النظير

اقترح عالم الكيمياء الإشعاعية فريدريك سودي وجود النظائر لأول مرة عام 1913 ، استنادًا إلى دراسات سلاسل التحلل الإشعاعي التي أشارت إلى وجود حوالي 40 نوعًا مختلفًا تُعرف بالعناصر المشعة (أي العناصر المشعة) بين اليورانيوم والرصاص، على الرغم من أن الجدول الدوري لا يسمح إلا بوجود 11 عنصرًا بين الرصاص واليورانيوم. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

فشلت عدة محاولات لفصل هذه العناصر المشعة الجديدة كيميائيًا. ^{[ 15 ]} فعلى سبيل المثال، أثبت سودي في عام 1910 استحالة فصل الميزوثوريوم (الذي تبين لاحقًا أنه ^228Ra )، والراديوم ( ^226Ra ، وهو النظير الأطول عمرًا)، والثوريوم X ( ^{224Ra ). [ 16 ]} دفعت محاولات وضع العناصر المشعة في الجدول الدوري سودي وكازيميرز فايانز، كلٌ على حدة، إلى اقتراح قانون الإزاحة الإشعاعية في عام 1913، والذي ينص على أن تحلل ألفا ينتج عنصرًا يقع على بعد خانتين إلى اليسار في الجدول الدوري، بينما ينتج انبعاث تحلل بيتا عنصرًا يقع على بعد خانة واحدة إلى اليمين. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} أدرك سودي أن انبعاث جسيم ألفا متبوعًا بجسيمين بيتا يؤدي إلى تكوين عنصر مطابق كيميائيًا للعنصر الأصلي، ولكنه أخف منه بأربع وحدات وله خصائص إشعاعية مختلفة.

اقترح سودي أن أنواعًا متعددة من الذرات (تختلف في خصائصها الإشعاعية) يمكن أن تشغل نفس المكان في الجدول الدوري. ^{[ 14 ]} على سبيل المثال، ينتج عن تحلل ألفا لليورانيوم-235 الثوريوم-231، بينما ينتج عن تحلل بيتا للأكتينيوم-230 الثوريوم-230. ^{[ 15 ]} وقد اقترحت مارغريت تود ، وهي طبيبة اسكتلندية وصديقة للعائلة، مصطلح "النظير"، وهو مصطلح يوناني يعني "في نفس المكان"، ^{[ 14 ]} على سودي خلال محادثة شرح فيها أفكاره لها. ^{[ 16 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} وقد حصل على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1921 ، جزئيًا، لأبحاثه حول النظائر. ^{[ 26 ]}

في عام 1914 وجد تي دبليو ريتشاردز اختلافات بين الوزن الذري للرصاص من مصادر معدنية مختلفة، تعزى إلى اختلافات إشعاعية في التركيب النظائري؛ ^{[ 26 ]} السلسلة الإشعاعية الطبيعية التي تنتهي بثلاثة نظائر مختلفة من الرصاص.

عُثر على أول دليل على وجود نظائر متعددة لعنصر مستقر (غير مشع) على يد جيه جيه طومسون في عامي 1912/1913، وذلك ضمن بحثه في تركيب أشعة القناة (الأيونات الموجبة). ^{[ 27 ]} قام طومسون بتوجيه تيارات من الأيونات عبر مجالات مغناطيسية وكهربائية متوازية، وقاس انحرافها بوضع لوحة فوتوغرافية في مسارها، وحسب نسبة كتلتها إلى شحنتها باستخدام طريقة عُرفت باسم طريقة طومسون للقطع المكافئ. ويمكن تحديد كل "خط" بوزن ذري محدد، وبالتالي يمكن تحديد العناصر والمركبات المختلفة. تشرح ورقة طومسون الأولى في المجلة الفلسفية التقنية المستخدمة، لكنها لا تُعلق على الخطوط الشاذة؛ ومع ذلك، في محاضرة ألقاها أمام المؤسسة الملكية في 17 يناير 1913، حدد طومسون "خطًا يتوافق مع وزن ذري 22، والذي لا يمكن تحديده بالخط الناتج عن أي غاز معروف". ثم علّق قائلاً إن

يُثير أصل هذا الخط العديد من النقاط المهمة؛ إذ لا توجد مركبات غازية معروفة لأي من العناصر المعترف بها تحمل هذا الوزن الجزيئي. كذلك، إذا ما اعتمدنا قانون مندليف الدوري، فلا مجال لوجود عنصر جديد بهذا الوزن الذري. ^{[ 28 ]}

أُلقيت المحاضرة نفسها أمام الجمعية الفلسفية في كامبريدج في 27 يناير 1913، وفي وقت لاحق من العام نفسه، قدّم طومسون تفسيره الناضج في محاضرة بيكريان التي نظمتها الجمعية الملكية. هناك، عرض مجددًا صورة بقع ضوئية مكافئة على اللوحة الفوتوغرافية (انظر الصورة)، مما يشير إلى وجود نوعين من نوى النيون بنسب كتلة إلى شحنة مختلفة. وكتب: "لذلك، أعتقد أنه لا شك في أن ما يُسمى بالنيون ليس غازًا بسيطًا، بل خليط من غازين، أحدهما ذو وزن ذري يبلغ حوالي 20 والآخر حوالي 22. ويكون القطع المكافئ الناتج عن الغاز الأثقل دائمًا أضعف بكثير من ذلك الناتج عن الغاز الأخف، ولذلك فمن المحتمل أن يشكل الغاز الأثقل نسبة ضئيلة فقط من الخليط." ^{[ 29 ]}

اكتشف فريدريك و. أستون لاحقًا نظائر مستقرة متعددة لعناصر عديدة باستخدام مطياف الكتلة ، وهو ما يرتبط بطريقة طومسون. في عام 1919، درس أستون النيون بدقة كافية لإثبات أن كتلتي النظيرين قريبتان جدًا من العددين الصحيحين 20 و22، وأن أياً منهما لا يساوي الكتلة المولية المعروفة (20.2) لغاز النيون. يُعد هذا مثالًا على قاعدة أستون للأعداد الصحيحة للكتل النظيرية، والتي تُعرف الآن بأنها لا استثناءات لها، والتي تنص على أن الانحرافات الكبيرة للكتل المولية للعناصر عن الأعداد الصحيحة تعود إلى كون العنصر خليطًا من النظائر. وبالمثل، أثبت أستون في عام 1920 أن الكتلة المولية للكلور (35.45) هي متوسط ​​مرجح للكتل شبه الصحيحة للنظيرين ^35Cl و ³⁷ Cl. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

بعد اكتشاف النيوترون بواسطة جيمس تشادويك في عام 1932، ^{[ 32 ]} تم توضيح السبب الجذري النهائي لوجود النظائر، أي أن نوى النظائر المختلفة لعنصر معين لها أعداد مختلفة من النيوترونات، على الرغم من احتوائها على نفس عدد البروتونات.

تحتوي الذرة المتعادلة على نفس عدد الإلكترونات والبروتونات. ولذلك، فإن جميع نظائر العنصر الواحد لها نفس عدد الإلكترونات وتتشابه في بنيتها الإلكترونية. ولأن السلوك الكيميائي للذرة يتحدد إلى حد كبير ببنيتها الإلكترونية، فإن النظائر المختلفة تُظهر سلوكًا كيميائيًا متطابقًا تقريبًا.

الاستثناء الرئيسي لهذه القاعدة هو تأثير النظائر الحركية : فبسبب كتلها الأكبر، تميل النظائر الأثقل إلى التفاعل ببطء أكبر من النظائر الأخف لنفس العنصر. ويبرز هذا التأثير بشكل واضح للغاية بالنسبة للبروتيوم ( ^1).H )، الديوتيريوم ( ²الهيدروجين )، والتريتيوم ( ³H )، لأن كتلة الديوتيريوم ضعف كتلة البروتون، وكتلة التريتيوم ثلاثة أضعاف كتلة البروتون. ^{[ 33 ]} تؤثر فروق الكتلة هذه أيضًا على سلوك الروابط الكيميائية لكل منهما، من خلال تغيير مركز ثقل ( الكتلة المختزلة ) الأنظمة الذرية. مع ذلك، بالنسبة للعناصر الأثقل، يكون فرق الكتلة النسبي بين النظائر أقل بكثير، بحيث تكون تأثيرات فرق الكتلة على التفاعلات الكيميائية ضئيلة عادةً. (تحتوي العناصر الثقيلة أيضًا على عدد أكبر نسبيًا من النيوترونات مقارنةً بالعناصر الأخف، لذا فإن نسبة الكتلة النووية إلى الكتلة الإلكترونية الكلية أكبر قليلًا). يوجد أيضًا تأثير التوازن النظيري .

وبالمثل، فإن جزيئين يختلفان فقط في نظائر ذراتهما ( النظائر المتماثلة ) لهما بنية إلكترونية متطابقة، وبالتالي خصائص فيزيائية وكيميائية متطابقة تقريبًا (مع استثناء الديوتيريوم والتريتيوم). وتُحدد أنماط اهتزاز الجزيء بشكله وكتل ذراته المكونة له؛ لذا فإن للنظائر المتماثلة المختلفة مجموعات مختلفة من أنماط الاهتزاز. ولأن أنماط الاهتزاز تسمح للجزيء بامتصاص الفوتونات ذات الطاقات المقابلة، فإن للنظائر المتماثلة خصائص بصرية مختلفة في نطاق الأشعة تحت الحمراء .

تتكون نواة الذرة من بروتونات ونيوترونات مرتبطة معًا بقوة نووية قوية متبقية . ولأن البروتونات موجبة الشحنة، فإنها تتنافر فيما بينها. أما النيوترونات، وهي متعادلة كهربائيًا، فتساهم في استقرار النواة بطريقتين: أولًا، يدفع وجودها البروتونات بعيدًا قليلًا عن بعضها، مما يقلل التنافر الكهروستاتيكي بينها، وثانيًا، تُمارس قوة نووية جاذبة على بعضها البعض وعلى البروتونات. لهذا السبب، يلزم وجود نيوترون واحد أو أكثر لكي يرتبط بروتونان أو أكثر في النواة. ومع ازدياد عدد البروتونات، تزداد نسبة النيوترونات إلى البروتونات اللازمة لضمان استقرار النواة (انظر الرسم البياني على اليمين). على سبيل المثال، على الرغم من أن نسبة النيوترونات إلى البروتونات في الهيليوم ^-3 هي 1: _{2 ، فإن} هذه النسبة في اليورانيوم ^-238 أكبر من 3:2. يوجد عدد من العناصر الأخف وزنًا لها نوى مستقرة بنسبة 1:1 ( العدد الذري = عدد النيوترونات ). يُعدّ نظير الكالسيوم ^-40 ( Ca -40) أثقل نظير مستقر من الناحية الرصدية _، ويحتوي على نفس عدد النيوترونات والبروتونات. جميع النظائر المستقرة الأثقل من الكالسيوم-40 تحتوي على عدد من النيوترونات يفوق عدد البروتونات.

من بين 80 عنصرًا لها نظائر مستقرة، يُعدّ عنصر القصدير ( Tin ) صاحب أكبر عدد من النظائر المستقرة. لا يوجد أي عنصر له تسعة أو ثمانية نظائر مستقرة. خمسة عناصر لها سبعة نظائر مستقرة، وسبعة لها ستة نظائر مستقرة، وأحد عشر لها خمسة نظائر مستقرة، وتسعة لها أربعة نظائر مستقرة، وخمسة لها ثلاثة نظائر مستقرة، وستة عشر لها نظيران مستقران (بما في ذلك _{نظير 73Ta} ^{المستقر} ) ، وستة وعشرون عنصرًا لها نظير مستقر واحد فقط (منها 19 عنصرًا أحادي النواة ، أي لها نظير مستقر بدائي واحد يهيمن على الكتلة الذرية ويحدد وزنها بدقة عالية؛ كما يوجد عنصران أحاديا النواة مشعّان). ^{[ 34 ]} إجمالًا، هناك 251 نويدة لم يُرصد تحللها. بالنسبة للعناصر الـ 80 التي لها نظير مستقر واحد أو أكثر، فإن متوسط ​​عدد النظائر المستقرة هو 251/80  ≈  3.14 نظير لكل عنصر.

نسبة البروتونات إلى النيوترونات ليست العامل الوحيد المؤثر على استقرار النواة، بل يعتمد ذلك أيضًا على كون العدد الذري (Z) أو عدد النيوترونات (N) زوجيًا أو فرديًا ، وبالتالي على مجموعهما، أي العدد الكتلي (A) . يؤدي كون كل من Z و N فرديًا إلى خفض طاقة الربط النووي ، مما يجعل النوى الفردية، عمومًا، أقل استقرارًا. لهذا الاختلاف الملحوظ في طاقة الربط النووي بين النوى المتجاورة، وخاصةً بين النظائر ذات العدد الكتلي الفردي (A) ، عواقب وخيمة: إذ تتحلل النظائر غير المستقرة ذات العدد غير الأمثل من النيوترونات أو البروتونات عن طريق تحلل بيتا (بما في ذلك انبعاث البوزيترون )، أو أسر الإلكترون ، أو أنماط تحلل أخرى أقل شيوعًا مثل الانشطار التلقائي والتحلل العنقودي .

معظم النوى المستقرة هي نوى ذات عدد زوجي من البروتونات والنيوترونات، حيث تكون جميع الأعداد Z و N و A زوجية. أما النوى المستقرة ذات العدد الفردي من النيوترونات ، فتنقسم (بشكل متساوٍ تقريبًا) إلى نوى ذات عدد فردي من البروتونات ونيوترونات زوجية، ونوى ذات عدد زوجي من البروتونات ونيوترونات فردية. وتُعدّ النوى المستقرة ذات العدد الفردي من البروتونات والنيوترونات الأقل شيوعًا.

توجد تطبيقات عديدة تستفيد من خصائص النظائر المختلفة لعنصر معين. يُعد فصل النظائر تحديًا تقنيًا كبيرًا، لا سيما مع العناصر الثقيلة مثل اليورانيوم والبلوتونيوم. أما العناصر الأخف مثل الليثيوم والكربون والنيتروجين والأكسجين، فيتم فصلها عادةً عن طريق الانتشار الغازي لمركباتها مثل أول أكسيد الكربون وأكسيد النيتروجين. ويُعد فصل الهيدروجين والديوتيريوم أمرًا غير معتاد لأنه يعتمد على الخصائص الكيميائية بدلًا من الخصائص الفيزيائية، كما هو الحال في عملية جيردلر للكبريتيد . وقد تم فصل نظائر اليورانيوم بكميات كبيرة عن طريق الانتشار الغازي، والطرد المركزي الغازي، والفصل بالتأين الليزري، وفي مشروع مانهاتن ( عن طريق نوع من مطياف الكتلة الإنتاجي) .

• تحليل النظائر هو تحديد البصمة النظيرية ، أي الوفرة النسبية لنظائر عنصر معين في عينة محددة. ويُجرى هذا التحليل عادةً باستخدام مطياف الكتلة لنسب النظائر . وبالنسبة للمواد البيولوجية على وجه الخصوص، قد تحدث اختلافات كبيرة في نظائر الكربون والنيتروجين والأكسجين. ولتحليل هذه الاختلافات تطبيقات واسعة النطاق، مثل الكشف عن الغش في المنتجات الغذائية ^{[ 37 ]} أو تحديد المنشأ الجغرافي للمنتجات باستخدام الخرائط النظيرية . ويعتمد تحديد بعض النيازك على أنها من أصل مريخي جزئيًا على البصمة النظيرية للغازات النزرة الموجودة فيها ^{[ 38 ] .}
• يمكن استخدام الاستبدال النظائري لتحديد آلية التفاعل الكيميائي من خلال التأثير الحركي للنظائر .
• من التطبيقات الشائعة الأخرى الوسم النظائري ، وهو استخدام نظائر غير عادية كمتتبعات أو علامات في التفاعلات الكيميائية. ^{[ 39 ]} عادةً، لا يمكن التمييز بين ذرات العنصر الواحد. مع ذلك، باستخدام نظائر ذات كتل مختلفة، يمكن التمييز حتى بين النظائر المستقرة غير المشعة المختلفة بواسطة مطياف الكتلة أو مطياف الأشعة تحت الحمراء . على سبيل المثال، في تقنية "الوسم النظائري المستقر بالأحماض الأمينية في مزارع الخلايا ( SILAC )"، تُستخدم النظائر المستقرة لتحديد كمية البروتينات . أما في حال استخدام نظائر مشعة، فيمكن الكشف عنها من خلال الإشعاع المنبعث منها (وهذا ما يُسمى بالوسم النظائري المشع ).
• تُستخدم النظائر بشكل شائع لتحديد تركيز العناصر أو المواد المختلفة باستخدام طريقة التخفيف النظائري ، حيث يتم خلط كميات معروفة من المركبات المستبدلة نظائريًا مع العينات ويتم تحديد البصمات النظائرية للخلائط الناتجة باستخدام مطياف الكتلة .

• تُعدّ تقنية التأريخ الإشعاعي تقنيةً مشابهةً للوسم بالنظائر المشعة : فباستخدام عمر النصف المعروف لعنصر غير مستقر، يُمكن حساب المدة الزمنية التي انقضت منذ وجود تركيز معروف من النظير. وأشهر مثال على ذلك هو التأريخ بالكربون المشع المستخدم لتحديد عمر المواد الكربونية.
• تعتمد العديد من أنواع التحليل الطيفي على الخصائص النووية الفريدة لنظائر محددة، سواء كانت مشعة أو مستقرة. فعلى سبيل المثال، لا يُمكن استخدام مطيافية الرنين المغناطيسي النووي (NMR) إلا مع النظائر ذات اللف المغزلي النووي غير الصفري. ومن أكثر النظائر شيوعًا في مطيافية الرنين المغناطيسي النووي: الهيدروجين ^-1 ، والديوتيريوم ^-2 ، والنيتروجين ^-15 ، والكربون ^-13 ، والفوسفور -31 ^.
• يعتمد التحليل الطيفي لموسباور أيضًا على الانتقالات النووية لنظائر محددة، مثل ⁵⁷ Fe.
• للنظائر المشعة استخدامات مهمة أيضاً. فالطاقة النووية وتطوير الأسلحة النووية يتطلبان كميات كبيرة نسبياً من نظائر محددة. كما يستخدم الطب النووي وعلاج الأورام بالإشعاع النظائر المشعة على التوالي في التشخيص والعلاج الطبي.