ایزوتوپ‌ها، اتم‌های یک عنصر با جرم‌های متفاوت
باستان‌شناسان در یک غار، تکه‌ای زغال از آتشِ مردمِ کهن پیدا می‌کنند. چند هفته بعد، آزمایشگاه به آن‌ها می‌گوید این آتش حدودِ نُه هزار سال پیش روشن شده است. کسی تاریخِ آن آتش را ننوشته بود. پس آزمایشگاه از کجا فهمید؟ پاسخ در اتم‌های کربنِ همان زغال است، و در اینکه همه‌ی اتم‌های کربن دقیقاً مثلِ هم نیستند.
یک عنصر، چند جرم
همه‌ی اتم‌های کربن ۶ پروتون دارند؛ اگر نداشتند، کربن نبودند. اما تعدادِ نوترون‌هایشان می‌تواند فرق کند:
- بیشترِ اتم‌های کربن ۶ نوترون دارند.
- تعدادِ کمی ۷ نوترون دارند.
- و تعدادِ بسیار بسیار کمی ۸ نوترون.
به اتم‌های یک عنصر که تعدادِ نوترونِ متفاوتی دارند، ایزوتوپ‌های آن عنصر می‌گوییم. ایزوتوپ‌ها از نظرِ شیمیایی تقریباً یکسان رفتار می‌کنند، چون تعدادِ الکترون‌هایشان یکی است؛ اما جرمشان کمی فرق دارد.
عددِ جرمی
برای اینکه ایزوتوپ‌ها را از هم جدا کنیم، عددِ جرمی را به کار می‌بریم: مجموعِ تعدادِ پروتون‌ها و نوترون‌های هسته.
عددِ جرمی = تعدادِ پروتون‌ها + تعدادِ نوترون‌ها
پس ایزوتوپ‌های کربن عددهای جرمیِ ۱۲، ۱۳ و ۱۴ دارند و نامشان را این‌طور می‌گوییم: کربن-۱۲، کربن-۱۳ و کربن-۱۴. در نمادِ شیمیایی، عددِ جرمی را بالا و سمتِ چپِ نماد و عددِ اتمی را پایین و سمتِ چپ می‌نویسند.
اگر عددِ جرمی و عددِ اتمی را بدانیم، تعدادِ نوترون‌ها را هم می‌دانیم: کافی است عددِ اتمی را از عددِ جرمی کم کنیم. کربن-۱۴ یعنی ۱۴ منهای ۶، یعنی ۸ نوترون.
ایزوتوپ‌های پرتوزا
بیشترِ ایزوتوپ‌ها پایدارند و تا ابد همان‌طور می‌مانند. اما بعضی، مثلِ کربن-۱۴، ناپایدارند: هسته‌شان دیر یا زود از هم می‌پاشد و پرتوهایی پرانرژی بیرون می‌دهد. به این‌ها ایزوتوپ‌های پرتوزا می‌گوییم.
هر جانداری تا زنده است، کربن-۱۴ را همراهِ کربنِ معمولی از هوا یا غذا می‌گیرد. وقتی می‌میرد، دیگر کربنِ تازه نمی‌گیرد و کربن-۱۴ِ بدنش آرام‌آرام کم می‌شود: هر حدودِ پنج هزار و هفتصد سال، نصف می‌شود. آزمایشگاه با اندازه‌گیریِ کربن-۱۴ِ باقی‌مانده در زغال، سنِ آن را حساب کرد.
پرتوهای این مواد برای بدن خطرناک‌اند، اما اگر با دقت مهار شوند، بسیار مفیدند:
- پزشکی: پیدا کردنِ بیماری‌ها در تصویربرداری و درمانِ بعضی سرطان‌ها. پژوهشگرانِ ایرانی هم داروهایی از این دست می‌سازند.
- انرژی: در نیروگاه‌های هسته‌ای، از هسته‌ی اورانیم انرژی می‌گیرند.
- ایمنی: بعضی آشکارسازهای دود، مقدارِ بسیار کمی ماده‌ی پرتوزا دارند.
در خانه امتحان کنید
- هیدروژن سه ایزوتوپ دارد که عددهای جرمیِ آن‌ها ۱، ۲ و ۳ است. عددِ اتمیِ هیدروژن ۱ است.
- برای هر ایزوتوپ، تعدادِ پروتون، نوترون و الکترون (در اتمِ خنثی) را بنویسید.
- هسته‌ی هر سه را با دانه‌های دو رنگ روی کاغذ بچینید.
- کدام‌یک از این سه، نوترون ندارد؟
واژه‌های این درس
- ایزوتوپ - اتم‌های یک عنصر که تعدادِ نوترونِ متفاوت دارند.
- عددِ جرمی - مجموعِ تعدادِ پروتون‌ها و نوترون‌های هسته.
- پرتوزا - ایزوتوپی ناپایدار که هسته‌اش از هم می‌پاشد و پرتو بیرون می‌دهد.
ایده‌ی اصلی
ایزوتوپ‌های یک عنصر پروتونِ یکسان و نوترونِ متفاوت دارند، پس عددِ اتمیِ یکسان و عددِ جرمیِ متفاوت. بعضی ایزوتوپ‌ها پرتوزا هستند؛ خطرناک‌اند، اما در پزشکی، انرژی و تعیینِ سنِ اشیای کهن به کار می‌روند.