ما النظائر، ولماذا تهمّ؟

بروتونات متماثلة، نيوترونات مختلفة

في كل ذرة كربون 6 بروتونات. وهذا ما يجعلها كربوناً. لكن ذرات الكربون ليست جميعها بعدد النيوترونات نفسه. ففي معظمها 6، وفي واحدة من كل مئة تقريباً 7، وفي عدد ضئيل جداً 8.

تسمى هذه النسخ المختلفة نظائر. وتأتي الكلمة من كلمات يونانية تعني «المكان نفسه»، لأن جميع نظائر العنصر تشترك في خانة واحدة من الجدول الدوري.

النيوترونات عديمة الشحنة، فإضافتها أو إزالتها لا تغيّر عدد الإلكترونات. والكيمياء تعتمد على الإلكترونات، لذا تتصرف نظائر العنصر في التفاعلات بالطريقة نفسها تقريباً. والفرق الرئيسي بينها هو كتلتها.

كيف تُسمّى النظائر

يُسمّى النظير باسم عنصره متبوعاً بعدده الكتلي، أي مجموع بروتوناته ونيوتروناته. في الكربون-12 ستة بروتونات وستة نيوترونات. وفي الكربون-13 ستة بروتونات وسبعة نيوترونات. وفي الكربون-14 ستة بروتونات وثمانية نيوترونات.

ويكتب العلماء العدد الكتلي أيضاً في أعلى يسار الرمز، كما في ¹²C و¹⁴C. ولإيجاد النيوترونات اطرح العدد الذري من العدد الكتلي: 14 − 6 = 8 للكربون-14.

نظائر الهيدروجين خاصة لأن لها أسماءها الخاصة. فالهيدروجين العادي (الهيدروجين-1) لا نيوترونات فيه، والديوتيريوم (الهيدروجين-2) فيه نيوترون واحد، والتريتيوم (الهيدروجين-3) فيه نيوترونان.

لماذا الكتل الذرية أعداد عشرية

معظم العناصر الموجودة في الطبيعة خليط من النظائر. والكتلة الذرية في الجدول الدوري هي متوسط كتلة كل تلك الذرات، مرجَّحاً بمدى شيوع كل نظير.

الكلور مثال واضح. فنحو ثلاث من كل أربع ذرات كلور هي كلور-35، ونحو واحدة من كل أربع هي كلور-37. ويقع المتوسط بين العددين لكنه أقرب إلى 35: إنه 35.45، العدد الموجود في خانة الكلور.

الكربون يعمل بالطريقة نفسها. فنحو 98.9% من ذرات الكربون هي كربون-12 ونحو 1.1% كربون-13، لذا فإن الكتلة الذرية للكربون هي 12.011، أعلى قليلاً من 12.

17Clالكلور٣٥٫٤٥

النظائر المستقرة والمشعة

كثير من النظائر مستقر، أي أنه لا يتغير من تلقاء نفسه أبداً. وبعضها الآخر مشع. فنواته غير مستقرة، لذا تتفكك عاجلاً أو آجلاً وتُطلق إشعاعاً. ويسمى هذا الاضمحلال الإشعاعي، وكثيراً ما يحوّل الذرة إلى عنصر مختلف.

الكربون-14 مشع. فعندما يضمحل، يتحول أحد نيوتروناته إلى بروتون، وتصبح الذرة نيتروجين-14. ويسمى الزمن اللازم لاضمحلال نصف العينة عمر النصف. وعمر النصف للكربون-14 نحو 5,730 سنة.

بعض العناصر ليس لها أي نظير مستقر على الإطلاق. فالتكنيشيوم (43) والبروميثيوم (61) وكل عنصر أثقل من الرصاص (82) مشع.

كيف تُستخدم النظائر

تمتص النباتات قليلاً من الكربون-14 من الهواء، وتمتصه الحيوانات بأكل النباتات. وعندما يموت الكائن الحي يتوقف عن امتصاص الكربون، ويضمحل الكربون-14 فيه ببطء. وبقياس الكمية المتبقية يستطيع العلماء تأريخ العظام والخشب والقماش حتى عمر نحو 50,000 سنة. ويسمى هذا التأريخ بالكربون المشع.

ويستخدم الأطباء النظائر المشعة أيضاً. فالتكنيشيوم-99m يساعد في تصوير العظام والأعضاء، واليود-131 يعالج بعض أمراض الغدة الدرقية. أما اليورانيوم-235، الذي لا يشكّل سوى نحو 0.7% من اليورانيوم الطبيعي، فهو الوقود في معظم محطات الطاقة النووية.