(6-1-4) الإشعاع الذري؛ أشكال (4-8)(4-9)(4-10) — الفيزياء — الصف الثالث الثانوي، الطبعة الثانية ٢٠٠٥

(6-1-4) الإشعاع الذري :

في عام 1896م وجد العالم الألماني " هنري بيكرل " أن ذرات اليورانيوم 92 (بها 92 بروتونا) تصدر إشعاعات تؤثر على الأفلام الفوتوغرافية وتجعلها سوداء ، كأنها تعرضت للضوء . وبعد عامين من هذا الاكتشاف نجح كل من العالمين الفرنسيين " ماري كوري " و " بيير كوري " في اكتشاف عنصرين مشعين جديدين هما البولونيوم 84 والراديوم 88 . وقد أطلقت العالمة الفرنسية مدام كوري اسم النشاط الإشعاعي على هذه الظاهرة.

ملاحظة تصحيح (ليست من الكتاب): هنري بيكريل كان فرنسياً لا ألمانياً.

وتصدر هذه الإشعاعات من نواة الذرة . وتحتوي نواة الذرة على عدد من البروتونات والنيوترونات . وعادة لا يكون عدد البروتونات مساوياً لعدد النيوترونات ففي نوى الذرات الثقيلة يكون عدد النيوترونات أكبر بكثير عن عدد البروتونات.

ويسمى عدد البروتونات بالعدد الذري ونرمز له بالرمز ( Z ) بينما يسمى عدد البروتونات والنيوترونات معاً بعدد الكتلة (A) .

وقد وجد أن أنوية الذرات تصبح غير مستقرة (أي تصبح مشعة) إذا زاد عدد النيوترونات في النواة وبالذات إذا كان الفرق بين العددين كبيرا نوعا ما حيث تصبح النواة في حالة عدم توازن . ومن المعلوم أن كل العناصر التي يزيد عددها الذري Z عن 83 هي ذرات مشعة. ولمعرفة طبيعة هذه الإشعاعات قام العلماء باختبار تأثير كل من المجالين الكهربي والمغنطيسي عليها . كما قاموا كذلك بحساب مقدرة هذه الإشعاعات على اختراق المواد المختلفة . وقد دلت الاختبارات على وجود ثلاثة أنواع مختلفة من الإشعاع هي :

1) دقائق ألفا والتي رمزها $\alpha$ (ألفا: أول حرف في حروف الهجاء الإغريقية).

2) دقائق بيتا والتي رمزها $\beta$ ( بيتا : ثاني حرف في الهجائية الأغريقية ) .

3) أشعة قاما والتي رمزها $\gamma$ (قاما : ثالث حرف في الهجائية الإغريقية) .

1) دقائق ألفا ( $\alpha$ ) :

وهي عبارة عن نواة ذرة غاز الهيليوم التي تحوي 2 بروتون و 2 نيوترون (شكل (4-8)). وتنطلق دقائق ألفا ( $\alpha$ ) من الأنوية الثقيلة التي يزيد عدد كتلتها A عن 210. فتتخلص هذه الأنوية من الكتلة الزائدة باطلاق دقائق $\alpha$ . ودقائق $\alpha$ موجبة الشحنة لأنها تحوي بروتونات موجبة ونيوترونات محايدة. ولدقائق $\alpha$ مقدرة ضعيفة على إختراق المواد . فإذا سقطت على لوح معدني سميك فإنها تتوغل فيه لمسافة قصيرة فقط ويرجع السبب في ذلك لكتلة جسيمات $\alpha$ الكبيرة نوعاً ما . وعند انطلاق دقائق $\alpha$ من نواة فإن عددها الذري (عدد البروتونات) ينقص بمقدار اثنين . بينما ينقص عدد الكتلة (عدد البروتونات والنيوترونات) بمقدار أربعة .

$الشكل (4-8) : دقائق ألفا - $\alpha$ (نواة الهيليوم) .$

الشكل (4-8) : دقائق ألفا - $\alpha$ (نواة الهيليوم) .

فإذا رمزنا للنواة قبل إطلاقها لدقائق ألفا ( $\alpha$ ) بالرمز ${_z X^A}$

حيث A عدد الكتلة بينما العدد الذري Z ، ورمزنا للنواة بعد إطلاقها أشعة $\alpha$ بالرمز Y فإن المعادلة التي تسمى بمعادلة الانحلال تكتب في الصورة التالية:

{_z X^A} \longrightarrow {_{z-2} Y^{A-4}} + \alpha

وتدل هذه المعادلة على أن العدد الذري للنواة Z ينقص بمقدار اثنين فيصبح ( $Z-2$ ) بينما ينقص عدد الكتلة (A) بمقدار أربعة فيصبح ( $A-4$ ) عندما تطلق جسيمات $\alpha$ . ومثال ذلك انحلال اليورانيوم U وتحوله إلى ثوريوم Th وفق المعادلة :

_{92}U^{238} \longrightarrow _{90}Th^{234} + \alpha

حيث نلاحظ أن نواة اليورانيوم التي بها 92 بروتونا في هذه الحالة بها 147 نيوترونا أي بزيادة 55 . وهناك ذرات يورانيوم اخرى كما سنرى لاحقا.

ملاحظة تصحيح (ليست من الكتاب): عدد النيوترونات في ²³⁸U هو 238−92=146، والزيادة عن البروتونات 54.

2) دقائق بيتا ( $\beta$ ) :

وهي دقائق لها نفس كتلة الالكترون ولها شحنة مساوية لشحنة الإلكترون ولكنها قد تكون سالبة أو موجبة . دقائق بيتا السالبة هي نفسها الإلكترونات المعروفة وهي تنطلق من الأنوية التي يزيد فيها عدد النيوترونات عن عدد البروتونات (شكل (4-9)). في هذه الحالة يتحول النيوترون n ( $n =$ neutron) في النواة إلى بروتون p ( $p =$ proton) وينطلق الكترون ( $\beta = e^-$ ) خارج النواة . وهناك جسيم آخر ينطلق مع الالكترون ويسمى ضد النيوترينو ونرمز له بالرمز $\bar{\nu}$ (ينطق نيو بار). أما النيوترون فيتحول حسب المعادلة :

n \longrightarrow p + \beta^- + \bar{\nu}

$الشكل (4-9) : دقائق $\beta$ .$

الشكل (4-9) : دقائق $\beta$ .

لذا يزداد عدد البروتونات بمقدار واحد بينما ينقص عدد النيوترونات بمقدار واحد فيبقى عدد الكتلة ثابتاً . فإذا رمزنا للنواة قبل انحلالها بالرمز ${_z X^A}$ وللنواة بعد انحلالها بالرمز Y . فإن معادلة الانحلال تكون في الصورة :

{_z X^A} \longrightarrow {_{z+1} Y^A} + \beta^- + \bar{\nu}

ومثال ذلك انحلال البورون وتحوله إلى كربون :

_5 B^{12} \longrightarrow _6 C^{12} + \beta^- + \bar{\nu}

ولصغر دقائق $\beta$ فإن لها مقدرة أعلى من دقائق $\alpha$ على اختراق المواد والتوغل فيها . أما دقائق $\beta$ الموجبة فهي عبارة عن جسيمات شحنتها موجبة ولها نفس كتلة الالكترون وتسمى بوزيترون ( من Positive electron أي إلكترون موجب) وهي تنطلق عندما يتحول البروتون ( p ) في نواة ما إلى نيوترون (n) فينطلق البوزيترون $\beta^+ = e^+$ ومعه نيوترينو ( $\nu =$ نيو ) وفق المعادلة :

p \longrightarrow n + e^+ + \nu

أي أن عدد البروتونات ينقص بمقدار واحد بينما يزيد عدد النيوترونات بمقدار واحد ويبقى عدد الكتلة ثابتاً . وعند انطلاق دقائق بيتا الموجبة من النواة ${_z X^A}$ تتحول لنواة أخرى (Y) وفق المعادلة :

{_z X^A} \longrightarrow {_{z-1} Y^A} + \beta^+ + \nu

أو

{_z X^A} \longrightarrow {_{z-1} Y^A} + e^+ + \nu

ومثال ذلك تحول النيتروجين إلى كربون :

_7 N^{12} \longrightarrow _6 C^{12} + \beta^+ + \nu

3) أشعة قاما ( $\gamma$ ) :

أشعة $\gamma$ (قاما) عبارة عن أمواج كهرومغنطيسية . وهي مثلها مثل بقية الأمواج الكهرومغنطيسية عبارة عن فوتونات لها طول موجي $\lambda$ ولها تردد ذ، وسنتطرق بشئ من التفصيل لهذه الأشعة في الفصل القادم . وتنطلق أشعة $\gamma$ من النواة التي بها طاقة زائدة . فإذا كانت النواة مثارة وطاقتها مثلا (ط₂) فإنها تطلق فوتونا من أشعة $\gamma$ لتصبح مستقرة في مستوى الطاقة الأرضي (الأول) (ط₁) وذلك بنفس الكيفية التي تحدث للذرة حينما يطلق الالكترون الذي في مستوى الإثارة (ط₂) فوتونا ليهبط الإلكترون إلى المستوى الأرضي (ط₁)(شكل (4-10)).

وتكون طاقة فوتون أشعة قاما ( $\gamma$ ) مساوية للفرق بين طاقة الإثارة (ط₂) للنواة وطاقة المستوى الأرضي للنواة (ط₁) . أي أن :

\text{هـ} \times \text{ذ} = \text{ط}_2 - \text{ط}_1

فإذا رمزنا للنواة المثارة بالرمز ${_z X^{A*}}$ حيث تدل علامة ( * ) على أن النواة موجودة في مستوى مثار فإن معادلة الانحلال لهذه النواة تكتب في الصورة :

{_z X^{A*}} \longrightarrow {_z X^A} + \gamma

حيث ترمز ${_z X^A}$ للنواة في المستوى الأرضي .

$الشكل (4-10) : أشعة قاما ($\gamma$) من نواة مثارة$

الشكل (4-10) : أشعة قاما ( $\gamma$ ) من نواة مثارة