ایزوتوپ‌ها چیستند و نخستین بار چه کسی پی به وجود آنها برد؟

سال اکتشاف: ۱۹۱۳

این کشف چه می‌گوید؟

ایزوتوپ‌ها اشکال مختلف یک ماده هستند که خواص فیزیکی و شیمیایی یکسان اما وزن اتمی متفاوتی دارند.

چه کسی آن را کشف کرد؟

فردریک سودی Fredrick Soddy

ایزوتوپ‌های یک عنصر شکل اندک متفاوتی از همان عنصر هستند. ایزوتوپ‌ها همان خواص شیمیایی، فیزیکی و الکتریکی عنصر اصلی را دارند، اما تعداد نوترون‌هایشان درون هستهٔ اتم فرق دارد. کشف ایزوتوپ‌ها مفهوم و بعد جدیدی به فیزیک و شیمی داد.

این کشف به سرگردانی محققانی که عناصر رادیواکتیو را مطالعه می‌کردند خاتمه داد. مطالعه ایزوتوپ‌ها مبنایی اساسی شد برای گسترش استفاده از نیروی اتمی. ایزوتوپ‌ها در زمین‌شناسی هم کاربرد فراوان دارند زیرا تاریخ‌گذاری با کربن و دیگر فناوری‌هایی که در تعیین سن نسبی صخره‌ها نقش دارند همگی به استفاده از نسبت معینی از ایزوتوپ‌های مشخص بستگی دارند.

فردریک سودی در ساسکس انگلستان به سال ۱۸۷۷ متولد شد. در ۱۹۱۰ او در دانشگاه گلاسکو به تدریس شیمی و رادیواکتیو پرداخت.

مطالعه عناصر رادیواکتیو هنوز علمی جدید و پرهیجان بود. عناصر رادیواکتیو از تفاوت‌های جرم، بار اتمی و خواص رادیواکتیوآیی خود شناخته می‌شدند از جمله انرژی‌های ذرات متفاوت، که از آن‌ها خارج می‌شد.

با استفاده از این سامانه، دانشمندان حدود ۴۰ تا ۵۰ عنصر رادیواکتیو را شناسایی کردند اما در جدول تناوبی عناصر هنوز حدود ۱۰ تا ۱۲ جای خالی برای عناصر رادیواکتیو دیگر وجود داشت. یا جدول مندلیف اشتباه بود و یا به دلایل ناشناخته عناصر رادیواکتیو بیرون از حیطهٔ نظم و منطق جدول تناوبی بودند.

هیچ یک از این دو جواب منطقی به نظر نمی‌رسید و تحقیقات رادیواکتیو به بن‌بست رسیده بود.

سودی تصمیم گرفت سه ذره کوچک‌تر از اتم شناخته‌شده را که عناصر رادیواکتیو از خود خارج می‌کردند (آلفا، بتا و گاما) مطالعه می‌کند. سودی متوجه شد که ذرات آلفا بار مثبتی حدود دو پروتون و جرمی معادل چهار پروتون دارند. پرتوهای گاما نه بار داشتند و نه جرم، فقط انرژی داشتند بنابراین هیچ تاثیری بر ماهیت اتم‌ها نمی‌گذاشتند.

ذرات بتا هیچ جرم قابل اندازه‌گیری نداشتند اما بار آن‌ها منفی بود. آن‌ها کاملاً مثل الکترون بودند.

هنگامی که اتم، ذرات بتا ساطع می‌کرد، بار منفی از دست می‌داد. سودی متوجه شد این عمل درست مثل به دست آوردن بار مثبت بود. یک ذره آلفا را خارج کنید، دو بار مثبت از هسته کم می‌شود. یک ذره آلفا را خارج کنید و یک ذره به دست آورید.

سودی دریافت به دلیل آن‌که جدول تناوبی بر حسب تعداد پروتون‌های در هسته اتم تنظیم شده، خارج شدن یک ذره آلفا، اتم را در جدول تناوبی به اندازه دو خانه جدول به سمت چپ حرکت می‌دهد و از دست دادن یک ذره آلفا آن را یک خانه به سمت راست جابه‌جا می‌کند.

فقط می‌شد نتیجه گرفت که اتم‌های بسیاری از عناصر می‌توانند در خانه‌های متعدد از جدول تناوبی وجود داشته باشند. سودی با استفاده از فناوری طیف‌نگار (که گوستاو کیرشف و رابرت بانسن در ۱۸۵۹ کشف کرده بودند) نشان داد اتم‌های اورانیوم و توریوم – اگرچه جرم اتمی متفاوت دارند و در جدول تناوبی خانه‌های متفاوتی را اشغال می‌کنند – یکسان هستند و هر دو عناصری اصلی محسوب می‌شوند.

معنای این موضوع این بود که در جدول تناوبی بیش از یک عنصر می‌تواند یک خانه را اشغال کند و اتم‌های یک عنصر هم می‌توانند بیش از یک خانه را اشغال کنند و با این حال یک عنصر باشند، درست مثل عنصر اصلی. سودی نسخه فرعی عنصر که در جدول تناوبی نقطه‌ای به جز محل اصلی را اشغال می‌کرد، ایزوتوپ نامید (در یونانی به معنای «همان مکان» است).

همان سال نظریه سودی به اثبات رسید. بعدها در ۱۹۳۲ کشف نوترون به دست چادویک به درک مفهوم واقعی ایزوتوپ‌ها کمک کرد.

سودی سعی کرده بود ایزوتوپ‌ها را با استفاده از پروتون و الکترون شرح دهد. چادویک کشف کرد که در هسته اتم به اندازه پروتون‌ها، نوترون هم وجود دارد از دست دادن یا به دست آوردن نوترون‌ها بار الکتریکی یا خواص عناصر را تغییر نمی‌دهد (زیرا عناصر با تعداد پروتون‌های در هسته تعریف می‌شوند). گرچه جرم اتمی عناصر به این ترتیب تغییر می‌کند و ایزوتوپ جدیدی به وجود می‌آید.

سودی، مفهوم ایزوتوپ‌ها را کشف کرد. اما درک و شناسایی آن‌ها به شناخت کامل‌تری از آن‌ها نیاز داشت.

اهمیت ایزوتوپ‌ها بسیار مهم‌تر از آنی است که تصور می‌شود. عمر هر صخرهٔ قدیمی، سنگواره، باقیمانده‌های انسانی یا گیاهی، با تعیین عمر ایزوتوپ‌های آن‌ها مشخص می‌شود. رادیواکتیوآیی با ایزوتوپ‌ها به وجود می‌آید.

بمب اتمی با استفاده از اورانیوم ساخته می‌شود.