یکی دارای 18 نوترون 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، بریلیم و فلوئور). ولی اغلب عناصر 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 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 وپیستونها اضافه می شود . سپس سرعت فرسودگی با اندازه گرفتن رادیواکتیویته روغنی که برای روغنکاری این بخشها به کار رفته است مححاسبه می شود.
ایزوتوپهای عناصر:
اتم های یک عنصر از اجتماع ذرات بنیادی به نام پروتون ، نوترون و الکترون تشکیل یافته اند. پروتون بار مثبت و الکترون بار منفی و نوترون فاقد بار است. تعداد پروتون ها نام و محل قرار گرفتن عنصر در جدول تناوبی (جدول مندلیف) مشخص می شود. اتم اورانیوم در خانه شماره 92 قرار دارد. یعنی دارای 92 پروتون است. تعداد نوترون ها در اتم های مختلف یک عنصر همواره یکسان نیست که برای مشخص کردن آنها از کلمه ایزوتوپ استفاده می شود.
بنابراین اتم های مختلف یک عنصر را ایزوتوپ می گویند. مثلاً عنصر هیدروژن سه ایزوتوپ دارد: هیدروژن معمولی که فقط یک پروتون دارد و فاقد نوترون است. هیدروژن سنگین یک پروتون و یک نوترون دارد که به آن دوتریم گویند و نهایتاً تریتیم که از دو نوترون و یک پروتون تشکیل شده و ناپایدار است و طی زمان ، تجزیه می شود.
ایزوتوپ سنگین هیدروژن یعنی دوتریم در نیروگاه های اتمی کاربرد دارد و از الکترولیز آب به دست می آید. در جنگ دوم جهانی آلمانی ها برای ساختن نیروگاه اتمی و تهیه بمب اتمی در سوئد و نروژ مقادیر بسیار زیادی آب سنگین تهیه کرده بودند که انگلیسی ها متوجه منظور آلمانی ها شده و مخازن و دستگاه های الکترولیز آنها را نابود کردند.
غنیسازی ایزوتوپی ( 1 )
تمام ایزوتوپهای یک عنصر خواص شیمیایی تقریباً یکسانی دارند، از این رو جداسازی این ایزوتوپها بایستی متکی بر عوامل دقیقی که به وسیلهی اختلاف در جرم اتمها به وجود آمده است، باشد. برخی از این تکنیکها فیزیکی هستند آنها متکی بر فرآیندهای فیزیکی هستند که عوامل وابسته به جرم میباشند. برخی شیمیایی هستند اختلاف جرم ایزوتوپی ممکن است سرعت واکنشهای شیمیایی را تحت تأثیر قرار دهد. از آنجایی که از عوامل جزیی برای دستیابی به جداسازی استفاده میشود؛ افزایش غلظت به دست آمده برای هر فرایند غنی سازی کوچک میباشد. این مسأله باعث میشود که فرایند غنی سازی بسیاری در دفعات زیادی در یک رشته گامها یا مراحل غنی سازی به کار برده شود. هر گام محصول غنی شدهی مرحلهی قبلی را به دست میدهد و آن را بیشتر غنی میکند. این روش یک سیستم غنی کنندگی متوالی ایجاد میکند که آبشار (cascade ) نامیده میشود. دو فاکتور یا عامل مهم عملکرد آبشار را تحت تأثیر قرار میدهد. فاکتور اولی، ضریب جداسازی است که بزرگتر از 1 است که مقدار قابلیت غنی سازی ذاتی یک مرحلهی واحد است. دومین فاکتور جداسازی، بیشترین مراحل مورد نیاز برای دستیابی به درجه مطلوب غلظت است. فاکتور دومی، اتلاف قابل قبولی از ایزوتوپ مطلوب در جریان پسماند میباشد.
ایزوتوپها (از یونانی Ισότοπο، =هم‌جا)، اتمهایی 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 برای نشان دادن ایزوتوپهای یک عنصر، ابتدا نام آن عنصر، سپس یک خط فاصله (-) و در آخر جرم اتمی آن ایزوتوپ نوشته میشود. مثلاً هیدروژن دارای سه ایزوتوپ هیدروژن-1 (پروتیوم)، هیدروژن-2 (دوتریوم) و هیدروژن-3 (تریتیوم) است که هسته آنها به ترتیب حاوی 0، 1 و 2 نوترون است. یا ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ را به صورت U-235 نمایش می‌دهند. روش دیگر، نوشتن جرم اتمی ایزوتوپ در قسمت بالا و سمت چپ نماد شیمیایی عنصر است مانند 235U که برای نمایش همان ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ است.از آنجا که ایزوتوپهای یک عنصر ساختار الکترونی مشابهی دارند، بنابراین ویژگی‌های شیمیایی آنها نیز یکسان است، اما ویژگی‌های هسته‌ای آنها متفاوت است. اگر نسبت تعداد نوترونهای موجود در یک ایزوتوپ به پروتون‌های آن خیلی کم یا خیلی زیاد باشد، هسته تمایل به متلاشی شدن پیدا میکند.
نمونه ای از جدول ایزوتوپی از عناصر ۱ تا ۲۹. خانه های آبی رنگ ایزوتوپ های پایدار و خانه های صورتی رنگ ناپایدارند. هیدروژن فقط دو ایزوتوپ پایدار دارد.