ایزوتوپ چیست؟ تعریف، انواع و مثال‌های کاربردی در شیمی
ایزوتوپ‌ها اتم‌هایی از یک عنصر هستند که تعداد پروتون‌های یکسان اما تعداد نوترون‌های متفاوتی دارند. به عبارت دیگر، ایزوتوپ‌ها جرم اتمی متفاوتی دارند. در واقع، ایزوتوپ‌ها اشکال مختلف یک عنصر واحد محسوب می‌شوند.
نکات کلیدی درباره ایزوتوپ‌ها:- ایزوتوپ‌ها نمونه‌هایی از یک عنصر هستند که در هسته اتم خود تعداد نوترون‌های متفاوتی دارند.
- تعداد پروتون‌ها برای ایزوتوپ‌های مختلف یک عنصر، ثابت و بدون تغییر است. این عدد، شناسه عنصر شیمیایی است.
- همه ایزوتوپ‌ها رادیواکتیو نیستند. ایزوتوپ‌های پایدار یا هرگز دچار واپاشی نمی‌شوند یا بسیار آهسته واپاشی می‌کنند. ایزوتوپ‌های رادیواکتیو، دچار واپاشی می‌شوند.
- هنگامی که یک ایزوتوپ رادیواکتیو واپاشی می‌کند، ماده اولیه "ایزوتوپ مادر" نامیده می‌شود و ماده حاصل از واپاشی، "ایزوتوپ دختر" نام دارد.
حدود ۲۵۰ ایزوتوپ از ۹۰ عنصر طبیعی وجود دارد و بیش از ۳۲۰۰ ایزوتوپ رادیواکتیو نیز شناسایی شده‌اند که برخی از آن‌ها طبیعی و برخی دیگر به صورت مصنوعی تولید شده‌اند. هر عنصر در جدول تناوبی دارای چندین شکل ایزوتوپی است. خواص شیمیایی ایزوتوپ‌های یک عنصر، تقریباً یکسان است؛ البته ایزوتوپ‌های هیدروژن استثنا هستند، زیرا تعداد نوترون‌ها تأثیر قابل توجهی بر اندازه هسته هیدروژن دارد. این تفاوت در جرم هسته بر رفتار شیمیایی آن تاثیر می‌گذارد.
خواص فیزیکی ایزوتوپ‌ها با یکدیگر متفاوت است، زیرا این خواص اغلب به جرم بستگی دارند. این تفاوت جرمی می‌تواند برای جداسازی ایزوتوپ‌های یک عنصر از یکدیگر با استفاده از تقطیر جزء به جزء و نفوذ استفاده شود.
به استثنای هیدروژن، فراوان‌ترین ایزوتوپ‌های عناصر طبیعی، تعداد پروتون و نوترون برابری دارند. فراوان‌ترین ایزوتوپ هیدروژن، پروتیوم است که دارای یک پروتون و بدون نوترون است.
نحوه نمایش ایزوتوپ‌ها (Isotope Notation)
برای نشان دادن ایزوتوپ‌ها، معمولاً از دو روش رایج استفاده می‌شود:
- روش اول: ذکر عدد جرمی عنصر بعد از نام یا نماد شیمیایی آن. برای مثال، ایزوتوپی که دارای 6 پروتون و 6 نوترون است، کربن-12 یا C-12 نامیده می‌شود. ایزوتوپی با 6 پروتون و 7 نوترون، کربن-13 یا C-13 خواهد بود. توجه داشته باشید که عدد جرمی دو ایزوتوپ می‌تواند یکسان باشد، حتی اگر عناصر مختلفی باشند. به عنوان مثال، می‌توان کربن-14 و نیتروژن-14 را نام برد.
- روش دوم: قرار دادن عدد جرمی در بالا و سمت چپ نماد عنصر. (از نظر فنی، عدد جرمی و عدد اتمی باید به صورت عمودی روی هم قرار گیرند، اما در نمایشگرهای کامپیوتر همیشه به درستی نمایش داده نمی‌شوند.) برای نمونه، ایزوتوپ‌های هیدروژن را می‌توان به صورت 11H، 21H و 31H نشان داد.
مثال‌هایی از ایزوتوپ‌ها
کربن-12 و کربن-14 هر دو ایزوتوپ‌های عنصر کربن هستند. کربن-12 دارای 6 نوترون است، در حالی که کربن-14 دارای 8 نوترون است (هر دو دارای 6 پروتون هستند که مشخصه عنصر کربن است). کربن-12 یک ایزوتوپ پایدار است، در حالی که کربن-14 یک ایزوتوپ رادیواکتیو (یا رادیوایزوتوپ) به شمار می‌رود. از کربن 14 در روش تاریخ‌گذاری رادیوکربن برای تعیین قدمت مواد آلی استفاده می‌شود.
اورانیوم-235 و اورانیوم-238 به طور طبیعی در پوسته زمین یافت می‌شوند. هر دو دارای نیمه‌عمر طولانی هستند. اورانیوم-234 نیز به عنوان یک محصول واپاشی (decay product) تشکیل می‌شود. اورانیوم 235 در نیروگاه‌های هسته‌ای برای تولید انرژی استفاده می‌شود.
ریشه‌شناسی و تاریخچه واژه ایزوتوپ
واژه "ایزوتوپ" در سال 1913 توسط فردریک سودی، شیمیدان بریتانیایی، و به پیشنهاد مارگارت تاد معرفی شد. این واژه از کلمات یونانی "isos" به معنی "برابر" (iso-) و "topos" به معنی "مکان" گرفته شده است و به معنای "دارای یک مکان یکسان" است. ایزوتوپ‌ها با وجود داشتن جرم اتمی متفاوت، جایگاه یکسانی در جدول تناوبی عناصر اشغال می‌کنند.
واژه‌های مرتبط:
ایزوتوپ (اسم)، ایزوتوپی (صفت)، به صورت ایزوتوپی (قید)، ایزوتوپی (اسم).
ایزوتوپ مادر و دختر (Parent and Daughter Isotopes)
هنگامی که رادیوایزوتوپ‌ها دچار واپاشی رادیواکتیو می‌شوند، ایزوتوپ اولیه ممکن است با ایزوتوپ حاصل متفاوت باشد. ایزوتوپ اولیه، ایزوتوپ مادر نامیده می‌شود، در حالی که اتم‌های تولید شده در اثر واکنش، ایزوتوپ‌های دختر نامیده می‌شوند. ممکن است بیش از یک نوع ایزوتوپ دختر تولید شود.
به عنوان مثال، هنگامی که U-238 به Th-234 واپاشی می‌شود، اتم اورانیوم ایزوتوپ مادر است، در حالی که اتم توریوم ایزوتوپ دختر محسوب می‌شود.
نکته‌ای درباره ایزوتوپ‌های رادیواکتیو به ظاهر پایدار
اکثر ایزوتوپ‌های پایدار دچار واپاشی رادیواکتیو نمی‌شوند، اما برخی از آن‌ها این کار را انجام می‌دهند. اگر ایزوتوپی بسیار بسیار آهسته دچار واپاشی رادیواکتیو شود، ممکن است به عنوان "پایدار" در نظر گرفته شود. به عنوان مثال، بیسموت-209 یک ایزوتوپ رادیواکتیو به ظاهر پایدار است که دچار واپاشی آلفا می‌شود، اما نیمه‌عمر آن 1.9 × 1019 سال است (که بیش از یک میلیارد برابر طولانی‌تر از سن تخمینی جهان است). تلوریوم-128 دچار واپاشی بتا می‌شود و نیمه‌عمر تخمینی آن 7.7 × 1024 سال است. این اعداد نشان می‌دهند که واپاشی این ایزوتوپ‌ها آنقدر کند است که در بسیاری از کاربردها، می‌توان آن‌ها را پایدار در نظر گرفت.
- شیمی
- علم
