ایزوتوپ ناپایدار چیست؟ – ایزوتوپ پرتوزا به زبان ساده

ایزوتوپ چیست؟

ایزوتوپ ناپایدار چیست ؟

فیلم آموزش شیمی ۱ – پایه دهم

کلیک کنید

• 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

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

واکنش هسته ای

فیلم آموزش علوم‌ تجربی پایه هشتم شیمی

کلیک کنید

• واکنش شکافت هسته‌ای
• واکنش همجوشی هسته‌ای

شکافت هسته ای چیست ؟

• 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.

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

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.

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

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

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.

فیلم آموزش شیمی عمومی در فرادرس

کلیک کنید

واپاشی آلفا

واپاشی بتا

واپاشی گاما و اشعه ایکس

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

نوترون

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

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

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

تابش یونیزه

تاثیر بیوشیمیایی تابش

فیلم آموزش بیوشیمی عمومی – جامع و به زبان ساده

کلیک کنید

• 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

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

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؟

فیلم آموزش علوم‌ تجربی پایه هشتم شیمی در فرادرس

کلیک کنید

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

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 ؟

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

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 متداول

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

فیلم آموزش شیمی معدنی ۱ – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

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.