تبين مع بداية القرن العشرين أن بعض المواد الموجودة في الطبيعة تخضع لتغير تلقائي في البنية يجعلها أكثر استقرارًا. تكون النواة مستقرة عند تشكيلات معينة للبروتونات والنيترونات وغير مستقرة عند غيرها. يشبه ذلك تعلق الاستقرار الكيميائي للذرة بترتيب الإلكترونات المدارية. إذا لم تمتلك النواة ترتيبًا مستقرًا فإنها تتفكك مشكلة نظيرًا أكثر استقرارًا.
ينتج عن حادثة التفكك الإشعاعي إصدار جسيمات مشحونة وأشعة. الإصدارات الأكثر شيوعًا هي جسيمات ألفا، جسيمات بيتا، وأشعة غاما. وتتضمن الإصدارات الأخرى الممكنة البوزترونات، الأشعة السينية، ومن النادر جداً النيترونات.
اذا ما هو النشاط الاشعاعي ؟
النشاط الإشعاعي (Radioactivity) هي عملية فيزيائية تحدث للمواد المشعة والتي تشتمل على التحلل الذاتي لنواة ذرة المادة المشعة وهذا التحلل يختلف من مادة لأخرى ليعطي نوعيات مختلفة من الإشعاعات مثل إشعاع بيتا أو إشعاع جاما. الإشعاع هو طاقة في حالة حركة تنتقل عبر موجات أو أشعة غير مرئية. يتعرض الإنسان للإشعاع يوميًا. وفي الحقيقة، لطالما كان الإشعاع جزءًا من الحياة اليومية على كوكب الأرض.
او ممكن استخدام مصطلح الاضمحلال الاشعاعي :هو الانهيار اللحظي لنواة ذرية مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة والمادة من النواة. (تذكر أن للنظائر المشعة انوية غير مستقرة لا تحتوي على طاقة ربط كافية لربط النواة ببعضها البعض)
ينبعث الإشعاع من مصادر طبيعية (مثل اشعة الشمس حيث تصدر الشمس أشعة فوق بنفسجية يمكن أن تتسبب بعمل حروق في البشرة و الجرانيت وهو من الصخور الشائعة ويُستخدم عادةً في المطابخ) وصناعية (مثل الأشعة السينية أو أشعة الرنين المغناطيسي لرؤية العظام المكسورة داخل جسم الإنسان ولتشخيص المشاكل الصحية الأخرى و يصدر جهاز المايكروويف نوعًا من الأشعة لطهي الطعام ).
تحاول النظائر المشعة أن تصل الى حالة مستقرة ، لذا فهي تتغير باستمرار لمحاولة الاستقرار. في هذه العملية ، سيطلقون الطاقة والمادة من نواتهم وغالبًا ما يتحولون إلى عنصر جديد. هذه العملية ، التي تسمى التحويل ، هي تغيير عنصر إلى آخر نتيجة للتغييرات داخل النواة. سيستمر الاضمحلال الإشعاعي وعملية التحويل حتى يتم تكوين عنصر جديد يحتوي على نواة مستقرة وغير مشعة. يمكن أن يحدث التحويل بشكل طبيعي أو بوسائل اصطناعية.
متى اُكتشف النشاط الاشعاعي؟
يعود اكتشاف النشاط الإشعاعي الطبيعي أو التحلل الإشعاعي إلى العالم بيكريل عام 1896 ، وذلك عندما كان يبحث في مختبره في باريس عن كيفية تصوير الأشعة السينية وإبرازها على صفائح فوتوغرافية من صنعه، 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 بيار من سبب هذا النشاط إذ تبين أن صفائح بيكريل تحتوي على اليورانيوم هو سبب الحصول على هذه الإشعاعات نظرا للتناسب الطردي بين شدة هذا النشط وكمية اليورانيوم في هذه الأملاح.
يوجد نوعان من الإشعاع
الإشعاع غير المُؤيّن (ذو تردد عالٍ) والإشعاع المُؤيّن (ذو تردد منخفض)، ويعتبر النوعان ضارّين عند التعرض لهما بكميات كبيرة. ولكن العلماء والمهندسون النوويون والأطباء تمكنوا من فهم ماهية الإشعاع ومعرفة كيفية تسخير فوائده وحمايتنا من مخاطره.
- الإشعاع غير المؤين يبعث طاقة كافية لتحريك الذرات. فمثلًا، يعمل المايكروويف بالأشعة غير المؤينة لطهي الطعام عن طريق ذبذبة المياه داخل الطعام، مما ينتج الحرارة التي تنضّج الطعام.
- الإشعاع المؤين يبعث طاقة كافية لتغيير تركيبة الذرة والتي يمكنها أن تدمر الخلايا الحيوية، وتعد الحروق من أشعة الشمس مثالًا على ذلك.
قياس النشاط الاشعاعي
يمكن قياس ظاهرة النشاط الإشعاعي لعينة ما من خلال حساب عدد الذرات التي تنبعث بشكل تلقائي منها في كل ثانية، ويمكن القيام بذلك باستخدام أدوات مصممة لاكتشاف نوع معين من الإشعاع المنبعث من كل الاضمحلال، ويمكن أن يكون عدد الذرات المنبعث في الثانية الواحدة كبير جداً، وقد اتفق العلماء على عدد من الوحدات المشتركة للتعبير عن هذا العدد، منها الكوري “Ci”، والذي سُمي على اسم بيار كوري، وماري كوري، وهما مكتشفا الراديوم، وهو يعتبر طريقة مختصرة لكتابة “37،000،000،000 انبعاث في الثانية”، الوحدة الأحدث لقياس النشاط الإشعاعي (Bq اختصارًا ل becquerel)، وقد سُميت تيمناً بهنري بيكريل مكتشف النشاط الاشعاعي.
أنواع الإشعاعات المؤينة و تفاعلات الاضمحلال الاشعاعي
الانوية المشعة تطلق اشعاعات، وتسمى عملية الاطلاق هذه بالتفكك أو التحلل أو الاضمحلال الاشعاعي والاشعاعات أما أن تكون جسيمات أو موجات كهرومغناطيسية حيث يوجد عدة أنواع من الإشعاعات، و تمتلك كل منها خصائص مختلفة، ومن أشهر الإشعاعات المؤينة:
أشعة غاما: تعتبر أشعة غاما إشعاع كهرومغناطيسي مشابه للأشعة السينية والضوء وموجات الراديو، وهي تستطيع المرور عبر جسم الإنسان، ولكن يمكن لطريق جدران سميكة من الخرسانة أو الرصاص إيقافها. و عند اطلاق النواة اشعة غاما خلال الاضمحلال الاشعاعي فإن النواة لا تتغير ولكن الذي يحدث داخل النواة هو إعادة لترتيب النيوترونات والبروتونات لتصبح مرتبة في مستويات كمية منخفضة أو أكثر استقراراً من قبل.
إشعاع بيتا: يتكون إشعاع بيتا من الإلكترونات، وهي تتغلل في الأجسام المختلفة بشكل أكبر من جسيمات ألفا، حيث تستطيع اختراق 1-2 سنتيمتر من الماء، ويمكن إيقافها باستخدام صفائح الألمنيوم بسماك بضع مليمترات. و يمكن للنواة الاضمحلال عن طريق اشعاع جسيمات بيتا بنوعيها:
- بيتا السالب :
هو عملية تفكك أحد نيوترونات النواة لينتج بسبب هذا التفكك إلكترون وبروتون ونيوترينو-مضاد ، فتفكك النيوترون يحدث وفقًا للمعادلة التالية:
فلو تفكك فإن النواة ستزداد فيها بروتوناً واحداً ويقل فيها نيتروناً واحداً وذلك وفقاً للمعادلة التالية:
- بيتا الموجب :
هو عملية تفكك أحد بروتونات النواة لينتج بسبب هذا التفكك إلكترون موجب أو ما يسمى بالبوزيترون ونيوترون ونيوترينو ، فتفكك البروتون يحدث وفقًا للمعادلة التالية:
النيوترونات: هي جسيمات غير مشحونة ولا تنتج التأين مباشرة، ولكن يمكن أن يؤدي تفاعلها مع ذرات المادة إلى إنتاج ألفا، أو بيتا، أو جاما، أو أشعة سينية التي تنتج عن التأين، وتتغلغل النيوترونات ويمكن إيقافها فقط بواسطة كتل سميكة من الخرسانة، أو الماء، أو البارافين.
- الاضمحلال النيوتروني : هو عملية اطلاق للنيوترون من النويات المشعة لتصبح نويات مستقرة. وهذه العملية لا تغير من نوع النواة الأصلية ولكن تكون النواة الناتجة أحد نظائر النواة الاصلية:
إشعاع ألفا: يتكون إشعاع ألفا من جسيمات ثقيلة ذات شحنة موجبة، وتنبعث من ذرات عناصر كاليورانيوم والراديوم، ويمكن إيقاف إشعاع ألفا بشكل كلي باستخدام ورقة، أو طبقة سطح رقيقة من الجلد، ولكن في حال دخلت المواد التي ينبعث منها إشعاع ألفا إلى الجسم عن طريق التنفس أو الأكل أو الشرب، فإنها يمكن أن تعرّض الأنسجة الداخلية للخطر بشكل ماشر، مما قد يسبب أضراراً بيولوجية.
- اضمحلال الفا: ما هو إلا انفصال جزء من النواة عن النواة الاصلية ، وهذا الجزء المنفصل يسمى جسيم ألفا والذي يتكون من بروتونين ونيوترونين ، فالنواة المطلِقة لجسيم ألفا هي نواة مشعة و يُمَثل اضمحلال ألفا من خلال المعادلة التالية:
الأسر الإلكتروني: وفقاً لفيزياء الكم يمكن لإلكترونات الذرة أن تدخل إلى النواة لفترة قصيرة رغم أن هذه الاحتمالات صغيرة جداً. وأقرب الإلكترونات هي إلكترونات الغلاف- لذا فإن احتمالية وجودها داخل النواة عالية، لذلك من الممكن لأحد بروتونات النواة أن يأسر أو يتحد مع الإلكترون ويكونون نيوترون جديد داخل النواة. فإنتاج النيوترون يكون وفقاً للمعادلة التالية:
أما النواة الجديدة فتتكون وفقاً للمعادلة:
