ایزوتوپ چیست؟ – توضیح و تعریف به زبان ساده

ایزوتوپ به عناصری گفته می‌شود که تعداد الکترون و پروتون‌های یکسان اما نوترون‌های متفاوتی دارند. ایزوتوپ‌ها نقش مهمی در تولید انرژی و انجام برخی از واکنش‌های شیمیایی را دارند. در این مطلب از مجله فرادرس با مفهوم ایزوتوپ و محاسبات مربوط به آن آشنا می‌شویم و انواع و کاربردهای آن را می‌شناسیم.

ایزوتوپ چیست؟

نحوه نمایش ایزوتوپ

ایزوتوپ‌ها را به طور کلی بوسیله دو روش نشان می‌دهند. یکی از این روش‌ها نوشتن نام فارسی عنصر به همراه عدد جرمی آن، و دیگری نوشتن نماد عنصر به همراه عدد اتمی و عدد جرمی آن در سمت چپ عنصر است. این روش‌ها در ادامه معرفی شده است.

• 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 $$^A_ZE$$ که در آن، A عدد جرمی، Z عدد اتمی و E نماد عنصر است. به طور مثال، اورانیوم-۲۳۵ را به صورت $$^ {235} _{ 92} U$$ 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

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.

شبیه ساز ایزوتوپ و جرم اتمی

در ادامه شبیه‌ساز ایزوتوپ و جرم اتمی دانشگاه کلورادو ارائّ دشه است. با استفاده از این شبیه‌ساز، می‌توانید با تغییر تعداد نوترون یا جرم اتمی، ایزوتوپ‌های مختلف ساخته، میزان فراوانی آن‌ها را مشاهده کرده و همچنین با تشکیل ترکیبات مخلوط ایزوتوپ‌ها، جرم اتمی میانگین آن‌ها را مشاهده کنید. به علاوه، مشاهده ترکیب درصد و جرم اتمی میانگین ایزوتوپ‌های رایج در این شبیه‌ساز قابل بررسی هستند.

ایزوتوپ های پایدار و رادیواکتیو

نوکلید دیرینه چیست؟

تشکیل ایزوتوپ

درصد فراوانی ایزوتوپ

اندازه گیری درصد فراوانی

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.

جرم اتمی میانگین

$$average =f_{1} M_{1}+f_{2} M_{2}+\ldots+f_{n} M_{n}$$

مثال محاسبه جرم اتمی میانگین

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

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

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

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.

برخی از ایزوتوپ های مهم

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

کاربرد ایزوتوپ ها 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

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

یادگیری علوم هشتم با فرادرس

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.

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.