التحلل الشعاعي

التحلل الاشعاعي Radioactive decay

كما ذكرنا سابقاً بأن بعض أنوية العناصر تكون غير مستقرة وبالتالي فإنها تسعى لتكون مستقرة وذلك من خلال تحللها والتخلص من جزء من مكوناتها . وهذا التحلل التلقائي مرهون بكون الطاقة الكلية للنظام النهائي (النواة الجديدة ) أقل من الطاقة الكلية للنظان الابتدائي (النواة الاصلية) ومتى ما توفر هذا الامر فحينئذ تكون هناك احتمالية حدوث لهذا التحلل وكلما كان الفرق بين طاقتي النظامين (الابتدائي والجديد) كبيراً كلما كانت هناك اختمالية أكبر لحدوث هذا التحول التلقائي للنواة . 

نشاط النواة الاشعاعي . 

اثناء دراسة الانشطة الاشعاعية للانوية الغير مستقرة وجد أن هناك ثلاثة أنواع للتحلل والتي تختلف باختلاف طبيعتها وقدراتها النفاذية وهي : 

1 – أشعة ألفا ( Alpha decay) : عبارة عن أنوية لذرات الهيليوم وتتمتع نفاذ صغيرة . 

2 – اشعة بيتا (beta decay) : عبارة عن إلتكترونات ذات شحنة موجبة أو سالبة وتتمتع بقدرات نفاذ أكبر من أشعة ألفا . 

3 – أشعة جاما ( gama decay) : عبارة عن اشعة كهرومغناطيسية وهي ذات طاقة عالية ولها قرة نفاذ عالية جداً . 

الانحلال الاشعاعي : 

جميع أنماط الانحلال الاشعاعي تعتمد في تحللها على عامل الزمن . ولدراسة هذه المسألة ينبغ التعرف على المصطلحات التالية : 

1 – تسمى النواة قبل التحلل بـ النواة الام ( parent) 

2 – تسمى النواة بعد التحلل بـ النواة الوليدة ( deugter) 

3 – تسمى أي من مكونات النواة (بروتون أو نيترون) بـ النويدة (nuclei) 

4 – عندما تكون النواة الوليدة غير مستقرة فإنها تتحلل ايضاً وسمى هذا النوع من النظام الذي يحوي عدة اجيال من الانوى الوليدة الغير مستقرة بـ (سلسلة الانحلال الاشعاعي ) 

وبعد يمكننا القول بأن ظاهرة الانحلال الاشعاعي هي ظاهرة ذات طبيعة احصائية ولذا فإنه من المستحيل تحديد زمن حدوث انحلال لنويدة معينة أثناء عملية التفكك الاشعاعي لان العملية عتهتمد على الاحتمالات . 

ثابت التفكك decay constant λ 

يعرف ثابت التفكك بأنه احتمال تفكك أو اضمحلال نويدة عنصر في وحدة الزمن (ثانية واحدة) 

خصائص ثابت التفكك : 

1 – ثابت التفكك (λ) هو مقدار ثابت لجميع نويدات العتصر الواحد ولا يعتمد على الظروف الخارجية كالحرارة والرطوبة والضغط وغيرها وه عتمد فقط على تركيب النواة للعنصر . 

2 – ان قيمة ثابت التفكك لا يعتمد على الزمن بمعنى أنه لا يعتمد على عمر النواة المشعة . 

إذاً λ تمثل احتمال تفكك النويدة في الثانية الواحدة ويكون بالتالي احتمال تفكك النواة خلال فترة زمنية dt هو : λdt 

وإذا كان لدينا عدد من الانوية عددها (N) فإن عدد الانوية التي سوف تتحلل خلال فترة dt هو : 

dN = - N λdt 

واشارة السالب تشير إى أن عد الانوية الموجودة يتناقص بسبب عملية التفكك . ويمكن كتابة المعادلة السابقة بالشكل التالي : 

dN\N = - λdt 

وباجراء التكامل على الطرفين : 

وهذه المعادلة تشير إلى أن تناقص عدد الذرات سوف يكون بشكل اسي مع الزمن 

النشاطية ( Activity (A 

تعرف النشاطية لعنصر بأنه عدد الذرات التي تتحلل خلال ثانية واحدة ويمكن العبير عنه بالمعادلة التالية : 

تقاس النشاطية بةحدة الكوري ( C) وهذه الوحدة تعرف على أنها نشاط كمية من المادة تتفكك بمعدل 

وهناك وحدة تستخدم في النظام (SI) تعرف بـ البكيريل (Bq) 

عمر النصف ( half-life) 

يعرف عمر النصف بأنه الزمن اللازم لتحلل نصف كمية المادة الاصلية 

ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ 

جميع العناصر المشعة تنتمي إلى واحدة من ثلاث سلاسل تسمى كل واحدة منها سلسلة النشاط الإشعاعي ، تبدأ السلسلة الأولى بنظير اليورانيوم (238) ، والثانية بنظير اليورانيوم (235) ، بينما تبدأ الثالثة بنظير الثوريوم (232) ، وتوضح هذه السلاسل مراحل تحلل العنصر المشع. 

الشكل الآتي يوضح سلسلة تحلل اليورانيوم (238) إلى رصاص (206) :

العدد الكتلي

العدد الذري

سلسلة تحلل اليورانيوم (238) الى رصاص (206) .

أولى خطوات هذه السلسلة تتضمن تحول نظير اليورانيوم (238) إلى نظير الثوريوم (234) وينتج بفعل هذا الانحلال انطلاق دقائق ألفا ، ويتم تمثيل هذا التفاعل النووي على النحو التالي: 

يتم تمثيل دقائق ألفا الناتجة عن التفاعل بأنوية الهيليوم . 

يسمى هذا النوع من التفاعلات والتي يظهر فيها كل من العدد الذري والعدد الكتلي وينتج عنها عناصر جديدة بالتفاعلات النووية. 

وفي الخطوة الثانية يتحول الثوريوم إلى نظير البروتاكتينيوم مطلقاً دقيقة بيتا . 

ويتم تحول الثوريوم وفق المعادلة النووية التالية : 

الرمز يمثل الكترون ( بيتا ) مصدره النواة ، شحنته (-1) وكتلته ( صفر ) . 

الخطوة الثالثة تتمثل في تحول البروتاكتينيوم إلى نظير اليورانيوم مطلقاً من جديد دقائق بيتا وذلك وفق المعادلة النووية التالية: 

تمثل الخطوة الرابعة تحول نظير اليورانيوم إلى نظير الثوريوم وتنطلق دقائق ألفا بفعل هذا التحول : 

ثم يعود الثوريوم في الخطوة الخامسة للتحول إلى نظير الراديوم وتنطلق دقائق ألفا : 

والآن يمكنك ملاحظة سبب وجود الراديوم في خام اليورانيوم . 

وفي الخطوة السادسة يتحول الراديوم إلى نظير الرادون : 

ثم يتحول الرادون في الخطوة السابعة إلى نظير البولونيوم : 

وهكذا تستمر سلسلة التحولات ، وينتج في كل مرحلة منها نظير غير مستقر إلى أن يصل اليورانيوم في تحللاته إلى نظير الرصاص (206) المستقر في سلسلة من (14) خطوة . 

يسمى هذا النوع من السلاسل بسلسلة النشاط الإشعاعي Radioactive Series أو سلسلة التحلل Decay Series 

سرعة التحلل الإشعاعي Rate of Radioactive Decay 

تتحلل أنوية العناصر غير المستقرة بسرعات مختلفة ، فبعضها يحتاج لملايين السنين لكي يتحلل ، والبعض الآخر بحاجة لثوان لفعل ذلك. 

تسمى الفترة الزمنية اللازمة لتحويل كتلة معينة من العنصر غير المستقر إلى نصف تلك الكتلة بعمر النصف 

(half – life ) ويرمز لها بالرمز ( t 1/2 ) . 

ولكل نظير غير مستقر عمر نصف محدد خاص به ، فعلى سبيل المثال يبلغ عمر النصف للبزموث (214) (20) دقيقة 

( t 1/2 = 20 mi ) ، وهذا يعني أنه لو بدأنا بـ (10) غرام من البزموث ، سيبقى (5) غرام منه بعد مرور (20) دقيقة ، ونحتاج لـ (20) دقيقة أخرى لتحويل الـ (5) غرام من البزموث إلى (2.5) غرام ... وهكذا . 

ولملاحظة سرعة كل خطوة والدقائق والأشعة التي تنتج من كل خطوة من خطوات سلسلة النشاط الإشعاعي ، انظر للمخطط التالي : 

الزمن المعطى بين الخطوات يمثل فترة نصف العمر : 

s : ثانية ، mi : دقيقة ، d : يوم ، m : شهر ، Y : سنة