ایزوتوپ های هیدروژن چیست؟ – به زبان ساده + ترتیب پایداری

ایزوتوپ های هیدروژن چیست؟

اتم هیدروژن ۳ ایزوتوپ طبیعی دارد. به این معنا که این ایزوتوپ‌ها به شکل طبیعی وجود خارجی دارند و در آزمایشگاه تهیه نشده‌اند. این ایزوتوپ‌ها با علامت‌های $$^1H$$ و $$^2H$$ و $$^3H$$ نشان داده می‌شوند. ایزوتوپ‌های $$^1H$$ و $$^2H$$ پایدارتر هستند در حالی که ایزوتوپ $$^3H$$ نیمه‌عمری برابر ۱۲٫۳۲ سال دارد. ایزوتوپ‌های سنگین‌تری برای هیدروژن وجود دارند که با علامت‌های $$^4H$$ تا $$^7H$$ نشان داده می‌شوند و نیمه‌عمر آن‌ها کمتر از ۱ زپتوثانیه است. ($$10^{-21}$$ ثانیه). در بین این ایزوتوپ‌ها ، $$^5H$$ کمترین پایداری و $$^7H$$ بیشترین پایداری را دارند.

هیدروژن تنها عنصری است که ایزوتوپ‌هایش با نام‌های متفاوتی شناخته می‌شود. ایزوتوپ $$^2H$$ دوتریوم، و ایزوتوپ $$^3H$$ تریتیوم نام دارند. این ایزوتوپ‌ها همچنین با علامت‌های D و T نیز نوشته و شناخته می‌شوند. ایزوتوپ $$^1H$$ که هیچ نوترونی ندارد، به نام پروتیوم شناخته می‌شود.

جدول ویژگی‌ های ایزوتوپ های هیدروژن

ایزوتوپ چیست؟

فیلم آموزش علوم‌ تجربی پایه هشتم شیمی در فرادرس

کلیک کنید

«هیدروژن ۱» یا «پروتیوم»، رایج ترین ایزوتوپ هیدروژن است. این ایزوتوپ، ۹۹٫۹۸ درصد اتم‌های هیدروژن را تشکیل می‌دهد و هیچ نوترونی ندارد. «هیدروژن ۲» و «هیدروژن ۳» به ترتیب یک و دو نوترون دارند و بیشتر به شکل آزمایشگاهی تولید می‌شوند. هیدروژن چهار ایزوتوپ دیگر نیز دارد ($$^4H$$ تا $$^7H$$) که همگی به شکل آزمایشگاهی تولید شده و بسیار ناپایدارند. یک نمونه دیگر از موادی که تعداد زیادی ایزوتوپ دارد، استرانسیوم است که این ایزوتوپ‌ها بین ۴۴ تا ۵۲ نوترون دارند.

علائم نشان دهنده ایزوتوپ

ایزوتوپ‌ها به شکل‌های مختلفی نشان داده می‌شوند. رایج‌ترین نماد ایزوتوپ‌ها، نام عنصر مربوطه و سپس عدد جرمی آن است. برای مثال $$^1H$$ و $$^2H$$ برای ایزوتوپ‌های اتم هیدروژن نوشته می‌شوند. ایزوتوپ‌ها همچنین می‌توانند به شکل دیگری نیز نوشته شوند که در آن ابتدا عدد جرمی، سپس عدد اتمی و سپس علامت عنصر نوشته می‌شود.

عدد جرمی در سمت چپ و بالای علامت عنصر، و عدد اتمی در سمت چپ و پایین علامت عنصر نوشته می‌شوند. با این‌ که عدد اتمی می‌تواند نشان دهنده علامت عنصر نیز باشد، رایج است که تنها عدد جرمی اتم در سمت چپ و بالای علامت عنصر آن نوشته شود. برای مثال علامت $$^{14}C$$ برای کربن ۱۴ نوشته می‌شود. اگر مجموعه حروف «-m» پس از عدد جرمی نوشته شود، نشان دهنده پایداری ایزوتوپ مشخص شده است. برای مثال $$technetium-99m$$ نشان دهنده ایزوتوپ پایدار تکنسیم با عدد جرمی ۹۹ است.

در تصویر زیر فرم رایج نشان‌دهنده ایزوتوپ‌ها را مشاهده می‌کنید.

ویژگی‌های ایزوتوپ‌ها

ایزوتوپ‌های یک عنصر مشخص، تقریبا ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی مشابهی دارند اما ویژگی‌های مربوط به هسته اتم‌ آن‌ها متفاوت است. برخی از ایزوتوپ‌ها «پایدار» هستند درحالی که به برخی دیگر «ناپایدار» می‌گویند. بیشتر ایزوتوپ‌هایی گه به شکل طبیعی وجود دارند، پایدار هستند. بدین معنی که هسته اتم آن‌ها دچار تغییر نمی‌شود.

فیلم آموزش ایزوتوپ و کاربردها در فرادرس

کلیک کنید

عناصر می‌توانند همزمان ایزوتوپ‌های پایدار و ناپایدار داشته باشند. برای مثال عنصر استرانسیوم ۴ ایزوتوپ پایدار ۸۴ ، ۸۶، ۸۷ و ۸۸ دارد و یک ایزوتوپ آن ایزوتوپ رادیواکتیو Sr-۸۲ است. طی گذشت زمان، این ایزوتوپ تبدیل به ایزوتوپ روبیدیوم ۸۲ با نیمه‌عمر ۲۵ روز می‌شود. ۲۶ عنصر از عناصر کشف شده تنها یک ایزوتوپ پایدار دارند. در این میان عنصر قلع با ۱۰ ایزوتوپ پایدار، بیشترین تعداد ایزوتوپ‌های پایدار را دارد.

شبیه ساز مدل‌های هیدروژن

در ادامه شبیه‌ساز دانشگاه کلورادو با موضوع مدل‌های اتم هیدروژن، ارائه شده است. در این شبیه ساز می توانی مدل‌های مختلف اتم هیدروژن را بررسی کرده و طیف‌های مختلف را به آن بتابانید. همچنین، امکان بررسی طیف هیدروژن، گذار‌های انرژی و ترازهای انرژی آن در این شبیه‌ساز فراهم شده است.

یادگیری ایزوتوپ‌ها با فرادرس

همچنین با مراجعه به فیلم‌های آموزشی فرادرس که لینک آن‌ها در زیر آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه ایزوتوپ‌ها دسترسی پیدا کنید.

• فیلم آموزش کاربرد رادیو ایزوتوپ ها در گیاه پزشکی
• فیلم آموزش مقدماتی زمین شناسی اقتصادی
• فیلم آموزش شیمی ۱ پایه دهم با حل سوالات تشریحی امتحانات نهایی

ایزوتوپ‌ های طبیعی هیدروژن

همانطور که قبلا اشاره شد هیدروژن دارای سه ایزوتوپ طبیعی و تعدادی ایزوتوپ ناپایدار است. در ادامه این مطلب از مجله فرادرس به بررسی ویژگی‌های ایزوتوپ‌های پایدار هیدروژن می‌پردازیم.

ایزوتوپ پروتیوم $$^1H$$

این ایزوتوپ رایج‌ترین ایزوتوپ هیدروژن است که فراوانی آن بیش از ۹۹٫۹۸ درصد است. هسته این ایزوتوپ تنها از یک پروتون تشکیل شده است. به همین علت به این ایزوتوپ پروتیوم نیز گفته می‌شود.

ایزوتوپ دوتریوم ($$^2D$$ یا $$^2H$$)

آب سنگین برای تولید نوترون و همچنین به عنوان سردکننده راکتور‌های هسته‌ای به کار می‌رود. دوتریوم همچنین برای سوخت فرایند‌های تجاری واپاشی هسته‌ای به کار می‌رود. این ایزوتوپ فراوانی زیادی در برخی از آب‌های طبیعی دارد. برای مثال، مقادیر زیادی از این ایزوتوپ در آب‌های آمریکای شمالی یافت می‌شود. واکنش‌های شیمیایی این ایزوتوپ مانند اتم هیدروژن است. هرچند تفاوت‌هایی در انرژی پیوند و طول پیوند این ایزوتوپ با سایر ایزوتوپ‌ها مشاهده شده است. پیوند‌های شیمیایی که این اتم تشکیل می‌دهد به اندازه‌ای بزرگ است که پاسخ‌های متفاوتی را در فرایند‌های بیولوزیک می‌دهد.

ایزوتوپ تریتیوم ($$^3T$$ یا $$^3H$$)

سومین ایزوتوپ هیدروژن تریتیوم نام دارد. این ایزوتوپ هیدروژن یک پروتون و دو نوترون در هسته خود دارد. این ایزوتوپ رادیواکتیو است و به ایزوتوپ هلیوم-۳ واپاشی می‌کند. نیمه‌عمر این ایزوتوپ ۱۲٫۳۲ سال است.این ایزوتوپ به اندازه‌ای رادیواکتیو هست که برای تولید رنگ‌های شب‌رنگ استفاده شود. مقادیر ناچیزی از این ایزوتوپ به شکل طبیعی با تابش پرتو‌های کیهانی با گاز‌های اتمسفر تولید می‌شود.

ایزوتوپ های ناپایدار هیدروژن

ایزوتوپ $$^4H$$

از بین ایزوتوپ های هیدروژن، این ایزوتوپ هیدروژن بسیار ناپایدار است و هسته آن از سه نوترون و یک پروتون تشکیل شده است. این ایزوتوپ در آزمایشگاه به وسیله بمباران تریتیوم با نوترون هسته دوتریوم‌های پرشتاب انجام می‌شود. در این فرایند هسته‌ تریتیوم، نوترون را از دوتریوم‌های در حرکت جدا می‌کند و تبدیل به ایزوتوپ $$^4H$$ می‌شود.

ایزوتوپ $$^5H$$

هسته این ایزوتوپ ناپایدار هیدروژن از ۴ نوترون و یک پروتون تشکیل شده است. این ایزوتوپ با بمباران تریتیوم با دو نوترون هسته پرشتاب تریتیوم انجام می‌شود. در این فرایند، هسته تریتیوم ۲ نوترون از تریتیوم دیگر دریافت می‌کند. این ایزوتوپ از طریق از دست دادن نوترون دچار واپاشی شده و نیمه‌عمر آن $$8.01930\times10^{-23}$$ ثانیه است.

ایزوتوپ $$^6H$$

ایزوتوپ $$^6H$$ دارای ۵ نوترون و یک پروتون است. این ایزوتوپ از طریق از دست دادن ۳ نوترون دچار واپاشی می‌شود. نیمه‌عمر این ایزوتوپ $$3\times10^{−22}$$ است. روش تولید این ایزوتوپ در آزمایشگاه از طریق تاباندن یک نوترون به ایزوتوپ $$^5H$$ انجام می‌شود.

ایزوتوپ $$^7H$$

این ایزوتوپ از یک پروتون و ۶ نوترون تشکیل شده است و بسیار ناپایدار است. این ایزوتوپ اولین بار از بمباران هیدروژن با اتم هلیوم تولید شد. روش تولید این ایزوتوپ در آزمایشگاه از طریق تاباندن ۴ نوترون به ایزوتوپ تریتیوم انجام می‌شود.

فراوانی ایزوتوپ های هیدروژن

همانطور که قبلا شاره شد، پروتیوم با ۹۹٫۹۸ درصد فراوانی، رایج‌ترین ایزوتوپ بین ایزوتوپ های هیدروژن است. پس از آن دوترویم با یک نوترون بیشترین فراوانی را دارد. سایر ایزوتوپ‌های هیدروژن پایدار نیستند و پس از مدتی دچار واپاشی شده و نوترون‌های اضافه هسته خود را از دست می‌دهند.

پس از دوتریوم، تریتیوم بیشترین فراوانی را دارد و نیمه‌عمر آن حدود ۱۲ سال است. سپس ایزوتوپ «هیدروژن -۵» با ۸۶۱ زپتو ثانیه بیشتر می‌تواند وجود داشته باشد. با اینکه این نیمه‌عمر مقدار ناچیزی به حساب می‌اید، این ایزوتوپ از سایر ایزوتوپ‌های ساختگی هیدروژن پایدارتر است. پس از آن به ترتیب «هیدروژن -۷»، «هیدروژن -۶» و «هیدروژن -۴» به ترتیب فراوانی‌های ایزوتوپ‌ها را به خود اختصاص داده اند.

رادیوایزوتوپ چیست؟

فیلم آموزش کاربرد رادیوایزوتوپ‌ها در گیاه‌پزشکی در فرادرس

کلیک کنید

ایزوتوپ‌ها می‌توانند به شکل طبیعی از طریق واپاشی هسته‌ای تشکیل بشوند. این فرایند شامل نشر انرژی از ذرات الفا، بتا، نوترون‌ها و پروتون‌ها است. ایزوتوپ‌ها همچنین می‌توانند به شکل مصنوعی به طریق بمباران یک هسته پایدار با ذرات باردار به وسیله شتاب دهنده‌های هسته به وجود بیایند. این فرایند می‌تواند منجر به تولید یک ایزوتوپ از همان عنصر یا تولید ایزوتوپ یک عنصر جدید شود. ایجاد ایزوتوپ عنصر جدید از طریق فرایندی به نام تبدیل هسته‌ای (تراجهش) اتفاق بیافتند. یعنی به مرور زمان ایزوتوپ‌های ناپایدار نوترون‌های اضافی خود را از دست می‌دهند.

معمولا به یک زنجیره از واپاشی رادیواکتیوی ایزوتوپ‌های دختر، زنجیره واپاشی می‌گویند. این زنجیره باید تا رسیدن به یک هسته پایدار ادامه پیدا کند. مدت زمانی که طول می‌کشد تا یک اتم رادیواکتیو (رادیو ایزوتوپ) به پایداری برسد، نیمه‌عمر آن نام دارد. که با علامت $$t_H$$ نشان داده می‌شود. این عبارت نشان دهنده مدت زمانی است که طول می‌کشد تا نصف ماده از بین برود یا واپاشی پیدا کند. این نیمه‌عمر می‌تواند زمانی بین ۰.۱ میلی‌ثانیه (در مورد ایزوتوپ 215 - At) تا میلیارد‌ها سال (U - 238) طول بکشد.

با واپاشی طبیعی رادیوایزوتوپ‌ها، ذراتی از ماده انرژی از دست می‌دهند. این انرژی به ذرات موجود در محیط اطراف آن‌ها مانند هوا، آب یا حتی بدن انسان‌ها منتقل شده و از آن‌ها عبور می‌کند. انرژی ذرات آلفا قدرت زیادی ندارد و از کاغذ نیز عبور نمی‌کند. ذرات بتا با انرژی بیشتر از کاغذ عبور کرده و از ورقه آلومینیوم عبور نمی‌کنند. فوتون‌های پرانرژی مانند پرتو‌های ایکس و گاما به راحتی از بسیاری از سطوح و بدن انسان عبور می‌کند و تنها با حفاظت با لایه سربی می‌توان از عبور آن‌ها جلوگیری کرد.

پرتوزایی نوترون به عنوان خطرناک‌ترین و پرقدرت‌ترین نوع پرتو‌ها برای انسان‌ها در نظر گرفته می‌شود و انرزی سینتیکی بسیار زیادی دارد. معمولا لایه‌های ضخیم سیمان و بتن میتواند سد عبوری مناسب برای این نوع پرتو باشد. عناصری که عدد اتمی پایینی دارند مانند آب، کربن، لیتیوم و... میتواند سرعت پرتو‌های نشر شده از نوترون‌ها را کاهش داده و لایه‌های محافظتی خوبی را به وجود بیاورند.

کاربرد ایزوتوپ های هیدروژن

از ایزوتوپ تریتیوم نیز در شیمی تجزیه، فرایند‌های شکافت هسته‌ای کنترل شده، شناسایی نوترون‌ها، و ردیاب‌های دریایی ناپایدار استفاده می‌شود. همچنین با ردیابی الگو‌های وجود ایزوتوپ دوتریوم و به عبارت دیگر آب سنگین در اقیانوس‌ها، الگو‌های مهاجرتی برخی از گونه‌ها مشخص می‌شود.

جمع‌بندی

در این مطلب مجله فرادرس آموختیم ایزوتوپ‌ها اتم‌هایی هستند که تعداد بیشتری نوترون نسبت به اتم عنصر اصلی دارند. تمامی اتم‌ها دارای ایزوتوپ هستند. دو نوع ایزوتوپ پایدار و ناپایدار وجود دارد. ایزوتوپ های هیدروژن به سه ایزوتوپ اصلی $$^1H$$ ، $$^2H$$ و $$^3H$$ دارد که با نام‌های پروتیوم، دوتریوم و تریتیوم شناخته می‌شوند. این اتم همچنین ۴ ایزوتوپ ناپایدار از $$^4H$$ تا $$^7H$$ دارد که تنها به روش مصنوعی و در آزمایشگاه تولید می‌شوند. هیدروژن تنها اتمی است که ایزوتوپ‌های آن نام‌های خاص دارند. این ایزوتوپ‌ها در فرایند‌های مختلف هسته‌ای کاربرد‌های فراوانی دارند.