نکات کنکوری مبحث شیمی هسته ای در شیمی دبیرستان

بررسی کامل و نکات تستی مبحث شیمی هسته ای در شیمی دبیرستان

 

چگونه ممکن است پروتون های با بار مشابه کنار یکدیگر درون هسته قرار گیرند و همدیگر را دفع نکنند؟

برای پاسخ به این سوال باید با یک نوع نیروی قوی به نام نیروهای ربایش هسته ای آشنا شویم که خیلی قوی تر از نیروی رانش بین بارهای مشابه است. نیروی ربایش بین هسته ای هنگامی پدید می آید که فاصله بین ذرات سازنده هسته، کمتر از ^۱۵-۱۰ * ۲ متر باشد. (اگر فاصله بیش از این مقدار شد نیروی دافعه بین پروتون ها موثرتراست).

قانون پایستگی ماده (جرم): ماده از بین نمی رود و به وجود نمی آید. بنابراین باید مقدار کل ماده موجود در جهان ثابت باشد.

قانون پایستگی انرژی: انرژی از بین نمی رود و به وجود نمی آید بلکه از صورتی به صورت دیگر تبدیل می شود. بنابراین باید مقدار کل انرژی موجود در جهان ثابت باشد.

قانون پایستگی جرم و انرژی: تحقیقات و بررسی های علمی جدید نشان داده که ماده و انرژی می توانند به هم تبدیل شوند بنابراین قانون پاستگی جرم و قانون پایستگی انرژی به تنهایی اعتبار ندارند و به جای آنها قانون پایستگی جرم و انرژی به کار می رود که بیان می کند مقدار کل جرم و انرژی موجود در جهان ثابت است.

ارتباط بین مقدار جرم و انرژی که به هم تبدیل می شوند توسط انیشتن با رابطه ?=??^۲ بیان می شود که در آن m مقدار جرم ماده برحسب کیلو گرم و c سرعت نور که مقدارآن ۱۰^۸ * ۳ متر بر ثانیه است و E مقدار انرژی برحسب ژول می باشد.

نکته کنکوری بسیار مهم: در واکنش های شیمیایی معمولی تغییر جرم تقریبا صفر است بنابراین می توان از قانون پایستگی جرم در مورد این واکنش ها استفاده کرد اما در واکنش های هسته ای که طی آن هسته اتم دچار تغییر می شود، تبدیل جرم و انرژی به یکدیگر صورت می گیرد و باید قانون پایستگی جرم و انرژی را به کار ببریم.

 

دو نمونه مهم از واکنش های هسته ای عبارتند از همجوشی هسته ای(فوزیون) و شکافت هسته ای(فیسیون)

هم جوشی هسته ای: در واکنش های همجوشی هسته ای که در دماهای بالا اتفاق می افتد، هسته اتم های سبک به هم متصل شده و ضمن تبدیل شدن به هسته های سنگینتر مقداری از جرم خود را به انرژی تبدیل می کنند. در بمب های هیدروژنی و همینطور در خورشید انرژی آزاد شده در نتیجه همجوشی هسته اتم های هیدروژن می باشد. (انرژی لازم برای همجوشی هسته ها در بمب های هیدروژنی، از انرژی حاصل از شکافت هسته ای تامین می کنند).

 

کاهش جرم در واکنش های همجوشی هسته ای، مربوط به چیست؟

جرم هسته اتم های حاصل از همجوشی، از مجموع جرم پروتون و نوترون های سازنده آن اتم کمتر است و این اختلاف جرم، همان جرم تبدیل شده به انرژی است.

یک نکته کنکوری بسیار مهم: در یک واکنش هسته ای مجموع اعداد جرمی سمت چپ با سمت راست و همینطور مجموع اعداد اتمی سمت چپ و راست با هم برابر است.

 

عنصرها چگونه به وجود آمده اند؟

جهان شامل زمین، خورشید ستاره ها و کهکشان ها (مجموعه ای از بیلیون ها ستاره را کهکشان می گویند) و هر چیز اطراف ما می باشد. دانشمندان عقیده دارند که حدود ۱۵ میلیارد سال قبل، انفجاری بزرگ (مهبانگ)، صورت گرفت که طی آن انرژی بسیار زیاد حاصل از این انفجار، طبق رابطه انیشتن به جرم تبدیل شد و ذرات سازنده اتم هم چون الکترون، پروتون و نوترون را با دماهای بسیار زیاد تولید کرد. توده بسیار داغ و متراکم از ذرات بنیادی، بر اثر همجوشی هسته ای سبکترین اتم ها، یعنی هیدروژن و هلیوم را بوجود آورد.

 

از گرد هم آمدن و متراکم شدن گازهای هیدروژن و هلیوم بسیار داغ ،مجموعه گازی به نام سحابی تولید شدکه سازنده کهکشان ها و ستاره ها هستند. در گرمای شدید این ستاره ها از ترکیب ذرات بنیادی با هیدروژن و هلیوم اتم های سنگین ترساخته شد. هر ستاره ای که داغ تر و چگال تر بود زمینه ساخته شدن عناصر سنگین تر در آن بیشتر فراهم بود.

از انفجار این ستاره ها و گرد هم آیی ذرات متلاشی شده آنها در سراسر گیتی نسل دوم ستاره ها همچون منظومه شمسی (سامانه خورشیدی) حاصل شد که در آن زمین قطعه کوچکی از این ستاره بود که درآن حدود ۹۲ عنصر دراثر همجوشی اتم ها با یکدیگر ویا با ذره های بنیادی پدید آمد.

روند تشکیل عناصر سازنده جهان مطابق شکل زیر است:

 

براین اساس ستاره ها متولد می شوند، رشد می کنند و سرانجام در اثر انفجاری بزرگ می میرند و عناصر موجود در خود را در سراسر جهان پراکنده می سازند.

 

فیسیون (شکافت هسته ای): شکافت هسته ای یک واکنش هسته ای است که طی آن یک هسته سنگین به دو هسته با جرم کمتر شکافته می شود. اختلاف جرم ذرات حاصل با جرم اتم سنگین به انرژی تبدیل می شود.

 

علت ناپایدتری و تلاشی هسته ای اتم های سنگین چیست؟

در هسته اتم های های سنگین، به خاطر زیاد بودن تعداد پروتون و نوترون موجود درهسته، فاصله بین پروتون ها زیاد می شود و ممکن است نیروی دافعه بین پروتون ها از نیروی ربایش بین هسته ای قویتر شده و هسته دچار واپاشی شود.

نکته کنکوری طلایی: در واپاشی هسته ای مواد پرتوزا، سه نوع تابش ممکن است رخ دهد که عبارتند از: تابش بتا و تابش آلفا و تابش گاما

در اثر این تابش عنصر پرتوزا به هسته اتم عناصر دیگر تبدیل می شود.

 

عناصر سنتزی یا ساختگي: گفته شد که تعداد عناصر شناخته شده حدود ۱۱۸ عنصر است که از این تعداد ۹۲ عنصر در طبیعت وجود دارد و ۲۶ عنصر دیگر توسط انسان در آزمایشگاه های پیشرفته و طی واکنش های همجوشی هسته ای تحت تاثیر انرژی بسیار زیاد در دماهای بالا ساخته می شود. عناصر مصنوعی ناپایدار بوده و پرتوزا هستند اولین عنصر مصنوعی ساخته شده تکنسیم با عدد اتمی ۴۳ بود.

در تولید عناصر مصنوعی ذراتی به نام ذرات شتاب دهنده (همجون نوترون ، دوتریوم ، پرتو آلفا و…) را به هسته اتم سنگین برخورد می دهند که باعث تولید عنصری جدید می شود. به عنوان مثال از برخورد دوتریوم بر عنصر مولیبدنیوم عنصر تکنسیوم تولید شد و یا از بمباران اورانیوم بوسیله نوترون عنصر پولونیوم تولید می شود.

این عناصر براساس نام محل یا موسسه یا شخص نام گذاری می شوند. عناصر ساختگی کاربرد های گوناگونی دارند مثلا از تکنیسیوم که پرتوزا است و پرتو گاما تولید می کند در صنعت داروسازی برای تصویربرداری از غده تیرویید استفاده می شود. اندازه ذره حاوی تکنسیوم با اندازه یون یدید برابر بوده و توسط غده تیروئید همراه با یون یدید جذب شده و امکان عکسبرداری از این غده را فراهم می سازد.

و از پولونیوم به عنوان سوخت راکتور هسته ای استفاده می شود. (سوخت راکتور هسته ای ماده ای است که پس از برخورد نوترون به هسته اش متلاشی شده و تولید انرژی می کند).

از مهمترین سوختهای هسته ای ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ است که فراوانی آن در نمونه های طبیعی کمتر از ۰٫۷% است. برای اینکه این ماده بتواند در واکنش های هسته ای شرکت کند باید درصد آن را بالا برد که به این کار غنی سازی اورانیوم می گویند.

 

سرطان چیست؟

می دانیم هر سلول پس از تولید، بالغ شده و بعد از مدتی می میرد. اگر در سلول تغییراتی ایجاد شود که نتیجه آن از بین نرفتن سلول باشد، در قسمتی از بدن توده ای از سلول که به نام غده سر طانی نامیده می شود، تولید می گردد این سلول ها سرعت تکثیر زیادی دارند و پس از شکل گرفتن می توانند با تولید رگ به سیستم گردش خون و یا سیستم لنفاوی وارد شده و در سراسر بدن پخش شده و سلول های مستعد قسمت های بدن را درگیر سازند.

برای از بین بردن این سلول ها روش های درمانی گوناگونی از قبیل عمل جراحی و برداشتن توده، رادیودرمانی یعنی تاباندن پرتو های پر انرژی مانند پرتو گاما به سلول های سرطانی، و شیمی درمانی می باشد که در شیمی درمانی عموما از رادیو ایزوتوپ ها استفاده می شود.

از رادیو ایزوتوپ ها علاوه بر درمان، در تشخیص بیماری هایی همچون سرطان نیز استفاده می کنند.

 

رادیو ایزو توپ ها چگونه در تشخیص بیماری ها کاربرد دارند؟

با استفاده از روش اسکن با رادیو ایزوتوپ که نوعی تصویر برداری است برای تشخیص بیماری هایی همچون سرطان استفاده می کنند. در این تصویربرداری مقادیری، از یک ماده پرتوزا به بیمار تزریق می شود. نوع ماده رادیواکتیو استفاده شده متنوع است و انتخاب آن بسته به این است که پزشک معالج درصدد تشخیص چه نوع ضایعه ای می باشد. از اسکن رادیوایزوتوپ در قسمت های مختلف پزشکی مانند تشخیص بیماری های استخوان، غدد داخلی، بیماری های قلبی، بیماری های ریوی و … استفاده می شود.

برای انجام اسکن رادیوایزوتوپ ابتدا مقادیر اندکی از ماده رادیواکتیو به بدن بیمار تزریق می شود. بعد از تزریق وریدی ماده رادیواکتیو به بدن این ماده در جریان خون پخش شده و در تمام بدن انتشار می یابد و هر بافتی مقداری از آن را جذب می کند. بافت هایی که دچار بیماری های خاصی هستند مقدار بیشتری از ماده رادیواکتیو را جذب می کنند بطور مثال برای تشخیص تومورهای استخوانی از عنصر رادیواکتیو تکنیسیم استفاده می شود.

تکنیسیم رادیواکتیو در استخوانی که سلول های تومور داشته باشد بیشتر جذب می شود. و یا در عفونت ها استخوان، ماده رادیواکتیو بیشتری در بافت عفونی جمع می شود. پزشک معالج از روی میزان جذب ماده رادیواکتیو در بافت مورد نظر متوجه می شود که آیا آن بافت بیمار است یا خیر. ولی به چه طریق میزان تجمع ماده رادیواکتیو در هر بافت مشخص می شود.

 

دکتر مهدی نباتی