كيمياء النظائر

نظائر العناصر الكيميائية هي أشكال من العنصر الكيميائي لذرتها نفس العدد الذري Z، ولكنها تختلف في الكتلة الذرية. ولا تختلف الخواص الكيميائية للذرة ونظيرها، أما الخواص الفيزيائية فهي تختلف لكلاهما اختلافا كبيرا. فمثلا إذا نظرنا إلى ذرة الكربون-12 وهي تحتوي على 6 بروتونات و 6 نيوترونات في نواتها فهي مستقرة. أما الكربون-14 فتحتوي نواته على 6 بروتونات و 8 نيوترونات وهو نظير مشع أي ذو نشاط إشعاعي ويتحلل من ذاته عن طريق تحلل بيتا.

عند تطبيق التسمية العلمية فإن النظير (النويدة (Nuclide)) محدد باسم العنصر متبوعا بشرطة ثم عدد النوكلونات (البروتونات والنيوترونات) الموجودة في نواة الذرة (مثال، هيليوم-3. كربون-12، كربون-14، حديد-57، يورانيوم-238). وعند استخدام الاختصارات فإنه يتم وضع رقم النوكلونات أعلى رمز العنصر (3He, 12C, 14C, 57Fe, 238U)

اختلاف الخواص بين النظائر

في الذرة المتعادلة، عدد الإلكترونات يساوى عدد البروتونات. وعلى هذا فإن النظائر المختلفة يكون لها نفس عدد الإلكترونات ونفس الشكل الإلكتروني. 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 للهيدروجين (1H) بالمقارنة بالديوتريوم (2H), نظرا لأن الديوتريوم له ضعف كتلة الهيدروجين. حيث يكتوي الهيدروجين على 1 بروتون بينما تحتوي نواة الديوتريوم على 1 بروتون و 1 نيوترون. أما بالنسبة للعناصر الأثقل فإن تأثير الكتلة النسبي بين النظائر يقل ويكاد ينعدم كلما زاد ثقل العنصر.

وبالنسبة إلى جزيئين يختلفان فقط احتواء احدهما على ذرة معينة والأخر يحتوي على نظير تلك الذرة، سيكون لهما تقريبا نفس نفس التركيب الإلكتروني، وعلى هذا سيكون لهما خواص فيزيائية وكيميائية متشابهه. 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 الذرات المكونة له وشدة الترابط الكيميائي. وبالتالى فإن هذين النظيرين سيكون لكل منهما نمط اهتزازي مختلف قليلا عن النمط الاهتزازي للآخر، ويظهر ذلك عند تعيين التردد الاهتزازا لكل منهما. حيث أن النمط الاهتزازي يسمح للجزيء امتصاص فوتونا ذو طاقة ملائمة للطاقة الكمومية لاهتزاز بعينة. ويتبع ذلك أن يكون للناظرين خواص ضوئية مختلفة في نطاق الأشعة تحت الحمراء.

خواص نووية

بالرغم من أن النظائر لها تقريبا نفس الخواص الإلكترونية والكيميائية حيث تغتمد هذه الخواص على عدد الإلكترونات في الغلاف الذري، فإن سلوك نواة العنصر ونواة النظير يختلف تماما. تتكون النواة الذرية من بروتونات ونيوترونات مرتبطة معا بقوى نووية قوية. ونظرا لأن البروتونات لها شحنة موجبة، فإنها تتنافر بين بعضها البعض، ولكن قوة التآثر القوي أقوى من قوة التنافر الناشئة عن تماثل الشحنات طبقا 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) (أنظر 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 والنيزترونات في انويتها. ونسبة تواجد نظائر لعنصر ما طبيعيا يعتمد على خواصه المتعلقة بالتحلل النووي. وتوجد أنوية (نوكليدات) مستقرة للعنصر، وقد توجد أنوية له غير مستقرة لعدد ملاءمة عدد النيوترونات فيها لعدد البروتونات. وبعملية النشاط الإشعاعي الذي يكون 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) وتصبح مستقرة. ويتميز كل النشاط الإشعاعي بما يسمى بعمر النصف.

وبالتوافق مع علم الكون، فإن كل النويدات ما عدا نظائر الهيدروجين والهيليوم نتجت من النجوم والسوبرنوفا. ويكون تواجدها الطبيعي ناتجا من الكميات الناتجة أثناء تلك العمليات الكونية، وأيضا توزيعها في المجرة، ومعدلات إضمحلالها. وبعد الاندماج المبدئي للنظام الشمسي، توزعت النظائر طبقا لكتلها (شاهد أصل النظام الشمسي. يختلف تركيب نظائر العناصر على كل كوكب، مما يجعل من الممكن تحديد أصل النيازك.

تطبيقات النظائر

وكما قال العالمان الفرونكو زينوميك وكادار 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 ان 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 " مطياف الرنين النووي المغناطيسي " 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.
  كما أن النيوكليدات الإشعاعية لها استخدامات مهمة. نظرا لأن تطوير كل من القوة النووية والأسلحة النووية تتطلب كميات كبيرة من النظائر. كما أن فصل النظائر تمثل تحدي تقني معقد.