ماكسويل2008
03-06-2008, 22:11
ينتشر الإشعاع في الطبيعة نتيجة لمساهمة النظائر المشعة في بناء المادة المحيطة بنا, هذا بالإضافة إلى الإشعاعات التي تفد إلينا من الفضاء الخارجي.
فما هي هذه النظائر المشعة ومن أين أتت…؟
I- إنها ظاهرة النشاط الإشعاعي ....
كانت هذه الظاهرة وما ينتج عنها من إشعاعات موجودةً في الطبيعة قبل وجود الحياة على وجه الأرض بزمن طويل, بل ويعتقد أن الإشعاع كان أحد نواتج الانفجار الأعظم الذي صاحب خلق الله للكون منذ حوالي عشرين ألف مليون عام. اكتشف ظاهرة النشاط الإشعاعي العالم الفرنسي هنري بكرل عام 1896 ثم تلته العالمة البولونية ماري كوري التي تابعت العمل في هذا الطريق ،وهي التي اشتقت التعبير " النشاط الإشعاعي Radio Activity " للدلالة على مقدرة نوى بعض الذرات على التحول التلقائي إلى نوى أخرى, يرافق هذه العملية صدور أشعة عُرِفت وحُدِدت فيما بعد [1].
قبل اكتشاف هذه الظاهرة كانت غالبية العناصر الموجودة في الطبيعة المكونة للجدول الدوري مثل الأوكسجين والهيدروجين والنحاس والحديد والكبريت واليورانيوم معروفة, وكان يعتقد أنها تشكل اللبنات الأساسية في بناء الوجود المادي ، وأن لكل عنصر حالة واحدة يظهر بها تحدد خواصه الكيميائية والفيزيائية وتؤهله لاحتلال خانة معينة - دون غيرها – في هذا الجدول ، لكن اكتشاف هذه الظاهرة أكد وجود أكثر من حالة فيزيائية ( نووية ) لكل عنصر من العناصر سميت هذه الحالات " النظائر" .
والنظائر لعنصر واحد تحتل المكان نفسه في الجدول الدوري، فمثلاً للهيدروجين ثلاثة نظائر هي: التريتيوم والدوتيرريوم والهيدروجين تقع في الخانة الأولى من الجدول الدوري, وللأكسجين سبعة.
تختلف نظائر العنصر الواحد في خواصها النووية على الرغم من تطابق خواصها الكيميائية. من هنا جاء اهتمام علم الفيزياء النووية بالنظائر فيما يقابل اهتمام علم الكيمياء بالعناصر.
ترتبط التفاعلات الكيميائية وبالتالي الخواص الكيميائية للعناصر بإلكتروناتها بينما تتوقف الخواص النووية على تركيب النواة*.
* النواة هي ذلك الجزء الصغير من الذرة الذي يشغل حيزاً ( غالباً شكله كروي تقريباً ) أصغر من الجزء الذي تشغله الذرة بعشرة آلاف مرة, وتتألف من جسيمات صغيرة يطلق عليها " النيكلونات " وهي على نوعين, نوع يحمل شحنة كهربائية تدعى البروتونات وعددها يساوي عدد إلكترونات الذرة ويكتب دليل سفلي إلى أسفل يسار الرمز الكيميائي, والثاني غير مشحون - فهي إذن معتدلة كهربائياً - وتدعى النيترونات, يضاف عددها إلى عدد البروتونات ليشكلا معاً العدد الكتلي ويكتب دليل علوي إلى أعلى يسار الرمز الكيميائي, وذلك للدلالة على النظير ,وقد يكتب بجوار اسم النظير, فنقول الهيدروجين 1 و الهيدروجين 2 والهيدروجين 3 , للدلالة على أي من نظائر الهيدروجين.
تصنف النظائر عامة تحت عنوانين اثنين :
الأول : " نظائر مستقرة " وهي لا تتغير أبداً وتشكل غالبية العناصر الموجودة في الطبيعة وتكون نسبتها إلى بعضها من أجل عنصر محدد ثابتة .
الثاني : " غير مستقرة أو مشعة " وهي أقل وفرة في الطبيعة من النظائر المستقرة, ويرجع سبب عدم استقرارها لوجود طاقة زائدة داخل نوى ذراتها ما يجعلها تسعى دائماً وبشكل تلقائي للتخلص من هذه الطاقة، وعندما تطلقها أو تطلق جزءاً منها نقول أنها تفككت أو اضمحلت، وبالنتيجة تنتقل نواة الذرة من حالة إلى حالة أخرى إذا أصدرت أشعة غاما أو أنها تتحول إلى نظير آخر إذا أطلقت أشعة ألفا أو أشعة بيتا .
ولقد اكتسبت بعض هذه النظائر شهرة فائقة للاستفادة منها في الأغراض السلمية في أكثر من مجال: تستخدم في الطب لمعالجة بعض الأمراض مثل اليود المشع وفي الزراعة للحفاظ على الأغذية وفي مجال الصناعة للحصول على الطاقة الكهربائية مثل اليورانيوم [ 4 ].
للدلالة عن الزمن اللازم لإنجاز هذا التحول أدخل مفهومي العمر الوسطي τ وعمر النصف .
أما الإشعاعات الناتجة وهي أشعة ألفا أو بيتا أو غاما فلكل منها خواصها الفيزيائية المحددة
أشعة ألفا : وهي نوى ذرات الهليوم أي أنها موجبة , تمتلك قدرة فائقة على تأيين ذرات أخرى, لكنها ضعيفة يمكن حجبها بقطعة من الورق المقوى أو برقيقة من الألمنيوم سمكها 0.06 ملم .
أشعة بيتا : وهي على نوعين سالبة ( إلكترونات ) وموجبة ( بوزترونات ) أقل مقدرة على التأيين لكنها أقدر على اختراق الأجسام فنحن بحاجة إلى رقيقة من الألمنيوم سمكها 3 ملم لحجبها .
أشعة غاما : تمتاز بقدرتها على اختراق الأجسام ولحجبها نحتاج صفيحة من الحديد سمكها 30سم.
وهكذا فإن مقدرة المواد على إضعاف الأشعة أو حجبها مختلف, وهذا ما يوضحه الشكل ( 1 ).
تقاس طاقة الأشعة بوحدة تدعى " المليون إلكترون فولط " والجدير ذكره أن العلاقة بين سمك المادة الحاجبة ( الموقفة ) للأشعة وطاقة هذه الأشعة ليست خطية, بمعنى أنه إذا احتجنا صفيحة من الرصاص سمكها 10سم لحجب أشعة ( ؟ ) من نوع معين طاقتها 2 مليون إلكترون فولط فليس بالضرورة أن يكون سمك صفيحة الرصاص المناسبة لحجب أشعة من النوع نفسه طاقتها 8 مليون إلكترون فولط مساوياً 40 سم. أما الشدة الإشعاعية ( عدد النوى المتفككة خلال وحدة الزمن ) لعينة مشعة ما فتقاس بوحدة تدعى " الكوري " [ 1 ].
فما هي هذه النظائر المشعة ومن أين أتت…؟
I- إنها ظاهرة النشاط الإشعاعي ....
كانت هذه الظاهرة وما ينتج عنها من إشعاعات موجودةً في الطبيعة قبل وجود الحياة على وجه الأرض بزمن طويل, بل ويعتقد أن الإشعاع كان أحد نواتج الانفجار الأعظم الذي صاحب خلق الله للكون منذ حوالي عشرين ألف مليون عام. اكتشف ظاهرة النشاط الإشعاعي العالم الفرنسي هنري بكرل عام 1896 ثم تلته العالمة البولونية ماري كوري التي تابعت العمل في هذا الطريق ،وهي التي اشتقت التعبير " النشاط الإشعاعي Radio Activity " للدلالة على مقدرة نوى بعض الذرات على التحول التلقائي إلى نوى أخرى, يرافق هذه العملية صدور أشعة عُرِفت وحُدِدت فيما بعد [1].
قبل اكتشاف هذه الظاهرة كانت غالبية العناصر الموجودة في الطبيعة المكونة للجدول الدوري مثل الأوكسجين والهيدروجين والنحاس والحديد والكبريت واليورانيوم معروفة, وكان يعتقد أنها تشكل اللبنات الأساسية في بناء الوجود المادي ، وأن لكل عنصر حالة واحدة يظهر بها تحدد خواصه الكيميائية والفيزيائية وتؤهله لاحتلال خانة معينة - دون غيرها – في هذا الجدول ، لكن اكتشاف هذه الظاهرة أكد وجود أكثر من حالة فيزيائية ( نووية ) لكل عنصر من العناصر سميت هذه الحالات " النظائر" .
والنظائر لعنصر واحد تحتل المكان نفسه في الجدول الدوري، فمثلاً للهيدروجين ثلاثة نظائر هي: التريتيوم والدوتيرريوم والهيدروجين تقع في الخانة الأولى من الجدول الدوري, وللأكسجين سبعة.
تختلف نظائر العنصر الواحد في خواصها النووية على الرغم من تطابق خواصها الكيميائية. من هنا جاء اهتمام علم الفيزياء النووية بالنظائر فيما يقابل اهتمام علم الكيمياء بالعناصر.
ترتبط التفاعلات الكيميائية وبالتالي الخواص الكيميائية للعناصر بإلكتروناتها بينما تتوقف الخواص النووية على تركيب النواة*.
* النواة هي ذلك الجزء الصغير من الذرة الذي يشغل حيزاً ( غالباً شكله كروي تقريباً ) أصغر من الجزء الذي تشغله الذرة بعشرة آلاف مرة, وتتألف من جسيمات صغيرة يطلق عليها " النيكلونات " وهي على نوعين, نوع يحمل شحنة كهربائية تدعى البروتونات وعددها يساوي عدد إلكترونات الذرة ويكتب دليل سفلي إلى أسفل يسار الرمز الكيميائي, والثاني غير مشحون - فهي إذن معتدلة كهربائياً - وتدعى النيترونات, يضاف عددها إلى عدد البروتونات ليشكلا معاً العدد الكتلي ويكتب دليل علوي إلى أعلى يسار الرمز الكيميائي, وذلك للدلالة على النظير ,وقد يكتب بجوار اسم النظير, فنقول الهيدروجين 1 و الهيدروجين 2 والهيدروجين 3 , للدلالة على أي من نظائر الهيدروجين.
تصنف النظائر عامة تحت عنوانين اثنين :
الأول : " نظائر مستقرة " وهي لا تتغير أبداً وتشكل غالبية العناصر الموجودة في الطبيعة وتكون نسبتها إلى بعضها من أجل عنصر محدد ثابتة .
الثاني : " غير مستقرة أو مشعة " وهي أقل وفرة في الطبيعة من النظائر المستقرة, ويرجع سبب عدم استقرارها لوجود طاقة زائدة داخل نوى ذراتها ما يجعلها تسعى دائماً وبشكل تلقائي للتخلص من هذه الطاقة، وعندما تطلقها أو تطلق جزءاً منها نقول أنها تفككت أو اضمحلت، وبالنتيجة تنتقل نواة الذرة من حالة إلى حالة أخرى إذا أصدرت أشعة غاما أو أنها تتحول إلى نظير آخر إذا أطلقت أشعة ألفا أو أشعة بيتا .
ولقد اكتسبت بعض هذه النظائر شهرة فائقة للاستفادة منها في الأغراض السلمية في أكثر من مجال: تستخدم في الطب لمعالجة بعض الأمراض مثل اليود المشع وفي الزراعة للحفاظ على الأغذية وفي مجال الصناعة للحصول على الطاقة الكهربائية مثل اليورانيوم [ 4 ].
للدلالة عن الزمن اللازم لإنجاز هذا التحول أدخل مفهومي العمر الوسطي τ وعمر النصف .
أما الإشعاعات الناتجة وهي أشعة ألفا أو بيتا أو غاما فلكل منها خواصها الفيزيائية المحددة
أشعة ألفا : وهي نوى ذرات الهليوم أي أنها موجبة , تمتلك قدرة فائقة على تأيين ذرات أخرى, لكنها ضعيفة يمكن حجبها بقطعة من الورق المقوى أو برقيقة من الألمنيوم سمكها 0.06 ملم .
أشعة بيتا : وهي على نوعين سالبة ( إلكترونات ) وموجبة ( بوزترونات ) أقل مقدرة على التأيين لكنها أقدر على اختراق الأجسام فنحن بحاجة إلى رقيقة من الألمنيوم سمكها 3 ملم لحجبها .
أشعة غاما : تمتاز بقدرتها على اختراق الأجسام ولحجبها نحتاج صفيحة من الحديد سمكها 30سم.
وهكذا فإن مقدرة المواد على إضعاف الأشعة أو حجبها مختلف, وهذا ما يوضحه الشكل ( 1 ).
تقاس طاقة الأشعة بوحدة تدعى " المليون إلكترون فولط " والجدير ذكره أن العلاقة بين سمك المادة الحاجبة ( الموقفة ) للأشعة وطاقة هذه الأشعة ليست خطية, بمعنى أنه إذا احتجنا صفيحة من الرصاص سمكها 10سم لحجب أشعة ( ؟ ) من نوع معين طاقتها 2 مليون إلكترون فولط فليس بالضرورة أن يكون سمك صفيحة الرصاص المناسبة لحجب أشعة من النوع نفسه طاقتها 8 مليون إلكترون فولط مساوياً 40 سم. أما الشدة الإشعاعية ( عدد النوى المتفككة خلال وحدة الزمن ) لعينة مشعة ما فتقاس بوحدة تدعى " الكوري " [ 1 ].