تويت
بحث مدرسي عن النشاط الإشعاعي
أعددت هذا البحث لإحدي قريباتي وها أضعه ليحقق فائدة للطلاب الراغبين في الإستفادة والله الموفق
مقدمة
تطورت الحياة على الأرض بوجود دائم للخلفية الإشعاعية وهذا ليس شيئاً جديداً اخترعه ذكاء الإنسان الإشعاع هو طاقة تتحرك خلال الفضاء وتعتبر أشعة الشمس أحد أكثر الأشكال المشهورة للإشعاع فهي تحرر الضوء والحرارة نستطيع أن نتحكم بتأثيرها علينا بوسائل متعددة مثل المظلات والمكيفات والنظارات.
والحقيقة أن الحياة على الأرض تتطلب وجود ضوء الشمس ولكننا أدركنا أن سقوط كمية كبيرة من هذه الأشعة على الأفراد ليس شيئاً جيداً وقد يكون خطيراً لذلك يجب التحكم في كمية التعرض لها تمتد الأطوال الموجية الصادرة عن الشمس من الأطوال تحت الحمراء إلى فوق بنفسجية ويوجد أنواع أخرى من الإشعاع تحمل طاقة أكبر من الأشعة فوق البنفسجية تستخدم في الطب ونتعرض لها من الفضاء والهواء والأرض تسمى الأشعة المؤينة تسبب ضرراً للمادة وبخاصة الخلايا الحية لذلك يجب التحكم في هذا التعرض.
تتعرض الكائنات الحية لمستويات مختلفة من الأشعة المؤينة الطبيعية بالإضافة إلى الصناعية التي تدخلت في شؤون حياتنا وخصوصاً النواحي الطبية سواء للفحص أو العلاج مثل أشعة X والمواد المشعة.
إكتشاف ظاهرة النشاط الإشعاعي
اكتشفت ظاهرة النشاط الاشعاعي عام 1896 عن طريق عالم فرنسي كان مهتما بالاشعةالسينية التي كانت مكتشفة في حينه حديثا ويدعى هنري بيكوريل. وضع بيكوريال لوحافوتوغرافيا مع معدن اليورانيوم في خزانة مظلمة وترك الفلم الفوتوغرافي مدة اربعةايام, وبعد ان قام بتظهير الفلم لاحظ تكون صورة على الفلم الفوتوغرافي
استنتج منذلك ان معدن اليورانيوم قام بإطلاق اشعة غير مرئية اثرت على اللوحالفوتوغرافي.سميت ظاهرة اطلاق بعض العناصر للأشعة بظاهرة النشاط الاشعاعي.. تعرف اليوم ظاهرة النشاط الاشعاعي على انها ظاهرة الانبعاث التلقائي للدقائق اوالطاقة من انوية الذرات.وقاد اكتشاف بيكوريل الى بدايات النظرية الذريةالحديثة, والى اكتشاف عناصر جديدة. درس العالم ارنست رذرفورد طبيعة النشاط الاشعاعيللعناصر فتبين ان العناصر المشعة تعطي ثلاثة انواع من الاشعة والدقائق والتي تعرفحاليا بأول ثلاثة حروف من الأبجدية الاغريقية وهي الفا, بيتا, غاما.اليوم تعرفدقائق الفا بأنها نواة ذرة الهيليوم والمكونة من بروتونين ونيوترونين, وتعرف دقائقبيتا على انها الكترونات ذات طاقة عالية, وتعرف اشعة جاما بأنها اشعةكهرومغناطيسية.وبمقارن الشحنة نلاحظ ان دقائق الفا موجبة الشحنة بينما دقائقبيتا سالبة الشحنة, بينما اشعة جاما شحنتها تساوي الصفر.عند وضع مادة مشعة فيمجال كهربائي, تنحرف دقائق الفا ناحية القطب السالب للمجال دلالة على كونها موجبةالشحنة, وتنحرف دقائق بيتا ناحية القطب الموجب دلالة على كونها سالبة الشحنة, بينمالا تعاني اشعة غاما من اي انحراف لأنها امواج كهرومغناطيسية فهي تسلك سلوكالضوء.
قامت مدام ماري كوري على ضوء اكتشاف ظاهرة النشاط الاشعاعي بالبحث عنمزيد من العناصر المشعة.وعلى ضوء ذلك اكتشفت عنصرين جديدين هما البلوتونيوموالراديوم, ومنذ ذلك الوقت تم اكتشاف عدد اكبر منها, وفي الحقيقة فان كل نظائرالعناصر التي يزيد عددها الذري على 83 هي نظائر مشعة.
وان عملية الاشعاع النوويخاصة اشعاعي الفا وبيتا ويرافقهما تحول لنوع العنصر وان جميع العناصر المشعة تقعبين العددين الذريين 83 و92 وتنحل هذه العناصر تلقائيا وبدون اية مثيرات خارجية, وذلك نتيجة لنقص الاستقرار الداخلي للنواة.وعادة ما يكون انحلال هذه الانوية, بجسيمات الفا او بيتا, الى نواة اخرى غير مستقرة, ويكون الناتج هو سلسلة من الأنويةالمشعة والتي تنتهي بنواة مستقرة, وقد جمعت هذه العناصر في ثلاث سلاسل وهذه السلاسلتشمل انبعاث الفا وبيتا, وتلك السلاسل هي سلسلة الثور يوم 232 وسلسلة اليورانيم - 238 وسلسلة اخرى لليوارنيم - 235, ويوجد على رأس كل سلسلة نظير طويل العمر في حينتنتهي كل منها بنظير مستقر للرصاص, فسلسلة اليورانيم - 238 على سبيل المثال, الناتجالنهائي للانحلال هو ذرة الرصاص المستقر.ونجد في بعض المواد المشعة انها تقومبانحلالات متلاحقة فمثلا اذا كان لدينا نظير معين فانه يتحول الى نظير آخر ثم يتحللالأخير الى اخر.. وهكذا حتى تتوقف السلسلة عند عنصر مستقر.
فإذا اخذنا نظيرالراديوم - 226 - نجد انه يتحلل الى الرادون - 224 الذي يتحلل بدوره الى البولونيوم - 218 الذي يتحلل الى الاستاتين - 218 وهكذا تستمر السلسلة حتى تتوقف عند عنصرالرصاص المستقر اما من حيث تطبيقات النظائر المشعة, فقد اتسع نطاقاستعمال النظائر المشعة في العديد من مجالات الحياة الطبية والزراعية والصناعية, ويمكن ايجاز بعض هذه الاستعمالات:
فقد استخدمت النظائر في علاج السرطان حيثتخترق اشعة جاما الأنسجة وتقتل الخلايا الحية, ولذلك يسلط على الاورام السرطانيةشعاع عالي التركيز من مصدر للكوبالت - 60 والذي يعمل على قتل الخلايا السرطانية فيالورم, وقد استخدم نظير الفسفور المشع في علاج سرطان الدم, وذلك بإعطاء المريضجرعات خاصة تحتوي على نظير الفسفور المشع, حيث يحد من انتاج كرات الدم الحمراء. امامن حيث المجال الزراعي فقد تمكن العلماء الايطاليون من انضاج القمح في مدة لاتتجاوز 64 يوما, بينما هو في الحالة الطبعيية ينضج في 7 اشهر, وقد استخدم اشعاعالكوبالت في تغيير لون البلاستيدات الملونة, وذلك بتعريض النبات لفترات مختلفةللاشعاع, مما يتيح وجود ازهار بألوان مختلفة على النبات نفسه, وقد استخدم اشعاعالكوبالت المسلط على طعام الماشية لزيادة السمنة فيها وزيادة ادرارهااللبن.
ظاهرة اطلاق بعض العناصر للأشعة بظاهرة النشاط الاشعاعي
تعرف اليومظاهرة النشاط الشعاعي على أنها ظاهرة الانبعاث التلقائي للدقائق أو الطاقة من أنويةالذرات .
وقاد اكتشاف بيكوريل الى بدايات النظرية الذرية الحديثة ، والى اكتشاف عناصر جديدة .
درس العالم ارنست رذرفورد Ernest Rutherford طبيعة النشاطالاشعاعي للعناصر فتبين أن العناصر المشعة تعطي ثلاثة أنواع من الأشعة والدقائقوالتي تعرف حاليا ً بأول ثلاثة حروف من الأبجدية الاغريقية وهي الفا ( α ) ، بيتا (β ) ، غاما ( γ )
اليوم تعرف دقائق الفا بأنها نواة ذرة الهيليوم والمكونة منبروتونين ونيوترونين ، وتعرف دقائق بيتا على أنها الكترونات ذات طاقة عالية ، وتعرفأشعة غاما بأنها أشعة كهرمغناطيسية
النشاط الإشعاعي الطبيعي : The Natural Radioactivity
إن الإلكتروناتالمدارية للذرة ، تستطيع أن تمتص طاقة وإن تغير من مستواها ، وفي بعض الأحيان قدتكون الطاقة الممتصة كبيرة لدرجة تسمح للإلكترون بعمل ( قفزة نهائية) وبأن يتخلص منجاذبية النواة . والنتيجة هي تولد الأيون ( أي ذرة ينقصها إلكترون ) . ونستطيعالقول بأنه في هذه الظروف الاستثنائية ، تفقد الذرة كل إلكتروناتها أو معظمها - وتبقى عبارة عن نواة معزولة . ولذلك فإن الذرات ، ليست غير قابلة للانقسام بعكسالاعتقاد الذي ظل سائداً لفترة طويلة مهما يكن من أمر فإن التأين ليس مجرد ظاهرةعرضية . فكل ذرة متأينة متصلة بالمادة ، لن تلبث أن تستعيد إلكتروناتها وتقومبامتصاصها من الوسط المحيط بها فتعود إلى تكوينها الأصلي . ولتقسيم ذرة بصفة نهائيةيحتاج الأمر لأجراء إضافي : ذلك هو تفتيت نواتها . ذلك ما يمكن أن نتوقعه بالنظرإلى تعقد تكوين النوى . وليس فقط يمكن تفتيت النوى ولكن بعضها يتفتت تلقائياًوتنبعث منها إشعاعات ثم تتحول بعد ذلك إلى نوى مختلفة .
أنواع الأشعة المنبعثة من المواد المشعة طبيعياً
قام رذر فورد بدراسة خواص الإشعاعات المنبعثة من العناصر المشعة وذلك بوضعمصدر الراديوم ( مادة مشعة ) داخل حافظة من الرصاص ذات ثقب اسطواني صغير القطريمكننا من الحصول على حزمة ضيقة من الإشعاعات وذلك باستخدام مجال مغناطيسي قوىكمحلل .
فلاحظ أن الحزمة بعد اختراقها لمجال تنقسم إلى ثلاثة أقسام :
1- تنحرف أحدها في الاتجاه العمودي على المجال المغناطيسي ، ويدل اتجاهانحرافها على أنها مكونة من جسيمات مشحونة بشحنة موجبة . كما يدل مقدار الانحرافعلى ثقل هذه الجسيمات وباستعمال مجال مغناطيسي قوي ومجال كهربي قوي تمكن رذر فوردمن إثبات أن هذه الجسيمات التي سميت جسيمات الفا مشحونة بشحنة موجبة تساوي ضعف شحنةالإلكترون . وهي عبارة عن نواة ذرة الهيليوم وكذلك اثبت رذر فورد أن جسيمات ألفاأقل أنوع الإشعاعات نفاذاً في الأجسام وتنطلق بسرعة تتراوح ما بين
10/1 إلى 100/1 من سرعة الأمواج الكهرومغناطيسية . ولها قدرة على تأيين الغازات .
2- أشعة بيتا وهي تنحرف كذلك في الاتجاه العمودي على المجال المغناطيسي ويدل اتجاهانحرافها على أنها مكونة من جسيمات مشحونة بشحنة سالبة ، كما يدل مقدار الانحرافعلى أنها جسيمات خفيفة سالبة الشحنة وهي أكثر نفاذاً في الأجسام من جسيمات ألفا . وهي في الواقع إلكترونات ذات سرعات فائقة تصل في بعض الأحيان إلى ما يقارب من .998من سرعة الضوء ، كما أن لها قدرة على تأيين الغازات ولكن بدرجة أقل من جسيمات ألفا .
3- أشعة جاما :- وتتميز أشعة جاما بميزات الأشعة السينية فهي ذاتطبعة موجيه وليس لها وزن أو شحنة ، وطول موجتها صغير جداً يتراوح بين . 10-8 إلى 10-10 وهي شديدة النفاذية إذا ما قورنت بغيرها من الإشعاعات الطبيعية أو حتى الأشعةالسينية
ولأشعة جاما القدرة على تأيين الغازات ولكن بدرجة أقل من تأيينجسيمات ألفا أو بيتا . ويمكن القول أن ذلك مرجعة إلى قوة نفاذيتها التي تفوق كل منأشعة بيتا وألفا حيث تتناسب قوة النفاذية للإشعاعات الثلاثة عكسياً مع قوة تأينها .
المصادر الطبيعية للإشعاع الذري
الإشعاع الذري موجود قبل خلق الأرض بزمن طويل . وله ثلاث مصادر رئيسية على الأرض هي
الأشعة الكونية Cosmic rays
المصدرالرئيسي لهذه الأشعة ناتج عن الحوادث النجمية في الفضاء الكوني البعيد ومنها مايصدر عن الشمس خاصة خلال التوهجات الشمسية التي تحدث مرة أو مرتين كل 11سنة ، مولدةجرعة إشعاعية كبيرة إلى الغلاف الغازي للأرض . وتتكون هذه الأشعة الكونية من 87% منالبروتونات و 11 من جسيمات ألفا ، وحوالي 1% من النوى ذات العدد الذري ما بين 4 و 26 وحوالي 1% من الإلكترونات ذات طاقة عالية جداً وهذا ما تمتاز به الأشعة الكونية، لذلك فإن لها قدرة كبيرة على الاختراق . كما أنها تتفاعل مع نوى ذرات الغلافالجوي مولدة بذلك إلكترونات سريعة وأشعة جاما ونيوترونات وميزونات .ولا يستطيع أحدتجنب الأشعة الكونية ولكن شدتها على سطح الأرض تتباين من مكان لأخر .
تصل إلى الأرض كمية من الإشعاع المؤين قادمة من الفضاء الخارجي ومن الشمس، وتحتوي هذه الأشعة على كميات مختلفة من الإشعاعات المؤينة التي منها النيوترونات، البروتونات وجسيمات‑الفا ونسبة قليلة من الأنوية الخفيفة مثل الكربون والأكسجين وكذلك الفوتونات والإلكترونات. وعند مرور هذه الإشعاعات المؤينة عبر الغلاف الجوي المغلف للأرض فإنها تتفاعل مع مكوناته فتتغير محتوياتها وتضعف كمياتها إلى أن تصل إلى الأرض بكميات ضئيلة جداً ليس منها ضرر على الإنسان أو بيئته ولهذا يُعتبر الغلاف الجوي واقياً من هذه الإشعاعات. وتـتغير الجرعة الإشعاعية التي يتعرض لها الإنسان من هذا المصدر من الإشعاع بتغير موقعه على الكرة الأرضية. فالأشعة الكونية تقل عند خط الاستواء وتزداد باتجاه القطبين وعند الارتفاعات العالية من سطح البحر.
فعندما تخترق الأشعة الكونية الغلاف الجوي تتفاعل النيوترونات الكونية مع غاز النيتروجين- 14طبقاً للمعادلة:
وبهذا ينتشر الكربون-14 المشع المتكون في الغلاف الجوي حتى يصل إلى سطح الأرض بفعل الأمطار فيدخل في تركيب المواد الحية الموجودة على سطح الأرض
النشاط الإشعاعي الطبيعي في القشرة الأرضية :-
Natura radioactivity in The earth Sheff :-
إن من أهم العناصرالمشعة في صخور القشرة الأرضية هي ( البوتاسيوم 4-0- ) و(الروبيدوم 87- ) وسلسلتاالعناصر المشعة المتولدة من تحلل ( اليورانيوم -238 ) و(الثوريوم -232 ) . وهناك مايقارب الأربعين من النظائر المشعة . وأعمار النصف للعناصر المشعة الأساسية في صخورالقشرة الأرضية طويلة جداً ، لهذا بقيت في الأرض إلى الآن منذ خلقها ، فعمر النصف ( للبوتاسيوم -40 ) يزيد على ألف مليون سنة وعمر النصف ( الروبيدوم -87) يزيد علىأربعين ألف مليون سنة وهذه النظائر المشعة تبعث أنواعاً مختلفة من الإشعاع الذريكجسيمات بيتا وألفا وأشعة جاما .
ومستوى النشاط الإشعاعي الطبيعي في القشرةالأرضية متقارب جداً في معظم الأماكن ، حيث لا يوجد اختلاف يذكر عن مكان وآخر بصفةعامة . إلا أن هناك أماكن على الأرض يزداد فيها الإشعاع الطبيعي بشكل كبير نتيجةوجود تركيزات عالية من العناصر المشعة طبيعياً في صخور القشرة الأرضية .
المواد المشعة‑طبيعياً والموجودة في القشرة الأرضية منتشرة على مدى واسع منها. فقد وُجِدَ أن الأنوية المشعة طبيعياً تـتمركز في نوع من الصخور مثل صخور الجرانيت. أما الأحجار الجيرية والرملية فهي قليلة الإشعاع ولكن بعض أنواع من الطـَّـفل تكون مشعة بكثافة عالية.
وقد وُجِد أنَّ اليورانيوم- و الثوريوم- من أوسع العناصر المشعة‑طبيعياً انتشارا في القشرة الأرضية. وعمر النصف لهذه العناصر يُقدر بملايين السنين وعند الاضمحلال فإنها تـُنتج مواداً مشعة أصغر عمراً منها. ومما يزيد الأمر سوءاً أنَّ هذه المواد الصخرية والرملية لا يمكن الاستغناء عنها خصوصاً في البناء.
وتختلف المواد المشعة الموجودة في الطبيعة باختلاف المكان وارتفاعه عن سطح البحر وطبيعة التربة ونوع المسكن.
النشاط الطبيعي داخل جسم الإنسان :-
يشع جسم الإنسانمن الداخل عن طريق كل من الهواء الذي يتنفسه والغذاء والماء الذي يصل إلى جوفه ،فالهواء هو المصدر الرئيسي للجرعة الإشعاعية الطبيعية التي تصل إلى داخل جسمالإنسان ومصدرها الأساسي غاز الرادون الموجود في جو الأرض والمتولد عن التحللالتلقائي لنظير « اليورانيوم -238 » الموجود طبيعياً في صخور قشرةالأرض.
وكذلك فإن كلا من الغذاء الذي يتناوله الإنسان والماء الرئيسي لتلكالمواد المشعة في النبات هو التربة التي تمتص منها النباتات تلك المواد مع غيرها منالمواد الطبيعية فتدخل في بنائها . كما أن بعض الغبار الذي يتساقط على النبات يحويآثاراً من تلك المواد المشعة ، وتصل المواد المشعة إلى داخل جسم الإنسان عن طريقتناوله النباتات أو لحوم الحيوانات التي تتغذي على النباتات وتدخل المواد المشعةأيضاً مع الماء الذي نشربه حيث تحتوى المياه على آثار قليلة جداً منها .
لذلك تكون أجسامنا مشعة قليلاً من الداخل نظراً لوجود بعض العناصر المشعةفيها مثل البوتاسيوم - 40 ) و الكربون 14, وتسلك المواد المشعة - عادة - طرقاً معقدة قبل دخولها جسم الإنسان
يحتوي جسم الإنسان على كميات ضئيلة من العناصر المشعة مثل الكربون- والبوتاسيوم- إضافة إلى ذلك فقد يتواجد كلاً من غَازَيْ الراديوم والثوريوم المشعين في جسم الإنسان (الناتجين عن تفكك أو اضمحلال الراديوم والثوريوم الموجودين في التربة طبيعياً) وذلك عن طريق الجهاز التنفسي. وكذلك يمكن دخول بعض المواد المشعة إلى جسم الإنسان عن طريق الغذاء الذي قد يكون حاوياً على كمية ضئيلة من المواد المشعة.
الانحلال الاشعاعي
Radioctive Decay
نظرية الانحلال الإشعاعي :-
تقدم رذر فوردوسودي سنة 1905 بنظرية الانحلال لتفسير ظاهرة النشاط الإشعاعي الطبيعي . وتقضيالنظرية بأن ذرات العناصر المشعة تنحل نتيجة لما ينبعث منها من جسيمات الفا أو بيتاالتي هي في حد ذاتها جسيمات مادية ، أي أن جزءاً محدد من نواة الذرة ينطلق بسرعةفائقة تارك وراءه ذرات عنصر جديد يختلف تماماً في خواصه الطبيعية والكيميائية عنالعنصر الأصلي . ويكون العنصر الجديد أو المولود مشعاً أيضاً فتنطلق من نوى ذراتهجسيمات مادية ينتج عن انطلاقها أن تتحول ذرات هذا العنصر الجديد إلى ذرات عنصر ثالثجديد وهكذا نتابع عملية التحول من عنصر مشع إلى عنصر آخر مشع حتى ينتهي الانحلالعند عنصر مستقر وجدير بالذكر أنه فيما عدا حالات نادرة جداً فإن نوى عنصر معين تنحلبانبعاث نوع واحد من الجسيمات ، أما جسيمات الفا أو جسيمات ( بيتا ) فلا تنبعثالجسيمات من نواة واحدة ، ومعنى هذا أن النواة التي يحدث انحلالها بجسيمات الفا لاينبعث منها جسيمات بيتا ، ألا أن انبعاث جسيمات الفا أو جسيمات بيتا قد يكونمصحوباً بانبعاث أشعة جاما .
وتسمى العناصر الناتجة من عملية التحولالمتتابع بالمتسلسلة الإشعاعية ويتوقف الوزن الذري للعنصر الوليد بعد أي تحول علىنوع الأشعة المنطلقة في عملية التحول فعندما ينطلق جسيم الفا ( وزنه a ) من ذرةالراديوم ( وزنها الذري 226 ) تتكون ذرة عنصر جديد وزنه الذري 222 ، ويعرف هذاالعنصر الجديد بالرادون وهو ذو نشاط إشعاعي وتنطلق منه جسيمات الفا تتحول ذرته إلىعنصر آخر هو الراديوم ( وزنه الذري218 ).
وحدة قياس النشاطية الاشعاعية
تقاس النشاطية الاشعاعية بوحدة بكرل. البكرل هو عدد الاشعاعات التي تصدرها العينة المشعة في الثانية ما معنى أن النشاطية الاشعاعية لعينة واحد بكريل ؟ المعنى : نشاطية العينة تصدر اشعاعا واحدا في الثانية. هل هناك وحدات أخرى لقياس النشاطية الاشعاعية ؟ نعم توجد وحدة انحلال / ثانية ووحدة الكوري Ci وفي بعض المراجع Cu وأيضا توجد وحدة ثالثة هي الرذرفورد Rd وهو نشاط يناظر مليون انحلال / ثانية
الكوري هو نشاط عينة تنحل فيها في الثانية الواحدة 3.7x1010 من الأنوية المشعة.
الاستخدامات
في مجال الطب كما في النشاط الإشعاعي الطبيعي ، ولكن هنا نحدد نوع العنصر الذي نريده واستخدامه ووقت الحاجة له .
ما الفرق بين الانحلال الاشعاعي والتحولالكيميائي ؟
يختلف الانحلال الاشعاعي عن التحول الكيميائي في:
1- الانحلالالاشعاعي عملية تلقائية مستمرة
2- يعتمد على العنصر المشع ولا يرتبط بالمركبالكيميائي
3- لا يتوقف على الظروف الفيزيائية ( الضغط ، درجة الحرارة )
4 -تنطلق منه طاقة هائلةوحدة قياس النشاطية الاشعاعية تقاس النشاطية الاشعاعيةبوحدة البكريل البكريل هو عدد الاشعاعات التي تصدرها العينة المشعة في الثانية مامعنى أن النشاطية الاشعاعية لعينة واحد بكريل المعنى : نشاطية العينة تصدر اشعاعاواحدا في الثانية هل هناك وحدات أخرى لقياس النشاطية الاشعاعية ؟ نعم توجد وحدةانحلال / ثانية ووحدة الكوري Ci وفي بعض المراجع Cu وأيضا توجد وحدة ثالثة هيالرذرفورد Rd وهو نشاط يناظر مليون انحلال / ثانية عرف الكوري ؟ الكوري هو نشاطعينة تنحل فيها في الثانية الواحدة 3.7x1010 من الانوية المشعةعمر النصف Half - Life عمر النصف هو الزمن الذي يحتاجه العنصر المشع لكي ينحل نصف عدد ذراته ما معنىأن عمر النصف لليورانيوم 238 ( 4.49x109 yr ) المعنى أنه لكي ينحل نصف عدد ذراتاليورانيوم يلزم 4.4x109سنة
النواة غير المستقرة والتحلل الإشعاعي:
تعتبر الأنوية ذات أغلبية مستقرة حيث تبقى كما هي إلى ما لا نهاية في حين أن بعضها غير مستقرة (مشعة) بسبب وجود طاقة داخلية زائدة. تقوم النواة بعمل تغيرات تلقائية (التحلل الإشعاعي) حتى تصبح نواة مستقرة.
ذرات المادة المشعة تنحل بطريقة عشوائية ولكن بمعدل زمني ثابت ، فترة نصف العمر هو الوقت اللازم لكي تنحل نصف ذرات المادة المشعة أو لكي ينخفض النشاط الإشعاعي إلى النصف وبعد مرور ضعفي فترة نصف العمر ينخفض النشاط للربع وبعد مرور ثلاثة أضعاف فترة نصف العمر ينخفض النشاط الإشعاعي للثمن وهكذا….
معدلالتحلل
تسير عملية التحلل بمعدل ثابت ، فإذا كان لدينا عينة من مادةمشعة ، يكون عدد التحللات dN التي تحدث في فترة زمنية مقارها dt متناسبا مع عددالذرات الكلي .فإذا كان عددالذرات الكليN، يكون احتمال التحلل (−dN/ dt ) متناسبا تناسبا طرديا مع dt ، أيأن:
وكلعنصر من العناصرالمشعة يتميز بمعدل تحلل خاص به ويسمى(λ). وتعني الإشارة السالبة في المعادلة أنNتنقص مع كل حدث للتحلل . ويمكن حلتلك المعادلة التفاضلية من الدرجة الأولى ونحصل على:
حيث :
N0 هي العددNعند الزمن (t = 0).
وتبين المعادلة الثانية أن ثابت التحللλله وحدة 1/الزمن ، وبالتالي يمكن صيغتها في صورةτحيث تعطيτنصف العمرأوعمر النصف لتحللالعنصر.
وعلاقةτب λ كالآتي :
وتمثل الدالة الأسية لأساسالثابت الطبيعي e معدل التحلل في المعادلة الثانية. وفي العادة يكون عددذرات العينةكبير جدا مقاربلعدد أفوجادرو بحيث يكون وصف تلك المعادة لمعدل التحلل وصفا جيدا.
نفترض الآنأن لدينا ثلاثة عناصر مختلفة مشعة :
الأخضر : عنصر مشع ، ذو نصف عمر 3 سنوات ،
الأزرق : عنصر مشع ، ذو نصف عمر 2 سنة،
الأحمر : عنصر مشع ، ذو نصف عمر 1 سنة.
يبين الرسم البياني المجاورمعدل تحلل الذرات للثلاثة عناصر ، أي أنه يبين عدد الذرات التي لم تتحلل بعد كدالةللزمن . وكما نري يتناقص عدد الذرات التي لم تتحلل بعد بمعدل ثابت مميز لكل عنصروذلك طبقا للمعادلة الثانية أعلاه . ونري أن العنصر ذو النصف عمر طويل (الأحمر) هوالذي يتميز بمعدل صغير للتحلل .
مثال عنالتحلل
إذا كان لدينا عينة مشعة تحتوي على 400.000ذرة مشعة وتتميزبنصف عمر قدره 10 أيام ، فإنه بعد مرور 10 أيام يصبح عدد الذرات التي لازالت مشعة 200.000 ذرة . وبعد مرور 10 أيام أخرى ثانية ينخفض عدد الذرات المشعة إلى 100.000ذرة وبعد مرور 10 أيام تالية يصبح عدد الذرات التي لم تتحلل 50.000 وهكذا . لذلك نتحدث عنt1 / 2 ونسميهاعمرالنصف.
عمرالنصف
عمر النصف للمادة مشعة هو الزمن الذي تنخفض فيه الكمية المشعة إلىالنصف . ويسمى هذا الزمن الثابت المميز للعنصرعمر النصف ،ويرمز له بالرمزt1 / 2. ويمكن كتابة عمر النصف كدالة لثابت التحلل أو (متوسط العمر) كالآتي:
وبالتعويض عنها في المعادلةالأسية أعلاه نحصل على:
أي أن جزء المادة التي لا زالتمشعة :
2 − 1 = 1 / 2
وهذا يعني أنه بعد مرور 3 فترات من فترات نصف العمر ،يبقي في العينة الكمية المشعة التالية :
1 / 23 = 1 / 8
أي أن متوسط العمر τ يساويعمر النصف مقسوما على اللوغاريتم الطبيعي ( ln( 2 :
.
ويبلغعمر النصف = 138 يوم لمادة البولونيوم-210 ، فحين أن يكون متوسط عمرها 200 يوم .
قانون التفكك الإشعاعي :-
Radioactiue decag law :-
تعتبر ظاهر التفكك الإشعاعيظاهرة إحصائية ، أي أنه لا يمكن التكهن بزمن
تنحل عند نواة بعينها ، ولكن عندوجود عدد كبير جداً من أنوية النظير المشع ، فإنه بمتابعة معدل تغير كمية الأشعةالمنبعثة يمكن معرفة الكثير عن نوعية التحول .
هناك احتمال محدد للتفكك فيوحدة الزمن لأي نظير مشع ، وهذا الاحتمال يعرف بثابت مميز لكل نظير مشع بغض النظرعن حالته . الكيميائية أو الفيزيائية ( من سائله أو صلبه أو غازية )
أنواع التفكك الإشعاعي :-
تفكك الفا:-
في هذه العملية تفقد النواة المشعة ( حيث X رمز النظير ) جسيمالفا المكون من بروتونين ونيوترونين وهو عبارة عن نواة ذرة الهيلوم . وهذا يعنينقصان العدد الكتلي بمقدار أربع وحدات والعدد الذري بوحدتين وبذلك تكون النواةالناتجة مختلفة تماماً عن النواة الأم .
تفكك بيتا B-Decay
تصدر نوبات بعض النظائر جسيمات تعرف بجسيمات بيتا ( B-Particles) وهذه الجسيمات عبارة عن إلكترون أو بوزيترونات والبوزيترون ( Positron) عبارة عنجسم كتلة مساوية لكتلة الإلكترون ولكن شحنته موجبة . ويحدث هذا النوع من التفككللأنوية ( المعروف باسم تفكك بتيا ) في كثير من النظائر سواء كانت ثقيلة أم خفيفة .
أنواع تفكك بيتا :- Types of B-decay
أ ) التفكك الإلكتروني Eelectron decay
يلاحظ أن إصدار إلكترون من النواة ناتج عن تحولنيوترون من نيوترونات النواة إلى بروتون وذلك لكي تصبح النسبة بين النيوتروناتوالبروتونات هي نسبة الاستقرار
ب ) التفكك البوزيتروني Positron decay
في بعض الأحيان تكون نسبة النيوتروناتإلى البروتونات في النظير المعين أقل من النسبة التي تحقق الاستقرار . وفي هذهالحالة يتحول أحد بروتونات النواة إلى نيوترون وينطلق نتيجة لذلك بوزيترون يحملشحنة البروتون الموجبة ويعرف تفكك بيتا في هذه الحالة بالتفكك البوزيتروني
جـ ) الاسر الالكتروني : Electron Capture
يمكنأن يحدث تحول أحد بروتونات النواة إلى نيوترون بطريقة أخرى يتم ذلك بأن تأسر النواةإلكترون من إلكترونات المدارية القريبة من النواة ( أي المدار k وفي أحيان قليلة منالمدار ) ويتحد هذا الإلكترون المأسور مع أحد البروتونات فيتكون النيوتون . ويعرفتفكك بيتا في هذه الحالة بالأسر الإلكتروني
وهكذا فإنهيوجد ثلاثة أنواع لتفكك بيتا هي التفكك الإلكتروني ( - B- ) والبوزيتروني ( +B ) والاسر الإلكتروني ( Electron Copture ) . وفي حالة الأسر الإلكتروني لا تصدرالنواة أياً من جسيمات بيتا ولقد ثبت فيما بعد أنه عند حدوث أي نوع من تفكك بيتاينطلق من النواة جسيمات تعرف باسم النيوترينو ( neatrino) - V نيو
اضمحلال جاما :
إشعاعات جاما هي عبارة عنموجات كهرومغناطسية ذات طاقة عالية . وتصدر إشعاعات جاما إذا تكونت النواة الوليدةالناتجة عن تفكك الفا أو تفكك بيتا في حالة مثارة فتفقد النواة إثارتها عن طريقالتخلص من الطاقة في شكل إشعاعات جاما وبذلك فإنه بالنسبة لاضمحلال جاما تكونالنواة الوليدة هي نفسها النواة الأم ولكنها أكثر استقراراً .
وتجدر الإشارةإلى أن بعض النظائر المشعة تتفكك إلى نظائر غير مستقرة يكون النظير الناتج مشعاًبدوره وبالتالي يتفكك إلى نظير آخر .
وهكذا نجد أن هناك العديد من النظائرالتي لها نشاط إشعاعي طبيعي وتتفكك هذه النظائر مصدره إما جسيمات الفا أو بيتا أوكليهما معاً وقد يتبع ذلك مباشرة أو خلال فترة زمنية معينة إشعاعات جاما الصادرةنتيجة انتقال النويات الوليدة من الحالات المثارة إلى الحالات الأرضية .
النشاط الإشعاعي (Radioactivity):
يُعَرَّفْ النشاط الإشعاعي بكمية الاضمحلال الحاصل في المصدر المشع في الثانية الواحدة. لكل مصدر مشع من هذه المصادر ما يسمى بفترة نصف العمر الزمني ويرمز له بالرمزT1/2 وهذه الفترة الزمنية هي من خصائص المصدر المشع.ويمكن تعريف نصف العمر الزمني بالفترة الزمنية التي ينقص فيها العدد الأصلي للأنوية المشعة إلي النصف. الجدول التالي يعطي تصوراً لأنصاف أعمار بعض المصادر المشعة.
أنصاف أعمار بعض العناصر المشعة
ولمعرفة مقدار الذرات المتبقية هناك معادلة يطلق عليها معادلة الاضمحلال النووي وهي تأخذ الشكل التالي:
N(t)=N0e-λt
حيث (N(t تمثل عدد الأنوية المشعة المتبقية عند الزمن t .
N0 العدد الأصلي للأنوية.
λ ثابت الاضمحلال Decay Constant وهو يعطى بالعلاقة λ=0.693/ T1/2 ووحداته (وحدة زمن-1 ).
و t هي الزمن الحالي.
الجرعة الإشعاعية (Radiation Dose):
نفرض أن هناك مصدراًمشعاً يبعث أشعة-γ، وكمثال على ذلكالمصدرالمشع السيزيوم-
(137Cs)137
الذي يبعث أشعة-γ بطاقة
أحادية مقدارها Eγ = 662 keV وله نصف عمر زمني قدره 30 سنه. فإذا وضعت كتلةً منالماء على شكل مكعب في مسار هذه الأشعة ولمدة معينة فستحصل تغيرات في هذه العينة منالماء.
هذه التغيرات ناشئة بسبب امتصاص كتلة الماء جزءاً من الطاقة الساقطة عليها في خلال تلك الفترة الزمنية. وبمعنى آخر وبكلمات أكثر وضوحاً نستطيع أن نـُـعَبـِّرْ عن ذلك بأن مكعب الماء قد أخذ جرعة إشعاعية. وعلى هذا الأساس يمكن تعريف الجرعة الإشعاعية بأنها الطاقة الممتصة من الشعاع الساقط لكل وحدة كتلة من المادة.
أما إذا كان الوسط الماص هو الهواء فلا تسمى بالجرعة الممتصة ولكن تعرف بالتعرض الإشعاعي.
وحدات الإشعاع (Radiation Units):
لأي كمية فيزيائية وحدات و أبعاد تصفها. فالوحدات هي التي تعطي تصوراً عن طبيعة هذه الكمية. ولابد من الأخذ في الاعتبار نظام هذه الوحدات فالأنظمة المتبعة ‑غالباً‑ في الوحدات هي النظام الدولي للوحدات SI ونظام cgs، فلا يخلط بين نظامين أو أكثر في عملية حسابية واحدة.
أعددت هذا البحث لإحدي قريباتي وها أضعه ليحقق فائدة للطلاب الراغبين في الإستفادة والله الموفق
مقدمة
تطورت الحياة على الأرض بوجود دائم للخلفية الإشعاعية وهذا ليس شيئاً جديداً اخترعه ذكاء الإنسان الإشعاع هو طاقة تتحرك خلال الفضاء وتعتبر أشعة الشمس أحد أكثر الأشكال المشهورة للإشعاع فهي تحرر الضوء والحرارة نستطيع أن نتحكم بتأثيرها علينا بوسائل متعددة مثل المظلات والمكيفات والنظارات.
والحقيقة أن الحياة على الأرض تتطلب وجود ضوء الشمس ولكننا أدركنا أن سقوط كمية كبيرة من هذه الأشعة على الأفراد ليس شيئاً جيداً وقد يكون خطيراً لذلك يجب التحكم في كمية التعرض لها تمتد الأطوال الموجية الصادرة عن الشمس من الأطوال تحت الحمراء إلى فوق بنفسجية ويوجد أنواع أخرى من الإشعاع تحمل طاقة أكبر من الأشعة فوق البنفسجية تستخدم في الطب ونتعرض لها من الفضاء والهواء والأرض تسمى الأشعة المؤينة تسبب ضرراً للمادة وبخاصة الخلايا الحية لذلك يجب التحكم في هذا التعرض.
تتعرض الكائنات الحية لمستويات مختلفة من الأشعة المؤينة الطبيعية بالإضافة إلى الصناعية التي تدخلت في شؤون حياتنا وخصوصاً النواحي الطبية سواء للفحص أو العلاج مثل أشعة X والمواد المشعة.
إكتشاف ظاهرة النشاط الإشعاعي
اكتشفت ظاهرة النشاط الاشعاعي عام 1896 عن طريق عالم فرنسي كان مهتما بالاشعةالسينية التي كانت مكتشفة في حينه حديثا ويدعى هنري بيكوريل. وضع بيكوريال لوحافوتوغرافيا مع معدن اليورانيوم في خزانة مظلمة وترك الفلم الفوتوغرافي مدة اربعةايام, وبعد ان قام بتظهير الفلم لاحظ تكون صورة على الفلم الفوتوغرافي
استنتج منذلك ان معدن اليورانيوم قام بإطلاق اشعة غير مرئية اثرت على اللوحالفوتوغرافي.سميت ظاهرة اطلاق بعض العناصر للأشعة بظاهرة النشاط الاشعاعي.. تعرف اليوم ظاهرة النشاط الاشعاعي على انها ظاهرة الانبعاث التلقائي للدقائق اوالطاقة من انوية الذرات.وقاد اكتشاف بيكوريل الى بدايات النظرية الذريةالحديثة, والى اكتشاف عناصر جديدة. درس العالم ارنست رذرفورد طبيعة النشاط الاشعاعيللعناصر فتبين ان العناصر المشعة تعطي ثلاثة انواع من الاشعة والدقائق والتي تعرفحاليا بأول ثلاثة حروف من الأبجدية الاغريقية وهي الفا, بيتا, غاما.اليوم تعرفدقائق الفا بأنها نواة ذرة الهيليوم والمكونة من بروتونين ونيوترونين, وتعرف دقائقبيتا على انها الكترونات ذات طاقة عالية, وتعرف اشعة جاما بأنها اشعةكهرومغناطيسية.وبمقارن الشحنة نلاحظ ان دقائق الفا موجبة الشحنة بينما دقائقبيتا سالبة الشحنة, بينما اشعة جاما شحنتها تساوي الصفر.عند وضع مادة مشعة فيمجال كهربائي, تنحرف دقائق الفا ناحية القطب السالب للمجال دلالة على كونها موجبةالشحنة, وتنحرف دقائق بيتا ناحية القطب الموجب دلالة على كونها سالبة الشحنة, بينمالا تعاني اشعة غاما من اي انحراف لأنها امواج كهرومغناطيسية فهي تسلك سلوكالضوء.
قامت مدام ماري كوري على ضوء اكتشاف ظاهرة النشاط الاشعاعي بالبحث عنمزيد من العناصر المشعة.وعلى ضوء ذلك اكتشفت عنصرين جديدين هما البلوتونيوموالراديوم, ومنذ ذلك الوقت تم اكتشاف عدد اكبر منها, وفي الحقيقة فان كل نظائرالعناصر التي يزيد عددها الذري على 83 هي نظائر مشعة.
وان عملية الاشعاع النوويخاصة اشعاعي الفا وبيتا ويرافقهما تحول لنوع العنصر وان جميع العناصر المشعة تقعبين العددين الذريين 83 و92 وتنحل هذه العناصر تلقائيا وبدون اية مثيرات خارجية, وذلك نتيجة لنقص الاستقرار الداخلي للنواة.وعادة ما يكون انحلال هذه الانوية, بجسيمات الفا او بيتا, الى نواة اخرى غير مستقرة, ويكون الناتج هو سلسلة من الأنويةالمشعة والتي تنتهي بنواة مستقرة, وقد جمعت هذه العناصر في ثلاث سلاسل وهذه السلاسلتشمل انبعاث الفا وبيتا, وتلك السلاسل هي سلسلة الثور يوم 232 وسلسلة اليورانيم - 238 وسلسلة اخرى لليوارنيم - 235, ويوجد على رأس كل سلسلة نظير طويل العمر في حينتنتهي كل منها بنظير مستقر للرصاص, فسلسلة اليورانيم - 238 على سبيل المثال, الناتجالنهائي للانحلال هو ذرة الرصاص المستقر.ونجد في بعض المواد المشعة انها تقومبانحلالات متلاحقة فمثلا اذا كان لدينا نظير معين فانه يتحول الى نظير آخر ثم يتحللالأخير الى اخر.. وهكذا حتى تتوقف السلسلة عند عنصر مستقر.
فإذا اخذنا نظيرالراديوم - 226 - نجد انه يتحلل الى الرادون - 224 الذي يتحلل بدوره الى البولونيوم - 218 الذي يتحلل الى الاستاتين - 218 وهكذا تستمر السلسلة حتى تتوقف عند عنصرالرصاص المستقر اما من حيث تطبيقات النظائر المشعة, فقد اتسع نطاقاستعمال النظائر المشعة في العديد من مجالات الحياة الطبية والزراعية والصناعية, ويمكن ايجاز بعض هذه الاستعمالات:
فقد استخدمت النظائر في علاج السرطان حيثتخترق اشعة جاما الأنسجة وتقتل الخلايا الحية, ولذلك يسلط على الاورام السرطانيةشعاع عالي التركيز من مصدر للكوبالت - 60 والذي يعمل على قتل الخلايا السرطانية فيالورم, وقد استخدم نظير الفسفور المشع في علاج سرطان الدم, وذلك بإعطاء المريضجرعات خاصة تحتوي على نظير الفسفور المشع, حيث يحد من انتاج كرات الدم الحمراء. امامن حيث المجال الزراعي فقد تمكن العلماء الايطاليون من انضاج القمح في مدة لاتتجاوز 64 يوما, بينما هو في الحالة الطبعيية ينضج في 7 اشهر, وقد استخدم اشعاعالكوبالت في تغيير لون البلاستيدات الملونة, وذلك بتعريض النبات لفترات مختلفةللاشعاع, مما يتيح وجود ازهار بألوان مختلفة على النبات نفسه, وقد استخدم اشعاعالكوبالت المسلط على طعام الماشية لزيادة السمنة فيها وزيادة ادرارهااللبن.
ظاهرة اطلاق بعض العناصر للأشعة بظاهرة النشاط الاشعاعي
تعرف اليومظاهرة النشاط الشعاعي على أنها ظاهرة الانبعاث التلقائي للدقائق أو الطاقة من أنويةالذرات .
وقاد اكتشاف بيكوريل الى بدايات النظرية الذرية الحديثة ، والى اكتشاف عناصر جديدة .
درس العالم ارنست رذرفورد Ernest Rutherford طبيعة النشاطالاشعاعي للعناصر فتبين أن العناصر المشعة تعطي ثلاثة أنواع من الأشعة والدقائقوالتي تعرف حاليا ً بأول ثلاثة حروف من الأبجدية الاغريقية وهي الفا ( α ) ، بيتا (β ) ، غاما ( γ )
اليوم تعرف دقائق الفا بأنها نواة ذرة الهيليوم والمكونة منبروتونين ونيوترونين ، وتعرف دقائق بيتا على أنها الكترونات ذات طاقة عالية ، وتعرفأشعة غاما بأنها أشعة كهرمغناطيسية
النشاط الإشعاعي الطبيعي : The Natural Radioactivity
إن الإلكتروناتالمدارية للذرة ، تستطيع أن تمتص طاقة وإن تغير من مستواها ، وفي بعض الأحيان قدتكون الطاقة الممتصة كبيرة لدرجة تسمح للإلكترون بعمل ( قفزة نهائية) وبأن يتخلص منجاذبية النواة . والنتيجة هي تولد الأيون ( أي ذرة ينقصها إلكترون ) . ونستطيعالقول بأنه في هذه الظروف الاستثنائية ، تفقد الذرة كل إلكتروناتها أو معظمها - وتبقى عبارة عن نواة معزولة . ولذلك فإن الذرات ، ليست غير قابلة للانقسام بعكسالاعتقاد الذي ظل سائداً لفترة طويلة مهما يكن من أمر فإن التأين ليس مجرد ظاهرةعرضية . فكل ذرة متأينة متصلة بالمادة ، لن تلبث أن تستعيد إلكتروناتها وتقومبامتصاصها من الوسط المحيط بها فتعود إلى تكوينها الأصلي . ولتقسيم ذرة بصفة نهائيةيحتاج الأمر لأجراء إضافي : ذلك هو تفتيت نواتها . ذلك ما يمكن أن نتوقعه بالنظرإلى تعقد تكوين النوى . وليس فقط يمكن تفتيت النوى ولكن بعضها يتفتت تلقائياًوتنبعث منها إشعاعات ثم تتحول بعد ذلك إلى نوى مختلفة .
أنواع الأشعة المنبعثة من المواد المشعة طبيعياً
قام رذر فورد بدراسة خواص الإشعاعات المنبعثة من العناصر المشعة وذلك بوضعمصدر الراديوم ( مادة مشعة ) داخل حافظة من الرصاص ذات ثقب اسطواني صغير القطريمكننا من الحصول على حزمة ضيقة من الإشعاعات وذلك باستخدام مجال مغناطيسي قوىكمحلل .
فلاحظ أن الحزمة بعد اختراقها لمجال تنقسم إلى ثلاثة أقسام :
1- تنحرف أحدها في الاتجاه العمودي على المجال المغناطيسي ، ويدل اتجاهانحرافها على أنها مكونة من جسيمات مشحونة بشحنة موجبة . كما يدل مقدار الانحرافعلى ثقل هذه الجسيمات وباستعمال مجال مغناطيسي قوي ومجال كهربي قوي تمكن رذر فوردمن إثبات أن هذه الجسيمات التي سميت جسيمات الفا مشحونة بشحنة موجبة تساوي ضعف شحنةالإلكترون . وهي عبارة عن نواة ذرة الهيليوم وكذلك اثبت رذر فورد أن جسيمات ألفاأقل أنوع الإشعاعات نفاذاً في الأجسام وتنطلق بسرعة تتراوح ما بين
10/1 إلى 100/1 من سرعة الأمواج الكهرومغناطيسية . ولها قدرة على تأيين الغازات .
2- أشعة بيتا وهي تنحرف كذلك في الاتجاه العمودي على المجال المغناطيسي ويدل اتجاهانحرافها على أنها مكونة من جسيمات مشحونة بشحنة سالبة ، كما يدل مقدار الانحرافعلى أنها جسيمات خفيفة سالبة الشحنة وهي أكثر نفاذاً في الأجسام من جسيمات ألفا . وهي في الواقع إلكترونات ذات سرعات فائقة تصل في بعض الأحيان إلى ما يقارب من .998من سرعة الضوء ، كما أن لها قدرة على تأيين الغازات ولكن بدرجة أقل من جسيمات ألفا .
3- أشعة جاما :- وتتميز أشعة جاما بميزات الأشعة السينية فهي ذاتطبعة موجيه وليس لها وزن أو شحنة ، وطول موجتها صغير جداً يتراوح بين . 10-8 إلى 10-10 وهي شديدة النفاذية إذا ما قورنت بغيرها من الإشعاعات الطبيعية أو حتى الأشعةالسينية
ولأشعة جاما القدرة على تأيين الغازات ولكن بدرجة أقل من تأيينجسيمات ألفا أو بيتا . ويمكن القول أن ذلك مرجعة إلى قوة نفاذيتها التي تفوق كل منأشعة بيتا وألفا حيث تتناسب قوة النفاذية للإشعاعات الثلاثة عكسياً مع قوة تأينها .
المصادر الطبيعية للإشعاع الذري
الإشعاع الذري موجود قبل خلق الأرض بزمن طويل . وله ثلاث مصادر رئيسية على الأرض هي
الأشعة الكونية Cosmic rays
المصدرالرئيسي لهذه الأشعة ناتج عن الحوادث النجمية في الفضاء الكوني البعيد ومنها مايصدر عن الشمس خاصة خلال التوهجات الشمسية التي تحدث مرة أو مرتين كل 11سنة ، مولدةجرعة إشعاعية كبيرة إلى الغلاف الغازي للأرض . وتتكون هذه الأشعة الكونية من 87% منالبروتونات و 11 من جسيمات ألفا ، وحوالي 1% من النوى ذات العدد الذري ما بين 4 و 26 وحوالي 1% من الإلكترونات ذات طاقة عالية جداً وهذا ما تمتاز به الأشعة الكونية، لذلك فإن لها قدرة كبيرة على الاختراق . كما أنها تتفاعل مع نوى ذرات الغلافالجوي مولدة بذلك إلكترونات سريعة وأشعة جاما ونيوترونات وميزونات .ولا يستطيع أحدتجنب الأشعة الكونية ولكن شدتها على سطح الأرض تتباين من مكان لأخر .
تصل إلى الأرض كمية من الإشعاع المؤين قادمة من الفضاء الخارجي ومن الشمس، وتحتوي هذه الأشعة على كميات مختلفة من الإشعاعات المؤينة التي منها النيوترونات، البروتونات وجسيمات‑الفا ونسبة قليلة من الأنوية الخفيفة مثل الكربون والأكسجين وكذلك الفوتونات والإلكترونات. وعند مرور هذه الإشعاعات المؤينة عبر الغلاف الجوي المغلف للأرض فإنها تتفاعل مع مكوناته فتتغير محتوياتها وتضعف كمياتها إلى أن تصل إلى الأرض بكميات ضئيلة جداً ليس منها ضرر على الإنسان أو بيئته ولهذا يُعتبر الغلاف الجوي واقياً من هذه الإشعاعات. وتـتغير الجرعة الإشعاعية التي يتعرض لها الإنسان من هذا المصدر من الإشعاع بتغير موقعه على الكرة الأرضية. فالأشعة الكونية تقل عند خط الاستواء وتزداد باتجاه القطبين وعند الارتفاعات العالية من سطح البحر.
فعندما تخترق الأشعة الكونية الغلاف الجوي تتفاعل النيوترونات الكونية مع غاز النيتروجين- 14طبقاً للمعادلة:
وبهذا ينتشر الكربون-14 المشع المتكون في الغلاف الجوي حتى يصل إلى سطح الأرض بفعل الأمطار فيدخل في تركيب المواد الحية الموجودة على سطح الأرض
النشاط الإشعاعي الطبيعي في القشرة الأرضية :-
Natura radioactivity in The earth Sheff :-
إن من أهم العناصرالمشعة في صخور القشرة الأرضية هي ( البوتاسيوم 4-0- ) و(الروبيدوم 87- ) وسلسلتاالعناصر المشعة المتولدة من تحلل ( اليورانيوم -238 ) و(الثوريوم -232 ) . وهناك مايقارب الأربعين من النظائر المشعة . وأعمار النصف للعناصر المشعة الأساسية في صخورالقشرة الأرضية طويلة جداً ، لهذا بقيت في الأرض إلى الآن منذ خلقها ، فعمر النصف ( للبوتاسيوم -40 ) يزيد على ألف مليون سنة وعمر النصف ( الروبيدوم -87) يزيد علىأربعين ألف مليون سنة وهذه النظائر المشعة تبعث أنواعاً مختلفة من الإشعاع الذريكجسيمات بيتا وألفا وأشعة جاما .
ومستوى النشاط الإشعاعي الطبيعي في القشرةالأرضية متقارب جداً في معظم الأماكن ، حيث لا يوجد اختلاف يذكر عن مكان وآخر بصفةعامة . إلا أن هناك أماكن على الأرض يزداد فيها الإشعاع الطبيعي بشكل كبير نتيجةوجود تركيزات عالية من العناصر المشعة طبيعياً في صخور القشرة الأرضية .
المواد المشعة‑طبيعياً والموجودة في القشرة الأرضية منتشرة على مدى واسع منها. فقد وُجِدَ أن الأنوية المشعة طبيعياً تـتمركز في نوع من الصخور مثل صخور الجرانيت. أما الأحجار الجيرية والرملية فهي قليلة الإشعاع ولكن بعض أنواع من الطـَّـفل تكون مشعة بكثافة عالية.
وقد وُجِد أنَّ اليورانيوم- و الثوريوم- من أوسع العناصر المشعة‑طبيعياً انتشارا في القشرة الأرضية. وعمر النصف لهذه العناصر يُقدر بملايين السنين وعند الاضمحلال فإنها تـُنتج مواداً مشعة أصغر عمراً منها. ومما يزيد الأمر سوءاً أنَّ هذه المواد الصخرية والرملية لا يمكن الاستغناء عنها خصوصاً في البناء.
وتختلف المواد المشعة الموجودة في الطبيعة باختلاف المكان وارتفاعه عن سطح البحر وطبيعة التربة ونوع المسكن.
النشاط الطبيعي داخل جسم الإنسان :-
يشع جسم الإنسانمن الداخل عن طريق كل من الهواء الذي يتنفسه والغذاء والماء الذي يصل إلى جوفه ،فالهواء هو المصدر الرئيسي للجرعة الإشعاعية الطبيعية التي تصل إلى داخل جسمالإنسان ومصدرها الأساسي غاز الرادون الموجود في جو الأرض والمتولد عن التحللالتلقائي لنظير « اليورانيوم -238 » الموجود طبيعياً في صخور قشرةالأرض.
وكذلك فإن كلا من الغذاء الذي يتناوله الإنسان والماء الرئيسي لتلكالمواد المشعة في النبات هو التربة التي تمتص منها النباتات تلك المواد مع غيرها منالمواد الطبيعية فتدخل في بنائها . كما أن بعض الغبار الذي يتساقط على النبات يحويآثاراً من تلك المواد المشعة ، وتصل المواد المشعة إلى داخل جسم الإنسان عن طريقتناوله النباتات أو لحوم الحيوانات التي تتغذي على النباتات وتدخل المواد المشعةأيضاً مع الماء الذي نشربه حيث تحتوى المياه على آثار قليلة جداً منها .
لذلك تكون أجسامنا مشعة قليلاً من الداخل نظراً لوجود بعض العناصر المشعةفيها مثل البوتاسيوم - 40 ) و الكربون 14, وتسلك المواد المشعة - عادة - طرقاً معقدة قبل دخولها جسم الإنسان
يحتوي جسم الإنسان على كميات ضئيلة من العناصر المشعة مثل الكربون- والبوتاسيوم- إضافة إلى ذلك فقد يتواجد كلاً من غَازَيْ الراديوم والثوريوم المشعين في جسم الإنسان (الناتجين عن تفكك أو اضمحلال الراديوم والثوريوم الموجودين في التربة طبيعياً) وذلك عن طريق الجهاز التنفسي. وكذلك يمكن دخول بعض المواد المشعة إلى جسم الإنسان عن طريق الغذاء الذي قد يكون حاوياً على كمية ضئيلة من المواد المشعة.
الانحلال الاشعاعي
Radioctive Decay
نظرية الانحلال الإشعاعي :-
تقدم رذر فوردوسودي سنة 1905 بنظرية الانحلال لتفسير ظاهرة النشاط الإشعاعي الطبيعي . وتقضيالنظرية بأن ذرات العناصر المشعة تنحل نتيجة لما ينبعث منها من جسيمات الفا أو بيتاالتي هي في حد ذاتها جسيمات مادية ، أي أن جزءاً محدد من نواة الذرة ينطلق بسرعةفائقة تارك وراءه ذرات عنصر جديد يختلف تماماً في خواصه الطبيعية والكيميائية عنالعنصر الأصلي . ويكون العنصر الجديد أو المولود مشعاً أيضاً فتنطلق من نوى ذراتهجسيمات مادية ينتج عن انطلاقها أن تتحول ذرات هذا العنصر الجديد إلى ذرات عنصر ثالثجديد وهكذا نتابع عملية التحول من عنصر مشع إلى عنصر آخر مشع حتى ينتهي الانحلالعند عنصر مستقر وجدير بالذكر أنه فيما عدا حالات نادرة جداً فإن نوى عنصر معين تنحلبانبعاث نوع واحد من الجسيمات ، أما جسيمات الفا أو جسيمات ( بيتا ) فلا تنبعثالجسيمات من نواة واحدة ، ومعنى هذا أن النواة التي يحدث انحلالها بجسيمات الفا لاينبعث منها جسيمات بيتا ، ألا أن انبعاث جسيمات الفا أو جسيمات بيتا قد يكونمصحوباً بانبعاث أشعة جاما .
وتسمى العناصر الناتجة من عملية التحولالمتتابع بالمتسلسلة الإشعاعية ويتوقف الوزن الذري للعنصر الوليد بعد أي تحول علىنوع الأشعة المنطلقة في عملية التحول فعندما ينطلق جسيم الفا ( وزنه a ) من ذرةالراديوم ( وزنها الذري 226 ) تتكون ذرة عنصر جديد وزنه الذري 222 ، ويعرف هذاالعنصر الجديد بالرادون وهو ذو نشاط إشعاعي وتنطلق منه جسيمات الفا تتحول ذرته إلىعنصر آخر هو الراديوم ( وزنه الذري218 ).
وحدة قياس النشاطية الاشعاعية
تقاس النشاطية الاشعاعية بوحدة بكرل. البكرل هو عدد الاشعاعات التي تصدرها العينة المشعة في الثانية ما معنى أن النشاطية الاشعاعية لعينة واحد بكريل ؟ المعنى : نشاطية العينة تصدر اشعاعا واحدا في الثانية. هل هناك وحدات أخرى لقياس النشاطية الاشعاعية ؟ نعم توجد وحدة انحلال / ثانية ووحدة الكوري Ci وفي بعض المراجع Cu وأيضا توجد وحدة ثالثة هي الرذرفورد Rd وهو نشاط يناظر مليون انحلال / ثانية
الكوري هو نشاط عينة تنحل فيها في الثانية الواحدة 3.7x1010 من الأنوية المشعة.
الاستخدامات
في مجال الطب كما في النشاط الإشعاعي الطبيعي ، ولكن هنا نحدد نوع العنصر الذي نريده واستخدامه ووقت الحاجة له .
ما الفرق بين الانحلال الاشعاعي والتحولالكيميائي ؟
يختلف الانحلال الاشعاعي عن التحول الكيميائي في:
1- الانحلالالاشعاعي عملية تلقائية مستمرة
2- يعتمد على العنصر المشع ولا يرتبط بالمركبالكيميائي
3- لا يتوقف على الظروف الفيزيائية ( الضغط ، درجة الحرارة )
4 -تنطلق منه طاقة هائلةوحدة قياس النشاطية الاشعاعية تقاس النشاطية الاشعاعيةبوحدة البكريل البكريل هو عدد الاشعاعات التي تصدرها العينة المشعة في الثانية مامعنى أن النشاطية الاشعاعية لعينة واحد بكريل المعنى : نشاطية العينة تصدر اشعاعاواحدا في الثانية هل هناك وحدات أخرى لقياس النشاطية الاشعاعية ؟ نعم توجد وحدةانحلال / ثانية ووحدة الكوري Ci وفي بعض المراجع Cu وأيضا توجد وحدة ثالثة هيالرذرفورد Rd وهو نشاط يناظر مليون انحلال / ثانية عرف الكوري ؟ الكوري هو نشاطعينة تنحل فيها في الثانية الواحدة 3.7x1010 من الانوية المشعةعمر النصف Half - Life عمر النصف هو الزمن الذي يحتاجه العنصر المشع لكي ينحل نصف عدد ذراته ما معنىأن عمر النصف لليورانيوم 238 ( 4.49x109 yr ) المعنى أنه لكي ينحل نصف عدد ذراتاليورانيوم يلزم 4.4x109سنة
النواة غير المستقرة والتحلل الإشعاعي:
تعتبر الأنوية ذات أغلبية مستقرة حيث تبقى كما هي إلى ما لا نهاية في حين أن بعضها غير مستقرة (مشعة) بسبب وجود طاقة داخلية زائدة. تقوم النواة بعمل تغيرات تلقائية (التحلل الإشعاعي) حتى تصبح نواة مستقرة.
ذرات المادة المشعة تنحل بطريقة عشوائية ولكن بمعدل زمني ثابت ، فترة نصف العمر هو الوقت اللازم لكي تنحل نصف ذرات المادة المشعة أو لكي ينخفض النشاط الإشعاعي إلى النصف وبعد مرور ضعفي فترة نصف العمر ينخفض النشاط للربع وبعد مرور ثلاثة أضعاف فترة نصف العمر ينخفض النشاط الإشعاعي للثمن وهكذا….
معدلالتحلل
تسير عملية التحلل بمعدل ثابت ، فإذا كان لدينا عينة من مادةمشعة ، يكون عدد التحللات dN التي تحدث في فترة زمنية مقارها dt متناسبا مع عددالذرات الكلي .فإذا كان عددالذرات الكليN، يكون احتمال التحلل (−dN/ dt ) متناسبا تناسبا طرديا مع dt ، أيأن:
وكلعنصر من العناصرالمشعة يتميز بمعدل تحلل خاص به ويسمى(λ). وتعني الإشارة السالبة في المعادلة أنNتنقص مع كل حدث للتحلل . ويمكن حلتلك المعادلة التفاضلية من الدرجة الأولى ونحصل على:
حيث :
N0 هي العددNعند الزمن (t = 0).
وتبين المعادلة الثانية أن ثابت التحللλله وحدة 1/الزمن ، وبالتالي يمكن صيغتها في صورةτحيث تعطيτنصف العمرأوعمر النصف لتحللالعنصر.
وعلاقةτب λ كالآتي :
وتمثل الدالة الأسية لأساسالثابت الطبيعي e معدل التحلل في المعادلة الثانية. وفي العادة يكون عددذرات العينةكبير جدا مقاربلعدد أفوجادرو بحيث يكون وصف تلك المعادة لمعدل التحلل وصفا جيدا.
نفترض الآنأن لدينا ثلاثة عناصر مختلفة مشعة :
الأخضر : عنصر مشع ، ذو نصف عمر 3 سنوات ،
الأزرق : عنصر مشع ، ذو نصف عمر 2 سنة،
الأحمر : عنصر مشع ، ذو نصف عمر 1 سنة.
يبين الرسم البياني المجاورمعدل تحلل الذرات للثلاثة عناصر ، أي أنه يبين عدد الذرات التي لم تتحلل بعد كدالةللزمن . وكما نري يتناقص عدد الذرات التي لم تتحلل بعد بمعدل ثابت مميز لكل عنصروذلك طبقا للمعادلة الثانية أعلاه . ونري أن العنصر ذو النصف عمر طويل (الأحمر) هوالذي يتميز بمعدل صغير للتحلل .
مثال عنالتحلل
إذا كان لدينا عينة مشعة تحتوي على 400.000ذرة مشعة وتتميزبنصف عمر قدره 10 أيام ، فإنه بعد مرور 10 أيام يصبح عدد الذرات التي لازالت مشعة 200.000 ذرة . وبعد مرور 10 أيام أخرى ثانية ينخفض عدد الذرات المشعة إلى 100.000ذرة وبعد مرور 10 أيام تالية يصبح عدد الذرات التي لم تتحلل 50.000 وهكذا . لذلك نتحدث عنt1 / 2 ونسميهاعمرالنصف.
عمرالنصف
عمر النصف للمادة مشعة هو الزمن الذي تنخفض فيه الكمية المشعة إلىالنصف . ويسمى هذا الزمن الثابت المميز للعنصرعمر النصف ،ويرمز له بالرمزt1 / 2. ويمكن كتابة عمر النصف كدالة لثابت التحلل أو (متوسط العمر) كالآتي:
وبالتعويض عنها في المعادلةالأسية أعلاه نحصل على:
أي أن جزء المادة التي لا زالتمشعة :
2 − 1 = 1 / 2
وهذا يعني أنه بعد مرور 3 فترات من فترات نصف العمر ،يبقي في العينة الكمية المشعة التالية :
1 / 23 = 1 / 8
أي أن متوسط العمر τ يساويعمر النصف مقسوما على اللوغاريتم الطبيعي ( ln( 2 :
.
ويبلغعمر النصف = 138 يوم لمادة البولونيوم-210 ، فحين أن يكون متوسط عمرها 200 يوم .
قانون التفكك الإشعاعي :-
Radioactiue decag law :-
تعتبر ظاهر التفكك الإشعاعيظاهرة إحصائية ، أي أنه لا يمكن التكهن بزمن
تنحل عند نواة بعينها ، ولكن عندوجود عدد كبير جداً من أنوية النظير المشع ، فإنه بمتابعة معدل تغير كمية الأشعةالمنبعثة يمكن معرفة الكثير عن نوعية التحول .
هناك احتمال محدد للتفكك فيوحدة الزمن لأي نظير مشع ، وهذا الاحتمال يعرف بثابت مميز لكل نظير مشع بغض النظرعن حالته . الكيميائية أو الفيزيائية ( من سائله أو صلبه أو غازية )
أنواع التفكك الإشعاعي :-
تفكك الفا:-
في هذه العملية تفقد النواة المشعة ( حيث X رمز النظير ) جسيمالفا المكون من بروتونين ونيوترونين وهو عبارة عن نواة ذرة الهيلوم . وهذا يعنينقصان العدد الكتلي بمقدار أربع وحدات والعدد الذري بوحدتين وبذلك تكون النواةالناتجة مختلفة تماماً عن النواة الأم .
تفكك بيتا B-Decay
تصدر نوبات بعض النظائر جسيمات تعرف بجسيمات بيتا ( B-Particles) وهذه الجسيمات عبارة عن إلكترون أو بوزيترونات والبوزيترون ( Positron) عبارة عنجسم كتلة مساوية لكتلة الإلكترون ولكن شحنته موجبة . ويحدث هذا النوع من التفككللأنوية ( المعروف باسم تفكك بتيا ) في كثير من النظائر سواء كانت ثقيلة أم خفيفة .
أنواع تفكك بيتا :- Types of B-decay
أ ) التفكك الإلكتروني Eelectron decay
يلاحظ أن إصدار إلكترون من النواة ناتج عن تحولنيوترون من نيوترونات النواة إلى بروتون وذلك لكي تصبح النسبة بين النيوتروناتوالبروتونات هي نسبة الاستقرار
ب ) التفكك البوزيتروني Positron decay
في بعض الأحيان تكون نسبة النيوتروناتإلى البروتونات في النظير المعين أقل من النسبة التي تحقق الاستقرار . وفي هذهالحالة يتحول أحد بروتونات النواة إلى نيوترون وينطلق نتيجة لذلك بوزيترون يحملشحنة البروتون الموجبة ويعرف تفكك بيتا في هذه الحالة بالتفكك البوزيتروني
جـ ) الاسر الالكتروني : Electron Capture
يمكنأن يحدث تحول أحد بروتونات النواة إلى نيوترون بطريقة أخرى يتم ذلك بأن تأسر النواةإلكترون من إلكترونات المدارية القريبة من النواة ( أي المدار k وفي أحيان قليلة منالمدار ) ويتحد هذا الإلكترون المأسور مع أحد البروتونات فيتكون النيوتون . ويعرفتفكك بيتا في هذه الحالة بالأسر الإلكتروني
وهكذا فإنهيوجد ثلاثة أنواع لتفكك بيتا هي التفكك الإلكتروني ( - B- ) والبوزيتروني ( +B ) والاسر الإلكتروني ( Electron Copture ) . وفي حالة الأسر الإلكتروني لا تصدرالنواة أياً من جسيمات بيتا ولقد ثبت فيما بعد أنه عند حدوث أي نوع من تفكك بيتاينطلق من النواة جسيمات تعرف باسم النيوترينو ( neatrino) - V نيو
اضمحلال جاما :
إشعاعات جاما هي عبارة عنموجات كهرومغناطسية ذات طاقة عالية . وتصدر إشعاعات جاما إذا تكونت النواة الوليدةالناتجة عن تفكك الفا أو تفكك بيتا في حالة مثارة فتفقد النواة إثارتها عن طريقالتخلص من الطاقة في شكل إشعاعات جاما وبذلك فإنه بالنسبة لاضمحلال جاما تكونالنواة الوليدة هي نفسها النواة الأم ولكنها أكثر استقراراً .
وتجدر الإشارةإلى أن بعض النظائر المشعة تتفكك إلى نظائر غير مستقرة يكون النظير الناتج مشعاًبدوره وبالتالي يتفكك إلى نظير آخر .
وهكذا نجد أن هناك العديد من النظائرالتي لها نشاط إشعاعي طبيعي وتتفكك هذه النظائر مصدره إما جسيمات الفا أو بيتا أوكليهما معاً وقد يتبع ذلك مباشرة أو خلال فترة زمنية معينة إشعاعات جاما الصادرةنتيجة انتقال النويات الوليدة من الحالات المثارة إلى الحالات الأرضية .
النشاط الإشعاعي (Radioactivity):
يُعَرَّفْ النشاط الإشعاعي بكمية الاضمحلال الحاصل في المصدر المشع في الثانية الواحدة. لكل مصدر مشع من هذه المصادر ما يسمى بفترة نصف العمر الزمني ويرمز له بالرمزT1/2 وهذه الفترة الزمنية هي من خصائص المصدر المشع.ويمكن تعريف نصف العمر الزمني بالفترة الزمنية التي ينقص فيها العدد الأصلي للأنوية المشعة إلي النصف. الجدول التالي يعطي تصوراً لأنصاف أعمار بعض المصادر المشعة.
أنصاف أعمار بعض العناصر المشعة
ولمعرفة مقدار الذرات المتبقية هناك معادلة يطلق عليها معادلة الاضمحلال النووي وهي تأخذ الشكل التالي:
N(t)=N0e-λt
حيث (N(t تمثل عدد الأنوية المشعة المتبقية عند الزمن t .
N0 العدد الأصلي للأنوية.
λ ثابت الاضمحلال Decay Constant وهو يعطى بالعلاقة λ=0.693/ T1/2 ووحداته (وحدة زمن-1 ).
و t هي الزمن الحالي.
الجرعة الإشعاعية (Radiation Dose):
نفرض أن هناك مصدراًمشعاً يبعث أشعة-γ، وكمثال على ذلكالمصدرالمشع السيزيوم-
(137Cs)137
الذي يبعث أشعة-γ بطاقة
أحادية مقدارها Eγ = 662 keV وله نصف عمر زمني قدره 30 سنه. فإذا وضعت كتلةً منالماء على شكل مكعب في مسار هذه الأشعة ولمدة معينة فستحصل تغيرات في هذه العينة منالماء.
هذه التغيرات ناشئة بسبب امتصاص كتلة الماء جزءاً من الطاقة الساقطة عليها في خلال تلك الفترة الزمنية. وبمعنى آخر وبكلمات أكثر وضوحاً نستطيع أن نـُـعَبـِّرْ عن ذلك بأن مكعب الماء قد أخذ جرعة إشعاعية. وعلى هذا الأساس يمكن تعريف الجرعة الإشعاعية بأنها الطاقة الممتصة من الشعاع الساقط لكل وحدة كتلة من المادة.
أما إذا كان الوسط الماص هو الهواء فلا تسمى بالجرعة الممتصة ولكن تعرف بالتعرض الإشعاعي.
وحدات الإشعاع (Radiation Units):
لأي كمية فيزيائية وحدات و أبعاد تصفها. فالوحدات هي التي تعطي تصوراً عن طبيعة هذه الكمية. ولابد من الأخذ في الاعتبار نظام هذه الوحدات فالأنظمة المتبعة ‑غالباً‑ في الوحدات هي النظام الدولي للوحدات SI ونظام cgs، فلا يخلط بين نظامين أو أكثر في عملية حسابية واحدة.
تعليق