عدد جرمی: مجموع شمار پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته

عدد جرمی: شناسنامهٔ سنگین هستهٔ اتم

اتم از چه ساخته شده است؟

برای درک عدد جرمی، اول باید با اجزای اصلی اتم آشنا شویم. هر اتم از یک هستهٔ کوچک و متراکم و ابری از الکترون^۴‌ها در اطراف آن تشکیل شده است. هسته خود از دو نوع ذره‌ی سنگین‌تر ساخته شده است:

• پروتون (p⁺): ذره‌ای با بار الکتریکی مثبت. تعداد پروتون‌ها در هسته، عدد اتمی^۵ را تعیین می‌کند و هویت یک عنصر شیمیایی را مشخص می‌سازد. مثلاً هر اتمی که 8 پروتون داشته باشد، قطعاً اتم اکسیژن است.
• نوترون (n⁰): ذره‌ای بدون بار (خنثی). نوترون‌ها مانند چسبی عمل می‌کنند که پروتون‌های هم‌بار را در کنار هم نگه می‌دارد و به پایداری هسته کمک می‌کند.

الکترون‌ها ذراتی بسیار سبک با بار منفی هستند که در مقایسه با پروتون و نوترون جرم ناچیزی دارند. بنابراین، تقریباً تمام جرم یک اتم در هستهٔ آن متمرکز است و جرم الکترون‌ها در محاسبهٔ عدد جرمی نادیده گرفته می‌شود.

عدد جرمی را چگونه نمایش می‌دهند؟

عدد جرمی و عدد اتمی معمولاً به صورت یک نماد استاندارد در کنار نام عنصر یا نماد شیمیایی^۶ آن نوشته می‌شوند. عدد جرمی به عنوان بالانویس در سمت چپ نماد عنصر و عدد اتمی به عنوان زیرنویس در سمت چپ نماد نوشته می‌شود.

مثال: اتم کربن با عدد اتمی 6 (یعنی 6 پروتون) و عدد جرمی 12 (یعنی 6 پروتون + 6 نوترون = 12) را به صورت زیر نشان می‌دهیم:

از آنجا که نماد شیمیایی خود نشان‌دهندهٔ عدد اتمی است، اغلب عدد اتمی حذف و فقط عدد جرمی نوشته می‌شود: $^{12}C$.

ایزوتوپ: دوقلوهای ناهمسان عناصر

ایزوتوپ^۷ ها احتمالاً مهم‌ترین مفهومی هستند که با عدد جرمی تعریف می‌شوند. ایزوتوپ‌های یک عنصر، اتم‌هایی هستند که عدد اتمی یکسان (تعداد پروتون‌های یکسان) اما عدد جرمی متفاوت (تعداد نوترون‌های متفاوت) دارند.

مثال کلاسیک، ایزوتوپ‌های هیدروژن^۸ هستند:

از عدد جرمی تا جرم اتمی نسبی

عدد جرمی یک عدد صحیح است (مثل 12، 16، 235). اما اگر به جدول تناوبی نگاه کنید، جرم اتمی عناصر معمولاً یک عدد اعشاری است (مثلاً جرم اتمی کربن 12.01 است). این تفاوت از کجا می‌آید؟

جرم اتمی نسبی^۹ که در جدول تناوبی می‌بینید، یک میانگین وزنی از جرم تمام ایزوتوپ‌های طبیعی یک عنصر است. طبیعت معمولاً مخلوطی از چند ایزوتوپ را در اختیار ما می‌گذارد. مثلاً کربن در طبیعت دو ایزوتوپ اصلی دارد:

• کربن-12 ($^{12}C$) با فراوانی حدود 98.9%
• کربن-13 ($^{13}C$) با فراوانی حدود 1.1%

پس جرم اتمی نسبی کربن از میانگین این دو به دست می‌آید که چیزی نزدیک به 12.01 می‌شود. بنابراین، عدد جرمی مربوط به یک اتم خاص است، در حالی که جرم اتمی نسبی مربوط به یک نمونه طبیعی از عنصر است که حاوی مخلوطی از ایزوتوپ‌هاست.

عدد جرمی در عمل: از تاریخ‌گذاری تا انرژی هسته‌ای

مفهوم عدد جرمی فقط یک موضوع درسی نیست، بلکه کاربردهای عملی گسترده‌ای در علم و فناوری دارد:

۱. تاریخ‌گذاری رادیوکربن ($^{14}C$): همهٔ موجودات زنده در طول زندگی، کربن از محیط جذب می‌کنند که شامل درصد کمی ایزوتوپ رادیواکتیو کربن-14 (با عدد جرمی 14) است. پس از مرگ، جذب کربن متوقف شده و کربن-14 شروع به واپاشی می‌کند. با اندازه‌گیری نسبت باقی‌ماندهٔ کربن-14 به کربن-12 (با عدد جرمی 12) در یک شیء باستانی، می‌توان عمر آن را تعیین کرد. این روش به باستان‌شناسان کمک می‌کند تا قدمت فسیل‌ها یا بناهای تاریخی را کشف کنند.

۲. پزشکی هسته‌ای: بسیاری از روش‌های تصویربرداری و درمان سرطان از ایزوتوپ‌های رادیواکتیو استفاده می‌کنند. پزشکان باید دقیقاً بدانند از کدام ایزوتوپ با عدد جرمی مشخص استفاده می‌کنند. مثلاً ایزوتوپ تکنسیوم-99m ($^{99m}Tc$) به طور گسترده در تصویربرداری از استخوان و اندام‌ها استفاده می‌شود. عدد جرمی (99) به تعیین خواص واپاشی و نفوذ آن در بدن کمک می‌کند.

۳. نیروگاه‌های هسته‌ای: سوخت این نیروگاه‌ها معمولاً ایزوتوپ اورانیوم-235 ($^{235}U$) است که عدد جرمی آن 235 است. این ایزوتوپ خاص، به دلیل ساختار هسته‌ای خود (ترکیب خاص پروتون‌ها و نوترون‌ها)، قابلیت شکافت^۱۰ را دارد. در مقابل، ایزوتوپ اورانیوم-238 ($^{238}U$) با عدد جرمی 238 برای این منظور مناسب نیست. بنابراین، عدد جرمی در انتخاب سوخت هسته‌ای نقش حیاتی دارد.

پرسش‌های مهم و تصورات نادرست

پاورقی

^۱ عدد جرمی (Mass Number)
^۲ پروتون (Proton)
^۳ نوترون (Neutron)
^۴ الکترون (Electron)
^۵ عدد اتمی (Atomic Number)
^۶ نماد شیمیایی (Chemical Symbol)
^۷ ایزوتوپ (Isotope)
^۸ هیدروژن (Hydrogen)
^۹ جرم اتمی نسبی (Relative Atomic Mass)
^۱۰ شکافت (Fission)
^۱۱ واحد جرم اتمی (Atomic Mass Unit - amu)