مبادئ فيزيائية

كيف تصدر الاشعاعات النووية

نسمع كثيرا عن اخطار الاشعاعات والمواد المشعة وخطرها على الانسان ولعلك عزيزي القارئ قد شاهدت أو سمعت عن الاثار السلبية التي تسببها هذه الاشعاعات على كل كائن حي وخصوصا اذا دخلت الجسم عن طريق المواد المواد الغذائية الملوثة بها، كما ولا بد انك سمعت ان المناطق التي تصاب بالمواد المشعة لا يمكن معالجتها ويبقى لها نشاط اشعاعي يستمر إلى ملايين السنين مثلما حدث في كارثة المفاعل النووي الروسي المعروف باسم كارثة تشرنوبل والتي تسربت فيها المواد المشعة بعد عطل في المفاعل ناجم عن خلل في الصيانة. أن هذه المواد المشعة لها استخدامات عديدة في الطب وفي توليد الطاقة الكهربية كما ان الكربون 14 المشع في اجسامنا وفي مكونات الكائنات الحية يستخدم في تقدير الاعمار.

نلاحظ من ذلك ان الاشعة النووية لها استخدامات سلمية وفي نفس الوقت لها مخاطر لا يحمد عقباها. هذا بالطبع يعود إلى كيف نستخدمها ونطوعها من اجل البشرية، فالعناصر التي لها نشاط اشعاعي هي عناصر موجودة في الطبيعة مثل عنصر اليورانيوم والبلوتونيوم واصبحت مصطلحات كثيرة نستخدمها في حياتنا منها اليورانيوم والبلوتونيوم واشعة جاما واشعة الفا واشعة بيتا والاشعة الكونية والقنبلة النووية والمفاعل النووي والانفجار النووي وعمر النصف والكربون 14 والنظائر وغيرها من هذه المصطلاحات التي ترتبط كلها بنشاط نواة الذرات الغير مستقرة.

في هذا الموضوع سوف ندخل في جولة داخل النواة ونحاول معرفة اسرارها ولماذا تكون بعض الانوية مستقرة وبعضها الاخر غير مستقرة وكيف تخرج هذه الاشعاعات التي هي قاتلة ونافعة في نفس الوقت كل هذا سنتناوله باسلوب علمي بسيط ليصبح القارئ مدركا ومفسرا لكل ما يتعلق النشاط الاشعاعي.

اعلانات جوجل

النواة

لتوضيح من أين تأتي الاشعة النووية، دعنا في البداية اعزائنا القراء نبدأ بتوضيح معنى كلمة نواة “Nuclear”.

نعلم ان كل شيء حولنا يتكون من ذرات atoms.  هذه الذرات بتجمعها تكون الجزيئات molecules فمثلاً جزئ الماء الذي نشربه مكون من اتحاد ذرتين هيدروجين مع ذرة اكسجين في وحدة واحدة تسمى جزيء الماء H2O وهذه المعلومات أساسية نعلمها جميعا، ونضيف عليها انه في الطبيعة توجد ما يقارب 92 نوع مختلف من الذرات أو العناصر. ولهذا فإن اي مادة على الارض من معادن وبلاستيك وزجاج وورق وملابس وعظام اجسامنا وكل شيء مكون من هذه العناصر (92 عنصر) الموجودة في الطبيعة. والتي تم ترتيبها في جدول يعرف باسم الجدول الدروي للعناصر والذي يحدد خصائص كل مجموعة من العناصر والكثير من المعلومات حول كل عنصر فيه.

السؤال الأن مما تتكون الذرة نفسها؟

في داخل كل ذرة ثلاثة انواع من الجسيمات هي على النحو التالي:

  • البروتونات Protons
  • النيوترونات Neutrons
  • الإلكترونات Electrons

البروتونات والنيوترونات تربطهما قوة تسمى القوة النووية وتكونان معاً نواة الذرة، في حين الالكترونات تحيط بالنواة وتدور حولها في مدارات محددة تسمى مستويات الطاقة للالكترون.  الالكترونات والبروتونات تمتلكان شحنة كهربية مستاوية في المقدار ومتعاكسة في الاشارة، بمعنى ان شحنة الالكترون سالبة وشحنة البروتون موجبة ولكن متساويتين في المقدار، ولهذا السبب تنشىء بين البروتون في النواة تجاذب مع الالكترون حول النواة وتسمى هذه بقوة تجاذب كولوم الكهربائية.  وفي اغلب الأحيان تكون عدد البروتونات مساوياً لعدد الإلكترونات، وهذا يجعل الذرة متعادلة كهربياً.

الآن عزيزي القارئ يجب ان تعلم ان عدد البروتونات في النواة يحدد سلوك الذرة فعلى سبيل المثال لو كان في النواة 13 بروتون فهذا يعني وجود 13 الكترون حول النواة (لان عدد البروتونات يساوي عدد الالكترونات ولذلك الذرة تكون متعادلة كهربياً  واذا اختلف عدد البروتونات عن عدد الالكترونات تصبح الذرة اما ايون موجب او ايون سالب) نعود الان الى النواة المكونة من 13 بروتون هذه تعتبر نواة ذرة الألومنيوم. عند تجميع ملايين ذرات الالومنيوم مع بعضها البعض نحصل على معدن الألومنيوم الذي نستخدمه في الكثير من الصناعات.  وهذا الالومنيوم يعرف في الطبيعة بالومنيوم – 27. لاحظ إنه في نواة الألومنيوم يوجد 13 بروتون و14 نيوترون (13+14=27) ويسمى بالعدد الكتلي atomic mass number. ولذلك كل نواة لها عدد كتلي مختلف عبارة عن حاصل جمع مكونات النواة من بروتونات ونيوترونات.  تعتبر ذرة الألومنيوم ذرة مستقرة، أي لو قمنا بوضع ذرة الومنيوم في زجاجة مغلقة لملايين السنين، فإنها ستبقى ذرة الومنيوم ومكونة من 13 بروتون و13 الكترون و14 نيوتورن وهذا ما يسمى بالذرة المستقرة stable atom.

النظائر isotopes

قبل حوالي 100 عام او أكثر كان الاعتقاد السائد أن كل الذرات مستقرة مثل ذرة الالومنيوم التي تحدثنا عنها. ولكن في الحقيقة الكثير من الذرات غير مستقرة فعلى سبيل المثال لو اخذنا ذرة نحاس نجد ان هناك نوعين من ذرات النحاس الأول يسمى نحاس 63 والثاني نحاس 65 والنوع الأول موجود في الطبيعة بنسبة تصل إلى 70% بينما النوع الثاني يتواجد بنسة 30%، هذين النوعين من ذرات النحاس يسمى بالنظائر isotopes.  يكون عدد البروتونات في كل نظير ثابتاً وفي النحاس يكون عدد البروتونات هو 29 بروتون ولكن عدد النوتونات يختلف ففي نحاس 63 يوجد 34 نيوترون وفي نحاس 65 يوجد 36 نيوترون. كلا من هذين النوعين من ذرات النحاس لهما نفس الخصائص وكذلك هما من الذرات المستقرة.


يوضح الشكل نظائر ذرة الهيدروجين

أما الجزء الذي كان غامضاً من قبل 100 عام مضت هو ان بعض العناصر لها نظائر مشعة. فمثلاً ذرة الهيدروجين عنصر له أكثر من نظير أحد هذه النظائر مشع. فالهيدروجين العادي يسمى احيانا هيدروجين-1 ويعتبر ابسط الذرات في الكون حيث تحتوي نواته على بروتون فقط ولا يوجد نيوترون وهذا امر طبيعي فلا حاجة للنيوترونات لربط البروتونات لان النواة مكونة من بروتون واحد فقط. ويوجد ذرات اخرى للهيدروجين تحتوي نواتها على بروتون ونيوترون ويعرف باسم الديتيريم او الهيدروجين-2 تحتوي نواة الديتيريوم على بروتون واحد ونيوترون، ويتواجد الديتيريوم بنسبة بسيطة في الطبيعة تصل إلى 1.5%من كل الهيدروجين الموجود في الطبيعة وبالرغم من ان له نفس خصائص الهيدروجين إلا ان الماء الناتج عن اتحاد الديبتيروم مع الاكسجين ينتج عنه ماء ولكن سام جداً. الديتيريوم يعتبر نظير مستقر للهيدروجين ولكن الهيدروجين 3 والذي يطلق عليه تريتيم tritium يعتبر نظير غير مستقر وتحتوي نواته على بروتون واحد ونيوترونيين.

ماذا نعني بان التريتيوم عنصر غير مستقر؟

هذا ما سنحاول توضيحه في هذا الموضوع ولنضرب مثالاً بسيطاً، لو انك قمت بوضع جرة مملوءة بالتريتيوم وبعد سنوات طويلة (الاف السنين) ستجد ان التريتيوم قد تحول إلى هيليوم-3 (ذرة الهيليوم-3 تحتوي نواتها على بروتونين ونيوترون واحد) وهذا عنصر مستقر في الطبيعة والعملية التي تحولت فيه ذرة التريتيوم إلى ذرة الهيليوم تسمى اضمحلال اشعاعي radioactive decay. وتعتبر العناصر الغير مستقرة عناصر لها نشاط اشعاعي حتى تتحول الى عناصر مستقرة.

اعلانات جوجل

إن الكثير من العناصر في الطبيعة هي عناصر لها نشاط اشعاعي لكل نظائرها، ويعتبر عنصر اليورانيوم افضل مثال على ذلك لانه اثقل العناصر في الطبيعة وله اكبر نشاط اشعاعي بالمقارنة بالعناصر الأخرى.  كما أن اية عناصر أخرى من صنع الانسان واثقل من اليورانيوم هي عناصر غير مستقرة ولها نشاط اشعاعي كبير.

الاضمحلال الاشعاعي Radioactive Decay

الاضمحلال الاشعاعي عملية طبيعية، فالذرة التي لها نظائر غير مستقرة تحدث اشعاعات تلقائياً لتتحول الى عناصر اخرى مستقرة وهذه الاشعاعات تخرج من نواة العناصر في احد ثلاثة عمليات وهي:

  1. اضمحلال الفا Alpha decay
  2. اضمحلال بيتا Beta decay
  3. الانشطار التلقائي Spontaneous fission

وينتج عن هذا نشاط هذه العمليات الثلاثة اربعة انواع مختلفة من الاشعة وهي:

  1. اشعة الفا Alpha rays
  2. اشعة بيتا Beta rays
  3. اشعة جاما Gamma rays
  4. الاشعة النيوترونية Neutron rays

لتوضيح الفكرة سوف نأخذ مثالاً على عنصر مشع وهو الامريكيم-241 “americium-241″والمستخدم في اجهزة كشف الحريق، هذا العنصر يطلق جسيمات الفاوهذه الجسميات عبارة عن انوية الهيليوم (يحتوي كل جسيم الفا على بوتونين ونيوترونين) وعندما تفقد ذرة الامريكيم-241 جسيم الفا فهي تفقد من مكوناتها بروتونين ونيوترونين معا وبهذا فإنها تتحول إلى ذرة نيبتونيم-237 “neptunium-23”.  وتنطلق جسميات الفا بسرعة كبيرة جداً تصل إلى 16000 كيلومتر/الثانية.  ويحسب مقدار الاضمحلال لعناصر المشعة من خلال عمر النصف والذي يعني مقدار الزمن اللازم للتحول نصف ذرات العنصر المشع الى غير مشع وتتراوح اعمار بعض العناصر المشعة من ثوان معدودة إلى عناصر لها اعمار تصل ملايين السنين. والعنصر الذي نتحدث عنه الامريكيم-241 له عمر نصف يصل إلى 458 سنة بينما الامريكيم-243 يصل عمره الى 7370 سنة.

التريتيوم (الهيدروجين-3) هو مثال جيد لعنصر مشع ينتج جسيمات بيتا وهي عبارة عن نيوترون يتحول إلى بروتون والكترون وجسيم ثالث يسمى مضاد النيوتروينو antineutrino.  وتطلق النواة في مضاد النيوترينو والالكترون ولكن تحتفظ بالبروتون.  ويسمى الالكترون الناتج من هذا التحول بجسيم بيتا، وعلى هذا النحو فإن النواة تفقد نيوترون ولكن تكتسب بروتون.  ولهذا فإن الهيدروجين-3 يتحول إلى هيليوم-3 وهذا موضح في الشكل ادناه.

اعلانات جوجل

تحلل ذرة تريتيوم هيدروجين-3 إلى هيليوم-3

أما في الانشطار التلقائي فإن الذرة بدلا من ان تطلق جسميات الفا او جسميات بيتا فإنها تنقسم ومن هنا جاءت التسمية بالانشطار.  فمثلا في ذرة الفريميم-256 “fermium-256” تنقسم إلى ذرتين الاولى ذرة الزينون-140 “xenon-140” والثانية ذرة البالاديوم-112 “palladium-112” وتنطلق اربع نيوترونات بمجرد الانشطار.  يمكن لذرات اخرى ان تمتص تلك النيوترونات وتحدث ما يسمى بالتفاعل النووي وينتج عنه اصدار اشعة جاما.

انشطار نواة إلى نواتين في عملية انشطار نووي

اعلانات جوجل

أما الاشعة النيوترونية فهي قادرة على تحويل العناصر الغير مشعة إلى عناصر مشعة ولهذا فهي تستخدم في الطب النووي. كما تستخدم في دراسة الجسيمات الأولية، وتنتج الاشعة النووية في المفاعلات النووية وفي المعجلات.

لماذا تصدر الانوية اشعاعات نووية؟

في الكثير من الحالات تطلق الانوية جسيمات الفا وجسيمات بيتا وكذلك اشعة جاما لتتحول من الحالة المشعة (الحالة الغير مستقرة) إلى الحالة العادية (الحالة المستقرة) فهذه الاشعة اذا هي ناتجة عن الطاقة الاضافية التي تمتلكها النواة ولذلك فهي تتخلص منها بهذه الاشعاعات مثلما تتخلص الذرة من الطاقة الضافية عن طريق اطلاق الفوتونات (الاشعة الكهرومغناطيسية) مثل اشعة اكس.  لذلك اشعة جاما تنتج عن اثارة النواة بينما اشعة اكس تنتج عن اصارة الذرة، وطاقة اشعة جاما اكبر بكثير من اشعة اكس.

اعلانات جوجل

كما اننا نسمع عن الاشعة الكونية “cosmic rays” وهذه اشعة تنتج من الشمس والنجوم المشتعلة وتتكون الاشعة الكونية من البروتونات التي تسير بسرعات فائقة تصل إلى سرعة الضوء وهذه تكسبها طاقة تمكنها من اختراق اي مادة ولكن من حكمة الله سبحانه وتعالي انها لا تصل الى الارض بسبب امتصاصها في الطبقات العليا للغلاف الجوي المحيط بالكرة الارضية (طبقة الاوزون) وتتشتت وينتج عنها اشعة كونية ثانوية ذات طاقة اقل وتمتص على مراحل ولكن لا تعتبر ضارة في هذه الحالة حتى لو وصلت إلى الارض.

الخطر الطبيعي

بالرغم من ان النشاط الاشعاعي هو نشاط طبيعي لا دخل للانسان فيه حيث تتحول فيه الذرة الغير مستقرة إلى ذرة مستقرة وهذا جزء من التحولات التي تحدث في الطبيعة إلا انه كل الاشعاعات النووية تعتبر مدمرة للكائن الحي. جسيمات الفا وجسيمات بيتا والنيوتونات واشعة جاما والاشعة الكونية كلها معروفة بانها اشعة مؤينة ionizing radiationفهي عندما تصطدم بالخلية الحية فإنها تحول ذراتها إلى أيونات موجبة بتحرير الذرة المكونة للخلية الحية من الكتروناتها وهذا بالتأكيد له عواقب خطيرة تبدأ بقتل الخلية الحية وتنتهي بالتدخل في الشفرات الجينية مما يسبب ما يعرف باسم السرطان cancer.

بالنسبة لجسيمات الفا التي تتكون من ايونات الهيليوم فإنها تعتبر جسيمات كبيرة ولا يمكن ان تخترق المادة بمسافة كبيرة ولذلك فإن هذه الجسيمات لا تشكل ضرراً على الانسان اذا كانت موجود خارجه ولكن اذا تناول الانسان طعاماً ملوثا بمواد اشعاعية تطلق جسيمات الفا فإنها بدون شك سوف يكون لها اثاراً مدمرة على الاجزاء الداخلية لجسمه.

لمزيد من المعلومات حول هذا الموضوع يرجى الاطلاع على المواقع التالية:

 ENVIRONMENT:radiation primer

http://www.clavius.org/envradintro.html

 The Sustainable Energy And Anti-Uranium Service Inc.

http://www.sea-us.org.au/

 Radioactivity

http://www.darvill.clara.net/nucrad/detect.htm

 Nuclear Science

http://www.lbl.gov/abc/

Nuclear physics

http://www.hpwt.de/Kern2e.htm

 Types of Radioactive Decay

http://library.thinkquest.org/3471/radiation_types_body.html

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى