تعريف النظائر وأمثلة في الكيمياء

تمَّ العثورُ خاصَّةً على خاماتِ العناصر المشعَّةِ اليورانيوم والثوريوم، التي تحوي على كمياتٍ صغيرةٍ من العديدِ من المواد المشعَّة، ولم يلاحظ ذلك قبل، فقد كان يعتقدُ أن هذه المواد هي عناصرٌ وبالتالي تلقَّت أسماءً خاصَّةً.

تنتج خامات اليورانيوم، على سبيل المثال، خامات الأيونيوم، وتنتج خامات الثوريوم المسوثوريوم. ومع ذلك، بعد العملالمضني الذي يتطلبه هذا الأمر، يصعب استرداد الأيوني بمجرد مزجه مع الثوريوم العادي، باستخدام الوسائل الكيميائية وحدها.

بالمثل، يتضح أن الميزوثوريوم لا يمكن تمييزه كيميائيًا عن الراديوم، واستخدم الكيميائيون معيار التمييز الكيميائي كجزء من تعريف العنصر، واضطروا إلى الاستنتاج أن الأيونيوم والميزوثوريوم ليسا عناصر جديدة بعد كل شيء، بل هما أشكالٌ جديدةٌ من العناصر القديمة.

لاحظ الكيميائي الإنجليزي فريدريك سودي في عام 1910 من خلال هذه البيانات وغيرها أن عناصر الأوزان الذرية المختلفة، التي يشار إليها الآن باسم الكتل الذرية، تمتلك خواص كيميائية متطابقة، وبالتالي تنتمي إلى نفس المكان في الجدول الدوري.

وسع سودي نطاق استنتاجه بشكل كبير ليشمل ليس فقط العناصر المشعة ولكن العناصر المستقرة أيضًا، وبعد عدة سنوات، قام بنشر مقارنة بين الكتلة الذرية للعنصر المستقر، والتي تم قياسها في الخامات الغنية باليورانيوم والثوريوم على التوالي.

يتوقع وجود فروقات لأن اليورانيوم والثوريوم يتحللان إلى نظائر مختلفة من الرصاص، وكان الرصاص من خام غني باليورانيوم يتميز بمتوسط كتلة ذرية 206.08، بينما كان الرصاص من خام غني بالثوريوم يتميز بمتوسط كتلة ذرية 207.69، وبالتالي التحقق من صحة الاستنتاج الذي تم الوصول إليه.

وبناء على التأكيد الواضح، يتبع النظائر في العناصر المستقرة غير المرتبطة مباشرة، سواء كانت من اليورانيوم أو الثوريوم، وعدة سنوات لاحقا مع تطور مطياف الكتلة، من خلال عمل فرانسيس ويليام أستون، تطورت دراسته للأشعة الإيجابية (المعروفة أحيانا بأشعة القناة)، التي اكتشفت في عام 1886 من قبل يوجين غولدشتاين وتم التعرف عليها بسرعة كحزمة من الأيونات الموجبة.

عندما كان كطالب في مختبر J.J. طُومسون، أدرك أستون أن عنصر النيون الغازي ينتج شعاعين إيجابيين، وكانت الأيونات في الشعاع الأثقل كتلتها حوالي وحدتين، أو 10 في المائة، أكبر من الأيونات في الشعاع الأخف.

وبهدف إثبات أن النيون الأخف وزنًا لديه كتلة قريبة جدًا من 20، وأن الشعاع الثقيل في الواقع كان نيونًا وليس إشارة زائفة من أي نوع، كان على أستون بناء أداة أكثر دقة من أي وقت مضى، وفي عام 1919، قام بذلك وقدم حجة مقنعة بوجود نيون -20 ونيون -22.

تراكمت المعلومات بسرعة من مختبراته ومن مختبرات أخرى خلال السنوات التي تلت ذلك، وبحلول عام 1935م، كانت النظائر الرئيسية ونسبها النسبية معروفة للجميع باستثناء حفنة من العناصر.

أصل كلمة النظائر وتاريخها

تم تقديم مصطلح (النظائر) ، من قبل الكيميائي البريطاني فريدريك سودي في عام 1913م ، على النحو الذي أوصت به مارجريت تود ، وتعني الكلمة (الحصول على نفس المكان) ، وهي من الكلمات اليونانية isos )يساوي( ، وكلمتا (iso- + topos  ) تعني (مكان) ، وتحتل النظائر نفس المكان في الجدول الدوري ، على الرغم من أن نظائر العنصر، لها أوزان ذرية مختلفة.

النظائر الأم والنظائر الابنه

عند تحلل النظائر المشعة بالإشعاع، قد يكون النظير الأولي مختلفًا عن النظير الناتج، ويُعرف النظير الأولي باسم النظير الأم، بينما تسمى الذرات التي تنتجها العملية بنظائر الابنة، وقد ينتج أكثر من نوع واحد من نظائر الابنة.

على سبيل المثال، عند تحلل 238U إلى 234Th، فإن الذرة الأولى تعتبر النظير الأم، بينما الثانية تعتبر النظير الابن.

ملاحظة حول النظائر المشعة المستقرة

يتميز القليل من النظائر المستقرة بعدم تحللها الإشعاعي، ولكن إذا تعرض أحد هذه النظائر للتحلل الإشعاعي البطيء جدًا، فقد يسمى النظير مستقرًا، ومثال على ذلك هو البزموت 209.

يتميز البزموت 209 بأنه نظير مشع مستقر يتحلل بتحلل ألفا، ولكن نصف عمره يبلغ 1.9 × 1019 سنة (مليار مرة من العمر المقدر للكون)، ويتحلل التلوريوم-128 بتحلل بيتا ونصف عمر يبلغ 7.7 × 1024 سنة.