تم النشر اليوم 11-12-2025 | نظير (كيمياء) اختلاف الخواص بين النظائر

اختلاف الخواص بين النظائر

في الذرة المتعادلة، عدد إلكترون الإلكترون ات يساوى عدد البروتونات. وعلى هذا فإن النظائر المختلفة يكون لها نفس عدد الإلكترونات ونفس البنية الإلكترونية. ونظرا لأن تصرف الذرة كيميائيا يتم تحديده بالتركيب الإلكتروني، فإن النظائر تقريبا تسلك نفس السلوك الكيميائي. الاستثناء الأساسي أنه نظرا لوجود اختلاف في كتلتها، فإن النظائر الثقيلة تميل لأن تتفاعل بصورة أبطأ من النظائر الأخف لنفس العنصر.(تسمى هذه الظاهرة تأثير حركة النظائر ). ويلاحظ تأثير الكتلة هيدروجين للهيدروجين (1H) بالمقارنة ديوتريوم بالديوتريوم (2H), نظرا لأن الديوتريوم له ضعف كتلة الهيدروجين. حيث يحتوي الهيدروجين على 1 بروتون بينما تحتوي نواة الديوتريوم على 1 بروتون و 1 نيوترون . و رغم ذلك فتظل خواصهما الكيميائية متماثلة ، ولكن يختلفان في سرعة الانتشار. أما بالنسبة للعناصر الأثقل فإن تأثير الكتلة النسبي بين النظائر يقل ويكاد ينعدم كلما زاد ثقل العنصر. وبالنسبة إلى جزيء جزيئين يختلفان فقط احتواء أحدهما على ذرة معينة والأخر يحتوي على نظير تلك الذرة، سيكون لهما تقريبا نفس نفس التركيب الإلكتروني، وعلى هذا سيكون لهما خواص فيزيائية وكيميائية متشابهه. شكل اهتزازي النظم الاهتزازية للجزيء تعتمد على شكل الجزيء (فمثلا جزيئ ثاني أكسيد الكربون شكله مستقيم O-C-O وجزيئ الماء ذو زاوية مقدارها 120 درجة تقريبا H-O-H [مثلث الشكل]) ويعتمد تردد الاهزازات على كتلة ذرة الذرات المكونة له وشدة ترابط كيميائي الترابط الكيميائي . وبالتالى فإن هاذين النظيرين سيكون لكل منهما نمط اهتزازي مختلف قليلا عن النمط الاهتزازي للآخر، ويظهر ذلك عند تعيين تردد التردد الاهتزازي لكل منهما. حيث أن النمط الاهتزازي يسمح للجزيء امتصاص فوتون فوتونا ذو طاقة ملائمة لطاقة الاهتزاز (الكمومية) بعينها. ويتبع ذلك أن يكون للنظرين خواصا ضوئية مختلفة في نطاق الأشعة تحت الحمراء .

خواص نووية

بالرغم من أن النظائر لها تقريبا نفس الخواص الإلكترونية والكيميائية حيث تعتمد هذه الخواص على عدد الإلكترونات في الغلاف الذري، فإن سلوك نواة الذرة نواة العنصر ونواة النظير يختلف تماما (خصائص فيزيائية) . تتكون النواة الذرية من بروتون بروتونات و نيوترون نيوترونات مرتبطة معا تآثر قوي بقوى نووية قوية . ونظرا لأن البروتونات لها شحنة موجبة، فإنها تميل إلى التنافر عن بعضها البعض، ولكن قوة التآثر القوي أقوى من قوة التنافر الكهربائية الناشئة عن تماثل الشحنات طبقا قانون كولوم لقانون كولوم . وتقوم النيوترونات بتهدئة قوى التنافر بين الشحنات الموجبة، مما يقلل من التنافر الكهرستاتيكي وتساعد على استقرار النواة. وبزيادة عدد البروتونات في النواة تزداد الحاجة لنيوترونات للعمل على تماسك النواة. فمثلا، على الرغم من أن نسبة نيوترون / بروتون في 3He هي 1 / 2، فإن نسبة نيوترون / بروتون في اليورانيوم 238U أكبر وتصل إلى 3 / 2. (تحتوي نواة اليورانيوم على 92 بروتون والباقي نيوترونات 238 - 92 146 نيوترون ) (انظر نموذج القطرة ). وفي حالة وجود نيوترونات أقل أو أكثر من حدود معينة، فإن النواة تكون غير مستقرة، وتصبح النواة ذات نشاط إشعاعي وهو وسيلة تتخذها النواة للوصول إلى حالة استقرار.

التواجد في الطبيعة

يمكن لعدة نظائر لنفس العنصر أن تتواجد في الطبيعة فيكون منها النظير المستقر ونظائر غير مستقرة وذلك بحسب عدد النيوترونات والبروترونات في أنويتها. كيمياء فلكية ونسبة تواجد نظائر لعنصر ما طبيعيا يعتمد على خواصه المتعلقة تحلل إشعاعي بالتحلل النووي . وتوجد أنوية ( نوكليون نوكليدات ) مستقرة للعنصر، وقد توجد أنوية له غير مستقرة لعدم ملاءمة عدد النيوترونات فيها لعدد البروتونات. وبعملية النشاط الإشعاعي الذي تكون عن طريق تحلل ألفا أو تحلل بيتا أو كلاهما والتي تؤديها النواة طبيعيا فهي تحاول الوصول إلى حالة الاستقرار. التحلل النووي هو عملية لتحويل بعض مكونات النواة من بروتونات مثلا إلى نيوترونات لتصبح مستقرة أو تحويل أحد النيوترونات إلى بروتون لتصبح مستقرة، أو كما في تحلل ألفا تطرد النواة الغير مستقرة بروتونين ونيوترونين ( أشعة ألفا جسيم ألفا ) وتصبح مستقرة. ويتميز كل نشاط إشعاعي بما يسمى عمر النصف بعمر النصف . وبالتوافق مع علم الكون ، فإن كل النوكليدات الثقيلة بخلاف نظائر هيدروجين الهيدروجين و هيليوم الهيليوم نتجت في نجم النجوم و سوبرنوفا السوبرنوفا . ويكون تواجدها الطبيعي ناتجا من الكميات الناتجة أثناء تلك العمليات الكونية، وأيضا توزيعها في مجرة المجرة ، ومعدلات إضمحلالها. وبعد الاندماج المبدئي نظام شمسي للنظام الشمسي ، توزعت النظائر طبقا لكتلها (شاهد نظام شمسي أصل وتطور النظام الشمسي أصل النظام الشمسي . يختلف تركيب نظائر العناصر على كل كوكب، مما يجعل من الممكن تحديد أصل نيزك النيازك ومن أين أتت.

تطبيقات النظائر

وكما قال العالمان < >الفرونكو زينوميك و< >كادار الفونسو بيراز في مأدبة عشاء في ألمانيا فان هناك كثيرا من التطبيقات التي يتم استخدام الخواص المختلفة للنظائر فيها وكذلك هناك عدة احتمالات فبالتالي هناك عدة نظائر لأي عنصر مهما كان وذلك الاختلاف يكون في عدد النيوترونات. كما أن هناك تطبيقات أخرى منها استخدامها في مجال علاج امراض السرطان باستخدام النظائر المشعة للقضاء على الخلايا السرطانية

استخدام الخواص النووية

تعتمد كثير من تقنيات المطياف على الخواص النووية المتفردة للنظائر. فمثلا مطيافية الرنين المغناطيسي النووي مطياف الرنين المغناطيسي النووي NMR يتم استخدامه فقط للنظائر التي لها قيمة دوران غير صفرية. وأكثر النظائر استخداما مع مطياف رنين نووي مغناطيسي 1H، 2D، 13C، 31P.

مطياف موس باوير يعتمد أيضا على الانتقالات النووية لنظائر معينة مثل 57Fe.

النوكليدات المشعة لها استخدامات مهمة في الطب (علاج السرطان) وفي الكيمياء . كما أن تطوير وبناء سلاح نووي الأسلحة النووية يتطلب كميات كبيرة من نظير معين لليورانيوم ، وهو اليورانيوم-235 أو بلوتونيوم-239 البلوتونيوم-239 وتتطلب طرق معقدة لفصلها وتنقيتها . يعتبر فصل نظائر فصل النظائر تحديا تقنيا معقدا ، يستخدم فيه جهاز المركزية الطاردة أو طريقة النفاذية في غشاء .

وتستخدم النظائر المشعة في كشف عيوب الصناعة وفى الأبحاث العلمية مثل اثبات العلماء ان الاكسجين الخارج من النبات مصدره الماء وليس ثانى اكسيد الكربون عن طريق استخدام نظير الاكسجين المشع وأيضا تستخدم النظائر في الزراعة في قتل الافات الزراعية وتحسين السلالات النباتية وضح نظائر العناصر الكيميائية هي أشكال من عنصر كيميائي العنصر الكيميائي لذرتها نفس عدد ذري العدد الذري Z، ولكنها تختلف في كتلة ذرية الكتلة الذرية بسبب اختلاف عدد النيوترونات . ولا تختلف الخواص الكيميائية للذرة ونظيرها، ذلك لأن الخواص الكيميائية للذرة تعتمد عل عدد البروتونات في النواة وبالتالي على عدد الإلكترونات التي تدور في الغلاف النووي وتوزيعها . الإلكترونات هي التي تشترك في التفاعلات الكيميائية . أما الخواص الفيزيائية فهي تختلف لكلاهما اختلافا كبيرا حيث تعتمد على عدد البروتونات والنيوترونات وتوزيعهما في النواة ، وهم يشتركون فيما يسمى تفاعل نووي تفاعلات نووية . فمثلا إذا نظرنا إلى ذرة الكربون-12 وهي تحتوي على 6 بروتون بروتونات و 6 نيوترون نيوترونات في نواة الذرة نواتها فهي مستقرة (خاصة فيزيائية) . أما الكربون-14 فتحتوي نواته على 6 بروتونات و 8 نيوترونات وهو نظير مشع أي ذو نشاط إشعاعي (خاصة فيزيائية) ويتحلل من ذاته عن طريق تحلل بيتا . عند تطبيق التسمية العلمية فإن النظير ( نوكليون نوكليد (Nuclide)) محدد باسم العنصر متبوعا بشرطة ثم عدد نوكليون النوكليونات (البروتونات والنيوترونات) الموجودة في نواة الذرة . أمثلة الهيليوم الهيليوم-3 وتحتوي نواته على برتونين و 1 نيوترون ، كربون-12 وتحتوي نواته على 6 بروتونات و 6 نيوترونات ، كربون-14 وتحتوي نواته على 6 بروتونات و8 نيوترونات ، حديد حديد-57 وتحتوي نواته على 26 بروتونات و 31 من النيوترونات ، ورمز يورانيوم-238 ويحتوي في نواته على 92 برونون والباقي نيوترونات). وعند استخدام الاختصارات فيتم وضع رقم النوكليونات أعلى رمز العنصر كالآتي (3He, 12C, 14C, 57Fe, 238U)