إن انوية جميع العناصر لها عدد ذري خاص بها أي ان لكل عنصر في الجدول الدوري رقم ذري يكون بمثابة البصمة الخاصة بها ، ولها دائماً نفس ذلك العدد من البروتونات ، ولكنها قد تختلف من حيث عدد النيوترونات المتواجدة في نواة العنصر ، و بالتالى يمكن أن تكون مختلفة الكتل (أي تختلف في أعدادها الكتلية).
هذة النيوكليدات التي تختلف في "عددها الكتلي" فقط وليس العدد الذري تسمى "نظائر"
على سبيل المثال ذرة الكربون C لها عدد ذري 6 والذي يمثل عدد الإلكترونات المتواجدة خارج النواة (1s2 2s2 2p2) أو عدد البروتونات المتواجدة داخل النواة كلاهما صحيح ، وبالمقابل فإن ذرة الكربون لها عدة نظائر وسبب تواجد هذة النظائر هو الاختلاف في عدد النيترونات المتواجدة داخل النواة مما يؤدي الى الاختلاف في العدد الكتلي ، وذلك لأن "العدد الكتلي = عدد البروتونات في النواة + عدد النيوترونات"
نظائر الكربون:
"نظير الكربون-12" اي ان له عدد بروتونات 6 وعدد نيوترونات 6
"نظير الكربون-13" اي ان له عدد بروتونات 6 وعدد نيوترونات 7
"نظير الكربون-14" اي ان له عدد بروتونات 6 وعدد نيوترونات 8
ونأخذ من نظائر اليورانيوم على سبيل المثال لشرحها اليورانيوم 233 ، اليورانيوم 235 ، اليورانيوم 238 .
نظير اليورانيوم-233
عدد البروتونات هو نفسة العدد الذري المعروف لذرة اليورانيوم 92
ذكرنا سابقاً القانون التالي
العدد الكتلي = عدد البروتونات في النواة + عدد النيوترونات
العدد الكتلي لهذا النظير هو 233
اذاً العدد الكتلي (233) = عدد البروتونات (92) + عدد النيوترونات (؟)
وبالتالي فإن عدد النيوترونات لهذا النظير تساوي 141
بالمثل نقوم بحساب عدد النيوترونات لنظير اليورانيوم-235
بما ان عدد البروتونات هو نفسة العدد الذري لكل النظائر 92 فإن عدد النيوترونات لهذا النظير تساوي 143
وبالنسبة لنظير اليورانيوم-238
وبتطبيق نفس الخطوات السابقة لحساب عدد النيوترونات ، نستنتج ان عدد النيوترونات لهذا النظير تساوي 146
النظائر: هي ذرات لنفس العنصر الكيميائي لها نفس العدد الذري Z ولكنها تختلف في الكتلة الذرية بسبب اختلاف عدد النيوترونات ، ولا تختلف الخواص الكيميائية للذرة ونظيرها ، ذلك لأن الخواص الكيميائية للذرة تعتمد على عدد البروتونات في النواة وبالتالي على عدد الإلكترونات التي تدور في الغلاف النووي وتوزيعها.
إن العامل الأساسي للتصرف الكيميائي لعنصر معين هو كمية الشحنة الكهربائية الموجبة فى نواة ذلك العنصر أي (عدد البروتونات) ويحدد ذلك بالطبع عدد الإلكترونات المدارية أي المتواجدة خارج النواة (الشحنة الكهربائية السالبة) ، التي تؤثر فعليا فى الخواص الكيميائية لذلك للعنصر.
إن النظائر المختلفة لعنصر معين والتي في نواتها نفس الشحنة الكهربائية (متعادلة) لكنها تختلف في كتلتها (العدد الكتلي) ، تتصف بخواص كيميائية متماثلة وتختلف في الخواص الفيزيائية من نظير لآخر .
تتكون العناصر الكيميائية بصورتها الطبيعية إما من نواة مفردة (عناصر مفردة النظائر) أو خليط مكون من نظيرين أو أكثر بنسب ثابتة ومعروفة ، فعلى سبيل المثال فإن الكلور الطبيعي - فى حالته النقية أو المتحدة - يتكون دائما من خليط "كلور 35 بنسبة 75.3% ، وكلور 37 بنسبة 24.6% (والذي يعطي الوزن الذرى المعروف للكلور 35.457) .
ويمكن أيضاً الحصول على النظائر بقذف العناصر الطبيعية النيوترونات ، أو جزيئات محملة بطاقة حركية عالية .
مصطلح "النظائر" لا تشمل النظائر في حالتها النقية فحسب ، لكن تشمل أيضاً العناصر الكيميائية التي تم تعديل تركيبها النظائرى الطبيعي صناعياً وذلك عن طريق جعل بعض العناصر غنية بأحد نظائرة (وهو نفس ما يحدث عند تخفيض بعض النظائر بعناصر أخرى) أو عند تحويل نظائر بعض العناصر إلى أخرى اصطناعيا من خلال التفاعلات النووية .
ومثال ذلك الكلور ذو الوزن الذرى "35.30" والمتحصل عليه عن طريق جعل عنصر الكلور غني بأحد النظائر بحيث يحتوى على 85% من الكلور-35 (وبالتالي تحدث عملية تخفيض نسبة النظير الاخر الى %15 فقط من الكلور-37 الذى يعتبر احد نظائر الكلور كما تحدثنا عنها سابقاً .
ونظيف هنا الى ان هناك عناصر تتواجد فى الطبيعة بنظائر منفردة او أحادية مثل البريليوم 9 ، الفلور 19 ، الألومنيوم 27 ، الفوسفور 31 ، المنجنيز 55 ... الخ.
ولاتعتبر في هذة الحالة من النظائر ، لكنها تُرتب فى أي من حالاتها الحرة أو المتحدة - حسب الحالة المتواجدة فيه - ضمن بنود أكثر تخصيصا ينتمي إليها العنصر الكيميائي أو المركب الكيميائي ، ومن ناحية اخرى تم ادراجها كنظائر بعد ان تم الحصول على نظائرها بشكل صناعي مثل البريليوم Be 10 فلور 18 F ، ألومنيوم 29 AI ، والفوسفور 32 P ، المنجنيز 54 Mn ، والجدير بالذكر انها نظائر مشعة.
ونشير هنا الى أن النظائر الكيميائية المصطنعة (التى تزيد أرقامها الذرية عادة عن 92 أو العناصر الإنتقالية) ليس لها تركيب نظائري ثابت ومحدد ، بل يختلف حسب طريقة الحصول على ذلك العنصر.
ماهو النشاط الاشعاعي:
بعض الينوكليدات ، بحكم تكوين نواتها غير المستقر ، تصدر إشعاعات مشتركة حتى تصل الى الاستقرار ، سواء أكانت هذة النيوكليدات بحالتها النقية أو بشكل مركبـات كيميائية ، وبإمكان هذه الإشعاعات أن تحدث تأثيرات فيزيائية أو كيميائية ، مثل :
1 - تأين الغازات.
2 - إستضاءة.
3 - التأثير على الألواح الفوتوغرافية.
ومن خلال هذة التأثيرات يمكن اكتشاف هذة الإشعاعات كما يمكن قياس حدتها بإستخدام عدادات جيجر مولر على سبيل المثال ، أو عدادات تناسبية أو غرف تأبين أو غرف ولسون أو عدادات تدفق الفقاعات أو عدادات الومض أو أشرطة وألواح محسسة وتعرف هذه الظاهرة بالنشاط الإشعاعي.
وتعرف العناصر الكيميائية والنظائر وكذا المركبات أو بصفة عامة المواد التي تظهر هذا النشاط تسمى "مشعة".
أي ان اي عنصر كيميائي يظهر هذا النشاط السابق ذكرة فإنة يسمى "عنصر مشع" وكذلك بالنسبة للنظائر والمركبات او المواد بصفة عامة.
العناصر المشعة:
وتشمل: التكنيتيوم، البروميثيوم، البولونيوم، جميع العناصر ذات الرقم الذري الأعلى كالأسـتانين، الرادون، الفرنسوم، الراديوم، الأكتينيوم، التوريوم، البروتاكتنيوم، اليورانيوم، النبتونيوم، البلوتونيوم، الأريسيوم، الكلوريوم، البركليوم، الكالينورنيوم، الأينشتانيوم، الفيرميوم، المندلينيوم، النوبليوم، اللورنسيوم. "جميع هذة العناصر تصنف كعناصر مشعة"
تتكون جميع هذة العناصر من نظائر عديدة جميعها مشعة وعلى خلاف ذلك فإن هناك عناصر تتكون من مزيج من نظائر "مستقرة ومشعة" مثل البوتاسيوم والروبيدوم والساماريوم واللوتيتيوم والتى تتميز نظائرها المشعة بقلة مستوى إشعاعها، وبأنها تشكل نسبة منخفضة نسبيا في المزيج، لذا فإنها تعتبر ثابتة علميا وبالتالي لا تخضع لهذا البند.
ومن جهة أخرى، فإن هذه العناصر ذاتها (البوتاسيوم ، الروبيديوم ، الساماريوم ، واللوتيتيوم) إذا ما أصبحت غنية بنظائرها المشعة (بوتاسيوم K 40 ، روبيديوم Rb 87 ، ساماريوم Sm 147 ، لوتيتيوم Lu 176) فإنها تعتبر من النظائر المشعة الداخلة فى ضمن البند.
النظائر المشعة:
من بـين النظائر المشعـة الطبيعيـة ، يمكن ذكر البوتاسيوم 40 والروبيديوم 87 ، والساماريوم 147 ، واللوتيسيوم 176 والتي سبق ذكرها أنفا ، فضلا عن اليورانيوم 235 ، واليورانيوم 238 وبعض نظائر الثاليوم والرصاص والبزموت والبولونيوم والراديوم والأكتينيوم والثوريوم والمعروفة غالبا بتسمية تختلف عن تسمية العنصر المقابل ، وتشير تلك التسمية إلى العناصر المشتقة منها بعملية التحويل الإشعاعى.
لاحظ هنا اننا عندما نذكر النظائر فإننا نذكر اسم العنصر وبجانبة العدد الكتلي للنظير لأن ذلك ما يفرق بين العنصر ونظيرة ولا نقوم بكتابة العدد الذري كونة لا يتغير سواء للعصنر او للنظير.
هناك عناصر كيميائية مستقرة عادة ، ويمكن أن تصبح مشعة إمـا بعد أن يتم قذفها بجزيئات مشحونة بطاقة حركية عالية جداً (بروتونات، ديوترونات) صادرة عن جهاز لتسريع الجزيئات (سيكلوترون، سنكروترون. ..إلخ) أو بعد أن تكون أمتصت نيوترونات فى مفاعل نووي.
والعناصر التى لحقها مثل هذا التحول تسمى "نظائر مشعة إصطناعياً".
ويعرف منها حتى الآن حوالي خمسمائـة نظير ، مائتان منها تقريبا لها تطبيقات عملية ، فبخلاف نظائر اليورانيـوم 233 ونظائر البلوتونيوم ، التى سبق ذكرها نذكر أكثرها أهمية وهى الهيدروجين 3 (تريتيوم) ، الكربون 14، الصوديوم 24، الفوسفور 32، الكبريت 35، البوتاسيوم 42، الكالسيوم 45، الكروم 51، الحديد 59، الكوبالت 60، الكريبتون 85، الإسـتروتنيتوم 90، الأيتريوم 90، البلاديوم 109، اليود 131 و 132، الزينـون 133، السيزيوم 137، الثوليوم 170، الإيرديوم 192، الذهب 198، والبولونيوم 210.
إن العناصر الكيميائية المشعة والنظائر المشعة، تتحول ذاتيا بصورة طبيعية إلى عناصر أو إلى نظائر أكثر ثباتاً أو إستقراراً مع مرور الزمن من خلال التخلص من هذا الاشعاع بواسطة الانبعاثات ، ويختلف زمن انبعاث هذا الاشعاع للوصول الى الإستقرار من عنصر الى اخر او من نظير إلى اخر.
إن الفترة الزمنية اللازمة كي تتناقص كمية نظير مشع معينة إلى نصف ما كانت عليه فى البداية أو تناقص كمية إشعاع النظير للوصول الى نصف ما كان علية في البداية (الثبات والاستقرار) ، فإنها تسمى فترة التحول أو نصف حياة ذلك النظير "عمر النصف" ويرمز له بالرمز t1⁄2 ، وتدخل فى هذا البند العناصر الكيميائية والنظائر المشعة حتى ولو كانت مختلطة ببعضها أو بمركبات مشعة، أو بمواد غير مشعة.
عمر النصف رمزه (t1⁄2) لمادة نشيطة إشعاعيا هو مقدار الوقت اللازم للكمية ، لكي تنخفض إلى نصف قيمتها كما تم قياسها في بداية الفترة الزمنية لتحلل إشعاعي .
يتسم كل نظير مشع بنصف عمر مميز له ، ونجد أنواعا من النظائر المشعة لها عمر النصف يبلغ إلى ثوان أو ميلي ثانية أو أقل ، وأخرى لها عمر النصف يبلغ ألاف السنين ، وأخرى لها عمر النصف يبلغ حتى ملايين أو مليارات السنين.
تتبع معادلة التحلل الإشعاعي التحلل الأسي ، وتكون فترة عمر النصف هو الزمن اللازم لتحلل نصف كمية المادة، وذلك بصرف النظر عن كون العينة 1 جرام أو 1000 جرام، فهو زمن ثابت يميز النظير المشع مهما كانت كميته.
واذا افترضنا هنا انقضاء عمر النصف لنظير مشع معين، أي عند الزمن t1⁄2 نجد أن الجزء الباقي من المادة ولم يتحلل قد بلغ النصف ، وإذا زدنا وانتظرنا مدة تالية قدرها t1⁄2 من المادة المتبقية نجد أن كمية المادة التي لم تتحلل بعد مقدارها نصف عمر النصف أي ربع الكمية الأصلية ، وإذا انتظرنا ايضاً مدة ثالثة قدرها t1⁄2 من المادة المتبقية نجد أن الكمية التي لم تتحلل أصبحت 1/8 من الكمية الأصلية وهكذا وذلك ما يقال له التحلل الأسي وهو النظام الذي تتبعة معادلة التحلل الإشعاعي.
فعلى سبيل المثال يضمحل اليورانيوم ببطء عن طريق إصدار جسيمات ألفا، ويبلغ عمر النصف لليورانيوم-238 حوالي 4.47 مليار سنة، ويبلغ لليورانيوم-235 حوالي 704 مليون سنة، مما يجعله مفيدًا في تأريخ عمر الأرض.
بعض التطبيقات على عمر النصف:
يتم الاستفادة من حساب عمر النصف للعناصر أو النظائر أو المركبات أو بشكل عام المواد المشعة في بعض التطبيقات سنذكر منها ما يلي
1) تقدير عمر الأرض :
نظراً لأن اليورانيوم ينتشر بكثرة على سطح الأرض وفي باطنها ، وبإعتقاد العلماء أن اليورانيوم موجود منذ نشأة الأرض قام العلماء بحساب "العمر الإشعاعي للأرض" عن طريق أخذ عينات من صخور القشرة الأرضية وتعيين نسبة اليورانيوم والرصاص في العينة ، ومعرفة عمر النصف لليورانيوم.
استطاع العلماء تقدير عمر الأرض ، كما وأنه من الممكن استخدام بعض العناصر المشعة التي احتُبست في الصخور أثناء تكونها في تقدير عمر هذه الصخور ، وكلما مر عليها الزمن فإن نسبة العنصر المشع ( مثلاً : بوتاسيوم - 40 ) تقل ، بينما يزداد العنصر الناتج عن الإضمحلال ( آرجون - 40 ) ويمكن استخدام نسبة هذه العناصر في تقدير عمر هذه الصخور.
2) التاريخ بالكربون :
تقوم الأشعة الكونية بتحويل غاز النيتروجين "14-N" إلى الكربون المشع "14-C" وتقوم الرياح بتوزيع الكربون المشع بشكل متجانس في الغلاف الجوي على هيئة غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يتناوله النبات في عملية البناء الضوئي ، ويتناوله بعد ذلك الحيوان والإنسان في عملية تناول الغذاء ، وتظل نسبة الكربون المشع "14-C" ثابتة ما دام الكائن حياً ، وعند وفاة الكائن الحي تبدأ نسبة "14-C" في التناقص ، وبمعرفة نسبة الكربون المشع في عينة معينة ، وبالرجوع إلى منحنى التحلل الإشعاعي للكربون المشع يمكن معرفة الزمن الذي انقضى على الوفاة وعلى هذا الاساس يتم تقدير عمر الموميات والاحافير المكتشفة.
تقوم الأشعة الكونية بتحويل غاز النيتروجين "14-N" إلى الكربون المشع "14-C" وتقوم الرياح بتوزيع الكربون المشع بشكل متجانس في الغلاف الجوي على هيئة غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يتناوله النبات في عملية البناء الضوئي ، ويتناوله بعد ذلك الحيوان والإنسان في عملية تناول الغذاء ، وتظل نسبة الكربون المشع "14-C" ثابتة ما دام الكائن حياً ، وعند وفاة الكائن الحي تبدأ نسبة "14-C" في التناقص ، وبمعرفة نسبة الكربون المشع في عينة معينة ، وبالرجوع إلى منحنى التحلل الإشعاعي للكربون المشع يمكن معرفة الزمن الذي انقضى على الوفاة وعلى هذا الاساس يتم تقدير عمر الموميات والاحافير المكتشفة.
عزيزي الزائر، اكتب لنا تعليقك على الموضوع..