ایزوتوپ: اتم‌های یک عنصر با Z یکسان و A متفاوت

ایزوتوپ: راز اتم‌های هم‌عنصر ناهمسان

اتم‌ها از چه ساخته شده‌اند؟

برای درک ایزوتوپ، اول باید بدانیم اتم از چه چیزهایی تشکیل شده است. تصور کنید اتم یک منظومه‌ی کوچک است. در مرکز آن یک هسته‌ی کوچک و سنگین وجود دارد و الکترون‌ها مانند سیارات به دور آن می‌چرخند. هسته‌ی اتم خود از دو نوع ذره تشکیل شده است: پروتون^۳ و نوترون^۴.

• پروتون: بار الکتریکی مثبت دارد. (+1) تعداد پروتون‌ها در هسته، هویت یک عنصر را مشخص می‌کند. این تعداد همان عدد اتمی (Z)^۵ است. مثلاً هر اتمی که 6 پروتون داشته باشد، قطعاً اتم عنصر کربن است.
• نوترون: بار الکتریکی ندارد (خنثی است). اما جرم آن تقریباً برابر پروتون است. نوترون‌ها مانند چسبی عمل می‌کنند که پروتون‌های دارای بار مثبت را در کنار هم در هسته نگه می‌دارند.
• الکترون: بار الکتریکی منفی دارد و به دور هسته می‌چرخد. تعداد الکترون‌ها در یک اتم خنثی، برابر تعداد پروتون‌هاست.

ایزوتوپ چیست؟ یک تعریف ساده با مثال

حالا به تعریف اصلی می‌رسیم. ایزوتوپ‌ها، گونه‌های مختلف اتمی یک عنصر هستند که تعداد پروتون‌های یکسان (عدد اتمی Z یکسان) اما تعداد نوترون‌های متفاوتی دارند. از آنجایی که تعداد نوترون متفاوت است، عدد جرمی (A) آن‌ها نیز متفاوت خواهد بود. به زبان ساده‌تر، ایزوتوپ‌های یک عنصر، مثل خواهر و برادرهایی هستند که اصل و ریشه (خانواده/عنصر) یکسانی دارند، اما وزن (جرم) متفاوتی دارند.

مثال معروف: عنصر هیدروژن^۷. همه‌ی اتم‌های هیدروژن 1 پروتون دارند (Z=1). اما سه ایزوتوپ رایج دارد:

همان‌طور که در جدول می‌بینید، عدد اتمی (Z) همه‌ی آن‌ها 1 است، اما عدد جرمی (A) از 1 تا 3 تغییر می‌کند. به نمادگذاری دقت کنید: عدد کوچک پایین سمت چپ، عدد اتمی (Z) و عدد بزرگ بالایی، عدد جرمی (A) است: $^{A}_{Z}X$ که X نماد عنصر است. چون Z برای یک عنصر ثابت است، معمولاً فقط عدد جرمی را می‌نویسند، مانند کربن-14 ($^{14}C$).

ایزوتوپ‌های پایدار و ناپایدار (پرتو‌زا)

ایزوتوپ‌ها را می‌توان به دو دسته‌ی بزرگ تقسیم کرد:

۱. ایزوتوپ‌های پایدار: این ایزوتوپ‌ها به مرور زمان تغییر نمی‌کنند و فروپاشی نمی‌شوند. ترکیب هسته‌ی آن‌ها (نسبت پروتون به نوترون) پایدار است. بیشتر ایزوتوپ‌های موجود در طبیعت از این نوع هستند. مثال: کربن-12 ($^{12}C$) و اکسیژن-16 ($^{16}O$).

۲. ایزوتوپ‌های ناپایدار (رادیوایزوتوپ)^۱۲: هسته‌ی این ایزوتوپ‌ها ناپایدار است و برای رسیدن به حالت پایدار، ذرات یا انرژی از خود ساطع می‌کنند. به این فرآیند پرتو‌زایی یا فروپاشی پرتوزا^۱۳ می‌گویند. آن‌ها با سرعت مشخصی که به آن نیمه‌عمر^۱۴ گفته می‌شود، فروپاشی می‌کنند. مثال: کربن-14 ($^{14}C$) که برای تاریخ‌گذاری آثار باستانی استفاده می‌شود، یا ید-131 ($^{131}I$) که در پزشکی کاربرد دارد.

ایزوتوپ‌ها در خدمت انسان: از درمان سرطان تا کشف اسرار تاریخ

ایزوتوپ‌ها، به ویژه رادیوایزوتوپ‌ها، در زمینه‌های مختلف علمی و صنعتی نقش بسیار مهمی ایفا می‌کنند. در اینجا به چند نمونه‌ی مهم اشاره می‌کنیم:

الف) پزشکی و سلامت:

• تصویربرداری و تشخیص: برخی رادیوایزوتوپ‌ها پس از تزریق یا خوراکی شدن، در اندام خاصی جمع می‌شوند. دوربین‌های مخصوص می‌توانند پرتوهای ساطع شده از آن‌ها را ثبت کرده و تصویری از عملکرد اندام (مثل قلب، کلیه، تیروئید) ارائه دهند. مثال: تکنسیوم-99m ($^{99m}Tc$) پرکاربردترین ایزوتوپ در پزشکی هسته‌ای است.
• درمان سرطان: پرتوهای قوی برخی رادیوایزوتوپ‌ها می‌توانند سلول‌های سرطانی را از بین ببرند. در پرتو‌درمانی، پرتوها به طور دقیق به تومور تابانده می‌شوند. مثال: استفاده از کبالت-60 ($^{60}Co$) یا ایریدیم-192 ($^{192}Ir$).

ب) باستان‌شناسی و زمین‌شناسی (تاریخ‌گذاری): ایزوتوپ کربن-14 معروف‌ترین مثال است. این ایزوتوپ در جو زمین به طور پیوسته تولید می‌شود و توسط موجودات زنده جذب می‌گردد. وقتی یک موجود می‌میرد، جذب کربن متوقف و کربن-14 موجود در آن شروع به فروپاشی با نیمه‌عمر 5730 سال می‌کند. با اندازه‌گیری مقدار باقی‌مانده‌ی آن در یک شیء باستانی (مانند استخوان یا چوب)، می‌توان سن تقریبی آن را محاسبه کرد.

ج) تولید انرژی: شکافت هسته‌ای ایزوتوپ‌های سنگین مانند اورانیوم-235 ($^{235}U$) در رآکتورهای هسته‌ای، مقدار عظیمی انرژی آزاد می‌کند که برای تولید برق استفاده می‌شود.

د) کاربردهای صنعتی: از پرتوها برای بررسی جوش‌های لوله‌ها و بدنه‌ی هواپیما، استریل کردن لوازم پزشکی یکبار مصرف، و حتی کنترل ضخامت ورقه‌های فلزی یا کاغذ در حین تولید استفاده می‌شود.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

^۱ عدد اتمی (Atomic Number) – تعداد پروتون‌های هسته اتم.
^۲ ایزوتوپ (Isotope) – از ریشه یونانی به معنای «همان جا» (اشاره به مکان یکسان در جدول تناوبی).
^۳ پروتون (Proton).
^۴ نوترون (Neutron).
^۵ Z (از واژه آلمانی Zahl به معنای عدد).
^۶ عدد جرمی (Mass Number).
^۷ هیدروژن (Hydrogen).
^۸ دوتریوم (Deuterium).
^۹ آب سنگین (Heavy Water) – آب با فرمول D₂O.
^۱۰ تریتیوم (Tritium).
^۱۱ پرتو‌زا (Radioactive) – قابلیت ساطع کردن پرتو.
^۱۲ رادیوایزوتوپ (Radioisotope) – ایزوتوپ پرتوزا.
^۱۳ فروپاشی پرتوزا (Radioactive Decay).
^۱۴ نیمه‌عمر (Half-life) – مدت زمانی که طول می‌کشد تا نیمی از اتم‌های یک نمونه‌ی رادیواکتیو فروپاشی شوند.
^۱۵ ایزوبار (Isobar).
^۱۶ ایزوتون (Isotone).