ആറ്റോമിക ഘടനയും ഐസോടോപ്പുകളും: ന്യൂക്ലൈഡ് പ്രതീകങ്ങൾ മുതൽ ആറ്റോമിക ഭാരം വരെ

അളന്ന യൂണിറ്റുകളിൽ പ്രോട്ടോണുകൾ, ന്യൂട്രോണുകൾ, ഇലക്ട്രോണുകൾ

അടിസ്ഥാന ചാർജിന്റെ യൂണിറ്റുകളിൽ, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, പ്രോട്ടോൺ +1 ചാർജും ഇലക്ട്രോൺ −1 ചാർജും വഹിക്കുന്നു. ന്യൂട്രോണിന് ചാർജില്ല. പിണ്ഡങ്ങൾ സാധാരണയായി ഏകീകൃത ആറ്റോമിക പിണ്ഡ യൂണിറ്റുകളിൽ (u, ഡാൾട്ടൺ, Da എന്നും വിളിക്കുന്നു) നൽകുന്നു; ഇവിടെ 1 u എന്നത് ഒരു കാർബൺ-12 ആറ്റത്തിന്റെ പിണ്ഡത്തിന്റെ പന്ത്രണ്ടിലൊന്നാണ്, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

NIST പ്രസിദ്ധീകരിച്ച 2022 CODATA മൂല്യങ്ങൾ പ്രകാരം പ്രോട്ടോൺ 1.007276 u-ഉം ന്യൂട്രോൺ 1.008665 u-ഉം ഇലക്ട്രോൺ 0.000549 u-ഉം ആണ്. പ്രോട്ടോണിന് ഇലക്ട്രോണിനെക്കാൾ ഏകദേശം 1836 മടങ്ങ് ഭാരമുണ്ട്, അതിനാൽ ഒരു ആറ്റത്തിന്റെ പിണ്ഡം മിക്കവാറും മുഴുവനും ന്യൂക്ലിയസിലാണ്. ന്യൂക്ലിയസ് വളരെ ചെറുതുമാണ്: അതിന്റെ ആരം 10⁻¹⁵ m എന്ന ക്രമത്തിലാണ്, ആറ്റത്തിന്റെ ആരം 10⁻¹⁰ m എന്ന ക്രമത്തിലും. അതിനാൽ ഇലക്ട്രോണുകൾ ഒരു ആറ്റത്തിന്റെ വലുപ്പവും രസതന്ത്രവും നിശ്ചയിക്കുന്നു, ന്യൂക്ലിയസ് അതിന്റെ പിണ്ഡവും.

ന്യൂക്ലൈഡ് പ്രതീകങ്ങൾ വായിക്കലും അയോണുകളിലെ കണികകൾ എണ്ണലും

ആറ്റോമിക സംഖ്യ Z പ്രോട്ടോണുകളുടെ എണ്ണമാണ്. അത് മൂലകത്തെ നിർവചിക്കുന്നു: 17 പ്രോട്ടോണുകളുള്ള ഓരോ ആറ്റവും ക്ലോറിനാണ്. പിണ്ഡസംഖ്യ A പ്രോട്ടോണുകളുടെയും ന്യൂട്രോണുകളുടെയും ആകെ എണ്ണമാണ്, അതിനാൽ ന്യൂട്രോണുകളുടെ എണ്ണം A − Z ആണ്. ഒരു ന്യൂക്ലൈഡ് പ്രതീകം മൂലക പ്രതീകത്തിന് ഇടതുവശത്ത് A-യെ സൂപ്പർസ്ക്രിപ്റ്റായും Z-നെ സബ്സ്ക്രിപ്റ്റായും എഴുതുന്നു, ³⁵₁₇Cl എന്നതുപോലെ. പ്രതീകം തന്നെ Z നിശ്ചയിക്കുന്നതിനാൽ സബ്സ്ക്രിപ്റ്റ് പലപ്പോഴും ഒഴിവാക്കുന്നു, അപ്പോൾ ³⁵Cl അല്ലെങ്കിൽ ക്ലോറിൻ-35 ലഭിക്കുന്നു.

നിർവീര്യ ആറ്റത്തിൽ മാത്രമേ ഇലക്ട്രോണുകൾ പ്രോട്ടോണുകൾക്ക് തുല്യമാകൂ. q ചാർജുള്ള ഒരു അയോണിന് Z − q ഇലക്ട്രോണുകളുണ്ട്; അതിനാൽ പോസിറ്റീവ് ചാർജ് എന്നാൽ കുറവ് ഇലക്ട്രോണുകളും നെഗറ്റീവ് ചാർജ് എന്നാൽ കൂടുതൽ ഇലക്ട്രോണുകളുമാണ്. ചാർജ് ഒരിക്കലും ന്യൂക്ലിയസിനെ മാറ്റുന്നില്ല.

ഉദാഹരണം 1. ⁵⁶Fe³⁺-ന്: Z = 26, അതിനാൽ 26 പ്രോട്ടോണുകൾ; 56 − 26 = 30 ന്യൂട്രോണുകൾ; 26 − 3 = 23 ഇലക്ട്രോണുകൾ. ¹²⁷I⁻-ന്: 53 പ്രോട്ടോണുകൾ, 127 − 53 = 74 ന്യൂട്രോണുകൾ, 53 + 1 = 54 ഇലക്ട്രോണുകൾ. ³⁴S²⁻-ന്: 16 പ്രോട്ടോണുകൾ, 18 ന്യൂട്രോണുകൾ, 18 ഇലക്ട്രോണുകൾ. ³⁴S²⁻-ന് ഒരു ആർഗൺ ആറ്റത്തിന്റെ അതേ ഇലക്ട്രോൺ എണ്ണമാണെന്ന് ശ്രദ്ധിക്കുക; അയോണുകളെ സമഇലക്ട്രോണികമാക്കുന്നത് ഒരേ ഇലക്ട്രോൺ എണ്ണമാണ്, ഒരേ പിണ്ഡസംഖ്യയല്ല.

ഐസോടോപ്പുകൾ ഒരുപോലെ പ്രതിപ്രവർത്തിക്കുകയും പിണ്ഡത്തിൽ വ്യത്യാസപ്പെടുകയും ചെയ്യുന്നത് എന്തുകൊണ്ട്

ഒരേ Z-ഉം വ്യത്യസ്ത എണ്ണം ന്യൂട്രോണുകളുമുള്ള ആറ്റങ്ങളാണ് ഐസോടോപ്പുകൾ. ക്ലോറിൻ-35-നും ക്ലോറിൻ-37-നും 17 പ്രോട്ടോണുകളും, നിർവീര്യ ആറ്റങ്ങളെന്ന നിലയിൽ, 17 ഇലക്ട്രോണുകളുമുണ്ട്. രാസസ്വഭാവം നിയന്ത്രിക്കുന്നത് ഇലക്ട്രോണുകളാണ്, അതിനാൽ രണ്ട് ഐസോടോപ്പുകളും ഒരേ അനുപാതങ്ങളിൽ ഒരേ സംയുക്തങ്ങൾ ഉണ്ടാക്കുന്നു.

പിണ്ഡത്തെ ആശ്രയിക്കുന്ന ഗുണങ്ങൾ നേരിയ തോതിൽ വ്യത്യാസപ്പെടുന്നു. ഒരു നിശ്ചിത താപനിലയിൽ ഭാരം കുറഞ്ഞ തന്മാത്രകൾ വേഗത്തിൽ ചലിക്കുന്നു, ഭാരം കൂടിയ ഐസോടോപ്പുകളിലേക്കുള്ള ബന്ധനങ്ങൾ അൽപ്പം സാവധാനത്തിൽ പ്രതിപ്രവർത്തിക്കുന്നു. ഭാരമേറിയ മൂലകങ്ങൾക്ക് ഈ ഫലങ്ങൾ ചെറുതാണ്. അവ എത്ര ചെറുതാണെന്ന് യുറേനിയം സമ്പുഷ്ടീകരണം കാണിക്കുന്നു. ഗ്രഹാം നിയമപ്രകാരം ²³⁵UF₆-ന്റെയും ²³⁸UF₆-ന്റെയും എഫ്യൂഷൻ നിരക്കുകൾ √(M₂/M₁) എന്ന അനുപാതത്തിലാണ്. NIST ഐസോടോപ്പ് പിണ്ഡങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ച്, M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol, M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, അതിനാൽ അനുപാതം √(352.041/349.034) = 1.0043 ആണ്. ഒരു തടസ്സത്തിലൂടെയുള്ള ഒറ്റ കടന്നുപോക്ക് ഭാരം കുറഞ്ഞ ഐസോടോപ്പിനെ അര ശതമാനത്തിൽ താഴെ മാത്രമേ സമ്പുഷ്ടമാക്കുന്നുള്ളൂ; അതുകൊണ്ടാണ് സമ്പുഷ്ടീകരണ പ്ലാന്റുകൾക്ക് ശ്രേണിയായി ക്രമീകരിച്ച നിരവധി ഘട്ടങ്ങൾ വേണ്ടിവരുന്നത്.

ഭാരിത ശരാശരികൾ: ഐസോടോപ്പ് പിണ്ഡങ്ങളിൽ നിന്ന് ആറ്റോമിക ഭാരത്തിലേക്ക്

ആവർത്തനപ്പട്ടികയിലെ ആറ്റോമിക ഭാരം ഏതെങ്കിലും ഒരു ആറ്റത്തിന്റെ പിണ്ഡമല്ല. ഒരു സാധാരണ സാമ്പിളിലെ മൂലകത്തിന്റെ ആറ്റങ്ങളുടെ ശരാശരി പിണ്ഡമാണത്, ഓരോ ഐസോടോപ്പും എത്രമാത്രം സാധാരണമാണ് എന്നതനുസരിച്ച് ഭാരിതമാക്കിയത്. ഓരോ ഐസോടോപ്പിന്റെയും പിണ്ഡത്തെ അതിന്റെ ആംശിക സമൃദ്ധി കൊണ്ട് ഗുണിച്ച് ഗുണനഫലങ്ങൾ കൂട്ടുക. അംശങ്ങളുടെ തുക 1 ആയിരിക്കണം.

ഉദാഹരണം 2. മഗ്നീഷ്യത്തിന് മൂന്ന് സ്ഥിര ഐസോടോപ്പുകളുണ്ട്. NIST Atomic Weights and Isotopic Compositions പട്ടികകളിൽ നിന്ന്: ²⁴Mg, 23.985042 u, സമൃദ്ധി 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. ഗുണനഫലങ്ങൾ 18.94578, 2.49858, 2.86068 u ആണ്, അവയുടെ തുക 24.30505 u. നാലക്ക സമൃദ്ധികൾക്ക് സാർഥക അക്ക നിയമങ്ങൾ കർശനമായി പ്രയോഗിച്ചാൽ ഇത് 24.31 u ആയി റൗണ്ട് ചെയ്യപ്പെടും. മൂന്ന് ദശാംശസ്ഥാനങ്ങളിൽ നിലനിർത്തിയാൽ അത് 24.305 u ആണ്, മിക്ക ആവർത്തനപ്പട്ടികകളിലും അച്ചടിച്ചിരിക്കുന്ന പരമ്പരാഗത മൂല്യം.

ക്ലോറിനും ഇതേ കണക്കുകൂട്ടൽ നടത്തുക; 0.7576 സമൃദ്ധിയോടെ 34.968853 u-ലുള്ള ³⁵Cl-ഉം 0.2424 സമൃദ്ധിയോടെ 36.965903 u-ലുള്ള ³⁷Cl-ഉം ഉപയോഗിച്ച്: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. ഒരു ദ്രുത ഏകദേശ കണക്ക് പിശകുകൾ പിടികൂടും: ശരാശരി ഐസോടോപ്പ് പിണ്ഡങ്ങൾക്കിടയിലും കൂടുതൽ സമൃദ്ധമായതിനോട് അടുത്തുമായിരിക്കണം.

ഐസോടോപ്പ് സമൃദ്ധി കണ്ടെത്താൻ പിന്നോട്ട് കണക്കാക്കൽ

ഒരു മൂലകത്തിന് രണ്ട് ഐസോടോപ്പുകളുണ്ടെങ്കിൽ ആറ്റോമിക ഭാരം അറിയാമെങ്കിൽ, സമൃദ്ധികൾ കണ്ടെത്താം. ആദ്യ ഐസോടോപ്പിന്റെ അംശത്തെ x എന്ന് വിളിക്കുക; അപ്പോൾ രണ്ടാമത്തേത് 1 − x ആണ്. ഭാരിത ശരാശരിയെ ഒരു സമവാക്യമായി എഴുതി x കണ്ടെത്തുക.

ഉദാഹരണം 3. കോപ്പറിന് 63.546 എന്ന മാനക ആറ്റോമിക ഭാരവും രണ്ട് സ്ഥിര ഐസോടോപ്പുകളുമുണ്ട്: 62.929598 u-ലുള്ള ⁶³Cu-ഉം 64.927790 u-ലുള്ള ⁶⁵Cu-ഉം (NIST). അപ്പോൾ 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. പുനഃക്രമീകരിക്കുമ്പോൾ x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915. അതിനാൽ കോപ്പർ 69.15% ⁶³Cu-ഉം 30.85% ⁶⁵Cu-ഉം ആണ്, ഇത് NIST സമൃദ്ധികളായ 0.6915, 0.3085 എന്നിവ പുനഃസൃഷ്ടിക്കുന്നു.

ഈ രീതി രണ്ട് ഐസോടോപ്പുകൾക്ക് മാത്രമേ പ്രവർത്തിക്കൂ. മൂന്നെണ്ണമുള്ളപ്പോൾ ഒരു ശരാശരി രണ്ട് അജ്ഞാതങ്ങളുള്ള ഒരു സമവാക്യം മാത്രമേ നൽകൂ, അപ്പോൾ ഒരു പിണ്ഡ സ്പെക്ട്രം പോലുള്ള മറ്റൊരു അളവ് വേണം.

പിണ്ഡ സ്പെക്ട്രത്തിലെ ഐസോടോപ്പ് പാറ്റേണുകൾ

ഒരു മാസ് സ്പെക്ട്രോമീറ്റർ സാമ്പിളിനെ അയോണീകരിക്കുകയും അയോണുകളെ പിണ്ഡ–ചാർജ് അനുപാതമനുസരിച്ച് വേർതിരിക്കുകയും ഓരോ മൂല്യത്തിലും എത്രയെണ്ണം എത്തുന്നു എന്ന് രേഖപ്പെടുത്തുകയും ചെയ്യുന്നു. ഒരൊറ്റ മൂലകത്തിന്, പീക്കുകളുടെ ഉയരങ്ങൾ ഐസോടോപ്പ് സമൃദ്ധി നേരിട്ട് നൽകുന്നു. തന്മാത്രകളിൽ ഐസോടോപ്പുകൾ സംയോജിച്ച് തിരിച്ചറിയാവുന്ന പാറ്റേണുകൾ ഉണ്ടാക്കുന്നു.

ഉദാഹരണം 4. Cl₂-ന്റെ തന്മാത്രാ-അയോൺ പാറ്റേൺ പ്രവചിക്കുക. ³⁵Cl-ന് p = 0.7576, ³⁷Cl-ന് q = 0.2424 എന്നിരിക്കട്ടെ. ഒരു തന്മാത്ര ³⁵Cl–³⁵Cl (പിണ്ഡം 70) ആകാനുള്ള സംഭാവ്യത p² = 0.5740, ³⁵Cl–³⁷Cl (പിണ്ഡം 72) ആകാനുള്ളത് 2pq = 0.3673, ³⁷Cl–³⁷Cl (പിണ്ഡം 74) ആകാനുള്ളത് q² = 0.0588. 2 എന്ന ഘടകം ഓരോന്നിന്റെയും ഒന്ന് ലഭിക്കാനുള്ള രണ്ട് വഴികളെ എണ്ണുന്നു. ഏറ്റവും ഉയർന്ന പീക്ക് 100 ആകുന്ന വിധം സ്കെയിൽ ചെയ്താൽ പാറ്റേൺ 100 : 64.0 : 10.2 ആണ്.

ഇതിൽ നിന്ന് രണ്ട് കുറുക്കുവഴികൾ ഉരുത്തിരിയുന്നു. ഒരു ക്ലോറിൻ ആറ്റമുള്ള സംയുക്തം രണ്ട് പിണ്ഡ യൂണിറ്റ് അകലെ ഏകദേശം 3 : 1 അനുപാതത്തിൽ പീക്കുകൾ കാണിക്കുന്നു, കാരണം p/q = 3.13. ഒരു ബ്രോമിൻ ആറ്റമുള്ള സംയുക്തം ഏതാണ്ട് തുല്യ ഉയരമുള്ള രണ്ട് പീക്കുകൾ കാണിക്കുന്നു, കാരണം NIST ⁷⁹Br-നെ 0.5069-ലും ⁸¹Br-നെ 0.4931-ലും പട്ടികപ്പെടുത്തുന്നു.

മാർക്ക് നഷ്ടപ്പെടുത്തുന്ന ആറ്റോമിക ഘടനാ പിശകുകൾ

മിക്ക പിഴവുകളും മൂന്ന് എണ്ണങ്ങൾ തമ്മിൽ കൂട്ടിക്കുഴയ്ക്കുന്നതിൽ നിന്നോ ആറ്റോമിക ഭാരത്തെ ഒരൊറ്റ ആറ്റത്തിന്റെ ഗുണമായി കണക്കാക്കുന്നതിൽ നിന്നോ ആണ് വരുന്നത്. എന്തെങ്കിലും എണ്ണുന്നതിനു മുമ്പ് Z, A, ചാർജ് എന്നിവ എഴുതുക.

• അയോൺ ഉണ്ടാക്കാൻ പ്രോട്ടോൺ എണ്ണം മാറ്റൽ. ചാർജ് ഇലക്ട്രോണുകളെ മാത്രമേ മാറ്റുന്നുള്ളൂ; പ്രോട്ടോണുകൾ മൂലകത്തെ നിശ്ചയിക്കുന്നു.
• പോസിറ്റീവ് അയോണിന് ഇലക്ട്രോണുകൾ കൂട്ടൽ. 3+ അയോണിന് ആറ്റത്തെക്കാൾ മൂന്ന് ഇലക്ട്രോണുകൾ കുറവാണ്.
• ആറ്റോമിക ഭാരത്തെ പിണ്ഡസംഖ്യയായി വായിക്കൽ. ഒരു ക്ലോറിൻ ആറ്റത്തിനും 35.45 u പിണ്ഡമില്ല; അത് ഏകദേശം 35 u-ഉം 37 u-ഉം ഉള്ള ആറ്റങ്ങളുടെ ശരാശരിയാണ്.
• 100 കൊണ്ട് ഹരിക്കാതെ ശതമാനങ്ങളെ അംശങ്ങളായി ഉപയോഗിക്കൽ; ഇത് 100 മടങ്ങ് വലിയ ശരാശരി നൽകുന്നു.
• പിണ്ഡ സ്പെക്ട്രം പ്രവചിക്കുമ്പോൾ ³⁵Cl–³⁷Cl പോലുള്ള മിശ്ര ഐസോടോപ്പ് ജോടികൾക്കുള്ള 2 എന്ന ഘടകം മറക്കൽ.
• ഒരേ പിണ്ഡസംഖ്യയുള്ളതുകൊണ്ട് രണ്ട് ന്യൂക്ലൈഡുകളെ ഐസോടോപ്പുകൾ എന്ന് വിളിക്കൽ. ¹⁴C-ഉം ¹⁴N-ഉം A പങ്കിടുന്നു, പക്ഷേ വ്യത്യസ്ത മൂലകങ്ങളാണ്.

പിണ്ഡക്ഷതിയും ഇടവേള ആറ്റോമിക ഭാരങ്ങളും

CODATA പിണ്ഡങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ച് ആറ് പ്രോട്ടോണുകളും ആറ് ന്യൂട്രോണുകളും ആറ് ഇലക്ട്രോണുകളും കൂട്ടുമ്പോൾ 12.0989 u ലഭിക്കുന്നു, എന്നിട്ടും ഒരു കാർബൺ-12 ആറ്റം കൃത്യമായി 12 u ആണ്. നഷ്ടമായ 0.0989 u, ആകെയുടെ ഏകദേശം 0.82%, ന്യൂക്ലിയസ് രൂപപ്പെട്ടപ്പോൾ പുറത്തുവിട്ട ഊർജത്തിന് അനുരൂപമാണ്. ഐസോടോപ്പ് പിണ്ഡങ്ങൾ പൂർണസംഖ്യകളല്ലാത്തതിന് കാരണം ഈ പിണ്ഡക്ഷതിയാണ്, ന്യൂക്ലിയർ ബന്ധന ഊർജത്തിന്റെ തുടക്കബിന്ദുവും ഇതാണ്.

ചില മൂലകങ്ങൾക്ക് പ്രകൃതിദത്ത സ്രോതസ്സുകൾക്കിടയിൽ ഐസോടോപ്പ് മിശ്രിതം വേണ്ടത്ര വ്യത്യാസപ്പെടുന്നതിനാൽ, ഐസോടോപ്പ് സമൃദ്ധിയും ആറ്റോമിക ഭാരങ്ങളും സംബന്ധിച്ച IUPAC കമ്മീഷൻ ഒരൊറ്റ സംഖ്യയ്ക്ക് പകരം ഒരു ഇടവേള റിപ്പോർട്ട് ചെയ്യുന്നു. ക്ലോറിൻ [35.446, 35.457] ആയും മഗ്നീഷ്യം [24.304, 24.307] ആയും പട്ടികപ്പെടുത്തിയിരിക്കുന്നു. സാധാരണ കണക്കുകൂട്ടലുകൾക്ക്, നിങ്ങളുടെ കോഴ്സ് മറിച്ച് പറയാത്തപക്ഷം, 35.45, 24.305 എന്നീ പരമ്പരാഗത ഒറ്റ മൂല്യങ്ങൾ ഉപയോഗിക്കുക.