የአቶም አወቃቀርና አይሶቶፖች፦ ከኑክሊድ ምልክቶች እስከ የአቶም ክብደት

ፕሮቶኖች፣ ኒውትሮኖችና ኤሌክትሮኖች በተለኩ አሃዶች

ፕሮቶን በመሠረታዊ ክፍያ አሃድ፣ e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C፣ +1 ክፍያ ይይዛል፤ ኤሌክትሮን ደግሞ −1 ይይዛል። ኒውትሮን ክፍያ የለውም። ክብደቶች ብዙውን ጊዜ በተዋሃደ የአቶም ክብደት አሃድ (u፣ ዳልተን Da ተብሎም ይጠራል) ይሰጣሉ፤ 1 u የአንድ ካርቦን-12 አቶም ክብደት አንድ አሥራ ሁለተኛ ነው፣ 1.6605 × 10⁻²⁷ kg።

NIST ካሳተማቸው የ2022 CODATA እሴቶች መሠረት ፕሮቶን 1.007276 u፣ ኒውትሮን 1.008665 u፣ ኤሌክትሮን ደግሞ 0.000549 u ነው። ፕሮቶን ከኤሌክትሮን ወደ 1836 እጥፍ ገደማ ይከብዳል፤ ስለዚህ የአቶም ክብደት ከሞላ ጎደል በሙሉ በኒውክሊየሱ ውስጥ ይገኛል። ኒውክሊየሱ እጅግ ትንሽም ነው፦ ራዲየሱ በ10⁻¹⁵ m ደረጃ ሲሆን የአቶሙ ራዲየስ ግን በ10⁻¹⁰ m ደረጃ ነው። ስለዚህ የአቶምን መጠንና ኬሚስትሪውን የሚወስኑት ኤሌክትሮኖች ሲሆኑ ክብደቱን የሚወስነው ኒውክሊየሱ ነው።

የኑክሊድ ምልክቶችን ማንበብና በአዮኖች ውስጥ ቅንጣቶችን መቁጠር

የአቶም ቁጥር Z የፕሮቶኖች ብዛት ነው። ንጥረ ነገሩን ይወስናል፦ 17 ፕሮቶኖች ያሉት እያንዳንዱ አቶም ክሎሪን ነው። የክብደት ቁጥር A የፕሮቶኖችና የኒውትሮኖች ጠቅላላ ብዛት ነው፤ ስለዚህ የኒውትሮኖች ብዛት A − Z ነው። የኑክሊድ ምልክት በንጥረ ነገሩ ምልክት ግራ በኩል Aን እንደ ላይኛ ጽሑፍ፣ Zን ደግሞ እንደ ታችኛ ጽሑፍ ይጽፋል፤ ለምሳሌ ³⁵₁₇Cl። ምልክቱ Zን አስቀድሞ ስለሚወስን ታችኛው ጽሑፍ ብዙውን ጊዜ ይተዋል፤ ይህም ³⁵Cl ወይም ክሎሪን-35 ይሰጣል።

ኤሌክትሮኖች ከፕሮቶኖች ጋር እኩል የሚሆኑት በገለልተኛ አቶም ውስጥ ብቻ ነው። q ክፍያ ያለው አዮን Z − q ኤሌክትሮኖች አሉት፤ ስለዚህ አዎንታዊ ክፍያ ማለት ያነሱ ኤሌክትሮኖች፣ አሉታዊ ክፍያ ደግሞ የበዙ ኤሌክትሮኖች ማለት ነው። ክፍያው ኒውክሊየሱን ፈጽሞ አይለውጥም።

የተሠራ ምሳሌ 1። ለ⁵⁶Fe³⁺፦ Z = 26፣ ስለዚህ 26 ፕሮቶኖች፤ 56 − 26 = 30 ኒውትሮኖች፤ 26 − 3 = 23 ኤሌክትሮኖች። ለ¹²⁷I⁻፦ 53 ፕሮቶኖች፣ 127 − 53 = 74 ኒውትሮኖችና 53 + 1 = 54 ኤሌክትሮኖች። ለ³⁴S²⁻፦ 16 ፕሮቶኖች፣ 18 ኒውትሮኖችና 18 ኤሌክትሮኖች። ³⁴S²⁻ ከአርጎን አቶም ጋር ተመሳሳይ የኤሌክትሮን ብዛት እንዳለው ልብ ይበሉ፤ አዮኖችን አይሶኤሌክትሮኒክ የሚያደርጋቸው የኤሌክትሮን ብዛታቸው መመሳሰል እንጂ የክብደት ቁጥራቸው መመሳሰል አይደለም።

አይሶቶፖች በምላሽ ለምን ይመሳሰላሉ በክብደት ግን ይለያያሉ

አይሶቶፖች ተመሳሳይ Z ግን የተለያየ የኒውትሮን ብዛት ያላቸው አቶሞች ናቸው። ክሎሪን-35 እና ክሎሪን-37 ሁለቱም 17 ፕሮቶኖች፣ እንደ ገለልተኛ አቶሞችም 17 ኤሌክትሮኖች አሏቸው። ኬሚካዊ ባሕርይ የሚቆጣጠረው በኤሌክትሮኖች ነው፤ ስለዚህ ሁለቱ አይሶቶፖች ተመሳሳይ ውህዶችን በተመሳሳይ ጥምርታ ይፈጥራሉ።

በክብደት ላይ የተመሠረቱ ባህሪያት ግን በትንሹ ይለያያሉ። በአንድ ሙቀት ቀላል ሞለኪውሎች በፍጥነት ይንቀሳቀሳሉ፤ ከከባድ አይሶቶፖች ጋር ያሉ ቦንዶችም በትንሹ በዝግታ ይመላሻሉ። እነዚህ ተጽዕኖዎች ለከባድ ንጥረ ነገሮች ትንሽ ናቸው። የዩራኒየም ማበልጸግ ምን ያህል ትንሽ እንደሆኑ ያሳያል። በግራሃም ሕግ መሠረት የ²³⁵UF₆ እና የ²³⁸UF₆ የኢፊዩዥን ፍጥነቶች ጥምርታ √(M₂/M₁) ነው። የNIST የአይሶቶፕ ክብደቶችን በመጠቀም M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol እና M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol ናቸው፤ ስለዚህ ጥምርታው √(352.041/349.034) = 1.0043 ነው። በአንድ መከላከያ ውስጥ አንድ ጊዜ ማለፍ ቀላሉን አይሶቶፕ ከግማሽ በመቶ ባነሰ ያበለጽጋል፤ የማበልጸጊያ ተቋማት በተከታታይ የተደረደሩ ብዙ ደረጃዎች የሚያስፈልጓቸው ለዚህ ነው።

የተመዘኑ አማካዮች፦ ከአይሶቶፕ ክብደቶች ወደ የአቶም ክብደት

በወቅታዊ ሰንጠረዥ ላይ ያለው የአቶም ክብደት የየትኛውም ነጠላ አቶም ክብደት አይደለም። በተለመደ ናሙና ውስጥ ያሉት የንጥረ ነገሩ አቶሞች አማካይ ክብደት ሲሆን፣ እያንዳንዱ አይሶቶፕ ምን ያህል የተለመደ እንደሆነ ተመዝኗል። የእያንዳንዱን አይሶቶፕ ክብደት በክፍልፋይ ብዛቱ ያባዙና ብዜቶቹን ይደምሩ። ክፍልፋዮቹ ድምር 1 መሆን አለበት።

የተሠራ ምሳሌ 2። ማግኒዚየም ሦስት የተረጋጉ አይሶቶፖች አሉት። ከNIST የአቶም ክብደቶችና የአይሶቶፕ ስብጥሮች ሠንጠረዦች፦ ²⁴Mg፣ 23.985042 u፣ ብዛት 0.7899፤ ²⁵Mg፣ 24.985837 u፣ 0.1000፤ ²⁶Mg፣ 25.982593 u፣ 0.1101። ብዜቶቹ 18.94578፣ 2.49858 እና 2.86068 u ሲሆኑ ድምራቸው 24.30505 u ነው። ጥብቅ የጉልህ አሃዝ ደንቦች ባለ አራት አሃዝ ብዛቶች ላይ ቢተገበሩ ይህ ወደ 24.31 u ይጠጋጋል። እስከ ሦስት የአስርዮሽ ቦታዎች ሲቆይ 24.305 u ነው፤ ይህም በአብዛኞቹ ወቅታዊ ሰንጠረዦች ላይ የሚታተመው የተለመደ እሴት ነው።

ተመሳሳዩን ስሌት ለክሎሪን ያካሂዱ፤ ³⁵Clን በ34.968853 u ከብዛት 0.7576 ጋር፣ ³⁷Clን ደግሞ በ36.965903 u ከ0.2424 ጋር ይጠቀሙ፦ 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u። ፈጣን ግምት ስህተቶችን ይይዛል፦ አማካዩ በአይሶቶፕ ክብደቶቹ መካከል፣ በብዛት ወደሚገኘውም አይሶቶፕ ይበልጥ ቅርብ መሆን አለበት።

የአይሶቶፕ ብዛትን ለማግኘት ወደ ኋላ መሥራት

አንድ ንጥረ ነገር ሁለት አይሶቶፖች ካሉትና የአቶም ክብደቱን ካወቁ ብዛቶቹን ማስላት ይችላሉ። የመጀመሪያውን አይሶቶፕ ክፍልፋይ x ብለው ይሰይሙ፤ የሁለተኛው ያን ጊዜ 1 − x ይሆናል። የተመዘነውን አማካይ እንደ እኩልታ ይጻፉና ለx ይፍቱ።

የተሠራ ምሳሌ 3። መዳብ መደበኛ የአቶም ክብደቱ 63.546 ሲሆን ሁለት የተረጋጉ አይሶቶፖች አሉት፤ ⁶³Cu በ62.929598 u እና ⁶⁵Cu በ64.927790 u (NIST)። ከዚያ 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546። እንደገና ማደራጀት x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915 ይሰጣል። ስለዚህ መዳብ 69.15% ⁶³Cu እና 30.85% ⁶⁵Cu ነው፤ ይህም የNIST ብዛቶችን 0.6915 እና 0.3085 መልሶ ያስገኛል።

ይህ ዘዴ የሚሠራው ለሁለት አይሶቶፖች ብቻ ነው። በሦስት አይሶቶፖች አንድ አማካይ በሁለት ያልታወቁ እሴቶች አንድ እኩልታ ብቻ ይሰጣል፤ እንደ ማስ ስፔክትረም ያለ ሌላ ልኬት ያስፈልግዎታል።

በማስ ስፔክትረም ውስጥ ያሉ የአይሶቶፕ ንድፎች

የማስ ስፔክትሮሜትር ናሙናን ያዮናይዛል፣ አዮኖቹን በክብደት-ለክፍያ ጥምርታ ይለያል፣ በእያንዳንዱ እሴት ስንት እንደሚደርሱም ይመዘግባል። ለአንድ ንጥረ ነገር የጫፎቹ ቁመቶች የአይሶቶፕ ብዛቶችን በቀጥታ ይሰጣሉ። ለሞለኪውሎች ደግሞ አይሶቶፖች ተጣምረው በቀላሉ የሚለዩ ንድፎችን ያስገኛሉ።

የተሠራ ምሳሌ 4። የCl₂ን የሞለኪውላዊ አዮን ንድፍ ይተንብዩ። ለ³⁵Cl p = 0.7576፣ ለ³⁷Cl ደግሞ q = 0.2424 ይሁን። አንድ ሞለኪውል ³⁵Cl–³⁵Cl (ክብደት 70) የመሆን ዕድሉ p² = 0.5740፣ ³⁵Cl–³⁷Cl (ክብደት 72) የመሆን ዕድሉ 2pq = 0.3673፣ ³⁷Cl–³⁷Cl (ክብደት 74) የመሆን ዕድሉ ደግሞ q² = 0.0588 ነው። የ2 ብዜቱ ከእያንዳንዱ አንድ የማግኘትን ሁለት መንገዶች ይቆጥራል። ረጅሙ ጫፍ 100 እንዲሆን ሲመጠን ንድፉ 100 : 64.0 : 10.2 ነው።

ሁለት አቋራጮች ይከተላሉ። አንድ የክሎሪን አቶም ያለው ውህድ በሁለት የክብደት አሃዶች የተራራቁ ጫፎችን በግምት 3 : 1 ጥምርታ ያሳያል፤ ምክንያቱም p/q = 3.13 ነው። አንድ የብሮሚን አቶም ያለው ውህድ ከሞላ ጎደል እኩል ቁመት ያላቸው ሁለት ጫፎችን ያሳያል፤ ምክንያቱም NIST ⁷⁹Brን በ0.5069 እና ⁸¹Brን በ0.4931 ይዘረዝራል።

ነጥብ የሚያሳጡ የአቶም አወቃቀር ስህተቶች

አብዛኞቹ ስህተቶች የሚመጡት ሦስቱን ቆጠራዎች ከማደባለቅ ወይም የአቶም ክብደትን እንደ አንድ አቶም ባሕርይ ከመውሰድ ነው። ማንኛውንም ነገር ከመቁጠርዎ በፊት Z፣ A እና ክፍያውን ይጻፉ።

• አዮን ለመሥራት የፕሮቶኖችን ብዛት መለወጥ። ክፍያ የሚለውጠው ኤሌክትሮኖችን ብቻ ነው፤ ንጥረ ነገሩን የሚወስኑት ፕሮቶኖች ናቸው።
• ለአዎንታዊ አዮን ኤሌክትሮኖችን መጨመር። 3+ አዮን ከአቶሙ ሦስት ያነሱ ኤሌክትሮኖች አሉት።
• የአቶም ክብደትን እንደ የክብደት ቁጥር ማንበብ። የትኛውም የክሎሪን አቶም 35.45 u ክብደት የለውም፤ ይህ በግምት 35 u እና 37 u ያሉ አቶሞች አማካይ ነው።
• መቶኛዎችን በ100 ሳያካፍሉ እንደ ክፍልፋዮች መጠቀም፤ ይህም 100 እጥፍ የሚበልጥ አማካይ ይሰጣል።
• የማስ ስፔክትረምን ሲተነብዩ እንደ ³⁵Cl–³⁷Cl ላሉ የተደባለቁ የአይሶቶፕ ጥንዶች የ2 ብዜቱን መርሳት።
• ሁለት ኑክሊዶችን ተመሳሳይ የክብደት ቁጥር ስላላቸው ብቻ አይሶቶፖች ብሎ መጥራት። ¹⁴C እና ¹⁴N ተመሳሳይ A ይጋራሉ፤ ነገር ግን የተለያዩ ንጥረ ነገሮች ናቸው።

የክብደት ጉድለትና የክልል የአቶም ክብደቶች

ስድስት ፕሮቶኖችን፣ ስድስት ኒውትሮኖችንና ስድስት ኤሌክትሮኖችን በCODATA ክብደቶች መደመር 12.0989 u ይሰጣል፤ ሆኖም የካርቦን-12 አቶም በትክክል 12 u ነው። የጎደለው 0.0989 u፣ ከጠቅላላው ወደ 0.82% ገደማ፣ ኒውክሊየሱ ሲፈጠር ከተለቀቀው ኃይል ጋር ይዛመዳል። የአይሶቶፕ ክብደቶች ሙሉ ቁጥሮች የማይሆኑት በዚህ የክብደት ጉድለት ምክንያት ነው፤ እሱም ለኒውክሌር የማሰሪያ ኃይል መነሻ ነጥብ ነው።

ለአንዳንድ ንጥረ ነገሮች የአይሶቶፕ ቅይጡ በተፈጥሮ ምንጮች መካከል በበቂ ሁኔታ ስለሚለያይ የIUPAC የአይሶቶፕ ብዛቶችና የአቶም ክብደቶች ኮሚሽን ከአንድ ቁጥር ይልቅ ክልል ያሳውቃል። ክሎሪን [35.446, 35.457]፣ ማግኒዚየም ደግሞ [24.304, 24.307] ተብለው ተዘርዝረዋል። ለተራ ስሌቶች ኮርስዎ ሌላ ካላለ በስተቀር የተለመዱትን ነጠላ እሴቶች 35.45 እና 24.305 ይጠቀሙ።