ایزو توپ چیست!

[گندم]

یکی از فرض های بدیهی نظریه اتمی دالتون این است که هر یک از اتمهای یک عنصر از هر لحاظ (از جمله جرم) با اتمهای دیگر آن یکسان است. ولی در اوایل قرن بیستم معلوم شد که یک عنصر ممکن است شامل چند نوع اتم باشد که اختلاف آنها با یکدیگر در جرم اتمی است. فردریک سودی اصطلاح ایزوتوپ (از واژه یونانی به معنای هم مکان) را برای اتمهای یک عنصر که که از نظر جرم با یکدیگر تفاوت دارند پیشنهاد کرد.

برای بررسی ایزوتوپها از طیف نگار جرمی استفاده می شود.دستگاههایی از این نوع ابتدا توسط فرانسیس استون (1919) و آرتور دمپستر (1918) با پیروی از اصول روشهایی که جی جی تامسون در 1912 ارائه کرده بود ساخته شد. اگر عنصری شامل چند نوع اتم با جرمهای متفاوت (ایزوتوپها ) باشد، این تفاوت در مقادیر یونهای مثبت حاصل از این اتمها پدیدار می گردد.طیف نگار جرمی یونها را بر حسب مقادیر نسبت بار به جرم ، از یکدیگر جدا می کند، و سبب می شود که یونهای مثبت متفاوت در محلهای مختلف روی یک صفحه عکاسی اثر کند.
وقتی دستگاه کار می کند، اتمهای بخار ماده مورد مطالعه در معرض بمباران الکترونی قرار گرفته و به یونهای مثبت تبدیل می شوند.این یونها بر اثر عبور از یک میدان الکتریکی ، به قدرت چندین هزار ولت ، شتاب پیدا می کنند. اگر ولتاژ این میدان ثابت نگه داشته شود، تمام یونهایی که مقدار بار به جرم مساوی دارند، با سرعت مساوی وارد یک میدان مغناطیسی می شوند. این سرعت، مقدار بار به جرم و شدت میدا مغناطیسی، شعاع مسیر یون را در میدان مغناطیسی تعیین می کند.

[IMG]file:///E:/SPECIAL%20AREZOO/علمی/شیمی/ایزوتوپ_files/izotop.jpg[/IMG]

اگر شدت میدان مغناطیسی و ولتاژ شتاب دهنده ثابت نگه داشته شوند، تمام یونهایی که مقدار بار به جرم مساوی دارند، در یک محل بر روی صفحه عکاسی متمرکز می شوند. این محل را می توان با تغییر پتانسیلی که موجب شتاب یونها می شود، تغییر داد. ولی یونهایی که مقدار بار به جرم متفاوت دارند در محلهای مختلف روی صفحه عکاسی متمرکز می شوند. هر گاه یک وسیله الکتریکی که شدت اشعه یونی را اندازه می گیرد، جای گزین صفحه عکاسی شود، دستگاه را طیف سنج جرمی می نامیم. با استفاده از طیف سنج جرمی می توان هم جرم اتمی دقیق ایزوتوپها و هم ترکیب ایزوتوپی عناصر (انواع ایزوتوپهای موجود و مقدار نسبی هر یک) را تعیین کرد.

ایزوتوپها، اتمهایی با عدد اتمی مساوی و عدد جرمی متفاوتند. این اتمها دارای خواص شیمیایی بسیار مشابه هم (در اغلب موارد غیر قابل تشخیص) هستند. مثلا در طبیعت دو نوع اتم کلر وجود داردکه هر دو 17 پروتون و 17 الکترون دارند ولی یکی دارای 18 نوترون و دیگری دارای 20 نوترون است. بنابراین، اختلاف ایزوتوپها در تعداد نوترونهای هسته ها آنهاست. بعضی از عناصر فقط به یک شکل ایزوتوپی در طبیعت وجود دارند(مثل سدیم، بریلیم و فلوئور). ولی اغلب عناصر بیش از یک ایزوتوپ دارند.مثلا قلع دارای ده ایزوتوپ است. اصطلاح نوکلید، به طور کلی، برای گونه های اتمی به کار می رود.

بسیاری از ایزوتوپها از ایزوتوپها رادیواکتیو هستن ، یعنی ذراتی با فرکانس بالا را از هسته (مرکز) اتمهای خود را ساطع می کنند . از آنها می توان برای دنبال کردن مسیر مواد متحرکی که از دید پنهان هستند ، مانند جریان خون در بدن یک بیمار در بیمارستان ، استفاده کرد.


جریان خون


مقدار کمی از یک ایزوتوپ رادیو اکتیو به درون جریان خون بیمار تزریق می شود . سپس مسیر آن توسط آشکارسازهای خاصی که فعالیت رادیواکتیویته را مشخص می کنند دنبال می شود . این اطلاعات به یک کامپیوتر داده می شود ، که صفحه آن هر گونه اختلالی ، مانند انعقاد خون در رگها ، را نشان می دهد . با استفاده از روشی مشابه ، می توان از ایزوتوپها برای مطالعه جریان مایعات در تاسیسات شیمیایی نیز استفاده کرد.


فرسودگی ماشین آلات


آهنگ فرسودگی ماشین آلات صنعتی را نیز می توان با استفاده از ایزوتوپها اندازه گرفت . مقادیر اندکی از ایزوتوپهای رادیواکتیو به بخشهای فلزی ماشین آلات ، مانند یاتاقانها و رینگ وپیستونها اضافه می شود . سپس سرعت فرسودگی با اندازه گرفتن رادیواکتیویته روغنی که برای روغنکاری این بخشها به کار رفته است مححاسبه می شود.
بر گرفته از سایت رشد

[دانه کولانه]

جداسازی ایزوتوپ ها و فناوری نانو

همانگونه که میدانیم هیچ ماده ای در طبیعت به طور خالص و صد در صد یافت نمی شود و این موضوع برای هر سه حالت ماده یعنی جامد ، مایع و گاز برقرار است. برای مثال آهن ، مس یا طلا همیشه در سنگهایشان ناخالصی دارند و باید آنها را خالص سازی کرد .
در مورد مایعات نیز باید مراحل مختلفی طی شود تا مخلوط های مایع در مایع یا جامد در مایع را جدا سازی کنیم . در مورد گازها نیز جدا سازی لازم است .
در جدا سازی مواد باید به خصوصیات آنها مثل جرم ، حجم و خواص شیمیایی آنها توجه کرد . بر حسب هر خاصیتی ، روش ***** کردن مخصوصی استفاده می شود .
فرآیندهای جدا سازی به دو صورت هستند :
1. غربال ملکولی ( Molecular sieving )
2. غربال کوانتومی ( Quantum sieving )

غربال ملکولی :
غربال ملکولی فرآیندی است که طی آن به خاطر تفاوت اندازه ( حجم ) و خواص شیمیایی ملکولها ، میتوان آنها را از یکدیگر جدا کرد . برای این کار از موادی استفاده می شود که دارای روزنه های بسیار ریز یا به اصطلاح میکرو روزنه ( Micro porose ) می باشند.
از لحاظ کلاسیک نمیتوان با استفاده از غربال های ملکولی ایزوتوپهای یک ملکول را جدا کرد زیرا دارای اندازه و خواص یکسانی هستند .
تکنیکهای خاص و پر هزینه ای برای جدا سازی ایزوتوپها وجود دارد:
1. تبادل شیمیایی ( Chemical exchange )
2. جداسازی نفوذی ( Diffusion separation )
3. جداسازی بیولوژیکی ( Biological separaton )
4. جداسازی ایزوتوپی لیزری ( Laser isotope separation )

غربال کوانتومی :
پژوهشگران دانشگاه pittsburg راه جدیدی برای جداسازی ایزوتوپهای سنگین و سبک یک عنصر پیشنهاد دادند.
شبیه سازی کامپیوتری آنها نشان داد که نانو لوله ها Nanotube با قطر کم میتوانند به عنوان غربال کوانتومی برای جدا سازی مخلوط هیدروژن و ایزوتوپهای آن (تریتیوم یا دوتریوم) استفاده شوند . این غربال کوانتومی میتواند برای مخازن خنک کننده سوخت اتمی به کار برود .

ایزوتوپ های هیدروژن

نانولوله های کربنی میتوانند هیدروژن بسیار زیادی را
جذب کنند ، تا حدی که میتوان از آنها به عنوان مخزن
سوخت هیدروژن استفاده کرد .
ساختمان نانوتیوب های کربنی به گونه ایست که هر اتم کربن با سه اتم دیگر پیوند دارد که در این صورت میتواند با یک هیدروژن واکنش دهد . هیدروژن های جذب شده قابلیت تراکم دارند .

همانطور که میدانید ، درابعاد کوچک ،اصل عدم قطعیت هایزنبرگ جلوه گر میشود:
X P > h
E t > h
t مقادیر مجاز زمان ، E مقادیر مجاز انرژی و P محدوده تکانه مجاز ذره است .
بر طبق این اصل اگر جسمی در مسافت X محدود شود ، تکانه اش دارای عدم قطعیتی به اندازه حداقل x/h خواهد شد . یعنی تکانه دیگر مقداری معین و معلوم نخواهد بود.

اصل عدم قطعیت هایزنبرگ Heisenberg uncertainly principle
طبق مدل اتمی بور، الکترون، به عنوان ذره ای باردار در اطراف هسته در حرکت است. برای تعیین مسیر هر جسم دانستن مکان و سرعت جسم در هر لحظه ضروری است. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ نشان می دهد که تعیین دقیق مکان و اندازه حرکت جسمی به کوچکی الکترون نا ممکن است. هر چه تلاش کنیم که یکی از این دو کمیت را دقیق تر تعیین کنیم، از دقت کمیت دیگر، نامطمئن تر هستیم.

هر قدر که جرم ذره بیشتر باشد ، جنبش آن نیز بیشتر است . پس زمانی که ایزوتوپها در نانولوله محدود می شوند ، به حرکت درمی آیند و چون جرم هیدروژن از ایزوتوپ ها کمتر است ، کمتر تکان می خورد و به راحتی از نانولوله رد می شود ، ولی ایزوتوپهای دیگر به دلیل جرم بیشتر درون نانولوله گیر می کنند و جذب کربنها می شوند. ا ین عمل جدا سازی با نانو لوله هایی با قطر حدود 6 آنگستروم و در دمای 20 کلوین ا نجام می شود و تریتیوم 10000 بار بیشتر از هیدروژن جذب می شود .
دانشمندان این جداسازی را در مورد H2 – HD , T2 – H2 , CH4 – CD4 و ایزوتوپ هلیوم انجام دادند که موفقیت آمیز بود .
آنها متوجه شدند که با افزایش دما ، قدرت جذب نانولوله ها کاهش می یابد.
قبل از به کارگیری نانو تیوبها ، دانشمندان از موادی به نام زئولیت استفاده می کردند. این مواد انواع مختلفی دارند و دارای روزنه های بسیار ریز میباشند ، ولی این روزنه ها یکسان نیستند و بعضی از آنها آنقدر بزرگند که مواد را به خوبی جدا نمی کنند. ولی امروزه علم نانوتکنولوژی به ما کمک می کند که این کار را با صرف هزینه های کمتر به راحتی انجام بدهیم .

زئولیت ها Zeolite :
زئولیت ها سیلیکاتهای آبدار می باشند، و پیوند آبدار در آنها بسیار سست است، به طوریکه در دمای پایین، آب خود را از دست می دهند. قابلیت تعویض یونی آنها زیاد است. زئولیت ها هم به روش طبیعی و هم به روش مصنوعی تشکیل می گردند. یکی از موارد مصرف زئولیت ها ***** ملکولی می باشد. چنانچه زئولیت ها در دمای 350 تا 400 درجه سانتیگراد برای مدت چند ساعت حرارت داده شوند آب موجود در مجاری و فضای کانال مانند، آزاد و به زئولیت بدون آب تبدیل می‌شود. قطر فضاهای کانال مانند، مشخص و تابع ترکیب شیمیایی زئولیت است. قطر این فضا در زئولیت پتاسیم‌دار 13 آنگستروم، سدیم‌دار 4 آنگستروم و برای کلسیم‌دار 5 آنگستروم است. موادی که ابعاد ملکول آنها کمتر از قطر فضای زئولیت باشد جذب شده و آنهایی که بزرگ‌تر هستند جذب نخواهند شد.