شيمي هسته اي

هدف از مطالعه ي شيمي هسته اي فراگيري اصول ساختمان هسته اتم و بررسي کاربرد راديو ايزوتوپ ها در شيمي مي باشد.

راديو اکتيويته:نشر اشعه ها و تابش هايي نظير α ٬ β٬ ץ از يک هسته است. براي اولين بار اين بحث توسط دانشمندي به نام بکرل در سال ١٨٩٦ کشف شد.او روي ترکيبات اورانيم کار مي کرد اين ترکيبات تابش از خود نشر مي کنند و مي توانند از مواد عبور کنند و روي فيلم عکاسي تاثير بگذارند. دانشمنداني مثل پير کوري و ماري کوري به اين نتيجه رسيدند که تابش هايي از نمک اورانيم به دست آمده حاصل فرايندهاي هسته اي است و اين فرايندها ويژگي هسته اتم است و ارتباطي به حالت شيميايي يا فيزيکي آن ندارد.

دانش هسته اي : علم مطالعه ي خواص و تغيير در هسته هاي اتمي است. نقطه ي آغازين اين دانش کشف بکرل است. پير کوري و مادام کوري نيز توانستند راديم را جدا کنند. دانش هسته اي از دو جنبه بحث مي شود بحث تﺋوريک و کاربردي ،کاربردي مثل بحث انرژي ٬تشخيص و درمان پزشکي وبحث جنگي و اما حوادث در راکتورهاي اتمي و تاثير تشعشعات راديواکتيويته بر روي انسان و موجودات بحث مفيد بودن دانش هسته اي را زير سوال مي برد.

انواع تابش ها : نوکلئون به هسته که داراي ذرات بنیادی است گفته می شود. منظور از نوکلﺌوﺋید اتم می باشد. تابش α : هسته+ ² He (هلیم دو بار مثبت ) تابش α است . فرم کلی واکنش پرتوزا :A..........>E+X+B. A:نوکلوئید مادر ٬ B: نوکلوئید دختر ٬ X: انواع تابش ها یا ذرات نشر شده ٬ E : انرژی . تمام تابش هایی که بحث می کنیم قدرت نفوذ در ماده را دارند اما این قدرت برای هر کدام متفاوت است. قدرت نفوذ در α کم است چون سنگین تر و درشتر است اما در همان حدی که نفوذ می کند یون ایجاد می کند. چون ذره ی+² Hе دارای بار مثبت است توسط میدان های الکتریکی و مغناطیسی می تواند منحرف شود.

معادله هسته ای :

در یک معادله هسته ای دانش هسته ای را در یک فرم کوتاه نشان می دهیم. Po..........> He +Q+ Pb (پلونیم) ٬ Q:انرژی٬ نشر α باعث می شود نسبت نوترون به پروتون افزایش یابد.واحد جرم اتم amuمی باشد که برابر با ٥∕٩٣١ مگا الکترون ولت است. تمام ذرات α و همین طور پرتو ץ انرژی خاصی دارند اما همه ی ذرات β دارای انرژی یکسانی نیستند.

تابش β : الکترون ( نگاترون ) که جرم بسیار کمی دارد. مثال: P .........> β+S قدرت نفوذ تابش β از ذره ی α بیشتر است. نشر β همراه با نشر ذره ی دیگری به نام آنتی نوترینو ט است که در واقع انرزی ذرات β بین این دو توزیع می شود. دو دلیل عمده ی نشر دو ذره به طور همزمان : ١ ) بقای انرژی از انجا که توزیع پیوسته برای انرژی داریم و بیشتر ذرات ß ٤٠٪ انرژی ماکسیمم β هستند پس بایستی ذره ی دیگری هم در سیستم وجود داشته باشدکه آن هم انرژی متغیری را حمل کند. ٢ ) دلیل اسپینی مقدار عدد کوانتومی اسپین برای پروتون ٬ نوترون و الکترون ٢/١ است . در تبدیل نوترون به پروتون n...........> ט+β+P در اینجا اسپین دو طرف باید ثابت باشد در طرف چپ اسپین ٢/١ و در طرف راست پروتون اسپین ٢/١و β هم اسپین ٢/١ پس باید ذره ی دیگری نیز وجود داشته باشد که اسپین ٢/١- داشته باشد که این همان آنتی نوترینو (ט) است.

تابش ץ : معمولا نشر اشعه ی گاما بعد از نشر الفا و بتا توسط یک نوکلﺋوﺋید رادیواکتیو ساطع می شود.علت: در یک تجزیه ی رادیواکتیو ، هسته ای که حاصل می شود از نظر انرژی در یک حالت تهییجی قرار دارد در این صورت وقتی می خواهد به حالت پایه برگردد این حالت همراه با نشر اشعه ی گاما است. تابش های گاما جزو تابش های الکترومغناطیسی هستند و ذره نیستند. دارای طول موج بسیار کوتاه و انرژی زیاد هستند و قدرت نفوذ آنها در ماده بسیار زیاد می باشد. نوکلﺋون ها (ذرات بنیادی ) در هسته در سطوح انرژی مستقل یا مجزایی قرار دارندبرای آنها حالت پایه و حالت برانگیخته وجود داردانها می توانند انرژی جذب کنند و به مدارهای بالاتر بروند که در آنجا کم ثبات هستند که این حالت را با m نشان می دهند.

خواص تابش های رادیواکتیو: چرا برخی هسته ها رادیواکتیواند و برخی نیستند ؟اگر تعداد نوترون ها به طور نسبی بیشتر باشد هسته رادیواکتیو است.

تغییر شیمیایی : برای یک واکنش شیمیایی 0 > ΔG از لحاظ تر مو دینامیکی خود بخودی است علاوه بر این در یک واکنش رادیو اکتیو تغییر انرژی مهم است یعنی 0 > ΔE و 0 > ΔM که این ها باعث خودبخودی شدن تجزیه رادیو اکتیو است .

واکنش های هسته ای :ما می توانیم در برخی موارد خودمان باعث ایجاد واکنش هسته ای شویم که به آن واکنش های هسته ای القایی یا مصنوعی یا دگردیسی های هسته ای می گویند که در اثر برخورد یک ذره به هسته ایجاد می شود.واکنش هسته ای خود به خودی : U...........> He+Th ، ( اعداد جرمی :٢٣٨ : U -٢٣٤ :Th – ٤ :He )

واکنش هسته ای مصنوعی: n+N........> H+C در اینجا n نوترون حرارتی است.در مثالی دیگر α+N...........> O+Pدر این واکنش اکسیژن با عدد جرمی ١٧ می باشد.فرم کلی واکنش طبق قرارداد به صورت o (P ̦٫ α ) N نوشته می شود ، o : هسته ی محصول ،P :ذره ی نشر شده، α : ذره ی برخورد کننده ، N : هسته ی هدف می باشد.

مقایسه ی بین واکنش های شیمیایی با واکنش های هسته ای : در واکنش های شیمیایی تغییرات در خارج از هسته صورت می گیرداتم ها به وسیله ی شکسته شدن وتشکیل پیوندها تجدید ارایش می کنند تنها الکترون های اوربیتالی درگیرند انرژی آزاد شده مقادیر نسبتا کمی دارد سرعت واکنش ها به وسیله ی شرایط تجربی تحت تاثیر قرار می گیرند و واکنش های معمول هستنددر حالی که در واکنش های هسته ای تغییرات در هسته صورت می گیرد نوکلﺋونها تجدید آرایش کرده و به هسته ی دیگری تبدیل می شوند پروتون ها نوترون ها و دیگر ذرات بنیادی درگیرند انرژی آزاد شده دارای مقادیر عظیم هستند سرعت واکنش ها به طور طبیعی تحت تاثیر شرایط تجربی نظیر دما فشار و یا کاتالیزور قرار نمی گیرند و واکنش های نادری هستند.

شاخه هاي تجزيه ي راديواکتيو : در طبيعت چندين شاخه ي تجزيه ي راديواکتيو وجود دارد.شاخه هاي تجزيه قسمت هايي از سري هاي راديواکتيو هستند. به اين ترتيب که وقتي هسته اي تجزيه مي شود و به هسته ي راديواکتيو ديگري تبديل مي شود اين روند ادامه پيدا مي کند تا وقتي که به هسته ي پايداري برسد از اولين هسته ي راديواکتيو تا هسته ي پايدار را يک سري مي گويند. در طبيعت سه سري راديواکتيو وجود دارد:سري اورانيم ٬ توريم و اکتينيم.

خصوصيات سري هاي تجزيه ي طبيعي : 1)هر سري توسط عضو برجسته اي از آن سري ناميده مي شود. 2)محصول نهايي هر سري ايزوتوپ پايداري از سرب است . ٣) سه سري از طريق هيچ ايزوتوپي به هم وابسته نيستند.يک ايزوتوپ در يکي از سري ها به ايزوتوپ متعلق به سري ديگر تجزيه نمي شود. ٤) در هر سري تعدادي از ايزوتوپ هاي فعال متحمل تجزیه ی شاخه ای می شوند به این ترتیب که یک ایزوتوپ مشخص به دو روش تجزیه می شود و دو محصول را به عنوان محصولات شاخه ای ایجاد می کندبه عنوان مثال پلونیم با عدد جرمی ٢١٨در سری اورانیم متحمل هر دو تجزیه ی α و β می شود و به ترتیب Pb با عدد جرمی ٢١٤ و At با عدد جرمی٢١٨می شود که این محصولات شاخه ای همیشه به یک محصول مشابه تبدیل می شوند.

در سری های تجزیه ی مصنوعی با ایزوتوپ های مصنوعی سر و کار داریم.خصوصیات سری های تجزیه ی مصنوعی: ١) تمام اعضای این سری ها به جز عضو آخر در طبیعت وجود ندارند پس مصنوعی هستند. ٢)محصول نهایی ایزوتوپی از سرب نبوده بلکه ایزوتوپی از بیسموت است. ٣) این سری ها بر خلاف سه سری طبیعی به هیچ وجه شامل محصول گازی رادون نیستند.

قوانین تجزیه ی رادیواکتیو : در یک واکنش رادیواکتیو با تغییراتی مثل نشر ذره ی α ٬ ץ یا β از یک اتم به اتم دیگر میرسیم. در یک فعالیت رادیواکتیو مشخص می شود که چگونه یک عنصر ناپدید و یا تجزیه می شود. تمام اتم های رادیواکتیوی که در یک نمونه از عنصر وجود دارندتمایل دارند تجزیه شوند. تعداد واقعی اتم هایی که در واحد زمان تجزیه می شوند سرعت نامیده می شود.در واقع سرعت به تمایل اتم های رادیواکتیو برای متلاشی شدن وابسته است.این نشان دهنده ی این است که تمایل اتم های رادیواکتیو مختلف برای متلاشی شدن متفاوت است این خاصیت تمایل را به عنوان فعالیت نام می برند به عنوان مثال عنصر پرتو زای Thبا عدد جرمی ٢٣٢هفتاد برابر بیشتر از Raبا عدد جرمی ٢٢٦تمایل برای متلاشی شدن دارد.تجزیه ی رادیواکتیو واکنشی مرتبه اول است که که به طور نمایی کاهش می یابد.سرعت تجزیه ی رادیواکتیو به گونه ای است که ماهیت آن از لحاظ فیزیکی و شیمیایی تاثیری در سرعت تجزیه ندارد برای یک عنصر فعال سرعت تجزیه در هر زمان فقط به تعداد هسته های موجود بستگی دارد.

( 1 ) dN/dt=λN -

ثابت λ بیانگر نسبی بودن واکنش است که مشخصه ی تجزیه ی هر عنصر است و به عنوان ثابت تجزیه هم نامیده می شود. N تعداد اتم ها و dN تغییر در تعداد اتم ها در زمان t می باشد.

نیمه عمر عناصر رادیواکتیو :نیمه عمر یک عنصر رادیواکتیو زمانی است که نیمی از عنصر فعال تجزیه شود این زمان را به صورت t ½نشان می دهند.برای مثال فرض کنید هزار تا اتم فعال داریم اگر زمان لازم برای تجزیه ی ٥٠٠ اتم ده دقیقه باشد نیمه عمر ده دقیقه است.اندازه ی نیمه عمر بیانگر مقدار رادیواکتیویته بودن یک عنصر است هر چه نیمه عمر کوچکتر باشد نشان دهنده ی این است که تعداد اتم های تجزیه شده در واحد زمان بیشتر است . مقدار نیمه عمر برای عناصر رادیواکتیو مختلف از کسری از ثانیه تا میلیون ها سال متغیر است اما مقدار آن برای یک عنصر خاص ثابت است.برای به دست آوردن زمان نیمه عمر از این رابطه استفاده می شود: t½ =0.693/λ

به عنوان مثال مسئله ای را حل می کنیم: نوکلئوئید 18F متحمل 10% تجزیه ی رادیواکتیو در 5. 16 دقیقه می شود t½ آنرا حساب کنید. N :

ln N/N 0=-λt

تعداد اتم های موجود و N0 تعداد اتم های اولیه است.پس طبق رابطه ی بالا λ= - 2.303/t log(N/N0

پس با جاگذاری λ=-2.303/ 16.5 log (0.9/1)=> λ=6.39x10-3 min-1

که با توجه به فرمول زمان نیمه عمر t½ =0.693/λ=> t½ =108 min

زمان متوسط یا میانگین برای عنصر رادیواکتیو : ترم dN تعداد اتم هایی از عنصر رادیواکتیو است که در زمان dt متلاشی می شوند.

dN⁄N بیانگر کسری از کل تعداد اتم های موجود است که در همان زمان dt متلاشی می شوند.(4کسری از اتم های رادیواکتیو موجود که در واحد زمان تجزیه می شود=- (dN/N)/ dt با جاگذاری رابطه ی(1) در رابطه ی (4) نتیجه می شود :λ=λN/λ:کسری از کل تعداد اتم های موجود.

زمان متوسط (میانگین ) : برای اتم های رادیواکتیو معکوس ثابت رادیواکتیو یعنی ג⁄١ می باشد.زمانی که بحث آماری برای اتم های رادیواکتیو داشته باشیم از زمان متوسط استفاده می کنیم.

تعادل رادیواکتیویته :فرض کنید یک عنصر رادیواکتیو به نام A داریم که A.....> B.....> C از لحاظ سرعت تجزیه ی B به زمانی می رسیم که سرعت تجزیه ی آن برابر با سرعت تشکیل ان از A می شود.با اینکه عنصر B متحمل تجزیه می شود ولی عملا هیچ تغییری در مقدارش به وجود نمی آید این همان تعادل رادیواکتیویته است.در حالت تعادل سرعت تجزیه و تشکیل یکسان است.مقدار ثابت تعادل متناسب با ثابت تجزیه (ג) می باشد.مثلا اگر در زمان تعادل 2λ و 1λ داشته باشیم داریم : N2 λ2 = N1 λ1

گستره ی ذرات α : قاعده ی گایگر ناتا می گوید ذرات α نشر شده توسط یک عنصر رادیواکتیو دارای انرژی به صورت جنبشی هستند بنابراین هنگامی که ذره ی α از یک هسته نشر می شود در تمام جهات نسبت به هسته ی مادر حرکت می کند و در طی مسیری که طی می کند با مواد موجود در هوا برخورد می کند و از آنجاییکه خود ذره ی α یک ذره ی باردار است پس مواد موجود در هوا را یونیزه می کند .بعد از اینکه ذرات α مسافتی را طی کرد بار خود را از دست می دهند و تبدیل به ذرات خنثی می شوند و پدیده ی یونیزاسیون هوا متوقف می شود. طبق تعریف حداکثر مسافت نسبت به سرچشمه را که در آن ذرات α باعث یونیزاسیون هوا می شوند گستره (R ) می نامند. گستره ی ذرات α برای هر چشمه ی معین مقداری ثابت است.هر چه طول عمر ایزوتوپ زیاد باشد ذرات α کوتاه ترین گستره را دارند . قاعده ی گایگر ناتا: logλ=A logR +B

AوB مقادیر ثابت هستند.

ذرات بنيادي : شامل الکترون ٬ پروتون ٬ و نوترون است.براي ذرات بنيادي دو حالت مي توان در نظر گرفت ذره ي بنيادي که تشکيل دهنده ي هسته است و يا توليد شده از هسته است. تعداد زيادي از اين ذرات که در تئوري محاسبات مکانيک کوانتومي در واکنش هاي هسته اي کشف شدند. ذرات بنيادي را مي توان به روش هاي مختلف بر اساس پايداري يا جرم آنها تقسيم بندي کرد: 1- ذرات انرژي 2- ذرات جرمي و از نظر پايداري 1- ذرات پايدار 2- ذرات ناپايدار . ذرات جرمي به دو دسته ي سنگين و سبک تقسيم مي شوند. الکترون و پروتون ذرات پايداري هستند اما نوترون و پوزيترون ذرات نا پايداري هستند.ويا مثلا الکترون و پروتون ذرات جرمي اما فوتون γ ٬ نوترينو جرم ندارند.و همين طور گراويتون ذره اي که حامل نيروي ثقل است بدون جرم است. ذرات سبک مثل الکترون و پوزيترون و ذرات سنگين مثل پروتون و نوترون و ذرات متوسط مثل مزون ها .

اولين ذره ي زير اتمي که کشف شد الکترون بود. دانشمندي به نام پرين در سال 1885 براي الکترون خصلت منفي پيشنهاد کرد. تامسون ثابت کرد که الکترونها يکي از اجزاي ثابت تشکيل دهنده ي همه ي انواع مواد است. بار الکتريکي الکترون 4.8*10-10 که به عنوان مقدار استاندارد براي بار الکتريکي پيشنهاد شد. الکترون ذره ي بسيار کوچکي است که شعاع ان 2.82x10-15 متر مي باشد.

پروتون : بار الکتريکي آن 1.6x10-19 کولن است رادرفورد اولين کسي است که پروتون را به صورت مصنوعي ساخت.واکنش مربوطه عبارت است از : N714 + H24 ........>O817 + H11

نوترون : چادويک از طريق واکنش مقابل نوترون را توليد کرد : Be94 + He42 .........> C126 + n10 نوترون خارج از هسته ناپايدار است و سريعا تجزيه مي شود: n10 .........> H11 +e0-1 +ט

پوزيترون : در واقع ضد ذره ي يک الکترون است که عملا وجود آن در سال 1932 در اشعه ي کيهاني ثابت شد. اين کار توسط Anderson انجام گرفت. جرم آن شبیه الکترون و بارش نیز همان بار الکترون با علامت مثبت است. Sr8138 ..........> Rb8138 +β+

خود ذره ناپایدار است. در واکنش متقابل با الکترون تبدیل به انرژی می شود و فوتون ازاد می کند این فرایند واکنش انهدام نامیده می شود. در کل در واکنش های هسته ای وقتی ذره ای باردار تشکیل می شود یک ذره ی مخالف آن هم باید وجود داشته باشد. از لحاظ تئوری وجود پوزیترون را دانشمندی به نام دیراک از طریق معادلات مکانیک موجی پیش بینی کرد.

نوترینو و انتی نوترینو : به طور تئوریک پائولی در تجزیه ی پوزیترون وجود نشر نوترینو را مسلم فرض کرده بود.پروتون .........> نوترون + پوزیترون + نوترینو نوترون .........> پروتون + الکترون + انتی نوترینو t½ برای نوترون ده دقیقه است ولی در محیط آزاد(هوا به علت واکنشی که با مواد می دهد در حد 102-تا 104-می باشد. لپتن ها جزء اجرام سبک و هادرون ها شامل ذرات متوسط و سنگین هستند. هادرون ها : 1- مزون ها ( ذرات متوسط ) 2- بار یون ها ( ذرات سنگین )

هسته ی اتم : تامسون در سال 1898 نظریه ی اتمی خود را ارائه داد او تعدادی ذراتی منفی در نظر گرفت که در اطراف کره ای از بار مثبت حرکت می کنند. مدل اتمی رادرفورد : بر اساس واکنش متقابل ذره ی α با هسته های اتمی فرضیه ای درباره ی اتم ارائه داد 1- اتم شامل یک هسته ی مرکزی با بار مثبت است. 2- اندازه ی هسته ی اتم در مقایسه با اندازه ی کل اتم بسیار کوچک است. 3- الکترون ها در اطراف هسته توزیع شده اند و تعداد آنها معادل با بار مثبت هسته است. 4- بیشتر جرم اتم مربوط به هسته است و 5- فضاهای خالی زیادی در اتم وجود دارد که این فضا بین هسته و الکترون ها است. بار هسته را به چه طریق می توان به دست آورد ؟ به کمک طیف اشعه ی X که برای اولین بار دانشمندی به نام موزلی این کار را انجام داد. موزلی یک جریانی از اشعه ی کاتدی (جریانی از الکترون ها ) به یک عنصر هدف برخورد می کند در این حالت اشعه ی X تولید می شود. این اشعه ی تولید شده با استفاده از بلور پتاسیم فرو سیانید به عنوان توری پراش مورد ارزیابی و تجزیه و تحلیل قرار می دهند و بعد اشعه ی حاصل را روی صفحه ی عکاسی ثبت می کنند به این ترتیب طیف X­ray به دست می اید. الگوی طیف اشعه ی X مستقیما به طول موج اشعه ی X مربوط است بنابراین می توانیم با توجه به مکان نسبی خطوط فرکانس های تابش مربوطه را حساب کنیم.ט=C/λ

ט=a( Z- b )2 ٫ aوb ثابتهای نسبی هستند و اینها را از طریق عدد اتمی (Z) عنصر هدف به دست می آوریم.

شعاع هسته : هسته ی اتم شکل کروی دارد علت کروی بودن آن اثر کشش سطحی آن است. شعاع مقادیر بسیار کمی دارد و در محدوده ی 10-12 تا 10-13 قرار می گیرد .

انرژی بستگی هسته : مقدار انرژی است که اگر هسته از نوکلئونهای خود ساخته شود آن انرژی آزاد می شود مثلا اگر لیتیم از کنار هم قرار گرفتن سه پروتون و چهار نوترون به دست آید مقداری انرژی بستگی آزاد می شود که این مقدار مربوط به تبدیل جرم به انرژی است. جرم یک اتم مربوط به ایزوتوپ پایدار همیشه کمتر از مجموع جرمهای پروتون ها نوترون ها و الکترون هایی است که اتم را می سازند این اختلاف جرم را به عنوان کاهش جرم می شناسیم که آنرا با ΔM نشان می دهند.انرژی بستگی بیانگر میزان پایداری هسته است.