Diamond
19-12-2006, 23:03
الإشعاع الذري (1)
المقدمة:-
إن من أهم الظواهر الكونية تلك الظاهرة المعروفة باسم الإشعاع أو التحلل الإشعاعي للعناصر، وكان من أوائل من أدركها العالم الألماني رونتجن مكتشف الأشعة السينية سنة 1895م.
ثم تلاه الفرنسي هنري بيكيريل الذي اكتشف بالقدر أن عنصر اليورانيوم ومركباته تقوم تلقائياً بإرسال حزم من الأشعة غير المرئية شبيهة في مفعولها بأشعة رونتجن.
ثم اكتشفت العالمة ماريا اسكلودسكا وزوجها الفرنسي بيير كوري أن لعنصر الثوريوم نفس الخاصية التي اقترحت تسميتها بخاصية الإشعاع وتسمية العناصر التي لها نفس الخاصية باسم العناصر المشعة. وفي سنة 1898م نجحت السيدة ماريا وزوجها بيير كوري في اكتشاف عنصر الراديوم المشع وعزله، وكذلك عزل غيره من العناصر المشعة.
وبعد ذلك تم اكتشاف حوالي ستين نواة مشعة وينتج عن تحلل عناصر مشعة أخرى أو عن تفاعلات نووية متباينة، وأصبح من المعلوم اليوم أن جميع العناصر التي يزيد عددها الذري على 82 هي عناصر مشعة وتنقسم إلى ثلاث مجموعات هي مجموعة اليورانيوم ومجموعة الأستينيوم ومجموعة الثوريوم هذا بالإضافة إلى عناصر أخرى خفيفة تتميز أيضاً بالإشعاع.
وفي سنة 1902م تمكن العالمان البريطانيان رزرفورد وسودي تفسير ظاهرة الإشعاع على أساس من عملية التحلل الذري والتي تنادي بأن العناصر المشعة مثل اليورانيوم والثوريوم تتعرض لتحلل ذري تلقائي بطيء بمعدلات ثابتة لا تتأثر بالظروف المحيطة منتجة في النهاية الرصاص والهيليوم.
ويقصد بالإشعاع الذري تلك الجسيمات وأكمام الطاقة (أشعة جاما) التي تنطلق تلقائياً من نواة الذرة، وهي جسيمات وأشعة لها القدرة على التأثير على الذرات التي تتكون منها المادة ومن ضمنها الذرات المكونة لجسد الإنسان وأجسام الكائنات الحية.
كما كانت معدلات التحلل بالإشعاع بطيئة جداً فقد اتفق العلماء على التعبير عنها بعمر النصف (أي المدة اللازمة لكي يفقد وزن معين من العنصر المشع نصفه على هيئة نهايات غير مشعة وتتبقى له نصف شدته الإشعاعية الأولية).
والذرات التي تحوي نواة كل منها على نفس العدد الذري ولكن تختلف في عدد النيترونات المتعادلة يمكن أن تكون سلسلة من النظائر التي لها نفس الصفات الكيميائية ولكن تختلف في عدد الكتلة الخاص بها وتختلف كذلك بعض صفاتها الطبيعية مثل أن تكون مشعة أو غير مشعة وتميز كلها بأنها نظائر لعنصر واحد.
إن البروتونات والنيوترونات في نواة الذرة تترابط مع بعضها البعض بقوى تماسك هائلة، ولذلك فإن النواة إذا شطرت أو تحطمت أدى ذلك إلى انطلاق طاقة هائلة. وعندما تزدحم نواة عنصر ما بأعداد من البروتونات والنيترونات تكفي للوصول بقوى الترابط بينها إلى أقصى حد يمكنها من إبقائها متماسكة، لذا فإن الذبذبات العادية في داخل النواة قد تتعدى حدود ذلك الترابط فتتطاير أجزاء من النواة بصورة تلقائية وهذا ما يعرف بظاهرة الإشعاع أو التحلل الإشعاعي.
وفي مثل هذا التحلل التلقائي للنواة فإن الجسيمات المنطلقة غالباً ما تتكون من اثنين من النيوترونات واثنين من البروتونات (ويعرف كل واحد من هذه الجسيمات باسم جسيم ألفا) وبخسارة مثل هذا الجسيم تترك النواة عادة في حالة من عدم الاستقرار مما يؤدي إلى انطلاق أشعة جاما أو إلى انطلاق إلكترون واحد يعرف باسم جسيم بيتا مع نيوترينو وغير ذلك من التحلل الإشعاعي.
مصادر الإشعاع:-
يمكن تقسيم مصادر الإشعاع إلى مصدرين:-
أولاً: المصادر الطبيعية للإشعاع الذري.
إن الإشعاع الذري موجود قبل خلق الأرض بزمن طويل، ويمكن تقسيم مصادر الإشعاع الطبيعية إلى:-
أ- الأشعة الكونية:
الأشعة الكونية هي التي تغزو الأرض من الفضاء الخارجي ومعظمها بحكمة الله تعالى (يصد من قبل الغلاف الجوي المحيط بالأرض قبل وصوله) وتمثل الأشعة الكونية أقل قليلاً من نصف الجرعة الإشعاعية الطبيعية القادمة من خارج جسم الإنسان، والمصدر الرئيسي لهذه الأشعة ناتج عن الحوادث النجمية في الفضاء الكوني البعيد ومنها ما يصدر عن الشمس خاصة خلال التوهجات الشمسية التي تحدث مولدة جرعة إشعاعية كبيرة إلى الغلاف الغازي للأرض، وتتكون هذه الأشعة الكونية من 87% من البروتونات و 11% من جسيمات ألفا وحوالي 1% من النوى ذات العدد الذري بين 26.4 وحوالي 1% من الإلكترونات ذات طاقة عالية جداً وهذا ما تمتاز به الأشعة الكونية لذلك فإن لها قدرة كبيرة على الاحتراق.
كما أنها تتفاعل مع نوى ذرات الغلاف الجوي مولدة بذلك إلكترونات سريعة وأشعة جاما ونيوترونات وميزونات. وتتباين شدة الأشعة على سطح الأرض من مكان إلى آخر فالقضبان يتعرضان لنسبة أكبر منها مقارنة بالمنطقة الاستوائية لأن المجال المغناطيسي الأرضي يغير اتجاه هذه الأشعة المتأينة القادمة من الفضاء الخارجي ويقوم بتقميعها باتجاه القطبين كما أن الأشعة الكونية تزداد تدريجياً مع الارتفاع عن سطح البحر.
ويمكن تقسيم الأشعة الكونية إلى:-
1- الإشعاع المأسور:-
إن الحقل المغناطيسي للأرض هو المسؤول عن تكوين أطواق الإشعاع المأسور حول الأرض حيث تقع الإلكترونات والبروتونات في الشراك في مناطق تبدأ فوق الغلاف الجوي وتمتد إلى مسافة تتراوح بين 10-12 مرة من نصف قطر الأرض. إن الجسيمات المشحونة التي تجتاز هذه المناطق تتخذ مساراً حلزونياً حول خطوط الحقل المغناطيسي، وتتذبذب بين النقاط العاكسة الموضوعة في اتجاه معاكس لنصفي الكرة الأرضية.
إن المحور المغناطيسي للأرض يميل بحدود 11 درجة عن محور الدوران الذاتي وبالتالي فإنه يحيد قليلاً عن المركز ونتيجة لذلك تمتد أطواق البروتونات المأسورة نحو الغلاف الجوي وتعرف هذه المنطقة بالظاهرة الأطلسية الجنوبية.
2- الإشعاع الكوني المنحدر من المجرات:
- الأشعة الكونية الأولية.
يتولد الإشعاع الكوني المتحدر من المجرات من خارج النظام الشمسي، ويتألف من نوى ذرية مشحونة مؤينة من:-
أ- الهيدروجين (87%) – (البروتونات).
ب- الهيليوم (12%) – (جسيمات ألفا).
ج- نوى ثقيلة مثل الكربون والنتروجين والأكسجين والكالسيوم والحديد (1%).
ويتميز هذا النوع من الإشعاع بطاقات حركية كبيرة جداً (أعلى من عدة آلاف من GeV في وحدة الكتلة الذرية).
- (الأشعة الكونية الثانوية).
وتنتج من تفاعل الأشعة الكونية الأولية مع مكونات الغلاف الجوي. وتتألف هذه الأشعة من:
أ- مكونات خفيفة مثل الإلكترونات والميزونات والفوتونات.
ب- مكونات ثقيلة مثل النترونات والبروتونات ومختلف الأيونات.
تقل كثافة الأشعة الكونية الأولية كلما اقتربنا من سطح الأرض في حين تزداد كثافة الأشعة الكونية الثانوية بالاقتراب من سطح الأرض.
3- الحوادث الشمسية :-
وهي إدخالات للإلكترونات الطاقية والبروتونات وجسيمات ألفا وجسيمات ثقيلة أخرى إلى الفضاء البيوكوكبي في أثناء توهجات الشمس.
معظم توهجات الشمس لا يمثل خطراً ملموساً، ويعزى ذلك إما لأنها صغيرة جداً أو بالتالي غير قادرة على حقن أعداد ملموسة من الجسيمات الشمسية الطاقية، أولاً لأنها تظهر عند توضعات طولانية شمسية غير مؤاتية لنقل هذه الجسيمات إلى الأرض عبر خطوط الحقل المغناطيسي البيوكوكبي.
إن التوهجات أو السلاسل المتعاقبة السريعة من التوهجات العملاقة لها صلة مباشرة في توليد الحوادث الجسيمية الشمسية ذات الطاقة العالية جداً. هذه الحوادث البروتونية الشمسية تظهر مرة أو مرتين في كل دورة للشمس.
الي اللقاء مع الإشعاع الذري (2)
المقدمة:-
إن من أهم الظواهر الكونية تلك الظاهرة المعروفة باسم الإشعاع أو التحلل الإشعاعي للعناصر، وكان من أوائل من أدركها العالم الألماني رونتجن مكتشف الأشعة السينية سنة 1895م.
ثم تلاه الفرنسي هنري بيكيريل الذي اكتشف بالقدر أن عنصر اليورانيوم ومركباته تقوم تلقائياً بإرسال حزم من الأشعة غير المرئية شبيهة في مفعولها بأشعة رونتجن.
ثم اكتشفت العالمة ماريا اسكلودسكا وزوجها الفرنسي بيير كوري أن لعنصر الثوريوم نفس الخاصية التي اقترحت تسميتها بخاصية الإشعاع وتسمية العناصر التي لها نفس الخاصية باسم العناصر المشعة. وفي سنة 1898م نجحت السيدة ماريا وزوجها بيير كوري في اكتشاف عنصر الراديوم المشع وعزله، وكذلك عزل غيره من العناصر المشعة.
وبعد ذلك تم اكتشاف حوالي ستين نواة مشعة وينتج عن تحلل عناصر مشعة أخرى أو عن تفاعلات نووية متباينة، وأصبح من المعلوم اليوم أن جميع العناصر التي يزيد عددها الذري على 82 هي عناصر مشعة وتنقسم إلى ثلاث مجموعات هي مجموعة اليورانيوم ومجموعة الأستينيوم ومجموعة الثوريوم هذا بالإضافة إلى عناصر أخرى خفيفة تتميز أيضاً بالإشعاع.
وفي سنة 1902م تمكن العالمان البريطانيان رزرفورد وسودي تفسير ظاهرة الإشعاع على أساس من عملية التحلل الذري والتي تنادي بأن العناصر المشعة مثل اليورانيوم والثوريوم تتعرض لتحلل ذري تلقائي بطيء بمعدلات ثابتة لا تتأثر بالظروف المحيطة منتجة في النهاية الرصاص والهيليوم.
ويقصد بالإشعاع الذري تلك الجسيمات وأكمام الطاقة (أشعة جاما) التي تنطلق تلقائياً من نواة الذرة، وهي جسيمات وأشعة لها القدرة على التأثير على الذرات التي تتكون منها المادة ومن ضمنها الذرات المكونة لجسد الإنسان وأجسام الكائنات الحية.
كما كانت معدلات التحلل بالإشعاع بطيئة جداً فقد اتفق العلماء على التعبير عنها بعمر النصف (أي المدة اللازمة لكي يفقد وزن معين من العنصر المشع نصفه على هيئة نهايات غير مشعة وتتبقى له نصف شدته الإشعاعية الأولية).
والذرات التي تحوي نواة كل منها على نفس العدد الذري ولكن تختلف في عدد النيترونات المتعادلة يمكن أن تكون سلسلة من النظائر التي لها نفس الصفات الكيميائية ولكن تختلف في عدد الكتلة الخاص بها وتختلف كذلك بعض صفاتها الطبيعية مثل أن تكون مشعة أو غير مشعة وتميز كلها بأنها نظائر لعنصر واحد.
إن البروتونات والنيوترونات في نواة الذرة تترابط مع بعضها البعض بقوى تماسك هائلة، ولذلك فإن النواة إذا شطرت أو تحطمت أدى ذلك إلى انطلاق طاقة هائلة. وعندما تزدحم نواة عنصر ما بأعداد من البروتونات والنيترونات تكفي للوصول بقوى الترابط بينها إلى أقصى حد يمكنها من إبقائها متماسكة، لذا فإن الذبذبات العادية في داخل النواة قد تتعدى حدود ذلك الترابط فتتطاير أجزاء من النواة بصورة تلقائية وهذا ما يعرف بظاهرة الإشعاع أو التحلل الإشعاعي.
وفي مثل هذا التحلل التلقائي للنواة فإن الجسيمات المنطلقة غالباً ما تتكون من اثنين من النيوترونات واثنين من البروتونات (ويعرف كل واحد من هذه الجسيمات باسم جسيم ألفا) وبخسارة مثل هذا الجسيم تترك النواة عادة في حالة من عدم الاستقرار مما يؤدي إلى انطلاق أشعة جاما أو إلى انطلاق إلكترون واحد يعرف باسم جسيم بيتا مع نيوترينو وغير ذلك من التحلل الإشعاعي.
مصادر الإشعاع:-
يمكن تقسيم مصادر الإشعاع إلى مصدرين:-
أولاً: المصادر الطبيعية للإشعاع الذري.
إن الإشعاع الذري موجود قبل خلق الأرض بزمن طويل، ويمكن تقسيم مصادر الإشعاع الطبيعية إلى:-
أ- الأشعة الكونية:
الأشعة الكونية هي التي تغزو الأرض من الفضاء الخارجي ومعظمها بحكمة الله تعالى (يصد من قبل الغلاف الجوي المحيط بالأرض قبل وصوله) وتمثل الأشعة الكونية أقل قليلاً من نصف الجرعة الإشعاعية الطبيعية القادمة من خارج جسم الإنسان، والمصدر الرئيسي لهذه الأشعة ناتج عن الحوادث النجمية في الفضاء الكوني البعيد ومنها ما يصدر عن الشمس خاصة خلال التوهجات الشمسية التي تحدث مولدة جرعة إشعاعية كبيرة إلى الغلاف الغازي للأرض، وتتكون هذه الأشعة الكونية من 87% من البروتونات و 11% من جسيمات ألفا وحوالي 1% من النوى ذات العدد الذري بين 26.4 وحوالي 1% من الإلكترونات ذات طاقة عالية جداً وهذا ما تمتاز به الأشعة الكونية لذلك فإن لها قدرة كبيرة على الاحتراق.
كما أنها تتفاعل مع نوى ذرات الغلاف الجوي مولدة بذلك إلكترونات سريعة وأشعة جاما ونيوترونات وميزونات. وتتباين شدة الأشعة على سطح الأرض من مكان إلى آخر فالقضبان يتعرضان لنسبة أكبر منها مقارنة بالمنطقة الاستوائية لأن المجال المغناطيسي الأرضي يغير اتجاه هذه الأشعة المتأينة القادمة من الفضاء الخارجي ويقوم بتقميعها باتجاه القطبين كما أن الأشعة الكونية تزداد تدريجياً مع الارتفاع عن سطح البحر.
ويمكن تقسيم الأشعة الكونية إلى:-
1- الإشعاع المأسور:-
إن الحقل المغناطيسي للأرض هو المسؤول عن تكوين أطواق الإشعاع المأسور حول الأرض حيث تقع الإلكترونات والبروتونات في الشراك في مناطق تبدأ فوق الغلاف الجوي وتمتد إلى مسافة تتراوح بين 10-12 مرة من نصف قطر الأرض. إن الجسيمات المشحونة التي تجتاز هذه المناطق تتخذ مساراً حلزونياً حول خطوط الحقل المغناطيسي، وتتذبذب بين النقاط العاكسة الموضوعة في اتجاه معاكس لنصفي الكرة الأرضية.
إن المحور المغناطيسي للأرض يميل بحدود 11 درجة عن محور الدوران الذاتي وبالتالي فإنه يحيد قليلاً عن المركز ونتيجة لذلك تمتد أطواق البروتونات المأسورة نحو الغلاف الجوي وتعرف هذه المنطقة بالظاهرة الأطلسية الجنوبية.
2- الإشعاع الكوني المنحدر من المجرات:
- الأشعة الكونية الأولية.
يتولد الإشعاع الكوني المتحدر من المجرات من خارج النظام الشمسي، ويتألف من نوى ذرية مشحونة مؤينة من:-
أ- الهيدروجين (87%) – (البروتونات).
ب- الهيليوم (12%) – (جسيمات ألفا).
ج- نوى ثقيلة مثل الكربون والنتروجين والأكسجين والكالسيوم والحديد (1%).
ويتميز هذا النوع من الإشعاع بطاقات حركية كبيرة جداً (أعلى من عدة آلاف من GeV في وحدة الكتلة الذرية).
- (الأشعة الكونية الثانوية).
وتنتج من تفاعل الأشعة الكونية الأولية مع مكونات الغلاف الجوي. وتتألف هذه الأشعة من:
أ- مكونات خفيفة مثل الإلكترونات والميزونات والفوتونات.
ب- مكونات ثقيلة مثل النترونات والبروتونات ومختلف الأيونات.
تقل كثافة الأشعة الكونية الأولية كلما اقتربنا من سطح الأرض في حين تزداد كثافة الأشعة الكونية الثانوية بالاقتراب من سطح الأرض.
3- الحوادث الشمسية :-
وهي إدخالات للإلكترونات الطاقية والبروتونات وجسيمات ألفا وجسيمات ثقيلة أخرى إلى الفضاء البيوكوكبي في أثناء توهجات الشمس.
معظم توهجات الشمس لا يمثل خطراً ملموساً، ويعزى ذلك إما لأنها صغيرة جداً أو بالتالي غير قادرة على حقن أعداد ملموسة من الجسيمات الشمسية الطاقية، أولاً لأنها تظهر عند توضعات طولانية شمسية غير مؤاتية لنقل هذه الجسيمات إلى الأرض عبر خطوط الحقل المغناطيسي البيوكوكبي.
إن التوهجات أو السلاسل المتعاقبة السريعة من التوهجات العملاقة لها صلة مباشرة في توليد الحوادث الجسيمية الشمسية ذات الطاقة العالية جداً. هذه الحوادث البروتونية الشمسية تظهر مرة أو مرتين في كل دورة للشمس.
الي اللقاء مع الإشعاع الذري (2)