سرشت علم(۲۶): ایزوتوپ‌ ها و رادیوآکتیویته

سه شنبه, ۱۵ام آبان, ۱۳۹۷
اندازه قلم متن

دکتر ریموند رخشانی *

مقاله و فایل صوتی بیست و ششم:

هنگامیکه دانشمندانِ حُوزه­ ی علم در قرن ۱۹ با بکارگیریِ رَوش‌ هایِ علمی‌ و ابزار‌هایِ فنی‌ شناخت در جست­ وجوی خواص مواد بودند[۱] متوجه شدند که برخی‌ مواد به نحوی خودانگیخته اشعه گسیل می ‌‌کنند[۲] .

کشفِ رادیوآکتیویته[۳] و متعاقبِ آن هسته ­ی اتم به شکل­ گیری فیزیکِ هسته­ ای  و شیمی‌ هسته­ ای  منجر شد.[۴]

قبلا گفته شد که ارنِست راتِرفورد چگونه با شلیکِ آنچه وی گلوله‌ هایی اتمی می‌‌ خواند به ورقه­ ای از طلا[۵] هسته­ ی اتم را کشف کرد. بازگشتِ ناگهانی گلوله‌ ها باعث شد تا وی فرضیه­ ی وجودِ ذراتِ گران­ وزن  با باری مثبت در قلبِ اتم‌ ها را مطرح سازد یعنی‌ چیزی که او پروتون[۶]  خواند[۷].

  • پروتون‌ ها ذراتِ هسته ­ای با بار مثبت هستند که جرم آنها تقریبا ۱۸۳۶ برابر جرمِ الکترون اندازه ­گیری شده است.
  • تعدادِ پروتون­ ها شماره­ ی اتمی[۸] ‌ خوانده می­ شود و نشانگر جایگاهِ هر عنصری در جدولِ تناوبی عناصر است.
  • تک­ پروتون­ ها یونِ هیدروژن[۹] خوانده می­ شوند چون اتمِ هیدروژن تنها یک پروتون و یک الکترون دارد و ذره ­ای پایدار است.

هنگامیکه با بهینه و پیچیده ­شدن ابزار، دانشمندان با اندازه­ گیری وزنِ اتم متوجه شدند که وزن آن تقریبا دو برابرِ مجموع وزنِ الکترون‌ ها و پروتون ­هاست به این نتیجه رسیدند که اتم‌ ها باید ذره­ ی گران ­وزن دیگری هم (با باری خنثی) در هسته­ ی مرکزی داشته باشند.

  • در سال ۱۹۳۲ هنگامیکه فیزیکدانِ انگلیسی‌ جیمز چادویک[۱۰]  آزمایشاتِ راترفورد را تکرار می­ کرد بالاخره نوترون را کشف کرد[۱۱].
  • چادویک ثابت کرد که نوترون‌ ها براستی خنثی هستند و بهمین دلیل ردیابیِ آنها سخت ­تر بوده است و دیگر اینکه جرم آنها کمی‌ از پروتون ‌ها بیشتر است.
  • نوترون‌ ها بخودی­ خود و منفرد ناپایدار و بی­ ثبات­ اند و به نحوی خود به­ خودی به پروتون و الکترون تبدیل می­ شوند. در آن فرآیند انرژی آزاد می­ شود.
  • اگرچه در هر عنصری تعدادِ پروتون‌ ها ثابت است اما تعداد نوترون ‌های هر عنصری می­ تواند متفاوت باشد.

نگاهی‌ به شیوه ­ی نامگذاری اتم‌ ها بیاندازیم.

  • تعداد پروتون‌ ها نام عنصر را تعیین می ‌کند. هر اتمی‌ با ۶ پروتون کربن خوانده می‌‌ شود.
  • اگر تعداد الکترون‌ ها از پروتون‌ ها کمتر یا بیشتر باشد، تعدادِ پروتون‌ ها بعلاوه الکترون‌ ها یون را مشخص می‌‌ کند. اتم کربنی با ۵ الکترون، یون C را می ‌‌سازد.
  • تعداد پروتون‌ ها بعلاوه­ ی نوترون‌ ها ایزوتوپ­ ها را تعریف می‌‌ کنند. اتم کربنی که ۶ نوترون دارد کربن – ۱۲ خوانده می شود، با ۷ نوترون کربن –  ۱۳  و با ۸ نوترون کربن – ۱۴  است. شماره­ ی هر ایزوتوپ مجموع پروتون ‌ها با نوترون ‌ها است. یکی‌ از جالب‌ ترین ایزوتوپ‌ ها آهن – ۵۶  است  که جلوتر به آن خواهیم پرداخت.
  • پروتون‌ ها عملکردِ شیمیایی‌ هر عنصر را شکل می ­دهند چون ذراتی با بار مثبت هستند و الکترون‌ ها را به خود جذب می‌‌ کنند. نوترون ‌ها نقش عمده­ ای در شیمی‌ ندارند اما نقشی‌ بسیار اساسی‌ در فیزیکِ هسته ­ای بازی می­ کنند.

با بکارگیریِ روش‌ هایِ علمی‌ و ابزار‌هایِ فنی‌ شناخت تمامِ انواعِ مجموعه‌ های پروتون­ ها و نوترون‌ ها، در جدولِ ایزوتوپ‌ ها جمع ­آوری شده­ اند[۱۲].

  • در آن جدول تعداد پروتون‌ ها بر محورِ عمودی و تعداد نوترون ‌ها بر محور افقی قرار دارد.
  • چیزی نزدیک به ۲۰۰۰ ایزوتوپ شناخته شده­ اند.
  • در عناصرِ سبک­ تر اغلب تعداد پروتون ‌ها و نوترون‌ ها برابر و شبیه به­ هم هستند اما عناصرِ سنگین­ تر نوترون‌ های بیشتری در مقابل هر پروتون خود دارند. پروتون ‌های با باری مثبت در هسته­ ی مرکزی یکدیگر را دفع می‌‌ کنند و نوترون ‌ها در هسته­ ی مرکزی همچون لایه‌ های نگهدارنده­ ی بین پروتون‌ ها عمل می ‌‌کنند.

اغلبِ ایزوتوپ‌ ها سرنوشت‌ های متفاوتی دارند[۱۳].

  • بیشترِ اتم­ ها ایزوتوپ‌ های باثباتی هستند یعنی‌ اتم‌ هایی‌ هستند که هسته­ ی­ مرکزی ‌شان برایِ میلیون‌ ها سال تغییر نمی‌‌ کند.
  • ایزوتوپ ‌ها اما در فرآیند‌هایی با انرژی بسیار بالا، از قبیل در واکنش‌ هایِ درهم­ گدازی[۱۴]  و یا واکنش‌ های ازهم­ شکافتی[۱۵] ، دچار تغییر می‌‌ شوند.
  • تقریبا یک میلیونیوم اتم­ ها رادیوآکتیو هستند. این اتم‌ ها بدلیل تغییراتِ خودانگیخته  در هسته­ ی مرکزی قابلیتِ تبدیل دارند[۱۶].

هسته ­ی­ مرکزی ایزوتوپ ‌های رادیوآکتیو به­ شکلی‌ خودانگیخته تغییر می‌‌ کند و در این فرآیند انرژی بسیار زیادی را آزاد می ‌کند.[۱۷]

  • شیمیدان فرانسوی آنتوآن هانری بکرل[۱۸] (۱۸۵۲-۱۹۰۸) برای نخستین ­بار به نحوی تصادفی‌ رادیوآکتیویته را کشف کرد[۱۹].
  • پس از او شیمیدان‌ های بسیاری سعی‌ کردند که این پدیده علمی‌ را توضیح دهند اما موفق ‌ترین آنها ماری اسکلودوسکا  کوری (۱۸۶۷-۱۹۳۴) لهستانی بود[۲۰] که بیشترِ آزمایشاتِ خود را در آزمایشگاهِ شوهرش پییر در پاریس انجام داد.
  • آن زن و شوهر تن‌ ها سنگِ اورانیوم را تصفیه کردند تا بالاخره در سال ۱۸۹۸ موفق شدند که مقدار بسیار کمی‌ از دو عنصر قبلا شناخته ­نشده یعنی‌ رادیوم و پولوتونیوم را کشف و استخراج کنند.
  • ماری کوری تنها شخصی‌ است که موفق شده است هم در فیزیک (۱۹۰۳) و هم در شیمی‌ (۱۹۱۱) جایزه­ ی نوبل را دریافت کند. او در سال ۱۹۳۴ بدلیلِ سرطان که مسلما بخاطر کارِ زیاد با عناصرِ رادیوآکتیو بود درگذشت[۲۱].

پژوهش‌ های بعدی بر روی موادِ معدنی رادیوآکتیو موجب شد تا سه نوع مختلفِ واپاشی یا فروکاهی رادیوآکتیو[۲۲]  شناخته شوند، آلفا ، بتا  و گاما .[۲۳]

  • در واپاشی آلفایی یک اتم به نحوی خودانگیخته ذره­ ای[۲۴]  متشکل از ۲ پروتون و ۲ نوترون را با سرعتی زیاد آزاد می‌ کند.
  • آن ذره شبیه به هسته ­ی­ مرکزیِ هلیوم – ۴ است؛ و به سرعت دو الکترون را به خود جذب کرده اتمِ هلیوم  را می ‌‌سازد.
  • ارنست راترفورد نخستین شخصی‌ بود که اشعه آلفا را کشف کرد و آن را به عنوانِ گلوله­ یِ اتمی‌ خود مورد استفاده قرار داده­ بود[۲۵].
  • پس از هر فروکاهیِ آلفایی هر عنصر رادیوآکتیو ۲ پروتون و ۲ نوترون کمتر دارد و به عنصر دیگری تبدیل می­ شود.

واپاشی یا فروکاهیِ بِتایی[۲۶]  تولیدِ الکترون‌ هایی‌ با انرژی بسیار زیاد یا اشعه­ ی بتا می­ کند. در فرآیندِ واپاشی بتایی، یک نوترون به نحوی خودانگیخته تبدیل به یک پروتون (که در هسته­ ی ­مرکزی می‌‌ ماند) و یک الکترون (که به سرعت نور به حرکت درمی ‌‌آید و تبدیل به اشعه­ ی بتا) می­ شود.

  • نوترون‌ هایِ منفرد و مجزا  رادیوآکتیو هستند و واپاشی یا فروکاهیِ بتایی دارند . تقریبا نیمی از آنها هر ۱۰ دقیقه دچارِ واپاشی می ‌‌شوند. در این فرآیند نوترون تبدیل به یک یون هیدروژن (H+) و یک الکترون با سرعتِ بالا می ‌‌شود.
  • در واپاشی یا فروکاهیِ بتایی  تعدادِ پروتون ‌ها در هسته­ ی مرکزی یک عدد افزایش می‌‌ یابد و در نتیجه شماره­ ی اتمی عنصر تغییر داده ­شده و افزایش می ‌‌یابد.[۲۷]

برخی‌ ایزوتوپ‌ ها هم به نحوی خودانگیخته دچار واپاشی گامایی[۲۸]  می ­شوند یعنی‌ به نحوی خودانگیخته اشعه‌ های الکترومغناطیسی ­ای‌ با انرژیِ بالا‌[۲۹]  که اشعه­ ی گاما نامیده می ‌‌شود آزاد می‌‌ کنند.

با نگاهی‌ مجدد به جدولِ ایزوتوپ‌ ها چند طرح مشخص است[۳۰].

  • ایزوتوپ‌ ها یا پایدار و باثبات هستند و یا رادیوآکتیو اند.
  • هر ایزوتوپِ رادیوآکتیو شیوه­ ی ویژه­ ی واپاشی یا فروکاهی خود را دارد – که می­تواند آلفا، بتا و یا گاما باشد – و هریک نیز آهنگِ واپاشی یا فروکاهی خود را دارد که نیم­ عمر  می‌‌ نامیم.
  • نیم ­عمر اشاره به مدت زمانِ لازمی دارد تا نیمی از مجموعه­ ی وزن اتمی‌ آن عنصر دچارِ واپاشی شده و نصف شود.
  • برای عمرسنجی یا قدمت ­زنیِ بسیاری چیزها، میزان ایزوتوپ عنصر‌ها در آن چیز و نتیجتاً استفاده از نیم­ عمر ایزوتوپ آن عنصر بکار گرفته­ می ­شود.

با واپاشی یا فروکاهیِ آلفایی و یا بتایی هر ایزوتوپی رادیوآکتیو، ایزوتوپِ جدیدی تولید می ‌‌شود. اغلب ایزوتوپ جدید هم خود رادیوآکتیو است و دچار واپاشی می ‌‌شود. نتیجتاً ما با زنجیره ­ای از فروکاهی‌ ها روبرو هستیم[۳۱].

  • متداول‌ ترین ایزوتوپِ آزمایشگاهی‌ اورانیوم – ۲۳۸ (U۲۳۸) است.
  • ایزوتوپِ دیگری که گازی خنثی است و در آمریکا پیدا شده است که اغلب در زیرزمین‌ ها و زیرساخت‌ های منازل جمع می‌‌ شود رادون (Ra۲۳۲) نام دارد. این گاز سرطان ­زاست و از زیربنایِ منازل متصاعد می ‌‌شود[۳۲].

نگرانی‌‌ های پیرامونِ سلامتی در موردِ موادِ رادیوآکتیو بدین دلیل است که در معرض اشعه‌ های رادیوآکتیو بسیار قوی بودن و یا بطور مستمر در معرضِ آنها بودن می ‌‌تواند سلول‌ ها را بکشد[۳۳]. واپاشی‌ هایِ رادیوآکتیو  (آلفا، بتا و گاما) اشعه‌ های یون­ ساز هستند و الکترون‌ ها را از اتم‌ ها جدا می‌‌ کنند و نتیجتاً پیوند‌هایِ اتمی را می ­شکنند.

در اینجا نگاهی‌ به نمونه‌ های کاربردی و فنی‌ استفاده از رادیوآکتیویته را لازم می‌‌ بینم.

[۱]

Brown, Edgardo, and Firestone, Richard, B. and Shirley, Virginia, S. Table of Radioactive Isotopes. Wiley, 1986.

[۲]

Rakhshani, Raymond. Origins of Modernity. Even Development in the Evolution of Science and Technology. South Carolina: CreateSpace, A Division of Amazon Publishing, 2011.

[۳]

Diel, Roland. Astrophysics with Radioactive Isotopes. Springer, 2018.

[۴]

Pflaum, R. Grand Obsession: Madame Curie and Her World. New York: Doubleday, 1989.

[۵]

gold foil

[۶]

Hellwinkle, D. Systematic Nomenclature of Organic Chemistry: A Dictionary to Comprehension and Application of its Basic Principles. Springer, 2001.

[۷]

massive particles called protons

[۸]

atomic number

[۹]

hydrogen ions – H+

[۱۰]

James Chadwick

[۱۱]

Miller, Martin. The Neutron’s Long Shadow: Legacies of Nuclear Explosives Production in the Manhattan Project. Schiffer Military History, 2017.

[۱۲]

Faure, Gunter. Isotopes: Principles and Applications. WI, 2012.

[۱۳]

Knolls Atomic Power Laboratory. Nuclides and Isotopes: Chart of the Nuclides. Knolls Atomic Power Lab, 2010.

[۱۴]

fusion reactions

[۱۵]

fission reactions

[۱۶]

spontaneous changes having the ability to transform

[۱۷]

Trefil, J.S. and Hazen, R.M. The Sciences, An Integrated Approach, 2nd Edition. New York: Wiley, 1997.

[۱۸]

Antoine Henri Becquerel

[۱۹]

Antoine Henri Becquerel. Recherches Sur L’absorption De La Lumi, Ere: Thesis. Nabu Press, 2012.

[۲۰]

Quinn, Susan. Marie Curie: A Life. Plunkett Lake Press, 2011.

[۲۱]

Visotskii, Vladimir, Kornilova, Alla. Nuclear Transmutation of Stable and Radioactive Isotopes in Biological Systems. Motilal U.K. Books of India, 2010.

[۲۲]

USA’s DOE and Jones, Jeffrey. Nuclear Physics and Reactor Theory: Atomic Physics, The Chart of Nuclides, Radioactivity, Radioactive Decay, Neutron Interaction, Fission, Reactor Theory and Neutron Characteristics. Amazon Digital Services, 2015.

[۲۳]

۳ types of radioactive decay: alpha, beta, and gamma

[۲۴]

a particle

[۲۵]

Rutherford, Ernest. Radioactive Transformations (Classic Reprint.) Forgotten Books, 2016.

[۲۶]

beta decay

[۲۷]

Armbruster, P. and Hessberger, F. Making New Elements. Scientific American, September 1988.

[۲۸]

gamma decay

[۲۹]

high energy electromagnetic radiation

[۳۰]

MDS Nordion. Radioisotope Decay Tables. Nordion, 2015.

[۳۱]

Costes, JR. Radioactive Decay Revisited: Quantum Radioactive Decay. Amazon Digital Services LLC, 2015.

[۳۲]

Kladder, Douglas. Protecting Your Home From Radon: A Step By Step Manual For Radon Reduction. Amazon Publishing, 2003.

[۳۳]

Creager, Angela, N. H. Life Atomic: A History of Radioisotopes in Science and Medicine. University of Chicago Press, 2013.

————————————————————–

بخش ۱ این نوشته

بخش ۲ این نوشته

بخش ۳ این نوشته

بخش ۴ این نوشته

بخش ۵ این نوشته

بخش ۶ این نوشته

بخش ۷ این نوشته

بخش ۸ این نوشته

بخش ۹ این نوشته

بخش ۱۰ این نوشته

بخش ۱۱ این نوشته

بخش ۱۲ این نوشته

بخش ۱۳ این نوشته

بخش ۱۴ این نوشته

بخش ۱۵ این نوشته

بخش ۱۶ این نوشته

بخش ۱۷ این نوشته

بخش ۱۸ این نوشته

بخش ۱۹ این نوشته 

بخش ۲۰ این نوشته 

بخش ۲۱ این نوشته 

بخش ۲۲ این نوشته

بخش ۲۳ این نوشته

بخش ۲۴ این نوشته

بخش ۲۵ این نوشته

—————–

* دکتر ریموند رخشانی در باره خودش:

من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی من مهندسی‌ سیستم‌ها است، و تخصص من در بکارگیری اندیشه سیستمی‌ برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فراورده‌های نوین می‌‌باشد. در این سلسله از مقالات و فایل‌های صوتی کوشش می‌‌کنم که علم مدرن را از پایه به دوستان معرفی‌ کنم.


به کانال تلگرام سایت ملیون ایران بپیوندید

هنوز نظری اضافه نشده است. شما اولین نظر را بدهید.