النشاط الإشعاعي الطبيعي

مدخل :

يعود اكتشاف النشاط الإشعاعي الطبيعي إلى العالم أنتوني هنري بيكريل عام 1896 ، وذلك عندما كان يبحث في مخبره في معهد التقانات العليا في باريس في كيفية تصوير الأشعة السينية وابرازهأعلى صفائح فوتوغرافية من صنعه، مصنوعة من كبريتات مختلفة للتوتياء والكالسيوم وأملاح أخرى غير معروفة كثيرا ونادرة، فخلال محاولاته لاحظ تأثر الصفائح في الظلام رغم عدم قذفها بأشعة مهبطية ،بحيث تصدر هذه الأملاح التي تحتوي على اليورانيوم إشعاعات مميزة سماها في سنة 1896 إشعاعات يورانيومية وهي ناتجة عن نشاط إشعاعي يحدث في الطبيعة تلقائيا ، بعدها تأكد كل من ماري كوري وزوجها بيار من سبب هذا النشاط إذ تبين أن صفائح بيكريل تحتوي على اليورانيوم هو سبب الحصول على هذه الإشعاعات نظرا للتناسب الطردي بين شدة هذا النشط وكمية اليرانيوم في هذه الأملاح.


رسم يبين كيفية توقف النشاط الاشعاعي لجسيمات ألفا بواسطة ورقة، وجسيمات بيتا بواسطة صفيحة من الألومنيوم ، أما جسيمات جاما فليزمها حاجز أكثر سمكا مثل صفيحة من الرصاص.


تاريخ

في عام 1896 م اكتشف بكريل أن أحد أملاح اليورانيوم يصدر اشعاع - لم تكن طبيعته واضحة في ذلك الوقت - واثبت بكريل أن الاشعاع الذي اكتشفه يصدر عن جميع مركبات اليورانيوم وعن اليورانيوم الفزي أيضا بما يعني أن مصدر الاشعاع هو ذرة اليورانيوم واتضح له ان هذا الاشعاع يحدث بصورة تلقائية مستمرة لا تؤثر عليه المؤثرات الخارجية من ضغط ودرجة حرارة ولهذا سمى اشعاع اليورانيوم اشعاع نشط Radioactive Radiation وتسمى هذه الظاهرة النشاطية الاشعاعية Radioactivity في عام 1898 م قام بيير كوري وزوجته ماريا سكلودوفسكايا- بولندية الاصل - ومشهورة باسم مدام كوري باكتشاف النشاط الاشعاعي للثوريوم وأيضا اكتشفا في نفس السنة عنصرين جديدين يوجدان في خامات اليورانيوم العنصر الأول أطلق عليه الراديوم وهو عنصر أقوى في نشاطه الاشعاعي من اليورانيوم بمليون مرة بينما العنصر الثاني أطلقا عليه اسم مسقط رأس م كوري وهو بولونيوم وبعد 10 سنوات اكتشف رذرفورد في عام 1908 م الغاز النشط اشعاعيا - الرادون - بواسطة التحليل الطيفي
• الانحلال الاشعاعي Radioctive Decay • عملية تلقائية يتحول فيها العنصر إلى عنصر اخر نتيجة فقد جسيمات الفا أو جسيمات بيتا وانطلاق أشعة جاما • ما الفرق بين الانحلال الاشعاعي والتحول الكيميائي ؟ • يختلف الانحلال الاشعاعي عن التحول الكيميائي في • 1- الانحلال الاشعاعي عملية تلقائية مستمرة • 2- يعتمد على العنصر المشع ولا يرتبط بالمركب الكيميائي • 3- لا يتوقف على الظروف الفيزيائية (الضغط ، درجة الحرارة) • 4- تنطلق منه طاقة هائلة
وحدة قياس النشاطية الاشعاعية تقاس النشاطية الاشعاعية بوحدة البكريل البكريل هو عدد الاشعاعات التي تصدرها العينة المشعة في الثانية ما معنى أن النشاطية الاشعاعية لعينة واحد بكريل المعنى : نشاطية العينة تصدر اشعاعا واحدا في الثانية هل هناك وحدات أخرى لقياس النشاطية الاشعاعية ؟ نعم توجد وحدة انحلال / ثانية ووحدة الكوري Ci وفي بعض المراجع Cu وأيضا توجد وحدة ثالثة هي الرذرفورد Rd وهو نشاط يناظر مليون انحلال / ثانية عرف الكوري ؟ الكوري هو نشاط عينة تنحل فيها في الثانية الواحدة 3.7x1010 من الانوية المشعة
عمر النصف Half - Life عمر النصف هو الزمن الذي يحتاجه العنصر المشع لكي ينحل نصف عدد ذراته ما معنى أن عمر النصف لليورانيوم 238 (4.49x109 yr) المعنى أنه لكي ينحل نصف عدد ذرات اليورانيوم يلزم 4.49x109 سنة


معدل التحلل :
تسير عملية التحلل بمعدل ثابت ، فإذا كان لدينا عينة من مادة مشعة ، يكون عدد التحللات dN التي تحدث في فترة زمنية مقارها dt متناسبا مع عدد الذرات الكلي.فإذا كان عدد الذرات الكلي N ، يكون احتمال التحلل (−dN/ dt) متناسبا تناسبا طرديا مع dt ، أي أن:



وكل عنصر من العناصر المشعة يتميز بمعدل تحلل خاص به ويسمى(λ). وتعني الإشارة السالبة في المعادلة أن N تنقص مع كل حدث للتحلل. ويمكن حل تلك المعادلة التفاضلية من الدرجة الأولى ونحصل على:


حيث :
N0 هي العدد N عند الزمن (t = 0).
وتبين المعادلة الثانية أن ثابت التحلل λ له وحدة 1/الزمن ، وبالتالي يمكن صيغتها في صورة τ حيث تعطي τ نصف العمر أو عمر النصف لتحلل العنصر.
وعلاقة τ ب λ كالآتي :


وتمثل الدالة الأسية لأساس الثابت الطبيعي e معدل التحلل في المعادلة الثانية. وفي العادة يكون عدد ذرات العينة كبير جدا مقارب لعدد أفوجادرو بحيث يكون وصف تلك المعادة لمعدل التحلل وصفا جيدا.

نفترض الآن أن لدينا ثلاثة عناصر مختلفة مشعة :
الأخضر : عنصر مشع ، ذو نصف عمر 3 سنوات ،
الأزرق : عنصر مشع ، ذو نصف عمر 2 سنة،
الأحمر : عنصر مشع ، ذو نصف عمر 1 سنة.
يبين الرسم البياني المجاور معدل تحلل الذرات للثلاثة عناصر ، أي أنه يبين عدد الذرات التي لم تتحلل بعد كدالة للزمن. وكما نري يتناقص عدد الذرات التي لم تتحلل بعد بمعدل ثابت مميز لكل عنصر وذلك طبقا للمعادلة الثانية أعلاه. ونري أن العنصر ذو النصف عمر طويل (الأحمر) هو الذي يتميز بمعدل صغير للتحلل.



مثال عن التحلل :
إذا كان لدينا عينة مشعة تحتوي على 400.000 ذرة مشعة وتتميز بنصف عمر قدره 10 أيام ، فإنه بعد مرور 10 أيام يصبح عدد الذرات التي لا زالت مشعة 200.000 ذرة. وبعد مرور 10 أيام أخرى ثانية ينخفض عدد الذرات المشعة إلى 100.000ذرة وبعد مرور 10 أيام تالية يصبح عدد الذرات التي لم تتحلل 50.000 وهكذا. لذلك نتحدث عن t1 / 2 ونسميها عمر النصف.

عمر النصف :

عمر النصف للمادة مشعة هو الزمن الذي تنخفض فيه الكمية المشعة إلى النصف. ويسمى هذا الزمن الثابت المميز للعنصر عمر النصف ، ويرمز له بالرمز t1 / 2. ويمكن كتابة عمر النصف كدالة لثابت التحلل أو (متوسط العمر) كالآتي:



وبالتعويض عنها في المعادلة الأسية أعلاه نحصل على:


أي أن جزء المادة التي لا زالت مشعة :
2 − 1 = 1 / 2
وهذا يعني أنه بعد مرور 3 فترات من فترات نصف العمر ، يبقي في العينة الكمية المشعة التالية :
1 / 23 = 1 / 8
أي أن متوسط العمر τ يساوي عمر النصف مقسوما على اللوغاريتم الطبيعي (ln(2 :

ويبلغ عمر النصف = 138 يوم لمادة البولونيوم-210 ، فحين أن يكون متوسط عمرها 200 يوم.