Friday, January 11, 2013

بحث عن الاشعاع النووى النشط - تقرير شامل عن الاشعاع النووى النشط

بسم الله الرحمن الرحيمسأقدم الان بحث عن الاشعاع النووى النشط واليكم التفاصيل

الإشعاع النووي الناشط radioactive radiation هو سيل من الجسيمات العالية الطاقة التي ترافق التفكك التلقائي spontenous dissociation الذي تتمتع به أنواع معينة من النوى الذرية غير المستقرة. وهناك ثلاثة أنواع من الإشعاعات النووية الناشطة: إشعاع ألفا a وإشعاع بيتا β وإشعاع غاما γ ولكل منها ميزات خاصة غير أن لها جميعاً خواص مشتركة. وتكشف آثار الجسيمات المشحونة أو مساراتها باستخدام حجرة وِلْسُن Wilson أو حجرة الضباب cloud chamberوهي تتألف من حجرة محكمة الإغلاق مُلئت بغاز معين وتحتوي على كمية كافيةمن سائل (كحول+ ماء) بخاره مشبع وفيها مكبس متحرك إذا زيد حجم الحجرة فجأةبإزاحته سبّب التمدد المكظوم تبرداً وصار البخار فائق الإشباع قابلاًللتكاثف فإذا وُجدت في الحجرة جسيمات مشحونة حصل التكاثف عليها وظهرت آثارالجسيمات ومساراتها، وأمكن رؤيتها في ضوء مناسب أو تصويرها.
إشعاع ألفا
هو جسيمات مادية ذات شحنة كهربائية موجبة تساوي ضعف شحنة الإلكترون، أي 3.2 × 10-19 كولون، وذات كتلة أكبر من كتلته وتساوي 6.2 × 10-27 كغ، وليس جسيم ألفا إلا نواة الهليوم 2He4(بروتونان + نترونان). إن كتلة جسيم ألفا وشحنته مستقلتان عن العنصر المشعالذي يصدره، وتُراوح طاقة جسيمات ألفا التي تصدرها العناصر المشعة الشائعةالاستعمال بين (5و 10) مليون إلكترون فولط (م. إ. ف) وعدد الجسيمات التيتصدر في الثانية كبير جداً، فمثلاً يُصْدِر غرامٌ واحد من اليورانيوم 235عدداً منها يبلغ (64) ألفاً في الثانية، ويصدر غرام من البلوتونيوم 239عدداً يبلغ (2.3) مليار في الثانية.
أمامسارات جسيمات ألفا فهي مسارات مستقيمة وقصيرة، كما تظهرها حجرة وِلْسُن،ويرجع ذلك إلى كونها جسيمات ثقيلة، فهي لا تنحرف لدى اصطدامها بذرةٍ مامالم تُصِبها في جوار النواة. ويتوقف هذا المسار على عدد من العوامل أهمهاطاقة الجسيم أو سرعته وطبيعة المادة التي تخترقها.
وهناكصيغ تجريبية تعطي المسار «مس» في الهواء بدلالة الطاقة «طا»، منها الصيغةالتالية التي تصلح في المجال مابين 8.3 مليون إِلكترون
فولط (م. إِ. ف) مس (سم) = 0.318طا3/2 (1)
حيث تقدر الطاقة طا بـ (م. إِ. ف). ويراوح طول المسار في الهواء بين 2 و10سم: (اليورانيوم 2.6سم والراديوم 3.4سم والبولونيوم 3.9سم).
ويمكنالقول إن جسيمات ألفا تفقد من طاقتها 2 م. إِ. ف في كل سنتمتر من مسارهافي الهواء. وهناك دساتير تمكِّن من حساب مسار جسيم ألفا في مادة عددهاالذري Z فيما إذا عُرف مساره في الهواء.

مساراتجسيمات ألفا في حجرة ضباب تحوي نتروجين. إحدى جسيمات ألفا وقد أسرتها نواةنتروجين مما أفضى إلى انشاطر النواة المركبة إلى بروتون (المسار الرفيع) وأيون أكسجين (المسار السميك)

وقد دلت نتائج التجارب على أن السرعات التي تصدُر بها جسيمات ألفا هي من رتبة 910سم/ثا. وفي كثير من الحالات يتألف طيف الطاقة من خط واحد كما تدل على ذلكجسيمات ألفا في حجرة ولْسُن مثلاً، ممايدل على أن لكل جسيمات ألفا الصادرةعن هذا الصنف من العناصر السرعة نفسها. ويلاحظ في مجموعة كبيرة من العناصرإضافة إلى هذا الخط، وجود خطوط أخرى في جواره، ويوصف إشعاع ألفا في هذهالحالة بأنه ذو بنية دقيقة وأن طيفه خطي حاد.
ولما كانت الطاقة طا ترتبط مع السرعة سر بالعلاقة فإنه

ينتج من هذا أن المسار مس يتناسب مع مكعب السرعة وفقاً للعلاقة (1) التي تكتب عندئذ كما يلي:
مس (سم) = 9.76 × 10-28سر3.
حيث تقدر السرعة سر بـ سم/ثا.
وعلى هذا يكون المسار نحو سنتمترين من أجل سرعة مقدارها (13) ألف كم/ثا، ويصبح ثلاثة أضعاف ذلك من أجل السرعة (20) ألف كم/ثا.
أمامايتصل بنفوذ جسيمات ألفا فقد تبين أنه ضعيف، وقد اصطُلح على أن يقدَّرتأثير وسطٍ ما، من حيث تبطئته الجسيمات التي تجتازه، بثخن طبقة الهواء التيلها التأثير نفسه والتي تعرف بالمدى range.
إشعاع بيتا
إن شحنة جسيم بيتا وكتلته لا تختلفان عن شحنة الإلكترون وكتلته.

الشحنة e= 1.6 × 10-19 كولون

الكتلة ك = 9.11 × 10-31 كغ
وجسيمات بيتا المشحونة سلباً(-β) ماهي إلا نيغاتونات، أي إلكترونات عادية كالأشعة المهبطية cathode rays. أما جسيمات بيتا المشحونة إيجاباً (+β) فليست سوى بوزِِتْرونات، أي إلكترونات موجبة. وتصدر أشعة بيتا +β عن النواة. ولما كانت الإلكترونات لا تنشأ من داخل النواة، فإن إصدار الإلكترونات هنا يتم خارج النواة نتيجة تحولٍ يقع في داخلها.
ويمكنفحص مسارات بيتا في حجرة ولْسُن، إلا أنه يوجد فارق أساسي بين جسيمات ألفاوبيتا يعود إلى أنه في إصدار جسيمات بيتا لا تكون الجسيمات ذات طاقة واحدةتقريباً كما هو الحال في إصدار ألفا، بل يكون لها مجموعة طاقات يعبَّرعنها بالقول إن لها طيف طاقة. ويوجد نمطان متميِّزان ظاهرياً لأطياف أشعةبيتا: أحدهما طيف خطي حاد، والآخر طيف مستمر. وقد تبين بما لا يقبل الشك أنالأطياف الخطية الحادة تعود إلى إلكترونات كانت قد طرحتها طبقات الذرةالمختلفة بفعل إشعاعات غاما الصادرة عن نواة الذرة نفسها أو الذراتالمجاورة. أما طيف أشعة بيتا المستمر فهو الذي تولده الإلكترونات التي كانتقد طرحتها نوى الذرات المشعة.
ويختلفطيف إشعاعات بيتا لعنصر ما اختلافاً بيِّناً عن معظم الأطياف الأخرىالمميزة للعنصر نفسه من حيث أن هذه الأطياف المميزة هي أطياف خطية، سواءًأكانت ضوئية أم أشعة سينية أم أشعة ألفا أم أشعة غاما، في حين يكون طيفأشعة بيتا طيفاً مستمراً.
إنطاقة جسيمات بيتا التي تصدرها العناصر المشعة المستعملة تبلغ نحو 5 مليونإلكترون فولط عادة. وتتمتع جسيمات بيتا بسرعة عالية، إذ تصل سرعة الإشعاعاتالسريعة منها، والناتجة عن الثوريوم Th، إلى ما يقارب0.999 من سرعة الضوء. وعلى الرغم من هذه السرعة العالية فإن كتلتهاالخفيفة بالمقارنة بكتلة جسيم ألفا (كتلة جسيم بيتا أخف من كتلة جسيم ألفابنحو 8000 مرة) تجعل مساراتها غير منتظمة إذ تنحرف عن مسارها في كل مرةتصطدم بذرة غاز، كما أن معظم الصدمات تحدث بالقرب من النوى.
وتتعينطاقات جسيمات أشعة بيتا الصادرة عنالنظائرالمشعة وسرعاتها بطرائق كثيرة، منها مثلاً قياس أنصاف أقطار تقوسمساراتها في حقل مغنطيسي معلوم الشدة.
ويمكن التحقق من أن المدى يساوي 0.8 من المسار على وجه التقريب. وتوجد صيغ تعطي المسارات بدلالة الكتلة السطحية كس (غ/سم2) (وهي كتلة واحدة السطوح من المادة ثخنها يساوي المسار (مس) وبدلالة الكتلة النوعية φ(غ/سم3) والطاقة طا، منها الصيغة التالية:
ك س(غ/سم2) = φ مس = 0.530 طا -0.106
إن الطاقة التي تظهر في هذه العلاقة هي الطاقة العظمى لجسيمات بيتا التي تُراوح قيمها بين 2.5 و20 مليون إلكترون فولط. إنطول مسار إلكترون طاقته (80) كيلو (إ.ف) في الهواء يساوي 8سم، أي يساويتقريباً طول مسار جسيم ألفا طاقته 8 ملايين (م.إ.ف)، وهذا يدل على أن طاقةجسيم بيتا (الإلكترون) أشد بمئة ضعف من طاقة جسيم ألفا.
إنجسيمات بيتا أكثر نفوذاً من جسيمات ألفا. ويعود ذلك لسرعتها الكبيرة التيتصل حتى 250000 كم/ثا. وتقطع أشعة بيتا نحو 10 أمتار في الهواء إذا كانتطاقتها 3 ملايين (م.أ.ف)، أما أشعة بيتا الناتجة من الانشطار في الانفجاراتالنووية فطاقاتها لاتتجاوز 2 مليون (م.أ. ف)، ولا تتجاوز مساراتها 8 أمتارفي الهواء، وبضع سنتمرات في الماء و0.1 سم في الرصاص.
إشعاع غاما
إن الجسيمات التي تكوّن إشعاعات غاما ما هيإلا الفوتونات[ر] التي ليس لها شحنة أو كتلة، فهي لذلك لا تنحرف في الحقولالكهربائية أو المغنطيسية، وهي من طبيعة الأشعة السينية لكنها تصدر عنالنواة في حين تصدر الأشعة السينية عن البنية الخارجية من نواة الذرة، كماأن لها أطوالاً موجية أقصر وطاقات أكبر من مثيلاتها في الأشعة السينية.وتُراوح أطوالها الموجية بين 5 × 10-3 و 5 × 10-1 أنغستروم (أنغستروم = 10-10 متر).
تصدر أشعة غاما عن نوى الذرات المشعة في عملية التفكك dissociationمصاحبة أشعة ألفا أو أشعة بيتا في أغلب الأحيان. فعندما تتحول ذرةٌمصدرةً جسيم ألفا أو جسيم بيتا، فقد تبقى النواة الناتجة في حالةٍ مثارةٍتؤدي بها إلى إصدار أشعة غاما لدى عودتها إلى حالات مثارة أدنى أو إلىالحالة الدنيا.
إن طاقة الإشعاع الكهرمغنطيسي تساوي الجداء h × تو، حيث تو: تواتر (تردد) الإشعاع وh: ثابت بلانك Planck، وقيمته 625،6 × 10-34جول. ثانية وتُراوح طاقة الفوتونات في الحالة العامة بين بضعة آلافإلكترون فولط وبضع مئات الملايين إلكترون فولط. ولا تظهر حجرة ولْسُن آثارأشعة غاما فيها لأنها معدومة الشحنة.
وتعدأشعة غاما أكثر الإشعاعات التي تصدرها المواد المشعة نفوذاً، فهي تنتقلبسرعة الضوء، لذلك كانت مساراتها مستقيمة وطويلة جداً. فيمكن لأشعة غاما أنتجتاز مئات الأمتار في الماء وعدة سنتمترات في الرصاص، وتنخفض شدة أكثرهانفوذاً إلى النصف لدى اختراقها صفيحة من الرصاص ثخنها 1.4سم.
ويمكنالتفريق بين إشعاعات ألفا وبيتا وغاما من حيث مقدرة كل منها على النفوذ.فورقة كتابة عادية تكفي لامتصاص إشعاع ألفا، وتكفي وريقة من الألمنيوملامتصاص إشعاع بيتا، أما أشعة غاما فلا تُمتص امتصاصاً كاملاً بأي منهما.
الخواص المشتركة للإشعاعات النووية الناشطة الثلاثة
تؤلق الإشعاعات بعض الأجسام: فبعض السوائل النقية تتألق عندما تخترقها أشعة غاما. ويكون لون التألق [ر] luminescence مائلاً إلى الزرقة ويمتد بعض المسافة في سوائل. ويختلف هذا التألق أساساً عن التفلور fluorescence الذي ينشأ عن تبادل الطاقة بين ذرات المادة.
وقد بين العالم الفيزيائي الروسي تشيرنكوف Tcherenkov أن هذا التألق لا تولده أشعة غاما مباشرة بل تولده الإلكترونات التي تتحرك بسرعة أكبر من السرعة الطورية phase velocityلانتشار الضوء في ذلك السائل. وتعرف هذه الظاهرة بأثر تشيرنكوف[ر]. وهيتحدث عندما يتحرك جسيم مشحون بسرعة تزيد على السرعة الطورية لانتشار الضوءفي العازل. وهي تشبه ظاهرة أمواج الصدم الصوتية ولكنها هنا تولِّد تألقاًفي السائل.
ويمكن مشاهدةهذه الظاهرة بوضع طبقة رقيقة من أحد أملاح الراديوم على كبريت الزنك فُيرىباستعمال مكبِّرة مناسبة تألقات يسببها اصطدام جسيمات ألفا بكبريت الزنك.وكانت هذه الطريقة البدائية هي الطريقة التي انطلق منها الباحثون لإجراءتجاربهم في النشاط الإشعاعي.
الإشعاعاتتؤيِّن الذرات وتثيرها وتفكِّكها: ففي حالة التأين بإشعاعات ألفا وبيتايعود الأمر أساساً إلى تأين مباشر يعقبه تأين ثانوي مهم جداً، لأن 40 فيالمئة من حوادث التأين بإشعاعات ألفا هي من التأين المباشر. ويتطلب إنتاجزوجين من الأيونات في الهواء طاقة تقدر بنحو 32.5 (إ. ف). ويكون التأينبإشعاعات ألفا أشد في نهاية المسارات لأنها تصبح أبطأ، لذلك فإن كثافةمسارات جسيمات ألفا تزداد عند نهايتها.
وينتجإلكترون طاقته تساوي 3 ملايين (م.إ.ف) نحو 25 زوجاً من الأيونات فيالسنتمتر الواحد في الهواء، في حين أن جسيم ألفا ذا الطاقة ذاتها ينتج35000 زوج من الأيونات في السنتمتر الواحد من الهواء.
ويمكنلإشعاعات بيتا أن تولد تأيناً ثانوياً مهماً قد يصل إلى نحو 70 في المئةمن مجموع التأينات، ويؤدي تباطؤ الجسيمات إلى إصدار إشعاع كهرمغنطيسي يدعىإشعاع الكبح brake radiation أو bremsstrahlung الذي ينبغي أخذه بالحسبان. وأخيراً، وفي حالة أشعة غاما فإن مايحدث هو التأين غير المباشر فقط.
ويمكنللفوتونات الساقطة على المادة أن تؤثر وفق ثلاث آليات مختلفة إذ يتعلقاحتمال حدوث كل آلية منها بطاقة الفوتونات وبالعدد الذري Z للمادة التي تجتازها.
أما الآلية الأولى فهي الأثر الكهرضوئي photoelectricity إذ تكون طاقة الفوتونات ضعيفة وقيمة Z مرتفعة. وبموجب هذا الأثر يتخلى الفوتون عن كل طاقته إلى الإلكترون المقذوف من المادة ثم يختفي تماماً.
وأما الآلية الثانية فهي أثر كُمْتون Compton، إذ يكون للفوتونات طاقة متوسطة وتكون Zذات قيمة منخفضة. وفي هذه الآلية لا يفقد الفوتون المرتد على الإلكترونسوى جزء من طاقته الابتدائية، ويكتسب الإلكترون المقتلَع طاقة حركية بالفرقفي الطاقة.
وأما الآلية الثالثة فهي إنتاج الزوجين pair production، وهي عملية يتطلب حدوثها فوتوناً ذا طاقة عالية (لا تقل عن مليون (إ. ف) تقريباً)، كما تكون قيمة Zعالية، ويفنى الفوتون في هذه العملية وتستخدم طاقته لتوليد إلكترونين أوإلكترون سالب وإلكترون موجب (جسيم جديد موجب الشحنة) هو البوزِترون.
وفيهذه الحالات الثلاث، يكون الإلكترون المقذوف مع زوج الأيونين الناتج هوالمسؤول عن التأين وليس الفوتون الوارد المعتدل؛ وهذا مايعنيه بالضبطالتأين غير المباشر.
تولِّدالإشعاعات آثاراً كيمياوية مختلفة إذ يؤثر الإشعاع النووي الناشط في ألواحالتصوير كما تفعل الأشعة السينية. فهو يحلل الماء ويلون باللون البنفسجيأو البني بعض المواد كالزجاج والكوارتز والمينا.
يرافقإصدار الإشعاع النووي الناشط تحرر طاقة: فإذا وضع جسم صلب مشع داخل أنبوبمن الرصاص، فإن الأنبوب يمتص الإشعاع ويظهر كامل الطاقة بشكل حرارة. يطلقغرام واحد من الراديوم 135 حريرة في الساعة الواحدة، يعود 120 حريرة منهاإلى جسيمات ألفا و9 حريرات إلى جسيمات بيتا و6 حريرات إلى جسيمات غاما.
إن مشكلة تحرير الطاقة هذه هي إحدى الصعوبات التي تعوق مشكلة التخلص من النفايات المشعة المتبقية من عمل المفاعلات النووية.
أخطار الإشعاع النووي الناشط واستخداماته
يؤثرالإشعاع في أنسجة الحيوان والنبات، وتؤلف الإشعاعات ذات الطاقة العاليةخطراً على الأنسجة الحية، إذ تستطيع بهذه الطاقة أن تفكك الجزيئات المعقدةللأنسجة الحية وأن تقتل الخلايا وأن تحوّل جزيئات البنى الحيوية إلى أشكالغريبة أو أن تنتج بعض الحروق.
ولاتؤلف أشعة بيتا خطراً على الإنسان، إذ تكفي الملابس والجلد لوقاية الأعضاءالأساسية من أخطارها، وجسيمات ألفا أقل خطراً من أشعة بيتا لأنها أقل منهانفوذاً. أما أشعة غاما فهي أشد خطراً من أشعة ألفا وأشعة بيتا لأنها أشدمنهما نفوذاً.
ومن جهةثانية يمكن استخدام الأشعة النفوذة بطريقة المعالجة «الكورية» نسبة إلىالعالم كوري لقتل الخلايا السرطانية من دون إلحاق أي ضرر بالخلايا المجاورةلها [ر. الأشعة (المعالجة بـ ـ)].
Digg Google Bookmarks reddit Mixx StumbleUpon Technorati Yahoo! Buzz DesignFloat Delicious BlinkList Furl

No comments:

Post a Comment

Search This Blog