نوکلید

نمایش نوکلیدها

برای نمایش یک نوکلید از نماد شیمیایی عنصر به همراه عدد جرمی (مجموع تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها) آن استفاده می‌شود. برای مثال C۱۲
 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. مانند    که در این حالت تعداد نوترون‌ها در پایین سمت راست نشان داده می‌شود. این طرز نمایش معمولاً در نوشتن واکنش‌های هسته ای و موازنه کردن آن‌ها به کار می‌رود. از لحاظ سطح انرژی برخی نوکلیدها یک سطح پایه و یک یا چند حالت برانگیخته دارند. حالت‌های برانگیخته در نماد نوکلیدها با یک حرف m پس از عدد جرمی مشخص می‌شود. m حرف اول کلمه metastable به معنی نیمه‌پایدار یا شبه‌پایدار است. به عنوان مثال نوکلید تربیم علاوه بر حالت پایدار، چندین حالت برانگیخته نیز دارد که به صورت‌های Tb144m1
 و Tb144m2
 و Tb144m3
 و Tb144m4
 یا تربیم-144m1، تربیم-144m2، تربیم-144m3 و تربیم-144m4 نشان داده می‌شوند. روش‌های واپاشی و نیمه عمر این نوکلیدها با هم متفاوت است.

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. این نیمه‌عمر  ثانیه است. 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، 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. در سال ۱۹۴۷ شیمیدان آمریکایی ترومن پی. کومان (Truman P. Kohman) با انتشار مقاله‌ای در نشریه «آمریکن ژورنال آو فیزیکس» واژه نوکلید را برای اشاره دقیق به یک گونهٔ اتمی خاص پیشنهاد کرد.
وی توضیح داد که این واژه را از ترکیب کلمه لاتین Nucleus (به معنای هسته) و پسوند ide- (به معنای گونه، نوع) ساخته‌است.

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.
ایزوتوپ‌ها می‌توانند ویژگی‌های هسته‌ای گوناگونی داشته باشند. اما ویژگی‌های شیمیایی یکسانی دارند. 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. چرا که نوکلیدها در واقع «گونه‌های مختلف اتم‌ها» هستند.
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.

پایداری نوکلیدها

نوکلیدها به دو دستهٔ پایدار و ناپایدار تقسیم می‌شوند. نوکلیدهای ناپایدار پرتوزا هستند و دچار واپاشی می‌شوند. منظور از نوکلید پایدار، نوکلیدی است که خودبه‌خود دچار واپاشی نشود. 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.
انرژی لازم برای تجزیهٔ یک هسته به نوکلئون‌ها (پروتون‌ها و نوترون‌ها) را انرژی بستگی هسته می‌نامند. با تقسیم این انرژی بر تعداد نوکلئون‌ها، «انرژی بستگی متوسط نوکلئون‌ها» به دست می‌آید. هر قدر این کمیت بیشتر باشد، نوکلید پایدارتر است. 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.
۲-برابر بودن تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها در نوکلیدهای سبک (Z<۲۰).
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.
۳-زوج بودن تعداد نوترون‌ها و پروتون‌ها.
نوکلیدهایی که تعداد نوترون‌ها و پروتون‌هایشان زوج است، بالاترین پایداری را دارند. بین نوکلیدهای شناخته شدهٔ پایدار، ۵۷٪/۸ تعداد پروتون و نوترون زوج دارند. در ۱۹٪/۸ تعداد نوترون‌ها زوج و تعداد پروتون‌ها فرد است. 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.

مرجع اطلاعات جدید دربارهٔ نوکلیدها

نشریه Nuclear Data Sheets یکی از منابع معتبر اطلاعات مربوط به نوکلیدهاست. این نشریه به صورت ماهانه منتشر می‌شود و نه تنها اطلاعات مربوط به هر دسته از ایزوبارها را منتشر می‌کند، بلکه خلاصهٔ تمام مقالات منتشر شده در سال را به صورت دسته‌بندی شده بر حسب نوکلیدها ارائه می‌کند. ناشر آن آزمایشگاه ملی بروک هِیوِن (Brookhaven National Laboratory) ایالات متحده آمریکا است. داده‌های این نشریه توسط گروهی از فیزیکدانان از سراسر جهان تهیه می‌شود که از اعضای آژانس بین‌المللی انرژی اتمی هستند. این نشریه در سایت ساینس دایرکت قابل دسترس است.