جرم اتمی و عدد جرمی
واحد جرم اتمی amu است که کوتاه شده ی عبارت atomic mass unitاست( البته این یک واحد فیزیکی نیست ، چون جرم اتمی یک نسبت است، لذا بدون واحد است و این واحد قراردادی است ) . در این مقیاس جرم پروتون و نوترون amu 1 است. یک amu برابر یک دوازدهم جرم اتم کربن ۱۲ است .
جرم اتمی و عدد جرمی
جرم اتمی یک ایزوتوپ، اندکی با عدد جرمی آن تفاوت دارد. این تفاوت، در ابتدا مثبت است. یعنی جرم اتمی ایزوتوپ هیدروژن (1) اندکی از ۱ بیشتر است. سپس کاهش مییابد تا آن که در هلیم(۴ ) به یک کمینه نسبی میرسد. پس از آن، مجدداً در لیتیم، بریلیم و بور افزایش مییابد. دلیل این افزایش، کاهش انرژی بستگی هستهای در این سه عنصر است و نتیجه آن، عدم تشکیل این عناصر در همجوشی هیدروژن در ستارهها میباشد. در کربن(۱۲)، مقدار جرم اتمی با عدد جرمی دقیقاً برابر است. پس از آن، نسبت جرم اتمی به عدد جرمی تا آهن(۵۶)کاهش مییابد و سپس دوباره افزایش مییابد تا آن که در عناصر سنگین، از مقدار واحد بیشتر میشود.
در واقع، شکافت هستهای در عناصر سنگینتر از زیرکونیم انرژیزا و در عناصر سبکتر از نیوبیم، انرژیگیر است. از سوی دیگر، همجوشی دو اتم از عناصر سبکتر از اسکاندیم، انرژیزا و همجوشی عناصر سنگینتر از کلسیم، انرژیگیر است. (به استثنای هلیم که همجوشی دو اتم آن یا یک اتم آن با یک اتم سبکتر، نیاز به انرژی دارد و تنها در فرایند آلفای سهگانه میتواند همجوشی کند و به کربن(۱۲) تبدیل شود).
برای نمونه، نسبت جرم اتمی به عدد جرمی برای چند ایزوتوپ در جدول زیر آورده میشود. ایزوتوپجرم اتمینسبت جرم اتمیبه عدد جرمی هیدروژن-۱ ۱٫۰۰۷۸۲۵ ۱٫۰۰۷۸۲۵ هلیم-۴ ۴٫۰۰۲۶۰۲ ۱٫۰۰۰۶۵۱ کربن-۱۲ ۱۲ ۱ نیتروژن-۱۴ ۱۴٫۰۰۳۰۷۴ ۱٫۰۰۰۲۲۰ اکسیژن-۱۶ ۱۵٫۹۹۴۹۱۵ ۰٫۹۹۹۶۸۲ آهن-۵۶ ۵۵٫۹۳۴۹۳۸ ۰٫۹۹۸۸۳۸ نیکل-۶۲ ۶۱٫۹۲۸۳۴۵ ۰٫۹۹۸۸۴۴ سرب-۲۰۸ ۲۰۷٫۹۷۶۶۵۲ ۰٫۹۹۹۸۸۸ رادیم-۲۲۶ ۲۲۶٫۰۲۵۴۱۰ ۱٫۰۰۰۱۱۲ اورانیم-۲۳۸ ۲۳۸٫۰۵۰۷۸۸ ۱٫۰۰۰۲۱۳
برای اندازهگیری جرم اتمی از روش طیفسنجی جرمی استفاده میشود که شامل جداسازی یونهای یک یا چند اتمی بر پایهٔ نسبت جرم به بار (m/z) و اندازهگیری m/z و فراوانی یونها در فاز گازی است. به عبارت دقیقتر طیفسنجی جرمی به بررسی نسبت جرم به بار مولکولها با استفاده از میدانهای الکتریکی و مغناطیسی میپردازد.
یکای استاندارد جرم برای اندازهگیری مقدار یک ماده در مقیاس بزرگ، مول است. مقدار آن برای یک ماده برابر است با جرم تعدادی از اتمهای آن ماده که برابر با تعداد اتمهای موجود در ۱۲ گرم ایزوتوپ کربن(۱۲) باشد. این تعداد با عنوان عدد آووگادرو تعریف میشود و مقدار آن تقریباً برابر ۱۰۲۳×۶٫۰۲۲ است.
مقدار یک مول از هر ماده تقریباً برابر با جرم اتمی یا جرم مولکولی آن ماده است. رابطه تبدیل بین یکای جرم اتمی و یکای جرم استاندارد (گرم) برای یک اتم به صورت زیر است:
که در آن ثابت جرم مولی و عدد آووگادرو هستند
یکای واحد جرم اتمی (به انگلیسی: unified atomic mass unit) معمولاً بهطور مختصر بهشکل amu یا u دالتون (به انگلیسی: dalton، نماد Da) یک یکای اندازهگیری برای جِرم در مقیاسهای اتمی یا مولکولی است که بهصورت یکدوازدهم جِرم اتم کربن(۱۲) در حالت عادی شناخته میشود،که برابر ۱.۶۶۰۵۳۸۹۲۱(73)×۱۰−۲۷ kgاست. این یکا تقریباً با جِرم یک نوترون یا پروتون برابر است و این تفاوت مقدار بهدليل تفاوت جِرمی است که به انرژی بستگی هستهای تبدیل میشود.
عدد جرمی
عدد جرمی (A) تعداد نوکلئونها (پروتون و نوترون) را مشخص میکند و تقریباً برابر با جرم اتم هست اما واحد آنها فرق میکند زیرا جرم اتمی بر واحد گرم بر مول است اما عدد جرمی بر واحد Amuیا واحد کربنی است. برای نشان دادن ساختار هستهای اتم در بالا سمت چپ کنار علامت اختصاری (حروف لاتین) عنصر شیمیایی، عدد جرمی (جمع تعداد پروتون و نوترون) و عدد اتمی (Z تعداد پروتونها) پایین سمت چپ نوشته میشود.
چونکه برای هر عنصری عدد اتمی یکسان اما عدد جرمی متفاوت هست بطور مختصر عدد جرمی سمت راست علامت اختصاری عنصر نوشته میشود:
H-۱، H-۳، He-۴، U-۲۳۵، U-۲۳۸.
اتمهای یک عنصر میتوانند با دارا بودن تعداد مساوی پروتون، تعداد مختلفی نوترون داشته باشند. این جور اتمها که عدد اتمی یکسان اما عدد جرمی متفاوت دارند، ایزوتوپ نامیده میشوند.
تفاوت جرم اتمی و عدد جرمی: جرم اتمی مجموع جرم پروتونها و نوترونها و الکترونها را در اتم مشخص می کند و جرم اتمها بر خلاف عدد جرمی( مجموع تعداد پروتون و نوترون در اتم ) آنها مقداری صحیح نبوده و کسری است. به عنوان مثال، اتم سدیم دارای یازده پروتون و دوازده نوترون در هسته اتم خود می باشد، پس عدد جرمی آن ۲۳ = ۱۲ + ۱۱ است. اما برای تعیین جرم اتمی سدیم به این صورت عمل می کنیم. جرم یک پروتون بر حسب واحد جرم اتمی amu برابر ۰۰۷۳/۱ و جرم یک نوترون نیز بر حسب واحد جرم اتمی amu برابر ۰۰۸۷/۱ و جرم یک الکترون نیز بر حسب واحد جرم اتمی amu برابر ۰۰۰۵/۰ می باشد.
مجموع جرم پروتونهای اتم سدیم ۰۸۰۳/۱۱ = ۰۰۷۳/۱ × ۱۱
مجموع جرم نوترونهای اتم سدیم ۰۹۵۷/۱۱ = ۰۰۸۷/۱ × ۱۱
از جرم الکترونها به دلیل ناچیز بودن صرف نظر می شود. جرم اتمی این ایزوتوپ از اتم سدیم برابر است با:
۱۷۶/۲۲ = ۰۸۰۳/۱۱ + ۰۹۵۷/۱۱
پس بطور خلاصه در مقیاس واحد کربنی (amu )که جرم اتمها بر اساس آن اندازه گیری می شود، جرم پروتون و نوترون واحد ( ۱ ) نبوده و عددی کسری است. ( جرم پروتون amu 0073/1 و جرم نوترون amu 0087/1 می باشد)، بنابر این جرم اتمی عددی غیر صحیح است. از طرفی بسیاری از عناصر دارای ایزوتوپ های مختلف با درصد فراوانی های متفاوت هستند. ولذا میانگین جرم اتمی عدد غیر صحیح است(جرم اتمی یک عنصر به ایزوتوپهای آن و درصد فراوانی هر ایزوتوپ در طبیعت بستگی دارد. ).
ایزوتوپها
ایزوتوپ (از یونانی Ισότοπο، =همجا)، اتمهای یک نوع عنصر هستند که عدد اتمی (Z) یکسان و عدد جرمی (A) متفاوتی دارند. عدد اتمی بیانگر تعداد پروتونهای هسته اتم است. بنابراین ایزوتوپهای یک عنصر، تعداد پروتونهای مساوی دارند. اختلاف در جرم اتمی ایزوتوپها از اختلاف تعداد نوترونهای موجود در هسته آنها ناشی میشود.
در فارسی واژههای «همجا» و «هممکان» در برابر واژه ایزوتوپ پیشنهاد شده است.
نامگذاری ایزوتوپ ها
نامگذاری یک ایزوتوپ به صورت نام عنصر مربوطه، خط فاصله و عدد جرمی آن ایزوتوپ انجام میشود (برای نمونه هیدروژن-۲ و اورانیوم-۲۳۵).هنگامی که از نمادهای شیمیایی استفاده شود، عدد اتمی به صورت زیرنویس و عدد جرمی به صورت بالانویس، هر دو پیش از نماد عنصر نوشته میشوند (مانند O۱۸۸). البته با توجه به این که نماد یک عنصر، معرف عدد اتمی آن نیز هست؛ معمولاً تنها عدد جرمی نشان داده میشود (مانند O۱۸). گاهی حرف m نیز به عدد جرمی افزوده می شود که نشان دهنده ایزومر بودن آن ایزوتوپ است (مانند Tc۹۹m). عدد جرمی فرد و زوج پروتون،نوترونززففزففزمجموع پایدار ۱۴۸ ۵ ۵۳ ۴۸ ۲۵۴ هسته دیرینه ۲۲ ۴ ۳ ۵ ۳۴ مجموع ۱۷۰ ۹ ۵۶ ۵۳ ۲۸۸
فرد یا زوج بودن تعداد پروتونها، نوترونها و مجموع آنها تأثیر زیادی در پایداری هسته دارد. فرد بودن همزمان تعداد پروتونها و نوترونها باعث کاهش انرژی بستگی هستهای میشود. بنابراین، تعداد ایزوتوپهای پایدار در این حالت، بسیار کم است (تنها ۵ مورد شامل H۲۱ و Li۶۳ و B۱۰۵ و N۱۴۷ و Ta۱۸۰m۷۳). در نقطه مقابل، زوج بودن همزمان تعداد پروتونها و نوترونها یکی از عوامل اصلی پایداری هسته است. حدود ۵۸٪ ایزوتوپهای پایدار در این دسته قرار دارند و به علت جفتشدگی، اسپین همه آنها صفر است. در نیمی از عناصر دارای عدد اتمی زوج، تعداد ایزوتوپهای پایدار، بیشتر یا مساوی شش است.
تعداد ایزوتوپهای پایدار با عدد جرمی زوج نسبت به عدد جرمی فرد بیشتر است. یک دلیل آن، انرژی بستگی هستهای است. در هر عدد جرمی فرد، تنها یک ایزوتوپ پایدار میتواند وجود داشته باشد، در حالی که در یک عدد جرمی زوج، میتواند تا ۳ ایزوتوپ پایدار وجود داشته باشد که البته همه آنها باید دارای عدد اتمی زوج باشند. در واقع، وجود یک ایزوتوپ پایدار با تعداد پروتون و نوترون زوج، باعث میشود که ایزوتوپی با همان عدد جرمی و دارای عدد اتمی فرد، ناپایدار شود.
جرم اتمی ایزوتوپ ها
جرم اتمی یک ایزوتوپ را میتوان تقریباً معادل با عدد جرمی آن در نظر گرفت. اصلاحات جزئی، ناشی از انرژی بستگی هسته (کاهش جرم)، اختلاف اندک جرم پروتون و نوترون و تعداد الکترونهای آن است. عدد جرمی، یک کمیت بیبعد است. در حالی که جرم اتمی با یکای جرم اتمی اندازهگیری میشود.
جرم اتمی یک عنصر را میتوان بر پایه جرم اتمی ایزوتوپهای پایدار آن به دست آورد. از رابطه زیر برای محاسبه جرم اتمی یک عنصر () با تعداد N ایزوتوپ پایدار استفاده میشود.
که مقادیر تا جرم اتمی ایزوتوپها و مقادیر تا وفور هر ایزوتوپ در طبیعت هستند.
انواع ایزوتوپ ها ایزوتوپ پایدار
ایزوتوپ پایدار به عنوان ایزوتوپی تعریف میشود که تاکنون هیچ شکلی از واپاشی آن مشاهده نشدهاست. تاکنون ۲۵۴ ایزوتوپ پایدار شناسایی شدهاند که مربوط به ۸۲ عنصر اول جدول تناوبی (به جز تکنسیم و پرومتیم) هستند. البته پیشبینی میشود که تنها ایزوتوپهایی از ۴۰ عنصر اول (شامل ۹۰ ایزوتوپ)، نسبت به همه شکلهای واپاشی پایدار باشند و سایر ایزوتوپهایی که اکنون به عنوان ایزوتوپ پایدار خوانده میشوند، در مقابل شکلی از واپاشی، ناپایدار باشند که تاکنون مشاهده نشدهاست.
هسته دیرینه
هسته دیرینه، به ایزوتوپی گفته میشود که ناپایدار است، ولی نیمعمر آن بیشتر از عمر زمین است و همچنان در پوسته زمین یافت میشود. تاکنون ۳۴ هسته دیرینه، شناسایی شدهاند. عناصر بیسموت، توریوم و اورانیوم، هیچ ایزوتوپ پایداری ندارند؛ ولی ایزوتوپهایی با نیمعمر بسیار زیاد دارند و به همین دلیل، همچنان در پوسته زمین یافت میشوند.
ایزوتوپ پرتوزا
ایزوتوپ پرتوزا، گونهای از ایزوتوپ ناپایدار است که نیمعمر پایینی دارد. البته هسته دیرینه نیز نوعی ایزوتوپ پرتوزا است، ولی به دلیل پرتوزایی بسیار پایین آن، به عنوان یک گروه جداگانه در نظر گرفته میشود. همه ایزوتوپهای تکنسیوم، پرومتیوم و عناصر با عدد اتمی بیش از ۸۳ (به جز یک ایزوتوپ توریوم و دو ایزوتوپ اورانیوم) در دسته ایزوتوپهای پرتوزا جای میگیرند.
