الرئيسية
التسجيل
عــدد الـــمــســاهـمات
من طرف منحى الاستقرار :
إذا قمنا برسم علاقة بيانية بين عدد البروتونات وعدد النيوترونات في الأنوية المعروفة فإننا نحصل
على الرسم البياني التالي والذي نلاحظ منه ما يلي :
النوى المستقرة وهي النوى على الخط المتصل وتتصف هذه النوى بما يلي :
1) النوى في أسفل الخط المستقيم
تمثّل النوى الخفيفة المستقرة وهنا
عدد البروتونات يساوي عدد النيوترونات.
2) في النوى الثقيلة يكون عدد النيوترونات
أعلى من عدد البروتونات بنسبة 50% .
3) أكثر النوى استقراراً هي الأنوية التي تحوي أعداداً زوجية من البروتونات والنيوترونات وذلك بسبب أن كل بروتونين ونيوترونين يكونان مجموعة مستقرة .
أما الأنوية غير المستقرة فتقع على جهتي الخط المتصل :
وتلجأ هذه الأنوية للاستقرار إما بإطلاق جسيمات ألفا ( µ ) أو جسيمات بيتا ( b ) أو إطلاق إشعاعات
جاما ( g) وهذا ما يسمى بالنشاط الإشعاعي للعناصر والتي سنتحدث عنه بالتفصيل فيما يلي :
النشاط الإشعاعي :
هو انبعاث جسيمات ألفا وجسيمات بيتا وأشعة جاما من نواة العنصر المشع . ويجدر هنا أن ننوه بما يلي:
1) العنصر المشع جميع مركباته مشعة .
2) العنصر المشع يكون مشعاً في جميع حالاته (صلبة – سائلة – غازية) .
3) نواة العنصر المشع لا تصدر جسيمات ألفا وجسيمات بيتا معاً ، ولكن قد تصدر ألفا أو بيتا ، وقد يصاحب كلاً منهما انطلاق اشعاعات جاما .
4) معدّل النشاط الإشعاعي لعينة مشعة لا يتأثر بالظروف الخارجية من ضغط أو درجة حرارة ولكنه
يتوقف فقط على نسبة العنصر المشع في العينة .
5) انبعاث جسيم بيتا أو جسيم ألفا من نواة العنصر المشع يحولّها إلى نواة عنصر آخر .
أ) باعثات ألفا :
هي الأنوية التي تقوم بإطلاق جسيمات ألفا ( µ ) لتصل إلى حالة الاستقرار . وجسيم ألفا ( µ ) يتكون
من بروتونين ونيوترونين ، وبذلك تكون شحنته (+2) وهي نواة ذرة الهيليوم -4 () . ويرمز
لها بالرمز:
أو
ويحدث إطلاق ألفا بسبب أن هناك بعض الأنوية تحوي زيادة في عدد البروتونات عن عدد النيوترونات مما يؤدي إلى زيادة في قوة التنافر وتصبح النواة غير مستقرة بسبب التصادمات بين جسيمات µ وجدار النواة، ونظراً لكتلة جسيمات µ الكبيرة وطاقتها العالية فإنها تخرج من النواة . والنواة التي تطلق جسيمات µ ، فإن عددها الذري يقل بمقدار 2 وبذلك تصبح نواة لعنصر آخر . فمثلاً ذرة الراديوم – 226 تطلق جسيمات µ لتصبح ذرة رادون –
ويمكنك أن تلاحظ ما يلي :
1) نواتج التحلل هي الرادون وجسيم ( µ ) .
2) عدد النيوكلونات محفوظ أثناء التحلل :
226 = 222 + 4
3) الشحنة أثناء التحلل محفوظة فعدد البروتونات قبل التحلل = 88 = 86 + 2
4) الأنوية التي تطلق جسيمات ألفا هي الأنوية الثقيلة عادة والتي تكون تحت خط الاستقرار .
وتنتج نواة قريبة من الخط .
ب) باعثات بيتا :
وتنقسم إلى ثلاث أنواع :
1. باعثات بيتا -b :
هذا النوع أكثر الأنواع شيوعاً ، ويحدث عندما يكون نسبة عدد النيوترونات إلى عدد البروتونات كبيرة وبذلك تكون النواة غير مستقرة ولذلك فإن نيوترون يتحول إلى بروتون والكترون وينطلق الإلكترون خارج النواة . ويمثل هذا الانحلال بما يلي :
أو
وينطلق مع الالكترون جسيم لا يمتلك شحنة وكتلته تقارب الصفر ويسمى "ضديد النيوترينو"
[لا يمكن الكشف عنه] ويزداد العدد الذري للنواة بمقدار 1 مما ينتج نواة جديدة .
وكمثال على ذلك ذرة البورون -12 تطلق -b لتتحول إلى ذرة كربون :
ويمكنك ملاحظة ما يلي :
1) عدد النيكلونات وعدد البروتونات متساوٍ في الطرفين
عدد النيكلونات 12 = 12 + 0 + 0
عدد البروتونات 5 = 6 – 1 + 5
2) يحدث b للأنوية التي تقع فوق الخط المتصل والتي يكون فيها عدد النيوترونات أكبر من
عدد البروتونات .
. باعثات بيتا +b :
ينطلق في هذا الانحلال بوزيترون الذي يحمل نفس كتلة الإلكترون ومقدار شحنة الإلكترون إلا أنه
جسيم موجب . وهو ضديد الإلكترون ويرمز له وينطلق أيضاً النيوترينو
[جسيم شحنته صفر وكتلته صفر].
تحول ذرة النيتروجين -12 إلى ذرة الكربون -12 بإطلاق + b حسب الشكل .
وينطبق على المادلة ما يلي :
1- عد النيوكليونات وعدد البروتونات متساوٍ في الطرفين .
12 = 12 + 0 + 0
7 = 6 + 1
3- يحدث للأنوية التي تكون فيها نسبة عدد النيوترونات إلى عدد البروتونات صغيرة جداً .
3. باعثات جاما :
يحدث بسبب أن النواة مستثارة أي أن طاقتها عالية جداً، ولذلك تلجأ النواة إلى إطلاق أشعة جاما، وهي موجات كهرومغناطيسية عالية التردد، أو فوتونات ذات طاقة عالية جداً ، وليس لها كتلة ولا شحنة، لذلك لا يحدث تغيير في العدد الكتلي أو العدد الذري ولا تنتج عناصر جديدة ، بل تطلق النواة الإشعاع لتصبح أكثر استقراراً.
سلاسل التحلل الإشعاعي :
هي مجموعة التحولات التي تحدث لنواة العنصر المشع حتى تتحول في النهاية إلى نواة عنصر مستقر. ويوجد في الطبيعة ما يقرب الأربعين عنصراً مشعاً مختلفاً ، وبثلاث سلاسل معروفة هي :
1. سلسلة الثوريوم : تبدأ بعنصر الثوريوم وتنتهي بنظير الرصاص -208 المستقر .
2. سلسلة الأكتينيوم : وتبدأ بعنصر الأكتينيوم وتنتهي بنظير الرصاص -207 المستقر .
3. سلسلة اليورانيوم : وتبدأ بعنصر اليورانيوم -238 وتنتهي بنظير الرصاص -206 المستقر
1) يتحول يورانيوم -238 إلى ثوريوم -234 بإطلاق جسيمات µ ) ) وبذلك ينقص العدد
الكتلي 4 والعدد الذري 2 . [هذا يقع على الرسم بنزول صف واحد والتحرك إلى اليسار عمودين] .
2) بنفس الطريقة إطلاق b يتمثل في الحركة عمود واحد إلى اليمين في نفس الصف . ويصبح ثوريوم
-234 بروتاكتينيوم Protactinium-234. [يزداد العدد الذري 1]
قانون الاضمحلال (الانحلال) Decay law :
تقوم النوى غير المستقرة بالاضمحلال تلقائياً وعشوائياً .
ولا تتم هذه العملية بسرعة ، ولو كانت تتم بسرعة لما وجدت عناصر مشعة أثقل من عنصر الرصاص على سطح الأرض . وكلما زاد عدد النوى المشعة الغير مضمحلة كلما زاد النشاط الإشعاعي للنواة أي أن النشاط الإشعاعي µ عدد النوى المشعة الغير مضمحلة .
حيث : l ثابت النشاط الإشعاعي ويساوي قيمة ثابتة لكل نواة .
وبتكامل المعادلة (1) ينتج أن :
حيث ن : عدد الوى المشعة الغير مضمحلة عند أي زمن ز .
ن. : عدد النوى المشعة الأصلية عند ز = صفر .
هـ : أساس اللوغاريتم الطبيعي (= 2.718) .
ويسمى هذا القانون قانون الاضمحلال (التحلل) الإشعاعي .
ويوضح الشكل العلاقة بين عدد النوى الغير مضمحلة (ن) والزمن (ز) ويتضح من الرسم أنه اقتران
أسي متناقص .
فترة عمر النصف :
من الممكن التعبير عن سرعة اضمحلال نوى عنصر مشّع بدلالة مفهوم عمر النصف الذي يعرّف على
أنه :
1.متوسط الزمن اللازم ليصل عدد النوى المشعة الغير مضمحلة في العينة إلى النصف .
أو أنه :
2. متوسط الزمن اللازم ليصل النشاط الإشعاعي إلى النصف .
وأن عدد الأنوية المشعة = 100 نواة في بداية الإضمحلال . فبعد مرور أو 3 ساعات فإن عدد الأنوية المشعة تنخفض إلى 50 نواة وبعد مرور 3 ساعات أخرى ينخفض إلى 25 نواة كما هو موضح في الشكل أدناه :
وإذا نظرنا إلى المعادلة (2) :
ن = ن. هـ - l ز
وبإجراء عمليات حسابية على المعادلة ينتج أن :
حيث 0.693 = لو 2 لو (اللوغاريتم الطبيعي)
ويتضح من هذه المعادلة أن عمر النصف ينتاسب عكسياً مع ثابت اضمحلال العنصر المشع
(l) فعندما يكون ثابت الاضمحلال كبيراً يكون عمر النصف قصيراً .
ويُقاس النشاط الإشعاعي عادة بوحدة الكوري وهي تساوي 3.7 × 10 10 اضمحلال / ث . وتستخدم أجزاء الكوري مثل الملي كوري والمايكرو كوري . وسنقوم لاحقاً بالحديث عن وحدات قياس الإشعاع .
تطبيقات على عمر النصف :
1) تقدير عمر الأرض :
نظراً لأن اليورانيوم ينتشر بكثرة على سطح الأرض وفي باطنها ، وبإعتقاد ال علماء أن اليورانيوم موجود منذ نشأة الأرض قام العلماء بحساب "العمر الإشعاعي للأرض" عن طريق أخذ عينات من صخور القشرة الأرضية وتعيين نسبة اليورانيوم والرصاص في العينة ، ومعرفة عمر النصف لليورانيوم . استطاع العلماء تقدير عمر الأرض . كما وأنه من الممكن استخدام بعض العناصر المشعة التي احتُبست في الصخور أثناء تكونها في تقدير عمر هذه الصخور . وكلما مر عليها الزمن فإن نسبة العنصر المشع ( مثلاً : بوتاسيوم – 40 ) تقل ، بينما يزداد العنصر الناتج عن الإضمحلال ( آرجون – 40 ) ويمكن استخدان نسبة هذه العناصر في تقدير عمر هذه الصخور .
2) التأريخ بالكربون :
تقوم الأشعة الكونية بتحويل غاز النيتروجين إلى الكربون المشع وتقوم الرياح بتوزيع الكربون المشع بشكل متجانس في الغلاف الجوي على هيئة غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يتناوله النبات في عملية البناء الضوئي . ويتناوله بعد ذلك الحيوان والإنسان في عملية تناول الغذاء . وتظل نسبة الكربون المشع ثابتة ما دام الكائن حياً . وعند وفاة الكائن الحي تبدأ نسبة في التناقص ، وبمعرفة نسبة الكربون المشع في عينة معينة ، وبالرجوع إلى منحنى التحلل الإشعاعي للكربون المشع يمكن معرفة الزمن الذي انقضى على الوفاة .
وحدات قياس الإشعاع :
* تستخدم وحدة الرونتجن لقياس جرعة أشعة جاما أو الأشعة السينية . والرونتجن هو
"جرعة الإشعاع التي تمرر 18.7 × 10 -5 جول من الطاقة في الكيلوغرام الواحد من الهواء" .
الراد : عند حدوث تصادم إشعاعي ( d ، b ، µ ( مع المادة أدى ذلك لإحداث جرعة إشعاعية ممتصة
الرم : الجرعة الإشعاعية التي تتعلق بالإنسان تقاس بوحدة الرم ويستخدم حالياً وحدة السيفرت
1 سيفرت = 100 / م .
الكوري : وحدات النشاط الإشعاعي الصادرة عن العناصر المشعة تقدر بالكوري أو البيكريل .
الكوري = 3.7 × 10 10 تحللاً / ث
البيكريل = 1 تحللاً / ث
الكوري = 3.7 × 10 10 بيكريل
أما وحدات قياس الجرعة الإشعاعية الممتصة فتقدّر بالرونتجن والجراي والسيفرت .
طرق الكشف عن الإشعاعات :
1- عدادات جايجر ( Geiger Counters ) :
هذا النوع من الأحهزة صغي، وعملي وغير مكلف اقتصادياً. ويتكون من أنبوبة معدنية تُملأ بغاز الآرجون أو النيون تحت ضغط منخفض (0.2 ضغط جوي ). وسلك معدني ينطبق تماماً على محور الأسطوانة ويوضع فرق جهد عالي بين الأسطوانة والسلك، وتقوم الإشعاعات الداخلة إلى الأنبوب ( ألفا أو بيتا أ, جاما ) بتأيين جزيئات الغاز، مما ينتج عنه نبضة كهربائية يمكن الكشف عنها. ويعبر هذا العداد أفضل في الكشف عن جسيمات b ذات الطاقة العالية عن الكشف عن أشعة جاما أو جسيمات ألفا.
2- العدادت الوميضية ( Scintillation Counters ) :
يستخدم هذا النوع للكشف عن إشعاعات جاما ز وهذه الأجهزة عملية ويسهل استخدامها . وعندما تسقط إشعاعات جاما على بلورة معينة في هذا الجهاز فإنها تمتصه وتطلق ومضة من الضوء . وتمر هذه الومضة بمضاعفات تعمل على تكبيرها ومن ثم تحويلها إلى نبضة كهربائية . وتكون هذه النبضة مناسبة لطاقة الإشعاع الساقط .
3- العدادات السائلة ( Liquid Scintillation Counters ) :
هذا النوع من الأجهزة عملية يستخدم للكشف عن كل أنواع الإشعاعات . وتتعرض اٌشعاعات لمادة تطلق ومضات من الضوء عند التفاعل مع مواد معينة , نستخدم هذه الومضات لقياس كمية الإشعاع التي تحويها المادة المشعة .
4- عدادات أشباه الموصلات ( Solid State Detector ) :
تحتوي هذه العدادات على قطعة من الجرمانيون أو السيليكون الذي يصدر إشارة كهربائية عند سقوط إشعاع مؤين .
استعمالات النظائر المشعة :
رأينا أنه يتوافر في الطبيعة العديد من النظائر المشعة الطبيعية التي تقوم بنشاطها الإشعاعي بشكل تلقائي. والجدول يوضح فترة عمر النصف لبعض العناصر
فترة عمر النصف العنصر
1.3 × 910 سنوات بوتاسيوم – 40
24400 سنة بلوتونيم – 239
5730 سنة كربون - 14
28 سنة سترانثيوم – 90
21 ساعة ماغنيسيوم - 28
55 ثانية رادون - 224
لكن العلماء والباحثين استطاعوا تحضير نظائر مشعة في المعامل والمصانع بطرق عدة، منها تصويب قذائف مناسبة على أنوية بعض العناصر غير المشعة. وأفضل القذائف المستخدمة كما نعلم هي النيوترونات تليها البروتونات ثم الديوترونات.
وأهم النظائر المشعة هو نظير الكوبلت ( ) الذي يبعث بجسيمات (b) وأشعة (g) ذات الطاقة العالية، التي تستخدم عادة في علاج الأورام السرطانية .
وقد اتسع نطاق استعمال النظائر المشعة في العديد من مجالات الحياة الطبيّة والزراعية والصناعية . ويمكن إيجاز بعض هذه الاستعمالات فيما يلي :
أولاً : استخدام النظائر المشعة في الأغراض الطبية :
أ.استخدام النظائر في علاج السرطان حيث تخترق أشعة جاما الأنسجة وتقتل الخلايا لحية . ولذلك يسلط على الأورام السرطانية شعاع عالي التركيز من مصدر للكوبالت – 60 والذي يعمل على قتل الخلايا السرطانية في الورم .
ب. استخدم نظير الفوسفور المشع في علاج سرطان الدم ، بإعطاء المريض جرعات خاصة تحتوي على نظير الفوسفور المشع () ، حيث يحد من إنتاج كرات الدم الحمراء .
جـ. استخدم نظير اليود المشع في علاج مرض الخمول الذهني الذي ينتج عن تناقص كمية اليود الموجودة في جسم الإنسان ومعظمه في الغدة الدرقية . فإذا أُعطي المريض جرعات من اليود المشع ، فإن الدم يحمله إلى أنسجة الغدة الدرقية حيث يمتص . كما تعمل الإشعاعات الصادرة منه على قتل الخلايا المصابة لتعود الغدة إلى نشاطها .
د. يستعمل نظير الصوديوم المشع كقصّاص للأثر . فإذا أُعطي المريض كمية من ملح (كلوريد الصوديوم) الذي يحتوي على الصوديوم المشع فإن الدم يمتصه ، ويستطيع الطبيب باستخدام (عداد جيجر) أن يقتفي أثره ، ويعرف ما إذا كان دم المريض ينساب بصورة طبيعية في أوعيته الدموية أم أنه يتباطأ عند نقطة معينة ، ومن ثمّ تحديد الموضوع بدقة .
هـ. يستخدم النظير المشع للكوبلت ( ) في تعقيم الأدوات الطبية ، كالحقن الطبية والإبر والأسرَّة وغيرها حيث تعمل على قتل الجراثيم والميكروبات .
ثانياً : في مجال الزراعة :
أ. باستخدام الأسمدة الإشعاعية تمكن العلماء الإيطاليون من إنضاج القمح في مدة لا تتجاوز 64 يوماً ، بينما هو في الحالة الطبيعية ينضج في 7 أشهر .
ب. زيادة المحصول باستخدام الأسمدة الإشعاعية ، وكذلك تحسين الأنواع بالحصول على أنواع أفضل من الأرز والقمح والشعير بفضل التغييرات الناتجة بالتأثير الإشعاعي .
جـ. استخدم إشعاع الكوبلت في تغيير لون البلاستيدات الملوِّنة ، وذلك بتعريض النبات لفترات مختلفة للإشعاع ، مما يتيح وجود أزهار بألوان مختلفة على النبات نفسه .
د. استخدم إشعاع الكوبلت المسلّط على طعام الماشية لزيادة السمنة فيها وزيادة إدرارها للّبن .
هـ. معالجة النباتات والأغذية بالأشعة لقتل لبكتيريا التي تعمل على إفساد الطام . وتكون هذه المعالجة بحيث لايتغير طعم الأغذية ولاجودتها . ومن الجدير بالذكر أن المادة المشعة لاتلامس الأغذية ولايوجد خطورة من أن تتلوث الأغذية باللإشعاع .
و. يمكن استخدام النظائر المشعة في دراسة العمليات الكيميائية والحيوية في النباتات. وذلك بسبب تماثل هذه النظائر المشعة مع العناصر التي تدخل في العمليات الكيميائية المختلفة في النبات. كما وانه من السهل اقتفاء أثر هذه النظائر باستخدام عداد جايجر أو أي من العدادات السابق ذكرها.
ثالثاً : تستخدم النظائر المشعة في الكشف عن التسريب في الأنابيب الجوفية وذلك بإضافة هذه النظائر إلى السوائل التي تجري في الأنابيب .
رابعاً : تستخدم أشعة ( g ) في الكشف عن الشقوق في الصخور .
خامساً : أجهزة إنذار الحريق :
تحتوي هذه الأجهزة على العنصر امريسيوم – 241 الذي يعتبر مصدر لجسيمات ( a ) التي تعمل على تأيين الهواء في حجرة صغيرة مما يولد تيار . وعند حدوث حريق فإن الدخان المتصاعد الذي يدخل هذه الحجرة يعمل على جذب الأيونات ويقلل التيار الذي يُكشف عنه بدارة كهربائية تعمل على تشغيل إنذار الحريق .
وقد أثبتت الدراسات أن هذه الأجهزة تقلل من الحرائق الكبيرة بنسبة 80 % .
أخطار الإشعاعات النووية والوقاية منها :
نواتج النشاط الإشعاعي الثلاثة ذات طاقات عالية ، ولذلك فهي ضارة بالأنسجة الحيّة ، حيث إنها تعمل على تفكيك جزيئاتها المعقدة فتميت الخلايا الحيّة أو تحرقها أو تضعف أدائها لوظائفها .
ومن سوء حظ ماري كوري ، أنها لم تكن تدرك أخطار هذه الإشعاعات ، فدفعت حياتها وحياة ابنها وابنتها ثمناً باهظاً بسبب تعرضهم المستمر للمواد المشعة .
وتختلف آثار نواتج الإشعاع الثلاثة باختلاف نوعها وطاقتها وشدتها وزمن تعرّض الكائن الحي لها .
فجسيمات µ مثلاً ، قدرتها على النفاذ في الجسم الحي صغيرة ، وبخاصة إذا كانت طاقتها صغيرة ، ولذلك يكون أثرها أقل خطراً من جسيمات b وأشعة g .
وجسيمات b قدرتها على النفاذ في الجسم الحي أكبر من قدرة جسيمات µ ، ولذلك يكون خطرها أكبر.
أما أشعة g فأخطارها أكبر من جسيمات µ وجسيمات b ، لأن قدرتها على النفاذ في الجسم الحي أكبر بكثير ، وقد تؤدي إلى أمراض مختلفة وعاهات مستديمة عند الكائن الحي إذا تعرض لها لفترات زمنية طويلة .
ومن جهة أخرى ، فإن العالم يتجه إلى زيادة استخدام المواد المشعة في العديد من الأبحاث العلمية والأغراض الصناعية والزراعية ، كما أوضحنا في البند السابق .
وقد اهتمت الأمم والشعوب المختلفة والهيئات الدولية المتخصصة وغير المتخصصة بالوقاية من الإشعاع ، فعقدت لذلك المؤتمرات التي أقرّت الاتفاقيات الخاصة بالشروط المتعلقة باستخدام المواد المشعة واحتياطات السلامة ، والقوانين الخاصة بحماية العاملين في ميادين الإشعاع ، وفي محطات الطاقة النووية ، والوقاية منها .
ومن أهم الشروط والاحتياطات الواجب اتخاذها في مجال الوقاية من الإشعاع ما يلي :
1- ضرورة حفظ المواد المشعة في أماكن خاصة ، مع استخدام المغلفات المزدوجة عند نقل المواد المشعة.
2- تغطية المناضد والطاولات بطبقة من مواد ماصة للإشعاع يسهل التخلص منها في حالة التلوث .
3- تزويد أماكن العمل بحواجز وقائية ذات سمك كافٍ يمنع تسرب الإشعاع إلى العاملين .
4- فحص العاملين بصورة دورية واستخدام أفلام الوقاية وأجهزة كشف الإشعاع .
5- فحص جميع الأماكن التي يمكن أن تصل إليها الإشعاعات النووية بصورة دورية لتقدير مستوى الإشعاع بها .
6- عمل فحص دوري لأجهزة الوقاية وصيانتها ، بحيث تكون صالحة للعمل عند أي طاريء .
7- ترك ملابس الوقاية في أماكن العمل ، وعد الخروج بها حتى لا تنتقل الإشعاعات التي قد تكون عالقة
بها .
إذا قمنا برسم علاقة بيانية بين عدد البروتونات وعدد النيوترونات في الأنوية المعروفة فإننا نحصل
على الرسم البياني التالي والذي نلاحظ منه ما يلي :
النوى المستقرة وهي النوى على الخط المتصل وتتصف هذه النوى بما يلي :
1) النوى في أسفل الخط المستقيم
تمثّل النوى الخفيفة المستقرة وهنا
عدد البروتونات يساوي عدد النيوترونات.
2) في النوى الثقيلة يكون عدد النيوترونات
أعلى من عدد البروتونات بنسبة 50% .
3) أكثر النوى استقراراً هي الأنوية التي تحوي أعداداً زوجية من البروتونات والنيوترونات وذلك بسبب أن كل بروتونين ونيوترونين يكونان مجموعة مستقرة .
أما الأنوية غير المستقرة فتقع على جهتي الخط المتصل :
وتلجأ هذه الأنوية للاستقرار إما بإطلاق جسيمات ألفا ( µ ) أو جسيمات بيتا ( b ) أو إطلاق إشعاعات
جاما ( g) وهذا ما يسمى بالنشاط الإشعاعي للعناصر والتي سنتحدث عنه بالتفصيل فيما يلي :
النشاط الإشعاعي :
هو انبعاث جسيمات ألفا وجسيمات بيتا وأشعة جاما من نواة العنصر المشع . ويجدر هنا أن ننوه بما يلي:
1) العنصر المشع جميع مركباته مشعة .
2) العنصر المشع يكون مشعاً في جميع حالاته (صلبة – سائلة – غازية) .
3) نواة العنصر المشع لا تصدر جسيمات ألفا وجسيمات بيتا معاً ، ولكن قد تصدر ألفا أو بيتا ، وقد يصاحب كلاً منهما انطلاق اشعاعات جاما .
4) معدّل النشاط الإشعاعي لعينة مشعة لا يتأثر بالظروف الخارجية من ضغط أو درجة حرارة ولكنه
يتوقف فقط على نسبة العنصر المشع في العينة .
5) انبعاث جسيم بيتا أو جسيم ألفا من نواة العنصر المشع يحولّها إلى نواة عنصر آخر .
أ) باعثات ألفا :
هي الأنوية التي تقوم بإطلاق جسيمات ألفا ( µ ) لتصل إلى حالة الاستقرار . وجسيم ألفا ( µ ) يتكون
من بروتونين ونيوترونين ، وبذلك تكون شحنته (+2) وهي نواة ذرة الهيليوم -4 () . ويرمز
لها بالرمز:
أو
ويحدث إطلاق ألفا بسبب أن هناك بعض الأنوية تحوي زيادة في عدد البروتونات عن عدد النيوترونات مما يؤدي إلى زيادة في قوة التنافر وتصبح النواة غير مستقرة بسبب التصادمات بين جسيمات µ وجدار النواة، ونظراً لكتلة جسيمات µ الكبيرة وطاقتها العالية فإنها تخرج من النواة . والنواة التي تطلق جسيمات µ ، فإن عددها الذري يقل بمقدار 2 وبذلك تصبح نواة لعنصر آخر . فمثلاً ذرة الراديوم – 226 تطلق جسيمات µ لتصبح ذرة رادون –
ويمكنك أن تلاحظ ما يلي :
1) نواتج التحلل هي الرادون وجسيم ( µ ) .
2) عدد النيوكلونات محفوظ أثناء التحلل :
226 = 222 + 4
3) الشحنة أثناء التحلل محفوظة فعدد البروتونات قبل التحلل = 88 = 86 + 2
4) الأنوية التي تطلق جسيمات ألفا هي الأنوية الثقيلة عادة والتي تكون تحت خط الاستقرار .
وتنتج نواة قريبة من الخط .
ب) باعثات بيتا :
وتنقسم إلى ثلاث أنواع :
1. باعثات بيتا -b :
هذا النوع أكثر الأنواع شيوعاً ، ويحدث عندما يكون نسبة عدد النيوترونات إلى عدد البروتونات كبيرة وبذلك تكون النواة غير مستقرة ولذلك فإن نيوترون يتحول إلى بروتون والكترون وينطلق الإلكترون خارج النواة . ويمثل هذا الانحلال بما يلي :
أو
وينطلق مع الالكترون جسيم لا يمتلك شحنة وكتلته تقارب الصفر ويسمى "ضديد النيوترينو"
[لا يمكن الكشف عنه] ويزداد العدد الذري للنواة بمقدار 1 مما ينتج نواة جديدة .
وكمثال على ذلك ذرة البورون -12 تطلق -b لتتحول إلى ذرة كربون :
ويمكنك ملاحظة ما يلي :
1) عدد النيكلونات وعدد البروتونات متساوٍ في الطرفين
عدد النيكلونات 12 = 12 + 0 + 0
عدد البروتونات 5 = 6 – 1 + 5
2) يحدث b للأنوية التي تقع فوق الخط المتصل والتي يكون فيها عدد النيوترونات أكبر من
عدد البروتونات .
. باعثات بيتا +b :
ينطلق في هذا الانحلال بوزيترون الذي يحمل نفس كتلة الإلكترون ومقدار شحنة الإلكترون إلا أنه
جسيم موجب . وهو ضديد الإلكترون ويرمز له وينطلق أيضاً النيوترينو
[جسيم شحنته صفر وكتلته صفر].
تحول ذرة النيتروجين -12 إلى ذرة الكربون -12 بإطلاق + b حسب الشكل .
وينطبق على المادلة ما يلي :
1- عد النيوكليونات وعدد البروتونات متساوٍ في الطرفين .
12 = 12 + 0 + 0
7 = 6 + 1
3- يحدث للأنوية التي تكون فيها نسبة عدد النيوترونات إلى عدد البروتونات صغيرة جداً .
3. باعثات جاما :
يحدث بسبب أن النواة مستثارة أي أن طاقتها عالية جداً، ولذلك تلجأ النواة إلى إطلاق أشعة جاما، وهي موجات كهرومغناطيسية عالية التردد، أو فوتونات ذات طاقة عالية جداً ، وليس لها كتلة ولا شحنة، لذلك لا يحدث تغيير في العدد الكتلي أو العدد الذري ولا تنتج عناصر جديدة ، بل تطلق النواة الإشعاع لتصبح أكثر استقراراً.
سلاسل التحلل الإشعاعي :
هي مجموعة التحولات التي تحدث لنواة العنصر المشع حتى تتحول في النهاية إلى نواة عنصر مستقر. ويوجد في الطبيعة ما يقرب الأربعين عنصراً مشعاً مختلفاً ، وبثلاث سلاسل معروفة هي :
1. سلسلة الثوريوم : تبدأ بعنصر الثوريوم وتنتهي بنظير الرصاص -208 المستقر .
2. سلسلة الأكتينيوم : وتبدأ بعنصر الأكتينيوم وتنتهي بنظير الرصاص -207 المستقر .
3. سلسلة اليورانيوم : وتبدأ بعنصر اليورانيوم -238 وتنتهي بنظير الرصاص -206 المستقر
1) يتحول يورانيوم -238 إلى ثوريوم -234 بإطلاق جسيمات µ ) ) وبذلك ينقص العدد
الكتلي 4 والعدد الذري 2 . [هذا يقع على الرسم بنزول صف واحد والتحرك إلى اليسار عمودين] .
2) بنفس الطريقة إطلاق b يتمثل في الحركة عمود واحد إلى اليمين في نفس الصف . ويصبح ثوريوم
-234 بروتاكتينيوم Protactinium-234. [يزداد العدد الذري 1]
قانون الاضمحلال (الانحلال) Decay law :
تقوم النوى غير المستقرة بالاضمحلال تلقائياً وعشوائياً .
ولا تتم هذه العملية بسرعة ، ولو كانت تتم بسرعة لما وجدت عناصر مشعة أثقل من عنصر الرصاص على سطح الأرض . وكلما زاد عدد النوى المشعة الغير مضمحلة كلما زاد النشاط الإشعاعي للنواة أي أن النشاط الإشعاعي µ عدد النوى المشعة الغير مضمحلة .
حيث : l ثابت النشاط الإشعاعي ويساوي قيمة ثابتة لكل نواة .
وبتكامل المعادلة (1) ينتج أن :
حيث ن : عدد الوى المشعة الغير مضمحلة عند أي زمن ز .
ن. : عدد النوى المشعة الأصلية عند ز = صفر .
هـ : أساس اللوغاريتم الطبيعي (= 2.718) .
ويسمى هذا القانون قانون الاضمحلال (التحلل) الإشعاعي .
ويوضح الشكل العلاقة بين عدد النوى الغير مضمحلة (ن) والزمن (ز) ويتضح من الرسم أنه اقتران
أسي متناقص .
فترة عمر النصف :
من الممكن التعبير عن سرعة اضمحلال نوى عنصر مشّع بدلالة مفهوم عمر النصف الذي يعرّف على
أنه :
1.متوسط الزمن اللازم ليصل عدد النوى المشعة الغير مضمحلة في العينة إلى النصف .
أو أنه :
2. متوسط الزمن اللازم ليصل النشاط الإشعاعي إلى النصف .
وأن عدد الأنوية المشعة = 100 نواة في بداية الإضمحلال . فبعد مرور أو 3 ساعات فإن عدد الأنوية المشعة تنخفض إلى 50 نواة وبعد مرور 3 ساعات أخرى ينخفض إلى 25 نواة كما هو موضح في الشكل أدناه :
وإذا نظرنا إلى المعادلة (2) :
ن = ن. هـ - l ز
وبإجراء عمليات حسابية على المعادلة ينتج أن :
حيث 0.693 = لو 2 لو (اللوغاريتم الطبيعي)
ويتضح من هذه المعادلة أن عمر النصف ينتاسب عكسياً مع ثابت اضمحلال العنصر المشع
(l) فعندما يكون ثابت الاضمحلال كبيراً يكون عمر النصف قصيراً .
ويُقاس النشاط الإشعاعي عادة بوحدة الكوري وهي تساوي 3.7 × 10 10 اضمحلال / ث . وتستخدم أجزاء الكوري مثل الملي كوري والمايكرو كوري . وسنقوم لاحقاً بالحديث عن وحدات قياس الإشعاع .
تطبيقات على عمر النصف :
1) تقدير عمر الأرض :
نظراً لأن اليورانيوم ينتشر بكثرة على سطح الأرض وفي باطنها ، وبإعتقاد ال علماء أن اليورانيوم موجود منذ نشأة الأرض قام العلماء بحساب "العمر الإشعاعي للأرض" عن طريق أخذ عينات من صخور القشرة الأرضية وتعيين نسبة اليورانيوم والرصاص في العينة ، ومعرفة عمر النصف لليورانيوم . استطاع العلماء تقدير عمر الأرض . كما وأنه من الممكن استخدام بعض العناصر المشعة التي احتُبست في الصخور أثناء تكونها في تقدير عمر هذه الصخور . وكلما مر عليها الزمن فإن نسبة العنصر المشع ( مثلاً : بوتاسيوم – 40 ) تقل ، بينما يزداد العنصر الناتج عن الإضمحلال ( آرجون – 40 ) ويمكن استخدان نسبة هذه العناصر في تقدير عمر هذه الصخور .
2) التأريخ بالكربون :
تقوم الأشعة الكونية بتحويل غاز النيتروجين إلى الكربون المشع وتقوم الرياح بتوزيع الكربون المشع بشكل متجانس في الغلاف الجوي على هيئة غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يتناوله النبات في عملية البناء الضوئي . ويتناوله بعد ذلك الحيوان والإنسان في عملية تناول الغذاء . وتظل نسبة الكربون المشع ثابتة ما دام الكائن حياً . وعند وفاة الكائن الحي تبدأ نسبة في التناقص ، وبمعرفة نسبة الكربون المشع في عينة معينة ، وبالرجوع إلى منحنى التحلل الإشعاعي للكربون المشع يمكن معرفة الزمن الذي انقضى على الوفاة .
وحدات قياس الإشعاع :
* تستخدم وحدة الرونتجن لقياس جرعة أشعة جاما أو الأشعة السينية . والرونتجن هو
"جرعة الإشعاع التي تمرر 18.7 × 10 -5 جول من الطاقة في الكيلوغرام الواحد من الهواء" .
الراد : عند حدوث تصادم إشعاعي ( d ، b ، µ ( مع المادة أدى ذلك لإحداث جرعة إشعاعية ممتصة
الرم : الجرعة الإشعاعية التي تتعلق بالإنسان تقاس بوحدة الرم ويستخدم حالياً وحدة السيفرت
1 سيفرت = 100 / م .
الكوري : وحدات النشاط الإشعاعي الصادرة عن العناصر المشعة تقدر بالكوري أو البيكريل .
الكوري = 3.7 × 10 10 تحللاً / ث
البيكريل = 1 تحللاً / ث
الكوري = 3.7 × 10 10 بيكريل
أما وحدات قياس الجرعة الإشعاعية الممتصة فتقدّر بالرونتجن والجراي والسيفرت .
طرق الكشف عن الإشعاعات :
1- عدادات جايجر ( Geiger Counters ) :
هذا النوع من الأحهزة صغي، وعملي وغير مكلف اقتصادياً. ويتكون من أنبوبة معدنية تُملأ بغاز الآرجون أو النيون تحت ضغط منخفض (0.2 ضغط جوي ). وسلك معدني ينطبق تماماً على محور الأسطوانة ويوضع فرق جهد عالي بين الأسطوانة والسلك، وتقوم الإشعاعات الداخلة إلى الأنبوب ( ألفا أو بيتا أ, جاما ) بتأيين جزيئات الغاز، مما ينتج عنه نبضة كهربائية يمكن الكشف عنها. ويعبر هذا العداد أفضل في الكشف عن جسيمات b ذات الطاقة العالية عن الكشف عن أشعة جاما أو جسيمات ألفا.
2- العدادت الوميضية ( Scintillation Counters ) :
يستخدم هذا النوع للكشف عن إشعاعات جاما ز وهذه الأجهزة عملية ويسهل استخدامها . وعندما تسقط إشعاعات جاما على بلورة معينة في هذا الجهاز فإنها تمتصه وتطلق ومضة من الضوء . وتمر هذه الومضة بمضاعفات تعمل على تكبيرها ومن ثم تحويلها إلى نبضة كهربائية . وتكون هذه النبضة مناسبة لطاقة الإشعاع الساقط .
3- العدادات السائلة ( Liquid Scintillation Counters ) :
هذا النوع من الأجهزة عملية يستخدم للكشف عن كل أنواع الإشعاعات . وتتعرض اٌشعاعات لمادة تطلق ومضات من الضوء عند التفاعل مع مواد معينة , نستخدم هذه الومضات لقياس كمية الإشعاع التي تحويها المادة المشعة .
4- عدادات أشباه الموصلات ( Solid State Detector ) :
تحتوي هذه العدادات على قطعة من الجرمانيون أو السيليكون الذي يصدر إشارة كهربائية عند سقوط إشعاع مؤين .
استعمالات النظائر المشعة :
رأينا أنه يتوافر في الطبيعة العديد من النظائر المشعة الطبيعية التي تقوم بنشاطها الإشعاعي بشكل تلقائي. والجدول يوضح فترة عمر النصف لبعض العناصر
فترة عمر النصف العنصر
1.3 × 910 سنوات بوتاسيوم – 40
24400 سنة بلوتونيم – 239
5730 سنة كربون - 14
28 سنة سترانثيوم – 90
21 ساعة ماغنيسيوم - 28
55 ثانية رادون - 224
لكن العلماء والباحثين استطاعوا تحضير نظائر مشعة في المعامل والمصانع بطرق عدة، منها تصويب قذائف مناسبة على أنوية بعض العناصر غير المشعة. وأفضل القذائف المستخدمة كما نعلم هي النيوترونات تليها البروتونات ثم الديوترونات.
وأهم النظائر المشعة هو نظير الكوبلت ( ) الذي يبعث بجسيمات (b) وأشعة (g) ذات الطاقة العالية، التي تستخدم عادة في علاج الأورام السرطانية .
وقد اتسع نطاق استعمال النظائر المشعة في العديد من مجالات الحياة الطبيّة والزراعية والصناعية . ويمكن إيجاز بعض هذه الاستعمالات فيما يلي :
أولاً : استخدام النظائر المشعة في الأغراض الطبية :
أ.استخدام النظائر في علاج السرطان حيث تخترق أشعة جاما الأنسجة وتقتل الخلايا لحية . ولذلك يسلط على الأورام السرطانية شعاع عالي التركيز من مصدر للكوبالت – 60 والذي يعمل على قتل الخلايا السرطانية في الورم .
ب. استخدم نظير الفوسفور المشع في علاج سرطان الدم ، بإعطاء المريض جرعات خاصة تحتوي على نظير الفوسفور المشع () ، حيث يحد من إنتاج كرات الدم الحمراء .
جـ. استخدم نظير اليود المشع في علاج مرض الخمول الذهني الذي ينتج عن تناقص كمية اليود الموجودة في جسم الإنسان ومعظمه في الغدة الدرقية . فإذا أُعطي المريض جرعات من اليود المشع ، فإن الدم يحمله إلى أنسجة الغدة الدرقية حيث يمتص . كما تعمل الإشعاعات الصادرة منه على قتل الخلايا المصابة لتعود الغدة إلى نشاطها .
د. يستعمل نظير الصوديوم المشع كقصّاص للأثر . فإذا أُعطي المريض كمية من ملح (كلوريد الصوديوم) الذي يحتوي على الصوديوم المشع فإن الدم يمتصه ، ويستطيع الطبيب باستخدام (عداد جيجر) أن يقتفي أثره ، ويعرف ما إذا كان دم المريض ينساب بصورة طبيعية في أوعيته الدموية أم أنه يتباطأ عند نقطة معينة ، ومن ثمّ تحديد الموضوع بدقة .
هـ. يستخدم النظير المشع للكوبلت ( ) في تعقيم الأدوات الطبية ، كالحقن الطبية والإبر والأسرَّة وغيرها حيث تعمل على قتل الجراثيم والميكروبات .
ثانياً : في مجال الزراعة :
أ. باستخدام الأسمدة الإشعاعية تمكن العلماء الإيطاليون من إنضاج القمح في مدة لا تتجاوز 64 يوماً ، بينما هو في الحالة الطبيعية ينضج في 7 أشهر .
ب. زيادة المحصول باستخدام الأسمدة الإشعاعية ، وكذلك تحسين الأنواع بالحصول على أنواع أفضل من الأرز والقمح والشعير بفضل التغييرات الناتجة بالتأثير الإشعاعي .
جـ. استخدم إشعاع الكوبلت في تغيير لون البلاستيدات الملوِّنة ، وذلك بتعريض النبات لفترات مختلفة للإشعاع ، مما يتيح وجود أزهار بألوان مختلفة على النبات نفسه .
د. استخدم إشعاع الكوبلت المسلّط على طعام الماشية لزيادة السمنة فيها وزيادة إدرارها للّبن .
هـ. معالجة النباتات والأغذية بالأشعة لقتل لبكتيريا التي تعمل على إفساد الطام . وتكون هذه المعالجة بحيث لايتغير طعم الأغذية ولاجودتها . ومن الجدير بالذكر أن المادة المشعة لاتلامس الأغذية ولايوجد خطورة من أن تتلوث الأغذية باللإشعاع .
و. يمكن استخدام النظائر المشعة في دراسة العمليات الكيميائية والحيوية في النباتات. وذلك بسبب تماثل هذه النظائر المشعة مع العناصر التي تدخل في العمليات الكيميائية المختلفة في النبات. كما وانه من السهل اقتفاء أثر هذه النظائر باستخدام عداد جايجر أو أي من العدادات السابق ذكرها.
ثالثاً : تستخدم النظائر المشعة في الكشف عن التسريب في الأنابيب الجوفية وذلك بإضافة هذه النظائر إلى السوائل التي تجري في الأنابيب .
رابعاً : تستخدم أشعة ( g ) في الكشف عن الشقوق في الصخور .
خامساً : أجهزة إنذار الحريق :
تحتوي هذه الأجهزة على العنصر امريسيوم – 241 الذي يعتبر مصدر لجسيمات ( a ) التي تعمل على تأيين الهواء في حجرة صغيرة مما يولد تيار . وعند حدوث حريق فإن الدخان المتصاعد الذي يدخل هذه الحجرة يعمل على جذب الأيونات ويقلل التيار الذي يُكشف عنه بدارة كهربائية تعمل على تشغيل إنذار الحريق .
وقد أثبتت الدراسات أن هذه الأجهزة تقلل من الحرائق الكبيرة بنسبة 80 % .
أخطار الإشعاعات النووية والوقاية منها :
نواتج النشاط الإشعاعي الثلاثة ذات طاقات عالية ، ولذلك فهي ضارة بالأنسجة الحيّة ، حيث إنها تعمل على تفكيك جزيئاتها المعقدة فتميت الخلايا الحيّة أو تحرقها أو تضعف أدائها لوظائفها .
ومن سوء حظ ماري كوري ، أنها لم تكن تدرك أخطار هذه الإشعاعات ، فدفعت حياتها وحياة ابنها وابنتها ثمناً باهظاً بسبب تعرضهم المستمر للمواد المشعة .
وتختلف آثار نواتج الإشعاع الثلاثة باختلاف نوعها وطاقتها وشدتها وزمن تعرّض الكائن الحي لها .
فجسيمات µ مثلاً ، قدرتها على النفاذ في الجسم الحي صغيرة ، وبخاصة إذا كانت طاقتها صغيرة ، ولذلك يكون أثرها أقل خطراً من جسيمات b وأشعة g .
وجسيمات b قدرتها على النفاذ في الجسم الحي أكبر من قدرة جسيمات µ ، ولذلك يكون خطرها أكبر.
أما أشعة g فأخطارها أكبر من جسيمات µ وجسيمات b ، لأن قدرتها على النفاذ في الجسم الحي أكبر بكثير ، وقد تؤدي إلى أمراض مختلفة وعاهات مستديمة عند الكائن الحي إذا تعرض لها لفترات زمنية طويلة .
ومن جهة أخرى ، فإن العالم يتجه إلى زيادة استخدام المواد المشعة في العديد من الأبحاث العلمية والأغراض الصناعية والزراعية ، كما أوضحنا في البند السابق .
وقد اهتمت الأمم والشعوب المختلفة والهيئات الدولية المتخصصة وغير المتخصصة بالوقاية من الإشعاع ، فعقدت لذلك المؤتمرات التي أقرّت الاتفاقيات الخاصة بالشروط المتعلقة باستخدام المواد المشعة واحتياطات السلامة ، والقوانين الخاصة بحماية العاملين في ميادين الإشعاع ، وفي محطات الطاقة النووية ، والوقاية منها .
ومن أهم الشروط والاحتياطات الواجب اتخاذها في مجال الوقاية من الإشعاع ما يلي :
1- ضرورة حفظ المواد المشعة في أماكن خاصة ، مع استخدام المغلفات المزدوجة عند نقل المواد المشعة.
2- تغطية المناضد والطاولات بطبقة من مواد ماصة للإشعاع يسهل التخلص منها في حالة التلوث .
3- تزويد أماكن العمل بحواجز وقائية ذات سمك كافٍ يمنع تسرب الإشعاع إلى العاملين .
4- فحص العاملين بصورة دورية واستخدام أفلام الوقاية وأجهزة كشف الإشعاع .
5- فحص جميع الأماكن التي يمكن أن تصل إليها الإشعاعات النووية بصورة دورية لتقدير مستوى الإشعاع بها .
6- عمل فحص دوري لأجهزة الوقاية وصيانتها ، بحيث تكون صالحة للعمل عند أي طاريء .
7- ترك ملابس الوقاية في أماكن العمل ، وعد الخروج بها حتى لا تنتقل الإشعاعات التي قد تكون عالقة
بها .
