ایزوتوپ چیست: ویژگی‌ها و مثال‌ها و کاربردها
ایزوتوپ چیست؟
به انواع اتم‌های یک عنصر که تعداد پروتون‌های یکسان اما تعداد نوترون‌های متفاوتی دارند، ایزوتوپ‌های آن عنصر می‌گوییم. به عبارت دیگر، ایزوتوپ‌های یک عنصر، عدد اتمی برابر اما عدد نوترونی متفاوتی دارند. برای مثال، اتم هیدروژن در حالت عادی حاوی ۱ پروتون و صفر نوترون است. اما در شرایط خاصی به دو صورت دیگر نیز در طبیعت یافت می‌شود: یک نوعِ آن در هسته خود یک نوترون و نوع دیگر آن در هسته خود دو نوترون دارد. لذا می‌گوییم عنصر هیدروژن در طبیعت ۳ ایزوتوپ دارد: یکی بدون نوترون موسوم به هیدروژن یا پروتیوم، دیگری با یک نوترون موسوم به دوتریوم و سرانجام تریتیوم که در هسته خود دو نوترون دارد. پس ایزوتوپ نیز در اصل نوعی اتم است. در ادامه با جزییات بیشتری توضیح می‌دهیم که ایزوتوپ چیست و ایزوتوپ‌ها چه ویژگی‌هایی دارند.
ایزوتوپ‌ها نیز در اصل نوعی اتم هستند
می‌دانیم که همه مواد و عناصر دنیا از اتم و مولکول تشکیل شده‌اند و هر عنصر شیمیایی (مثل هیدروژن، اکسیژن، نقره، آهن و…) اتم‌های خاص خود را دارد که آن‌ها را با نام همان عنصر می‌خوانیم. مثلا می‌گوییم اتم هیدروژن، اتم اکسیژن، اتم نقره و…
به تعداد پروتون‌های موجود در هسته هر اتم، عدد اتمی می‌گوییم. عدد اتمی، هویت هر اتم را مشخص می‌کند، یعنی از روی تعداد پروتون‌های یک اتم می‌توان فهمید که آن اتم متعلق به چه ماده‌ای است. مثلا اتم هیدروژن همیشه در هسته خود فقط یک پروتون دارد. پس، هر اتمی که در هسته خود ۱ پروتون داشته باشد، حتما اتم هیدروژن است.
تصویر ۱. به مجموع پروتون‌ها و نوترون‌های موجود در هسته اتم، عدد جرمی آن اتم می‌گوییم.
اما تعداد نوترون‌های اتم برخی از عناصر ممکن است متفاوت باشد. مثلا با این‌که اتم هیدروژن اغلب در حالت عادی فاقد نوترون است، اما بعضی از اتم‌های هیدروژن را نیز در طبیعت می‌یابیم که در هسته خود ۱ یا ۲ نوترون دارند. این سه نوع اتم هیدروژن، در واقع ایزوتوپ‌های هیدروژن هستند.
ایزوتوپ‌های یک عنصر در هسته خود، تعداد پروتون‌های برابر اما تعداد نوترون‌های متفاوتی دارند. به عبارت دیگر، عدد نوترونی ایزوتوپ‌های یک عنصر با هم فرق می‌کند، اما عدد اتمی آن‌ها برابر است.
ویژگی‌های ایزوتوپ‌ها چیست
ایزوتوپ‌های یک عنصر ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی تقریبا مشابهی دارند، اما ویژگی‌های هسته‌ای آن‌ها متفاوت است. بر همین اساس، بعضی از ایزوتوپ‌ها در زندگی انسان‌ها کاربرد بیشتری دارند. بعضی از ایزوتوپ‌ها اصطلاحا پایدار هستند یعنی ساختار هسته‌ای آن‌ها در گذر زمان تغییر نمی‌کند. بیشتر ایزوتوپ‌های طبیعی پایدار (stable) محسوب می‌شوند. اما دسته دیگری از ایزوتوپ‌ها ناپایدار (usnstable) هستند یعنی در گذر زمان خودبه‌خود تغییر می‌کنند. این نوع تغییر را اصطلاحا واپاشی رادیو اکتیو (radioactive decay) می‌گوییم. طی واپاشی رادیو اکتیو، ایزوتوپ والد به یک ایزوتوپ فرزند یا مولود (احتمالا از همان عنصر) تبدیل می‌شود. معمولا یک سلسله واپاشی مولود موسوم به زنجیره واپاشی باید کامل شود تا هسته نهایتا به پایداری برسد. نرخ واپاشیِ ایزوتوپ پرتوزا را براساس نیمه عمر اتم (tH) می‌سنجند، یعنی مدت زمانی که طول می‌کشد تا نصف ماده وابپاشد. هر ایزوتوپ پرتوزا نیمه‌ی عمر مشخصی دارد؛ نیمه عمر بعضی از آن‌ها تنها کسری از ثانیه و برخی دیگر میلیاردها سال است! مثلا نیمه عمر «آستاتین۲۱۵» تنها ۰.۱ میلی‌ثانیه است. اما نیمه عمر «اورانیوم۲۳۸» بسیار طولانی است و ۴.۴۶۸ میلیارد سال طول می‌کشد!
عناصر ممکن است هم ایزوتوپ پایدار و هم ایزوتوپ پرتوزا داشته باشند. مثلا عنصر «استرونتیوم» چهار ایزوتوپ پایدار و یک ایزوتوپ پرتوزا دارد. ایزوتوپ‌های پایدار استرونتیوم چنین هستند:
- Sr-84
- Sr-86
- Sr-87
- Sr-88
رادیوایزوتوپ استرنتیوم نیز چنین است:
- Sr-82
ایزوتوپ استرنتیوم۸۲ (با فرمول Sr-82) که نیمه عمر آن ۲۵ روز است، در گذر زمان وامی‌پاشد و به «روبیدیوم۸۲» تبدیل می‌شود. لذا استرنتیوم۸۲ ایزوتوپ مناسبی برای استفاده در ژنراتورها جهت تولید «روبیدیوم۸۲» است که در پرتونگاری و تصویربرداری از قلب کاربرد دارد. بیست‌وشش عنصر جدول تناوبی تنها یک ایزوتوپ پایدار دارند. قلع با ۱۰ ایزوتوپ پایدار بیشترین ایزوتوپ‌های پایدار در میان عناصر شیمیایی را داراست.
کوتاه درباره ویژگی ایزوتوپ‌ها
- تعداد الکترون‌ها و پروتون‌های ایزوتوپ‌های یک عنصر برابر است و فقط تعداد نوترون‌های‌شان فرق می‌کند.
- ایزوتوپ‌های مختلف یک عنصر به سبب تعداد نوترون‌های متفاوت‌شان ویژگی‌های فیزیکی متفاوتی دارند اما ویژگی‌های شیمیایی آن‌ها یکسان است، زیرا تعداد الکترون‌های والانس آن‌ها برابر است و در واکنش‌های شیمیایی الکترون‌های والانس نقش اصلی را دارند.
- جایگاه ایزوتوپ‌های یک عنصر در جدول تناوبی عناصر با جایگاه اتم عادی عنصر مربوطه فرق ندارد زیرا عدد اتمی آن‌ها یعنی تعداد پروتون‌های‌شان برابر است و جدول تناوبی نیز براساس عدد اتمی عناصر تدوین شده است.
نحوه یا روش نوشتن ایزوتوپ‌ها
ایزوتوپ‌ها را با چند روش می‌توانیم بنویسیم. در فارسی، کافی است نام عنصر و پس از خط تیره، عدد جرمی ایزوتوپ مربوطه را بنویسیم، مثلا: کربن-۱۴
در لاتین، نماد عنصر مربوطه را می‌نویسند و بعد از خط تیره عدد جرمی ایزوتوپ را می‌آورند، مثلا ایزوتوپ کربن-۱۴ را چنین می‌نویسند: C-14
گاهی نیز نماد عنصر شیمیایی را می‌نویسیم و عدد جرمی ایزوتوپ را کمی کوچکتر در بالا و سمت چپ می‌آوریم مثلا ایزتوپ کربن-۱۴ را می‌توان چنین نیز نوشت: ۱۴C
چند مثال برای ایزوتوپ
در این بخش می‌خواهیم برای مثال، ایزوتوپ‌های چند عنصر شیمیایی را بررسی کنیم.
مثال: ایزوتوپ‌های هیدروژن
هیدروژن در طبیعت ۳ ایزوتوپ دارد: یکی پروتیوم (۱۱H) که فراوان‌ترین ایزوتوپ هیدروژن است، دیگری دوتریوم (۲۱H) و سرانجام تریتیوم (۳۱H) که آن‌ها را بدین شکل نیز می‌نویسیم:
- H-1 (هیدروژن یا پروتیوم: بدون نوترون)
- H-2 (دوتریوم: حاوی ۱ نوترون)
- H-3 (تریتیوم: حاوی ۲ نوترون)
تصویر ۲. ایزوتوپ‌های طبیعی هیدروژن برحسب تعداد نوترون در هسته به ترتیب صعودی: هیدروژن یا پروتیوم، دوتریوم و تریتیوم
البته عنصر هیدروژن در شرایط خاص ممکن است تا هفت نوع ایزوتوپ نیز داشته باشد اما ایزوتوپ‌های چهارم تا هفتم هسته بسیار ناپایداری دارند و فقط در آزمایشگاه ساخته شده‌اند و تاکنون در طبیعت مشاهده نشده‌اند. لذا در حالت طبیعی می‌گوییم عنصر هیدروژن ۳ ایزوتوپ دارد که توضیح دادیم. چهار ایزوتوپ ناپایدار و مصنوعی هیدروژن نیز چنین هستند:
- ۴H
- ۵H
- ۶H
- ۷H
مثال: ایزوتوپ‌های کربن
عنصر کربن در طبیعت ۳ ایزوتوپ دارد: ۱۲۶C و ۱۳۶C و ۱۴۶C که آن‌ها را به‌ترتیب چنین نیز می‌نویسند
- C-12 (حاوی ۶ نوترون)
- C-13 (حاوی ۷ نوترون)
- C-14 (حاوی ۸ نوترون)
عناصر دیگر نیز ایزوتوپ‌های خاص خودشان را دارند. مثلا اکسیژن سه ایزوتوپ، نیکل پنچ ایزوتوپ، کلسیم شش ایزوتوپ، پالادیوم شش ایزوتوپ، کادمیوم نُه ایزوتوپ و قلع یازده ایزوتوپ دارد.
وقتی از اتم یک عنصر سخن می‌گوییم، معمولا منظورمان فراوان‌ترین ایزوتوپ آن عنصر است. مثلا هیدروژن سه ایزوتوپ دارد: پروتیوم، دوتریوم و تریتیوم. اما چون پروتیوم (اتم هیدروژنِ فاقد نوترون) فراوان‌ترین ایزوتوپ هیدروژن در طبیعت است، منظورمان از اتم هیدروژن همان پروتیوم است که در هسته خود نوترون ندارد.
انواع ایزوتوپ: طبیعی و مصنوعی
ایزوتوپ‌ها را می‌توان به دو دسته کلی تقسیم کرد:
- ایزوتوپ‌های طبیعی
- ایزوتوپ‌های مصنوعی
ایزوتوپ‌های طبیعی
ایزوتوپ‌های طبیعی در طبیعت وجود دارند. مثلا هیدروژن ۳ ایزوتوپ طبیعی دارد (پروتیوم بدون نوترون، دوتریوم با یک نوترون و تریتیوم با دو نوترون). کربن نیز عنصری است که ایزوتوپ‌های طبیعی مهمی دارد. کربن۱۲، کربن۱۳ و کربن۱۴ ایزوتوپ‌های طبیعی کربن هستند. کربن۱۳ تنها ایزوتوپ کربن است که خاصیت مغناطیسی دارد. کربن۱۴ رادیواکتیو و بسیار مهم است زیرا نیمه عمر آن ۵۷۳۰ سال است و در باستان‌شناسی و برای تعیین عمر فسیل‌های ارگانیک به کار می‌رود.
ایزوتوپ‌های مصنوعی
ایزوتوپ‌های مصنوعی در آزمایشگاه‌های هسته‌ای ساخته می‌شوند. آن‌ها نیمه عمر کوتاهی دارند که علت عمده آن طبیعت ناپایدار و رادیواکتیو بودن‌شان است. ایزوتوپ‌های مصنوعی در حوزه‌های مختلف از جمله در صنعت کاربرد دارند. مثلا برای بررسی درستیِ جوش‌کاریِ لوله‌ها بویژه لوله‌های انتقال نفت خام و سوخت‌های فسیلی از ایزوتوپ رادیوم ۱۹۲ بهره می‌برند. در نیروگاه‌های تولید برق هسته‌ای نیز معمولا از ایزوتوپ‌های خاص اورانیوم استفاده می‌شود.
انواع ایزوتوپ: پایدار و ناپایدار (پرتوزا)
یکی دیگر از معیارهای دسته‌بندی ایزوتوپ‌های پایداری آن‌هاست. بر این اساس ایزوتوپ‌ها به دو دسته تقسیم می‌شوند:
- ایزوتوپ‌های پایدار
- ایزوتوپ‌های ناپایدار (پرتوزا یا رادیواکتیو هستند)
در حال حاضر حدود ۳۰۰ ایزوتوپ پایدار در طبیعت می‌شناسیم. اما تعداد ایزوتوپ‌های ناپایدار یا پرتوزا (رادیواکتیو) حدود ۱۲۰۰ مورد است. البته پایداری ایزوتوپ، مفهوم مطلق نیست زیرا هیچ ایزوتوپی کاملا پایدار نیست. یعنی حتی ایزوتوپ‌های پایدار نیز مدتی حالت ناپایدار به خود می‌گیرند و بعد پایدار می‌شوند و یا به ایزوتوپ‌های پایدار دیگری تبدیل می‌شوند.
برآورد می‌شود که حدود ۹ عنصر طبیعی ۳۳۹ ایزوتوپ مختلف داشته باشند که از میان آن‌ها حدود ۲۵۰ ایزوتوپ پایدار و ۲۵ ایزوتوپ ناپایدار (رادیو اکتیو) هستند و نیمه عمر بسیار طولانی در حد چند میلیون سال دارند. بیش از ۳۰۰۰ ایزوتوپ رادیو اکتیو مصنوعی نیز تاکنون ساخته شده است. اکثر عناصر در طبیعت، بیش از یک ایزوتوپ دارند.
فراوانی نسبی (طبیعی) ایزوتوپ چیست؟
به میزان فراوانی ایزوتوپ‌های یک عنصر در طبیعت، فراوانی طبیعی یا فراوانی نسبی ایزوتوپ‌های آن عنصر می‌گوییم. به عبارت دیگر فراوانی نسبی ایزوتوپ به ما می‌گوید که کدام ایزوتوپ از یک عنصر بیش از سایر ایزوتوپ‌ها در طبیعت یافت می‌شود. همه عناصر فراوانی طبیعی یا فراوانی نسبی خاص خود را دارند.
با کمک طیف‌سنجیِ جرمی (mass spectrometry) می‌توانیم جرم و فراوانی ایزوتوپ‌های یک عنصر را مشخص کنیم.
ویژگی‌های هر عنصر عمدتا شبیه فراوان‌ترین ایزوتوپ‌های آن عنصر در طبیعت است. مثلا فراوان‌ترین ایزوتوپ عنصر هیدروژن، پروتیوم است که یک پروتون دارد و فاقد نوترون است. لذا معمولا به آن هیدروژن می‌گوییم، زیرا این‌نوع ایزوتوپ هیدروژن در طبیعت بیش از سایر ایزوتوپ‌هاست. پس وقتی می‌گوییم «اتم هیدروژن» در واقع منظورمان فراوان‌ترین ایزوتوپ هیدروژن یعنی پروتیوم است؛ اتمی که در هسته خود، یک پروتون دارد اما هیچ نوترونی ندارد.
مطلب مرتبط: چگالی ماده چیست و چگونه محاسبه می‌شود؟
نکاتی درباره فراوانی نسبی ایزوتوپ‌ها
- حدود ۲۸۰ ایزوتوپ مختلف در طبیعت وجود دارد.
- از بین تقریبا ۲۸۰ ایزوتوپ موجود در طبیعت حدود ۴۰ مورد آن‌ها از خود تشعشات رادیو اکتیو منتشر می‌کنند و لذا به آن‌ها رادیوایزوتوپ می‌گوییم.
- دانشمندان با کمک فرآیند تجزیه مصنوعی در راکتورهای هسته‌ای تاکنون حدود ۳۰۰ ایزوتوپ ناپایدارِ مصنوعی ساخته‌اند که در طبیعت یافت نمی‌شوند.
- عناصری که عدد اتمی آن‌ها فرد است، معمولا حداکثر ۲ ایزوتوپ پایدار دارند.
- عناصری که عدد اتمی آن‌ها زوج است، معمولا ایزوتوپ‌های بیشتری دارند.
- ایزوتوپ‌هایی که عدد جرمی آن‌ها ۴ یا مضربی از ۴ است، فراوانی بیشتری دارند. برای مثال، ایزوتوپ‌های اکسیژن۱۶، منیزیم۲۴، سیلیکون۲۸، کلسیم۴۰ و آهن۵۶ حدود نیمی از پوسته زمین را تشکیل می‌دهند.
- از میان ۲۸۰ ایزوتوپ موجود در طبیعت، ۲۵۴ مورد آن‌ها عدد جرمی و عدد اتمی زوج دارند.
عناصر تک‌ایزوتوپی (مونو ایزوتوپ)
به عناصری که فقط یک ایزوتوپ دارند، عناصر تک‌ایزوتوپ یا مونوایزوتوپ (monoisotopic elements) می‌گوییم. برای مثال، آرسنیک، فلوئور، ید و طلا فقط یک ایزوتوپ دارند.
ایزوتوپ‌های پرتوزا، رادیو ایزوتوپ‌ها یا ایزوتوپ‌های رادیو اکتیو چه هستند؟
ایزوتوپ پرتوزا (رادیوایزوتوپ)، ایزوتوپی است که چون هسته ناپایداری دارد، پرتوافشانی می‌کند، یعنی از هسته آن، ذرات و پرتوهای آلفا، بتا و گاما منتشر می‌شود. به ایزوتوپ‌های رادیواکتیو، رادیوایزوتوپ یا رادیو نوکلئید هم می‌گوییم. رادیو ایزوتوپ‌ها در حوزه‌های مختلف مثل کشاورزی، صنعت، و پزشکی کاربردهای مختلفی دارند.
کاربردهای ایزوتوپ چیست؟
ایزوتوپ‌ها بسته به نوع‌شان در کشاورز، پزشکی و صنعت کاربرد دارند. هشتاد عنصر اول جدول تناوبی ایزوتوپ‌های پایدار دارند. ایزوتوپ‌های پایدار به‌سبب ویژگی‌های‌شان در بررسی و سنجش منابع آبی، خاکی و محیطی به‌کار می‌روند. برای مثال، ایزوتوپ‌های پایدار طبیعی مثل ایزوتوپ‌های هیدروژن برای اندازه‌گیری سن و منشأ منابع آبی و پی بردن به تاریخچه آن استفاده می‌شوند. ایزوتوپ‌های پایدار همچنین در مطالعه و تحقیق درباره انسان، خشکی، جانوران، حشره‌ها و گیاهان نیز کاربرد دارند و مثلا برای نقشه‌نگاریِ مسیر مهاجرت پروانه‌ها و تلاش برای محافظت از منابع موردنیاز جهت حفظ گونه‌های آن‌ها در محیط زیست به کار می‌روند.
دیگر حوزه کاربرد ایزوتوپ‌ها کشاورزی است. دانشمندان با استفاده از کودهای زیستیِ نیتروژنی موسوم به ایزوتوپ پایدار نیتروژن-۱۵ (یا ۱۵N) میزان جذب کود توسط محصولات کشاورزی را اندازه گیری می‌کنند. گیاهان باید نیتروژن را به پروتئین‌های ضروری تبدیل کنند. با استفاده از ایزوتوپ ۱۵N دانشمندان می‌توانند متوجه شوند که چه میزان کود لازم است تا بیشترین محصول از زمین مربوطه به عمل آید.
تاکنون بیش از ۳۰۰۰ رادیو ایزوتوپ شناسایی شده‌اند. رادیو ایزوتوپ‌ها شکلِ ناپایدار عناصرِ خود هستند. آن‌ها پرتوهایی از خود منتشر می‌کنند که در کشاورزی، صنعت، پزشکی، ساخت رادیوداروها، مطالعات زیست‌شناسی و… کاربرد دارند.
رادیوایزوتوپ‌ها در طبیعت وجود ندارند. آن‌ها مصنوعی هستند و در راکتورهای تحقیقاتی و شتاب‌دهنده‌ها ساخته می‌شوند. یکی از کاربردهای ایزوتوپ‌های رادیویی، حذف یا خنثی‌سازی مواد شیمیایی، باکتری‌های و سموم مضر از محصولات بهداشتی است.
جمع‌بندی: ایزوتوپ چیست؟
ایزوتوپ‌ها نوعی اتم هستند. ایزوتوپ‌های یک عنصر در واقع، انواع اتم‌های آن عنصر هستند که تعداد پروتون‌های برابر اما تعداد نوترون‌های متفاوتی دارند. ایزوتوپ‌ها را می‌توان به دو دسته کلی پایدار و ناپایدار تقسیم کرد و گفتیم که بسته به نوع‌شان کاربردهای مختلفی دارند.