بررسی ایزوتوپ های طبیعی عناصر

چکیده :
 
با استفاده از جدول ایزوتوپهاى طبیعى ، خط پایدارى بصورت یک تابع درجه ۲ از عدد اتمى رسم گردید. با مطالعه جدول ایزوتوپهاى طبیعى ، نشان داده شد که کلیه عناصر طبیعى بجز ایندیم داراى ایزوتوپهایى هستند که داراى عدد جرمى ویژه اى هستند که در مورد عناصر دیگر تکرار نمى شود. همچنین نشان داده شد که عناصر تکنسیم (Tc) و پرومتیم (Pm)که ایزوتوپ طبیعى ندارندنمیتوانند داراى عدد جرمى ویژه باشند. نمودارهاى تغییرات اعداد جرمى کلیه ایزوتوپها ، اعداد جرمى ویژه و اعداد جرمى عناصر تک ایزوتوپ بر حسب عدد اتمى رسم گردید و یک معادله درجه ۲ از آنها عبور داده شد. نشان داده شد که این سه منحنى بسیار بهم نزدیکند و هر سه خط پایدارى را نشان مى دهند.به عبارت دیگر هسته هاى ایزوتوپهاى با عدد جرمى ویژه و هسته هاى عناصرى که تنها یک ایزوتوپ طبیعى دارند پایدارترین هسته ها هستند.

مینو کریمی، فوق لیسانس تکنولوژی هسته ای، سرپرست گروه تحقیقات ایزوتوپی، سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی

مقدمه :
 
ایزوتوپهای یک عنصر ، اتمهایی از آن عنصر هستند که دارای جرم های متفاوت می باشند. عــلت اختـــلاف جرم ایزوتوپهای یک عنصر ، اختلاف در تعداد نوترون های موجود در هسته آنهاست 1 .ایزوتوپهای طبیعی عناصر را می توان به دو دسته پایدار و ناپایدار (رادیواکتیو) تقسیم کرد. ایزوتوپهای طبیعی ناپایدار ، دارای نیمه عمری بسیار طولانی هستند و بنابراین پس از گذشت 55/4 بیلیون سال از تشکیل زمین ، این ایزوتوپها همچنان در طبیعت یافت می شوند. مثلاٌ U238 با نیمه عمر 43/4 بیلیون سال ، فقط نیمی از آن از بین رفته است و همچنان در طبیعت وجود دارد. عاملی که باعث ناپایدار بودن یک هسته می شود و نیز نیمه عمر آن بستگی به انرژی داخلی هسته دارد. عناصر تعداد زیادی ایزوتوپهای غیرطبیعی هم دارند که همگی آنها ناپایدارند1. عناصر معمولاٌ بصورت مخلوطی از ایزوتوپهای مختلف در طبیعت وجود دارند. نسبت فراوانی این ایزوتوپها معمولاٌ در مخلوط های طبیعی ثابت است3و2. بعضی از عناصر دارای تعداد زیادی ایزوتوپ طبیعی هستند و بعضی تنها یک یا دو ایزوتوپ طبیعی دارند. در بین عناصر جدول تناوبی دو عنصر تکنیسم و پرومتیم ایزوتوپ طبیعی ندارند.
تکنسیم سبک ترین عنصری است که هیچ ایزوتوپ پایداری ندارد 5و6و7. عدد اتمی آن 43 و علامت اختصاری آن Tc است. ایزوتوپ Tc96m آن دارای نیمه عمر کمی است و در پزشکیهسته ای بکار می رود. ایزوتوپ Tc بعنوان یک چشمه گاما مورد استفاده قرار می گیرد. ایزوتوپ Tc97‌ نخستین ایزوتوپ مصنوعی بود که در سال 1937 ساخته شد. بیشتر تکنسیم های موجود در زمین محصول شکافت 235U در راکتورهای هسته ای می باشد که از سوخت هسته ای جدا سازی می شود. هیچیک از ایزوتوپهای تکنسیم دارای نیمه عمری بالاتر از 2/4 میلیون سال نیستند. (Tc98)
حضور این ایزوتوپ در غول های قرمز (red giants) در سال 1952 این تئوری را تقویت کرد که ستاره ها می توانند عناصر سنگین تر را تولید کنند. در زمین ، تکنسیم با فراوانی بسیار کم بصورتمحصول شکافت خود بخود سنگ معدن اورانیم یا محصول فرآیند جذب نوترون از مولیبدن وجود دارد.
پرومتیم 10و9و8 با عدد اتمی 61 و علامت اختصاری Pm‌ بعد از Tc‌ عنصری است که ایزوتوپ پایدار ندارد.
تولید این عنصر ازشکافت اورانیم و بمباران عنصر نئودیمیم بوسیله نوترون انجام می شود. ایزوتوپ های این عنصر دارای رادیواکتیویته بالا هستند و نمک های آن در تاریکی نوری برنگ آبی کمرنگ یا سبز تابش می کنند. پرومتیم را می توان بوسیله تبادل یونی از سوخت هسته ای جدا کرد. این عنصر جزء فلزات خاکهای نادر است. بنظر می رسد که این عنصر در پوسته زمین وجود ندارد.
تا کنون بیش از 4000 ایزوتوپ از عناصر مختلف شناسایی شده اند 4.از این تعداد تنها 288 ایزوتوپ ، طبیعی هستند و بقیه ایزوتوپهای غیرطبیعی ناپایدار می باشند. جدول 1 ایزوتوپهای طبیعی را برای کلیه عناصر به همراه عدد جرمی آنها نشان می دهد. اطلاعات مربوط به این جدول در نمودار 1 نشان داده شده است.
بررسی توزیع ایزوتوپهای طبیعی:
 
در نمودار 1 از بین نقاط مربوط به ایزوتوپهای طبیعی یک منحنی درجه 2 (سهمی) عبور داده شده است. این منحنی را خط پایداری می نامند. معادله این منحنی در نمودار ارائه گردیده است. چنانکه دیده می شود ، نقاط مربوط به ایزوتوپهای طبیعی مختلف ، در اطراف این خط پایداری پراکنده هستند.
با نگاهی دوباره به جدول 1 مشاهده می شود که بسیاری از ایزوتوپهای عناصر مختلف دارای عدد جرمی یکسان (ایزوبار) هستند. چنانکه ایزوبارها از جدول 1 حذف شوند جدول 2 حاصل می آید.
این جدول از جهاتی قابل توجه است :
1-    بدلیل حذف اعداد جرمی مشترک ، اعداد جرمی این جدول در حقیقت فقط مربوط به یک عنصر می باشند. این اعداد را از این پس "اعداد جرمی ویژه" می نامیم.
2-    اعداد جرمی ویژه تابعی کاملاٌ صعودی برحسب عدد اتمی می باشد. بعبارت دیگر ، کوچکترین عدد جرمی ویژه هر عنصر از بزرگترین عدد جرمی عنصر ماقبل خود (با عدد اتمی یک واحد کمتر) بزرگتر است.
3-    با دقت در این جدول مشاهده می شود که تمامی عناصر طبیعی دارای حداقل یک عدد جرمی ویژه هستند. بر این پایه ، تعداد اعداد جرمی که یک عنصر می تواند اختیار کند محدود است. زیرا باید درباره اعداد صحیح ، اعدادی بعنوان عدد جرمی ویژه برای عناصر ماقبل و مابعد باقی بماند.
4-    جدول 2 نشان می دهد که عناصر تکنسیم و پرومتیم دارای عدد جرمی ویژه نیستند. با توجه به نکته 2 ، تنها عدد جرمی ویژه که تکنسیم می تواند اختیار کند عدد 98 است.(بین 97 یعنی بزرگترین عدد جرمی ویژهء مربوط به عنصر Mo‌ و 99   یعنی کوچکترین عدد جرمی ویژه روتنیم). با مروری به جدول 1 در می یابیم که عناصر Mo(Z=42) و روتنیم (z=44) هر دو دارای ایزوتوپ 98  می باشند. بعبارت دیگر این دو عنصر ، علیرغم محدودیت ذکر شده در بند 3 ایزوتوپ هایی را دارا می باشند که در نتیجهء حضور آنها در جدول ایزوتوپ های طبیعی هیچ عدد جرمی ویژه ای برای تکنیسم باقی نمانده است. نگاهی دوباره به جدول 2 نشان می دهد که عنصر Nd(Z=60) دارای عدد جرمی ویژه 146 و عنصر سمریم (Z=62)‌ دارای عدد جرمی ویژه 147 می باشد. بنابراین دربازه اعداد طبیعی این محدوده ، عددی که پرمومتیم (Z=61) بتواند آنرا بعنوان عدد جرمی ویژه اختیار کند باقی نمانده است. بطور خلاصه اینکه عناصر ماقبل و مابعد عناصر تکنسیم و پرومتیم در جدول تناوبی عناصر تنها عناصری هستند که علیرغم محدودیت بند 3- اعداد جرمی اختیار کرده اند.
 
بررسی تغییرات اعداد جرمی ویژه بر حسب عدد اتمی:
 
نمودار 2 تغییرات اعداد جرمی ویژه کلیه عناصر جدول تناوبی را برحسب عدد جرمی نمایش می دهد. از بین این نقاط نیز یک منحنی درجه 2 رسم شده است که معادله ریاضی آن در نمودار آمده است ، دیده می شود که اعداد جرمی ویژه نسبت به کلیه اعداد جرمی بسیار به خط پایداری نزدیکتر هستند.    
در مورد عناصر بسیار سنگین این اختلاف به حدود یک واحد جرم اتمی می رسد.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Z
نمودار1
نمودار 2
نمودار 3
نمودار2- نمودار 1
نمودار 3- نمودار 1
1
0.9695
1.175
1.3642
0.2055
0.3947
3
5.2749
5.4416
5.5992
0.1667
0.3243
5
9.6195
9.749
9.8774
0.1295
0.2579
7
14.0033
14.0972
14.1988
0.0939
0.1955
9
18.4263
18.4862
18.5634
0.0599
0.1371
11
22.8885
22.916
22.9712
0.0275
0.0827
13
27.3899
27.3866
27.4222
-0.0033
0.0323
15
31.9305
31.898
31.9164
-0.0325
-0.0141
17
36.5103
36.4502
36.4538
-0.0601
-0.0565
19
41.1293
41.0432
41.0344
-0.0861
-0.0949
21
45.7875
45.677
45.6582
-0.1105
-0.1293
23
50.4849
50.3516
50.3252
-0.1333
-0.1597
25
55.2215
55.067
55.0354
-0.1545
-0.1861
27
59.9973
59.8232
59.7888
-0.1741
-0.2085
29
64.8123
64.6202
64.5854
-0.1921

کلید واژه ها: سایر موارد