النظائر :هي ذرات العنصر نفسه حيث تملك نفس العدد الذري ولكن تختلف في العدد الكتلي لاختلاف عدد النيوترونات. تسمى النظائر أيضًا باسم النيوكليدات و مفردها نيوكليد وهو نوع معين من نواة الذرة.
تم اكتشاف النظائر في عام 1913 من قبل العالم فريدريك سودي من خلال دراسته للجسيمات دون الذريّة المعروفة وقتها والتي تنبعث من مختلف العناصر المشعة وهي جسيمات ألفا و بيتا و أشعة غاما و توصل من خلال تجاربه إلى أن :
- جسيمات ألفا كانت تحمل شحنة موجبة (كأنها بروتونين) ولكن كتلتها تساوي اربع بروتونات.
- أشعة غاما لم تمتلك شحنة او كتلة بل كانت عبارة عن طاقة فقط ولهذا لم تؤثر على طبيعة الذرة نهائيًا .
- جسيمات بيتا لم تمتلك أي كتلة يمكن قياسها و لكنها حملت شحنة سالبة واحدة ، فقد بدت كأنها الكترون فقط. وعندما كانت ذرة ما تبعث جسيم بيتا فإنها كانت تفقد شحنة سالبة و حينها أدرك سودي أن هذا مشابه لإكتساب شحنة موجبة .
في ذلك الوقت كان الجدول الدوريّ مرتبًا حسب عدد البروتونات في نواة الذرّة (بدءًا بالعنصر الأخف -الهيدروجين- و صعودًا الى أثقل عنصر معروف حينها -اليورانيوم-)، أدرك سودي ان انبعاث جسيم ألفا سيؤدي الى انتقال الذرّة خانتين نحو الشمال على الجدول الدوريّ وأن انبعاث جسيم بيتا سينقُلها خانة واحدة نحو اليمين.
توصل سودي من هذه الملاحظة إلى أن ذرات عدة عناصر يجب أن تكون موجودة في عدة أماكن مختلفة في الجدول الدوريّ. حيث استخدم تقنيات التحليل الطيفي البحثية الجديدة التي اكتشفها غوستاف كيرخوف و روبرت بونزن (في عام 1859 م) لإظهار أنه على الرغم من أن ذرات اليورانيوم والثوريوم تمتلك كتلًا ذرية مختلفة وبالتالي احتلت مواقع مختلفة في الجدول الدوري ، إلا أنها لا تزال هي نفسها ، العنصر الأصلي.
يشير هذا إلى إمكانية احتلال أكثر من عنصر لنفس المكان في الجدول الدوريّ ، وأن ذرات عنصر واحد يمكن أن تحتل أكثر من مكان بينما تظل هي نفسها ، العنصر الأصلي. أطلق سودي على نُسخ العنصر التي احتلت أماكن في الجدول الدوري بخلاف الموضع “الطبيعي” لهذا العنصر كنظائر أو “isotopes” ، وهو اشتقاق من الكلمة اليونانية التي تعني “نفس المكان”. بعد ذلك وفي نفس العام، قاس الكيميائي الأمريكي ثيودور ريتشاردز Theodore Richards الأوزان الذرية لنظائر الرصاص الناتجة عن التحلل الإشعاعي لليورانيوم والثوريوم وأثبت صحة نظرية سودي.
حاول سودي شرح نظائره مستعملاً البروتونات والإلكترونات فقط. فلم يكن تفسيره لاكتشافه دقيقاً بالكامل . فكان إكتشاف تشادويك Chadwick للنيوترون (في 1932م) كفيلاً بتصحيح أخطاء سودي وبالتالي تكملة فهم مفهومه عن النظائر، حيث قام تشادويك باكتشاف وجود عدد من الجسيمات المتعادلة في النواة يساوي تمامًا عدد البروتونات الموجبة. فإكتساب أو فقدان النيوترونات لم يغير من الشحنة الكهربائية أو من خواص المادة (طالما أن العناصر معرفة بعدد البروتونات في النواة)، ولكنه غير فعلاً من الكتلة الذريّة للذرّة وبالتالي وُجد نظير لذلك العنصر.
إختلاف الخواص بين النظائر:
تختلف نظائر العنصر الواحد في كتلتها من ناحية عدد النيوترونات بينماتتشابه بالبناء الإلكتروني و عدد البروتونات، وفي حين أن الخصائص الكيميائية للعنصر تتحدد تبعًا للبناء الإلكتروني فإن النظائر تقريبا تسلك نفس السلوك الكيميائي . وعلى هذا سيكون لهما خواص فيزيائية وكيميائية متشابهه .الإستثناء الأساسي أنه :
- نظرًا لوجود إختلاف في كتلتها ،يظهر تأثير ظاهرة حركة النظائر حيث أن النظائر الثقيلة تميل لأن تتفاعل بصورة أبطأ من النظائر الأخف لنفس العنصر.
- الأشكال الإهتزازية للجزيء يتم تحديدها بشكل الجزيء وكتلة الذرات المكونة له . وبالتالى فإن النظائر سيكون لها اشكال إهتزازية مختلفة . حيث ان الشكل الإهتزازي يسمح للجزيء بإمتصاص الفوتونات الملائمة لطاقة هذا الإهتزاز ، ويتبع ذلك أن يكون للنظائر خواص ضوئية مختلفة في المنطقة تحت الحمراء .
مثال ذلك يلاحظ بشدّة في نظائر الهيدروجين ← البروتيوم (2H) مقابل الديتيريوم (2H) الديتريوم له ضعف كتلة البروتيوم . أما بالنسبة للعناصر الأثقل فإن تأثير الكتلة النسبي بين النظائر يقل ويكاد ينعدم كلما زاد ثقل العنصر .
تواجد النظائر في الطبيعة :
يتواجد العديد من النظائر لنفس العنصر في الطبيعة ونسبة التواجد لنظير تتناسب بشكل كبير مع ميله ناحية الإضمحلال النووي حيث تكون النيوكليدات التى تعيش لفترة قصيرة تضمحل سريعًا ، بينما تعيش مكوناتها . وهذا لا يعنى أن هذه الأصناف تختفى تمامًا ، نظرًا لأن كثير منها يتكون أثناء إضمحلال الأصناف ذات العمر الأطول . يتم حساب الكتل الذرية للعناصر بعمل متوسط للنظائر التى لها كتل مختلفة .
حسب علوم الكون فإن كل النظائر (ما عدا نظائر الهيدروجين والهيليوم ) نتجت من النجوم وانفجارات المستعر الأعظم (السوبرنوفا ). ويكون تواجدها الطبيعي ناتجًا من الكميات الناتجة أثناء تلك العمليات الكونية و توزيعها في المجرة ، ومعدلات إضمحلالها . وبعد الإندماج المبدئي للنظام الشمسي ، توزعت النظائر طبقًا لكتلتها مما يجعل من الممكن تحديد أصل النيازك .
النظائر المشعة:
تمثل الشكل غير المستقر للعنصر والذي ينبعث منه الإشعاع ليتحول إلى شكل أكثر استقرارًا. هناك ٢٥٤ نظير مستقر، وأكثر من ٣٠٠٠ نظير مشع معروف، و لا يوجد في الطبيعة منها إلا حوالي ٨٤ نظير مشع.
تتحلل أنوية النظائر المشعة بإشعاع جسيمات أو إشعاع كهرومغناطيسي. الجسيمات قد تكون جسيم ألفا أو جسيم بيتا (إلكترون). والتحلل بإصدار أشعة كهرومغناطيسية يكون إما بإشعاع أشعة سينية أو أشعة غاما. (التحلل بواسطة تحلل بيتا يكون مصاحبًا في العادة لأشعة غاما). تتم عملية التحلل الإشعاعي بسرعة معينة تخص كل نظير، وتسمى عمر النصف (½T) حيث يبقى نصف عدد الذرات التي لم تتحلل بعد عمر النصف . وبعد عمري نصف يتبقى (1/4) عدد الذرات التي لم تتحلل، وبعد مرور ثلاثة نصف عمر يتبقى 1/8 من عدد الذرات الأصلية لم تتحلل، وهكذا.
استخدامات النظائر:
- في الحقل الطبي:
من النظائر المستخدمة في هذا المجال : الثاليوم-٢٠١ واليـود-١٣١ والانـديوم-١١١ والكربيتـون-٨١ والاسترنشـيوم- ٨٧ والجـــاليوم-٦٧ والحديـــد-١٨
- تشخيصية: الأصباغ المستعملة في عمليات التصوير بالأشعة المختلفة أو ما يسمى بالأشعة الملونة
- علاجية: العلاج بالأشعة لحالات الأورام السرطانية أو الأدوية الإشعاعية المستعملة لعلاج أمراض الغدة الدرقية مثلاَ
- تحليلية: تحديد مكونات الدم و البول ومحتواها من الهورمونات والأدوية والمضادات.
- في المجال الصناعي: من النظائر المستخدمة في هذا المجال : الكوبالـت-٦٠ والسـيزيوم -٨٨ والاريـــديوم-١٩٢ والثـــاليوم-١٧0 ، ويســـتخدم نظيـــر الأريـــديوم-١٩٢
- قياس سماكات الصفائح البلاستيكية والمعدنية.
- في مجال الزراعة:
- زيادة إنتاجية الأرض.
- تحديد أماكن مصادر المياه واستخدامها بكفاءة عالية.
- إنتاج محاصيل ذات مقاومة عالية للأمراض وللتقلبات الجوية
- تعقيم البذور.
- تحديد كيفية امتصاص النباتات للأسمدة والكيماويات المخصبة.
- يمكن أيضًا قياس العمر إشعاعيًا وهي طريقة لتقدير عمر المواد , وتعني تحديد العمر بالطريقة الإشعاعية. هنالك طرق عديدة مختلفة للقيام بذلك وكل طريقة تستعمل نظام نظائري مختلف عن الأخرى وكل طريقة تختلف عن الاخرى في مستوى الدقة والتكاليف والمدة الزمنية التي يجب أن نرجع للوراء لمعرفة عمر المادة .