ايزوتوپ و عدد جرمی

ايزوتوپ و عدد جرمی

چنانچه با جدول تناوبی و مربوط به  عناصر آشنا شده باشید، متوجه خواهید شد که در این جدول کلیه خصوصیات عناصر ساختاری جهان دوروبرمان را به بهترین شکل شرح داده است. عنصرهایی که در ردیف نخست این جدول جای دارند، به شدت با آب واکنش نشان می دهند. یا این‌که ردیف نهایی جدول، گاز‌هایی موجودند که با مشکل به سایر عنصرها واکنش نشان می‌دهند. ولی بهتر است این را بدانید که هرکدام از این عنصرها خود نیز به گروه و دسته های گوناگون تقسیم می گردند. در واقع برای هر یک از  عناصر معنی به عنوان ایزوتوپ تعریف شده است. در ادامه این مقاله  معنی آن را به مفصل شرح خواهیم داد.
ايزوتوپ و عدد جرمی
ايزوتوپ و عدد جرمی

همینطور در ساخت هر اتم، با بهره وری از دو عدد اصلی به عنوان عدد اتمی و عدد جرمی شرح داده شده  که در ادامه این مطلب معانی آنها را به طور کامل شرح خواهیم داد.

ایزوتوپ

شکل گیری یک اتم از هسته‌ای با چگالی بالا و الکترون‌های دوروبرش انجام می گیرد. در شکل زیر مدل اتمی بور برای نخستین بار، آن را کشیده است. همچنین خود هسته‌ اتم هم از دو جزء اصلی نوترون و پروتون شکل گرفته است.

ايزوتوپ و عدد جرمی
ايزوتوپ و عدد جرمی
شکلی از اتم که هم اکنون میبینید و در ذهن انسان به تصویر در آمده ، نمونه اتمی است که نیلز بور،یک فیزیکدان از اهالی دانمارک در سال ۱۹۱۳در خدمت جامعه قرار داده است.

بادو مولفه که شبیه به هم و از یک اتم هستند با نامهای پروتون و نوترون را بیشتر بشناسید. در واقع فقط یک خصوصیت است که این دو اِلِمان را از همدیگر جدا می سازد. این خصوصیت بار الکتریکی آن‌ها می باشد. پروتون نیزدارای ذره‌ای با بار مثبت می باشد ودر مقابل آن نوترون ذره‌ای با بار خنثی دارد. این متفاوت بودن در بار الکتریکی سبب  شده است تا پروتون میدان‌ مغناطیسی و میدان الکتریکی را  به خوبی حس کرده ، اما در عوض نوترون واکنشی نسبت به آن‌ها ندارد.

الکترون نیز که جرمی بسیار کم‌تر از پروتون و نوترون دارد، دارای باری برابر با پروتون ولی با اندازه‌ی منفی است. بنابراین اتمی که اندازه‌ الکترون‌ها و نوترون‌ها در آن برابر باشد، بارش نیز خنثی خواهد بود. توجه داشته باشید که این تعداد الکترون‌های یک اتم است که رفتار شیمیایی یک عنصر خاص را تعیین می‌کند.

ایزوتوپ‌های عناصرهر کدام دارای مقدار یکسان از پروتون هستند و فقط مقدار نوترون‌های که آن‌ها دارند با هم تفاوت دارند. به‌ خاطر شرح دادن اینکه ایزوتوپ‌ها در کنار هم در نخستین قسمت اسم عناصر مطرح شده و بعد در ادامه آن جرم اتمی آن را شرح می دهد. بعنوان مثال ایزوتوپ‌های کربن را مد نظر داشته باشید.در حال حاضر ۳ ایزوتوپ از کربنها در طبیعت موجود می باشند. که این کربنِهادر گروه ۱۲، ۱۳ و ۱۴ ایزوتوپ‌های می باشند. اعداد نام برده شده در جلوی اسم کربن،‌ بیانگر جرم هرکدام از آن‌ها می باشد. هر ۳ سه مورد  این کربن‌ها مقداری یکسان از پروتون بوده اما مقدار نوترون‌های آن‌هاتفاوت دارند. مقدار نوترون‌ آن‌ها به طور منظم مساوی با ۶، ۷ و ۸ است.

از نظر شیمیایی خصوصیات هر ۳ ایزوتوپ کربن شبیه یکدگر بوه  به این دلیل که مقدار الکترون‌ در آن‌‌ها برابر می باشد. پس ایزوتوپ‌های هر کدام از عناصر از دیدگاه شیمیایی رفتاری مشابه هم دارند. بهتر است بدانید که بعضی برخی از عصرها با تحول کامل به عناصر دیگر، این قانون واصل را زیر پا گذاشته اند.

ايزوتوپ و عدد جرمی
ايزوتوپ و عدد جرمی

ضروری است یادآوری کنیم درصورتیکه لازم باشد حتما باید  مطالعه مطلب در مورد ایزوتوپ کامل و درست انجام شود و بعد خواهید توانست معنی و مفهوم «ایزوتوپ چیست؟ رابه زبان ساده» بیان کنید.

پایداری

توانایی تحول ماهیت در اتم‌ها سبب شده تا ایزوتوپ‌ها را با ناپایداری روبرو کند. این معنی است که پیدا کردن آن، پاداش نوبل را در سال ۱۹۲۱ برای کاشف آن به نام «فردریک سودی» با خود به همراه داشت.

بعضی از ایزوتوپ‌ها همانند کربنِ ۱۲،‌ همیشه موجودند و فقط  در  برخی شرایطی استثنایی تحول ماهیت خواهند داد. در حالی که کربن ۱۴ گونه ناپایدار دارد به ایزوتوپی پایدار از سایر عناصر تحول می یابد.

بعنوان مثال کربن ۱۴ با تحول در مقدار پروتون‌هایش به نیتروژن ۱۴ تحول می یابد.در این روند که به عنوان «فروپاشی بتا» معرفی می گردد، هسته‌ی اتم موجی  که جنس الکترون و آنتی‌ نوترون براق شده  و مقدار پروتون‌هایش نیز افزوده می گردد. با اضافه شدن یک پروتون در هسته، اتم تحول در ماهیت خود داده و به ایزوتوپی پایدار از عنصر نیتروژن تغییر وضعیت می دهد در تصویر زیر شماتیکی از روند فروپاشی بتا به نمایش در آمده است.

ايزوتوپ و عدد جرمی
ايزوتوپ و عدد جرمی

همینطور ارتباط شرح دهنده  روند فروپاشی بتا در ادامه ذکر خواهد شد.

ايزوتوپ و عدد جرمی
ايزوتوپ و عدد جرمی

علل و عوامل بسیاری در جداشدن از هم در هسته‌ی یک اتم می تواند وجود داشته باشد. یکی از پراهمیت ترین آن‌ها، به نسبت مقدار پروتون‌ها به مقدار نوترون‌ها در هسته‌ اتم می باشد. چنانچه یک هسته‌ اتم، با دارا بودن مقدار زیادی نوترون همراه باشد یعنی اینکه هر چقدر مقدار آن بیشتر باشد، به جرم هسته وابسته است و نمیشود برای آن حد و مرزی را مشخص کرد، احتمال از هم ریختن آن به سمت تبدیل شدن به ایزوتوپی پایدار، خیلی بیشتر میگردد.

در گونه ای که مقدار پروتون‌های هسته هم خیلی باشد، روند از هم ریختن ممکن است اتفاق بیفتد. از هم ریختن میتواند سبب که به رادیوالکتیو شدن بعضی از ایزوتوپ‌های در یک عنصر گردد.

به طور کل حدودا ۳۳۹ هسته اتمی مختلف روی کره زمین موجود است که ۲۸۶ نوع از آن‌ها «نوکلید دیرینه» به حساب می ایند. نوکلوید‌ها ایزوتوپ‌هایی می باشند که فرو ریختن آن‌ها خیلی پایین بوده به شیوه ای که سن آن‌ها از سن زمین نیز زیادتر است. بعنوان مثال یکی از مشهورترین ها ایزوتوپ‌های اورانیوم،بوده که در ساختن بمب اتم و نیروگاه‌های مبتنی بر انرژی هسته‌ای کارایی زیادی داشته است.

در واقع با زیاد شدن یک نوترون به هسته‌ی اتم اورانیوم ۲۳۵ هسته آن ناپایدار شده و و در روندی که تولید کننده انرژی است اتم از هم بازخواهد شد. که نتیجه  از هم باز  شدن نوترون رهاشده و این نوترون هسته‌ی بعدی را خواهد شکافت. به اصطلاح این نوع روند را واکنش زنجیره‌ای نامیده اند که نتیجه اش آن  است که میلیون‌ها هسته اورانیوم ۲۳۵ از هم باز شده و انرژی زیادی را تولید می کنند. در ادامه مطلب  انیمیشن باز شدن هسته‌ای که اتفاق افتاده در اورانیوم ۲۳۵ را به نمایش می گذاریم.

ايزوتوپ و عدد جرمی
ايزوتوپ و عدد جرمی
کنش و واکنش پیوسته و زنجیره‌ای که در روند از هم ریختن  هسته‌ اورانیوم ۲۳۵ رخ می‌دهد.

نماد استفاده شده برای اتم

اغلب هسته هر اتم را با بهره بردن از دو عدد شرح داده می شود. عدد اتمی که معیاری از پروتون‌ها و عدد جرمی که با بهره بردن از آن‌ می شود بین ایزوتوپ‌ها تمیز قائل گردید.

عدد اتمی

عدد اتمی نشان گر  مقدار پروتون‌ها در یک اتم می باشد. بنابراین با دقت به تعریف بیان شده  پس بنابراین یک اتم‌ خنثی توانایی آن را دارد تا عدد اتمی را مساوی با مقدار الکترون‌ها هم در نظر بگیرد؛ به این دلیل که  مقدار الکترون‌ها و پروتون‌ها در یک اتم خثنی با همدیگر یکسان هستند. پس برای یک اتم خنثی اینگونه می توان گفت:

تعداد الکترون‎ها = تعداد پروتون‎ها = عدد اتمی

اغلب عدد اتمی را درقسمت سمت چپ و پایین عنصر به نمایش میگذارند که حتما در ادامه مطلب  روش نشان دادن یک اتم و اعداد آن را نیز خواهید دید .دقت داشته باشید که در بیشتر متون علمی، نماد عدد اتمی z می باشد.

عدد جرمی

عدد جرمی معیاری از مقدار جرم اتم  بوده که با دقت به این‌که قسمت زیادی از جرم یک اتم در هسته آنجای دارد پس جمعا جرم نوترون و پروتون تحت عنوان عدد جرمی در هم میتواند مد نظر باشد. پس می شود گفت که:

 تعداد نوترون‎ها + تعداد پروتون‌ها = عدد جرمی

در خیلی از موردها عدد جرمی با نماد A به نمایش می گذارند.

بار الکتریکی

یک اتم توانایی دارد که الکترون را بگیرد یا اینکه از دست بدهد. با دقت به این که بار یک اتم با بهره وری از فرایند بار الکترون‌ها و پروتون‌ها جایگزین می گردد، پس با تحول مقدار الکترون‌‌ها بار اتم نیز تحول دارد که در قسمت سمت راست و بالای اتم نمایش داده می شود.

جهت کسب کردن  بار الکتریکی یک اتم مقدار پروتون‌ها از تعداد الکترون‌ها کاسته می گردد. در این حالت چنانچه مقدار الکترون‌های یک اتم کاسته شود بار اتم مثبت و چنانچه الکترون‌های اتم زیاد شود ،‌ بار اتم منفی می گردد نتیجه اینکه ارتباط زیر در باره بار یک اتم برقرار می گردد.

تعداد الکترون‌ها – تعداد پروتون‌ها = بار اتم 

به مسئله زیر دقت کنید که اتم غیر خنثی معمولا با نام یون مشخص و شناخته شده است که با دقت به سه عدد شناخته شده در قسمت بالا، مشخصه  یک اتم را به شکل پایین به نمایش می گذارد.

ايزوتوپ و عدد جرمی
ايزوتوپ و عدد جرمی

جهت این موردی مثالی زده می شود که با دقت به نماد پایین ، عدد اتمی و عدد جرمی اتم مس به‌ ترتیب برابر با ۲۹ و ۶۳ می باشد. با دقت به این که اتم نامبرده در این مورد خنثی است پس  بار الکتریکی آن هم مساوی با صفر می باشد.

ايزوتوپ و عدد جرمی
ايزوتوپ و عدد جرمی

جرم اتمی میانگین

تا این قسمت با معنی و مفاهیم  عدد جرمی، عدد اتمی و ایزوتوپ که گفته شد آشنا شدید. اگر دقت کنید رک خواهید کرد که عدد جرمی حتما باید دو برابر عدد اتمی باشد، به این دلیل که مقدار پروتون‌ها و نوترون‌های یک اتم در گونه پایدار اغلب یکسان می باشند. چنانچه جدول تناوبی عنصرها را مشاهده کنید موجه خواهید شد که این چنین  بیانی جهت بیشترعنصرها درست نبوده . برای مثال عدد اتمی لیتیوم مساوی با ۳ و عدد جرمی آن مساوی  با ۶.۹۴۱ است. به درستی چرا عدد جرمی دو برابر عدد اتمی اشاره ای نگردیده است؟

جواب آن در معنای ایزوتوپ می باشد. همانگونه  که در نخست این مقاله هم مطرح شد، یک اتم احتمال دارد که چندین ایزوتوپ را دارا باشد. هر کدام از این ایزوتوپ‌ها خود  شامل مقدارنوترون‌های مختلف بوده  که پس عدد جرمی هر کدام از آن‌ها هم تفاوت دارند.

جهت طرح  جرم یک اتم از معنی «جرم اتمی میانگین» بهره می برند. در این شیوه درصد هر ایزوتوپ که در طبیعت وجود دارد در عدد جرمی آن ایزوتوپ هم ضرب می‌ گردد.

مثال ۱

جرم اتمی ما بین اتم لیتیوم را بیابید. فکر کنید ۷۰ درصد لیتیوم که در طبیعت موجود است  دارای عدد جرمی ۵ والباقی دارای عدد جرمی ۸ باشد.

با دقت به شکل سوال مطرح شده  لیتیوم دو ایزوتوپ با اعداد جرمی ۵ و ۸ دارا می باشد. از سمتی هم از هر ۱۰۰ عدد اتم لیتیوم موجود در طبیعت، ۷۰ مورد عدد جرمی ۵ و ۳۰ مورد دیگر دارای عدد جرمی ۸ دارا می باشند. جهت بدست آورده شدن  جرم اتمی مابین ، درصد زیادی هر ایزوتوپ را در عدد جرمی و ارتباط با آن را  ضرب کنید و اندازه کسب شده  را با همدیگر جمع ببندید. در ادامه این مسئله جرم اتمی مابین اتم لیتیوم حساب خواهد شد.

ايزوتوپ و عدد جرمی
ايزوتوپ و عدد جرمی

دقت کنید که عددی که در جدول تناوبی وجود دارد بر اساس مول/گرم طرح می گردد که به این واحد جرم مولی هم می گویند.

مثال ۲

فکر کنید که کربن از دو ایزوتوپ با اعداد جرمی ۱۳.003 و ۱۲ شکل گرفته باشد.همینطور درصد‌ هر کدام از این ایزوتوپ‌ها را مساوی با اعداد زیر مد نظر باشد. با این فرض جرم اتمی ما بین کل کربن‌های که در طبیعت وجود دارند راکسب خواهید کرد.

ايزوتوپ و عدد جرمی
ايزوتوپ و عدد جرمی
ايزوتوپ و عدد جرمی
ايزوتوپ و عدد جرمی

پس درصد کربن ۱۲ برابر با ۹۸.۸۹ درصد و درصد کربن ۱۳.۰۰۳ برابر با ۱.۱۱ درصد است. با این فرضیه جرم اتمی میانگین اتم کربن مساوی می گردد با:

ايزوتوپ و عدد جرمی
ايزوتوپ و عدد جرمی

دقت کنید  که جمع ضرایب ایزوتوپ‌ها بایستی باهم یکسان با ۱ شود. چنانچه دقت کنید در هر دو نمونه مثال حاصل جمع ذکر شده مساوی با ۱ است. در این موارد هم می شود  با بهره بردن  از عدد اتمی و عدد جرمی، مقدار نوترون‌های که در یک ایزوتوپ وجود دارند را کسب کرد. در واقع مقدار نوترون‌ها را میشود با بهره بردن از رابطه زیر هم کسب کرد

 تعداد پروتون‌ها – عدد جرمی = تعداد نوترون‌ها

بعنوان مثال  در پایین مقدار نوترون‌های ایزوتوپ‌های اکسیژن شرح داده شده اند.

ايزوتوپ و عدد جرمی
ايزوتوپ و عدد جرمی

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.