الإشعاع النووي

ما الذي تبعثه النواة غير المستقرّة؟

تبعثُ النوى غيرُ المستقرّة إشعاعاتٍ بطاقاتٍ مختلفة، ولهذه الإشعاعات مزايا ولها أيضًا أخطار.

• أقارن بين جسيمات ألفا وبيتا وأشعة غاما اعتمادًا على تفاعلاتها مع الأوساط المادّية.
• أصف التغيرات التي تطرأ على خصائص النواة عند انبعاث أحد الإشعاعات النووية منها (ألفا أو بيتا أو غاما).
• أحلّل رسومًا بيانية لتناقص عدد النوى المشعة مع الزمن وأربطه بعمر النصف للنظير المشع.
• أوضح المقصود بالنشاطية الإشعاعية وأعبر عنها بمعادلة رياضية.
• أحلل سلاسل الاضمحلال الإشعاعي مبينًا عدد الجسيمات المنبعثة ونوعها.

• اكتشف بيكرل عام 1896 أنّ أملاح اليورانيوم تؤثّر في الألواح الفوتوغرافية، وخلُص إلى أنّها تبعث تلقائيًّا نوعًا جديدًا من الإشعاع.
• اكتشفت ماري كوري وزوجها بيير كوري عنصرين جديدين يُصدران نوعًا مماثلًا للإشعاع، وأطلقا عليهما البولونيوم والراديوم.
• بيّنت التجارب أنّ هناك ثلاثة أنواع من الإشعاعات: ألفا ($\alpha$) وبيتا ($\beta$) وغاما ($\gamma$).
• جُسيمات ألفا هي نوى الهيليوم ($^{4}_{2}He^{+2}$).
• جُسيمات بيتا السالبة ($\beta^-$) إلكترونات ($^{0}_{-1}e$)، وبيتا الموجبة بوزيترونات ($^{0}_{+1}e$).
• البوزيترون له كتلة الإلكترون نفسها، لكنّه يحمل شحنةً موجبة مساوية لشحنة الإلكترون ($+1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$).
• أشعّة غاما أشعّة كهرمغناطيسية (فوتونات) ذات تردّدٍ عالٍ ليس لها كتلة أو شحنة.

فكيف تختلف الإشعاعات الثلاثة في تأثيرها على المادّة التي تمرّ فيها؟

من يؤيِّن أكثر، ومن يخترق أكثر؟

• ألفا وبيتا وغاما جميعها إشعاعات نووية مؤيِّنة؛ بسبب قدرتها على تأيين ذرّات الوسط الذي تمرّ فيه.
• كتلة جُسيم ألفا نحو أربعة أضعاف كتلة البروتون تقريبًا، وشحنته ضعفا شحنة البروتون.
• لذا يتفاعل مع ذرّات الوسط الذي يمرّ فيه تفاعلًا كبيرًا، فيفقد طاقته بسرعة.
• فقدرته على التأيين أكبر من قدرة جُسيمات بيتا وأشعّة غاما، وقدرته على النفاذ أصغر.
• في الهواء تعبر جُسيمات ألفا في المتوسط مسافة ($3.7\ \text{cm}$) تقريبًا قبل أن تُمتصّ طاقتها كاملة.
• ويمكن امتصاص طاقة جُسيم ألفا كاملة بحاجزٍ رقيق من الورق.
• أشعّة غاما هي الأقلّ قدرةً على التأيين والأكثر قدرةً على الاختراق؛ لأنّها لا تحمل شحنة كهربائية وليس لها كتلة.
• لمقارنة قدرة الإشعاعات الثلاثة على اختراق الأوساط المادّية أتأمّل الشكل (5).

• يمثّل الجدول (3) مقارنةً بين خصائص الإشعاعات النووية.

• يُطلق على انبعاث جُسيمات ألفا أو جُسيمات بيتا أو أشعّة غاما اضمحلالًا.

لماذا اخترقت أشعّة غاما الورقة والألمنيوم في حين لم تخترق ألفا الورقة؟

أقارن بين الإشعاعات النووية ألفا وبيتا وغاما من حيث قدرة كلٍّ منها على التأيين، وقدرتها على الاختراق.

ماذا يحدث للنواة حين تُطلق جُسيم ألفا؟

• تنبعث جُسيمات ألفا ($\alpha$) في الغالب من النوى الثقيلة ($Z > 82$) غير المستقرّة.
• وتنتج نواةٌ جديدة تختلف في عددها الذرّي وعددها الكتلي عن النواة الأمّ.

• في المعادلة الأولى انبعث جُسيم ألفا من نواة نظير اليورانيوم ($^{238}_{92}U$) غير المستقرّ (النواة الأمّ).
• فنتجت نواة نظير الثوريوم ($^{234}_{90}Th$).
• عندما يغادر جُسيم ألفا النواة فإنّها تخسر بروتونين ونيوترونين.
• فالعدد الذرّي للنواة الناتجة يقلّ 2.
• والعدد الكتلي يقلّ بمقدار 4 مقارنةً بالنواة الأمّ.

• مجموع العدد الذرّي للنوى والجُسيمات الناتجة من الاضمحلال يساوي العدد الذرّي للنواة المضمحلّة.
• وكذلك مجموع العدد الكتلي يساوي العدد الكتلي للنواة المضمحلّة.

أبيّن ما التغيّر الذي يطرأ على كلٍّ من العدد الذرّي والعدد الكتلي للنواة الأمّ عند انبعاث جُسيم ألفا منها.

بيتا السالبة: نيوترون يتحوّل إلى بروتون

• النوى التي تقع فوق نطاق الاستقرار تمتلك فائضًا من النيوترونات.
• ويلزمها تقليل عدد النيوترونات وزيادة عدد البروتونات لتقترب نسبة ($\frac{N}{Z}$) فيها من نسبة الاستقرار.
• ويحدث ذلك عن طريق إشعاع جُسيم بيتا السالبة ($\beta^-$)، وهو إلكترون ($^{0}_{-1}e$).
• ومثال ذلك التفاعل الآتي:

• العدد الذرّي للنواة الناتجة زاد بمقدار (1)، في حين بقي العدد الكتلي ثابتًا مقارنةً بالنواة الأمّ.
• الرمز ($\bar{\nu}$) يمثّل جُسيمًا يُسمّى ضديد النيوترينو، وهو جُسيمٌ متعادل الشحنة، وكتلته متناهية الصغر.
• ينتج جُسيم بيتا السالبة من تحلّل أحد نيوترونات النواة، وتحوّله إلى بروتون وجُسيم بيتا السالبة وضديد النيوترينو.

بيتا الموجبة: بروتون يتحوّل إلى نيوترون

• النوى التي تقع أسفل نطاق الاستقرار تمتلك فائضًا من البروتونات.
• ولكي تصل إلى حالة الاستقرار يلزمها تقليل عدد البروتونات وزيادة عدد النيوترونات.
• ويتحقّق ذلك بإشعاع جُسيم بيتا الموجبة ($\beta^+$)، وهو بوزيترون ($^{0}_{+1}e$).
• ومثال ذلك التفاعل الآتي:

• العدد الذرّي للنواة الناتجة يقلّ بمقدار (1) عن النواة الأمّ، في حين بقي العدد الكتلي ثابتًا.
• يُطلق على الجُسيم ($\nu$) النيوترينو، وهو جُسيمٌ متعادل الشحنة ذو كتلة متناهية الصغر.
• ينتج جُسيم بيتا الموجبة من تحلّل أحد بروتونات النواة الأمّ وتحوّله إلى نيوترون وجُسيم بيتا الموجبة ونيوترينو.

• النواة لا تحتوي إلكترونات أو بوزيترونات.
• هذه الجُسيمات تنشأ لحظة تحوّل بروتون إلى نيوترون، أو العكس عند حدوث اضمحلال بيتا.
• وتغادر النواة مباشرة.
• يمكن التعبير عن معادلتي اضمحلال بيتا السالبة وبيتا الموجبة بالمعادلتين الآتيتين:

أبيّن ما التغيير الذي يطرأ على كلٍّ من العدد الذرّي والعدد الكتلي للنواة عند انبعاث جُسيم $\beta^+$ أو جُسيم $\beta^-$ منها.

تُستخدم أشعّة بيتا في ضبط سُمك الورق، فهل تصلح أشعّة غاما أو ألفا لذلك؟ أفسّر إجابتي.

كيف تتخلّص النواة المُثارة من طاقتها الفائضة؟

• كما تتوزّع الإلكترونات في مستويات طاقة في الذرّة، تتوزّع النيوكليونات في مستويات طاقة في النواة بدءًا من مستوى الاستقرار Ground state.

• عند إشعاع النواة جُسيمات ألفا أو بيتا، تنتج نواةٌ جديدة قد تكون في حالة إثارة.
• وللانتقال إلى حالةٍ أكثر استقرارًا، تتخلّص النواة من الفائض في طاقتها عن طريق إصدار أشعّة غاما.
• أشعّة غاما أشعّة كهرمغناطيسية (فوتونات) ذات تردّد كبير جدًّا، وليس لها شحنة أو كتلة.
• لذلك لا يتغيّر العدد الذرّي أو العدد الكتلي للنواة عند انبعاثها.

• حيث $^{A}_{Z}X^{*}$: النواة في حالة إثارة.
• $^{A}_{Z}X$: النواة في حالة الاستقرار.
• $\gamma$: أشعّة غاما المنبعثة.
• طاقة أشعّة غاما المنبعثة تساوي فرق الطاقة بين حالة الإثارة وحالة الاستقرار للنواة الناتجة.
• مثال: نواة البورون $^{12}_{5}B$ من باعثات بيتا السالبة؛ لأنّها تمتلك نيوترونات أكثر من بروتوناتها، وعددها الذرّي أقلّ من 20.
• لذا فهي تتموضع فوق نطاق الاستقرار.
• يبيّن الشكل (6) رسمًا تخطيطيًّا لتغيّرات الطاقة عند اضمحلال نواة البورون ($^{12}_{5}B$) بطريقتين.

• الطريقة الأولى: تنتج نواة الكربون-12 في حالة الاستقرار.

• يتحرّر $13.4\ \text{MeV}$ من الطاقة نتيجةً لهذا الاضمحلال.
• الطريقة الثانية: تنتج نواة الكربون-12 في حالة إثارة وطاقتها $4.4\ \text{MeV}$.

• يتحرّر مقدارٌ من الطاقة يساوي $9.0\ \text{MeV}$ نتيجةً لهذا الاضمحلال.
• وتتخلّص نواة الكربون المُثارة ($^{12}_{6}C^{*}$) من الطاقة الفائضة بإطلاق أشعّة غاما طاقتها $4.4\ \text{MeV}$.

أبيّن ما يحدث لكلٍّ من العددين الذرّي والكتلي للنواة عند انبعاث أشعّة غاما منها.

من مخطّط الطاقة: كم طاقة لألفا ولغاما؟

والآن أُكمل معادلات اضمحلال ألفا وبيتا وغاما بنفسي.

أتوقّع: إذا بدأتُ بعدد قطعٍ يساوي (1000)، فما عدد القطع المتبقّي لديّ بعد محاولتين؟

كم يلزم لينقص عدد النوى إلى النصف؟

• بعض النظائر المشعّة يضمحلّ خلال مددٍ زمنية قصيرة، وبعضها الآخر يضمحلّ خلال مددٍ زمنية طويلة.

• يُبيّن الجدول (4) بعض النظائر المشعّة وعمر النصف لكلٍّ منها.

• في التجربة (1) يمكن معاملة المحاولة الواحدة لإلقاء القطع النقدية معاملة عمر نصفٍ واحد.
• بعد كلّ محاولة يقلّ عدد القطع التي ظهرت فيها الصورة للأعلى إلى النصف تقريبًا.
• أي بعد كلّ عمر نصف فإنّ عدد النوى المشعّة يقلّ إلى النصف.
• مثال: عيّنة عدد النوى المشعّة فيها ($N_0 = 600$)، وعمر النصف لها ($t_{1/2} = 2\ \text{days}$).
• بعد مرور يومين يصبح عدد النوى المشعّة المتبقّية (${N} = 300$).
• وبعد أربعة أيام، أي بعد عمري نصف ($2t_{1/2}$)، يصبح (${N} = 150$) نواة.

• يمكن ربط عمر النصف بعدد النوى المشعّة المتبقّية على النحو الآتي:

• حيث ($t_{1/2}$) عمر النصف، و($N_0$) عدد النوى المشعّة عند لحظة ($t = 0$).
• عدد النوى المشعّة بعد مرور زمن ($t$) هو (${N}$).
• ويسهل استخدام هذه العلاقة عندما يكون ($t$) من مضاعفات عمر النصف ($t_{1/2}$).

كم اضمحلالًا يحدث في كلّ ثانية؟

• بمرور الزمن يتناقص عدد النوى المشعّة، فيقلّ عدد النوى التي تضمحلّ في الثانية الواحدة.

• تتناسب النشاطية الإشعاعية طرديًّا مع عدد النوى المشعّة عند لحظةٍ زمنية معيّنة.

• ثابت التناسب ($\lambda$) يسمّى ثابت الاضمحلال، و(${N}$) عدد النوى المشعّة عند اللحظة نفسها.
• وعند الزمن ($t = 0$) فإنّ ($A_0 = \lambda N_0$)، وهي النشاطية الإشعاعية الابتدائية.
• تقاس النشاطية الإشعاعية بوحدة بيكرل ⁨(Bq)⁩، وتساوي اضمحلالًا واحدًا في الثانية.
• أو بوحدة كوري (Ci)، حيث ($1\ \text{Ci} = 3.7 \times 10^{10}\ \text{Bq}$).
• عند مرور زمنٍ يساوي عمر النصف على العيّنة المشعّة، فإنّ النشاطية الإشعاعية لها تقلّ إلى النصف.

• ويرتبط عمر النصف ($t_{1/2}$) بثابت الاضمحلال بالعلاقة الآتية:

• عمر النصف يتناسب عكسيًّا مع ثابت الاضمحلال؛ فعندما يكون ثابت الاضمحلال كبيرًا، يكون عمر النصف صغيرًا.

أُعرّف النشاطية الإشعاعية وعمر النصف.

متى تصل النشاطية إلى ربع قيمتها؟

1. النسبة: أقسم النشاطية النهائية على النشاطية الابتدائية.
2. قوّة النصف: أكتب النسبة على صورة قوّة للعدد نصف، فأعرف عدد أعمار النصف.
3. عمر النصف: أجد عمر النصف من ثابت الاضمحلال.
4. الزمن: أضرب عدد أعمار النصف في عمر النصف فأجد الزمن.

من النشاطية إلى عدد النوى

1. الوحدات: أوحّد الوحدات: النشاطية بالبيكرل وعمر النصف بالثواني.
2. ثابت الاضمحلال: أحسب ثابت الاضمحلال من عمر النصف.
3. عدد النوى: أحسب عدد النوى من النشاطية وثابت الاضمحلال.
4. أعمار النصف: في كلّ عمر نصف تُنصَّف النشاطية؛ فأنصّفها بعدد الأعمار المطلوب.

كيف تنتهي سلسلة اضمحلال طويلة بالرصاص؟

• اليورانيوم ($^{238}_{92}U$) عنصرٌ مشعّ يضمحلّ لينتج منه نظير الثوريوم ($^{234}_{90}Th$).

• لكنّ نظير الثوريوم ($^{234}_{90}Th$) مشعٌّ أيضًا، ويضمحلّ لينتج منه نظيرٌ مشعّ جديد $^{234}_{91}Pa$.
• وتستمرّ سلسلة الاضمحلالات عن طريق إشعاع جُسيمات ألفا أو بيتا حتى تنتهي بعنصرٍ مستقرّ.

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

• سلاسل الاضمحلال الإشعاعي الطبيعي ثلاث سلاسل:
• سلسلة اليورانيوم وتبدأ بنظير اليورانيوم $^{238}_{92}U$.
• سلسلة الثوريوم وتبدأ بنظير الثوريوم $^{232}_{90}Th$.
• سلسلة الأكتينيوم وتبدأ بنظير اليورانيوم $^{235}_{92}U$.
• جميع هذه السلاسل تبدأ بنظيرٍ ثقيل مشعّ عمر النصف له كبير، وتنتهي بأحد نظائر الرصاص المستقرّ.
• وتُسمّى كلّ سلسلة باسم النظير المشعّ الذي له أطول عمر نصف فيها.
• اليورانيوم $^{238}_{92}U$ له أكبر عمر نصف ($4.47 \times 10^{9}\ \text{y}$) بين النظائر المشعّة في سلسلة اليورانيوم، فسُمّيت باسمه.
• ويمكن التعبير عن هذه السلسلة بيانيًّا على منحنى (${N}-Z$) كما في الشكل (9).

• ويمكن التعبير عن هذه السلسلة أيضًا بالمعادلة الآتية:
• $^{238}_{92}U \rightarrow\ ^{206}_{82}Pb + 8\ ^{4}_{2}He + 6\ ^{0}_{-1}e + 6\bar{\nu}$

• ألاحظ من المعادلة السابقة أنّ العددين الذرّي والكتلي محفوظان.

ما المقصود بسلاسل الاضمحلال الإشعاعي الطبيعي؟

كم جُسيم ألفا وكم جُسيم بيتا في السلسلة؟

1. العدد الكتلي: أساوي مجموع الأعداد الكتلية قبل الاضمحلال بمجموعها بعده، فأجد عدد جُسيمات ألفا.
2. العدد الذرّي: أساوي مجموع الأعداد الذرّية قبل الاضمحلال بمجموعها بعده، فأجد عدد جُسيمات بيتا.
3. الإشارة: أنتبه أنّ العدد الذرّي لجُسيم بيتا السالبة سالب وعدده الكتلي صفر.