اتم ها از ابری از الکترون ها تشکیل شده اند که یک هسته متراکم که ۱۰۰۰۰۰ برابر کوچکتر است و از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده است، احاطه کرده اند. تعداد پروتون ها (یعنی عدد اتمی- Z) نوع عنصر را تعیین می کند. به عنوان مثال، یک هسته استرانسیوم همیشه دارای ۳۸ پروتون و یک هسته روبیدیم همیشه دارای ۳۷ پروتون است. تعداد مساوی الکترون در اطراف هسته وجود دارد تا اتم از نظر الکتریکی خنثی بماند و این الکترون ها خواص شیمیایی عنصر را تعیین می کنند.

ایزوتوپ اتم‌ های یک عنصر هستند که تعداد پروتون‌ های یکسانی دارند اما تعداد نوترون‌ های آنها متفاوت است به این معنی که عدد جرمی آنها “A”  متفاوت است. برای مثال هیدروژن را در نظر بگیرید دارای سه ایزوتوپ طبیعی است – ۱H، H2 و ۳  H هیدروژن-۱ یا پروتیوم، رایج ترین ایزوتوپ هیدروژن است که ۹۹.۹۸ درصد اتم های هیدروژن را تشکیل می دهد و نوترون ندارد. هیدروژن-۲ و هیدروژن-۳ به ترتیب دارای یک و دو نوترون هستند و اغلب ساخته دست بشر هستند. هیدروژن دارای چهار ایزوتوپ اضافی (۴H تا ۷H) است که ساخته دست بشر و بسیار ناپایدار هستند.

مثال دیگری از یک عنصر با ایزوتوپ های متعدد استرانسیم است. در حالی که بیشتر (۸۲.۵۸٪) اتم های استرانسیم ۵۰ نوترون دارند، بقیه اتم ها بین ۴۴ تا ۵۲ نوترون دارند، با این حال آنها همچنان استرانسیم هستند زیرا دارای ۳۸ پروتون هستند.

روش تشخیص ایزوتوپ ها

ایزوتوپ ها به روش های متعددی مشخص می شوند. معمولاً آنها با نام یا نماد عنصر خاص مشخص می شوند و بلافاصله با خط فاصله و عدد جرمی (به عنوان مثال کربن-۱۴ یا C-14) مشخص می شوند. ایزوتوپ ها را می توان با علامت استاندارد یا “AZE” تعریف کرد که در آن A عدد جرمی، Z عدد اتمی و E نماد عنصر است. عدد جرمی “A” با یک بالانویس در سمت چپ نماد شیمیایی “E” نشان داده می شود در حالی که عدد اتمی “Z” با یک زیرنویس نشان داده می شود.

با این حال، از آنجایی که عدد اتمی “Z” را همیشه می توان با نماد شیمیایی تعیین کرد، معمول است که فقط عدد جرمی را بیان کنیم (مثلاً ۱۴C) و آن را به عنوان “کربن چهارده” تلفظ کنیم. اگر حرف “m” بلافاصله بعد از عدد جرمی (به عنوان مثال، تکنسیوم-۹۹m) دنبال شود، نشان دهنده وضعیت ناپایدار هسته اتم است (به عنوان مثال، یک حالت پایدار غیر از حالت پایه ایزوتوپ با کمترین انرژی).

خواص و ویژگی ایزوتوپ ها

ایزوتوپ های یک عنصر دارای خواص شیمیایی و فیزیکی تقریباً یکسانی هستند، اما خواص هسته ای آنها متفاوت است که برخی از آنها را برای بشر ارزشمند می کند. در حالی که برخی دیگر (حداقل در حال حاضر) هیچ ارزش عملی ندارند. برخی به عنوان “پایدار” شناخته می شوند، به این معنی که ترکیب هسته ای آنها با گذشت زمان تغییر نمی کند. بیشتر ایزوتوپ های طبیعی پایدار هستند.

یک ایزوتوپ “رادیواکتیو” است اگر هسته آن احتمال تغییر خود به خودی (یعنی واپاشی رادیواکتیو) در طول زمان را داشته باشد. در طی واپاشی رادیواکتیو، یک ایزوتوپ “والد” به ایزوتوپ “دختری” (احتمالاً از یک عنصر متفاوت) تبدیل می شود. اغلب، یک توالی از فروپاشی دختر به نام “زنجیره واپاشی” باید قبل از به دست آوردن یک هسته پایدار کامل شود.

سرعت واپاشی یک رادیو ایزوتوپ با نیمه عمر اتم (tH) اندازه گیری می شود که نشان دهنده زمان لازم برای تجزیه نیمی از مواد است. هر رادیو ایزوتوپ نیمه عمر مشخصی دارد که از کسری از ثانیه (مثلاً ۲۱۵ At در ۰.۱ میلی ثانیه) تا میلیاردها سال (مثلاً ۲۳۸U در ۴.۴۶۸ میلیارد سال) متغیر است.

عناصر می توانند هم ایزوتوپ پایدار و هم رادیواکتیو داشته باشند. به عنوان مثال، استرانسیوم دارای چهار ایزوتوپ پایدار است: Sr-84، Sr-86، Sr-87، و Sr-88. و یک ایزوتوپ رادیواکتیو Sr-82. با گذشت زمان،  Sr-82 با نیمه عمر ۲۵ روز به روبیدیوم-۸۲ تجزیه می شود، و آن را برای استفاده در ژنراتورها برای تهیه روبیدیم-۸۲، راحت ترین عامل توموگرافی گسیل پوزیترون برای تصویربرداری قلب، مناسب می کند. بیست و شش عنصر فقط یک عنصر پایدار دارند، در حالی که قلع با ده عنصر پایدارترین ایزوتوپ را دارد.

تخمین زده می شود که تقریباً نود عنصر طبیعی به صورت ۳۳۹ ایزوتوپ مختلف وجود داشته باشند که تقریباً ۲۵۰ ایزوتوپ پایدار و ۳۵ عنصر ناپایدار (رادیواکتیو) با نیمه عمر بسیار طولانی میلیون ها سال هستند. بیش از ۳۰۰۰ ایزوتوپ رادیواکتیو اضافی به طور مصنوعی ایجاد شده است. در طبیعت، بیشتر عناصر از مخلوطی از ایزوتوپ ها تشکیل شده اند.

ایزوتوپ چیست و چگونه تشکیل می شود؟

روند تشکیل ایزوتوپ و انواع تشعشعات

ایزوتوپ ها می توانند به طور خود به خود (به طور طبیعی) از طریق واپاشی رادیواکتیو یک هسته (یعنی انتشار انرژی به شکل ذرات آلفا، ذرات بتا، نوترون ها و فوتون ها) یا به طور مصنوعی با بمباران یک هسته پایدار با ذرات باردار از طریق شتاب دهنده ها یا نوترون ها در هسته تشکیل شوند. یک راکتور هسته ای در برخی موارد، ایزوتوپ جدیدی از همان عنصر تولید می شود. در موارد دیگر، یک عنصر در فرآیندی به نام “تغییر” به عنصر دیگر تبدیل می شود.

همانطور که رادیو ایزوتوپ ها به طور طبیعی تجزیه می شوند ذرات انرژی را بر روی موادی مانند هوا، آب و افراد در هنگام عبور از آنها رسوب می کنند (یعنی از دست می دهند). انرژی ذرات آلفا در کوتاه‌ ترین فاصله رسوب می‌کند و بنابراین، به آسانی متوقف می ‌شود. ذرات بتا به حفاظت کمی بیشتر نیاز دارند و فوتون ها (اشعه گاما و اشعه ایکس) به محافظ بسیار بیشتری نیاز دارند.

تشعشعات نوترونی به دلیل انرژی جنبشی بالایی که دارد شدید ترین و خطرناک ‌ترین تشعشعات برای انسان در نظر گرفته می ‌شود، بنابراین معمولاً به محافظ بسیار قوی نیاز دارد. مواد با اعداد اتمی پایین (آب، کربن، لیتیوم و غیره) که می‌توانند سرعت نوترون‌ها را کاهش دهند معمولاً مؤثرترین محافظ را ارائه می ‌کنند.

کاربرد ایزوتوپ

تشعشعات ساطع شده توسط برخی از مواد رادیواکتیو می تواند برای از بین بردن میکروارگانیسم ها بر روی انواع مواد غذایی مورد استفاده قرار گیرد و عمر مفید این محصولات افزایش یابد. محصولاتی مانند گوجه فرنگی، قارچ، جوانه و انواع توت ها با انتشار کبالت-۶۰ یا سزیم-۱۳۷ تحت تابش قرار می گیرند.

این تشعشعات بسیاری از باکتری هایی که باعث فساد می شوند را از بین می برد، بنابراین محصول برای مدت طولانی تری تازه می ماند. تخم مرغ و برخی از گوشت ها مانند گوشت گاو، گوشت خوک و مرغ نیز می توانند تحت تابش قرار گیرند.

ایزوتوپ های رادیواکتیو کاربردهای پزشکی متعددی نیز دارند. یک نمونه از کاربردهای تشخیصی استفاده از ید رادیواکتیو-۱۳۱ برای آزمایش فعالیت تیروئید است.

غده تیروئید یکی از معدود مکان ها در بدن است که غلظت قابل توجهی ید دارد. برای ارزیابی فعالیت تیروئید، دوز اندازه گیری شده ۱۳۱ I به بیمار داده می شود و روز بعد از یک اسکنر برای اندازه گیری میزان رادیواکتیویته در غده تیروئید استفاده می شود. مقدار ید رادیواکتیو که در آنجا جمع می شود به طور مستقیم با فعالیت تیروئید مرتبط است و به پزشکان این امکان را می دهد که پرکاری و کم کاری تیروئید را تشخیص دهند.

نیمه عمر ید-۱۳۱ تنها ۸ روز است بنابراین احتمال آسیب ناشی از قرار گرفتن در معرض حداقل است. از تکنتیوم ۹۹ نیز می توان برای آزمایش عملکرد تیروئید استفاده کرد. استخوان ها، قلب، مغز، کبد، ریه ها و بسیاری از اندام های دیگر را می توان به روش های مشابه با استفاده از ایزوتوپ رادیواکتیو مناسب تصویربرداری کرد.