ایزوتوپ چیست؟ – توضیح و تعریف به زبان ساده

ایزوتوپ به عنصر شیمیایی می‌گویند که در هسته اتم خود، تعداد پروتون یکسان و تعداد نوترون متفاوت داشته باشد. به عبارت دیگر، ایزوتوپ‌ها به عناصری می‌گویند که تنها در تعداد نوترون با یکدیگر متفاوت باشند. به طور مثال، کربن ۱۲ و ۱۳ و ۱۴، همگی ایزوتوپ‌های کربن به شمار می‌آیند. کربن-۱۴ در مجموع ۸ نوترون و کربن-۱۳ در مجموع ۷ نوترون دارند. برای کربن-۱۲ نیز تعداد ۶ نوترون در هسته اتم آن ذکر شده است.

نحوه نمایش ایزوتوپ

ایزوتوپ‌ها را به طور کلی بوسیله دو روش نشان می‌دهند:

• روش اول: نوشتن به صورت «نام عنصر-عدد جرمی ایزوتوپ». به طور مثال، ایزوتوپ اورانیوم به صورت اورانیوم-۲۳۵ و اورانیوم-۲۳۹ نوشته می‌شود. البته این نوع نوشتار بیشتر در زبان انگلیسی کاربرد دارد و در زبان فارسی، نوشتن خط تیره مرسوم نیست اما بهتر است شکل استاندارد در نوشتن رعایت شود.
• روش دوم: نوشتن به صورت AZE که در آن، A عدد جرمی، Z عدد اتمی و E نماد عنصر است. به طور مثال، اورانیوم-۲۳۵ را به صورت $$^ {235} _{ \quad 92} U$$ نشان می‌دهند. البته از آن‌جایی که «Z» به طور معمول به کمک نام عنصر مشخص می‌شود می‌توان از نمایش آن صرف‌نظر کرد. به عنوان نمونه، کربن-۱۴ را به شکل $$^ {14} C$$ نشان می‌دهند.

تعیین تعداد نوترون در یک ایزوتوپ

تعداد کل نوترون‌های یک ایزوتوپ را می‌توان با کم کردن عدد اتمی عنصر از عدد جرمی آن مشخص کرد. به طور مثال، عدد جرمی کربن-۱۲ برابر با ۱۲ و عدد اتمی کربن نیز برابر با ۶ است، بنابراین، تعداد کل نوترون‌ها در کربن-۱۲ برابر با ۶ خواهد بود.

فیلم آموزش علوم تجربی پایه نهم – بخش شیمی در فرادرس

کلیک کنید

ایزوتوپ های پایدار و رادیواکتیو

برخی از ایزوتوپ‌ها، هسته اتمی ناپایدار دارند که دچار «واپاشی پرتوزا» (Radioactive Decay) می‌شوند. چنین ایزوتوپ‌هایی طبیعت پرتوزا دارند و بنابراین به آن‌ها رادیو ایزوتوپ یا ایزوتوپ ناپایدار نیز می‌گویند. از نمونه‌های ایزوتوپ‌های رادیواکتیو می‌توان به کربن-۱۴، تریتیوم (هیدروژن-۳)، کلر-۳۶، اورانیوم-۲۳۵ و اورانیوم-۲۳۸ اشاره کرد.

برخی از ایزوتوپ‌ها نیمه‌عمر بالایی (از مرتبه صدها میلیون سال) دارند. این نوع از ایزوتوپ‌ها را ایزوتوپ پایدار یا نوکلید پایدار می‌نامند. ایزوتوپ‌هایی همچون کربن-۱۲، کربن-۱۳،‌ اکسیژن-۱۶، اکسیژن-۱۷ و اکسیژن-۱۸ از جمله ایزوتوپ‌های پایدار به شمار می‌آیند.

نوکلید دیرینه

«نوکلید دیرینه» (Primordial Nuclide) به نوکلیدهایی می‌گویند که از زمان تشکیل منظومه شمسی وجود داشته‌اند. از بین ۳۳۹ ایزوتوپ طبیعی موجود در طبیعت، ۲۸۶ ایزوتوپ به عنوان نوکلید دیرینه شناخته می‌شوند.

تشکیل ایزوتوپ

ایزوتوپ‌ها می‌توانند به صورت طبیعی و از طریق واپاشی پرتوزای هسته یا به صورت مصنوعی از طریق بمباران هسته‌های پایدار توسط ذرات باردار به تولید برسند. این بمباران از طریق شتاب‌دهنده‌ها یا نوترون‌ در یک راکتور هسته‌ای انجام می‌شود.

درصد فراوانی ایزوتوپ

ایزوتوپ‌های یک عنصر، همگی با نسبت‌های یکسان وجود ندارند. به طور مثال، جیوه دارای هفت ایزوتوپ طبیعی است و هرکدام، درصد فراوانی متفاوتی از 0/146 تا ۲۹/80 درصد دارند.

برخی از ایزوتوپ‌های طبیعی و مصنوعی، ایزوتوپ‌هایی رادیواکتیو هستند. همچنین، تمامی اتم‌های سنگین‌تر از بیسموت، پرتوزا هستند. با این وجود، برخی از نوکلیدهای سبک‌تر نیز خاصیت رادیواکتیو دارند. به طور مثال، هیدروژن دارای دو ایزوتوپ پایدار اما ایزوتوپ سوم آن یعنی تریتیوم، پرتوزا است.

تعجبی ندارد که بین نمونه‌های مختلف، ایزوتوپ‌هایی با درصد فراوانی مختلف وجود داشته باشد. اما این سوال بوجود می‌آید که چطور می‌توان درصد فراوانی ایزوتوپ‌ها را محاسبه کرد. این کار از طریق طیف‌سنجی جرمی (اسپکترومتری جرمی) انجام می‌شود.

اندازه گیری درصد فراوانی ایزوتوپ

با وجود این‌که نمی‌توان به طور مستقیم جرم یک اتم را اندازه‌گیری کرد، می‌توانیم از طیف‌سنج جرمی بهره بگیریم که اندازه‌گیری نسبت جرم به بار را ممکن می‌سازد. در تصویر زیر، ورود گاز کلر به درون دستگاه اسپکترومتر نشان داده شده است.

گاز کلر شامل چند ایزوتوپ است و این گاز توسط الکترون‌ها بمباران و یونیزه می‌شود. یونش و جدایش الکترون‌ها سبب تشکیل یون‌های کلر خواهد شد. این یون‌ها پس از شتاب‌دهی،‌ وارد یک میدان مغناطیسی می‌شوند و این میدان، سبب انحراف جهت حرکت یون‌ها خواهد شد.

فیلم آموزش شیمی ۱ – پایه دهم در فرادرس

کلیک کنید

زاویه این انحراف به جرم ذره و قدرت میدان مغناطیسی بستگی دارد. ذرات سبک‌تر، بیشتر منحرف می‌شوند و بنابراین،‌ $$^ {35} Cl ^ +$$ انحراف بیشتری نسبت به $$^ {37} Cl ^ +$$ خواهد داشت. همانطور که در تصویر مشاهده می‌کنید، در انتهای مسیر یون‌ها، یک آشکارساز قرار گرفته است و هرقدر که شدت میدان مغناطیسی بیشتر شود، انحراف بیشتری را شاهد هستیم که در اثر این اتفاق، در انتهای مسیر، ذرات به طور کامل از یکدیگر جدا می‌شوند.

در نهایت، خروجی دستگاه، طیف جرمی بدست می‌دهد که محور عمودی، بیانگر درصد فراوانی و محور افقی، نشان‌دهنده نسبت جرم به بار است. نمودار نیز بر اساس پیک (قله) ایزوتوپ با بیشترین فراوانی، استاندارد (نرمال‌سازی) می‌شود. بنابراین اگر نسبت ۳ به ۱ (3:1) داشته باشیم، یعنی به ازای هر $$^ {37} Cl ^ +$$ سه ذره $$^ {35} Cl ^ +$$ خواهیم داشت و درصد فراوانی ایزوتوپ کلر به صورت ۷۵ درصد برای $$^ {35} Cl ^ +$$ و ۲۵ درصد برای $$^ {37} Cl ^ +$$ خواهد بود.

جرم اتمی میانگین

بعد از این‌که جرم‌های نسبی هر ایزوتوپ را به کمک داده‌های طیف‌سنجی محاسبه کردیم، از اطلاعات بدست ‌آمده جهت محاسبه جرم اتمی میانگین تمامی اتم‌های یک عنصر استفاده می‌کنیم. برای بدست آوردن جرم اتمی میانگین، از رابطه زیر بهره می‌گیریم:

$$Average =f_{1} M_{1}+f_{2} M_{2}+ldots+f_{n} M_{n}$$

در رابطه بالا «$$f$$» کسر فراوانی ایزوتوپ و «$$M$$» بیانگر عدد جرمی است. جرم اتمی میانگین محاسبه شده با این روش را می‌توان در زیر نماد هر عنصر شیمیایی در جدول تناوبی مشاهده کرد. در ادامه، مثالی برای محاسبه جرم اتمی میانگین مطرح می‌کنیم.

مثال محاسبه جرم اتمی میانگین

جرم اتمی میانگین برای نئون را محاسبه کنید. این عنصر، ۳ ایزوتوپ دارد که درصد فراوانی به همراه یکای جرم اتمی (amu) در زیر آورده شده است.

$${ }^{20} \mathrm{Ne}=19.992 \mathrm{amu}(90.51 %)$$

$${ }^{21} \mathrm{Ne}=20.993 \text { amu }(0.27 %)$$

$${ }^{22} \mathrm{Ne}=21.991 \mathrm{amu}$$

با توجه به اینکه در صورت سوال، نام عنصر ذکر شده است، جواب نهایی را می‌توان با نگاه به جدول تناوبی، کنترل کرد. از ‌آن‌جایی که ایزوتوپ نئون-۲۰ بیشترین درصد فراوانی را دارد، باید بیشترین تاثیر را نیز بر جرم اتمی میانگین داشته باشد. بنابراین، جواب نهایی باید عددی نزدیک به جرم نئون-۲۰ بدست آید.

با جایگذاری اعداد در فرمول بالا، به عدد $$20.18 amu$$ برای جرم اتمی میانگین نئون می‌رسیم. همچنین، با نگاهی به گروه ۱۸ جدول تناوبی یعنی گروه گازهای نجیب، خواهیم دید که جرم اتمی میانگین برای نئون، برابر با $$20.179 amu$$ ذکر شده که به عدد بدست آمده بسیار نزدیک است.

برخی از ایزوتوپ های مهم

در جدول زیر، نام برخی عناصر و ایزوتوپ‌های آن‌ها نمایش داده شده است.

کاربرد ایزوتوپ ها در چیست؟

ایزوتوپ‌ها کاربردهای زیادی دارند. همچنین، خواص شیمیایی آن‌ها با یکدیگر تفاوتی ندارند اما خواص فیزیکی آن‌ها با یکدیگر متفاوت هستند و علاوه بر این، خواص هسته‌ای متفاوتی نیز دارند. به همین دلیل، کاربردهای متفاوتی را بر اساس خواص متفاوت (فیزیکی، شیمیایی و هسته‌ای) برای آن ذکر می‌کنند و می‌توان خواص آن‌ها را بر اساس خواص فیزیکی و شیمیایی و خواص هسته‌ای طبقه‌بندی کرد که در ادامه به توضیح آن‌ها خواهیم پرداخت.

کاربرد ایزوتوپ بر اساس خواص فیزیکی و شیمیایی

خواص فیزیکی ایزوتوپ‌ها به دلیل ساختار هسته‌ای آن‌ها متغیر است اما در خصوص خواص شیمیایی، تغییرات زیادی را شاهد نیستیم. بیشترین کاربردها بر اساس این خواص در ادامه ذکر شده‌اند.

نشان گذاری رادیوایزوتوپی

«نشان‌گذاری ایزوتوپی» (Isotopic Labelling) از جمله کاربردهای معمول ایزوتوپ‌ها به شمار می‌آید و در این روش، از ایزوتوپ‌های غیرمعمول به عنوان مارکر (Marker) در واکنش‌های شیمیایی بهره می‌گیرند. به طور کلی، اتم‌های عناصر را نمی‌توان به راحتی از یکدیگر تشخیص داد. این روش به کمک طیف‌سنجی جرمی یا طیف‌سنجی مادون قرمز امکان‌پذیر است. پرتوزایی ایزوتوپ‌های رادیواکتیو بمنظور شناسایی واکنش‌دهنده‌های مختلف، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

زمان سنجی رادیومتری

روش «زمان‌سنجی رادیومتری» (Radiometric Dating) نیز مشابه نشان‌گذاری ایزوتوپی است. این روش همچنین در مطالعه فرآیندهای شیمیایی کاربرد دارد.

کاربرد ایزوتوپ بر اساس خواص هسته ای

از ‌‌آن‌جایی که ایزوتوپ‌ها در تعداد نوترون با یکدیگر تفاوت دارند، خواص هسته‌ای متفاوتی نیز از خود بروز می‌دهند که همین امر سبب تغییر در خواص فیزیکی آن‌ها نیز می‌شود. از جمله کاربردهای اصلی ایزوتوپ‌ها در روش‌های طیف‌سنجی است. به طور مثال، طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته (NMR) برای ایزوتوپ‌هایی با اسپین هسته غیرصفر استفاده می‌شود.

معرفی فیلم آموزش علوم تجربی پایه هشتم - بخش شیمی

از آن‌جایی که شناخت ایزوتوپ‌ها و درک تفاوت آن‌ها با عدد اتمی و جرمی، در دروس پایه‌ای مورد توجه قرار می‌گیرد، فرادرس اقدام به انتشار فیلم آموزش علوم تجربی پایه هشتم - بخش شیمی در قالب یک آموزش ۵ ساعته کرده است که در ادامه به توضیح دروس آن می‌پردازیم. این آموزش برای دانش‌آموزانی مناسب است که می‌خواهند بخش شیمی علوم هشتم  خود را بهبود ببخشند.

در درس یکم از این دوره به مخلوط‌ها و جداسازی مواد اختصاص دارد و پس از آشنایی با انواع مخلوط‌های همگن و ناهمگن، به بررسی محلول، کلوئید، سوسپانسیون و همچنین شناساگرهای اسید و باز پرداخته می‌شود. انواع روش‌های جداسازی مواد و بررسی انحلال‌پذیری مواد نیز در این درس مرور خواهد شد.

درس دوم و سوم به تعریف تغییرات فیزیکی و همچنین تغییرات شیمیایی اختصاص دارد و مثال‌های این تغییرات بررسی می‌شوند. علاوه بر این، در درس سوم، واکنش‌های گرماده و گرماگیر نیز مورد بررسی قرار می‌گیرند و کار در تغییرات شیمیایی و واکنش سوختن نیز از جمله موارد دیگر مطرح شده در این درس به شمار می‌آیند.

درس چهارم، ساختار اتم و همچنین مفاهیم اتم و مولکول بررسی خواهند شد و درس پنجم، با تعریف عنصرها و نماد شیمیایی آن‌ها به همراه مدل‌های اتمی، این مفاهیم را بهبود می‌بخشد. البته ایزوتوپ‌ و کاربردهای آن نیز در این درس آموزش داده می‌شوند. در درس ششم نیز با انواع یون‌ها و کاتیون و آنیون آشنا می‌شوید.

فیلم آموزش علوم تجربی – پایه هشتم – بخش شیمی در فرادرس

کلیک کنید

برخی سوالات متداول در خصوص ایزوتوپ

در ادامه، به طور ویژه به برخی از سوالات متداول در خصوص ایزوتوپ‌ها می‌پردازیم.

ایزوتوپ چیست؟

همانطور که در ابتدای متن گفته شد، ایزوتوپ‌های یک عنصر شیمیایی به گروهی از اتم‌ها گفته می‌شود که عدد اتمی یکسان و عدد جرمی متفاوتی داشته باشند. این امر بدان معنی است که تمامی ایزوتوپ‌های یک عنصر در هسته اتم خود، تعداد پروتون و الکترون یکسانی دارند و تنها در تعداد نوترون با یکدیگر متفاوت هستند.

ایزوتوپ های هیدروژن را نام ببرید؟

هیدروژن دارای ۳ ایزوتوپ است که در ادامه به آن‌ها اشاره خواهد شد:

• پروتیوم (هیدروژن-۱): این ایزوتوپ هیدروژن شامل ۱ پروتون و ۱ الکترون است و در هسته خود هیچ نوترونی ندارد.
• دوتریوم (هیدروژن-۲): در این ایزوتوپ، تعداد الکترون، پروتون و نوترون، برابر با ۱ است.
• تریتیوم (هیدروژن-۳): ایزوتوپ تریتیوم شامل ۱ پروتون، ۱ الکترون و ۲ نوترون است. علاوه بر این، همانطور که پیش‌تر هم اشاره شد، ایزوتوپ تریتیوم از جمله ایزوتوپ‌های پرتوزا به شمار می‌آید.

چند نمونه از کاربرد ایزوتوپ ها را نام ببرید؟

از جمله کاربردهای مهم ایزوتوپ‌ها باید به تعیین «امضای ایزوتوپی» (Isotopic Analysis) اشاره کرد که از طریق «تجزیه ایزوتوپی» (Isotope Analysis) صورت می‌گیرد. این کار از طریق طیف‌سنجی جرمی انجام می‌شود.

مکانیسم واکنش شیمیایی را می‌توان به کمک «جانشینی ایزوتوپی» (Isotopic Substitution) مشخص کرد. همچنین، تغییر در سرعت واکنش را می‌توان بر اساس «اثر ایزوتوپ جنبشی» (Kinetic Isotope Effect) اندازه‌گیری کرد.

علاوه بر این، از ایزوتوپ‌ها می‌توان برای تغیین غلظت بسیاری از عناصر استفاده کرد. این کار به کمک «رقیق‌سازی ایزوتوپی» (Isotope Dilution) انجام می‌گیرد.