موضوع مقاله: نوکلید | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # نوکلید | مقدمه: نوکلید (به انگلیسی Nuclide) اتمی است که تعداد پروتون‌ها، تعداد نوترون‌ها و تراز انرژی آن مشخص و منحصر به فرد باشد. | ## بخش 1: نوکلید | یک عنصر شیمیایی می‌تواند چند نوکلید مختلف با تعداد نوترون‌ها و ترازهای انرژی گوناگون داشته باشد. حداقل عمر یک نوکلید باید ثانیه باشد تا به عنوان یک نوکلید متمایز شناخته شود.کاشیگر، فرهنگ فیزیک، ج۳، ۲۱۱۵ بیش از ۳۳۰۰ نوکلید شناسایی شده‌است که ۳۴۰ عدد از آن‌ها به صورت طبیعی در زمین وجود دارندلییزر، شیمی هسته‌ای و رادیوشیمی؛ مبانی و کاربردها، ۹ و مابقی به صورت مصنوعی توسط واکنش‌های هسته‌ای در آزمایشگاه‌ها ساخته شده‌اند. این واژه در فارسی به صورت‌های نوکلاید، نوکلئید (تلفظ فرانسوی Nucléide)، ویژه‌هسته و گونه‌هسته نیز نوشته شده‌است. نمایش نوکلیدها برای نمایش یک نوکلید از نماد شیمیایی عنصر به همراه عدد جرمی (مجموع تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها) آن استفاده می‌شود. برای مثال C که به صورت کربن-۱۲ هم نوشته می‌شود، نوکلیدی است که ۶ پروتون و ۶ نوترون دارد. در نماد نوکلیدها معمولاً عدد اتمی نوشته نمی‌شود چرا که عدد اتمی هر عنصر شیمیایی مشخص و ثابت است و نمایش آن کار زائدی است. با این حال در بعضی موارد تعداد نوترون‌ها و پروتون‌ها نیز در کنار نماد شیمیایی عنصر نوشته می‌شود. این طرز نمایش معمولاً در نوشتن واکنش‌های هسته ای و موازنه کردن آن‌ها به کار می‌رود.کرین، آشنایی با فیزیک هسته‌ای، ۱۲ از لحاظ سطح انرژی برخی نوکلیدها یک سطح پایه و یک یا چند حالت برانگیخته دارند. حداقل نیمه‌عمر یک نوکلید برخی نوکلیدهای مصنوعی که در شتاب‌دهنده‌ها یا رآکتورها ساخته می‌شوند، نیمه‌عمر بسیار کوتاهی دارند. به همین دلیل برای نوکلیدها یک نیمه‌عمر حداقلی تعریف شده‌است تا بتوان آن‌ها را در آشکارسازها شناسایی کرد. همچنین یک «هسته» برای تبدیل شدن به یک «اتم» باید یک آرایهٔ الکترونی به دور خود جذب کند. این کار به زمانی در حدود ثانیه نیاز دارد که کمی کمتر از نیمه‌عمر حداقلی نوکلیدهاست و تضمین می‌کند که یک اتم تشکیل شده‌است. تاریخچه و ریشه‌شناسی پس از کشف و مطالعهٔ عنصرهای شیمیایی، دانشمندان به تدریج متوجه تناقض‌هایی در ویژگی‌های آن‌ها شدند. طبق نظریه اتمی دالتون تمام اتم‌های یک عنصر باید وزن یکسانی داشته باشند،مورتیمر، شیمی عمومی، ج۱، ۲۸ اما اندازه‌گیری‌های شیمیدانان در قرن نوزدهم نشان می‌داد که یک عنصر می‌تواند در شکل‌های مختلفی در طبیعت یافت شود که هر کدام از این شکل‌ها نیز جرم اتمی مخصوص به خود را دارند. برای حل این مشکل، شیمیدان انگلیسی فردریک سودی در سال ۱۹۱۳ پیشنهاد کرد که اتم‌هایی که تنها اختلافشان در وزنشان است، همگی در یک خانه جدول تناوبی قرار داده شوند و برای تمایزگذاری بین آن‌ها از واژه ایزوتوپ (به معنی هم‌خانه) استفاده شود. با ظهور دانش هسته ای و کشف ساختار هستهٔ اتم در قرن بیستم، معلوم شد که اختلاف وزن ایزوتوپ‌ها به دلیل تفاوت در تعداد نوترون‌ها است. با پیشرفت دانش هسته‌ای، تعداد زیادی «گونهٔ اتمی» مختلف کشف شد و روشن شد که برای توصیف آن‌ها به مفهومی جامع‌تر از ایزوتوپ نیاز است. Kohman) با انتشار مقاله‌ای در نشریه «آمریکن ژورنال آو فیزیکس» واژه نوکلید را برای اشاره دقیق به یک گونهٔ اتمی خاص پیشنهاد کرد. کومان برای استفاده از این واژه چنین بود: "برای اشاره به اتمی که از نظر ساختمان هسته با اتم‌های دیگر تفاوت دارد، در زبان انگلیسی واژه ای وجود ندارد. هم اکنون از اصطلاح‌هایی مانند "یک گونهٔ اتمی" یا "یک نوع اتم" یا "یک گونهٔ هسته ای" استفاده می‌کنیم. از سوی دیگر واژهٔ ایزوتوپ نیز مناسب نیست چرا که ایزوتوپ به یک گونهٔ خاص از یک عنصر اشاره می‌کند و بر رابطهٔ بین ایزوتوپ‌های یک عنصر تأکید دارد که چیزی شبیه رابطهٔ "برادری" یا "همکاری" است. | ## بخش 2: نوکلید | واژهٔ هسته نیز برای مقصود ما مناسب نیست چرا که مفهوم هسته به ندرت به تنهایی در نظر گرفته می‌شود و در حالت معمول آن را یکی از اجزای سازندهٔ اتم می‌دانند". هم اکنون هنگامی که از واژه نوکلید استفاده می‌کنیم، سه ویژگی اساسی یک اتم یا هسته را به‌طور دقیق مشخص می‌کنیم: تعداد پروتون‌ها (یا عدد اتمیZ) تعداد نوترون‌ها سطح انرژی یا حالت برانگیختگی. به این ترتیب از ایجاد هرگونه ابهام جلوگیری می‌کنیم چرا که تغییر هرکدام از این ویژگی‌ها باعث تغییرات چشمگیری در اتم یا هسته می‌شود. مثلاً اکسیژن و نیتروژن که اولی هشت و دومی نُه پروتون دارد، دو عنصر متفاوت هستند. مثلاً اورانیم-۲۳۵ (که۱۴۳ نوترون دارد) شکافت پذیر است ولی اورانیم-۲۳۸ (که ۱۴۶ نوترون دارد) شکافت پذیر نیست. با تغییر سطح انرژی یا حالت برانگیختگی هسته‌ها، برخی ویژگی‌های مهم آن‌ها مثل نیمه عمر یا چگونگی واپاشی تغییر می‌کند. با توجه به این موارد، استفاده از واژه‌های اتم، عنصر، هسته یا حتی ایزوتوپ به ویژه در علوم هسته‌ای می‌توانند باعث ایجاد ابهام شوند. تفاوت نوکلید و ایزوتوپ طبق آنچه گفته شد، ایزوتوپ‌ها زیرمجموعه‌ای از نوکلیدها هستند. به عبارت دقیق‌تر ایزوتوپ‌ها نوکلیدهایی هستند که تعداد پروتون‌هایشان با هم برابر است. چرا که ویژگی‌های شیمیایی یک عنصر را آرایش الکترون‌های آن تعیین می‌کند نه ساختار هسته. حتی در هسته‌های سبک که اختلاف نسبت نوترون به پروتون بین ایزوتوپ‌های مختلف زیاد است، تغییر تعداد نوترون‌ها تأثیر محسوسی بر خواص شیمیایی ایزوتوپ‌ها ندارد (هرچند استثناءهای معدودی مثل ایزوتوپ‌های هیدروژن وجود دارد). از سوی دیگر نوکلیدها علاوه بر خواص هسته‌ای متفاوت، ممکن است خواص شیمیایی متفاوتی نیز داشته باشند. البته واژه ایزوتوپ در مجموع رایج‌تر از نوکلید است و هنوز هم در جاهایی که نوکلید مناسبتر است، به اشتباه از واژه ایزوتوپ استفاده می‌شود. مثلاً در پزشکی هسته‌ای، رادیونوکلیدها (نوکلیدهای پرتوزا) را حتی وقتی عددهای اتمی متفاوتی دارند به اشتباه رادیوایزوتوپ می‌خوانند. انواع نوکلیدها نوکلیدها را از نظر روابط میان ذرات تشکیل دهنده و سطوح مختلف انرژی، می‌توان به گروه‌های زیر تقسیم کرد. واژه ایزوتوپ به معنی هم‌جا یا هم‌خانه است و به این واقعیت اشاره دارد که ایزوتوپ‌ها در واقع نوکلیدهایی هستند که در یک خانه جدول تناوبی قرار دارند. ۲-ایزوتون‌ها: نوکلیدهایی که نوترون‌های برابر ولی تعداد پروتون‌های متفاوت دارند، ایزوتون نامیده می‌شوند. وی در کلمه isotope حرف p (به عنوان نماینده پروتون) را با حرف n (به عنوان نماینده نوترون) جایگزین کرد تا به یکسان بودن تعداد نوترون‌ها اشاره کند. ۳-ایزوبارها: نوکلیدهایی که عدد جرمی یکسان دارند ولی تعداد پروتون‌هایشان متفاوت است، ایزوبارهای یکدیگر محسوب می‌شوند. ایزوبار به معنی هم‌وزن است ولی باید توجه داشت که منظور از هم وزن، یکسان بودن عددهای جرمی این نوکلیدها است. ۴-هسته‌های آینه‌ای: هرگاه تعداد نوترون‌ها و پروتون‌های یک نوکلید به ترتیب برابر با تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های یک نوکلید دیگر باشد، آن‌ها را هسته‌های آینه‌ای (Mirror nuclei) می‌نامند. | ## بخش 3: نوکلید | همان‌طور که ملاحظه می‌شود عدد جرمی این نوکلیدها با هم برابر است و ایزوبار محسوب می‌شوند. ۵-ایزودیافرها: نوکلیدهایی هستند که عدد اتمی و عدد جرمی متفاوتی دارند ولی اختلاف تعداد پروتون‌ها و تعداد نوترون‌هایشان برابر است. مثلاً در هر دو نوکلید U و Th اختلاف تعداد نوترون‌ها و پروتون‌ها برابر ۵۴ است: N − Z = ۵۴ ۶-ایزومرهای هسته‌ای: نوکلیدهایی که تعداد نوترون‌ها و پروتون‌هایشان با هم برابر است ولی سطح‌های انرژی یا حالت‌های برانگیختگی متفاوتی دارند، ایزومرهای هسته‌ای نامیده می‌شوند. برای مثال Tc و Tc دارای دو سطح انرژی مختلف هستند؛ بنابراین هرچند از لحاظ شیمیایی ایزوتوپ یکدیگرند، از لحاظ هسته ای دو نوکلید مختلف به‌شمار می‌آیند. پایداری یک نوکلید به عوامل متعددی بستگی دارد و هیچ قاعدهٔ دقیقی وجود ندارد که بتوان بر اساس آن پایداری یا ناپایداری یک نوکلید را پیش‌بینی کرد. اما با استفاده از سه قاعده می‌توان پایداری نوکلیدها را تخمین زد: ۱-بالا بودن انرژی بستگی متوسط نوکلئون‌ها. با تقسیم این انرژی بر تعداد نوکلئون‌ها، «انرژی بستگی متوسط نوکلئون‌ها» به دست می‌آید. با توجه به نمودار مشاهده می‌شود که انرژی بستگی متوسط نوکلیدهایی که عدد جرمی‌شان حول و حوش عدد جرمی نوکلید آهن-۵۶ است، بیشترین مقدار را دارد و در نتیجه این نوکلیدها بیشترین پایداری را دارند. نوکلیدهایی که عدد اتمی‌شان کمتر از ۲۰ است و در آن‌ها تعداد نوترون‌ها و پروتون‌ها با هم برابر است، بسیار پایدارند. اما با افزایش عدد اتمی، پایداری نوکلیدها کاهش می‌یابد چرا که با بیشتر شدن تعداد پروتون‌ها، نیروهای دافعهٔ الکترواستاتیک بین آن‌ها افزایش می‌یابد و هسته را ناپایدار می‌کند. برای غلبه بر این نیروها، باید تعداد نوترون‌ها در هسته افزایش یابد تا نیروهای هسته‌ای قوی بر نیروهای دافعهٔ الکترواستاتیک غلبه کنند و موجب پایداری هسته بشوند. با توجه به نمودار مشاهده می‌شود که با بالا رفتن عدد اتمی (Z>۲۰)، محدودهٔ پایداری نوکلیدها از خط N=Z فاصله می‌گیرد و به سمت افزایش تعداد نوترون‌ها می‌رود. نوکلیدهایی که تعداد نوترون‌ها و پروتون‌هایشان زوج است، بالاترین پایداری را دارند. در ۲۰٪/۹ تعداد پروتون‌ها زوج و نوترون‌ها فرد است و فقط در ۱٪/۵ از نوکلیدهای پایدار تعداد نوترون‌ها و پروتون‌ها هر دو فرد است.اسموت و دیگران، شیمی عمومی با نگرش کاربردی، ج۳، ۷۶۱–۷۶۴ نوکلیدهای طبیعی و مصنوعی تا کنون (سال ۲۰۱۷) ۳۳۸۶ نوکلید شناخته شده که از این میان ۳۴۰ نوکلید در طبیعت یافت می‌شوند. تمام نوکلیدهای مصنوعی پرتوزا و ناپایدار هستند و از آن جا که تحقیق و پژوهش در این زمینه ادامه دارد، تعدادشان در آینده افزایش خواهد یافت. اما نوکلیدهای طبیعی را می‌توان به چهار دسته تقسیم کرد: نوکلیدهای طبیعی کاملاً پایدار. این تعداد تقریبی است چرا که با فناوری‌های فعلی هیچگونه واپاشی و پرتوزایی در آن‌ها مشاهده نمی‌شود اما ممکن است در آینده معلوم شود که این‌ها نیز ناپایدارند و نیمه‌عمرهایی فوق‌العاده طولانی دارند. این نوکلیدها مربوط به ۸۰ عنصر اول جدول تناوبی هستند (Z<۸۰) و نیمه‌عمرشان بیش از ۱۰۱۵ سال است. نوکلیدهای دیرینه ناپایدار و پرتوزا هستند اما نیمه‌عمرشان آنقدر زیاد است که هنوز در زمین یافت می‌شودند. نوکلیدهایی هستند که حاصل واپاشی نوکلیدهای دیرینهٔ پرتوزا هستند یا از برخورد پرتوهای کیهانی با نوکلیدهای طبیعی، به‌طور دائم ساخته می‌شوند. | ## جمع‌بندی | داده‌های این نشریه توسط گروهی از فیزیکدانان از سراسر جهان تهیه می‌شود که از اعضای آژانس بین‌المللی انرژی اتمی هستند.