تعریف ایزوتوپ و انواع کاربردهای آن

ایزوتوپ یکی از دو یا چند گونه اتم یک عنصر شیمیایی با عدد و آرایش اتمی یکسان در جدول تناوبی و رفتار شیمیایی تقریباً یکسان اما با عدد جرمی و خصوصیات فیزیکی متفاوت است. هر عنصر شیمیایی یک یا چند ایزوتوپ دارد.

یک اتم با توجه به تعداد پروتون های هسته آن شناسایی و برچسب گذاری می شود که به آن عدد اتمی می گویند. اهمیت عدد اتمی از این جهت است که همه اتم های یک عنصر دارای عدد اتمی و خواص شیمیایی یکسانی هستند. در مبحث ایزوتوپ چیست علوم هشتم این موارد شرح داده شده است.

مجموعه بزرگی از اتم ها با عدد اتمی یکسان نمونه ای از یک عنصر را تشکیل می دهد. به عنوان مثال یک نوار اورانیوم خالص از اتم هایی با عدد اتمی 92 تشکیل شده است. با اینحال همه اتمهای یک عنصر نیاز به تعداد یکسان نوترون در هسته خود ندارند. در واقع، این دقیقاً تغییر در تعداد نوترون های هسته اتم ها است که باعث ایجاد ایزوتوپ می شود.

تشکیل ایزوتوپ:
ایزوتوپها به دو روش می توانند تشکیل شوند یکی به صورت طبیعی و از طریق واپاشی رادیواکتیو هسته و دیگری به شکل مصنوعی و با بمباران هسته های پایدار توسط ذرات باردار.

ایزوتوپ های عناصر:
در یک اتم خنثی تعداد پروتون های هسته اتم برابر با تعداد الکترون های آن است. عدد اتمی یک عنصر خاص را مشخص می کند، اما ایزوتوپ را مشخص نمی کند. یک اتم از یک عنصر مشخص ممکن است در تعداد نوترون های خود طیف گسترده ای داشته باشد.

تعداد نوکلئونها ( پروتون و نوترون) در هسته عدد جرمی اتم را تشکیل می دهند و ایزوتوپ های یک عنصر مشخص عدد جرمی متفاوتی دارد. در مبحث ایزوتوپ را تعریف کنید علوم هشتم به این موارد پرداخته شده است.

به عنوان مثال، کربن 12، کربن 13 و کربن 14 به ترتیب ایزوتوپ های کربن با عدد جرمی 12، 13 و 14 هستند. عدد اتمی کربن 6 است، به این معنی که هر اتم کربن 6 پروتون دارد ولی تعداد نوترون های آن به ترتیب 6، 7 و 8 است.

هیدروژن نمونه ای دیگر است که عدد اتمی آن 1 می باشد. سه هسته با یک پروتون شناخته شده است که به ترتیب حاوی 0، 1 و 2 نوترون هستند که ایزوتوپهای هیدروژن را تشکیل می دهند. ایزوتوپ های منیزیم و ایزوتوپ های کلر نیز به همین ترتیب با هسته اتمی حاوی تعداد پروتون یکسان و نوترون متفاوت مشخص می شوند. دانش آموزان در درس ایزوتوپ چیست شیمی دهم با این مفاهیم آشنا می شوند.

درصد فراوانی ایزوتوپ:
از آنجاییکه ایزوتوپ های عناصر مختلف با نسبت های یکسان وجود ندارند روشی برای تعیین درصد فراوانی هر یک از آنها از طریق طیف سنجی جرمی (اسپکترومتری جرمی) وجود دارد. با این روش مشخص می شود یک اتم دارای چه نسبتی از ایزوتوپ است مثلا درصد فراوانی ایزوتوپ های طبیعی جیوه از 0.146 تا 29.80 است.

در یک عنصر ممکن است ایزوتوپ های طبیعی و مصنوعی، ایزوتوپ هایی رادیواکتیو به نسبت های مختلف وجود داشته باشند. یکی از مثال های بسیار واضح در این رابطه هیدروژن است که از 3 ایزوتوپ آن دو ایزوتوپ طبیعی پایدار و یک ایزوتوپ یعنی تریتیوم رادیواکتیو است.

انواع ایزوتوپ و کاربردهای آنها:
دانشمندان ایزوتوپها را به دو نوع اصلی رادیواکتیو و پایدار تقسیم می کنند. هر دو نوع موارد استفاده گسترده ای در صنایع مختلف و زمینه های علمی - پزشکی دارند.

ایزوتوپ های پایدار:
ایزوتوپهای پایدار دارای ترکیب پایدار پروتون و نوترون هستند و هیچ نشانه ای از فروپاشی هسته ای را نشان نمی دهند. این پایداری از مقدار نوترون های موجود در یک اتم ناشی می شود. اگر یک اتم نوترون زیاد یا خیلی کمی داشته باشد، ناپایدار خواهد بود و تمایل به تجزیه دارد. از آنجا که ایزوتوپهای پایدار از بین نمی روند، تابش یا خطرات مربوط به سلامتی تولید نمی کنند.

موارد استفاده از ایزوتوپ های پایدار:
دانشمندانی که آزمایشات زیست محیطی و زمین شناسی انجام می دهند از ایزوتوپ های پایدار اکسیژن، هیدروژن، گوگرد، نیتروژن و کربن استفاده می کنند. به عنوان مثال در ژئوشیمی، دانشمندان ترکیب شیمیایی مواد زمین شناسی مانند مواد معدنی و سنگها را مطالعه می کنند. ایزوتوپ های پایدار ابزاری قابل اعتماد برای تعیین بسیاری از حقایق در مورد ترکیبات زمین شناسی از جمله سن و محل آنها هستند.

ایزوتوپ های رادیواکتیو:
رادیو ایزوتوپ ترکیبی ناپایدار از پروتون و نوترون دارند. این ایزوتوپ ها از بین می روند و تابشی منتشر می کنند که شامل پرتوهای آلفا، بتا و گاما است. دانشمندان ایزوتوپهای رادیواکتیو را بر اساس روند ایجاد آنها طبقه بندی می کنند: دارای عمر طولانی، کیهانی، انسانی و رادیوژنیک.

ایزوتوپهای رادیواکتیو با عمر طولانی در طول ایجاد منظومه شمسی ظهور کردند، در حالی که ایزوتوپهای رادیواکتیو کیهانی به عنوان واکنشی از جو در برابر پرتوهای کیهانی منتشر شده توسط ستاره ها رخ می دهند. ایزوتوپهای انسانی از فعالیت های هسته ای ساخته شده توسط بشر مانند آزمایش سلاح و تولید سوخت هسته ای ناشی می شوند، در حالی که ایزوتوپهای رادیوژنیک نتیجه نهایی فروپاشی رادیواکتیو هستند.

موارد استفاده از ایزوتوپ های رادیواکتیو:
کاربرد ایزوتوپهای پرتوزا در کشاورزی، صنایع غذایی، کنترل آفات، باستان شناسی و پزشکی است. رادیو کربن که سن اشیاء حاوی کربن را اندازه گیری می کند، از یک ایزوتوپ رادیواکتیو معروف به کربن 14 استفاده می کند. در پزشکی، از اشعه گاما که توسط عناصر رادیواکتیو منتشر می شود برای تشخیص تومورهای داخل بدن انسان استفاده می شود.

تابش مواد غذایی روند قرار دادن مواد غذایی در سطح کنترل شده ای از اشعه گاما - باعث از بین رفتن بسیاری از باکتری ها می شود و باعث می شود مواد غذایی برای مصرف امن تر شوند.

کاربرد ایزوتوپ بر اساس خواص هسته ای:
از آنجاییکه ای از تعداد متفاوتی نوترون تشکیل شده اند خواص هسته ای متفاوتی دارند که باعث پدید آمدن خواص فیزیکی متفاوت در آنها می شود. از اصلی ترین کاربردهای آنها می توان به روش های طیف سنجی اشاره کرد.

کاربرد ایزوتوپ بر اساس خواص فیزیکی و شیمیایی

نشان گذاری رادیوایزوتوپی (Isotopic Labelling):

در این روش از ایزوتوپهای غیر معمول یک عنصر به عنوان مارکر یا نشانگر در واکنش های شیمیایی استفاده می شود.

زمان سنجی رادیومتری (Radiometric Dating):

روش زمان سنجی رادیومتر نیز راهی برای مطالعه فرآیندهای شیمیایی با استفاده از ایزوتوپ ها است.

کاربرد ایزوتوپ در صنایع:
در صنعت از ایزوتوپهای رادیواکتیو مختلف برای اندازه گیری ضخامت ورق های فلزی یا پلاستیکی استفاده می شود. ضخامت دقیق آنها با مقاومت پرتوهایی که به مواد نفوذ می کنند، نشان داده می شود. آنها همچنین می توانند به جای دستگاه های بزرگ اشعه X برای بررسی قطعات فلزی ساخته شده از نظر نقص ساختاری استفاده شوند.

سایر کاربردهای قابل توجه شامل استفاده از ایزوتوپ های رادیواکتیو به عنوان منابع فشرده انرژی الکتریکی - به عنوان مثال، پلوتونیوم -238 در سفینه های فضایی است. در چنین مواردی، گرمای تولید شده در اثر فروپاشی ایزوتوپ رادیواکتیو با استفاده از مدارهای اتصال ترموالکتریک یا دستگاه های مرتبط به برق تبدیل می شود.

کاربرد ایزوتوپ در پزشکی:
پزشکی هسته ای یک زمینه تخصص پزشکی است که شامل استفاده از مواد رادیواکتیو برای تشخیص یا درمان بیماری است.

در روشهای پزشکی هسته ای، رادیونوکلوئیدها با عناصر دیگر ترکیب شده و ترکیبات شیمیایی تشکیل می دهند. این رادیو داروهای وقتی به بیمار تجویز می شود می تواند در اندام های خاص یا گیرنده های سلولی قرار بگیرد. این خاصیت رادیو داروها به پزشکی هسته ای این امکان را می دهد تا بتواند از میزان روند بیماری در بدن تصویربرداری کند.

این تصاویر به جای تغییرات فیزیکی در آناتومی بافت بر اساس عملکرد سلولی و فیزیولوژی است. بنابراین در برخی بیماری ها، مطالعات پزشکی هسته ای می تواند مشکلات پزشکی را در مراحل اولیه نسبت به سایر آزمایش های تشخیصی شناسایی کند.