ایزوتوپ ها را بیشتر بشناسید!
ایزوتوپ‌ها، انواع مختلف اتم‌های یک عنصر هستند که در یک جایگاه از جدول تناوبی قرار می‌گیرند. این اتم‌ها تعداد پروتون‌های یکسان اما تعداد نوترون‌های متفاوتی دارند. به همین دلیل، عدد اتمی (Z) آنها یکسان است، اما عدد جرمی (A) آنها با هم فرق دارد.
تفاوت در جرم ایزوتوپ‌ها به دلیل اختلاف در تعداد نوترون‌های درون هستهٔ آن‌هاست. در زبان فارسی، برای کلمه ایزوتوپ، واژه‌های «همجا» و «هم‌مکان» نیز پیشنهاد شده است.
ایزوتوپ‌های یک عنصر، از نظر خواص شیمیایی مانند هم عمل می‌کنند، اما خواص فیزیکی آنها با یکدیگر متفاوت است. تقریباً همه عناصر طبیعی، مخلوطی از چند ایزوتوپ هستند. برای مثال، اکسیژن و ید هر کدام دو ایزوتوپ دارند. اورانیوم نیز ایزوتوپ‌های مختلفی مانند اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸ دارد.
بعضی از ایزوتوپ‌ها، پرتوزا هستند؛ یعنی از خود پرتوهای نامرئی ساطع می‌کنند و به تدریج به ایزوتوپ عناصر دیگر تبدیل می‌شوند. دانشمندان با دستگاهی به نام «طیف‌سنج جرمی» می‌توانند ایزوتوپ‌های مختلف یک عنصر را از هم جدا کنند. همچنین با استفاده از «شتاب‌دهنده ذرات» می‌توان برخی ایزوتوپ‌ها را به صورت مصنوعی پرتوزا کرد.
ایزوتوپ‌های پرتوزا کاربردهای بسیار مفیدی دارند. برای نمونه، از ایزوتوپ‌هایی مانند کبالت ۶۰ و رادیوم برای متوقف کردن رشد سلول‌های سرطانی استفاده می‌شود. دانشمندان با روش «تعیین عمر به کمک پرتوزایی» می‌توانند سن گیاهان و جانوران مرده را مشخص کنند. همچنین از ایزوتوپ ید برای درمان بیماری گواتر استفاده می‌شود.
ایزوتوپ‌های مصنوعی در مطالعهٔ واکنش‌های شیمیایی نیز به کار می‌روند. به رشته‌ای از پزشکی که در آن از ایزوتوپ‌های پرتوزا برای تشخیص و درمان بیماری‌ها استفاده می‌شود، «پزشکی هسته‌ای» گفته می‌شود.
مقایسه ایزوتوپ های یک عنصر
همه اتم‌های یک عنصر که ایزوتوپ نامیده می‌شوند، تعداد پروتون یکسانی دارند. این پروتون‌ها هستند که مشخص می‌کنند یک عنصر چه ویژگی‌های شیمیایی دارد. به همین دلیل، ایزوتوپ‌های یک عنصر از نظر شیمیایی مانند هم رفتار می‌کنند. اما در خصوص ویژگی‌های فیزیکی مانند نقطه ذوب، نقطه جوش و چگالی که به جرم اتم بستگی دارد، با یکدیگر تفاوت دارند.
در ادامه نمونه‌هایی از ایزوتوپ‌های طبیعی عناصر مختلف را مشاهده می‌کنید:
* **هیدروژن:** این عنصر سه ایزوتوپ دارد. تعداد پروتون (عدد اتمی) در هر سه، برابر ۱ است، اما عدد جرمی آنها به ترتیب ۱، ۲ و ۳ می‌باشد.
* **کربن:** کربن نیز سه ایزوتوپ طبیعی دارد. عدد اتمی هر سه ۶ است، در حالی که اعداد جرمی آنها ۱۲، ۱۳ و ۱۴ هستند.
* **منیزیم:** این عنصر دارای سه ایزوتوپ است. هر سه ایزوتوپ ۱۲ پروتون دارند (عدد اتمی ۱۲)، اما عدد جرمی آنها به ترتیب ۲۴، ۲۵ و ۲۶ است.
* **لیتیم:** لیتیم دو ایزوتوپ دارد. عدد اتمی هر دو ۳ است، اما اعداد جرمی آنها ۶ و ۷ می‌باشد.
* **کلر:** کلر به عنوان یک هالوژن، دو ایزوتوپ طبیعی دارد. عدد اتمی هر دو ۱۷ است و اعداد جرمی آنها ۳۵ و ۳۷ هستند.
انواع ایزوتوپ ها
ایزوتوپ‌ها بر اساس تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های درون هستهٔ اتم، به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند:
ایزوتوپ‌های پایدار
ایزوتوپ‌های ناپایدار
⚡ ایزوتوپ های پایدار
اگر نسبت تعداد نوترون‌ها به پروتون‌ها در یک اتم، کمتر از ۱٫۵ باشد، آن اتم معمولاً پایدار است.
اما یک مورد استثنا وجود دارد و آن، اتم عنصر تکنسیم با عدد اتمی ۴۳ و عدد جرمی ۹۹ است. در این اتم، با وجودی که نسبت نوترون به پروتون کمتر از ۱٫۵ است، باز هم ناپایدار می‌باشد.
⚡ ایزوتوپ های ناپایدار
اگر نسبت تعداد نوترون‌ها به پروتون‌ها در یک ایزوتوپ، برابر با ۱.۵ یا بیشتر باشد، آن ایزوتوپ ناپایدار در نظر گرفته می‌شود.
اما یک استثنا برای این قاعده وجود دارد و آن عنصر اورانیوم با عدد اتمی ۹۲ و عدد جرمی ۲۳۸ است. نسبت نوترون به پروتون در این ایزوتوپ بیشتر از ۱.۵ است، با این حال یک ایزوتوپ پایدار به حساب می‌آید.
ایزوتوپ‌های ناپایدار، پرتوزا هستند. این به آن معناست که هسته اتم آنها به تدریج تجزیه شده و در این فرآیند، مقدار زیادی انرژی آزاد می‌کند.
تفاوت در ویژگی‌های ایزوتوپ‌ها
**ویژگی‌های شیمیایی**
از آنجا که ایزوتوپ‌های یک عنصر، آرایش الکترونی یکسانی دارند، خواص شیمیایی آنها نیز مشابه است. اما ویژگی‌های مربوط به هسته آنها با هم تفاوت دارد. تنها مورد استثنا، سرعت انجام واکنش‌های شیمیایی است. ایزوتوپ‌های سنگین‌تر یک عنصر، کندتر از ایزوتوپ‌های سبک‌تر آن در واکنش‌ها شرکت می‌کنند. همچنین، تفاوت وزن ایزوتوپ‌ها می‌تواند با تغییر مرکز جرم اتم، روی رفتار پیوندهای شیمیایی اثر بگذارد. (البته در مورد عناصر سنگین، معمولاً می‌توان از تاثیر این تفاوت‌ها چشم‌پوشی کرد.)
**ویژگی‌های هسته‌ای**
تعداد نوترون‌ها و پروتون‌های یک عنصر، به طور مستقیم روی پایداری آن اثر می‌گذارد. اگر تعداد پروتون‌ها خیلی بیشتر از نوترون‌ها باشد، نیروی دافعه بین پروتون‌ها افزایش یافته و هسته دچار واپاشی می‌شود. نوترون‌ها به پایداری هسته کمک می‌کنند، زیرا با فاصله انداختن بین پروتون‌ها، نیروی دافعه را کاهش داده و همچنین با نیروی جاذبه خود، ذرات هسته را در کنار هم نگه می‌دارند.
**تعداد ایزوتوپ‌های پایدار یک عنصر**
تمامی عناصر در طبیعت، بیش از یک ایزوتوپ دارند. اما عناصری مانند آلومینیوم، فسفر، نیتروژن و سدیم فقط یک ایزوتوپ دارند. در میان عناصر، گاز زنون با ۲۶ ایزوتوپ، بیشترین تعداد را به خود اختصاص داده که تنها ۸ مورد از آنها پایدار هستند. در مقابل، عنصر قلع با ده ایزوتوپ پایدار، رکورددار بیشترین تعداد ایزوتوپ پایدار است. پس از آن، چهار عنصر دارای هفت و هشت عنصر دارای شش ایزوتوپ پایدار هستند. در نهایت، ۲۶ عنصر تنها یک ایزوتوپ پایدار دارند که به آنها «عنصر تک‌نوکلید» گفته می‌شود.
**تاثیر زوج یا فرد بودن عدد جرمی**
زوج یا فرد بودن تعداد پروتون‌ها، نوترون‌ها و مجموع آنها (عدد جرمی) نقش مهمی در پایداری هسته بازی می‌کند. اگر تعداد هر دو (پروتون و نوترون) فرد باشد، انرژی نگهدارنده هسته کاهش یافته و پایداری کم می‌شود. به همین دلیل، تعداد ایزوتوپ‌های پایدار در این حالت بسیار کم است. در مقابل، اگر تعداد هر دو زوج باشد، هسته بسیار پایدار خواهد بود. حدود ۵۸ درصد از ایزوتوپ‌های پایدار در این گروه قرار دارند و اسپین همه آنها صفر است. در نیمی از عناصری که عدد اتمی زوج دارند، تعداد ایزوتوپ‌های پایدار، شش یا بیشتر است.
ایزوتوپ‌های پایدار با عدد جرمی زوج، بسیار بیشتر از آن‌هایی هستند که عدد جرمی فرد دارند. یک دلیل این موضوع، انرژی بستگی بیشتر آن‌هاست. برای هر عدد جرمی فرد، فقط یک ایزوتوپ پایدار می‌تواند وجود داشته باشد. اما برای یک عدد جرمی زوج، امکان وجود تا سه ایزوتوپ پایدار هست که البته عدد اتمی همه آنها باید زوج باشد. در واقع، اگر یک ایزوتوپ پایدار با پروتون و نوترون زوج وجود داشته باشد، وجود ایزوتوپ دیگری با همان عدد جرمی اما عدد اتمی فرد، غیرممکن می‌شود.
بیشتر بخوانید: درباره اتم‌ها، الفبای مواد