ایزوتوپ ناپایدار چیست؟ – ایزوتوپ پرتوزا به زبان ساده

برخی عنصرها دارای ایزوتوپ‌هایی هستند که هسته اتم پایداری ندارند. به این ایزوتوپ‌ها ناپایدار می‌گویند. ایزوتوپ‌های ناپایدار در تعداد نوترون و پروتون با ایزوتوپ‌های پایدار تفاوت دارند و برخلاف آن‌ها دچار واپاشی هسته‌ای می‌شوند. در این مطلب می‌خواهیم بدانیم ایزوتوپ ناپایدار چیست و چگونه قابل تشخیص است. همچنین واپاشی‌های هسته‌ای متنوعی که این ایزوتوپ‌ها متحمل می‌شوند را بررسی خواهیم کرد.

ایزوتوپ چیست؟

برای درک بهتر اینکه ایزوتوپ ناپایدار چیست ابتدا می‌خواهیم بدانیم ایزوتوپ چیست. «ایزوتوپ‌های» (Isotope) یک عنصر هسته‌هایی با تعداد پروتون (p) برابر اما نوترون (n) نابرابر هستند. مثلا هیدروژن با ۱ پروتون، دارای ۳ ایزوتوپ است که به ترتیب ۰، ۱ و ۲ عدد نوترون دارند. از این ۳ ایزوتوپ، هیدروژن با ۰ عدد نوترون و دوتریم با ۱ عدد نوترون پایدار هستند اما تریتیوم با ۳ عدد نوترون رادیواکتیو است. تفاوت در تعداد نوترون‌ها باعث متفاوت بودن عدد جرمی آن‌ها می‌شود و برخی ویژگی‌های آن‌ها را تغییر می‌دهد. در تصویر زیر ۳ ایزوتوپ متفاوت عنصر هیدروژن را مشاهده می‌کنید.

ایزوتوپ ناپایدار چیست ؟

می‌خواهیم بدانیم ایزوتوپ ناپایدار چیست و چه کاربردهایی دارد. «ایزوتوپ ناپایدار» (Unstable Nuclide) یا رادیو ایزوتوپ دارای هسته‌ای است که از خود تابش ساطع می‌کند.

 

هسته هر اتم از تعدادی پروتون و نوترون تشکیل شده است که با نیرویی قوی در کنار یکدیگر نگه داشته شده‌اند. تعداد نوترون‌ها، نشان‌دهنده «عدد اتمی» (Atomic Number) هر ایزوتوپ و جمع تعداد پروتون و نوترون نشان‌دهنده «عدد جرمی» (Mass Number) آن است. برخی از مهم‌ترین و رایج‌ترین این تابش‌ها شامل موارد زیر هستند.

• آلفا $$(\alpha)$$
• بتا $$(\beta)$$
• گاما $$(\gamma)$$
• پروتون $$(p)$$
• نوترون $$(n)$$

تعیین هسته ناپایدار

حالا که متوجه شدیم ایزوتوپ ناپایدار چیست می‌خواهیم بدانیم چطور می‌توانیم تشخیص بدهیم که ایزوتوپی پایدار است. گفتیم که نوترون‌ها و پروتون‌ها به کمک نیرویی قوی در کنار یکدیگر نگه داشته می‌شوند. هرچه تعداد پروتون‌های یک هسته بیشتر باشد، برای حفظ پایداری نیاز به تعداد نوترون بیشتری است. بنابراین برای اظهار نظر در مورد پایداری یا عدم پایداری یک ایزوتوپ نیاز داریم تعداد نوترون و پروتون آن را بدانیم. برای مثال ایزوتوپ تریتیوم ناپایدار است زیرا تنها ۱ پروتون و ۲ نوترون دارد. مهم‌ترین دلایلی که برای ناپایداری یک ایزوتوپ می‌توان شمرد، از این قرارند.

• نیروی دافعه بین نوترون‌ها
• نیروهای دافعه بین الکترون‌ها
• نیروی دافعه بین پروتون‌ها
• نیروی جاذبه بین الکترون‌ها و هسته‌ی باردار مثبت

ایزوتوپ‌ های پایدار

تفاوت ایزوتوپ پایدار با ایزوتوپ ناپایدار چیست ؟ «ایزوتوپ‌های پایدار» (Stable Nuclide)، اتم‌های سازنده مواد هستند و به مدتی نامعلومی دست‌نخورده باقی می‌مانند. در این ایزوتوپ‌ها نسبت نوترون به پروتون برابر با ۱ تا ۱٫۵ است، یعنی در هسته‌ آن‌ها تعداد متوازنی نوترون و پروتون وجود دارد. بیشتر عنصرهایی که عدد اتمی کمتر از ۸۳ دارند، دارای ایزوتوپ‌های پایدار هستند. در این مورد دو استثنا وجود دارد. تکنسیم با عدد اتمی ۴۳ $$(^{43}Tc)$$ و پرومتیوم با عدد اتمی ۶۱ $$(^{61}Pm)$$، هیچ ایزوتوپ پایداری ندارند که در طبیعت یافت شده باشد.

 

ایزوتوپ های ناپایدار

تمام ایزوتوپ‌های ناپایدار، رادیواکتیو و حاوی تعداد زیادی پروتون هستند. البته ایزوتوپ‌های ناپایداری نیز وجود دارند که دلیل ناپایداری آن‌ها کم بودن نوترون برای ایجاد پایداری است. بنابراین هر عنصری می‌تواند ایزوتوپ ناپایدار داشته باشد.برای مثال تریتیوم با جرم اتمی ۳ رادیواکتیو است. همچنین عنصر کربن دارای ایزوتوپی رادیواکتیو با جرم اتمی ۱۴ است.

اگر ایزوتوپ‌ها را بتوان در طبیعت یافت فارغ از اینکه پایدار باشد یا ناپایدار، به آن‌ها «ایزوتوپ‌های طبیعی» (Naturally Occuring) می‌گویند. برخی ایزوتوپ‌ها نیز به دست انسان ساخته می‌شوند و به آن‌ها «ایزوتوپ‌های مصنوعی» (Artificial Element) می‌گویند. این ایزوتوپ‌ها از بمباران هسته‌های پایدار با نوترون در «شتا‌ب‌دهنده ذرات» (Accelerator) به وجود می‌آیند. ایزوتوپ‌های ناپایدار برخی عنصرهای طبیعی، به حدی نیمه‌عمر کوتاهی دارند که در طبیعت به مقدار قابل توجهی وجود ندارند.

نیمه عمر چیست ؟

به زمانی که طول می‌کشد تا ایزوتوپ ناپایدار دچار واپاشی هسته‌ای شود و به نصف مقدار اولیه خود برسد، «نیمه عمر» (Half-Life) می‌گویند و آن را با $$t_frac{1}{2}$$ نشان می‌دهند.

 

نیمه‌عمر ایزوتوپ‌هایبسیار متفاوت از هم بوده و بازه‌ای بین نانوثانیه تا میلیارد سال را دربرمی‌گیرد.

ایزوتوپ‌ های طبیعی

پیشتر گفتیم که ایزوتوپ طبیعی ایزوتوپی است که فارغ از پایدار یا ناپایدار بودن، در طبیعت یافت می‌شود. وقتی می‌گوییم که ایزوتوپی طبیعی است تنها در مورد حضور آن به‌صورت طبیعی صحبت می‌کنیم و چیزی در مورد مقدار و فراوانی آن نمی‌دانیم. در واقع بسیاری از ایزوتوپ‌های طبیعی نادر هستند. در طول زمان نیز مقدار آن‌ها تغییر می‌کند.

 

یعنی اگر ایزوتوپی طبیعی و ناپایدار باشد با گذشت زمان دچار شکافت هسته‌ای می‌شود و در نتیجه مقدار آن کاهش پیدا می‌کند. ۹۳ عنصر ابتدایی جدول تناوبی عناصر از هیدروژن با عدد اتمی ۱ تا نپتونیوم با عدد اتمی ۹۳، ایزوتوپ‌های طبیعی هستند. در این میان عنصر تکنسیم و پرومتیوم استثنا به حساب می‌آیند. اما خوب است بدانید برخی از این ایزوتوپ‌ها آن‌چنان ناپایدار هستند که انسان تنها وقتی توانسته با آن‌ها کار کند که خود به‌صورت مصنوعی آن‌ها را تولید کرده باشد.

 

واکنش هسته ای

واکنش هسته‌ای واکنشی است که در آن هسته اتم دستخوش تغییر می‌شود، برخلاف واکنش‌های شیمیایی که تنها با الکترون‌های اتم سروکار دارد. در این بخش می‌خواهیم دو نوع واکنش هسته‌ای را مورد بررسی قرار دهیم.

• واکنش شکافت هسته‌ای
• واکنش همجوشی هسته‌ای

شکافت هسته ای چیست ؟

گفتیم که ایزوتوپ‌هایی که هسته آن‌ها کمتر از ۸۳ عدد پروتون داشته باشند، به جزء دو مورد استثنا، حداقل یک ایزوتوپ پایدار دارند. از طرفی ایزوتوپ‌هایی داریم که ناپایدار هستند و دچار «شکافت هسته‌ای» (Nuclear Fission) می‌شوند. شکافت هسته‌ای فرایندی است که طی آن ایزوتوپ یک عنصر می‌شکند و علاوه بر ساطع کردن تابش‌های متنوع، ایزوتوپ‌هایی با هسته‌ی کوچک‌تر از خود به‌وجود می‌آورد. در زیر دو مثال از واکنش شکافت هسته‌ای را مشاهده می‌کنید.

• مثال اول: در هر دو طرف واکنش ۹۲ پروتون وجود دارد. انرژی آزاد شده، انرژی اتصال است.

$${^{235}_{92}U} + {^1_0n} \rightarrow {^{92}_{36}Kr} + {^{142}_{56}Ba} + 2 {^1_0n} + \text{energy}$$

• مثال دوم: شکافت هسته‌ای ناشی از شکست اورانیوم-۲۳۵ و ایزوتوپ‌های کوچک‌تر به‌وجود آمده از آن.

$${^{235}_{92}U} + {^1_0n} \rightarrow {^{95}_{42}Mo} + {^{139}_{57}La} + 2 {^1_0n} + \text{energy}$$

با این‌حال شکافت هسته‌ای تمام ایزوتوپ‌های ناپایدار برای انسان قابل مشاهده نیست زیرا برخی هسته‌های ناپایدار چنان نیمه‌عمر طولانی دارند که عمر سیاره زمین در مقایسه با آن هیچ است. بنابراین از زمان پیدایش کره زمین به همین حالت وجود داشته‌اند و تابشی از آن‌ها دیده نشده است.

همجوشی هسته ای چیست ؟

«همجوشی هسته‌ای» (Nuclear Fusion) فرایندی دقیقا عکس شکافت هسته‌ای است. همان‌طور که توضیح دادیم در شکافت هسته‌ای، ایزوتوپ‌های یک عنصر می‌شکند و در کنار ساطع کردن تابش، هسته‌هایی کوچک‌تر از خود پدید می‌آورد. در همجوشی هسته‌ای ایزوتوپ‌های کوچک باعث به وجود آمدن ایزوتوپی با هسته‌ بزرگ‌تر از خود می‌شوند. در زیر مثالی از واکنش همجوشی هسته‌ای را مشاهده می‌کنید.

$${^2_1H + ^3_1H \rightarrow ^4_2He + ^1_0n} + \text{energy}$$

همجوشی هسته‌ای تنها در دمای بسیار بالا مثلا در سطح خورشید به وقوع می‌پیوندد. یکی از فرایندهای همجوشی هسته‌ای در سطح خورشید تولید اتم هلیوم (He) از هیدروژن (H) است. در این فرایند «انرژی هسته‌ای» (Nuclear Energy) بسیار زیادی نیز تولید می‌شود.

تفاوت واکنش هسته ای و واکنش شیمیایی

واکنش هسته‌ای تفاوت‌هایی با واکنش‌ شیمیایی متدوال دارد که در جدول زیر به برخی از مهم‌ترین این تفاوت‌ها اشاره می‌کنیم.

رادیو اکتیو چیست ؟

هسته ایزوتوپ‌های ناپایدار از خود خاصیت رادیواکتیوی نشان می‌دهند و دچار واپاشی‌های متوالی می‌شوند. نحوه انجام فرایند واپاشی هر ایزوتوپ ناپایدار، بستگی به ماهیت و نیمه‌عمر آن دارد. با این‌حال نمی‌توان در مورد زمان دقیق ساطع شدن تابش از هسته‌های ناپایدار نظر قطعی داد. همچنین خوب است بدانید که نیمه‌عمر هسته یک ایزوتوپ ناپایدار به هیچ وجه تحت تاثیر شرایط شیمیایی و فیزیکی که هسته در معرض آن است، قرار نمی‌گیرد.

واپاشی رادیو اکتیو چیست ؟

بسیاری از هسته‌های ناپایدار رادیواکتیو هستند و از خود تابش‌های متنوعی ساطع می‌کنند. این تابش‌های یونیزه، باعث می‌شوند هسته‌ای به هسته دیگر تبدیل شود و طی این فرایند انرژی بسیار زیادی نیز آزاد می‌شود. برای تبدیل هسته یک ایزوتوپ ناپایدار به هسته پایدار، زنجیره‌ای طولانی از واپاشی ممکن است صورت بگیرد. جرم هسته‌ یک اتم از مجموع جرم نوترون و پروتون سازنده آن کمتر است. به این پدیده «کاستی جرم» (Mass Defect) می‌گویند و تبدیل آن به «انرژی بستگی» (Binding Energy) با توجه به قانون معروف اینشتین قابل توجیه است. این قانون را به‌صورت فرمول زیر ارائه می‌کنند.

$$E=mc^2$$

سرعت واپاشی رادیو اکتیو

سرعت تابش یک ایزوتوپ رادیواکتیو توسط نیمه‌عمر آن مشخص می‌شود که زمان مورد نیاز برای واپاشی هسته اتم به ‌صورتی که نصف آن باقی بماند، است. بسته به عنصر موردنظر، نیمه‌عمر می‌تواند از کسری از ثانیه تا میلیاردها سال متغیر باشد. در جدول زیر نیمه‌عمر تعدادی ایزوتوپ را مشاهده می‌کنید.

انواع تابش‌ های یونیزه

گفتیم که هسته‌های ناپایدار و رادیواکتیو از خود تابش‌های متفاوتی ساطع می‌کنند. در این بخش به‌طور مفصل در مورد ماهیت هر تابش صحبت خواهیم کرد.

واپاشی آلفا

«تابش آلفا» (Alfa Particles-α) دارای بار الکتریکی مثبت و در اصل هسته اتم عنصر هلیوم است. از آن‌جایی که اندازه ذره آلفا به نسبت بزرگ است، بلافاصله با اجسام برخورد می‌کند و انرژی خود را از دست می‌دهد. به همین دلیل تابش آلفا قدرت نفوذ بسیار پایینی دارد و می‌توان با لایه‌ای کاغذ راه آن را سد کرد. همچنین به دلیل داشتن قدرت نفوذ پایین، توسط پوست انسان مسدود می‌شود.

واپاشی بتا

این نوع واپاشی شامل الکترون‌های پرشتابی است که از هسته اتم خارج می‌شوند. «ذرات بتا» (Beta Particles-β) نسبت به ذرات آلفا بسیار کوچک‌تر هستند و توانایی نفوذ بیشتری دارند. این ذرات در آب و بدن انسان بیش از ۲-۱ سانتی‌متر نفوذ می‌کنند. بسیاری از عنصرهای رادیواکتیو این ذره را از خود می‌تابانند. برای مسدود کردن مسیر تابش بتا می‌توان از ورقه نازک آلومینیومی استفاده کرد.

واپاشی گاما و اشعه ایکس

«گاما» (Gamma Rays-γ) و «اشعه ایکس» (X-Rays) در واقع به‌صورت انرژی و نه ذره حضور دارند، درست مانند گرما و نور که تنها فرمی از انرژی هستند. این دو تابش تقریبا مشابه یکدیگر هستند، با این تفاوت که اشعه ایکس از هسته اتم ناشی نمی‌شود. برخلاف نور، این دو تابش قدرت نفوذ خوبی دارند و می‌توانند از بدن انسان عبور کنند.

 

برای مسدود کردن آن‌ها می‌توان از قطعه‌ای سربی استفاده کرد. تابش گاما در واقع مکانیسمی است که طی آن انرژی مازاد هسته آزاد می‌شود.

تابش کیهانی

«تابش کیهانی» (Cosmic Radiations) از ذرات پرانرژی مانند پروتونی که زمین را از جو خارجی مورد بمباران قرار می‌دهد، تشکیل شده است. این تابش در ارتفاع زیاد قدرت بیشتری دارد تا نزدیکی سطح دریا، زیرا اتمسفر زمین در نزدیکی سطح دریا چگال‌تر است و محافظت بیشتری از خود نشان می‌دهد.

نوترون

«نوترون‌ها» (Neutrons-n) ذراتی با قدرت نفوذ بسیار بالا هستند. بیشتر نوترون روی زمین از شکافت هسته‌ اتم‌ها به‌خصوص در راکتورهای هسته‌ای به وجود می‌آیند. برای جلوگیری از پخش شدن این ذرات می‌توان راکتورها را به کمک آب یا بتن عایق کرد.

زنجیره واپاشی هسته ای

در این بخش می‌خواهیم بدانیم زنجیره واپاشی ایزوتوپ ناپایدار چیست و چگونه انجام می‌شود. ممکن است محصول واپاشی رادیواکتیو که به آن «هسته دختر» (Daughter Nucleus) می‌گویند، مانند «هسته والد» (Parent Nucleuse) ناپایدار باشد و متعاقبا دچار واپاشی شود. بنابراین واپاشی هسته‌ای و ساطع کردن تابش تا جایی ادامه پیدا می‌کند که ایزوتوپی با هسته پایدار به وجود بیاید. به این فرایند زنجیره واپاشی هسته‌ای می‌گویند. سه عنصر ناپایدار اورانیوم، رادیوم و توریم با طی زنجیره واپاشی تبدیل به سرب پایدار می‌شوند. زمانی که اورانیوم این چرخه را می‌پیماید، ۸ ذره آلفا از خود ساطع می‌کند تا تبدیل به سرب شود. در تصویر زیر این چرخه را با جزئیاتش مشاهده می‌کنید.

قدرت تابش

داشتن آگاهی و رعایت موارد ایمنی چه در مورد ایزوتوپ‌های طبیعی دارای تابش، چه در مورد ایزوتوپ‌های غیرطبیعی لازم است. تابش‌های رادیواکتیو در برخورد به اجسام و بدن با تغییر سلول‌ها و مولکول‌های سازنده باعث آسیب به آن‌ها می‌شوند. این تغییرها باعث می‌شود سلول‌ها کارکرد خود را از دست بدهند و عملکردشان مختل شود زیرا دیواره سلول را تخریب می‌کنند.

 

همچنین ممکن است با آسیب به سلول از تولید مجدد و تقسیم آن جلوگیری کند. اگر میزان تابش بیش از اندازه باشد، خطر مرگ نیز وجود دارد.

قدرت نفود

«قدرت نفوذ» (Penetrating ability ) تابش‌های مختلف با یکدیگر متفاوت است. قدرت نفوذ معیاری برای میزان آسیب احتمالی از جانب تابش بر اجسام است. مثلا تابش آلفا از پوست انسان عبور نمی‌کند اما برای مسدود کردن تابش گاما باید از قطعه‌های سربی استفاده کرد. در واقع هرچه قدرت نفوذ تابشی بیشتر باشد مسدود کردن مسیر آن سخت‌تر و برای انسان خطرناک‌تر است. بنابراین قدرت نفوذ گاما بیشتر از بتا و آن هم بیشتر از آلفا است.

قدرت یونیزاسیون

با دانستن میزان یونیزاسیون یک تابش می‌توان در مورد میزان آسیبی که به اجسام و بافت بدن می‌رساند، اظهار نظر کرد. وقتی تابشی با جسم برخورد می‌کند باعث می‌شود اتم، الکترون از دست بدهد و یونیزه شود. هرچه قدرت یونیزاسیون یک تابش بیشتر باشد، آسیب مورد انتظار نیز بیشتر خواهد بود.

در جدول زیر تمامی اطلاعات لازم در مورد سه تابش معروف را آورده‌ایم. توجه داشته باشید که جرم گاما برابر صفر است، زیرا گاما ذره نیست و فقط به‌صورت انرژی وجود دارد.

تاثیر شیمیایی تابش

در این بخش می‌خواهیم کمی بیشتر در مورد تاثیرات شیمیایی که انواع تابش‌های یونیزه و غیریونیزه از خود به جا می‌گذارند صحبت کنیم.

تابش غیر یونیزه

تابش‌های رادیویی، مایکروویو، مادون قرمز و میدان‌های مغناطیسی جزء غیریونیزه‌ها هستند اما می توانند باعث به وجود آوردن تغییرات شیمیایی شوند و گرما و انرژی را منتقل کنند. مثلا پوست انسان در معرض نور مادون قرمز، برنزه می‌شود.

 

با این حال تابش‌های غیریونیزه نسبت به تابش‌های یونیزه، در حالت کلی با شدت کمتری تاثیرگذار هستند اما تحقیقاتی نیز صورت گرفته که احتمال ایجاد تومور و سرطان را توسط تابش‌های غیریونیزه مطرح کرده است.

تابش یونیزه

تابش‌های آلفا، بتا،‌ گاما، ایکس و فرابنفش در دسته تابش‌های یونیزه هستند و می‌توانند زوج یون به وجود بیاورند. بنابراین این توانایی را دارند که الکترون را از اتمی که با آن برخورد می‌کنند، بیرون برانند. این الکترون آزاد خود باعث یونش‌های بعدی شده و تبدیل به رادیکال آزاد می‌شود. رادیکال آزاد عاملی است که باعث پیری زودرس و سرطان می‌شود. پس دانستیم که تابش یونیزه ایزوتوپ ناپایدار چیست و چه تاثیراتی دارد.

تاثیر بیوشیمیایی تابش

تابش‌های یونیزه می‌توانند بر سلول‌های بدن انسان تاثیر بگذارند. این تابش‌های با عبور از بدن انرژی خود را آزاد می‌کنند. در میان تابش‌های یونیزه، تابش آلفا بیشترین اثر مخرب را دارد. اگر میزان تابش برخوردی با بدن زیاد باشد، باعث ایجاد جراحت در بافت‌ها می‌شود زیرا اتم و مولکول‌ها را برانگیخته می‌کند. یونیزاسیون و برانگیخته کردن مشکلات متعددی را برای بدن به وجود می‌آورد که در زیر به تعدادی از آن‌ها اشاره می‌کنیم.

• تولید رادیکال آزاد
• تخریب پیوندهای شیمیایی
• تولید پیوندهای شیمیایی جدید و ایجاد پل بین «درشت‌مولکول‌ها» (macromolecule)
• تخریب مولکول‌هایی که فرایند حیاتی سلول‌ها را مدیریت می‌کنند.
• ایجاد آسیب سلولی (سلول‌ها توانایی ترمیم خود را تا حدی دارند.)
• در مقیاس بالا باعث مرگ سلولی می‌شوند.
• در مقیاس بسیار بالا سلول مرده فوری جایگزین نمی‌شود و به این صورت عملکرد بافت مختل می‌شود.

ایمنی در کار با ایزوتوپ‌ ناپایدار

گفتیم که آسیب تابش‌های متفاوت به بدن انسان بستگی به قدرت یونیزاسیون و نفوذ آن‌ها دارد. به‌طور مثال تابش آلفا توانایی عبور از پوست انسان را ندارد اما نیاز است که نهایت ایمنی در کار با آن رعایت شود. بهتر است هیچ مقدار تابش رادیواکتیوی به بدن انسان برخورد نداشته باشد اما چنین چیزی خیلی امکان‌پذیر نیست بنابراین دو روش برای کاهش این آسیب وجود دارد. می‌توان زمان قرارگیری در معرض این تابش‌ها را کاهش داد یا فاصله خود را با منبع تابش افزایش داد.

غذای تحت تابش

سوالی که با مطالعه در مورد ایزوتوپ‌های ناپایدار و تابش حاصل از آن‌ها به ذهن می‌آید، این است که آیا غذایی که تحت تابش قرار گرفته را می‌توان خورد؟ زیرا از سال ۱۹۲۱ برای میکروب‌زدایی از برخی خوراکی‌ها آن‌ها را تحت تابش قرار می‌دادند. تابش‌های یونیزه باعث رادیواکتیو شدن مواد غذایی نمی‌شوند. بنابراین مصرف آن‌ها آلودگی رادیواکتیوی به وجود نمی‌آورد. همچنین ماده غذایی بعد از تحت تابش قرار گرفتن، مدت زمان بیشتری سالم می‌ماند و «عمر قفسه‌‌ای» (Shelf Life) آن افزایش پیدا می‌کند.

ضدعفونی با ایزوتوپ ناپایدار چیست ؟

گفتیم که از تابش ساطع شده از ایزوتوپ‌های ناپایدار برای ضدعفونی مواد غذایی استفاده می‌شود. همچنین این روش ضدعفونی در لوازم پزشکی نیز کاربرد دارد. مثلا ایمپلنت‌های مورد استفاده در جراحی‌های باز را قبل از جاگذاری در بدن به کمک اشعه گاما یا ایکس ضدعفونی می‌کنند.

ردیابی تابش

در این بخش می‌خواهیم بدانیم از چه روشی برای پی بردن به حضور یا عدم حضور مواد پرتوزا می‌توان استفاده کرد. تابش رادیواکتیو با یونش اتم‌ها و خارج کردن الکترون از ساختار آن شناخته می‌شوند. برای این منظور دستگاه‌هایی ماند «تابش‌سنج گایگر» (Geiger Counter) ساخته شده‌اند. این دستگاه از لوله‌ای حاوی گاز، محاط در ورقه‌ای فلزی استفاده می‌کند. از مرکز این لوله سیمی رد می‌شود. زمانی که ذره‌ای از اتم رادیواکتیو از این لوله عبور کند، گاز یونیزه می‌شود و نور ساطع خواهد شد.

شناساگر منتهی به سیم می‌تواند بسته به نوع خود، ویژگی‌ای غیر از نور را نشان دهد، مثلا نور را با سوتی جایگزین کنند که با ایجاد جریان به صدا بیفتد. همچنین می‌توان با اتصال شناساگرهای پیشرفته نوع تابش ساطع شده را نیز تشخیص داد.

کاربرد ایزوتوپ ناپایدار

تا اینجا دانستیم که ایزوتوپ ناپایدار چیست و چه ویژگی‌هایی دارد. در این قسمت می‌خواهیم سراغ این پرسش برویم که آیا این تابش‌های خطرناک، کاربرد مفیدی نیز برای انسان دارند یا خیر؟

از ایزوتوپ‌های ناپایدار به‌خصوص در سال‌های اخیر به‌میزان زیادی در پزشکی هسته‌ای و رادیو‌داروها استفاده می‌شود. این مواد از آنجا که قدرت تخریب سلول‌ها را دارند، می‌توانند در از بین بردن سلول‌های ناخواسته مانند آن‌هایی که به سرطان آلوده شده‌اند، مفید باشند.

پزشکی هسته ای چیست ؟

پزشکی هسته‌ای به تمام روش‌هایی گفته می‌شود که طی آن از ایزوتوپ‌های ناپایدار و رادیواکتیو برای بهبود وضعیت سلامت بدن انسان کمک گرفته می‌شود.

 

مثلا در برخی روش‌ها قبل از انجام عکس‌برداری از بدن، ایزوتوپ‌های رادیواکتیو به فرد خورانده یا تزریق می‌شود تا عکس باکیفیت بهتر و واضح‌تر در دسترس باشد و همین باعث می‌شود تشخیص مشکل با دقت بیشتری انجام شود. بنابراین کاربرد ایزوتوپ‌های ناپایدار هم در موارد تشخیصی و هم درمانی است.

درمان با اشعه ایکس

درمان سرطان به کمک اشعه ایکس با «باریکه» (Beam) تابشی متمرکز انجام می‌شود. در این فرایند سلول‌های آلوده را تحت تابش قرار می‌دهند و برای جلوگیری از رسیدن اشعه ایکس به دیگر نقاط بدن از سرب استفاده می‌شود. در حال حاضر علاوه بر درمان سرطان، از اشعه ایکس برای بهبود درد ناشی از «آرتریت مفاصل» (Arthritic pain) نیز بهره می‌برند.

برخی ویژگی‌های منفی درمان با اشعه ایکس از ابتدا مشخص بود. این نکته‌های منفی شامل سرخ شدن پوست و از دست دادن مو هستند. به‌علاوه افرادی که تحت تابش با اشعه ایکس قرار می‌گیرند، سوختگی با اشعه را تجربه می‌کنند که ممکن است از چند ساعت تا چند روز بعد خود را نشان دهد.

درمان سرطان با تابش گاما

کاشف رادیواکتیوی، «هنری بکرل» (Henri Becquerel) از تاثیرات آن بر بدن انسان بی‌خبر بود و با خود لوله‌ای حاوی رادیوم حمل می‌کرد. این لوله درون جیب جلیقه اون قرار داشت و باعث به وجود آمدن سوختگی در قفسه سینه وی شد. جای زخم این سوختگی برای همیشه روی بدن بکرل باقی ماند. در بخش‌های بعدی کمی بیشتر در مورد او و کشف مهمش صحبت می‌کنیم.

امروزه از سوزن‌های پر شده با رادیوم برای درمان تومورهای جامد استفاده می‌شود. به این ترتیب تابش‌های ساطع شده از آن بیشتر بافت آلوده را تخریب می‌کند و به دلیل روش اعمال متمرکز، تاثیر آن روی بافت‌های سالم به حداقل می‌رسد.

رادیو دارو چیست ؟

به ایزوتوپ‌های ناپایداری که در بدن تاثیر بیولوژیکی دارند، رادیودارو می‌گوییم. برخی رادیوداروها بعد از ورود در بدن بسته به ویژگی‌هایشان در بافت‌های خاصی از بدن تجمع می‌کنند و تاثیر می‌گذارند. میزان رادیودارویی که به بیمار داده می‌شود نیز با توجه به جثه و وزن او تنظیم می‌شود و باید به‌گونه‌ای بهینه شود که باعث آسیب به بافت‌های اطراف که سالم هستند، نباشد. در این مورد مثالی را در ادامه بررسی می‌کنیم.

رادیودارویی که برای اسکن استخوان از آن استفاده می‌شود تکنسیم-۹۹ است. این دارو به «دی‌فسفونات» (Diphosphonate) می‌چسبد و به صورت وریدی به بدن تزریق می‌شود. تکنسیم از خود تابش بتا ساطع می‌کند و شناساگر این تابش را به‌صورت تصویر نشان می‌دهد. دلیل همراهی عامل دیگر با رادیودارو افزایش گزینش‌پذیری دارو است به‌طوری که حتی‌الامکان فقط به بافت مورد نظر برای عکاسی برود.

عکس‌های حاصل از این روش بدن را به‌صورت واضح نشان نمی‌دهند اما برای مطالعه در مورد استخوان‌ها مفید هستند. قسمت‌هایی از استخوان که بیشترین مقدار رادیودارو را به خود جذب کرده‌اند در این تصویر نورانی‌تر و واضح‌تر هستند.

در جدول زیر برخی از مهم‌ترین رادیوداروها و نوع مصرف آن‌ها را مشاهده می‌کنید.

درمان تیروئید به کمک ید-۱۳۱

یدی که از طریق مواد غذایی وارد بدن می‌شود در غده تیروئید ذخیره خواهد شد تا در طی زمان برای کنترل رشد و متابولیسم آزاد شود. با تزریق ید-۱۳۱ رادیواکتیو به بدن انسان می‌توان از غده تیروئید به‌خوبی عکس‌برداری کرد زیرا این ماده بعد از ورود به بدن در آن‌جا تجمع می‌کند. در مقادیر بالا از این ماده می‌توان برای درمان سرطان تیروئید نیز استفاده کرد. ید-۱۳۱ نیمه‌عمری برابر با ۸٫۷ روز دارد و طی زمان با ایجاد تابش، تاثیر خود را روی بافت‌های مبتلا به سرطان می‌گذارد.

تاریخچه ایزوتوپ ناپایدار

تا اینجا متوجه شدیم که ایزوتوپ ناپایدار چیست و چه کاربردهایی داریم، در این بخش می‌خواهیم کمی به تاریخچه و کشف آن بپردازیم. همان‌طور که می‌دانید واکنش‌های شیمیایی زمانی صورت می‌گیرد که «الکترون‌های لایه ظرفیت» (Valence Electron) یک اتم که از هسته آن بسیار دور است، با اتمی دیگر به اشتراک گذاشته شود. طبق قانون «پایستگی جرم» (Conservation Of Mass) ماهیت عنصر و آرایش هسته آن (نوترون‌ها و پروتون‌ها) دست نخورده باقی می‌ماند. این تفکر در مورد هسته اتم با کشف رادیواکتیوی توسط «هنری بکرل» (Henri Becquerel) در عنصر اورانیوم دچار شک و تردید شد. او مشاهده کرد که هسته اتم درگیر واکنش هسته‌ای می‌شود و از خود تابشی ساطع می‌کند. در این فرایند هسته اتم تغییر ماهیت می‌دهد و تبدیل به هسته دیگری می‌شود.

همزمان «ماری کوری» (Marie Curie) مطالعات خود را روی ایزوتوپ‌های ناپایدار شروع کرد. او در این مطالعات موفق شد دو عنصر رادیواکتیو رادیوم و پلونیوم را از واپاشی هسته‌ای اورانیوم-۲۳۵ کشف کند. کوری متوجه شد که میزان تابش ساطع شده از هسته ایزوتوپ ناپایدار با مقدار آن (مول) نسبت مستقیم دارد و اینطور نتیجه‌گیری کرد که تابش ساطع شده، ویژگی هسته ایزوتوپ ناپایدار است.

از آن زمان تا به حال مطالعات بسیاری در این زمینه که به نام «شیمی هسته‌ای» (Nuclear Chemistry) خوانده می‌شود، صورت گرفته است. شیمی هسته‌ای به ما کمک می‌کنید تا بدانیم ایزوتوپ ناپایدار چیست و چگونه باید با آن به‌صورت ایمن کار کرد.

مثال‌ هایی از ایزوتوپ های ناپایدار

در این بخش می‌خواهیم بعد از اینکه دانستیم ایزوتوپ ناپایدار چیست و چه کاربردهایی دارد، به پرسش‌هایی درباره آن بپردازیم.

مثال اول

 

مثال دوم

 

مثال سوم

 

مثال چهارم

 

مثال پنجم

 

مثال ششم

 

مثال هفتم

 

مثال هشتم

 

مثال نهم

 

مثال دهم

 

مثال یازدهم

 

مثال دوازدهم

 

سوالات متدوال

حال که متوجه شدیم ایزوتوپ ناپایدار چیست و چه کاربردهایی دارد، می‌خواهیم به چند سوال مهم و کاربردی در این زمینه پاسخ دهیم.

چند عنصر در جدول تناوبی عناصر به‌صورت طبیعی وجود دارند ؟

۹۱ عنصر جدول تناوبی عناصر به‌صورت طبیعی وجود دارند. این عنصرها از عدد اتمی ۱ تا ۹۳ را در بر می‌گیرند و دو استثنا دارند: تکنسیم و پرومتیوم.

همجوشی هسته ای چیست ؟

در واکنش همجوشی هسته‌ای دو یا تعداد بیشتری هسته سبک به هم برخورد می‌کنند و هسته‌های سنگین‌تری را شکل می‌دهند.

چند عدد ایزوتوپ ناپایدار وجود دارد ؟

تاکنون ۱۶۱ ایزوتوپ ناپایدار شناسایی شده است، هرچند در عمل از ۴۵ تای آن‌ها هیچ واپاشی مشاهده نشده است.

آیا ایزوتوپ‌ های ناپایدار، رادیو اکتیو هستند ؟

بله، تمام هسته‌های ناپایدار انرژی مازاد خود را به صورت تابش‌های رادیواکتیو آزاد می‌کنند.

کاربرد ایزوتوپ ناپایدار چیست ؟

از ایزوتوپ‌های ناپایدار در پزشکی هسته‌ای و به عنوان رادیو دارو استفاده می‌شود. این ایزوتوپ‌ها در پیشگیری و درمان برخی سرطان‌ها بسیار مفید و پرکاربرد هستند.

شکافت هسته ای چیست ؟

در واکنش شکافت هسته‌ای، تعدادی هسته سبک‌تر از هسته‌ای سنگین و ناپایدار به وجود می‌آیند.

انرژی بستگی هسته ای چیست ؟

انرژی بستگی هسته‌ای، مقدار انرژی مورد نیاز برای تجزیه یک هسته به اجزای سازنده آن است.

چطور به ناپایداری ایزوتوپی پی ببریم ؟

تمام ایزوتوپ‌هایی که عدد اتمی بالای ۸۴ دارند و نسبت نوترون به پروتون در آن‌ها بیش از ۱٫۵ است، ناپایدار هستند. البته در ایزوتوپ‌هایی با عدد اتمی کمتر از ۸۳ نیز هسته ناپایدار وجود دارد.

چرا ایزوتوپ‌ های سنگین ناپایدار هستند ؟

وقتی ایزوتوپی سنگین است، تعداد پروتون زیادی دارد و دافعه بین پروتون‌ها باعث ناپایداری هسته می‌شود.

ناپایدارترین ایزوتوپ موجود چیست ؟

ایزوتوپ آهن-۵۶ ناپایدارترین ایزوتوپ موجود است و در نمودار پایداری ایزوتوپ نیز قابل مشاهده است.

رادیو اکتیوی چیست ؟

به هسته‌ای که ناپایدار است و از خود تابش ساطع می‌کند، رادیواکتیو می‌گویند. این فرایند در واپاشی آلفا، بتا و گاما صورت می‌پذیرد.

چند نوع واکنش هسته ای وجود دارد ؟

۴ نوع واکنش هسته‌ای وجود دارد که شامل موارد زیر هستند.

• شکافت هسته‌ای
• واپاشی هسته‌ای
• همجوشی هسته‌ای
• تبدیل هسته‌ای

کدام تابش در واقع هسته اتم هلیوم است ؟

تابش آلفا دارای ۲ عدد نوترون و ۲ عدد پروتون، درست مانند هسته اتم هلیوم است.

جمع بندی

در این مطلب در مورد این صحبت کردیم که ایزوتوپ ناپایدار چیست و چه ویژگی‌هایی دارد. بسیاری عنصرها دارای هسته‌های متنوعی هستند که در تعداد نوترون با یکدیگر اختلاف دارند. اگر ترکیب تعداد نوترون و پروتون در این هسته‌ها به‌صورت باشد که باعث ناپایداری شود، ایزوتوپ رادیواکتیو است. یعنی برای رسیدن به پایداری دچار واپاشی هسته‌ای می‌شود و نوعی از تابش را از خود ساطع می‌کند.