هي نظائر. مفهوم الذرات على أنها أصغر جسيمات المادة غير القابلة للتجزئة

لقد ثبت أن كل عنصر كيميائي موجود في الطبيعة هو خليط من النظائر (ومن ثم يكون لها كتل ذرية جزئية). لفهم كيف تختلف النظائر عن بعضها البعض ، من الضروري التفكير بالتفصيل في بنية الذرة. تشكل الذرة نواة وسحابة إلكترونية. تتأثر كتلة الذرة بالإلكترونات التي تتحرك بسرعة مذهلة في مدارات السحابة الإلكترونية والنيوترونات والبروتونات التي تشكل النواة.

تعريف

ليس للنيوترونات شحنة ، لكن عددها في النواة الذرية لنفس العنصر يمكن أن يكون مختلفًا. هذا لا يؤثر على حياد الذرة ، لكنه يؤثر على كتلتها وخصائصها. على سبيل المثال ، يحتوي كل نظير من نظير ذرة الهيدروجين على إلكترون واحد وبروتون واحد لكل منهما. وعدد النيوترونات مختلف. يحتوي البروتيوم على نيوترون واحد فقط ، بينما يحتوي الديوتيريوم على نيوترونين ، ويحتوي التريتيوم على 3 نيوترونات. تختلف هذه النظائر الثلاثة بشكل ملحوظ عن بعضها البعض في الخصائص.

مقارنة

لديهم عدد مختلف من النيوترونات وكتل مختلفة وخصائص مختلفة. النظائر لها بنية متطابقة من قذائف الإلكترون. هذا يعني أنها متشابهة تمامًا في الخواص الكيميائية. لذلك ، يتم تخصيص مكان واحد لهم في النظام الدوري.

تم العثور على نظائر مستقرة ومشعة (غير مستقرة) في الطبيعة. نوى ذرات النظائر المشعة قادرة على التحول تلقائيًا إلى نوى أخرى. في عملية الاضمحلال الإشعاعي ، تنبعث منها جزيئات مختلفة.

تحتوي معظم العناصر على أكثر من عشرين نظيرًا مشعًا. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تصنيع النظائر المشعة بشكل مصطنع لجميع العناصر تمامًا. في مزيج طبيعي من النظائر ، يتقلب محتواها قليلاً.

جعل وجود النظائر من الممكن فهم لماذا ، في بعض الحالات ، العناصر ذات الكتلة الذرية الأقل لها رقم تسلسلي أعلى من العناصر ذات الكتلة الذرية الأكبر. على سبيل المثال ، في زوج الأرجون والبوتاسيوم ، يحتوي الأرجون على نظائر ثقيلة ، ويحتوي البوتاسيوم على نظائر خفيفة. لذلك ، فإن كتلة الأرجون أكبر من كتلة البوتاسيوم.

موقع النتائج

لديهم أعداد مختلفة من النيوترونات.
للنظائر كتل ذرات مختلفة.
تؤثر قيمة كتلة ذرات الأيونات على طاقتها الإجمالية وخصائصها.

النظائر- أنواع مختلفة من الذرات (والنوى) لعنصر كيميائي لها نفس العدد الذري (الترتيبي) ، لكن بأعداد كتلتها مختلفة.

يتكون مصطلح النظير من الجذور اليونانية isos ("يساوي") و topos (τόπος "مكان") ، مما يعني "نفس المكان" ؛ وبالتالي ، فإن معنى الاسم هو أن النظائر المختلفة لنفس العنصر تشغل نفس الموضع في الجدول الدوري.

ثلاثة نظائر طبيعية للهيدروجين. حقيقة أن كل نظير يحتوي على بروتون واحد له متغيرات الهيدروجين: يتم تحديد هوية النظير بعدد النيوترونات. من اليسار إلى اليمين ، النظائر هي البروتيوم (1H) مع صفر نيوترونات ، والديوتيريوم (2H) مع نيوترون واحد ، والتريتيوم (3H) مع نيوترونين.

يسمى عدد البروتونات في نواة الذرة بالعدد الذري ويساوي عدد الإلكترونات في ذرة متعادلة (غير متأينة). يحدد كل رقم ذري عنصرًا معينًا ، ولكن ليس نظيرًا ؛ يمكن أن يكون لذرة عنصر معين مدى واسع في عدد النيوترونات. عدد النوكليونات (كلاً من البروتونات والنيوترونات) في النواة هو العدد الكتلي للذرة ، ولكل نظير لعنصر معين رقم كتلة مختلف.

على سبيل المثال ، الكربون -12 ، والكربون -13 ، والكربون -14 هي ثلاثة نظائر للكربون الأولي بأرقام كتلتها 12 و 13 و 14 على التوالي. العدد الذري للكربون هو 6 ، مما يعني أن كل ذرة كربون بها 6 بروتونات ، وبالتالي فإن الأعداد النيوترونية لهذه النظائر هي 6 و 7 و 8 على التوالي.

حالنويدات و النظائر

تنتمي النيوكليد إلى النواة وليس إلى الذرة. تنتمي النوى المتطابقة إلى نفس النويدة ، على سبيل المثال ، تتكون كل نواة من نواة الكربون 13 من 6 بروتونات و 7 نيوترونات. يؤكد مفهوم النويدات (بالإشارة إلى الأنواع النووية الفردية) على الخصائص النووية على الخصائص الكيميائية ، بينما يؤكد مفهوم النظائر (تجميع كل ذرات كل عنصر) على التفاعل الكيميائي على النووية. الرقم النيوتروني له تأثير كبيرعلى خصائص النوى ، ولكن تأثيره على الخواص الكيميائية ضئيل بالنسبة لمعظم العناصر. حتى في حالة العناصر الأخف وزناً ، حيث تختلف نسبة النيوترونات إلى العدد الذري بشكل أكبر بين النظائر ، فعادةً ما يكون لها تأثير طفيف ، على الرغم من أنها مهمة في بعض الحالات (بالنسبة للهيدروجين ، العنصر الأخف وزناً ، يكون تأثير النظائر هو كبيرة. لتؤثر بشكل كبير على علم الأحياء). نظرًا لأن النظير مصطلح قديم ، فهو معروف بشكل أفضل من النيوكليد ولا يزال يُستخدم أحيانًا في السياقات التي قد يكون فيها النويدات أكثر ملاءمة ، مثل التكنولوجيا النووية والطب النووي.

الرموز

يتم تحديد النظير أو النيوكليد من خلال اسم عنصر معين (يشير هذا إلى رقم الذرة) ، متبوعًا بواصلة ورقم كتلي (على سبيل المثال ، الهيليوم -3 ، الهليوم -4 ، الكربون -12 ، الكربون -14 ، اليورانيوم -235 ، واليورانيوم -239). عند استخدام رمز كيميائي ، على سبيل المثال "C" للكربون ، الترميز القياسي (المعروف الآن باسم "ترميز AZE" لأن A هو رقم الكتلة ، و Z هو الرقم الذري ، و E للعنصر) للإشارة إلى العدد الكتلي (عدد النيوكليونات) برمز مرتفع في أعلى يسار الرمز الكيميائي مع الإشارة إلى العدد الذري برمز منخفض في الزاوية اليسرى السفلية). نظرًا لأن الرقم الذري يُعطى بواسطة رمز العنصر ، فعادةً ما يتم إعطاء رقم الكتلة في النص المرتفع فقط ، ولا يتم إعطاء مؤشر الذرة. يُلحق الحرف m أحيانًا بعد الرقم الكتلي للإشارة إلى أيزومر نووي ، وهو حالة نووية مستقرة أو مثارة بقوة (على عكس الحالة الأرضية الأقل طاقة) ، مثل 180m 73Ta (tantalum-180m).

النظائر المشعة والأولية والمستقرة

بعض النظائر مشعة ولذلك تسمى النظائر المشعة أو النويدات المشعة ، في حين أن البعض الآخر لم يلاحظ قط أنها تتحلل إشعاعيًا وتسمى النظائر المستقرة أو النويدات المستقرة. على سبيل المثال ، 14 درجة مئوية هي شكل مشع من الكربون ، بينما 12 درجة مئوية و 13 درجة مئوية هي نظائر مستقرة. يوجد حوالي 339 نويدات تحدث بشكل طبيعي على الأرض ، منها 286 نويدات بدائية ، مما يعني أنها كانت موجودة منذ تكوين النظام الشمسي.

تشتمل النويدات الأصلية على 32 نوكليدة ذات فترات نصف عمر طويلة جدًا (أكثر من 100 مليون سنة) و 254 تُعتبر رسميًا "نويدات مستقرة" لأنها لم تُلاحظ تحللها. في معظم الحالات ، ولأسباب واضحة ، إذا كان للعنصر نظائر مستقرة ، فإن هذه النظائر تهيمن على الوفرة الأولية الموجودة على الأرض وفي النظام الشمسي. ومع ذلك ، في حالة العناصر الثلاثة (التيلوريوم والإنديوم والرينيوم) ، فإن النظير الأكثر وفرة الموجود في الطبيعة هو في الواقع واحد (أو اثنين) من النظائر المشعة طويلة العمر جدًا للعنصر ، على الرغم من حقيقة أن هذه العناصر تحتوي على واحد أو أكثر من النظائر المستقرة.

تتنبأ النظرية بأن العديد من النظائر / النويدات التي تبدو "مستقرة" مشعة ، ولها عمر نصفي طويل للغاية (دون النظر في إمكانية تحلل البروتون ، مما يجعل جميع النيوكليدات غير مستقرة في النهاية). من بين 254 نويدات لم يتم ملاحظتها مطلقًا ، 90 منها فقط (كل العناصر الأربعين الأولى) مقاومة نظريًا لجميع أشكال الانحلال المعروفة. العنصر 41 (النيوبيوم) غير مستقر نظريًا عن طريق الانشطار التلقائي ، لكن هذا لم يتم اكتشافه مطلقًا. العديد من النويدات المستقرة من الناحية النظرية معرضة بقوة لأشكال أخرى معروفة من التحلل ، مثل تسوس ألفا أو اضمحلال بيتا المزدوج ، ولكن منتجات الاضمحلال لم يتم ملاحظتها بعد ، وبالتالي تعتبر هذه النظائر "مستقرة من حيث الملاحظة". غالبًا ما تتجاوز فترات نصف العمر المتوقعة لهذه النويدات إلى حد كبير العمر المقدر للكون ، وفي الواقع هناك أيضًا 27 نويدًا مشعًا معروفًا بنصف عمر أطول من عمر الكون.

النيوكليدات المشعة ، التي تم إنشاؤها بشكل مصطنع ، معروفة حاليًا بـ 3339 نيوكليدات. وتشمل 905 نويدات إما أن تكون مستقرة أو لها نصف عمر أكبر من 60 دقيقة.

خصائص النظائر

الخصائص الكيميائية والجزيئية

تحتوي الذرة المحايدة على نفس عدد الإلكترونات مثل البروتونات. وبالتالي ، فإن النظائر المختلفة لعنصر معين لها نفس عدد الإلكترونات ولها بنية إلكترونية مماثلة. نظرًا لأن السلوك الكيميائي للذرة يتم تحديده إلى حد كبير من خلال هيكلها الإلكتروني ، فإن النظائر المختلفة تظهر سلوكًا كيميائيًا متطابقًا تقريبًا.

استثناء لهذا هو تأثير النظائر الحركية: نظرًا لكتلها الكبيرة ، تميل النظائر الأثقل إلى التفاعل بشكل أبطأ إلى حد ما من النظائر الأخف من نفس العنصر. يكون هذا أكثر وضوحًا للبروتيوم (1 ساعة) والديوتيريوم (2 ساعة) والتريتيوم (3 ساعات) ، لأن الديوتيريوم يحتوي على ضعف كتلة البروتيوم والتريتيوم ثلاثة أضعاف كتلة البروتيوم. تؤثر هذه الاختلافات في الكتلة أيضًا على سلوك الروابط الكيميائية الخاصة بكل منها عن طريق تغيير مركز الجاذبية (الكتلة المخفضة) للأنظمة الذرية. ومع ذلك ، بالنسبة للعناصر الأثقل ، يكون الفرق النسبي في الكتلة بين النظائر أصغر بكثير ، لذا فإن تأثيرات اختلاف الكتلة في الكيمياء عادة ما تكون ضئيلة. (تحتوي العناصر الثقيلة أيضًا على نيوترونات أكثر نسبيًا من العناصر الأخف ، لذا فإن نسبة الكتلة النووية إلى إجمالي كتلة الإلكترون أكبر إلى حد ما).

وبالمثل ، فإن جزيئين يختلفان فقط في نظائر ذراتهما (النظائر المشعة) لهما نفس البنية الإلكترونية وبالتالي لا يمكن تمييزهما تقريبًا عن الخصائص الفيزيائية والكيميائية (مرة أخرى ، مع الاستثناء الأساسي للديوتيريوم والتريتيوم). يتم تحديد الأنماط الاهتزازية للجزيء من خلال شكله وكتل الذرات المكونة له ؛ لذلك ، تمتلك النظائر المختلفة مجموعات مختلفة من أنماط الاهتزازات. نظرًا لأن الأنماط الاهتزازية تسمح للجزيء بامتصاص فوتونات الطاقات المناسبة ، فإن نظائر النظائر لها خصائص بصرية مختلفة في الأشعة تحت الحمراء.

الخصائص النووية والاستقرار

نصف عمر النظائر. ينحرف الرسم البياني للنظائر المستقرة عن خط Z = N مع زيادة رقم العنصر Z

تتكون النوى الذرية من بروتونات ونيوترونات مرتبطة ببعضها بقوة متبقية قوية. لأن البروتونات موجبة الشحنة ، فإنها تتنافر. تعمل النيوترونات المحايدة كهربيًا على استقرار النواة بطريقتين. يدفع اتصالهم البروتونات للوراء قليلاً ، مما يقلل من التنافر الكهروستاتيكي بين البروتونات ، ويؤثرون بقوة نووية جذابة على بعضها البعض وعلى البروتونات. لهذا السبب ، يلزم وجود نيوترون واحد أو أكثر لكي يرتبط بروتونان أو أكثر بالنواة. مع زيادة عدد البروتونات ، تزداد كذلك نسبة النيوترونات إلى البروتونات اللازمة لتوفير نواة مستقرة (انظر الرسم البياني على اليمين). على سبيل المثال ، على الرغم من أن نسبة النيوترون: بروتون 3 2 هو 1: 2 ، فإن نسبة النيوترون: بروتون 238 92 يو
أكثر من 3: 2. يحتوي عدد من العناصر الأخف وزنًا على نويدات مستقرة بنسبة 1: 1 (Z = N). النيوكليد 40 20 Ca (كالسيوم -40) هو أثقل نوكليد مستقر يمكن ملاحظته مع نفس عدد النيوترونات والبروتونات ؛ (نظريًا ، أثقل استقرار هو كبريت 32). تحتوي جميع النويدات المستقرة الأثقل من الكالسيوم -40 على نيوترونات أكثر من البروتونات.

عدد النظائر لكل عنصر

من بين 81 عنصرًا ذات نظائر مستقرة ، فإن أكبر عدد من النظائر المستقرة التي يمكن ملاحظتها لأي عنصر هو عشرة (لعنصر القصدير). لا يوجد عنصر له تسعة نظائر مستقرة. زينون هو العنصر الوحيد الذي يحتوي على ثمانية نظائر مستقرة. أربعة عناصر لها سبعة نظائر مستقرة ، ثمانية منها لها ستة نظائر مستقرة ، وعشرة لها خمسة نظائر مستقرة ، وتسعة لها أربعة نظائر مستقرة ، وخمسة لها ثلاثة نظائر مستقرة ، و 16 لها نظيران مستقران ، و 26 عنصرًا بها واحد فقط (منها 19 نظيرًا مستقرًا) ما يسمى بالعناصر أحادية النوكليد ، التي لها نظير ثابت بدائي واحد يهيمن على الوزن الذري للعنصر الطبيعي ويثبته بدقة عالية ، توجد أيضًا 3 عناصر أحادية النوكليد المشعة). في المجموع ، هناك 254 نويدات لم يتم ملاحظتها للتحلل. بالنسبة لـ 80 عنصرًا تحتوي على واحد أو أكثر من النظائر المستقرة ، يكون متوسط عدد النظائر المستقرة 254/80 = 3.2 نظائر لكل عنصر.

أعداد زوجية وفردية من النيوكليونات

البروتونات: نسبة النيوترونات ليست العامل الوحيد الذي يؤثر على الاستقرار النووي. يعتمد أيضًا على تكافؤ أو شذوذ العدد الذري Z ، وعدد النيوترونات N ، ومن ثم مجموع عدد كتلتها أ. . هذا الاختلاف الكبير في طاقة الارتباط النووي بين النوى المجاورة ، وخاصة الأيزوبار الفردية ، له عواقب مهمة: النظائر غير المستقرة ذات الأعداد دون المثلى من النيوترونات أو البروتونات تتحلل عن طريق اضمحلال بيتا (بما في ذلك تحلل البوزيترون) ، أو التقاط الإلكترون ، أو وسائل غريبة أخرى مثل الانشطار العفوي و عناقيد.

معظم النيوكليدات المستقرة هي عدد زوجي من البروتونات وعدد زوجي من النيوترونات ، حيث تتساوى Z و N و A. يتم تقسيم النويدات المستقرة الفردية (بشكل متساوٍ تقريبًا) إلى نواتج غريبة.

العدد الذري

ال 148 حتى البروتون ، حتى النيوترونات (EE) تشكل حوالي 58 ٪ من جميع النويدات المستقرة. هناك أيضًا 22 نويدات بدائية طويلة العمر. نتيجة لذلك ، يحتوي كل عنصر من 41 عنصرًا زوجيًا من 2 إلى 82 على نظير ثابت واحد على الأقل ، ومعظم هذه العناصر لها نظائر أولية متعددة. نصف هذه العناصر الزوجية لها ستة أو أكثر من النظائر المستقرة. الثبات الشديد للهيليوم 4 ، بسبب الترابط الثنائي بين بروتونات واثنين من النيوترون ، يمنع أي نوكليدات تحتوي على خمسة أو ثمانية نيوكليونات من التواجد لفترة كافية لتكون بمثابة منصات لتراكم العناصر الأثقل من خلال الاندماج النووي.

تحتوي هذه النيوكليدات المستقرة البالغ عددها 53 على عدد زوجي من البروتونات وعدد فردي من النيوترونات. هم أقلية مقارنة بالنظائر الزوجية ، والتي يبلغ عددها حوالي 3 أضعاف. من بين 41 عنصرًا زوجيًا و Z تحتوي على نوكليد مستقر ، هناك عنصران فقط (الأرجون والسيريوم) لا يحتويان على نويدات مستقرة زوجية-فردية. عنصر واحد (القصدير) له ثلاثة. هناك 24 عنصرًا تحتوي على نوكليد واحد فردي - زوجي و 13 عنصرًا بها نويدات فردية - زوجية.

بسبب أعداد النيوترونات الفردية ، تميل النويدات الزوجية الفردية إلى الحصول على مقاطع عرضية كبيرة لالتقاط النيوترونات بسبب الطاقة التي تأتي من تأثيرات اقتران النيوترونات. قد تكون هذه النويدات المستقرة وفيرة بشكل غير عادي في الطبيعة ، ويرجع ذلك أساسًا إلى أنه من أجل التكوين والدخول في الوفرة البدائية ، يجب أن تفلت من التقاط النيوترونات من أجل تكوين نظائر زوجية فردية مستقرة أخرى على مدار كيف تكون العملية و r عملية التقاط النيوترونات أثناء التركيب النووي.

عدد ذري فردي

48 نويدات النيوترونات الفردية والزوجية المستقرة ، والمثبتة بعدد زوجي من النيوترونات المقترنة ، تشكل غالبية النظائر المستقرة للعناصر الفردية ؛ هناك عدد قليل جدًا من النيوترونات الفردية التي تتكون من النيوترونات. هناك 41 عنصرًا فرديًا من Z = 1 إلى 81 ، منها 39 لها نظائر مستقرة (عناصر التكنيشيوم (43 Tc) والبروميثيوم (61 Pm) لا تحتوي على نظائر مستقرة). من بين 39 عنصرًا Z غريبًا ، 30 عنصرًا (بما في ذلك الهيدروجين -1 ، حيث يوجد 0 نيوترون زوجي) لها نظير واحد مستقر فردي زوجي ، وتسعة عناصر: الكلور (17 كلوريد) ، البوتاسيوم (19 كيلو) ، النحاس (29 النحاس) ، الغاليوم (31 غ) ، البروم (35 Br) ، الفضة (47 Ag) ، الأنتيمون (51 Sb) ، الإيريديوم (77 Ir) والثاليوم (81 Tl) لكل من نظيرين مستقرين. وبالتالي ، يتم الحصول على 30 + 2 (9) = 48 نظيرًا مستقرًا زوجيًا.

تحتوي خمسة نوكليدات مستقرة فقط على عدد فردي من البروتونات وعدد فردي من النيوترونات. توجد أول أربع نيوكليدات "فردية - فردية" في نوكليدات منخفضة الوزن الجزيئي ، والتي يؤدي فيها التحول من بروتون إلى نيوترون أو العكس إلى نسبة بروتون إلى نيوترون غير متوازنة للغاية.

النيوكليدة الفردية الوحيدة "المستقرة" تمامًا هي 180m 73 Ta ، والتي تعتبر أندر النظائر المستقرة البالغ عددها 254 وهي الأيزومر النووي البدائي الوحيد الذي لم يتم ملاحظته حتى الآن للتحلل ، على الرغم من المحاولات التجريبية.

عدد فردي من النيوترونات

تميل الأكتينيدات التي تحتوي على عدد فردي من النيوترونات إلى الانشطار (مع النيوترونات الحرارية) ، بينما تميل الأكتينيدات التي تحتوي على عدد زوجي من النيوترونات إلى عدم الانشطار ، على الرغم من أنها تنشطر إلى نيوترونات سريعة. تحتوي جميع النويدات الفردية المستقرة من الناحية الملاحظة على دوران عدد صحيح غير صفري. وذلك لأن نيوترونًا منفردًا وبروتونًا منفردًا يتمتعان بجاذبية قوة نووية أكبر لبعضهما البعض إذا تم محاذاة دورانهما (مما ينتج عنه دوران إجمالي لوحدة واحدة على الأقل) بدلاً من محاذاة.

حدوثه في الطبيعة

تتكون العناصر من واحد أو أكثر من النظائر الموجودة بشكل طبيعي. تعتبر النظائر غير المستقرة (المشعة) إما أولية أو لاحقة. كانت النظائر الأصلية نتاجًا لتخليق النواة النجمية ، أو نوع آخر من التخليق النووي مثل انقسام الأشعة الكونية ، واستمرت حتى الوقت الحاضر لأن معدل تحللها بطيء جدًا (مثل اليورانيوم 238 والبوتاسيوم 40). تم إنشاء النظائر ما بعد الطبيعية عن طريق القصف بالأشعة الكونية مثل النويدات الكونية (مثل التريتيوم والكربون 14) أو تحلل النظير الأولي المشع في ابنة نوكليد مشع مشع (مثل اليورانيوم إلى الراديوم). يتم تصنيع العديد من النظائر بشكل طبيعي على شكل نيوكليدات ناتجة عن تفاعلات نووية طبيعية أخرى ، مثل عندما تمتص ذرة أخرى نيوترونات ناتجة عن الانشطار النووي الطبيعي.

كما نوقش أعلاه ، يحتوي 80 عنصرًا فقط على نظائر مستقرة ، و 26 عنصرًا منها يحتوي على نظير مستقر واحد فقط. وهكذا ، فإن حوالي ثلثي العناصر المستقرة تحدث بشكل طبيعي على الأرض في عدد قليل من النظائر المستقرة ، مع أكبر عدد من النظائر المستقرة لعنصر هو عشرة ، للقصدير (50Sn). يوجد حوالي 94 عنصرًا على الأرض (بما في ذلك البلوتونيوم) ، على الرغم من أن بعضها موجود بكميات صغيرة جدًا ، مثل البلوتونيوم 244. يعتقد العلماء أن العناصر التي تحدث بشكل طبيعي على الأرض (بعضها فقط كنظائر مشعة) تحدث في شكل إجمالي 339 نظيرًا (نويدات). فقط 254 من هذه النظائر التي تحدث بشكل طبيعي مستقرة بمعنى أنها لم يتم ملاحظتها حتى الآن. 35 نويدات بدائية إضافية (ما مجموعه 289 نيوكليدات بدائية) مشعة مع فترات نصف عمر معروفة ، ولكن لها فترات نصف عمر تزيد عن 80 مليون سنة ، مما يسمح لها بالوجود منذ بداية النظام الشمسي.

توجد جميع النظائر المستقرة بشكل طبيعي على الأرض ؛ تعتبر النظائر الطبيعية الأخرى مشعة ، ولكن بسبب فترات نصف عمرها الطويلة نسبيًا ، أو بسبب طرق الإنتاج الطبيعي الأخرى المستمرة. وتشمل هذه النويدات الكونية المذكورة أعلاه ، والنويدات النووية ، وأي نظائر مشعة ناتجة عن التحلل المستمر للنظائر المشعة الأولية مثل الرادون والراديوم من اليورانيوم.

تم إنشاء 3000 نظير مشع آخر غير موجود في الطبيعة في المفاعلات النووية ومسرعات الجسيمات. تمت ملاحظة العديد من النظائر قصيرة العمر غير الموجودة بشكل طبيعي على الأرض من خلال التحليل الطيفي الذي تم إنشاؤه بشكل طبيعي في النجوم أو المستعرات الأعظمية. ومن الأمثلة على ذلك الألومنيوم -26 ، والذي لا يوجد بشكل طبيعي على الأرض ، ولكنه يوجد بكثرة على نطاق فلكي.

الكتل الذرية المجدولة للعناصر هي متوسطات تشرح وجود نظائر متعددة ذات كتل مختلفة. قبل اكتشاف النظائر ، أربكت القيم غير المتكاملة المحددة تجريبياً للكتلة الذرية العلماء. على سبيل المثال ، تحتوي عينة من الكلور على 75.8٪ كلور -35 و 24.2٪ كلور -37 ، مما يعطي متوسط كتلة ذرية 35.5 وحدة كتلة ذرية.

وفقًا للنظرية المقبولة عمومًا في علم الكونيات ، فقط نظائر الهيدروجين والهيليوم ، وآثار بعض نظائر الليثيوم والبريليوم ، وربما بعض البورون ، تم إنشاؤها في الانفجار العظيم ، وتم تصنيع جميع النظائر الأخرى لاحقًا ، في النجوم والمستعرات الأعظمية ، وكذلك في التفاعلات بين الجسيمات النشطة ، مثل الأشعة الكونية ، والنظائر التي تم الحصول عليها مسبقًا. ترجع وفرة النظائر المقابلة على الأرض إلى الكميات التي تنتجها هذه العمليات ، وانتشارها عبر المجرة ، ومعدل اضمحلال النظائر غير المستقرة. بعد الاندماج الأولي للنظام الشمسي ، أعيد توزيع النظائر وفقًا للكتلة ، ويختلف التركيب النظائري للعناصر اختلافًا طفيفًا من كوكب إلى كوكب. هذا يجعل من الممكن في بعض الأحيان تتبع أصل النيازك.

الكتلة الذرية للنظائر

يتم تحديد الكتلة الذرية (mr) للنظير بشكل أساسي من خلال عدد كتلته (أي عدد النكليونات في نواته). ترجع التصحيحات الصغيرة إلى طاقة الارتباط للنواة ، والاختلاف الصغير في الكتلة بين البروتون والنيوترون ، وكتلة الإلكترونات المرتبطة بالذرة.

العدد الكتلي هي كمية بلا أبعاد. من ناحية أخرى ، تُقاس الكتلة الذرية باستخدام وحدة الكتلة الذرية ، بناءً على كتلة ذرة الكربون 12. يُشار إليه بالرموز "u" (لوحدة الكتلة الذرية الموحدة) أو "Da" (للدالتون).

تحدد الكتل الذرية للنظائر الطبيعية للعنصر الكتلة الذرية للعنصر. عندما يحتوي عنصر ما على نظائر N ، فإن التعبير أدناه ينطبق على متوسط الكتلة الذرية:

حيث m 1 ، m 2 ، ... ، mN هي الكتل الذرية لكل نظير فردي ، و x 1 ، ... ، xN هي الوفرة النسبية لهذه النظائر.

تطبيق النظائر

هناك العديد من التطبيقات التي تستغل خصائص النظائر المختلفة لعنصر معين. يعتبر فصل النظائر قضية تقنية مهمة ، خاصة مع العناصر الثقيلة مثل اليورانيوم أو البلوتونيوم. عادة ما يتم فصل العناصر الأخف مثل الليثيوم والكربون والنيتروجين والأكسجين عن طريق الانتشار الغازي لمركباتها مثل ثاني أكسيد الكربون وأكسيد النيتروجين. يعتبر فصل الهيدروجين والديوتيريوم أمرًا غير معتاد لأنه يعتمد على الخصائص الكيميائية بدلاً من الخصائص الفيزيائية ، كما هو الحال في عملية Girdler sulfide. تم فصل نظائر اليورانيوم بالحجم عن طريق الانتشار الغازي والطرد المركزي للغاز وفصل التأين بالليزر و (في مشروع مانهاتن) حسب نوع إنتاج قياس الطيف الكتلي.

استخدام الخواص الكيميائية والبيولوجية

التحليل النظيري هو تحديد التوقيع النظيري ، الوفرة النسبية لنظائر عنصر معين في عينة معينة. بالنسبة للمغذيات على وجه الخصوص ، يمكن أن تحدث اختلافات كبيرة في نظائر C و N و O. ولتحليل هذه الاختلافات مجموعة واسعة من التطبيقات ، مثل اكتشاف الغش في الأطعمة أو الأصل الجغرافي للأغذية باستخدام الأيزوسكابيس. يعتمد تحديد بعض النيازك التي نشأت على المريخ جزئيًا على التوقيع النظيري للغازات النزرة التي تحتويها.
يمكن استخدام استبدال النظائر لتحديد آلية تفاعل كيميائي من خلال تأثير النظائر الحركية.
تطبيق شائع آخر هو وضع العلامات على النظائر ، واستخدام النظائر غير العادية كمقتفعات أو علامات في التفاعلات الكيميائية. عادة لا يمكن تمييز ذرات عنصر معين عن بعضها البعض. ومع ذلك ، باستخدام نظائر ذات كتل مختلفة ، يمكن تمييز حتى النظائر المستقرة غير المشعة المختلفة باستخدام مطياف الكتلة أو التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء. على سبيل المثال ، في "تسمية النظائر المستقرة للأحماض الأمينية في ثقافة الخلية" (SILAC) ، تُستخدم النظائر المستقرة لتحديد كمية البروتينات. إذا تم استخدام النظائر المشعة ، فيمكن اكتشافها من خلال الإشعاع المنبعث منها (وهذا ما يسمى بعلامة النظائر المشعة).
تستخدم النظائر بشكل شائع لتحديد تركيز العناصر أو المواد المختلفة باستخدام طريقة التخفيف النظائري ، حيث يتم خلط الكميات المعروفة من المركبات المستبدلة بالنظائر مع العينات ويتم تحديد الخصائص النظيرية للمخاليط الناتجة باستخدام مقياس الطيف الكتلي.

استخدام الخصائص النووية

طريقة مشابهة لعلامات النظائر المشعة هي التأريخ الإشعاعي: باستخدام نصف العمر المعروف لعنصر غير مستقر ، يمكن للمرء حساب الوقت المنقضي منذ وجود تركيز نظير معروف. المثال الأكثر شهرة هو التأريخ بالكربون المشع ، والذي يستخدم لتحديد عمر المواد الكربونية.
تعتمد بعض أشكال التحليل الطيفي على الخصائص النووية الفريدة لنظائر معينة ، سواء كانت مشعة أو مستقرة. على سبيل المثال ، لا يمكن استخدام التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) إلا للنظائر ذات الدوران النووي غير الصفري. النظائر الأكثر شيوعًا المستخدمة في التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي هي 1 ساعة و 2 د و 15 نيوتن و 13 درجة مئوية و 31 P.
يعتمد مطياف موسباور أيضًا على التحولات النووية لنظائر معينة مثل 57 Fe.

ربما لا يوجد مثل هذا الشخص على وجه الأرض لم يسمع عن النظائر. لكن لا يعرف الجميع ما هو. تبدو عبارة "النظائر المشعة" مخيفة بشكل خاص. هذه العناصر الكيميائية الغامضة ترعب البشرية ، لكنها في الواقع ليست مخيفة كما قد تبدو للوهلة الأولى.

تعريف

لفهم مفهوم العناصر المشعة ، من الضروري أولاً القول أن النظائر هي عينات من نفس العنصر الكيميائي ، ولكن بكتل مختلفة. ماذا يعني ذلك؟ ستختفي الأسئلة إذا تذكرنا أولاً بنية الذرة. يتكون من الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات. يكون عدد أول جسيمين أساسيين في نواة الذرة ثابتًا دائمًا ، بينما يمكن أن توجد النيوترونات ، التي لها كتلتها الخاصة ، في نفس المادة بكميات مختلفة. يؤدي هذا الظرف إلى ظهور مجموعة متنوعة من العناصر الكيميائية ذات الخصائص الفيزيائية المختلفة.

الآن يمكننا تقديم تعريف علمي للمفهوم قيد الدراسة. لذا ، فإن النظائر هي مجموعة تراكمية من العناصر الكيميائية المتشابهة في الخصائص ، ولكن لها كتل وخواص فيزيائية مختلفة. وفقًا للمصطلحات الأكثر حداثة ، يطلق عليهم اسم مجرة النيوكليوتيدات لعنصر كيميائي.

القليل من التاريخ

في بداية القرن الماضي ، اكتشف العلماء أن نفس المركب الكيميائي في ظل ظروف مختلفة يمكن أن يكون له كتل مختلفة من نوى الإلكترون. من وجهة نظر نظرية بحتة ، يمكن اعتبار هذه العناصر جديدة ويمكن أن تبدأ في ملء الخلايا الفارغة في الجدول الدوري لـ D. Mendeleev. لكن لا يوجد سوى تسع خلايا حرة فيه ، واكتشف العلماء العشرات من العناصر الجديدة. بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت الحسابات الرياضية أن المركبات المكتشفة لا يمكن اعتبارها غير معروفة من قبل ، لأن خواصها الكيميائية تتوافق تمامًا مع خصائص الموجود منها.

بعد مناقشات مطولة ، تقرر استدعاء هذه العناصر نظائر ووضعها في نفس الخلية مثل تلك التي تحتوي نواتها على نفس عدد الإلكترونات معها. تمكن العلماء من تحديد أن النظائر ليست سوى بعض الاختلافات في العناصر الكيميائية. ومع ذلك ، تمت دراسة أسباب حدوثها ومدة الحياة لمدة قرن تقريبًا. حتى في بداية القرن الحادي والعشرين ، من المستحيل التأكيد على أن البشرية تعرف تمامًا كل شيء عن النظائر.

الاختلافات المستمرة وغير المستمرة

كل عنصر كيميائي له عدة نظائر. نظرًا لوجود نيوترونات حرة في نواتها ، فإنها لا تدخل دائمًا في روابط مستقرة مع بقية الذرة. بعد مرور بعض الوقت ، تترك الجسيمات الحرة اللب ، مما يغير كتلته وخصائصه الفيزيائية. هذه هي الطريقة التي تتشكل بها النظائر الأخرى ، مما يؤدي في النهاية إلى تكوين مادة تحتوي على عدد متساوٍ من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات.

تلك المواد التي تتحلل بسرعة كبيرة تسمى النظائر المشعة. يطلقون عددًا كبيرًا من النيوترونات في الفضاء ، ويشكلون أشعة جاما المؤينة القوية ، والمعروفة بقدرتها القوية على الاختراق ، والتي تؤثر سلبًا على الكائنات الحية.

النظائر الأكثر ثباتًا ليست مشعة ، لأن عدد النيوترونات الحرة التي تطلقها غير قادر على إنتاج إشعاع ويؤثر بشكل كبير على الذرات الأخرى.

منذ زمن بعيد ، أنشأ العلماء نمطًا مهمًا واحدًا: كل عنصر كيميائي له نظائره الخاصة ، الثابتة أو المشعة. ومن المثير للاهتمام ، أنه تم الحصول على العديد منها في المختبر ، ووجودها في شكلها الطبيعي ضئيل ولا يتم تسجيله دائمًا بواسطة الأدوات.

التوزيع في الطبيعة

في ظل الظروف الطبيعية ، غالبًا ما توجد مواد يتم تحديد كتلة نظائرها بشكل مباشر من خلال عددها الترتيبي في جدول D. Mendeleev. على سبيل المثال ، الهيدروجين ، الذي يُشار إليه بالرمز H ، له الرقم التسلسلي 1 ، وكتلته تساوي واحد. نظائرها ، 2H و 3 H ، نادرة للغاية في الطبيعة.

حتى جسم الإنسان لديه كمية معينة من النظائر المشعة. يدخلون من خلال الطعام على شكل نظائر الكربون ، والتي بدورها تمتصها النباتات من التربة أو الهواء وتمر إلى تكوين المادة العضوية أثناء عملية التمثيل الضوئي. لذلك ، يصدر كل من البشر والحيوانات والنباتات خلفية إشعاعية معينة. فقط هو منخفض لدرجة أنه لا يتعارض مع الأداء والنمو الطبيعي.

المصادر التي تساهم في تكوين النظائر هي الطبقات الداخلية من لب الأرض والإشعاع من الفضاء الخارجي.

كما تعلم ، تعتمد درجة الحرارة على الكوكب إلى حد كبير على لبه الساخن. ولكن في الآونة الأخيرة فقط أصبح من الواضح أن مصدر هذه الحرارة هو تفاعل نووي حراري معقد ، تشارك فيه النظائر المشعة.

اضمحلال النظائر

نظرًا لأن النظائر عبارة عن تكوينات غير مستقرة ، يمكن افتراض أنها تتحلل دائمًا بمرور الوقت إلى نوى أكثر ديمومة من العناصر الكيميائية. هذا البيان صحيح ، لأن العلماء لم يتمكنوا من اكتشاف عدد كبير من النظائر المشعة في الطبيعة. واستمر معظم أولئك الذين تم تعدينهم في المعامل من بضع دقائق إلى عدة أيام ، ثم عادوا إلى عناصر كيميائية عادية.

ولكن هناك أيضًا نظائر في الطبيعة شديدة المقاومة للتحلل. يمكن أن توجد لمليارات السنين. تشكلت هذه العناصر في تلك الأوقات البعيدة ، عندما كانت الأرض لا تزال تتشكل ، ولم يكن هناك قشرة صلبة على سطحها.

تتحلل النظائر المشعة ويتم إعادة تكوينها بسرعة كبيرة. لذلك ، من أجل تسهيل تقييم استقرار النظير ، قرر العلماء النظر في فئة نصف عمره.

نصف الحياة

قد لا يتضح على الفور لجميع القراء ما هو المقصود بهذا المفهوم. دعونا نحدده. نصف عمر النظير هو الوقت الذي يتوقف خلاله النصف الشرطي من المادة المأخوذة عن الوجود.

هذا لا يعني أنه سيتم إتلاف بقية الاتصال في نفس الفترة الزمنية. فيما يتعلق بهذا النصف ، من الضروري النظر إلى فئة مختلفة - الفترة الزمنية التي سيختفي خلالها الجزء الثاني ، أي ربع الكمية الأصلية للمادة. ويستمر هذا الاعتبار إلى ما لا نهاية. يمكن افتراض أنه من المستحيل ببساطة حساب وقت الانحلال الكامل للمقدار الأولي للمادة ، لأن هذه العملية لا تنتهي عمليًا.

ومع ذلك ، يمكن للعلماء ، الذين يعرفون عمر النصف ، تحديد كمية المادة الموجودة في البداية. يتم استخدام هذه البيانات بنجاح في العلوم ذات الصلة.

في العالم العلمي الحديث ، لا يتم استخدام مفهوم الاضمحلال الكامل عمليا. لكل نظير ، من المعتاد الإشارة إلى نصف عمره ، والذي يتراوح من بضع ثوانٍ إلى عدة بلايين من السنين. كلما انخفض عمر النصف ، كلما زاد الإشعاع من المادة وزاد نشاطها الإشعاعي.

تخصيب المعادن

في بعض فروع العلم والتكنولوجيا ، يعتبر استخدام كمية كبيرة نسبيًا من المواد المشعة إلزاميًا. لكن في الوقت نفسه ، في الظروف الطبيعية ، يوجد عدد قليل جدًا من هذه المركبات.

من المعروف أن النظائر هي متغيرات غير شائعة للعناصر الكيميائية. يُقاس عددها بنسبة قليلة من الصنف الأكثر مقاومة. لهذا السبب يحتاج العلماء إلى إجراء تخصيب صناعي للمواد الأحفورية.

على مدار سنوات البحث ، كان من الممكن معرفة أن تحلل النظير يكون مصحوبًا بتفاعل متسلسل. تبدأ النيوترونات المنبعثة من مادة ما في التأثير على مادة أخرى. نتيجة لذلك ، تتفكك النوى الثقيلة إلى نوى أخف ويتم الحصول على عناصر كيميائية جديدة.

تسمى هذه الظاهرة تفاعل متسلسل ، ونتيجة لذلك يمكن الحصول على نظائر أكثر استقرارًا ، ولكن أقل شيوعًا ، والتي تُستخدم لاحقًا في الاقتصاد الوطني.

تطبيق طاقة الاضمحلال

وجد العلماء أيضًا أنه أثناء تحلل النظير المشع ، يتم إطلاق كمية هائلة من الطاقة الحرة. تُقاس كميته عادةً بوحدة كوري ، التي تساوي زمن الانشطار بمقدار 1 غرام من الرادون -222 في ثانية واحدة. كلما ارتفع هذا المؤشر ، تم إطلاق المزيد من الطاقة.

كان هذا هو سبب تطوير طرق لاستخدام الطاقة المجانية. هذه هي الطريقة التي ظهرت بها المفاعلات النووية ، حيث يتم وضع النظير المشع. يتم تجميع معظم الطاقة التي تطلقها وتحويلها إلى كهرباء. بناءً على هذه المفاعلات ، يتم إنشاء محطات للطاقة النووية ، والتي توفر أرخص الكهرباء. يتم وضع إصدارات مخفضة من هذه المفاعلات على آليات ذاتية الدفع. نظرًا لخطر الحوادث ، غالبًا ما تكون هذه الآلات عبارة عن غواصات. في حالة فشل المفاعل ، سيكون من الأسهل تقليل عدد الضحايا على الغواصة.

خيار آخر مخيف للغاية لاستخدام طاقة نصف العمر هو القنابل الذرية. خلال الحرب العالمية الثانية ، تم اختبارهم على الإنسانية في مدينتي هيروشيما وناغازاكي اليابانيتين. كانت العواقب محزنة للغاية. لذلك ، فإن العالم لديه اتفاق على عدم استخدام هذه الأسلحة الخطرة. في الوقت نفسه ، تواصل الدول الكبيرة التي تركز على العسكرة البحث في هذه الصناعة اليوم. بالإضافة إلى ذلك ، فإن العديد منهم ، سرا من المجتمع الدولي ، يصنعون قنابل ذرية ، وهي أكثر خطورة بآلاف المرات من تلك المستخدمة في اليابان.

النظائر في الطب

للأغراض السلمية ، تعلم اضمحلال النظائر المشعة استخدامها في الطب. من خلال توجيه الإشعاع إلى المنطقة المصابة من الجسم ، يمكن إيقاف مسار المرض أو مساعدة المريض على التعافي تمامًا.

ولكن في كثير من الأحيان تستخدم النظائر المشعة في التشخيص. الشيء هو أن حركتهم وطبيعة الكتلة أسهل في الإصلاح بواسطة الإشعاع الذي ينتجه. لذلك ، يتم إدخال كمية معينة غير خطيرة من مادة مشعة إلى جسم الإنسان ، ويستخدم الأطباء الأدوات لمراقبة كيف وأين تحصل.

وهكذا يتم تشخيص عمل الدماغ وطبيعة الأورام السرطانية وخصائص عمل الغدد الصماء والغدد الإفرازية الخارجية.

التطبيق في علم الآثار

من المعروف أنه في الكائنات الحية يوجد دائمًا كربون -14 مشع ، يبلغ نصف عمر نظيره 5570 عامًا. بالإضافة إلى ذلك ، يعرف العلماء مقدار هذا العنصر الموجود في الجسم حتى لحظة وفاته. هذا يعني أن جميع الأشجار المقطوعة تنبعث منها نفس الكمية من الإشعاع. مع مرور الوقت ، تقل شدة الإشعاع.

يساعد هذا علماء الآثار في تحديد المدة التي انقضت منذ أن ماتت الشجرة التي بُني منها المطبخ أو أي سفينة أخرى ، وبالتالي وقت البناء ذاته. تسمى طريقة البحث هذه بتحليل الكربون المشع. بفضله ، يسهل على العلماء تحديد التسلسل الزمني للأحداث التاريخية.

درس ظاهرة النشاط الإشعاعي العلماء في العقد الأول من القرن العشرين. اكتشف عددًا كبيرًا من المواد المشعة - حوالي 40. كان هناك عدد أكبر بكثير منها من الأماكن الخالية في الجدول الدوري للعناصر في الفترة الفاصلة بين البزموت واليورانيوم. كانت طبيعة هذه المواد مثيرة للجدل. اعتبرها بعض الباحثين عناصر كيميائية مستقلة ، ولكن في هذه الحالة تبين أن مسألة وضعها في الجدول الدوري غير قابلة للذوبان. حرمهم آخرون عمومًا من الحق في أن يطلق عليهم عناصر بالمعنى الكلاسيكي. في عام 1902 ، أطلق الفيزيائي الإنجليزي د.مارتن على هذه المواد العناصر المشعة. أثناء دراستهم ، اتضح أن بعض العناصر المشعة لها نفس الخصائص الكيميائية تمامًا ، ولكنها تختلف في الكتل الذرية. هذا الظرف يتعارض مع الأحكام الرئيسية للقانون الدوري. قام العالم الإنجليزي ف. سودي بحل التناقض. في عام 1913 ، أطلق على نظائر العناصر المشعة المتشابهة كيميائيًا (من الكلمات اليونانية التي تعني "نفس" و "المكان") ، أي تحتل نفس المكان في النظام الدوري. تحولت العناصر المشعة إلى نظائر لعناصر مشعة طبيعية. تم دمجهم جميعًا في ثلاث عائلات مشعة ، أسلافهم هم نظائر الثوريوم واليورانيوم.

نظائر الأكسجين. تساوي البوتاسيوم والأرجون (متساوي الضغط ذرات من عناصر مختلفة لها نفس العدد الكتلي).

عدد النظائر المستقرة للعناصر الفردية والزوجية.

سرعان ما أصبح واضحًا أن العناصر الكيميائية المستقرة الأخرى لها أيضًا نظائر. يعود الفضل الرئيسي في اكتشافهم إلى الفيزيائي الإنجليزي ف. أستون. اكتشف نظائر مستقرة في العديد من العناصر.

من وجهة نظر حديثة ، النظائر هي أنواع مختلفة من ذرات عنصر كيميائي: لها كتل ذرية مختلفة ، ولكن الشحنة النووية نفسها.

وبالتالي تحتوي نواتها على نفس عدد البروتونات ، ولكن عددًا مختلفًا من النيوترونات. على سبيل المثال ، تحتوي نظائر الأكسجين الطبيعي ذات Z = 8 على 8 و 9 و 10 نيوترونات في نواتها ، على التوالي. يسمى مجموع أعداد البروتونات والنيوترونات في نواة أي نظير بالرقم الكتلي A. لذلك ، فإن أعداد كتلة نظائر الأكسجين المشار إليها هي 16 و 17 و 18. وقد تم قبول التعيين التالي للنظائر: Z يتم إعطاء القيمة في أسفل يسار رمز العنصر ، يتم إعطاء القيمة A في أعلى اليسار. على سبيل المثال: 16 8 O ، 17 8 O ، 18 8 O.

بعد اكتشاف ظاهرة النشاط الإشعاعي الاصطناعي ، تم الحصول على حوالي 1800 من النظائر المشعة الاصطناعية باستخدام التفاعلات النووية للعناصر ذات Z من 1 إلى 110. الغالبية العظمى من النظائر المشعة الاصطناعية لها فترات نصف عمر قصيرة جدًا ، تقاس بالثواني وأجزاء من الثواني ؛ قلة قليلة فقط لها عمر طويل نسبيًا (على سبيل المثال ، 10 Be - 2.7 10 6 years ، 26 Al - 8 10 5 years ، إلخ).

العناصر المستقرة موجودة في الطبيعة بحوالي 280 نظيرًا. ومع ذلك ، تبين أن بعضها مشع قليلاً ، مع فترات نصف عمر ضخمة (على سبيل المثال ، 40 K ، 87 Rb ، 138 La ، l47 Sm ، 176 Lu ، 187 Re). عمر هذه النظائر طويل جدًا بحيث يمكن اعتبارها مستقرة.

لا يزال هناك العديد من المشاكل في عالم النظائر المستقرة. لذلك ، ليس من الواضح سبب اختلاف عددهم في العناصر المختلفة كثيرًا. حوالي 25٪ من العناصر المستقرة (Be، F، Na، Al، P، Sc، Mn، Co، As، Y، Nb، Rh، I، Cs، Pt، Tb، Ho، Tu، Ta، Au) موجودة في الطبيعة فقط نوع واحد من الذرة. هذه هي ما يسمى بالعناصر الفردية. ومن المثير للاهتمام أن جميعها (باستثناء Be) لها قيم Z فردية. بشكل عام ، بالنسبة للعناصر الفردية ، لا يتجاوز عدد النظائر المستقرة اثنين. على العكس من ذلك ، تتكون بعض العناصر التي تحتوي على Z حتى من عدد كبير من النظائر (على سبيل المثال ، يحتوي Xe على 9 نظائر ثابتة و Sn - 10).

تسمى مجموعة النظائر المستقرة لعنصر معين المجرة. غالبًا ما يتقلب محتواها في المجرة بشكل كبير. من المثير للاهتمام أن نلاحظ أن وفرة النظائر ذات الأعداد الكتلية التي تكون مضاعفات الأربعة (12 درجة مئوية ، 16 س ، 20 كا ، إلخ) هي الأعلى ، على الرغم من وجود استثناءات لهذه القاعدة.

أتاح اكتشاف النظائر المستقرة حل اللغز طويل المدى للكتل الذرية - انحرافها عن الأعداد الصحيحة ، بسبب النسب المختلفة للنظائر المستقرة للعناصر في المجرة.

في الفيزياء النووية ، مفهوم "الأيزوبار" معروف. تسمى النظائر المتوازنة نظائر العناصر المختلفة (أي بقيم Z مختلفة) التي لها نفس أعداد الكتلة. ساهمت دراسة الأيزوبار في إنشاء العديد من الانتظامات المهمة في سلوك وخصائص النوى الذرية. يتم التعبير عن أحد هذه الانتظامات في القاعدة التي صاغها الكيميائي السوفيتي إس إيه شتشوكاريف والفيزيائي اليمني إ. ماتاوخ. تقول: إذا اختلف خطي تساوي الضغط في قيم Z بمقدار 1 ، فسيكون أحدهما بالضرورة مشعًا. مثال كلاسيكي على زوج من الأيزوبار هو 40 18 Ar - 40 19 K. فيه ، يكون نظير البوتاسيوم مشعًا. جعلت قاعدة شتشوكاريف-ماتاوخ من الممكن تفسير سبب عدم احتواء عنصري التكنيشيوم (Z = 43) والبروميثيوم (Z = 61) على نظائر مستقرة. نظرًا لأن لديهم قيم Z فردية ، لا يمكن توقع أكثر من نظيرين مستقرين بالنسبة لهم. ولكن اتضح أن نظائر التكنيشيوم والبروميثيوم ، على التوالي ، نظائر الموليبدينوم (Z = 42) والروثينيوم (Z = 44) والنيوديميوم (Z = 60) والساماريوم (Z = 62) ، ممثلة في الطبيعة بواسطة أصناف مستقرة من الذرات في نطاق واسع من الأعداد الكتلية. وهكذا ، تفرض القوانين الفيزيائية حظرا على وجود نظائر مستقرة للتكنيشيوم والبروميثيوم. هذا هو السبب في أن هذه العناصر غير موجودة بالفعل في الطبيعة وكان لابد من تصنيعها بشكل مصطنع.

لطالما حاول العلماء تطوير نظام دوري للنظائر. بالطبع ، إنه يقوم على مبادئ أخرى غير أساس النظام الدوري للعناصر. لكن هذه المحاولات لم تؤد بعد إلى نتائج مرضية. صحيح ، لقد أثبت الفيزيائيون أن تسلسل ملء قذائف البروتون والنيوترون في نواة الذرة يشبه من حيث المبدأ تكوين الأصداف الإلكترونية والأجزاء الفرعية في الذرات (انظر الذرة).

يتم بناء غلاف الإلكترون لنظائر عنصر معين بنفس الطريقة تمامًا. لذلك ، فإن خواصها الكيميائية والفيزيائية متطابقة تقريبًا. فقط نظائر الهيدروجين (البروتيوم والديوتيريوم) ومركباتهما تظهر اختلافات ملحوظة في الخصائص. على سبيل المثال ، يتجمد الماء الثقيل (D 2 O) عند +3.8 ، ويغلي عند 101.4 درجة مئوية ، وله كثافة 1.1059 جم / سم 3 ، ولا يدعم حياة الكائنات الحية الحيوانية والنباتية. أثناء التحليل الكهربائي للماء إلى هيدروجين وأكسجين ، تتحلل جزيئات H2 0 في الغالب ، بينما تبقى جزيئات الماء الثقيل في المحلل الكهربائي.

يعتبر فصل نظائر العناصر الأخرى مهمة صعبة للغاية. ومع ذلك ، في كثير من الحالات ، هناك حاجة إلى نظائر العناصر الفردية ذات المحتوى المتغير بشكل كبير مقارنة بالوفرة الطبيعية. على سبيل المثال ، عند حل مشكلة الطاقة الذرية ، أصبح من الضروري فصل النظائر 235 U و 238 U. لهذا الغرض ، تم تطبيق طريقة قياس الطيف الكتلي لأول مرة ، والتي تم الحصول على الكيلوجرامات الأولى من اليورانيوم 235 من خلالها. عام 1944 في الولايات المتحدة الأمريكية. ومع ذلك ، تبين أن هذه الطريقة باهظة الثمن وتم استبدالها بطريقة الانتشار الغازي ، والتي تستخدم UF 6. يوجد الآن عدة طرق لفصل النظائر ، لكن جميعها معقدة ومكلفة للغاية. ومع ذلك ، فإن مشكلة "فصل الذي لا ينفصل" يتم حلها بنجاح.

ظهر نظام علمي جديد - كيمياء النظائر. يدرس سلوك النظائر المختلفة للعناصر الكيميائية في التفاعلات الكيميائية وعمليات تبادل النظائر. نتيجة لهذه العمليات ، يتم إعادة توزيع نظائر عنصر معين بين المواد المتفاعلة. إليك أبسط مثال: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (جزيء ماء يتبادل ذرة بروتيوم بذرة ديوتيريوم). الكيمياء الجيولوجية للنظائر تتطور أيضًا. إنه يبحث في التقلبات في التركيب النظيري لعناصر مختلفة في قشرة الأرض.

ما يسمى بالذرات المسمى ، والنظائر المشعة الاصطناعية للعناصر المستقرة أو النظائر المستقرة ، تجد التطبيق الأوسع. بمساعدة مؤشرات النظائر - الذرات المسمى - يدرسون طرق حركة العناصر في الطبيعة الحية والجامدة ، وطبيعة توزيع المواد والعناصر في الكائنات المختلفة. تستخدم النظائر في التكنولوجيا النووية: كمواد لبناء المفاعلات النووية ؛ كوقود نووي (نظائر الثوريوم واليورانيوم والبلوتونيوم) ؛ في الاندماج النووي الحراري (الديوتيريوم ، 6 لي ، 3 He). تستخدم النظائر المشعة أيضًا على نطاق واسع كمصادر للإشعاع.

ما هي النظائر

النظائرنوع من ذرة عنصر كيميائي. توجد دائمًا أعداد متساوية من الإلكترونات والبروتونات في أي ذرة. نظرًا لأن لديهم شحنة معاكسة (الإلكترونات سالبة ، والبروتونات موجبة) ، فإن الذرة دائمًا محايدة (هذا الجسيم الأولي لا يحمل شحنة ، فهو يساوي صفرًا). عندما يُفقد الإلكترون أو يُقبض عليه ، تفقد الذرة حيادها ، وتصبح إما أيونًا سالبًا أو إيجابيًا.
ليس للنيوترونات شحنة ، لكن عددها في النواة الذرية لنفس العنصر يمكن أن يكون مختلفًا. هذا لا يؤثر على حياد الذرة ، لكنه يؤثر على كتلتها وخصائصها. على سبيل المثال ، يحتوي كل نظير من نظير ذرة الهيدروجين على إلكترون واحد وبروتون واحد لكل منهما. وعدد النيوترونات مختلف. يحتوي البروتيوم على نيوترون واحد فقط ، بينما يحتوي الديوتيريوم على نيوترونين ، ويحتوي التريتيوم على 3 نيوترونات. تختلف هذه النظائر الثلاثة بشكل ملحوظ عن بعضها البعض في الخصائص.

مقارنة النظائر

كيف تختلف النظائر؟ لديهم عدد مختلف من النيوترونات وكتل مختلفة وخصائص مختلفة. النظائر لها بنية متطابقة من قذائف الإلكترون. هذا يعني أنها متشابهة تمامًا في الخواص الكيميائية. لذلك ، يتم تخصيص مكان واحد لهم في النظام الدوري.
تم العثور على نظائر مستقرة ومشعة (غير مستقرة) في الطبيعة. نوى ذرات النظائر المشعة قادرة على التحول تلقائيًا إلى نوى أخرى. في عملية الاضمحلال الإشعاعي ، تنبعث منها جزيئات مختلفة.
تحتوي معظم العناصر على أكثر من عشرين نظيرًا مشعًا. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تصنيع النظائر المشعة بشكل مصطنع لجميع العناصر تمامًا. في مزيج طبيعي من النظائر ، يتقلب محتواها قليلاً.
جعل وجود النظائر من الممكن فهم لماذا ، في بعض الحالات ، العناصر ذات الكتلة الذرية الأقل لها رقم تسلسلي أعلى من العناصر ذات الكتلة الذرية الأكبر. على سبيل المثال ، في زوج الأرجون والبوتاسيوم ، يحتوي الأرجون على نظائر ثقيلة ، ويحتوي البوتاسيوم على نظائر خفيفة. لذلك ، فإن كتلة الأرجون أكبر من كتلة البوتاسيوم.

قرر TheDifference.ru أن الفرق بين النظائر عن بعضها البعض كما يلي:

لديهم أعداد مختلفة من النيوترونات.
للنظائر كتل ذرات مختلفة.
تؤثر قيمة كتلة ذرات الأيونات على طاقتها الإجمالية وخصائصها.