دانلود تحقیق ایزوتوپ های یک عنصر

مقدمه: بسیاری از عناصر در چند شکل متفاوت هسته ای به طور طبیعی وجود دارند که به ،آنها ایزوتوپ می گویند.

تمام ایزوتوپ های یک عنصر،خواص شیمیایی مشابه دارند و این در حالی است که بعضی از آنها خاصیت رادیو اکتیو دارند که رادیو ایزوتوپ نام دارند.

کاربرد تکنیک های هسته ای در مدیریت صنعتی و محیط زیست دائماً در حال افزایش است.

جریان پیوسته عملیات آنالیز تحلیلی و پاسخ سریع ناشی از کاربرد تکنیک ها و کنترل های هسته ای که رادیو ایزوتوپ های زیادی در آن دخیل هستند، بدین معنی است که سرعت جریان انجام کار افزایش یافته و داده های تحلیلی قابل اعتماد، دائماً می تواند در دسترس باشد.

این نوع روند کنترل سرعت کار، کاهش هزینه ها و افزایش کیفیت محصول را به دنبال خواهد داشت.

صنایع مدرن هم از رادیو ایزوتوپ ها در جهات مختلفی استفاده می کنند که به بهبود تولید می انجامد و گاهی اطلاعاتی ناشی از این کاربرد به دست می آید که از هیچ روش دیگری نمی توانست قابل حصول باشد.

چشمه های رادیو اکتیو بسته شده در صنایع رادیو گرافی، اندازه گیری و آنالیز مواد معدنی مورد استفاده قرار می گیرد.

ماده رادیو اکتیو با نیمه عمر کوتاه در ردیابی جریان مواد و یا اندازه گیری مخلوط کردن مواد به کار می رود.

گاما استریلیزاسیون برای محصولات پزشکی و محصولات حجیم و آنهایی که عمدتاً برای نگهداری مواد غذایی به کار می روند مورد استفاه قرار می گیرد.

از آنجاییکه کبالت60 یک رادیو ایزوتوپ گسیلنده گامای پر انرژی است، اکثراً از آن به منظور فوق استفاده می گردد.

این رادیو ایزوتوپ در راکتور های هسته ای و گاهی به عنوان یک محصول جانبی در راکتور های قدرت ساخته و تولید می شود.

ایزوتوپ ها در سال ١٢٣٩ شمسی (١٩١٠م) دانشمندان با مشکلی مواجه شدند و آن اینکه بعضی محصولات واپایشی ها.

خواص شیمیایی یکسانی داشتند ولی خواص فیزیکی آنها متفاوت بود.

"سدی" که یک دانشمند (شیمی دان) انگلیسی است متوجه شد محصول نهایی و پایدار واپاشی اورانیم یا رادیم خواص شیمیایی سرب را دارد.

همچنین محصول نهایی واپاشی توریوم نیز خواص شیمیایی سرب را دارد ولی همه آنها جرم اتمی متفاوت با سرب معمولی (طبیعی) داشتند.

به عنوان مثالی دیگر، هسته هایی با عدد اتمی ٦ که مربوط به کربن هستند یافت می‌شدند که عدد جرمی آنها ١٢ نبود بلکه ١٣ و ١٤ بود.

حال این سؤال پیش آمد که آیا در جدول تناوبی باید جای جدایی بر آنها در نظر گرفت؟

دانشمندان به این نتیجه رسیدند که هر خانه جدول متناوبی می‌تواند معرف عنصری باشد که از نظر شیمیایی با عنصر دیگر تفاوت دارد.

به همین خاطر عناصری که خواص شیمیایی یکسانی داشتند (عدد اتمی یکسان) ولی از نظر فیزیکی خواص متفاوت نشان می‌دادند (عدد جرمی متفاوت داشتند) را ایزوتوپ نامیدند.

ایزوتوپ از دو کلمه به معنی هم و دیگری به معنی جا اقتباس شده است و تداعی کننده اینست که این عناصر در یک خانه جدول تناوبی جای می‌گیرند.

بنابراین ایزوتوپ‌های یک عنصر دارای یک عدد اتمی هستند ولی عدد جرمی آنها متفاوت است.

یعنی تعداد نوترون‌های هسته متفاوت می‌باشد.

به عنوان مثال ایزوتوپ‌ های کربن عبارتند از: ، ، البته حدود ٩٠% کربن موجود در طبیعت است.

ایزوتوپ‌های سرب ، ، ، می‌باشد.

در جدول زیر ایزوتوپ‌های چند عنصر و درصد فراوانی آنها را در طبیعت می‌بینید.

باید توجه داشت که در فرآیندهای هسته‌ای عدد اتمی و عدد جرمی دو طرف معادله یکسان است.

از واپاش ذره از هسته توریوم چه عنصری به دست می‌آید؟

به واسطه بقای بار الکتریکی عدد اتمی دو طرف باید یکسان باشد بنابراین داریم: در ضمن عدد جرمی دو طرف نیز باید ثابت بماند پس: بنابراین عنصر مجهول دارای ویژگی می‌باشد.

با مراجعه به جدول تناوبی در می‌یابیم این عنصر رادیوم است.

تولید ایزوتوپ ­ها اکثر مواد بحرانی مورد نیاز تولید­ انرژی هسته ­ای ایزوتوپ­های خاصی از عناصری ویژه­ای هستند.

برخی از این ایزوتوپ­ها در طبیعت وجود دارند، ولی به واسطه­ی سایر ایزوتوپ­های همان عنصر بسیار رقیق­هستند ( مانند دتریم، Li-6 ، U-235).

این ایزوتوپ­ها برای این­که مفید واقع شوند بایستی غنی ( تغلیظ ) شوند.

سایر ایزوتوپ­ها که به طور طبیعی فقط در مقادیر کوچک وجود دارند، یا اصلاً وجود ندارند، باید از طریق واکنش­های هسته­ای تولید شوند ( مانند تریتیم و Pu-239 ).

به عبارت دیگر دو روش برای تولید ایزوتوپ­ها وجود دارد: 1- غنی سازی.

2- تبدیل.

ایزوتوپ ها و تفاوت آن ها در خواص فیزیکی با اندازه گیری هایی که از طریق دستگاه طیف سنج جرمی صورت گرفت ،مشخص شد که همه ی اتم های یک عنصر جرم مشخصی ندارند.

عدد اتمی در همه ی اتم های یک عنصر ثابت است .

از آن جایی که عدد اتمی همان تعداد پروتون است ، پس تفاوت در جرم بین اتم های یک عنصر مربوط به تفاوت در تعداد نوترون ها ی موجود در هسته ی اتم می باشد.

پس در این گونه اتم ها عدد اتمی ( تعداد پروتون ) یکسان و عدد جرمی ( مجموع تعداد پروتون و نوترون ) متفاوت است.

به اتم هایی ازیک عنصر که عدد اتمی یکسان و عدد جرمی متفاوت دارند ، ایزوتوپ می گویند.

آزمایش هایی که بر روی نمونه هایی طبیعی عنصر ها صورت می گیرد نشان می دهد که در نمونه طبیعی گاز کلر دو ایزوتوپ کلر وجود دارد.

1.

کلر - 35 ( Cl 1735 ) 2.

کلر – 37 ( Cl 1737 ) و اندازه گیری ها نشان می دهد که فراوانی ایزوتوپ ها در طبیعت یکسان نیست .

برای مثال از هر چهار اتم کلر در طبیعت ، سه اتم ، کلر - 35 و یک اتم ، کلر - 37 است .

پس فراوانی کلر - 35 ، 75 درصد و فراوانی کلر - 37 ، 25 درصد است.

با توجه به وجود ایزوتوپ ها برای اتم های عنصر ها و تفاوت در فراوانی آن ها برای گزارش جرم نمونه های طبیعی از اتم عنصر ها ی مختلف از جرم اتمی میانگین استفاده می کنند.

تجربه نشان داده است که ایزوتوپ ها خواص شیمیایی یکسانی دارند اما برخی از خواص فیزیکی آن ها که جرم وابسته است با هم متفاوت است ، که این تفاوت را می توان در ترکیب های شیمیایی که آن ایزوتوپ ها را دارند مشاهده کرد.از این گونه خواص می توان چگالی را نام برد.

برای مثال: -- 100گرم آب معمولی O2H حجم بیش تری از 100گرم آب سنگین O2D دارد.

این موضوع نشان می دهد چگالی آب سنگین بیش تر از چگالی آب معمولی است .

و اگر یک قطعه یخ که از آب معمولی به وجود می آید را در آب سنگین بگذاریم ، روی آن قرار می گیرد.( چگالی آب سنگین بیش تر از یخی است که از آب معمولی به دست می آید.) و اگر یک قطعه یخ که از آب سنگین به وجود می آید را در آب معمولی بگذاریم ، در آن فرو می رود.

( چگالی آب معمولی کم تر از یخی است که از آب سنگین به دست می آید .) و اگر یک قطعه یخ که از آب معمولی به وجود می آید را در آب سنگین بگذاریم ، روی آن قرار می گیرد.( چگالی آب سنگین بیش تر از یخی است که از آب معمولی به دست می آید.) و اگر یک قطعه یخ که از آب سنگین به وجود می آید را در آب معمولی بگذاریم ، در آن فرو می رود.

( چگالی آب معمولی کم تر از یخی است که از آب سنگین به دست می آید .) دید کلی: برحسب نظریه اتمی عنصر عبارت است از یک جسم خالص ساده که با روش های شیمیایی نمی توان آن ‏را تفکیک کرد.

از ترکیب عناصر با یکدیگر اجسام مرکب به وجود می آیند.

تعداد عناصر شناخته شده در ‏طبیعت حدود 92 عنصر است.

هیدروژن اولین و ساده ترین عنصر و پس از آن هلیم ، کربن ، ازت ، اکسیژن ‏و...

فلزات روی ، مس ، آهن ، نیکل و...

و بالاخره آخرین عنصر طبیعی به شماره 92، عنصر اورانیوم است.

‏ بشر توانسته است به طور مصنوعی و به کمک واکنش های هسته ای در راکتورهای هسته ای و یا به ‏کمک شتاب دهنده های قوی بیش از 20 عنصر دیگر بسازد که تمام آن ها ناپایدارند و عمر کوتاه دارند و به ‏سرعت با انتشار پرتوهایی تخریب می شوند.

‏ ایزوتوپهای عناصر:‏ اتم های یک عنصر از اجتماع ذرات بنیادی به نام پروتون ، نوترون و الکترون تشکیل یافته اند.

پروتون بار مثبت و ‏الکترون بار منفی و نوترون فاقد بار است.

تعداد پروتون ها نام و محل قرار گرفتن عنصر در جدول تناوبی ‏‏(جدول مندلیف) مشخص می شود.

اتم اورانیوم در خانه شماره 92 قرار دارد.

یعنی دارای 92 پروتون است.

‏تعداد نوترون ها در اتم های مختلف یک عنصر همواره یکسان نیست که برای مشخص کردن آنها از کلمه ‏ایزوتوپ استفاده می شود.

بنابراین اتم های مختلف یک عنصر را ایزوتوپ می گویند.

مثلاً عنصر هیدروژن ‏سه ایزوتوپ دارد: هیدروژن معمولی که فقط یک پروتون دارد و فاقد نوترون است.

هیدروژن سنگین یک پروتون ‏و یک نوترون دارد که به آن دوتریم گویند و نهایتاً تریتیم که از دو نوترون و یک پروتون تشکیل شده و ناپایدار ‏است و طی زمان ، تجزیه می شود.

‏ ایزوتوپ سنگین هیدروژن یعنی دوتریم در نیروگاه های اتمی کاربرد دارد و از الکترولیز آب به دست می آید.

‏در جنگ دوم جهانی آلمانی ها برای ساختن نیروگاه اتمی و تهیه بمب اتمی در سوئد و نروژ مقادیر بسیار ‏زیادی آب سنگین تهیه کرده بودند که انگلیسی ها متوجه منظور آلمانی ها شده و مخازن و دستگاه های ‏الکترولیز آنها را نابود کردند.‏ ایزوتوپهای اورانیوم: عنصر اورانیوم، چهار ایزوتوپ دارد که فقط دو ایزوتوپ آن به علت داشتن نیمه عمرنسبتاً بالا در طبیعت و در ‏سنگ معدن یافت می شوند.

این دو ایزوتوپ عبارتند از اورانیوم235و اورانیوم 238 که در هر دو 92 پروتون ‏وجود دارد ولی اولی 143 و دومی 146 نوترون دارد.

‏ اختلاف این دو فقط وجود 3 نوترون اضافی در ایزوتوپ سنگین است.

ولی از نظر خواص شیمیایی این دو ‏ایزوتوپ کاملاً یکسان هستند و برای جداسازی آنها از یکدیگر حتماً باید از خواص فیزیکی آنها یعنی اختلاف ‏جرم ایزوتوپ ها استفاده کرد.

‏ شکافت هسته ای اورانیوم:‏ ایزوتوپ اورانیوم 235 شکست پذیر است و در نیروگاه های اتمی از این خاصیت استفاده می شود و حرارت ‏ایجاد شده در اثر این شکست را تبدیل به انرژی الکتریکی می نمایند.

در واقع ورود یک نوترون به درون ‏هسته این اتم سبب شکست آن شده و به ازای هر اتم شکسته شده ‏ Mev ‎‏200 میلیون الکترون ولت ‏انرژی و دو تکه شکست و تعدادی نوترون حاصل می شود که می توانند اتم های دیگر را بشکنند.

بنابراین ‏در برخی از نیروگاه ها ترجیح می دهند تا حدی این ایزوتوپ را در مخلوط طبیعی دو ایزوتوپ غنی کنند و ‏بدین ترتیب مسئله غنی سازی اورانیوم مطرح می شود.‏ کاربرد ایزوتوپهای اورانیوم: - در راکتورهای هسته ای به عنوان سوخت به کار می روند.‏ - در ساخت انواع مهمات هسته ای از جمله بمبهای هسته ای ، بمب هیدروژنی و ...

کاربرد دارند.

بمب هیدروژنی - در درمان بیماریهای سرطانی ، تومورهای مغزی و غیره به کار می گیرند.‏ - در نیروگاه های هسته ای برای تولید انرژی الکتریکی به کار برده می شود.‏ رادیو گرافی گاما: تکنیک رادیو گرافی گاما تا اندازه زیادی شبیه دستگاه اشعه ایکس، برای کنترل چمدان ها در فرودگاه و مراکز کنترل مورد استفاده قرار می گیرد.

در این روش به جای استفاده از یک ماشین بزرگ برای تولید اشعه ایکس فقط نیازمند به یک چشمه ای است که پرتو گاما از آن گسیل می شود.

معمولاً این چشمه یک دانه یا حبه کوچک از مواد رادیو اکتیو در خود دارد که باید در یک کپسول تیتانیومی کاملاً سر بسته مورد استفاده قرار گیرد.

چگالی سنجی: در اینجا تابش یا اشعه از رادیو ایزوتوپی (چشمه رادیو اکتیو) حاصل می گردد که از شدت آن توسط یک جسمی که بین چشمه رادیو اکتیو و آشکار ساز قرار دارد کاسته شده است.

در واقع دیتکتور ها این میزان کاهش را اندازه گیری می کنند.

بر این اساس در اینجا یک دستگاه کنترلی می تواند به کار گرفته شود که حضور یا عدم حضور آن جسم و یا مقدار و یا دانسیته و چگالی آن را که بین چشمه و آشکار ساز قرار گرفته است، تعیین نماید.

حسن استفاده از این کنترل کننده این است که در عمل کنترل یا اندازه گیری هیچ نوع تماسی با جسم مورد اندازه گیری وجود ندارد.

کنترل فرآیند های صنعتی: طی هر یک از فرایند های صنعتی نقاط کنترل فراوانی وجود دارد که دقت این کنترل ها سبب بهبود کیفی، کمی، اقتصادی و سهولت انجام کار می شود.

کاربرد روشهای هسته ای و رادیو ایزوتوپ ها یکی از بهترین آنها محسوب می گردد.

یکی از