تعريف النظائر وأمثلة في الكيمياء
النظائر هي ذرات لها نفس عدد البروتونات ، ولكن بأعداد مختلفة من النيوترونات ، وبعبارة أخرى ، النظائر لها أوزان ذرية مختلفة ، فالنظائر هي أشكال مختلفة من عنصر واحد.
وليست كل النظائر مشعة ، كما أن النظائر المستقرة إما أن لا تتحلل أو تتحلل ببطء شديد ، وتخضع
النظائر المشعة
للتحلل ، عندما يتحلل النظائر ، تكون مادة البداية هي النظائر الأم ، والمادة الناتجة هي نظير الابنة.
الجدول الدوري والنظائر
وهناك 250 نظيرًا من 90 عنصرًا طبيعيًا ، وهناك أكثر من 3200 نظيرًا مشعًا ، بعضها طبيعي ، وبعضها اصطناعي.
ويحتوي كل عنصر في
الجدول الدوري
على أشكال نظائر متعددة ، كما تميل الخصائص الكيميائية للنظائر لعنصر واحد ، إلى أن تكون متطابقة تقريبًا ، والاستثناءات هي نظائر الهيدروجين ، لأن عدد النيوترونات له تأثير كبير ، على حجم نواة الهيدروجين.
تختلف الخصائص الفيزيائية للنظائر عن بعضها البعض ، لأن هذه الخصائص غالبًا ما تعتمد على الكتلة ، فيمكن استخدام هذا الاختلاف لفصل نظائر عنصر عن بعضها البعض ، باستخدام التقطير الجزئي والانتشار.[1]
باستثناء الهيدروجين ، فإن نظائر العناصر الطبيعية الأكثر وفرة ، لها نفس عدد البروتونات والنيوترونات ، كما أن أكثر نظائر الهيدروجين وفرة ، هو البروتيوم الذي يحتوي على بروتون واحد ، ولا يحتوي على نيوترونات.
تدوين النظائر
هناك طريقتان شائعتان للإشارة إلى النظائر، هما :
1- ضع قائمة بعدد العناصر بعد اسمها ، أو رمز العنصر ، على سبيل المثال ، النظير الذي يحتوي على 6 بروتونات ، و 6 نيوترونات هو الكربون -12 أو C-12 ، والنظير مع 6 بروتونات / و 7 نيوترونات هو الكربون 13 أو C-16، لاحظ أن العدد الكتلي لنظيرين قد يكونا متماثلين ، على الرغم من أنهما عنصران مختلفان ، على سبيل المثال ، يمكن أن يكون لديك الكربون 14 ، والنيتروجين 14.
2- يمكن إعطاء رقم الكتلة في الجانب الأيسر العلوي لرمز عنصر ، (من الناحية الفنية ، يجب تكديس العدد الكتلي ، والعدد الذري بالتوافق مع بعضها البعض ، لكنهما لا يصطفان دائمًا على الكمبيوتر) ، على سبيل المثال ، يمكن كتابة نظائر الهيدروجين: 11H ، 21H ، 31H.
أمثلة النظائر
كربون 12 ، وكربون 14 كلاهما نظائر للكربون ، أحدهما يحتوي على 6 نيوترونات ، والآخر يحتوي على 8 نيوترونات ، (وكلاهما يحتوي على 6 بروتونات) ، والكربون -12 هو نظير مستقر ، بينما الكربون 14 هو نظير مشع (النظائر المشعة).
يحدث اليورانيوم 235 ، و
اليورانيوم
238 بشكل طبيعي في قشرة الأرض ، وكلاهما نصف عمر طويل ، يشكل اليورانيوم 234 كمنتج اضمحلال
.
اكتشاف النظائر
ظهرت أدلة على وجود النظائر من خطين مستقلين للبحث ، الأول هو دراسة النشاط الإشعاعي ، وبحلول عام 1910 م ، أصبح من الواضح أن بعض العمليات المرتبطة بالنشاط الإشعاعي ، التي اكتشفها الفيزيائي الفرنسي هنري بيكيريل قبل بضع سنوات ، يمكن أن تحول عنصرًا إلى آخر.
على وجه الخصوص ، تم العثور على خامات العناصر المشعة اليورانيوم والثوريوم ، تحتوي على كميات صغيرة من العديد من المواد المشعة ، ولم يلاحظ من ذلك قبل ، فقد كان يعتقد أن هذه المواد هي عناصر وبالتالي تلقت أسماء خاصة.
وخامات اليورانيوم ، على سبيل المثال ، تنتج خامات أيونيوم ، وخامات الثوريوم أعطت مسوثوريوم ، ومع ذلك ، تم الانتهاء من العمل المضني بعد ذلك بوقت قصير ، على الرغم من ذلك ، أنه لم يعد من الممكن استرداد الأيوني ، بمجرد مزجه بالثوريوم العادي ، بالوسائل الكيميائية وحدها.
وبالمثل ، تبين أن الميزوثوريوم لا يمكن تمييزه كيميائياً عن الراديوم ، كما استخدم الكيميائيون معيار التمايز الكيميائي كجزء من تعريف العنصر ، وأجبروا على الاستنتاج ، أن الأيوني والميثوريوم ليسوا عناصر جديدة بعد كل شيء ، بل أشكال جديدة من العناصر القديمة.
ومن خلال هذه البيانات وغيرها ، لاحظ الكيميائي الإنجليزي فريدريك سودي في عام 1910 أن (عناصر الأوزان الذرية المختلفة [تسمى الآن الكتل الذرية] قد تمتلك خواص (كيميائية) متطابقة) ، وبالتالي تنتمي إلى نفس المكان في الجدول الدوري.
وبوعي شديد ، وسع نطاق استنتاجه ليشمل ليس فقط الأنواع المشعة ، ولكن العناصر المستقرة كذلك ، وبعد بضع سنوات ، نشر سودي مقارنة بين الكتل الذرية للعنصر المستقر ، كما تم قياسه في الخامات الغنية باليورانيوم والثوريوم ، على التوالي.
وتوقع فرقا لأن اليورانيوم والثوريوم يتحلل إلى نظائر مختلفة للرصاص ، وكان الرصاص من خام غني باليورانيوم بمتوسط كتلة ذرية 206.08 ، مقارنة بـ 207.69 للرصاص من خام غني بالثوريوم ، وبالتالي التحقق من استنتاج سودي.
تبع التأكيد الذي لا لبس فيه ، للنظائر في العناصر المستقرة غير المرتبطة مباشرة ، إما باليورانيوم أو الثوريوم وبعد بضع سنوات مع تطور مطياف الكتلة (انظر مطياف الكتلة) ، بواسطة فرانسيس ويليام أستون ، نما عمله من دراسة الأشعة الإيجابية (تسمى أحيانًا أشعة القناة) ، اكتشفها في عام 1886م من قبل يوجين غولدشتاين وسرعان ما تم التعرف عليها ، كحزم من الأيونات الموجبة.
وكطالب في مختبر J.J. طومسون ، علم أستون أن عنصر النيون الغازي ينتج شعاعين إيجابيين ، كانت الأيونات في الشعاع الأثقل كتلتها حوالي وحدتين ، أو 10 في المائة ، أكبر من الأيونات في الشعاع الأخف.
ولإثبات أن النيون الأخف وزنًا لديه كتلة قريبة جدًا من 20 ، وأن الشعاع الثقيل كان في الواقع نيونًا وليس إشارة زائفة من نوع ما ، كان على أستون أن يبني أداة أكثر دقة بكثير من أي وقت آخر ، وبحلول عام 1919 ، قام بذلك وجادل بشكل مقنع لوجود نيون -20 ونيون -22.
وتراكمت المعلومات من مختبراته وغيرها من المختبرات بسرعة في السنوات التي تلت ذلك ، وبحلول عام 1935م ، كانت النظائر الرئيسية ، ونسبها النسبية معروفة للجميع باستثناء حفنة من العناصر.
أصل كلمة النظائر وتاريخها
تم تقديم مصطلح (النظائر) ، من قبل الكيميائي البريطاني فريدريك سودي في عام 1913م ، على النحو الذي أوصت به مارجريت تود ، وتعني الكلمة (الحصول على نفس المكان) ، وهي من الكلمات اليونانية isos )يساوي( ، وكلمتا (iso- + topos ) تعني (مكان) ، وتحتل النظائر نفس المكان في الجدول الدوري ، على الرغم من أن نظائر العنصر، لها أوزان ذرية مختلفة.[2]
النظائر الأم والنظائر الابنه
عندما تتعرض النظائر المشعة للانحلال الإشعاعي ، قد يختلف النظير الأولي ، عن النظير الناتج ، ويسمى النظير الأولي بالنظير الأم ، بينما تسمى الذرات التي ينتجها التفاعل نظائر ابنة ، وقد ينتج أكثر من نوع واحد من النظائر ابنة.
وكمثال ، عندما تتحلل238U- ، إلى234Th- ، فإن ذرة اليورانيوم هي نظير الأم ، بينما ذرة الثوريوم هي نظير الابنة. [3]
ملاحظة حول النظائر المشعة المستقرة
لا تخضع معظم النظائر المستقرة ، للانحلال الإشعاعي ، ولكن القليل منها ، إذا تعرض أحد النظائر للتحلل الإشعاعي ببطء شديد جدًا ، فقد يطلق عليه استقرارًا ، ومثال على ذلك هو البزموت 209.
والبزموت 209 هو نظير مشع مستقر ، يخضع لتحلل ألفا ، ولكن نصف عمره 1.9 × 1019 سنة ، (وهو أكثر من مليار مرة من العمر المقدر للكون) ، كما يخضع تلوريوم -128 لتحلل بيتا ، مع نصف عمر يقدر بـ 7.7 × 1024 سنة.