Isotope

จาก Thailand Science and Technology Wikipedia

Isotope

ในธรรมชาติมีธาตุต่างๆ มากมาย และโดยการกระทำของมนุษย์ดังเช่นนักวิทยาศาสตร์ในห้องทดลองก็มีธาตุต่างๆ ถูกสร้างขึ้นมาด้วยมากมาย

ในสมัยโบราณก่อนยุคของเคมียุคใหม่ เป็นที่เข้าใจกันว่าธาตุแต่ละชนิดที่มีอยู่ในโลกล้วนมีความแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง ทั้งโดยองค์ประกอบภายในและรูปร่าลักษณะ ดังเช่นทองคำ ก็แตกต่างไปจากธาตุเหล็กอย่างไม่มีอะไรที่เหมือนกันเลย

จนกระทั่งต่อมา เมื่อนักวิทยาศาสตร์ได้เข้าใจธรรมชาติของธาตุต่างๆ อย่างเจาะลึก ทราบว่าหน่วยพื้นฐานของธาตุแต่ละชนิดคืออะตอม และอะตอมก็ประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอน โดยที่นิวเคลียสจะประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน รวมกันอยู่ตรงใจกลางของอะตอมของธาตุต่างๆ

การค้นพบเป็นความรู้ใหม่เกี่ยวกับอะตอม คืออะตอมของธาตุต่างๆ อันหลากหลาย แท้จริงแล้วก็ประกอบขึ้นมาจากองค์ประกอบพื้นฐานเล็กที่สุดที่รวมกันอยู่ในนิวเคลียส ซึ่งไม่แตกต่างกันเลยสำหรับธาตุต่างๆ กล่าวคืออะตอมของธาตุทุกชนิด ล้วนประกอบด้วยนิวเคลียสอยู่ตรงใจกลาง และนิวเคลียสก็ประกอบด้วยโปรตอนกับนิวตรอน โดยที่โปรตอนและนิวตรอนของธาตุทุกชนิดล้วนเหมือนกันทุกประการ

โปรตอนของอะตอมฮีเลียม ก็เหมือนกันโปรตอนของอะตอมยูเรเนียม ถ้าเกิดการเปลี่ยนแปลง โปรตอนของอะตอมยูเรเนียมหายไปตัวหนึ่ง แล้วก็ได้มาตัวหนึ่ง ไม่ว่าจะเป็นโปรตอนจากไหน ยูเรเนียมก็จะยังเป็นยูเรเนียม และจริงๆ แล้วการที่เรามีธาตุต่างชนิดกันมากมาย ความแตกต่างของธาตุต่างๆ ก็ขึ้นอยู่กับจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเป็นสำคัญ

ถ้ามีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นกับจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของธาตุชนิดหนึ่ง เช่น ธาตุยูเรเนียม อะตอมของธาตุยูเรเนียมก็จะไม่ใช่ยูเรเนียมอีกต่อไปซึ่งนี่คือกระบวนการเปลี่ยนแปลงพื้นฐานที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ ที่มีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นในนิวเคลียสของอะตอมที่เกี่ยวข้อง ผลที่เกิดขึ้นหลังปฏิกิริยานิวเคลียร์ ก็จะเป็นธาตุใหม่

ธาตุแต่ละชนิดจึงถูกกำหนดโดยจำนวนของโปรตอนในนิวเคลียส แล้วจำนวนนิวตรอนของธาตุแต่ละชนิดในนิวเคลียสล่ะ?

จำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสของธาตุชนิดหนึ่งๆ สามารถจะแตกต่างกันได้ โดยที่อะตอมของธาตุที่มีนิวตรอนแตกต่างกัน แต่ยังมีจำนวนโปรตอนเท่าเดิม ก็จะยังเป็นธาตุเดิม

ไอโซโทป (isotope) เป็นชื่อเรียกชนิดต่างๆ ของธาตุแต่ละชนิด ซึ่งก็ยังเป็นธาตุเดียวกัน แต่จะมีคุณสมบัติทางเคมีหรือทางกายภาพแตกต่างกันได้มาก โดยที่ชนิดหรือไอโซโทปต่างๆ ของธาตุชนิดหนึ่ง จะมีจำนวนนิวตรอนแตกต่างกัน

ตัวอย่างเช่น ธาตุไฮโดรเจน จะมีไอโซโทปที่รู้จักกันดีอยู่ 3 ไอโซโทปโดยที่ทุกไอโซโทปจะมีจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเท่ากันหมด คือ 1 ตัวแต่จะมีจำนวนนิวตรอนต่างกันและมีชื่อเรียกแยกกันออกไปอีกด้วย คือไฮโดรเจนที่ไม่มีนิวตรอนอยู่ในนิวเคลียสเลย เป็นไฮโดรเจนธรรมดา ถ้ามีนิวตรอนอยู่ในนิวเคลียส 1 ตัวจะเป็นอีกไอโซโทปหนึ่งของไฮโดรเจน มีชื่อเรียกเฉพาะเป็น ดิวทีเรียม (deuterium) และถ้ามีนิวตรอน 2 ตัวอยู่ในนิวเคลียส ก็จะเป็นไอโซโทปของไฮโดรเจนชื่อ ทริเนียม (tritium)

ไอโซโทปของธาตุชนิดหนึ่งๆ จะมีคุณสมบัติแตกต่างกันได้มาก เช่นโคบอลต์-59 เป็นไอโซโทปธรมดาของธาตุโคบอลต์ ไม่มีอันตราย เพราะไม่มีสภาพเป็นกัมมันตรังสี แต่โคบอลตื-60 เป็นไอโซโทปที่เป็นกัมมันตรังสี ไม่เกิดเองโดยธรรมชาติ ผลิตได้โดยการนำเอาโคบอลต์-59 ไปอาบกัมมันตรังสีจากเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ทำให้นิวเคลียสของโคบอลต์-59 รับเอานิวตรอนเพิ่ม 1 ตัว กลายเป็นโคบอลต์-60 ที่เป็นกัมมันตรังสีไป

คำ isotope มีที่มาจากคำกรีกสองคำคือ isos แปลว่า เท่ากันหรือเหมือนกัน กับคำ topos แปลว่า สถานที่หรือตำแหน่ง มีความหมายว่าไอโซโทปของธาตุชนิดหนึ่ง ถึงแม้จะมีคุณสมบัติทางกายภาพแตกต่างกันแต่ก็อยู่ในตำแหน่งเดียวกันในตารางธาตุ หรือ periodic table

Frederick Soddy นักเคมีชาวอังกฤษ เป็นผู้ตั้งคำ isotope ขึ้นมาเมื่อปี ค.ศ.1913 สำหรับไอโซโทปที่มีคุณสมบัติเป็นกัมมันตรังสี เช่น โคบอลต์-60 มักจะถูกเรียกเป็น radioisotope หรือ ไอโซโทปกัมมันตรังสี