الإشعاع النووي

بدأت القصة في الكتاب مع بيكرل عام 1896، عندما لاحظ أن أملاح اليورانيوم تؤثر في ألواح فوتوغرافية رغم تغليفها لحمايتها من الضوء. ثم اكتشف ماري كوري وبيير كوري عنصرين يصدران إشعاعا مماثلا: البولونيوم والراديوم.

الاضمحلال الإشعاعي: هو التحول التلقائي لنواة غير مستقرة إلى نواة أكثر استقرارا عن طريق انبعاث جسيم ألفا أو جسيم بيتا، وغالبا يصاحب ذلك انبعاث أشعة غاما.

الإشعاعات النووية الثلاثة مؤينة، أي تستطيع تأيين ذرات الوسط الذي تمر فيه. لكن قوتها ليست واحدة: جسيمات ألفا كبيرة الكتلة وموجبة بشحنة $$+2e$$ فتتفاعل بقوة مع الوسط وتفقد طاقتها بسرعة، لذلك تكون قدرتها على التأيين كبيرة ونفاذها ضعيفا.

تأيين ونفاذ: العلاقة هنا عكسية تقريبا: ألفا الأعلى تأيينا هي الأقل نفاذا، وغاما الأعلى نفاذا هي الأقل قدرة على التأيين مقارنة بألفا وبيتا.

اضمحلال ألفا

تنبعث جسيمات ألفا غالبا من النوى الثقيلة غير المستقرة التي يكون عددها الذري أكبر من 82. عندما يغادر جسيم ألفا النواة، تخسر النواة بروتونين ونيوترونين، فينقص العدد الذري بمقدار 2 وينقص العدد الكتلي بمقدار 4.

$$^{A}{Z}X\rightarrow{}^{A-4}{Z-2}Y+{}^{4}_{2}He$$

أمثلة الكتاب:

$$^{238}{92}U\rightarrow{}^{234}{90}Th+{}^{4}_{2}He$$

$$^{226}{88}Ra\rightarrow{}^{222}{86}Rn+{}^{4}_{2}He$$

حفظ العددين: مجموع الأعداد الذرية ومجموع الأعداد الكتلية في النواتج يساويان العدد الذري والعدد الكتلي للنواة الأم.

بيتا السالبة وبيتا الموجبة

النوى التي تقع فوق نطاق الاستقرار تمتلك فائضا من النيوترونات، فتقلل عدد النيوترونات وتزيد عدد البروتونات بإشعاع بيتا السالبة. في بيتا السالبة يزيد العدد الذري بمقدار 1 ويبقى العدد الكتلي ثابتا:

$$^{A}{Z}X\rightarrow{}^{A}{Z+1}Y+{}^{0}_{-1}e+\bar{\nu}$$

وفي داخل النواة:

$$^{1}{0}n\rightarrow{}^{1}{1}p+{}^{0}_{-1}e+\bar{\nu}$$

أما النوى التي تقع أسفل نطاق الاستقرار فلديها فائض من البروتونات، فتبعث بيتا الموجبة، وهي بوزيترون. في بيتا الموجبة ينقص العدد الذري بمقدار 1 ويبقى العدد الكتلي ثابتا:

$$^{A}{Z}X\rightarrow{}^{A}{Z-1}Y+{}^{0}_{+1}e+\nu$$

$$^{1}{1}p\rightarrow{}^{1}{0}n+{}^{0}_{+1}e+\nu$$

إلكترون بيتا ليس مخزنا في النواة: النواة لا تحتوي إلكترونات أو بوزيترونات جاهزة. هذه الجسيمات تنشأ لحظة تحول نيوترون إلى بروتون أو بروتون إلى نيوترون، ثم تغادر النواة مباشرة.

كما تتوزع إلكترونات الذرة في مستويات طاقة، تتوزع النيوكليونات داخل النواة في مستويات طاقة تبدأ من مستوى الاستقرار الأقل طاقة. بعد اضمحلال ألفا أو بيتا قد تنتج نواة جديدة في حالة إثارة، فتتخلص من فائض طاقتها بإصدار أشعة غاما.

اضمحلال غاما لا يغير العدد الذري ولا العدد الكتلي؛ إنه انتقال من حالة إثارة إلى حالة استقرار:

$$^{A}{Z}X^*\rightarrow{}^{A}{Z}X+\gamma$$

طاقة غاما المنبعثة تساوي فرق الطاقة بين حالة الإثارة وحالة الاستقرار.

حالة الإثارة النووية: الرمز $$^{A}{Z}X^*$$ يعني أن النواة في حالة إثارة. عند إصدار غاما تصبح $$^{A}{Z}X$$ في حالة الاستقرار من دون تغيير $$A$$ أو $$Z$$.

يوضح الكتاب اضمحلال نواة البورون-12 بطريقتين. قد تنتج نواة كربون-12 مستقرة مباشرة مع تحرر $$13.4\,MeV$$، أو تنتج نواة كربون-12 مثارة بطاقة $$4.4\,MeV$$ ويتحرر من اضمحلال بيتا $$9.0\,MeV$$، ثم تصدر النواة المثارة أشعة غاما طاقتها $$4.4\,MeV$$.

في الصناعة، يستعمل الكتاب غاما للكشف عن الشقوق في لحام المعادن: يوضع مصدر غاما في جهة ولوحة فوتوغرافية في الجهة الأخرى، فتظهر نقاط الضعف بطريقة تشبه صورة الأشعة السينية للعظم المكسور.

وازن قبل أن تحسب: قاعدة موازنة المعادلات النووية: غاما وحدها في النواتج ⟸ \(A\) و\(Z\) لا يتغيران. ألفا ⟸ انقص \(A\) أربعة و\(Z\) اثنين. بيتا سالبة ⟸ \(A\) ثابت و\(Z\) يزيد واحداً. وازن دائماً المجموعين فوق وتحت السطر.

تجربة القطع النقدية في الكتاب تمثل فكرة عشوائية الاضمحلال: القطعة التي تظهر فيها الكتابة إلى الأعلى تعد نواة مضمحلة، والتي تظهر فيها الصورة إلى الأعلى تعد نواة مشعة باقية. في كل محاولة يبقى تقريبا نصف العدد، وهذا يشبه عمر النصف.

عمر النصف: عمر النصف $$t_{1/2}$$ هو الزمن اللازم لاضمحلال نصف عدد النوى المشعة.

إذا بدأت عينة بعدد نوى $$N_0=600$$ وكان عمر النصف لها يومين، فبعد يومين يبقى $$300$$، وبعد أربعة أيام يبقى $$150$$، وهكذا:

$$N0\xrightarrow{t{1/2}}\frac{N0}{2}\xrightarrow{t{1/2}}\frac{N0}{4}\xrightarrow{t{1/2}}\frac{N_0}{8}$$

والعلاقة العامة عندما يكون الزمن من مضاعفات عمر النصف:

$$\frac{N}{N0}=\left(\frac12\right)^{t/t{1/2}}$$

النشاطية الإشعاعية: النشاطية $$A$$ هي عدد الاضمحلالات في الثانية الواحدة، وتقاس بالبيكرل $$Bq$$ حيث $$1\,Bq$$ يساوي اضمحلالا واحدا في الثانية.

تتناسب النشاطية طرديا مع عدد النوى المشعة عند اللحظة نفسها:

$$A=\lambda N$$

وعند البداية: $$A0=\lambda N0$$. كما أن النشاطية تنخفض إلى النصف بعد عمر نصف واحد:

$$\frac{A}{A0}=\left(\frac12\right)^{t/t{1/2}}$$

ويرتبط عمر النصف بثابت الاضمحلال:

$$t_{1/2}=\frac{\ln(2)}{\lambda}=\frac{0.693}{\lambda}$$

وحدة أخرى للنشاطية هي الكوري:

$$1\,Ci=3.7\times10^{10}\,Bq$$

وتظهر هذه الوحدة في مثال الكوبالت-60 عند تحويل $$\mu Ci$$ إلى $$Bq$$ قبل حساب عدد النوى من العلاقة $$A0=\lambda N0$$.

قد لا ينتهي الاضمحلال عند نواة مستقرة من خطوة واحدة. في سلسلة اليورانيوم مثلا يبدأ اليورانيوم-238 باضمحلال ألفا إلى الثوريوم-234، ثم تتوالى اضمحلالات ألفا وبيتا حتى الوصول إلى الرصاص-206 المستقر.

يعرض الكتاب بداية السلسلة هكذا:

$$^{238}{92}U\xrightarrow{\alpha}{}^{234}{90}Th\xrightarrow{\beta^-}{}^{234}{91}Pa\xrightarrow{\beta^-}{}^{234}{92}U\xrightarrow{\alpha}{}^{230}{90}Th\xrightarrow{\alpha}{}^{226}{88}Ra\dots\rightarrow{}^{206}_{82}Pb$$

سلاسل الاضمحلال الطبيعي: هي مجموعة الاضمحلالات التلقائية التي تبدأ بعنصر مشع ثقيل موجود في الطبيعة وتنتهي بعنصر مستقر عبر اضمحلالات عدة لألفا وبيتا.

السلاسل الطبيعية الثلاث في الكتاب هي: سلسلة اليورانيوم وتبدأ باليورانيوم-238، وسلسلة الثوريوم وتبدأ بالثوريوم-232، وسلسلة الأكتينيوم وتبدأ باليورانيوم-235. كل سلسلة تبدأ بنظير ثقيل عمر نصفه كبير وتنتهي بأحد نظائر الرصاص المستقر.

من تطبيقات السلاسل والنظائر في الصفحات نفسها: يستخدم الجيولوجيون تغير نسبة الرادون في المياه الجوفية والتربة كإشارة قد ترتبط بالنشاط الزلزالي، ويمكن تقدير عمر الصخور من نسبة الرصاص إلى اليورانيوم-238. وفي علم الآثار، تقل نسبة الكربون-14 إلى الكربون-12 بعد موت الكائن الحي، فتستخدم لمعرفة زمن الوفاة.

عد ألفا وبيتا في سلسلة: ابدأ بحفظ العدد الكتلي لإيجاد عدد جسيمات ألفا، ثم استخدم حفظ العدد الذري لإيجاد عدد جسيمات بيتا السالبة.

مراجعة الدرس

• أوضح المقصود بكل من: الاضمحلال الإشعاعي، عمر النصف، والنشاطية الإشعاعية؟
• أفسر لماذا قد يصاحب انبعاث ألفا أو بيتا انبعاث غاما، ولماذا تنبعث بيتا السالبة من النواة رغم أن النواة لا تحتوي إلكترونات؟
• قاس طالب نشاطية نظير فوجدها 400 اضمحلال لكل دقيقة، وبعد ثلاث ساعات أصبحت 100 اضمحلال لكل دقيقة. أجد عمر النصف بالدقيقة؟
• نظير نشاطيته الآن 800 Bq وثابت اضمحلاله معطى في المراجعة. أجد الزمن اللازم حتى تصبح نشاطيته 100 Bq؟
• عينة ثوريوم-228 تحتوي على $$2.53\times10^{21}$$ نواة وثابت اضمحلالها $$1.15\times10^{-8}\,s^{-1}$$. أجد عمر النصف والنشاطية؟
• فلور-18 عمر نصفه 110 min ويضمحل ليعطي نظير أكسجين وبوزيترون. أكتب معادلة الاضمحلال، وأحسب ثابت الاضمحلال وعدد النوى بعد 220 min لعينة تبدأ ب$$2.1\times10^{16}$$ نواة؟
• أحل أسئلة الاختيار من متعدد في نهاية الدرس حول ألفا وغاما ومخطط البورون وعلاقة عمر النصف بثابت الاضمحلال؟

تدريب مهم: بعد هذا القسم، راجع أمثلة 8–11 وأسئلة مراجعة الدرس في آخر بطاقة.

صوّر هذا الجدول وسمِّعه قبل الامتحان: