شیمی هسته ای

هدف از مطالعه ی شیمی هسته ای فراگیری اصول ساختمان هسته اتم و بررسی کاربرد رادیو ایزوتوپ ها در شیمی می باشد.رادیو اکتیویته:نشر اشعه ها و تابش هایی نظیر α ٬ β٬ ץ از یک هسته است. برای اولین بار این بحث توسط دانشمندی به نام بکرل در سال ١٨٩٦ کشف شد.او روی ترکیبات اورانیم کار می کرد این ترکیبات تابش از خود نشر می کنند و می توانند از مواد عبور کنند و روی فیلم عکاسی تاثیر بگذارند. دانشمندانی مثل پیر کوری و ماری کوری به این نتیجه رسیدند که تابش هایی از نمک اورانیم به دست آمده حاصل فرایندهای هسته ای است و این فرایندها ویژگی هسته اتم است و ارتباطی به حالت شیمیایی یا فیزیکی آن ندارد.دانش هسته ای : علم مطالعه ی خواص و تغییر در هسته های اتمی است. نقطه ی آغازین این دانش کشف بکرل است. پیر کوری و مادام کوری نیز توانستند رادیم را جدا کنند. دانش هسته ای از دو جنبه بحث می شود بحث تﺋوریک و کاربردی ،کاربردی مثل بحث انرژی ٬تشخیص و درمان پزشکی وبحث جنگی و اما حوادث در راکتورهای اتمی و تاثیر تشعشعات رادیواکتیویته بر روی انسان و موجودات بحث مفید بودن دانش هسته ای را زیر سوال می برد.

انواع تابش ها : نوکلئون به هسته که دارای 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 پرتوץ 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.

ذرات بنیادی : شامل الکترون ٬ پروتون ٬ و نوترون است.برای ذرات بنیادی دو حالت می توان در نظر گرفت ذره ی بنیادی که تشکیل دهنده ی هسته است و یا تولید شده از هسته است. تعداد زیادی از این ذرات که در تئوری محاسبات مکانیک کوانتومی در واکنش های هسته ای کشف شدند. ذرات بنیادی را می توان به روش های مختلف بر اساس پایداری یا جرم آنها تقسیم بندی کرد: 1- ذرات انرژی 2- ذرات جرمی و از نظر پایداری 1- ذرات پایدار 2- ذرات ناپایدار . ذرات جرمی به دو دسته ی سنگین و سبک تقسیم می شوند. الکترون و پروتون ذرات پایداری هستند اما نوترون و پوزیترون ذرات نا پایداری هستند.ویا مثلا الکترون و پروتون ذرات جرمی اما فوتون γ ٬ نوترینو جرم ندارند.و همین طور گراویتون ذره ای که حامل نیروی ثقل است بدون جرم است. ذرات سبک مثل الکترون و پوزیترون و ذرات سنگین مثل پروتون و نوترون و ذرات متوسط مثل مزون ها .

اولین ذره ی زیر اتمی که کشف شد الکترون بود. دانشمندی به نام پرین در سال 1885 برای الکترون خصلت منفی پیشنهاد کرد. تامسون ثابت کرد که الکترونها یکی از اجزای ثابت تشکیل دهنده ی همه ی انواع مواد است. بار الکتریکی الکترون 4.8*10-10 که به عنوان مقدار استاندارد برای بار الکتریکی پیشنهاد شد. الکترون ذره ی بسیار کوچکی است که شعاع ان 2.82x10-15 متر می باشد.

پروتون : بار الکتریکی آن 1.6x10-19 کولن است رادرفورد اولین کسی است که پروتون را به صورت مصنوعی ساخت.واکنش مربوطه عبارت است از : N714 + H24 ........>O817 + H11

نوترون : چادویک از طریق واکنش مقابل نوترون را تولید کرد : Be94 + He42 .........> C126+ n10 نوترون خارج از هسته ناپایدار است و سریعا تجزیه می شود: n10 .........> H11+e0-1 +ט

پوزیترون : در واقع ضد ذره ی یک الکترون است که عملا وجود آن در سال 1932 در اشعه ی کیهانی ثابت شد. این 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.

شیمی هسته ای

مطالب مشابه :

دانلود 30 کتاب مفید دانشگاهی برای تمامی گرایش های شیمی

نقش جلبک‌ها در کاهش آلودگی آب‌ها

کاربردهای لیزر در شیمی

شیمی هسته ای

18 کاربرد متفاوت خمیر دندان که نمی دانستید!!!

دانشگاه تربيت مدرس