النظائر

نظاير

Isotops - Isotopes

النظائر

نظائر isotopes عنصر كيمياوي ما؛ هي ذرات العنصر نفسه إنما ذات كتل مختلفة قليلاً بعضها عن بعضها الآخر. تحتوي نوى هذه الذرات [ر: نواة الذرة] جميعها العددَ ذاته من البروتونات، يدعى هذا العددُ العددَ الذري Z atomic number للعنصر، لكنها تختلف بعدد النترونات N. ولذلك فلنظائر عنصر ما العدد الذري Z نفسه، إنما لها أعداد كتلية A مختلفة (العدد الكتلي A=Z+N). وعلى هذا تقع نظائر العنصر الكيمياوي كلها في الموقع ذاته في الجدول الدوري [ر] هو موقع هذا العنصر (كلمة نظيرisotope اليونانية تعني «ما يحتل المكانَ نفسه»). وبما أن لنظائر العنصر كلها العدَد نفسَه من البروتونات فلها العددُ نفسُه من الإلكترونات أيضاً، وهذا يعني أن لها الخواص الكيمياوية ذاتها [ر: العنصر]. لكن خواصها الفيزيائية والنووية قد تكون مختلفة. فمستويات الطاقة الإلكترونية ـ على سبيل المثال ـ تعتمد على كتلة النواة وهذا يجعل مستويات الطاقة الذرية لنظير ما منزاحة قليلاً بالنسبة إلى مستويات طاقة نظير آخر. وينتج من ذلك أن الخطوط الطيفية لأحد النظائر تكون منزاحة قليلاً عن الخطوط الطيفية لنظير آخر وهذا ما يعرف بالانزياح النظيري isotopic shift.

قد تكون نظائر العنصر نفسه إما مستقرة stable وإما مُشِعّةradioactive [ر: العناصر المشعة]. والنظير المستقر هو ذلك الذي لا يتفكك تلقائياً، أما المشع فهو الذي يتفكك مُصدراً أشعة ألفا أو بيتا أو غاما. وتسمى النسب المئوية للنظائر المختلفة في عنصر كيمياوي معين ـ كما هو موجود في الطبيعة ـ التركيب النظيري isotopic composition لهذا العنصر، وهي تعبّر عن وفرة كل من النظائر الموجودة فيه (أي النسبة المئوية لكل منها). فالتركيب النظيري لعنصر اليورانيوم[ر] على سبيل المثال هو:

ولا يختلف التركيب النظيري كثيراً لمعظم العناصر من عينة إلى أخرى، حتى إن هذا الأمر يصح على العيِّنات ذات المنشأ من خارج الأرض مثل النيازك أو المواد المجلوبة من القمر، وإن كانت هناك بعض الاستثناءات.

اكتشاف النظائر وأعدادها

اكتشف طومسون [ر] J.J.Thomson وأستون F.W.Aston مفهوم النظائر، فقد برهن الأخير على وجود نوعين من غاز النيون لهما العدد الذري نفسه Z=10 ولهما عددان كتليان متقاربان: 20 و22. يرمز لهما حالياً بالرمزين ^x20Ne و ^x22Ne، واكتُشف بعد ذلك النظير ^x21Ne، أما الوفرة النظيرية لهذه النظائر الثلاثة فهي: 90.92 للنظير ^x20Ne و 0.257 للنظير ^x21Ne و 9.823 للنظير ^x22Ne.

تتألف العناصر البسيطة الموجودة في الطبيعة من أعداد مختلفة من النظائر، فللفسفور [ر] نظير واحد (^x32P) وللكلور [ر] نظيران (^x35Cl و ^x37Cl) وللأكسجين [ر] ثلاثة نظائر (^x16O و^x17O و^x18O) وكذلك لليورانيوم، أما الهدروجين [ر] فله أربعة نظائر وللزئبق[ر] سبعة وللقصدير [ر] عشرة. وهذه هي النظائر الطبيعية، إلا أنه يمكن تحضير نظائر صنعية، للفسفور منها خمسة وللكلور أربعة وللأكسجين ثلاثة ولليورانيوم أحد عشر. ولا يوجد أي قانون بسيط يربط بين عدد نظائر عنصر معين وعدده الذري.

استقرار النوى

يحكم استقرار نواة ذرية ما [ر: نواة الذرة] طاقتها الكلية E كما تُعطى حسب علاقة أينشتاين[ر] E =Mc²، حيث M كتلة النواة و c سرعة الضوء. فإذا كانت E أقل من مجموع طاقات نواتج التفكك المحتمل كانت النواة مستقرة. وأحد العوامل المهمة في تحديد الاستقرار هو النسبة بين القوة النووية التي تعمل على جذب النكلونات (البروتونات والنترونات) بعضها إلى بعض والقوة الكولونية (الدافعة) الناشئة من الشحنة الكهربائية الموجبة للبروتونات. والنوى التي تحتوي عدداً زوجياً من كل من البروتونات أو من النترونات هي الغالبة من بين النوى جميعها، فمن أصل 287 نواة مختلفة لنظائر العناصر كلها هناك 168 نواة زوجية ـ زوجية (أي فيها عدد زوجي من كل من البروتونات والنترونات) وهناك 110 فردية ولا يوجد سوى 9 فردية ـ فردية. ويبين هذا الجذبَ المتزايد للقوى النووية بين أزواج النكلونات من النوع نفسه. وتكون النوى التي عدد بروتوناتها أو نتروناتها (أو كليهما) هو أحد ما يسمى الأعداد السحرية magic numbers (منها على سبيل المثال 8 أو 20 أو50 أو 82) مستقرة استقراراً شديداً.

استخدامات النظائر

أصبحت للنظائر المفصولة (أو المخصبة enriched) استخدامات واسعة في ميادين متنوعة منها ـ على سبيل المثال لا الحصر ـ البحوث النووية وتوليد الكهرباء من الطاقة النووية والأسلحة النووية والطب النووي والبحوث الزراعية. وتتبع طرائق متنوعة لتحضير النظائر المفصولة. وتلزم لبعض التطبيقات ـ مثل التشخيص في الطب النووي أو بعض طرق التصوير ـ النظائر المشعة المفصولة مثل ^x131I، في حين تستخدم في دراسات أخرى ـ مثل دراسات الأيض metabolism واستخدام العقاقير والتفاعلات الأخرى في الأعضاء الحية ـ النظائر المستقرة مثل ^x13C و^x15N و^x17O و^x2H.

فصل النظائر

إن فصل نظائر العنصر نفسه بعضها عن بعضها الآخر أمر عسير. ويستحيل فصل أحد النظائر فصلاً كاملاً بخطوة واحدة بوساطة الطرائق الكيمياوية؛ لأن لنظائر العنصر نفسه كلها الخواص الكيمياوية ذاتها، أما الطرائق الفيزيائية فتعتمد على العموم على الاختلافات الضئيلة جداً في الخواص الفيزيائية الناجمة عن الفروق في كتل النظائر. ويعتمد فصل النظائر على العنصر وعلى التطبيقات التي سيستخدم فيها. ويُعدّ فصل نظائر اليورانيوم الأكثر أهمية من الناحية الصناعية؛ لأن اليورانيوم يُستخدم وقوداً في المفاعل النووي[ر] الذي يولد الكهرباء وعلى الأخص في تلك التي تستخدم الماء الخفيف. ونظيرا اليورانيوم الرئيسيان الموجودان في الطبيعة هما ^x235U و^x238U بنسبة 0.711 في المئة للأول و99.283 في المئة للثاني. ولكي يمكن استخدام النظير x235U وقوداً في مفاعلات الماء الخفيف ينبغي زيادة نسبته المئوية حتى 2 إلى 5. وتدعى عملية زيادة المحتوى من النظير ^x235U تخصيب اليورانيوم uranium enrichment. ومثال ثان على فصل النظائر هو إنتاج الماء الثقيل الذي يُستخدم - بسبب ميزاته الاستثنائية في تبطيء النترونات - مهدئاً في بعض أنواع المفاعلات التي تستخدم اليورانيوم الطبيعي أو المنخفض التخصيب وقوداً. يُحصل على الماء الثقيل بوساطة فصل نظيري الهدروجين: الخفيف ^x1H والثقيل ^x2H في الماء الطبيعى (يدعى الهدروجين الثقيل ديتريوم D). وتبلغ نسبة الماء الخفيف H₂O في المياه الطبيعية 99.985 ونسبة الثقيل ء 0.015:D₂O في المئة. وبنتيجة الفصل يرتفع تركيز D₂O في الماء.

تستخدم طرائق متعددة لفصل النظائر منها طريقة الطرد المركزي للغاز gas centrifugation، والتقطير المجزأ fractional distillation، والانتثار الحراري thermal diffusion، والتحليل الكهربائي electrolysis [ر: التحليل الكهركيميائي]، والانتثار الغازي gaseous diffusion، والفصل الكهرمغنطيسي electromagnetic separation، وأخيراً الفصل الليزري laser separation. ولا بد للحصول على تركيز ذي شأن للنظير المرغوب فيه ـ أي على تخصيب ـ من إعادة إجراء عملية الفصل على الجزء المخصب وتكرارها في مراحل متتالية. فالجزء المخصب الناتج من أي مرحلة يصبح المادة الأولية للمرحلة التالية. وتصمم الأجهزة المناسبة لجعل جريان المواد من مرحلة إلى أخرى آلياً ومستمراً. وفيما يأتي شرح موجز لأهم هذه الطرق.

الشكل (1) جهاز طرد مركزي للغازات

ـ الطرد المركزي والتقطير: يجري الغاز في جهاز الطرد المركزي من الأسفل إلى الأعلى في الجزء الخارجي من الأسطوانة الدوّارة ومن الأعلى إلى الأسفل في المنطقة المركزية، كما هو مبين في الشكل (1). يكون تأثير القوة النابذة أكبر على الجزيئات الثقيلة منه على الجزيئات الخفيفة فيزداد نتيجة لذلك تركيز النظائر الثقيلة في الجزء الخارجي والخفيفة في المركز. ويعتمد معامل الفصل القطري لآلة الطرد المركزي الغازية على سرعة الدوران وعلى قطر الأسطوانة الدوارة وعلى درجة الحرارة. فيكون هذا المعامل لأسطوانة دوارة قطرها 6سم وسرعة دورانها أربعون ألف دورة في الدقيقة عند درجة حرارة مطلقة 300 كلفن مساوياً 1.0387. وتتناسب مقدرة الفصل تقريباً عكسياً مع درجة الحرارة المطلقة، ولذلك يفضل تشغيل الآلة عند درجات معتدلة أو منخفضة. أما في الفصل بالتقطير المجزأ فتنزع جزيئات النظير ذات نقطة الغليان الأخفض (وهي جزيئات النظير الأخف) إلى أن تتركز في تيار البخار فتُجمع.

 ـ الانتثار الحراري: يستفاد في هذه الطريقة من أن جزيئات السائل أو الغاز الأخف تتركز في المنطقة الأكثر سخونة في حين تتركز الجزيئات الأثقل في المنطقة الأقل سخونة. ويتألف شكل مبسط من جهاز انتثار حراري من أنبوب طويل شاقولي مع سلك في مركزه يُسَخَّن بالكهرباء إلى نحو 500 درجة مئوية فيولد تدرجاً في درجة الحرارة بين مركز الأنبوب وجدرانه. تميل النظائر الأثقل إلى التجمع في الأجزاء الخارجية من الأنبوب في حين تتجمع النظائر الأخف في المنطقة المركزية. وفي الوقت نفسه يرتفع السائل أو الغاز القريب من السلك بسبب الحَمل الحراري وينزل الجزء الخارجي الأقل سخونة، وتكون النتيجة الإجمالية أن تتجمع النظائر الأثقل في أسفل الأنبوب وتتجمع النظائر الأخف في الأعلى.

ـ التحليل الكهربائي: تحليل الماء كهربائياً هو أقدم طرائق إنتاج الماء الثقيل. وتعتمد هذه الطريقة على أن نظير الهدروجين الخفيف هو الذي ينطلق أولاً لدى تحليل الماء مخلفاً ماءً مخصباً بالنظير الأثقل.

ـ الانتثار الغازي: يُستفاد في هذه الطريقة من اختلاف سرعة انتثار الغازات ذات الأوزان الجزيئية المختلفة. إذ تتناسب سرعة انتثار غاز ما عكساً مع الجذر التربيعي للكتلة. فتنتثر الجزيئات الخفيفة من خلال حاجز مسامي أسرع من تلك الأثقل منها. ففي فصل نظائر اليورانيوم يُستخدم مركّب اليورانيوم، سادس فلوريد اليورانيوم UF₆ (وهو المركب الغازي الوحيد لليورانيوم). فيُضخ هذا الغاز من خلال الحواجز المسامية ضخاً مستمراً. وبما أن الفرق في الوزن بين اليورانيوم 235 واليورانيوم 238 أكبر قليلاً من 1% فإن الفرق بين المركّبين الغازيين لهذين النظيرين أقل قليلاً من 1%. ويبلغ معامل التخصيب ـ الذي يعتمد على الجذر التربيعي للفرق السابق ـ نظرياً 0.43% لعملية آنية و 0.30% لعملية مستمرة. أما عملياً فلا يبلغ معامل التخصيب سوى نحو 0.14% لكل مرحلة. ولذلك لا بد لإنتاج يورانيوم 235 مخصَّب بنسبة 99% ابتداء من اليورانيوم الطبيعي من 4000 مرحلة.

الشكل (2) فصل النظائر للبخار الذري بواسطة الليزر

ـ الفصل الكهرمغنطيسي: كانت هذه الطريقة هي الأولى التي استخدمت لإثبات وجود النظائر. تعتمد الطريقة على المطياف الكتلي [ر]. فتمرر حزمة أيونية من المركّب ـ سبق تسريعها بوساطة حقل كهربائي ـ عبر حقل مغنطيسي. وحيث إن نصف قطر انحناء مسار الأيونات في الحقل المغنطيسي يعتمد على كتلة الأيون تصل الأيونات ذات الكتل المختلفة إلى مواضع مختلفة توضع فيها مجمّعات لمختلف النظائر.

ـ الفصل الليزري: توجد ثلاث تقانات تجريبية لفصل نظائر اليورانيوم بوساطة الليزر [ر: الليزر والميزر]: فصل النظائر للبخار الذري بوساطة الليزر atomic vapor laser isotope separation (واختصاراً AVLIS)، وفصل النظائر لسادس فلوريد اليورانيوم الجزيئي بوساطة الليزر uranium hexafluoride molecular laser isotope separation (واختصاراً MLIS)، وفصل النظائر بوساطة الإثارة الليزرية separation of isotopes by laser excitation (واختصاراً SILEX). وتعدّ الطريقة الأولى AVLIS (الشكل 2) الأكثر تقدماً من الناحية التجريبية، وهي تستفيد من كون مستويات الطاقة الإلكترونية للنظير ^x235U مختلفة قليلاً عن تلك للنظير ^x238U، ولذلك يمتَص النظيران أطوالاً موجية مختلفة قليلاً. تُوَلَّف الليزرات في هذه الطريقة بصورة تصدر معها أطوالاً موجية تمتصها ذرة ^x235U فقط فتصدر من ثم إلكتروناً وتصبح متأينة، ذات شحنة كهربائية موجبة، وهذا يتيح فصلها باستخدام حقول كهرمغنطيسية. ويمكن بهذه الطريقة تخصيب اليورانيوم الطبيعي إلى 4% من ^x235U في مرحلة واحدة. هذه الطريقة صعبة إضافة إلى كونها باهظة الكلفة، لكن مراحل قليلة تكفي لإنتاج يورانيوم عالي التخصيب.

بسام المعصراني

الليزر ـ الماء الثقيل ـ المطياف الكتلي ـ نواة الذرة ـ اليورانيوم.

- J.T.VAN DES WERFF, Radioactive Isotopes, their General Biological and Medical Applications (Eindhoven, 1966).

- M.BENEDICT, T.H.PIGFORD and H.W.LEVI, Nuclear Chemical Engineering, 2nd ed (1981).

التصنيف : الكيمياء و الفيزياء

النوع : علوم

المجلد: المجلد العشرون

رقم الصفحة ضمن المجلد : 723

آخر أخبار الهيئة :

معجم المصطلحات

الأطلس الجغرافي

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية