النشاط الإشعاعي الطبيعي وأنواع الأشعة ومصادرها

• أنواع الأشعة المنبعثة من المواد المشعة طبيعياً
• المصادر الطبيعية للإشعاع الذري
• قانون التفكك الإشعاعي
• أنواع التفكك الإشعاعي
• نظرية الانحلال الإشعاعي
• متسلسلات النشاط الإشعاعي الطبيعي
• التفكك الإشعاعي التلقائي

الإلكترونات المدارية للذرة، تستطيع أن تمتص طاقة وإن تغير من مستواها، وفي بعض الأحيان قد تكون الطاقة الممتصة كبيرة لدرجة تسمح للإلكترون بعمل ( قفزة نهائية) وبأن يتخلص من جاذبية النواة . والنتيجة هي تولد الأيون ( أي ذرة ينقصها إلكترون ) . ونستطيع القول بأنه في هذه الظروف الاستثنائية ، تفقد الذرة كل إلكتروناتها أو معظمها – وتبقى عبارة عن نواة معزولة . ولذلك فإن الذرات ، ليست غير قابلة للانقسام بعكس الاعتقاد الذي ظل سائداً لفترة طويلة مهما يكن من أمر فإن التأين ليس مجرد ظاهرة عرضية . فكل ذرة متأينة متصلة بالمادة ، لن تلبث أن تستعيد إلكتروناتها وتقوم بامتصاصها من الوسط المحيط بها فتعود إلى تكوينها الأصلي . ولتقسيم ذرة بصفة نهائية يحتاج الأمر لأجراء إضافي : ذلك هو تفتيت نواتها . ذلك ما يمكن أن نتوقعه بالنظر إلى تعقد تكوين النوى . وليس فقط يمكن تفتيت النوى ولكن بعضها يتفتت تلقائياً وتنبعث منها إشعاعات ثم تتحول بعد ذلك إلى نوى مختلفة .

أنواع الأشعة المنبعثة من المواد المشعة طبيعياً

قام رذرفورد بدراسة خواص الإشعاعات المنبعثة من العناصر المشعة وذلك بوضع مصدر الراديوم ( مادة مشعة ) داخل حافظة من الرصاص ذات ثقب اسطواني صغير القطر يمكننا من الحصول على حزمة ضيقة من الإشعاعات وذلك باستخدام مجال مغناطيسي قوى كمحلل .
فلاحظ أن الحزمة بعد اختراقها لمجال تنقسم إلى ثلاثة أقسام :

1- تنحرف أحدها في الاتجاه العمودي على المجال المغناطيسي ، ويدل اتجاه انحرافها على أنها مكونة من جسيمات مشحونة بشحنة موجبة . كما يدل مقدار الانحراف على ثقل هذه الجسيمات وباستعمال مجال مغناطيسي قوي ومجال كهربي قوي تمكن رذر فورد من إثبات أن هذه الجسيمات التي سميت جسيمات الفا مشحونة بشحنة موجبة تساوي ضعف شحنة الإلكترون . وهي عبارة عن نواة ذرة الهيليوم وكذلك اثبت رذر فورد أن جسيمات ألفا أقل 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 اتجاه انحرافها على أنها مكونة من جسيمات مشحونة بشحنة سالبة ، كما يدل مقدار الانحراف على 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 .998 من 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 ذات طبعة 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 الأشعة السينية ولأشعة جاما القدرة على تأيين الغازات ولكن بدرجة أقل من تأيين جسيمات ألفا أو بيتا . ويمكن القول أن ذلك مرجعة إلى قوة نفاذيتها التي تفوق كل من أشعة 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

المصدر الرئيسي لهذه الأشعة ناتج عن الحوادث النجمية في الفضاء الكوني البعيد ومنها ما يصدر عن الشمس خاصة خلال التوهجات الشمسية التي تحدث مرة أو مرتين كل 11سنة ، 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 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 الغلاف الجوي مولدة بذلك إلكترونات سريعة وأشعة جاما ونيوترونات وميزونات .ولا يستطيع أحد تجنب الأشعة الكونية ولكن شدتها على سطح الأرض تتباين من مكان لأخر .

النشاط الإشعاعي الطبيعي في القشرة الأرضية :-

إن من أهم العناصر المشعة في صخور القشرة الأرضية هي ( البوتاسيوم 4-0- ) و(الروبيدوم 87- ) وسلسلتا العناصر المشعة المتولدة من تحلل ( اليورانيوم -238 ) و(الثوريوم -232 ) .

وهناك ما يقارب الأربعين من النظائر المشعة . وأعمار النصف للعناصر المشعة الأساسية في صخور القشرة 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 على أربعين ألف مليون سنة وهذه النظائر المشعة تبعث أنواعاً مختلفة من الإشعاع الذري كجسيمات بيتا وألفا وأشعة جاما .

ومستوى النشاط الإشعاعي الطبيعي في القشرة الأرضية متقارب جداً في معظم الأماكن ، حيث لا يوجد اختلاف يذكر عن مكان وآخر بصفة عامة . إلا أن هناك أماكن على الأرض يزداد فيها الإشعاع الطبيعي بشكل كبير نتيجة وجود تركيزات عالية من العناصر المشعة طبيعياً في صخور القشرة الأرضية .

النشاط الطبيعي داخل جسم الإنسان :-

يشع جسم الإنسان من 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 جسم الإنسان ومصدرها الأساسي غاز الرادون الموجود في جو الأرض والمتولد عن التحلل التلقائي لنظير « اليورانيوم -238 » الموجود طبيعياً في صخور قشرة الأرض.

وكذلك فإن كلا من الغذاء الذي يتناوله الإنسان والماء الرئيسي لتلك المواد المشعة في النبات هو التربة التي تمتص منها النباتات تلك المواد مع غيرها من المواد الطبيعية فتدخل في بنائها . كما أن بعض الغبار الذي يتساقط على النبات يحوي آثاراً من تلك المواد المشعة ، وتصل المواد المشعة إلى داخل جسم الإنسان عن طريق تناوله النباتات أو لحوم الحيوانات التي تتغذي على النباتات وتدخل المواد المشعة أيضاً مع الماء الذي نشربه حيث تحتوى المياه على آثار قليلة جداً منها .

لذلك تكون أجسامنا مشعة قليلاً من الداخل نظراً لوجود بعض العناصر المشعة فيها مثل البوتاسيوم – 40 ) و ( الكربون 14 ) .

وتسلك المواد المشعة – عادة – طرقاً معقدة قبل دخولها جسم الإنسان

قانون التفكك الإشعاعي :-
Radioactiue decag law :-

تعتبر ظاهر التفكك الإشعاعي ظاهرة إحصائية ، أي أنه لا يمكن التكهن بزمن
تنحل عند نواة بعينها ، ولكن عند وجود عدد كبير جداً من أنوية النظير المشع ، فإنه بمتابعة معدل تغير كمية الأشعة المنبعثة يمكن معرفة الكثير عن نوعية التحول .

هناك احتمال محدد للتفكك في وحدة الزمن لأي نظير مشع ، وهذا الاحتمال يعرف بثابت مميز لكل نظير مشع بغض النظر عن حالته . الكيميائية أو الفيزيائية ( من سائله أو صلبه أو غازية )

فإذا كان N عدد الأنوية المشعة الموجودة في عينة ما عند زمن ( T ) فإن معدل التفكك يعطي المعادلة
حين تسمى λ بثابت التفكك ( decay Constant ) وهو يعد مقياساً لاحتمال تفكك نواة معينة .
وبمكاملة المعادلة السابقة في الفترة الزمنية من t = o إلى t = t فإن عدد الأنوية N التي تبقى بعد مضي زمن t يمكن حسابه بدلالة عدد الأنوية No عند البدء أي عند t = o ويعطي التكامل
ومنها
N = No e- λt
وتعرف هذه المعادلة بقانون التفكك الإشعاعي وهي تعطي العلاقة بين عدد الأنوية المتبقية N والزمن t .

أنواع التفكك الإشعاعي :-

تفكك الفا:-
في هذه العملية تفقد النواة المشعة ( حيث X رمز النظير ) جسيم الفا المكون من بروتونين ونيوترونين وهو عبارة عن نواة ذرة الهيلوم . وهذا يعني نقصان العدد الكتلي بمقدار أربع وحدات والعدد الذري بوحدتين وبذلك تكون النواة الناتجة 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 عن جسم كتلة مساوية لكتلة الإلكترون ولكن شحنته موجبة . ويحدث هذا النوع من التفكك للأنوية ( 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 تحول نيوترون من نيوترونات النواة إلى بروتون وذلك لكي تصبح النسبة بين النيوترونات والبروتونات هي نسبة الاستقرار ويعبر عن هذا التفكك كالآتي :-

ب ) التفكك البوزيتروني Positron decay
في بعض الأحيان تكون نسبة النيوترونات إلى البروتونات في النظير المعين أقل من النسبة التي تحقق الاستقرار . وفي هذه الحالة يتحول أحد بروتونات النواة إلى نيوترون وينطلق نتيجة لذلك بوزيترون يحمل شحنة البروتون الموجبة ويعرف تفكك بيتا في هذه الحالة بالتفكك البوزيتروني ويعبر عنه كالآتي :

جـ ) الاسر الالكتروني : Electron Capture
يمكن أن يحدث تحول أحد بروتونات النواة إلى نيوترون بطريقة أخرى يتم ذلك بأن تأسر النواة إلكترون من إلكترونات المدارية القريبة من النواة ( أي المدار k وفي أحيان قليلة من المدار ) ويتحد هذا الإلكترون المأسور مع أحد البروتونات فيتكون النيوتون . ويعرف تفكك بيتا في هذه الحالة بالأسر الإلكتروني ويعبر عن الآتي :-

وهكذا فإنه يوجد ثلاثة أنواع لتفكك بيتا هي التفكك الإلكتروني ( – B- ) والبوزيتروني ( +B ) والاسر الإلكتروني ( Electron Copture ) . وفي حالة الأسر الإلكتروني لا تصدر النواة أياً من جسيمات بيتا ولقد ثبت فيما بعد أنه عند حدوث أي نوع من تفكك بيتا ينطلق من النواة جسيمات تعرف باسم النيوترينو ( neatrino) – V ( نيو ) .
والنيوترينو عبارة عن جسم متعادلة الشحنة وكتلة السكون له مساوية للصفر
( أي Mv = o ) . وعلى هذا أصبح التعبير عن الأنواع الثلاثة لتفكك بيتا كالآتي :-

اضمحلال جاما :-

إشعاعات جاما هي عبارة عن موجات كهرومغناطسية ذات طاقة عالية . وتصدر إشعاعات جاما إذا تكونت النواة الوليدة الناتجة عن تفكك الفا أو تفكك بيتا في حالة مثارة فتفقد النواة إثارتها عن طريق التخلص من الطاقة في شكل إشعاعات جاما وبذلك فإنه بالنسبة لاضمحلال جاما تكون النواة الوليدة هي نفسها النواة الأم ولكنها أكثر استقراراً .

وتجدر الإشارة إلى أن بعض النظائر المشعة تتفكك إلى نظائر غير مستقرة يكون النظير الناتج مشعاً بدوره وبالتالي يتفكك إلى نظير آخر .

وهكذا نجد أن هناك العديد من النظائر التي لها نشاط إشعاعي طبيعي وتتفكك هذه النظائر مصدره إما جسيمات الفا أو بيتا أو كليهما معاً وقد يتبع ذلك مباشرة أو خلال فترة زمنية معينة إشعاعات جاما الصادرة نتيجة انتقال النويات الوليدة من الحالات المثارة إلى الحالات الأرضية .

نظرية الانحلال الإشعاعي :-

تقدم رذرفورد وسودي سنة 1905 بنظرية الانحلال لتفسير ظاهرة النشاط الإشعاعي الطبيعي . وتقضي النظرية بأن ذرات العناصر المشعة تنحل نتيجة لما ينبعث منها من جسيمات الفا أو بيتا التي هي في حد ذاتها جسيمات مادية ، أي أن جزءاً محدد من نواة الذرة ينطلق بسرعة فائقة تارك وراءه ذرات عنصر جديد يختلف تماماً في خواصه الطبيعية والكيميائية عن العنصر الأصلي . ويكون العنصر الجديد أو المولود مشعاً أيضاً فتنطلق من نوى ذراته جسيمات مادية ينتج عن انطلاقها أن تتحول ذرات هذا العنصر الجديد إلى ذرات عنصر ثالث جديد وهكذا نتابع عملية التحول من عنصر مشع إلى عنصر آخر مشع حتى ينتهي الانحلال عند عنصر مستقر وجدير بالذكر أنه فيما عدا حالات نادرة جداً فإن نوى عنصر معين تنحل بانبعاث نوع واحد من الجسيمات ، أما جسيمات الفا أو جسيمات ( بيتا ) فلا تنبعث الجسيمات من نواة واحدة ، ومعنى هذا أن النواة التي يحدث انحلالها بجسيمات الفا لا ينبعث منها جسيمات بيتا ، ألا أن انبعاث جسيمات الفا أو جسيمات بيتا قد يكون مصحوباً بانبعاث أشعة جاما .

وتسمى العناصر الناتجة من عملية التحول المتتابع بالمتسلسلة الإشعاعية ويتوقف الوزن الذري للعنصر الوليد بعد أي تحول على نوع الأشعة المنطلقة في عملية التحول فعندما ينطلق جسيم الفا ( وزنه a ) من ذرة الراديوم ( وزنها الذري 226 ) تتكون ذرة عنصر جديد وزنه الذري 222 ، ويعرف هذا العنصر الجديد بالرادون وهو ذو نشاط إشعاعي وتنطلق منه جسيمات الفا تتحول ذرته إلى عنصر آخر هو الراديوم ( وزنه الذري218 ).

متسلسلات النشاط الإشعاعي الطبيعي :-

إن جميع العناصر ذات النشاط الإشعاعي الطبيعي تقع إعدادها الذرية بين Z = 81 وZ = 92 وهناك ثلاث مسلسلات في الطبيعة ، وتعتبر معظم النويدات المشعة في الطبيعة نواتج انحلاليه لها . وكل متسلسله تبدأ بنويدة أم تمر بسلسلة من التحويلات التي تشمل انبعاث جسيمات الفا وبيتا لتكوين نويدات وليدة .

أ ) متسلسلة اليورانيوم :
تبدأ هذه المتسلسلة بعنصر اليورانيوم Ui ويبلغ نصف العمر لليورانيوم4.5X109 yer . ويمر اليورانيوم بسلسلة من التحولات التي يصاحبها انبعاث جسيمات الفا أو بيتا حتى ينتهي بالرصاص المستقر وفيما يلي جدول لعناصر هذه المجموعة :
ب ) متسلسلة الأكتيوم :-
هذه المتسلسلة يرجع أصلها إلى الأكتيويورانيوم وهو النظير لليورانيوم
والذي يبلغ نصف العمر 7.1X108 yer ويمر الأكتيويورانيوم بسلسلة من التحولات حتى ينتهي بنظير الرصاص المستقر ويمكن التعبير عن الوزن الذري لعناصر هذه المجموعة بالرمز 4ن + 3 حيث تترواح قيمة ن بين 51 ، 58 .
جـ ) متسلسلة الثوريوم :-
تبدأ بعنصر الثوريوم يمر بسلسلة من التحولات ثم يتحول بعد إشعاع ست من جسيمات الفا وأربعة من جسيمات بيتا إلى نظير الرصاص المستقر
ويمكن التعبير عن الوزن الذري لعناصر هذه المجموعة بالرمز 4ن وتتراوح قيمة ن في هذه المجموعة بين 52، 58 .
د) مجموعة النبتونيوم :-
كان من الطبيعي أن يتجه التفكير إلى احتمال وجود متسلسلة رابعة من العناصر الطبيعية المشعة يعبر عن 1.8 أوزانها الذرية بالرمز (4ن+1) ولم يكن معروفاً من عناصر هذه المجموعة سوى سبعاً موجود بكميات ضئيلة جداً في الغلاف الصخري ( القشرة الأرضية ) وكذلك الناتج النهائي البزموث ( وزنه الذري 209) .
وفي أثناء الحرب العالمية الثانية استخدم العلماء النشاط الإشعاعي الصناعي لإنتاج نظائر مختلفة لكل العناصر وامكنهم بذلك تحضير عناصر المجموعة الرابعة التي لم تكن موجودة في الطبيعة . ويعتبر البلوتونيوم العنصر الوالد لهذه المجموعة ولذلك فهي تعرف بمجموعة البلوتونيوم أو المجموعة 4ن+1 حيث تتراوح قيمة ن بين 52،60 .
وهي تبدأ بـالتي لها عمر نصفي مقداره لليورانيوم2 .25X106ger وهذه المتسلسلة تنهي بعد انحلالها بنظير البزموث .

التفكك الإشعاعي التلقائي

تكون المادة الناتجة عن عمليات التفكك الإشعاعي في بعض الحالات هي نفسها مادة مشعة فتفكك بصورة تلقائية حال تكونها ومن أشهر الأمثلة على ذلك اليورانيوم 234 حيث ينطلق من نواته جسيم ألفا ويتحول لثوريوم 230 والذي بطلق بدورة جسيماً
آخراً ويتحول لراديوم 226 وهكذا . وإذا وجدت عينة نقية من اليورانيوم فإن هذه العينة وبعد مضي زمن معين محتوي على مزيج من هذه العناصر أو النويدات نفرض أن المادة الأصلية ( تعرف بالنواة الأم )1x وفترة نصف العمر لها Τ1 وثابت تفككها l2 قد تفككت ونتج عنها مادة جديدة x2 ( تعرف بالنواة البنت ) وفترة نصف عمرها Τ2 وثابت تفككها l1 ونفرض أن عدد ذرت المادة الأصلية ( أي عندما (t = 0 ) يساوي N0 بينما يساوي عدد ذرات المادة الجديدة الصفر عند نفس الزمن ( t = 0 ) ويمكن كتابة عدد ذرات المادة الأصلية الأم كدالة في الزمن على الصورة N1( t ) = N0 e وبعد مضي فترة زمنية مقدارها d t فإن عدداً مقداره N1l1dt بتفكك من المادة 1x ويتحول للمادة الجديدة x2 والتي ينقص عددها في نفس الفترة الزمنية وبسبب التفكك بمقدار N 1 l1dt وبالتالي فإن عدد الذرات المتبقية من x2 يكون N2 حيث
dN2 = N1 l1dt – N2 l2dt
ويكون معدل تراكم أو إنتاج هذه المادة هو
= N1 l1- N2 l2
وتكون فترة نصف العمر للنواة الأم في بعض الحالات طويلة جداً مقارنة مع فترة نصف العمر للنواة البنت أي T2 << T1 ( وهذا يعني أن معدل تفكك النواة الأم صغير جداً مقارنة مع معدل تفكك النواة البنت ، وفي هذه الحالة وعند اعتبار الفترات الزمنية التي تكون متقاربة مع T2 وهي بالتالي قصيرة جداً مقارنة مع فترة نصف الحياة للنواة الام فإنه يمكن اعتبرا أن عدد ذرات الأم ثابت وكذلك عدد الذرات التي تتفكك في الثانية الواحدة . وبما أن معدل تفكك النواة البنت كبير جداً فإن هذه الذرة تتفكك بنفس معدل تكونها ويبقى عدد ذراتها بالتالي ثابتاً ويكون معدل تراكمها معدوماً أي أن وفي حالة وجود عدة عمليات تفكك فإنه يمكن تعميم النتيجة السابقة لتصبح N1 l1 = N2 l2 = N3 l3 = ….. ويكون نشاط جميع العناصر الموجودة متساوياً ويقال أن التفكك في هذه الحالة متزناً ( أي في حالة اتزان) . الشدة الإشعاعية للعينة
activity of a sample

في معظم الأحيان يكون المطلوب هو معرفة عدد النويات التي تتفكك في الثانية وليس عدد النويات الباقية دون تفكك والمحدد بالعلاقة
N ( t ) = No e – λt
ويعرف عدد النويات التي تتفكك في الثانية الواحدة من عينة مشعة باسم الشدة الإشعاعية للعينة activity of asample))
أي أن الشدة الإشعاعية للعينة هي : –
A ( t ) = =λNO e-λt = λ N ( t )

وتعرف AO = λNo بالشدة الإشعاعية عند اللحظة t = o لذا نجد أن A ( t ) = Ao e-λt

عمر النصف ومتوسط العمر :
Half -Life and Mean- Life

عمر النصف ( أو العمر النصفي ) للنظير المعين هو عبارة عن الفترة الزمنية التي تنخفض خلالها شدته الإشعاعية إلى النصف بمعنى آخر فإن عمر النصف هو الزمن اللازم لتفكك نصف عدد نوى العينة ، ويرمز له عموماً بالرمز t لهذا فإنه يوضع

حيث أن وحدة الزمن هي الثانية ( sec ) فإن وحدة قياس ثابت التفكك λ هي

أما متوسط العمر لعينة مشعة والذي يرمز له عادة بالرمز فهو عبارة عن مجموع أعمار الأنوية جميعاً في العينة مقسوماً على عددها ويسهل تحديده من العلاقة، وهكذا نجد أن كلاً من λ ، t مرتبطة ببعضها بعلاقات بسيطة ، ومعرفة حداها يحدد باقيها

دلال الجهنى