بحث عن الاضمحلال الإشعاعي

مقدمة البحث

الحمد لله الذي خلق كل شيء فقدّره تقديرًا، والصلاة والسلام على نبينا محمد. أما بعد، فإن المادة من حولنا تتكون من ذرات، وفي قلب كل ذرة نواة صغيرة جدًا تحمل معظم كتلتها. وبعض هذه الأنوية مستقر يبقى على حاله، وبعضها غير مستقر يتحول من تلقاء نفسه إلى نواة أخرى مطلقًا إشعاعًا. وتسمى هذه الظاهرة الاضمحلال الإشعاعي. وقد اكتُشفت في أواخر القرن التاسع عشر الميلادي حين لاحظ العالم الفرنسي هنري بيكريل أن أملاح اليورانيوم تُصدر إشعاعًا غير مرئي يؤثر في الأفلام الفوتوغرافية، ثم تابعت ماري كوري وزوجها بيير كوري دراسة هذه الظاهرة واكتشفا عنصري البولونيوم والراديوم.

تعريف الموضوع

الاضمحلال الإشعاعي (التحلل الإشعاعي) هو عملية تلقائية تتحول فيها نواة ذرة غير مستقرة إلى نواة أخرى أكثر استقرارًا، مع انبعاث جسيمات أو إشعاعات كهرومغناطيسية. وتسمى النواة الأصلية النواة الأم، وتسمى الناتجة النواة الوليدة. وهذه العملية لا تتأثر بدرجة الحرارة ولا بالضغط ولا بالتفاعلات الكيميائية، لأنها تحدث داخل النواة.

أهمية الموضوع

تكمن أهمية دراسة الاضمحلال الإشعاعي في تطبيقاته الواسعة، فهو أساس تقدير أعمار الصخور والآثار، وأساس التصوير الطبي وعلاج الأورام، ومصدر الطاقة في المفاعلات النووية، ويفسر لنا كثيرًا من ظواهر الطبيعة. وفي الوقت نفسه فإن معرفة أخطار الإشعاع ضرورية لحماية الإنسان والبيئة.

أهداف البحث

• التعرف على سبب عدم استقرار بعض الأنوية.
• التمييز بين أنواع الإشعاع: ألفا وبيتا وجاما.
• كتابة معادلات الاضمحلال وموازنتها.
• فهم مفهوم عمر النصف وحل مسائل عليه.
• بيان تطبيقات الاضمحلال الإشعاعي وأخطاره ووسائل الوقاية منه.

أولًا: استقرار النواة

تتكون النواة من بروتونات موجبة الشحنة ونيوترونات متعادلة، ويُسمى كل منهما نيوكلون. وتتنافر البروتونات كهربائيًا، لكن القوة النووية القوية تجمع النيوكلونات معًا على مسافات قصيرة جدًا. وتكون النواة مستقرة إذا كانت نسبة عدد النيوترونات إلى البروتونات مناسبة، فإذا زادت أو نقصت عن حد معين أو كانت النواة كبيرة جدًا صارت غير مستقرة. ولذلك تكون جميع أنوية العناصر الأثقل من الرصاص مشعة.

ثانيًا: أنواع الإشعاع النووي

أ) اضمحلال ألفا

تفقد النواة الأم بروتونين ونيوترونين، فينقص عددها الذري بمقدار اثنين وعددها الكتلي بمقدار أربعة. مثال ذلك اضمحلال اليورانيوم:

²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He

ونلاحظ أن مجموع الأعداد الكتلية قبل التفاعل يساوي مجموعها بعده، وكذلك مجموع الأعداد الذرية، وهذا هو أساس موازنة معادلات الاضمحلال.

ب) اضمحلال بيتا

يتحول فيه نيوترون في النواة إلى بروتون مع إطلاق إلكترون وجسيم صغير جدًا يسمى مضاد النيوترينو، فيزداد العدد الذري بمقدار واحد ويبقى العدد الكتلي ثابتًا. ومن أمثلته اضمحلال الكربون المشع:

¹⁴₆C → ¹⁴₇N + e⁻ + ν̄

ج) إشعاع جاما

تبقى النواة بعد اضمحلال ألفا أو بيتا أحيانًا في حالة مثارة ذات طاقة زائدة، فتتخلص من هذه الزيادة بإطلاق فوتون جاما دون تغير في العدد الذري أو الكتلي.

ثالثًا: قانون الاضمحلال الإشعاعي وعمر النصف

لا نستطيع تحديد متى تضمحل نواة بعينها، لكن إذا كان عندنا عدد كبير من الأنوية المتماثلة فإن نسبة ثابتة منها تضمحل في كل وحدة زمنية. وتُسمى هذه النسبة ثابت الاضمحلال. أما عمر النصف فهو الزمن اللازم لاضمحلال نصف عدد الأنوية الموجودة في العينة، وهو ثابت لكل نظير مشع.

N = N₀ × (1/2)ⁿ

حيث N عدد الأنوية الباقية، وN₀ عددها الابتدائي، وn عدد فترات عمر النصف المنقضية، ويساوي الزمن الكلي مقسومًا على عمر النصف.

n = t / T_1/2

مثال محلول (١)

عينة كتلتها ثمانون غرامًا من نظير مشع عمر النصف له ثمانية أيام. ما الكتلة الباقية بعد أربعة وعشرين يومًا؟

n = 24 ÷ 8 = 3

m = 80 × (1/2)³ = 80 × 1/8 = 10 g

الكتلة الباقية عشرة غرامات، فقد انقسمت الكتلة إلى النصف ثلاث مرات: أربعون ثم عشرون ثم عشرة.

مثال محلول (٢)

إذا بقي من عينة مشعة ربع كتلتها الأصلية بعد مرور عشرين سنة، فما عمر النصف لها؟

الربع يعني أن الكتلة نقصت إلى النصف مرتين، أي أن n يساوي اثنين. إذن:

T_1/2 = 20 ÷ 2 = 10 years

فعمر النصف عشر سنوات.

جدول يوضح الاضمحلال المتتابع

وتتفاوت أعمار النصف تفاوتًا كبيرًا، فبعض النظائر تبقى أجزاء من الثانية، وبعضها يبقى مليارات السنين كبعض نظائر اليورانيوم. أما الكربون ١٤ فعمر النصف له نحو خمسة آلاف وسبع مئة وثلاثين سنة.

رابعًا: وحدات النشاط الإشعاعي

يقاس النشاط الإشعاعي بعدد الاضمحلالات في الثانية الواحدة، ووحدته في النظام الدولي البيكريل وتساوي اضمحلالًا واحدًا في الثانية. وتُستعمل أيضًا وحدة الكوري تكريمًا للعالمين كوري، وهي أكبر بكثير من البيكريل.

خامسًا: التطبيقات

• التأريخ بالكربون المشع: تمتص الكائنات الحية الكربون المشع ما دامت حية، فإذا ماتت توقف الامتصاص وأخذ الكربون المشع في الاضمحلال، فنقدر عمر البقايا العضوية بقياس ما بقي منه.
• الطب: التصوير بالنظائر المشعة وتشخيص أمراض الغدة الدرقية والعظام، وعلاج بعض الأورام بإشعاع جاما.
• الصناعة: الكشف عن العيوب في اللحام، وتعقيم الأدوات الطبية.
• الطاقة: توليد الكهرباء في المحطات النووية، وتشغيل بطاريات مركبات الفضاء.
• الكشف عن الدخان: تحتوي بعض أجهزة الإنذار على كمية صغيرة جدًا من مصدر مشع.

سادسًا: الأخطار والوقاية

يؤثر الإشعاع المؤين في الخلايا الحية، فقد يتلف مادتها الوراثية ويسبب أمراضًا إذا تعرض الإنسان لجرعات عالية أو لتعرض طويل. ومن وسائل الوقاية الابتعاد عن المصدر، وتقليل زمن التعرض، واستخدام الدروع الواقية المناسبة، وارتداء أجهزة قياس الجرعات للعاملين في المجالات الإشعاعية، والتخلص الآمن من النفايات. وتتولى جهات رقابية رسمية في الدول متابعة الالتزام بمعايير الأمان، ومنها هيئة الرقابة النووية والإشعاعية في المملكة العربية السعودية.

النتائج

• الاضمحلال الإشعاعي تحول تلقائي لنواة غير مستقرة إلى نواة أخرى مع إطلاق إشعاع.
• أنواع الإشعاع الرئيسة هي ألفا وبيتا وجاما، وتختلف في طبيعتها ونفاذها.
• تُكتب معادلة الاضمحلال بحفظ العدد الكتلي والعدد الذري.
• عمر النصف ثابت لكل نظير، ويُستعمل في تقدير الأعمار.
• للإشعاع فوائد كبيرة وأخطار تستلزم الحذر.

التوصيات

• الاستفادة من التطبيقات السلمية للنظائر المشعة في الطب والصناعة والبحث العلمي.
• الالتزام بإرشادات السلامة عند التعامل مع المصادر المشعة.
• نشر الثقافة العلمية الصحيحة عن الإشعاع وتصحيح المخاوف غير الدقيقة.

الخاتمة

تعرفنا في هذا البحث على الاضمحلال الإشعاعي وأسبابه وأنواعه وقانونه وعمر النصف وتطبيقاته وأخطاره. وهو من الظواهر التي تكشف عن دقة نظام الكون، فهي تجري وفق قوانين رياضية ثابتة يمكن حسابها، ومعرفتها تفتح للإنسان أبواب النفع إذا أحسن استعمالها وراعى السلامة.

المراجع

• كتب الفيزياء للمرحلة الثانوية، وزارة التعليم في المملكة العربية السعودية.
• سيرواي وجويت، الفيزياء للعلماء والمهندسين.
• هاليداي ورزنك وووكر، أساسيات الفيزياء.
• الوكالة الدولية للطاقة الذرية، المواد التعريفية عن الإشعاع.

كلمات دليلية

بحث، بحث عن، بحث علمي، بحوث، الاضمحلال الإشعاعي