انحلال مشع

من المعرفة
انحلال مشع
الانحلال الاشعاعي هو عملية تطلق فيها نويات الذرات غير المستقرة الإشعاع أو الجسيمات مأيـِّنة أو الأشعة ذات الطاقة العالية من نواتها. يربو عدد الأنواع المختلفة من الذرات المعروفة على 2,300 نوع ، والمشع منها يزيد على الألفي نوع، منها نحو 50 نوعًا توجد في الطبيعة. أما البقية فقد استحدثها العلماء صناعيًا. في هذا النوع من الإحلال، فقدان الطاقة ، يؤدي إلى إنتاج ذرة من نوع واحد ، تسمى النيوكليد الأب والتي تتحول إلى ذرة من نوع مختلف ، تسمى النيوكليد الإبنة. على سبيل المثال: يحدث إنبعاث إشعاعي عن ذرة كربون-14 (الذرة الأبوية) وتتحول إلى ذرة نيتروجين-14 (النواة الإبنة). وتعتبر هذه العملية عشوائية على المستوى الذري ، وفي هذا السياق فإنه من المستحيل التكهن بموعد الإنحلال الذري ، ولكن نظرات لوجود عدد كبير من الذرات المتشابهة فإنه يمكن الخروج بنسبة متوسطة للنشاط الإشعاعي للمادة.
تاريخ الاشعاع النووي
التاريخ
يعود إكتشاف النشاط الإشعاعي الطبيعي إلى العالم أنتوني هنري بكرل عام 1896 ، وذلك عندما كان يبحث في مخبره في معهد التقانات العليا في باريس في كيفية تصوير الأشعة السينية وابرازهاعلى صفائح فوتوغرافية من صنعه,مصنوعة من كبريتات مختلفة للتوتياء والكالسيوم وأملاح أخرى غير معروفة كثيرا ونادرة, فخلال محاولاته لاحظ تأثر الصفائح في الظلام رغم عدم قذفها بأشعة مهبطية ،بحيث تصدر هذه الأملاح التي تحتوي على اليورانيوم إشعاعات مميزة سماها في سنة 1896 إشعاعات يورانيومية وهي ناتجة عن نشاط إشعاعي يحدث في الطبيعة تلقائيا ، بعدها تأكد كل من ماري كوري وزوجها پيير من سبب هذا النشاط إذ تبين أن صفائح بكرل تحتوي على اليورانيوم هو سبب الحصول على هذه الإشعاعات نظرا للتناسب الطردي بين شدة هذا النشط وكمية اليورانيوم في هذه الأملاح.
في عام 1896 م اكتشف بكرل أن أحد أملاح اليورانيوم يصدر اشعاعا - لم تكن طبيعته واضحة في ذلك الوقت - وأثبت بكريل أن الاشعاع الذي اكتشفه يصدر عن جميع مركبات اليورانيوم وعن اليورانيوم الفزي أيضا بما يعني أن مصدر الاشعاع هو ذرة اليورانيوم واتضح له أن هذا الاشعاع يحدث بصورة تلقائية مستمرة لا تؤثر عليه المؤثرات الخارجية من ضغط ودرجة حرارة ولهذا سمى اشعاع اليورانيوم اشعاع نشط Radioactive Radiation وتسمى هذه الظاهرة النشاط الإشعاعي Radioactivity في عام 1898 م قام بيير كوري وزوجته ماريا سكلودوفسكايا - بولندية الاصل - ومشهورة باسم مدام كوري باكتشاف النشاط الاشعاعي للثوريوم وأيضا اكتشفا في نفس السنة عنصرين جديدين يوجدان في خامات اليورانيوم العنصر الاول أطلق عليه الراديوم وهو عنصر أقوى في نشاطه الاشعاعي من اليورانيوم بمليون مرة بينما العنصر الثاني أطلقا عليه اسم مسقط رأس م كوري وهو بولونيوم وبعد 10 سنوات اكتشف رذرفورد في عام 1908 م الغاز النشط اشعاعيا - الرادون - بواسطة التحليل الطيفي
خواصُّ النَّوَى
لكي نفهم ما يحدث داخل ذرة مشعة ، يجب علينا أن نتعرف على تركيب النواة. يسمى عدد البروتونات في نواة الذرة العدد الذري. ولكل عنصر عدد ذري مختلف. فالهيدروجين مثلاً له بروتون واحد، ولذا فإن عدده الذري 1، واليورانيوم عدده الذري 92 لأن نواته تحتوي على 92 بروتونًا. ويسمى العدد الكلي من البروتونات والنيوترونات في نواة الذرة، العدد الكُتلي. وتحتوي نواة الهيدروجين العادي على بروتون واحد، وليس بها نيوترونات، ولذا فإن العدد الكتلي للهيدروجين العادي هو واحد. أما نواة الهيدروجين الثقيل، أي (الديوتريوم) فإنه يوجد بها بروتون واحد ونيوترون واحد، ولذا فإن عدده الكتلي 2. كما أن أحد الأنواع المشعة للهيدروجين والمسمى تريتيوم له العدد الكتلي 3، وذلك لأن به بروتونًا واحدًا ونيوترونين. ولكن الأنواع الثلاثة للهيدروجين لها نفس العدد الذري. وتسمى الذرات التي لها نفس العدد الذري ولها أعداد كتلية مختلفة النظائر. أي أن الهيدروجين العادي والديوتريوم والتريتيوم ، كلها، نظائر لعنصر الهيدروجين، ويكتبها العلماء عادة 31H , 21H , 11H. ويمثل العدد الأسفل العدد الذري، في حين أن العدد الأعلى يمثل العدد الكتلي. وجميع نظائر أيِّ عنصر ذات خصائص كيميائية واحدة.
ابتعاث الإشعاع
تنشأ الأنواع المختلفة من الإشعاع في نوى الذرات المشعَّة. وما جسيم ألفا، المكوَّن من بروتونات ونيوترونات، إلا شَظيَّة من النواة التي أطلقته. أما إلكترون أشعة بيتا، فإنه ينشأ في النواة عندما يحدث تغيُّر لأحد الجسيمات فيها. وعندما تطلق الذرات إشعاع ألفا أو بيتا، فإنها تتغير إلى ذرات عناصر أخرى، يُسمِّي العلماء ذلك التغير التحوُّل أو التبدُّل. أما ابتعاث أشعة جاما فينتج عنه تحرر للطاقة فقط ولا يحدث بسببه تحوُّل.
تغير النشاط الإشعاعي مع الزمن
النشاط الإشعاعى للعناصر المشعة تتغير مع الزمن تبعاً لدالة أسية e-0.693t/T A= A0 حيث A تمثل النشاط الاشعاعى عند الزمن T و A0 عند الزمن T=0 ويسمى T بعمر النصف half life الذى يعرف بأنه الزمـن اللازم لكى تتحلل نصف عدد الأنوية .وهناك عناصر لها عمر نصف كبير يقدر بـ 1010 × 1.39 سنة كعنصــر الثوريوم s232Th وأخرى مثل البولونيوم s212Po يبلغ عمر النصـف فيـها 10 -7 × 3 ثانيـة . ويبين الشكل تغير النشاط الإشعاعى (A) مع الزمن (T).
عمر النصف
عدد الجسيمات المنطلقة من عينة نظير مشعّ في فترة زمنية هو نسبة مئوية محددة من عدد ذرات العينة. فمثلاً، ينحل من أي عينة من 11CC 3,5% منها كل دقيقة. فإذا بدأنا بعينة ما من 11C، فإنه لن يتبقى منها بعد أول دقيقة إلا 96,5%. وفي نهاية الدقيقة الثانية يتبقى 96,5% من العينة عند بدء هذه الدقيقة، أي 96,5% من 96,5% من العينة الأصلية، أي 93,1% من العينة الأصلية. وبعد عشرين دقيقة لن يبقى من الكمية الأصلية إلا نصفها فقط. وهذا معنى قولنا أن عمر النصف 11C 20 دقيقة. ويُسَمَّى هذا الفناء التدريجي للمادة الانحلال الإشعاعي أو التحوُّل النووي. وللنظائر المختلفة أنصاف أعمار مختلفة. ويتراوح نصف العمر من كسور من الثانية إلى بلايين السنين. وفيما عدا استثناءات قليلة، فإن النظائر المشعة الموجودة في الطبيعة بكميات يُمكن ملاحظتها هي فقط تلك التي لها نصف عمر يبلغ ملايين كثيرة من السنين، أو حتى بلايين السنين. ويعتقد العلماء أنه عندما تكوَّنت عناصر الأرض، كانت كلُّ النظائر الممكنة موجودة. وفي الغالب، تحللت تلك التي لها أنصاف أعمار قصيرة بحيث لم يبق منها إلا كميات أصغر من أن تلاحظ. ولكن بعض النظائر ذات العمر القصير، الموجودة في الطبيعة، تكوَّنت نتيجة انحلال نظائر مشعة طويلة العمر. فمثلاً، ينتج الثوريوم 234، الذي له نصف عمر قصير، من اليورانيوم الذي له نصف عمر طويل. كذلك تُنتج الأشعة الكونية، الكربون 14، وهو نظير نصف عمره قصير نسبيًّا. ومن النظائر المشعة ذات العمر الطويل الموجودة على الأرض، البوتاسيوم 40، والثوريوم 232، واليورانيوم 235، واليورانيوم 238.
ويُنتج المفاعل النووي صناعيا مئات النظائر المشعة قصيرة العمر، وذلك بإطلاق نيوترونات أو جسيمات نووية سريعة على النوى. فإذا أُطلق نيوترون أو جسيم آخر على نواة ذرة، يصبح من المحتمل أن تقوم النواة بأسر ما ارتطم بها. وفي بعض الأحيان تقوم النواة بأسر جسيم فيها ثم يلي ذلك مباشرة أن تقوم النواة بطرد أحد جسيماتها.
مخاطر المواد المشعة
يدمِّر الإشعاع الخلايا الحية. ولذا تجب حماية الأفراد الذين يتعاملون مع المواد المشعة من الإشعاع. وتُمتص جسيمات ألفا وبيتا بشيء من السهولة، أما أشعة جاما فلها قدرة عالية على الاختراق. وتمتص العناصر ذات العدد الذريّ الكبير أشعة جاما بدرجة أفضل من تلك التي لها عدد ذري صغير.
أنواع الانحلال


رسم يبين كيفية توقف النشاط الاشعاعي لجسيمات ألفا بواسطة ورقة، وجسيمات بيتا بواسطة صفيحة من الألومنيوم ، أما جسيمات جاما فليزمها حاجز أكثر سمكا مثل صفيحة من الرصاص.
توجد ثلاثة أنواع من الإشعاع النشط: جسيمات ألفا ، وكان بكرل أول من تعرف عليها؛ وجسيمات بيتا التي تعرف عليها النيوزيلندي إرنست رذرفورد ؛ وأشعة جاما التي تعرف عليها الزوجان الفرنسيان ماري وپيير كوري.
كان العالم فيرمي ( Enrico Fermi) في العام 1934 يقوم ببعض التجارب للحصول على نظائر العناصر عن طريق قذف النوى بالنيوترونات. وعندما وصل إلى عنصر اليورانيوم ( العنصر الأخير في الجدول الدوري في ذلك الوقت ) . توقع أن قذف العنصر بالنيوترونات سيؤدي إلى وجود نواة غير متسقرة تقوم بإطلاق جسيمات بيتا وبالتالي ازدياد العدد الذري من 92 إلى 93 وانتاج عنصر جديد في الجدول الدوري ، ولكنه لم يحصل على ما توقعه ولم يستطع التعّرف على نواتج التفاعل.
واستمرت الأبحاث والدراسات من العام 1935 إلى العام 1938 حيث قام عالم كيميائي ألماني يسمى إدا نوداك ( Ida Noddack) بالتعرف على نواتج التفاعل وأوضح أن نواة اليورانيوم انشطرت إلى نواتين متوسطتي الكتلة . وقد أكدت الدراسات صحة ما افترضه هذا العالم . وبذلك يكون الإنشطار النووي " انقسام نواة ثقيلة إلى نواتين متوسطتي الكتلة ، وانتاج كميات هائلة من الطاقة نتيجة تفاعل نووي " ولإحداث الإنشطار تقذف النواة الثقيلة مثل اليورانيم /ذري92\ كتلي235 يوارانيوم ـ 235 بجسيمات خفيفة نسبياً مثل النيوترونات التي تعد أفضل القذائف لأنها لا تحمل شحنة.
جسيمات ألفا
تحمل شحنات كهربائية موجبة. ويتركب جسيم ألفا من بروتونين ونيوترونين، أي أنه يماثل نواة ذرة الهيليوم. تنطلق جسيمات ألفا بطاقات عالية، ولكنها سرعان ما تفقدها عند مرورها في المادة. وبمقدور ورقتان من أوراق هذه الموسوعة إيقافها.
جسيمات بيتا
وهي إلكترونات. تطلق بعض النوي المشعة إلكترونات عادية تحمل شحنات كهربائية سالبة. لكن البعض الآخر يطلق بوزيترونات وهي إلكترونات ذات شحنة موجبة. وتنتقل جسيمات بيتا بسرعة تقارب سرعة الضوء ويستطيع بعضها أن ينفذ خلال 13ملم من الخشب.
أشعة جاما
أشعة غير مشحونة كهربائيًا. وتشبه هذه الأشعة الأشعة السينية، إلا أنها تكون في الغالب ذات طولٍ موجي أصغر. انظر: الأشعة السينية. وهذه الأشعة هي فوتونات (جسيمات الإشعاع الكهرومغنطيسي)، وتنتقل بسرعة الضوء. تخترق أشعة جاما الأجسام بدرجةٍ أكبر من جسيمات ألفا أو بيتا.



أنماط الانحلال في صيغة جدول
نمط التحلل الجسيمات المشاركة النواة الإبنة
تحللات مصحوبة بانبعاث نيوكليونات:
Alpha decay
An alpha particle (A=4, Z=2) emitted from nucleus (A–4, Z–2)
Proton emission
A proton ejected from nucleus (A–1, Z–1)
Neutron emission
A neutron ejected from nucleus (A–1, Z)
Double proton emission
Two protons ejected from nucleus simultaneously (A–2, Z–2)
Spontaneous fission
Nucleus disintegrates into two or more smaller nuclei and other particles -
Cluster decay
Nucleus emits a specific type of smaller nucleus (A1, Z1) smaller than, or larger than, an alpha particle (A–A1, Z–Z1) + (A1,Z1)
Different modes of beta decay:
Beta-Negative decay
A nucleus emits an electron and an antineutrino
(A, Z+1)
Positron emission, also Beta-Positive decay
A nucleus emits a positron and a neutrino
(A, Z–1)
Electron capture
A nucleus captures an orbiting electron and emits a neutrino - The daughter nucleus is left in an excited and unstable state (A, Z–1)
Double beta decay
A nucleus emits two electrons and two antineutrinos (A, Z+2)
Double electron capture
A nucleus absorbs two orbital electrons and emits two neutrinos - The daughter nucleus is left in an excited and unstable state (A, Z–2)
Electron capture with positron emission
A nucleus absorbs one orbital electron, emits one positron and two neutrinos (A, Z–2)
Double positron emission
A nucleus emits two positrons and two neutrinos (A, Z–2)
Transitions between states of the same nucleus:
Isomeric transition
Excited nucleus releases a high-energy photon (gamma ray)
(A, Z)
Internal conversion
Excited nucleus transfers energy to an orbital electron and it is ejected from the atom (A, Z)
الانحلال الاشعاعي
عملية تلقائية يتحول فيها العنصر إلى عنصر اخر نتيجة فقد جسيمات الفا أو جسيمات بيتا وانطلاق أشعة جاما.
الفرق بين الانحلال الاشعاعي والتحول الكيميائي
يختلف الانحلال الاشعاعي عن التحول الكيميائي في
1. الانحلال الاشعاعي عملية تلقائية مستمرة
2. يعتمد على العنصر المشع ولا يرتبط بالمركب الكيميائي
3. لا يتوقف على الظروف الفيزيائية ( الضغط ، درجة الحرارة )
4. تنطلق منه طاقة هائلة
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
الكوري هو نشاط عينة تنحل فيها في الثانية الواحدة 3.7x1010 من الأنوية المشعة.

موضوع جميل الله ينور