تم تصييغ مصطلح `النظائر` في اللغة الإنجليزية من قبل الطبيبة الاسكتلندية ماركريت تود عام 1913، بعد محادثتها مع الكيميائي فريدريك سودي من جامعة كلاسكو، والذي أشار إلى أن العديد من العناصر تأخذ موقعا خاصا بها في الجدول الدوري، وبناء على ذلك وضعت تود مصطلح `النظير` الذي يشير إلى تواجد العنصر في نفس الموقع، واستمر سودي في أبحاثه حول النظائر وحصل عام 1921 على جائزة نوبل في دراسة العناصر المشعة.
أنواع النظائر
هناك نوعان من النظائر، يعرف النوع الأول منها بالنظائر المستقرة، أما النوع الثاني فيعرف بالنظائر المشعة أو النظائر غير المستقرة. يقدر عدد النظائر المستقرة بحوالي ثلاثمائة، وتم إنتاج نحو ألف وخمسمائة نظير مشع صناعيا حتى الآن. وهناك واحد وعشرون عنصرا موجودا في الطبيعة بصورة نقية، مما يعني عدم وجود أي نظائر.
كما أن النظائر المشعة تنقسم إلى نظائر طبيعية متواجدة بالطبيعة وأخرى تم تصنيعها وأصبح بمقدور الإنسان إنتاجها لكي يستخدمها بمختلف الأغراض، الجدير بالذكر أن مختلف النظائر المشعة يتم إنتاجها من خلال تعرض النظائر المستقرة لكم هائل من الجسيمات النووية مثل البروتونات أو النيوترونات أو الديوترونات (الديوترون يقصد به نواة مكونة من نيوترون وبروتون) أو جسيمات ألفا، ويتم استخدامها في المفاعلات النووية أو مولدات النيوترونات كمصدر للنيوترونات بينما يتم استعمال المعجلات النووية كمصدر للجسيمات المشحونة مثل الديوترونات والبروتونات و وجسيمات ألفا وما إلى نحو ذلك.
ويتم تجهيز النظائر صناعيا بواسطة إطلاق الذرات المتعلقة بأحد العناصر باستخدام إحدى القذائف مثل (الديوترون، أو النيوترون، أو الأشعة ألفا، البروتون، أو أشعة الأشعة السينية ذات الطاقة العالية)، ويتم الإشارة إلى أن النيوترون هو الأكثر كفاءة بين تلك القذائف، ومن المعروف أن نجاح التفاعل الذي يحدث بين ذرات العنصر والأشعة المطلقة يعتمد بشكل كامل على طاقة هذه الجزيئات وتقاس بوحدة (مقطع التفاعل الذري).
وبناء على هذا التحليل، يتبين أن النيوترونات البطيئة ذات الطاقة المنخفضة لديها قطع عرضية كبيرة بالمقارنة مع النيوترونات السريعة ذات الطاقة العالية. ومن حيث التاريخ، يعود تصنيع نظائر المواد المشعة إلى الثلاثينات من القرن الماضي في المختبرات الكيميائية باستخدام جهاز يعرف بالسايكلوترون والذي تم استخدامه لتفكيك أنوية الذرات.
تعريف النظائر المشعة
لكي يتم تحديد ما إذا كان العنصر مشعا أو مستقرا وما هو السبب وراء تشعب العنصر؛ يجب أن يراعى في النظر الذرات العنصرية بشكل عام. فكل نواة تحتوي على بروتونات ونيوترونات، والنيوترونات ليست مشحونة ولكنها جسيمات متعادلة، أما البروتونات فهي مشحونة بشحنات موجبة، وغالبا ما تكون النيوترونات والبروتونات متجاورة في مساحة صغيرة جدا.
يحدث تنافر في النواة ما بين الشحنات الموجبة، ويعاكس هذه القوة الكهرومغناطيسية القوة النووية التي يترتب عليها تجاذب مكونات النواة، وبذلك تظل النواة في حالة تماسك دون أن تتفكك، تلك القوة ذات مقدار أكبر من القوة الكهرومغناطيسية، ولكن فيما يتعلق بمدى تأثيرها فإنه يكون مقتصراً على حجم النواة فقط، أما نطاق القوة الكهرومغناطيسية فهو أكبر.
ونتيجة لما سبق ذكره دوماً ما يكون هناك صراع ما بين القوة النووية والقوة الكهرومغناطيسية، وكمثال لإيضاح ذلك يمكن ذكر نواة اليورانيوم التي تتضمن اثنان وتسعون بروتوناً وهنا تكون القوة الكهرومغناطيسية أكبر كثيراً من القوة النووية، مما يجعل النواة في حالة من عدم الاستقرار، بل يحدث لها اضمحلال إشعاعي، ومن ثم يحدث لليورانيوم تحلل إلى عنصر مستقر أكثر.
ماهي أنواع النظائر المشعة
يعني النشاط الإشعاعي انطلاق نواة أحد العناصر الكيميائية مثل اليورانيوم، أو إطلاق جسيمات إشعاعية كما يحدث في المثال التالي:
- جسيمات ألفا ( Alpha particles): هي نواة هيليوم.
- جسيمات بيتا ( Beta particles): هي بوزيترونات أو إلكترونات.
- غاما (Gama): هو إشعاع كهرومغناطيسي عالي التردد.
عندما تنبعث تلك الإشعاعات والجسيمات، يحدث تحول في النواة من حالة غير مستقرة إلى حالة مستقرة، ويعرف هذا التحول بالاضمحلال الإشعاعي (Radioactive Decay). ومن أنواع النظائر المشعة التالية
- ميتنيريوم (Mt)-العناصر الانتقالية.
- هاسيوم (Hs)-العناصر الانتقالية.
- بوهريوم (Bh)-العناصر الانتقالية.
- سيبوريوم (Sg)-العناصر الانتقالية.
- دوبينيوم (Db)-العناصر الانتقالية.
- رثرفورديوم (Rt)-العناصر الانتقالية.
- لورينسيوم (Lr)-المعادن النادرة.
- نوبيليوم (No)-المعادن النادرة.
- مينديليفيوم (Md)-المعادن النادرة.
- فيريميوم (Fm)-المعادن النادرة.
- إينشتاينيوم (Es)-المعادن النادرة.
- كاليفورنيوم (Cf)-المعادن النادرة.
- بيركيليوم (Bk)-المعادن النادرة.
- كيوريوم (Cm)-المعادن النادرة.
- أمريكيوم (Am)-المعادن النادرة.
- البلوتونيوم (Pu)-المعادن النادرة.
- النبتونيوم (Np)-المعادن النادرة.
- اليورانيوم (U)-المعادن النادرة.
- البروتكتينيوم (Pa)-المعادن النادرة.
- الثوريوم (Th)-المعادن النادرة.
- الأكتينيوم (Ac)-المعادن النادرة.
- الراديوم (Ra)-القلويات الترابية.
- الفرنك (Fr)-المعادن القلوية.
- الرادون (Rn)-الغازات النبيلة.
- أستاتين (At)-الهالوجينات.
- بولونيوم (Po)-الفلزّات.
- بروميثيوم (Pm)-المعادن الأرضية النادرة.
- تيكنيتيوم (TC)-المعادن الانتقالية.
النظائر المستقرة
يمكن أن تتمتع مختلف نظائر العناصر الكيميائية بخواص إشعاعية متفاوتة، وتكون النظائر ثابتة عندما لا تكون لها نشاط إشعاعي. وتتمتع النظائر الثابتة لنفس العناصر بنفس الخواص الكيميائية، مما يجعل التفاعل الذي يحدث لكل منها متماثلا في الطريقة. يكمن الاختلاف في الكتلة الزائدة من النيوترونات التي تتكون أثناء عملية تفكيك النظائر الثقيلة أثناء التفاعل الكيميائي.
على سبيل المثال، يمكن أن نشير إلى الاختلاف الذي يحدث بين اثنين من النظائر الهامة للهيدروجين. النظير H-1 يحتوي على بروتون واحد ولا يحتوي على نيترونات، بينما النظير H-2 المعروف أيضا باسم الديتريوم يحتوي على بروتون واحد ونيترون واحد. لذلك، يكون الفرق بينهما 100٪، مما يؤدي إلى وجود عدة أجزاء ذرية مختلفة. تم تحليل النظائر الثابتة للكربون والأكسجين والكبريت والهيدروجين على وجه العموم لعدة سنوات بسبب ثبات تلك النظائر. ومع ظهور تقنيات جديدة باستخدام مطياف الكتلة، أصبح بالإمكان دراسة نظائر أثقل مثل الموليبدينوم والزنك والنحاس والحديد. هناك ثلاثة أنواع لتقسيم النظائر وهي التجزئة الحركية والتجزئة التساوي والتجزئة بدون الاعتماد على الكتلة..
أمثلة عن النظائر
هناك العديد من الأمثلة التي يمكن طرحها كأمثلة على النظائر، بما في ذلك نظائر الكوبالت. ومن بين تلك الأمثلة التالية
- يتم تصنيف اليورانيوم ذو العدد الكتلي 238 واليورانيوم ذو العدد الكتلي 235 كنظائر لعنصر اليورانيوم ويتواجدان بشكل طبيعي في القشرة الأرضية، كما يتميزان بفترة نصف حياة طويلة
- الكربون ذو العدد الكتلي 12 والكربون ذو العدد الكتلي 14 يصنفان كنظائر للكربون؛ حيث كل منهما يحتوي على ستة بروتونات ويختلفان في عدد النيوترونات. نظير الكربون -12 يحتوي على 6 نيوترونات وهو مستقر، بينما يحتوي نظير الكربون -14 على 8 نيوترونات وهو مشع.