ایٹمی ساخت اور آئسوٹوپ: نیوکلائیڈ کی علامتوں سے جوہری وزن تک

ناپی گئی اکائیوں میں پروٹان، نیوٹران اور الیکٹران

پروٹان پر بنیادی چارج کی اکائیوں میں +1 چارج ہوتا ہے، جہاں e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C، اور الیکٹران پر −1۔ نیوٹران پر کوئی چارج نہیں ہوتا۔ کمیتیں عموماً متحدہ ایٹمی کمیتی اکائیوں (u، جنہیں ڈالٹن، Da، بھی کہتے ہیں) میں دی جاتی ہیں، جہاں 1 u کاربن-12 ایٹم کی کمیت کا بارہواں حصہ، یعنی 1.6605 × 10⁻²⁷ kg، ہے۔

NIST کی شائع کردہ 2022 کی CODATA قدروں کے مطابق پروٹان 1.007276 u، نیوٹران 1.008665 u اور الیکٹران 0.000549 u ہے۔ پروٹان الیکٹران سے تقریباً 1836 گنا بھاری ہے، اس لیے ایٹم کی تقریباً ساری کمیت مرکزے میں ہوتی ہے۔ مرکزہ بہت ننھا بھی ہے: اس کا رداس 10⁻¹⁵ m کے درجے کا ہے، جبکہ ایٹم کا رداس 10⁻¹⁰ m کے درجے کا ہے۔ اس لیے الیکٹران ایٹم کی جسامت اور اس کی کیمیا طے کرتے ہیں، اور مرکزہ اس کی کمیت طے کرتا ہے۔

نیوکلائیڈ کی علامتیں پڑھنا اور آئنوں میں ذرات گننا

ایٹمی عدد Z پروٹانوں کی تعداد ہے۔ یہ عنصر کی تعریف کرتا ہے: 17 پروٹانوں والا ہر ایٹم کلورین ہے۔ کمیتی عدد A پروٹانوں اور نیوٹرانوں کی کل تعداد ہے، اس لیے نیوٹرانوں کی گنتی A − Z ہے۔ نیوکلائیڈ کی علامت میں A کو عنصر کی علامت کے بائیں اوپر اور Z کو بائیں نیچے لکھا جاتا ہے، جیسے ³⁵₁₇Cl میں۔ چونکہ علامت پہلے ہی Z مقرر کر دیتی ہے، اس لیے زیریں عدد اکثر چھوڑ دیا جاتا ہے، اور ³⁵Cl یا کلورین-35 لکھا جاتا ہے۔

الیکٹران صرف غیر جانبدار ایٹم میں پروٹانوں کے برابر ہوتے ہیں۔ q چارج والے آئن میں Z − q الیکٹران ہوتے ہیں، اس لیے مثبت چارج کا مطلب کم الیکٹران اور منفی چارج کا مطلب زیادہ الیکٹران ہے۔ چارج کبھی مرکزے کو نہیں بدلتا۔

حل شدہ مثال 1۔ ⁵⁶Fe³⁺ کے لیے: Z = 26، اس لیے 26 پروٹان؛ 56 − 26 = 30 نیوٹران؛ 26 − 3 = 23 الیکٹران۔ ¹²⁷I⁻ کے لیے: 53 پروٹان، 127 − 53 = 74 نیوٹران اور 53 + 1 = 54 الیکٹران۔ ³⁴S²⁻ کے لیے: 16 پروٹان، 18 نیوٹران اور 18 الیکٹران۔ غور کریں کہ ³⁴S²⁻ میں الیکٹرانوں کی گنتی آرگن ایٹم جتنی ہے؛ آئنوں کو ہم الیکٹرانی الیکٹرانوں کی یکساں گنتی بناتی ہے، یکساں کمیتی اعداد نہیں۔

آئسوٹوپ ایک جیسا تعامل کیوں کرتے ہیں مگر کمیت میں مختلف کیوں ہوتے ہیں

آئسوٹوپ وہ ایٹم ہیں جن کا Z ایک جیسا مگر نیوٹرانوں کی تعداد مختلف ہو۔ کلورین-35 اور کلورین-37 دونوں میں 17 پروٹان اور، غیر جانبدار ایٹموں کے طور پر، 17 الیکٹران ہیں۔ کیمیائی برتاؤ الیکٹرانوں کے تابع ہے، اس لیے دونوں آئسوٹوپ ایک ہی نسبتوں میں ایک ہی مرکبات بناتے ہیں۔

کمیت پر منحصر خصوصیات میں البتہ ذرا فرق ہوتا ہے۔ دیے گئے درجۂ حرارت پر ہلکے سالمے زیادہ تیز حرکت کرتے ہیں، اور بھاری آئسوٹوپوں سے بنے بندھن ذرا آہستہ تعامل کرتے ہیں۔ بھاری عناصر کے لیے یہ اثرات چھوٹے ہیں۔ یورینیم کی افزودگی دکھاتی ہے کہ کتنے چھوٹے۔ گراہم کے قانون کے مطابق ²³⁵UF₆ اور ²³⁸UF₆ کی ایفیوژن (اخراج) کی شرحوں کی نسبت √(M₂/M₁) ہے۔ NIST کی آئسوٹوپ کمیتیں استعمال کرتے ہوئے M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol اور M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol، اس لیے نسبت √(352.041/349.034) = 1.0043 ہے۔ رکاوٹ سے ایک بار گزرنا ہلکے آئسوٹوپ کو آدھے فیصد سے بھی کم افزودہ کرتا ہے، اسی لیے افزودگی کے کارخانوں کو ایک سلسلے میں کئی مرحلے درکار ہوتے ہیں۔

وزنی اوسط: آئسوٹوپ کمیتوں سے جوہری وزن تک

دوری جدول پر درج جوہری وزن کسی ایک ایٹم کی کمیت نہیں ہے۔ یہ عام نمونے میں عنصر کے ایٹموں کی اوسط کمیت ہے، جسے اس بات سے وزن دیا گیا ہے کہ ہر آئسوٹوپ کتنا عام ہے۔ ہر آئسوٹوپ کی کمیت کو اس کی کسری کثرت سے ضرب دیں اور حاصل ضربیں جمع کریں۔ کسروں کا مجموعہ 1 ہونا چاہیے۔

حل شدہ مثال 2۔ میگنیشیم کے تین مستحکم آئسوٹوپ ہیں۔ NIST کی Atomic Weights and Isotopic Compositions جدولوں سے: ²⁴Mg، 23.985042 u، کثرت 0.7899؛ ²⁵Mg، 24.985837 u، 0.1000؛ ²⁶Mg، 25.982593 u، 0.1101۔ حاصل ضربیں 18.94578، 2.49858 اور 2.86068 u ہیں، اور ان کا مجموعہ 24.30505 u ہے۔ چار ہندسی کثرتوں پر اہم ہندسوں کے سخت قواعد لاگو کرنے سے یہ 24.31 u تک راؤنڈ ہو جائے گا۔ تین اعشاری مقامات تک رکھا جائے تو یہ 24.305 u ہے، جو زیادہ تر دوری جدولوں پر چھپی روایتی قدر ہے۔

یہی حساب کلورین کے لیے کریں، ³⁵Cl کو 34.968853 u پر کثرت 0.7576 کے ساتھ اور ³⁷Cl کو 36.965903 u پر 0.2424 کے ساتھ لے کر: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u۔ ایک فوری اندازہ غلطیاں پکڑ لیتا ہے: اوسط آئسوٹوپ کمیتوں کے درمیان اور زیادہ کثرت والے آئسوٹوپ کے قریب ہونی چاہیے۔

الٹی سمت کام کر کے آئسوٹوپ کی کثرت معلوم کرنا

اگر کسی عنصر کے دو آئسوٹوپ ہوں اور آپ جوہری وزن جانتے ہوں تو آپ کثرتوں کو حل کر سکتے ہیں۔ پہلے آئسوٹوپ کی کسر کو x کہیں؛ تب دوسرے کی کسر 1 − x ہے۔ وزنی اوسط کو مساوات کی صورت میں لکھیں اور x کے لیے حل کریں۔

حل شدہ مثال 3۔ کاپر کا معیاری جوہری وزن 63.546 ہے اور اس کے دو مستحکم آئسوٹوپ ہیں، ⁶³Cu بمقدار 62.929598 u اور ⁶⁵Cu بمقدار 64.927790 u (NIST)۔ تب 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546۔ ترتیب بدلنے سے x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915 ملتا ہے۔ چنانچہ کاپر 69.15% ⁶³Cu اور 30.85% ⁶⁵Cu ہے، جو NIST کی 0.6915 اور 0.3085 کی کثرتوں کو دہراتا ہے۔

یہ طریقہ صرف دو آئسوٹوپوں کے لیے کام کرتا ہے۔ تین ہوں تو ایک اوسط سے دو نامعلوم مقداروں والی ایک مساوات ملتی ہے، اور آپ کو ایک اور پیمائش درکار ہوتی ہے، جیسے کمیتی طیف۔

کمیتی طیف میں آئسوٹوپ کے نمونے

کمیتی طیف پیما نمونے کو آئنائز کرتا ہے، آئنوں کو کمیت اور چارج کی نسبت کے لحاظ سے الگ کرتا ہے اور درج کرتا ہے کہ ہر قدر پر کتنے آئن پہنچتے ہیں۔ ایک واحد عنصر کے لیے چوٹیوں کی اونچائیاں براہ راست آئسوٹوپ کی کثرتیں دیتی ہیں۔ سالموں میں آئسوٹوپ آپس میں مل کر قابلِ شناخت نمونے بناتے ہیں۔

حل شدہ مثال 4۔ Cl₂ کے سالماتی آئن کے نمونے کی پیش گوئی کریں۔ ³⁵Cl کے لیے p = 0.7576 اور ³⁷Cl کے لیے q = 0.2424 لیں۔ کوئی سالمہ ³⁵Cl–³⁵Cl (کمیت 70) ہونے کا احتمال p² = 0.5740، ³⁵Cl–³⁷Cl (کمیت 72) ہونے کا احتمال 2pq = 0.3673، اور ³⁷Cl–³⁷Cl (کمیت 74) ہونے کا احتمال q² = 0.0588 ہے۔ 2 کا جزو ہر ایک میں سے ایک حاصل کرنے کے دو طریقوں کو گنتا ہے۔ سب سے اونچی چوٹی کو 100 مان کر پیمانہ بدلیں تو نمونہ 100 : 64.0 : 10.2 ہے۔

اس سے دو مختصر طریقے نکلتے ہیں۔ ایک کلورین ایٹم والا مرکب دو کمیتی اکائیوں کے فاصلے پر تقریباً 3 : 1 کی نسبت میں چوٹیاں دکھاتا ہے، کیونکہ p/q = 3.13۔ ایک برومین ایٹم والا مرکب تقریباً برابر اونچائی کی دو چوٹیاں دکھاتا ہے، کیونکہ NIST ⁷⁹Br کو 0.5069 اور ⁸¹Br کو 0.4931 پر درج کرتا ہے۔

ایٹمی ساخت کی وہ غلطیاں جن سے نمبر کٹتے ہیں

زیادہ تر غلطیاں تینوں گنتیوں کو گڈمڈ کرنے یا جوہری وزن کو کسی ایک ایٹم کی خصوصیت سمجھنے سے آتی ہیں۔ کچھ بھی گننے سے پہلے Z، A اور چارج لکھ لیں۔

• آئن بنانے کے لیے پروٹانوں کی گنتی بدل دینا۔ چارج صرف الیکٹران بدلتا ہے؛ پروٹان عنصر کو مقرر کرتے ہیں۔
• مثبت آئن کے لیے الیکٹران شامل کرنا۔ 3+ آئن میں ایٹم سے تین الیکٹران کم ہوتے ہیں۔
• جوہری وزن کو کمیتی عدد سمجھ لینا۔ کسی کلورین ایٹم کی کمیت 35.45 u نہیں ہوتی؛ یہ تقریباً 35 u اور 37 u کے ایٹموں کی اوسط ہے۔
• فیصدوں کو 100 سے تقسیم کیے بغیر کسروں کے طور پر استعمال کرنا، جس سے اوسط 100 گنا بڑی آتی ہے۔
• کمیتی طیف کی پیش گوئی کرتے وقت ملے جلے آئسوٹوپ جوڑوں، جیسے ³⁵Cl–³⁷Cl، کے لیے 2 کا جزو بھول جانا۔
• دو نیوکلائیڈوں کو صرف اس لیے آئسوٹوپ کہنا کہ ان کا کمیتی عدد ایک جیسا ہے۔ ¹⁴C اور ¹⁴N کا A مشترک ہے لیکن وہ مختلف عناصر ہیں۔

کمیتی نقص اور وقفہ دار جوہری اوزان

CODATA کمیتوں کے ساتھ چھ پروٹان، چھ نیوٹران اور چھ الیکٹران جمع کرنے سے 12.0989 u ملتا ہے، جبکہ کاربن-12 ایٹم ٹھیک 12 u ہے۔ غائب 0.0989 u، جو کل کا تقریباً 0.82% ہے، اس توانائی کے مطابق ہے جو مرکزہ بنتے وقت خارج ہوئی۔ یہی کمیتی نقص وجہ ہے کہ آئسوٹوپ کمیتیں مکمل اعداد نہیں ہوتیں، اور یہی نیوکلیائی بندشی توانائی کا نقطۂ آغاز ہے۔

کچھ عناصر کے لیے آئسوٹوپوں کا آمیزہ مختلف قدرتی ماخذوں میں اتنا بدلتا ہے کہ IUPAC کا کمیشن برائے آئسوٹوپی کثرت اور جوہری اوزان ایک واحد عدد کی بجائے ایک وقفہ بتاتا ہے۔ کلورین [35.446, 35.457] اور میگنیشیم [24.304, 24.307] درج ہیں۔ عام حسابات کے لیے روایتی واحد قدریں، 35.45 اور 24.305، استعمال کریں، جب تک آپ کا کورس کچھ اور نہ کہے۔