بخشی از مقاله
رادیواکتیویته (Radioactive)
دیدکلی:
مواد رادیواکتیو از اتم های ناپایداری تشکیل می شوند که تجزیه می شوند و انرژی سطح بالایی به نام تابش رادیواکتیو را آزاد می کنند این اتمها نهایتا عناصر جدیدی را تشکیل می دهند. سه نوع تابش رادیواکتیو وجود دارد که ذرات آلفا ، ذرات بتا ، و پرتوهای گاما خوانده می شوند.
اطلاعات اولیه:
پرتو آلفا (دو پروتون و دو نوترون): جرم چهار واحد اتمی (a.m.u) و بارالکتریکی مثبت در پرتو بتا (الکترونهای سریع): جرم ناچیز و بارالکتریکی منفی یک و پرتو گاما (موج الکترومغناطیسی): بدون جرم و بدون بار (مثلا انرژی خالص)
تاریخچه: حدود اواخر قرن نوزدهم اکثر دانشمندان بر این عقیده بودند که تمام مسائل عمده فیزیک حل شده اند ، به غیر از چند مورد جزئی برای قطعیت دادن به برخی نظریه های ضروری بود. در سال 1895 ، رزتگن اشعه ایکس را کشف کرد. این اشعه نخست در معاینات پزشکی به کار رفت و بعدها برای بررسی ساختمان اساسی مواد مورد استفاده قرار گرفت چند ماه بعد ماری کوری این پدیده جدید را رادیو اکتیو نامید. او و شورش پی یر کوری ، همچنین پولونیم (po ، فلز ضعیف) و رادیم (Ra ، فلز قلیایی خاکی) را کشف کردند. ماری کوری نخستین کسی بود که از اصطلاح «رادیواکتیو» برای موادی که فعالیت الکترومغناطی قابل توجه دارند استفاده کرد. خاصیت رادیواکتیویته این دو عنصر جدید از اورانیم بیشتر بود.
سیر تحولی و رشد:
ماری کوری تحقیق خود را با جستجوی کاربردهای پزشکی رادیواکتیو ادامه داد. و قدرت تشعشع ترکیبات اورانیم را اندازه گرفت و تحقیق خود را به عناصر دیگر از جمله توریم ، گسترش داد.
• در سال 1934 میلادی زوج ژولیو- کوری رادیواکتیویته مصنوعی را کشف کرد.
• ماری کوری پی یر کوری همراه با فیزیکدان فرانسوی هانری بکرل (1908-1852 م) مدل دیوی انجمن سلطنتی انگلستان و جایزه نوبل را در فیزیک برای کشف رادیواکتیو دریافت دریافت می کنند. پی یر کوری کشف می کند که رادیم Ra خود بخود حرارت آزاد می کند. این خاصیت نمود ثبت شده از انرژی اتمی به شکل گرماست.
در سال 1910 میلادی در کنفرانس بروکسل در مورد رادیواکتیویته ، واحد رادیواکتیویته به افتخار او کوری نامیده شد. در مورد کشف رادیواکتیویته توسط هانری بکرل باید بگوییم که در سال 1896 میلادی ، بکرل در جستجوی شواهدی بود که ثابت کند مواد شیمیایی که نور طبیعی فلوئورسان هستند از خود پرتو ساطع می کنند.
او یک نمونه سولفات پتاسیم اورانیم را برداشت و آن را همراه با یک صفحه عکاسی در کاغذ سیاه پیچید. از آنجا که روزی ابری بود. نمونه بکرل خاصیت فلوئورسانی را از خود نشان نمی داد. او آن را درکشویی در آزمایشگاه خود گذاشت و به آزمایشهای خود در مورد لامپهای اشعه کاتدی ادامه داد. چند روز بعد ، دریافت که نمونه تصویری را بر روی صفحه عکاسی ایجاد کرده است.
این نشان می داد که ماده مذکور شکلی از تشعشع را که بعدا ماری کوری آن را رادیواکتیویته نامید ، از خود ساطع کرده است.1922 میلادی نیلز بور نظریه طیفهای ساختار اتمی را منتشر کرد و در 1927 میلادی اصل مکمل بودن را تنظیم می کند که رفتار پیچیده رادیواکتیویته را توصیف می کند.
ارنست رادرفورد فیزیکدان بریتانی نیوزلندی الاصل (1871-1937) بر روی رادیواکتیویته و ماهیت ذرات آلفا (دارای بار مثبت) تحقیق کرد و متوجه شد که بار مثبت اتم در مرکز آن و در هسته ای ریز و متراکم متمرکز است. در سال 1930 میلادی رادرفورد تشعشعات مواد رادیواکتیو را منتشر کرد.
تابشهای رادیواکتیو:
چنان که گفته شد سه نوع تابش رادیواکتیو وجود دارد که ذرات آلفا از چهار ذره اتمی ، یعنی دو پروتون و دو نوترون تشکیل می شوند. این ذرات ضعیفترین نوع تابش رادیواکتیو هستند. و بار الکتریکی مثبت دارند. مسیر آنها را می توان با صفحه کاغذ مسدود کرد. ذرات بتا قدرتمند و از ذرات اتمی که الکترون خوانده می شوند و بار منفی دارند تشکیل می شوند. این کاغذ عبور می کند ولی آلومینیوم آن را مسدود می کند. پرتوهای گاما از همه قدرتمند ترند. آنها امواج
الکترومغناطیسی اند و فاقد بارالکتریکی می باشند. اما پرتوهای گاما را فقط لایه ضخیمی از سرب متوقف می سازد. خروجی یا تابش رادیواکتیو می تواند وارد بافتهای زنده شود و به آنها صدمه بزند. بنابراین اطراف آن باید کنترل شود. این تابش را با وسیله ای به نام شمارنده گایگر – مولر ، که نام آن از مخترعانش اقتباس شده است ، می توان اندازه گرفت. وقتی تابش رادیواکتیو وارد این شمارنده می شود ، گاز موجود در آن حامل الکتریسیته می شود. مقدار بار را می توان روی صفحه ای قرائت کرد یا از طریق یک بلند گو به صورت صداهای تیک تیک خاصی شنید.
نیمه عمر:
نیمه عمر یک ماده زمانی است که طول می کشد تا خاصیت رادیواکتیویته آن به نصف کاهش یابد. مثلا نیمه عمر کربن 14 (شکل خاصی از عنصر کربن) 5600 سال است. یعنی 5600 سال طول می کشد تا نصف اتم های رادیواکتیو کربن دچار فروپاشی شوند ، یا یک گرم از اتم های رادیواکتیو به نیم گرم تقلیل یابد. 5600 سال دیگر طول می کشد که همین مقدار نیز به نصف برسد و به همین ترتیب.
نیمه عمر عناصر مختلف از چند ثانیه تا میلیونها سال متغیر است. فروپاشی شبکه ای زباله های اتمی زیان بخش حاصل از نیروگاههای هسته ای میلیونها سال طول می کشد. و همه موجودات زنده روی زمین حاوی مقدار معینی کربن 14 (کربن رادیواکتیو) هستند که با تبادل مداوم گازهای اکسیژن و دی اکسید کربن بین موجودات زنده و جو زمین تشکیل می شود. وقتی یک گیاه یا حیوان می میرد ، این تبادل متوقف می شود و کربن 14 شروع به فروپاشی می کند.
دانشمندان می دانند که نیمه عمر این کربن 5600 سال است. بنابراین پس از این مدت جسم مرده دقیقا نصف تشعشع رادیواکتیو زمان زندگی خود را ساطع می کند. این فروپاشی با آهنگ ثابتی انجام می شود و در نتیجه این امکان وجود دارد که با اندازه گیری میزان تابش زمان مرگ موجود مورد نظر را دریافت. باستانشناسان از عمر بعضی کربن برای یافتن تاریخ مومیایی های مصر باستان استفاده کرده اند.
از دیدگاه نظری ، همه مواد رادیواکتیو نهایتا به سرب تبدیل می شوند ، هسته اتم سرب پایدار است و بنابراین خاصیت رادیواکتیو ندارد.اما این امر به طور تجربی اثبات نشده است. زیرا نیمه عمر بعضی از عناصر بیش از عمر انسانهاست.
عناصر متداول و نیمه آنها:
اورانیم 238 نیمه عمر آن 5 میلیارد سال
اورانیم 235 نیمه عمر آن700 میلیون سال
پلوتونیم239 نیمه عمر آن 24000سال
کربن 14 نیمه عمر آن 5600 سال
ید131 نیمه عمر آن 8 روز
طلای 198 نیمه عمر آن 3 روز
سدیم 24 نیمه عمر آن 15 ساعت
فلوئور 17 نیمه عمر آن 1 دقیقه
پولونیم 214 نیمه عمر آن00000003/0 ثانیه
سرب پایدار(بدون نیمه عمر(
کاربردها:
بسیاری از ایزوتوپها رادیواکتیو هستند یعنی ذرات با فرکانس بالا را از هسته (مرکز) اتمهای خود ساطع می کنند. از آنها می توان برای دنبال کردن مسیر مواد متحرکی که از دید پنهان هستند ، مانند جریان خون در بدن یک بیمار در بیمارستان ، استفاده کرد.
• در جریان خون:
مقدار کمی از یک ایزوتوپ رادیواکتیو به درون جریان خون بیمار تزریق می شود. سپس مسیر آن توسط آشکار سازهای خاصی که فعالیت رادیواکتیویته را مشخص می کنند دنبال می شود. این اطلاعات به یک کامپیوتر داده می شود که صفحه آن هرگونه اختلالی مانند انعقاد خون در رگها را نشان می دهد. با استفاده از روشی مشابه ، می توان از ایزوتوپها برای مطالعه جریان مایعات در تاسیسات شیمیایی نیز استفاده کرد.
• در فرسودگی ماشین آلات:
آهنگ فرسودگی ماشین آلات صنعتی را نیز می توان با استفاده از ایزوتوپها اندازه گرفت. مقادیر اندکی از ایزوتوپها رادیواکتیو به بخشهای فلزی ماشین آلات ، مانند یاتاقانها و رینگ پیسونها اضافه می شود. سپس سرعت فرسودگی با اندازه گرفتن رادیواکتیویته روغنی که برای روغنکاری این بخشها به کار رفته است محاسبه می شود.
اندازه گیری رادیو اکتیویته
خروجی یا تابش رادیواکتیو می تواند وارد بافتهای زنده شود و به آنها صدمه بند ، بنابراین اطراف آن باید کنترل شود . این تابش را با وسیله ای به نام شمارنده گایگر ـمولر ، که نام آن از مخترعانش اقتباس شده است ، می توان اندازه گرفت وقتی تابش رادیو اکتیو وارد این شمارنده می شود ، گاز موجود در آن حامل الکتریسیته می شود . مقدار بار را می توان روی صفحه ای قرائت کرد ، یا از طریق یک بلندگو به صورت صداهای تیک تیک خاصی شنید.
مواد رادیو اکتیو
کشف مواد رادیواکتیو طبیعی:
در اواخر قرن 19 هانری بکرل دانشمند فیزیکدان فرانسوی مشاهده کرد که ترکیبات اورانیوم از خود اشعه ای صادر می کنند که قادر است مانند اشعه خورشید صفحات عکاسی را متاثر سازند و رد پای خود را بر روی فیلم عکاسی بگذارند اما بر خلاف نور خورشید این اشعه حتی از کاغذ سیاه عبور کرده و بر صفحه اثر می گذارد .
سیر تحولی ورشد :
بعدها تعداد زیادی از دانشمندان کار بکرل را دنبال کردند ماری کوری و شوهرش پیری کوری ثمر بخش ترین آزمایشات را در این زمینه انجام دادند این دو دانشمند از اول نشان دادند که اوانیوم و توریوم قادر به صدور اشعه ای هستند که بکرل برای اولین بار کشف نمود .
ساختار کریستالی توریم جامد
دستگاه پیرکوری :
این اشعه در حین عبور از هوا آنرا یونیزه می کند و آنرا هادی الکتریسته می نماید پیرکوری برای کشف این اشعه از خاصیت اخیر استفاده نمود و دستگاه مخصوصی را ساخت دستگاه پیرکوری از دو صفحه فلزی موازی هم تشکیل یافته است که یکی از صفحات به قطب مثبت یک پیل الکتریکی و دیگری به قطب منفی همان پیل وصل شده است اگر جسمی که اشعه را ساتع می کند روی صفحه اول قرارگیرد هوای اطراف آن هادی الکتریسته شده و مدار مسدود می شود و عقربه گالوانومتر بیشتر منحرف می گردد.
هر چه این جسم فعالتر باشد یونیزاسیون هوا بیشتر صورت گرفته و عقربه گالوانومتر بیشتر منحرف می شود ماری کوری ثابت کرد که شدت تشعشع با مقدار اورانیوم موجود در جسم متناسب است بعدها متوجه شدند که فعالیت تشعشعی پیچ بلند که فقط محتوی مقدار ناچیزی اورانیوم است به مراتب بیشتر از اورانیوم خالص است بنابر این پی بردند که در این سنگ باید ماده ای فعالتر از اورانیوم نیز وجود داشته باشد.
پارامترهای مهم دخیل در میزان تشعشع مواد رادیو اکتیو :
ماری و پیر کوری به تحقیق درباره سنگ پیچ بلند پرداختند که فعالتر از اورانیوم خالص بود که پس از دو سال کار مداوم توانستند در سنگ معدنی اورانیوم دو نوع اتم جدیدیعنی رادیوم (Radium) و پلونیوم (Polonium) را کشف کنند عنصر اولی را بعلت تشعشعش رادیوم ، و خود این اشعه را رادیواکتیو نام نهادند عنصر دومی به افتخار میهن اصلی ماری کوری لهستان پلونیوم نامیده شد .
نکته مهم و قابل توجه اینست که درجه حرارت و فشار و عوامل شیمیایی هیچگونه تاثیری روی میزان صدور اشعه رادیو اکتیو توسط اجسام ندارند و این پارامتر ها روشن می سازد که خاصیت رادیو اکتیو فقط مربوط به تغییرات هسته درون اتم می باشد تشعشع صادره از یک قطعه رادیوم در کلیه جهات به خط مستقیم صورت می گیرد سرب جاذب (حاجب) خوبی برای این پرتوهامی باشد از این رو هر گاه در ته یک محفظه سربی که سوراخی در بالای آن تعبیه شده باشد یک قطعه رادیوم گذاشته شود اشعه گذرنده از سوراخ بر روی صفحه حساس عکاسی که در کاغذ سیاه پیچیده شده و مقابل سوراخ قراردارد ، به اندازه لکه کوچکی اثر می گذارد اشعه صادره در سایر جهات توسط سرب متوقف خواهد شد .
رادیوم
تقسیم بندی پرتوهای تشعشعی :
با کمک صفحه عکاسی به سادگی می توان مشاهده کرد که این اشعه پس از عبور از بین دو صفحه فلزی که دارای بار الکتریکی زیادی هستند یا از بین دو قطب یک آهنربا ی قوی به سه شاخه تقسیم می شوند و در روی صفحه عکاسی به جای یک لکه سه لکه دیده خواهد شد یکی دروسط دیگری خیلی نزدیک به آن و سومی در طرف دیگر قرارداد این سه نوع اشعه را آلفا ، بتا و گاما نامیده اند .
اشعه ای که کمی به طرف صفحه منفی منحرف شده دارای بار مثبت است و به نام ذره آلفا نام گذاری شده است .
اشعه ای که کاملاً به سمت صفحه مثبت منحرف شده دارای بار منفی است و به نام ذره بتا نام گذاری شده است .
اشعه وسطی که بدون انحراف عبور کرده است از نظر الکتریکی خنثی است و به نام اشعه گاما نام گذاری شده است .
کشف مواد رادیو اکتیو مصنوعی :
کیمیاگران قرون وسطی برای تبدیل فلزات معمولی به طلا کوشش فراوانی کردند اما تلاش همه آنها بی نتیجه ماند در سال 1919 رادرفورد به این فکر افتاد که از انرژی تشعشعی اجسام رادیو اکتیو ( انرژی هسته ای ) مثلا ذره آلفا برای خورد کردن (شکستن) هسته اتم و تشکیل هسته جدید استفاده کند چون این ذرات سرعت زیادی دارند ومی توانند به عنوان گلوله های توپخانه کوچکی بمنظور خرد کردن هسته اتم و تشکیل هسته جدید به کارروند.
اولین کشف ;تبدیل ازت به اکسیژن:
رادرفورد یک منبع تشعشعی رادیو اکتیو را در یک لوله پر از گاز ازت قرار داده و ملاحظه نمود که ذرات آلفا که بر اتم های ازت برخورد می کنند در هسته آنها وارد شده و آنها را به دو پاره تقسیم می نمایند (یک هسته اتم اکسیژن سنگین 17 و یک هسته اتم هیدروژن یعنی پروتون) بدین ترتیب برای اولین مرتبه تغییر و تبدیل مصنوعی عناصر به حقیقت پیوست بعدها موفق شدند هسته اتم های عناصر ساده دیگر را نیز بشکنند.
کشف پوزیترون :
ایران ژولیوکوری (Irene Joliot Curie) و شوهرش فردریک ژولیوکوری (Frederic Joliot Curie) در سال 1934 هنگام مطالعه بمباران عناصر ساده مختلف بوسیله ذره آلفا به کشف بزرگی نائل شدند آنها مشاهده نمودند وقتیکه آلومینیوم با ذرات آلفا بمباران می شود ذرات پوزیترون گسیل می کند جرم این ذرات مساوی جرم الکترون بوده و دارای بار مثبت هستند و مقدار این بار از لحاظ قدر مطلق مساوی با بار الکترون می باشد.
صدور پوزیترون بلافاصله پس از بمباران شروع می شود اما کم کم ضعیف شده و بالاخره کاملا قطع می گردد بدین ترتیب این زن و شوهر پی بردند که فعل و انفعالات ذرات آلفا با هسته آلومینیوم سبب تولید یک عنصر رادیو اکتیو مصنوعی شده است که نیم عمر این عنصر رادیو اکتیو 3.25 دقیقه است.
واکنش های هسته ای مصنوعی :
فسفر حاصل از واکنش آلومینیوم 27 با هلیوم 4 یک پوزیترون ساتع می کند و تجزیه می گردد و به هسته پایدار سیلیبوم تبدیل می شود ، این پدیده را رادیو اکتیویته مصنوعی و اجسام نا پایداری که بدین ترتیب بدست می آید را عناصر رادیو اکتیو مصنوعی نامیده اند.
زوال رادیو اکتیو
ضع اتم های عناصر رادیواکتیو پس از صدور ذره آلفا ، ذره بتا و اشعه گاما چه می شود دانشمندان ثابت کرده اند که هسته اتم ها در اثر این تشعشع تغییر کرده و به هسته اتم عنصر دیگر تبدیل می شود به این پدیده زوال یا نابودی رادیواکتیو نام نهاده اند.
