مواد پرتوزا و تابش هاي هسته اي

مقدمه
اين مقاله شامل سه بخش كلي مي باشد كه به ترتيب خاصي و به صورت تدريجي كنار يكديگر قرارگرفته اند، قسمت اول تاريخچه كوتاهي را از كشف راديواكتيويته بيان مي كند كه با معرفي چهاردانشمند با نام هاي هانري بكرل، ماري كوري، ارنست رادرفورد و پل اوريچ ويلارد همراه است، در قسمت اول تحقيق(تاريخچه) ارنست رادرفورد بيش تر مورد توجه و بوده و قسمتي از زندگي وي و تحقيقات او بيان شده است.

قسمت دوم اين تحقيق به معرفي مواد پرتوزا، اصطلاحات راجع به اين موضوع، ماهيت پرتوهاي آلفا، بتا و گاما، واپاشي و قانون سدي مي پردازد كه سعي شده است درمورد همه مفاهيم و مباحث جزيي بحث و نتيجه گيري شود و بلاخره در قسمت سوم گفتار حاضر از تريتيم به عنوان يك عنصر راديواكتيو نام برده شده، آن را معرفي كرده ايم، ميزان خطرات آن و روش اندازه گيري خطرات را نيز بيان نموده ايم تا به عنوان يك مثال همه مفاهيم روي آن كار شود.
اميدوارم از خواندن اين مقاله شيرين، لذت ببريد…

تاريخچه كشف مواد پرتوزا
هانري بكرل، دانشمند فرانسوي، زماني كه مشغول تحقيق بر روي مواد داراي خاصيت فسفرسانس بود متوجه شد كه تاثير نور مرئي و سنگ معدن اورانيوم(سولفات پتاسيم اورانيوم)برروي يك فيلم عكاسي بسته بندي شده همانند است( بعدها مشخص شد كه سنگ معدن اورانيوم از خود پرتوهاي آلفا و گاما گسيل كرده و چون پرتوهاي گاما همان پرتوهاي X پرانرژي هستند و از جنس نور يا امواج الكترومغناطيسي اند، بنابر اين اورانيوم، چنين تاثيري بر روي فيلم عكاسي بسته بندي شده وي گذاشته)، در همين حين ماري كوري خاصيت پرتوزايي را كشف كرد و با تعداد محدودي ماده پرتوزا مانند پولونيم(فلز ضعيف) و راديم(فلز قليايي خاكي) آشنا گرديد و نام هاي كنوني چون راديواكتيو(پرتوزا) يا راديواكتيويته(پرتوزايي) را وي برگزيد ومنتشر ساخت، در آن زمان، اطلاعات بشر در مورد اين مواد بسيار كم بود و رادرفورد در پي اكتشافات تازه اي درمورد اين مبحث نوين بود.

ارنست رادرفورد در سال ۱۸۹۵ به “آزمایشگاه کاونديش” دانشگاه کمبريج آمد تا در آنجا تحت مديريت “جی.جی امسون” مشغول به کار شود، تامسون که استاد فيزيک تجربی بود، رادرفورد را فعالانه در آزمايشگاه به کار گرفت، رادرفورد در اوايل کار تحقيقاتی خود با انجام آزمايشي که فکر آن از خود وی بود دو تابش راديواكتيو ناهمانند شناسايي کرد، او پی برد که بخشی از تابش با برگه ای به ضخامت يك پانصدم سانتی متر قابل ايستادن بود اما برای متوقف کردن بخش ديگر برگه های بس ضخيم تری لازم بود. او اولين اشعه ای را که تابشی با

بار الکتريکی مثبت و يونيزه کننده ای قوی بود و به سهولت در مواد جذب می شد اشعه آلفا نام داد. اشعه دوم را که تابشی با بار الکتريکی منفی بود و تشعشع کمتری ايجاد می کرد اما قابليت نفوذ آن در مواد زياد بود را اشعه بتا ناميد. تابش نوع سومی که شبيه پرتوهای ايکس بود، در سال ۱۹۰۰ بوسيله پل اوريچ ويلارد (فيزیکدان فرانسوی) کشف شد، اين پرتو نافذترين تابش را داشت. طول موج آن بسيار کوتاه و فرکانس آن فوق العاده زياد بود تابش جديد، پرتو گاما نام گرفت. رادرفورد و همکارانش کشف کردند که فعاليت تشعشعی طبيعی مشهود در اورانيوم: فرآيند خروج ذره آلفا از هسته اتم اورانيوم بصورت يک هسته اتم هليم و بر جای ماندن اتمی سبکتر از اتم اورانيوم در اورانيوم به ازاء هر خروج ذره آلفا از آن است از کشف آنها نتيجه گيری شد که راديوم تنها عنصر از شرته عناصر حاصل از فعاليت تشعشعی اورانيوم است.

رادرفورد در سال ۱۹۰۴ نخستين کتاب خود به نام فعاليت تشعشعی را که امروزه از کتب کلاسيک نوشته شده در آن زمينه شناخته می شود را منتشر کرد و به سرعت دست به کار تدوين نظريه های تازه در باره ساختار اتم شد. آن دوره پر ثمرترين دوره زندگی دانشگاهی او بود رادرفورد به پاس کوشش های علمی خود در دانشگاه منچستر نشان ها و جوايز زيادی دريافت کرد که دريافت جايزه نوبل سال ۱۹۰۷ در شيمی نقطه اوج آن بود. اين نشان افتخار را البته برای کارهايی که در کانادا در زمينه فعاليت تشعشعی عناصر کرده بود به او دادند،

بزرگترين دستاورد رادرفورد در دانشگاه منچستر کشف ساختار هسته اتم بود پيش از رادرفورد اتم به گفته خود او يک موجود نازنين سخت و قرمز و يا به حسب سليقه خاکستری بود اما اينک يک منظومه شمسی بسيار ريز متشکل از ذرات بی شمار بود که مظنون به نهفته داشتن اسرار ناگشوده متعدد ديگر در سينه هم بود.

رادرفورد در سال ۱۹۳۷ در اثر يک فتق محتقن(گونه ای تورم ناشی از انسداد اعضای درونی) در گذشت او در آن هنگام ۶۶ ساله و هنوز سرزنده و قوی بود سهم رادرفورد در شکل گيری درک کنونی ما از ماهيت ماده از هر کس ديگری بيشتر است و به همين علت، او را پدر انرژی هسته ای ناميده اند.

ماده پرتوزا چيست؟
ماده پرتوزا ماده اي است كه طي يكسري فعل و انفعالات خاص در هسته ي اتم هاي خود، پرتوها يا تابش هاي خاصي را گسيل مي كند، همه مواد طبيعي يا مصنوعي قابليت پرتوزايي ندارند و اين قابليت فقط در موادي مشاهده مي شود كه هسته اي ناپايدار دارند و براي تبديل شدن به يك تركيب پايدار از خود پرتوهايي را گسيل
مي كنند.

تابش هاي هسته اي به طور كلي به سه دسته ي پرتوهاي آلفا، بتا و گاما تقسيم مي گردند. هر ماده ي راديواكتيو پرتوهاي مشخصي را گسيل مي كند، به طور مثال: هسته اتم هاي راديوكربن و راديو استرانسيوم پرتو بتا گسيل مي كنند، هسته هاي راديوكبالت پرتوي بتا و پرتوي گاما تشعشع مي كنند و هسته هاي راديوم و اورانيوم پرتو آلفا و پرتوي گاما گسيل مي كنند، بنابر اين مي توان نتيجه گرفت كه هر ماده اي قابليت پرتوزايي ندارد و موادي كه قابليت پرتوزايي دارند، از بين پرتوهاي آلفا، بتا و گاما فقط تعداد خاص و مشخصي را گسيل مي كنند و همانطور كه در مثال هاي گذشته اشاره شد، به طور مثال، هسته هاي راديوكبالت پرتوهاي بتا ساطع مي كنند و اين هسته ها قابليت صادركردن پرتوهاي آلفا و گاما را ندارند و در گسيل تابش هاي هسته اي محدود مي باشند.

مواد راديو اكتيو شامل دو دسته هستند:
ا- ماده پرتوزاي طبيعي و ۲- ماده پرتوزاي مصنوعي
ماده پرتوزاي طبيعي آن دسته از مواد پرتوزا است كه در طبيعت به صورت ذاتي وجود دارند و انسان در به وجود آمدن آن ها هيچ نقشي ندارد.
و ماده پرتوزاي مصنوعي آن دسته از مواد پرتوزا را شامل مي شود كه ساخته دست انسان هستند و براي توليد آن ها، انساني تلاش كرده است.
اين نوع دسته بندي در برخي كتب جزو قوانين سدي بيان شده است(مانند كتاب شيمي عمومي تاليف غلامرضا قاضي مقدم، توضيحات بيش تر در فسمت منابع) اما در برخي ديگر به صورت مجزا آمده است.

پرتوهاي آلفا، بتا و گاما داراي جنس، بارالكتريكي، قدرت نفوذ و انرژي متفاوتي هستند و منشا و مبدا هركدام نيز ممكن است متفاوت باشد.
در واكنش هاي هسته اي ماده اي كه پرتو گسيل مي كند را ماده مادر يا ماده اوليه مي نامند و فرآورده يا آن ماده اي كه پس از واپاشي بر جاي مي ماند را ماده دختر
مي نامند.

نيمه عمر مواد راديواكتيو، يك عنصر، مدت زماني است كه طول مي كشد تا يك ماده پرتوزا نيمي از قدرت خود را از دست بدهد، به طور مثال نيمه عمر كربن-۱۴ حدود ۵۶۰۰ سال مي باشد يا اورانيم ۲۳۸ داراي نيمه عمر ۵ ميليارد سال است، يعني ۵ ميليارد سال طول مي كشد تا اورانيوم ۲۳۸ نيمي از خاصيت راديواكتيويته خود را از دست دهد، پس بنابراين يك عنصر اورانيوم ۲۳۸ حدود ۱۰ ميليار سال طول مي كشد تا به طور كلي خاصيت راديواكتيويته خود را از دست دهد.

از آنجايي كه مواد پرتوزا قابليت نفوذ در بافت هاي زنده را نيز دارند، بنابر اين ميزان تابش هاي هسته اي اطراف ما همواره مي بايست آزمايش و بررسي شوند كه اين كار(اندازه گيري ميزان پرتوهاي الفا، بتا و گاما در اطراف زندگي) توسط دستگاهي به نام گايگر-مولر اندازه گيري مي شود كه اين نام از نام سازندگانش اقتباس شده است.
ماهيت پرتوهاي آلفا، بتا و گاما

هر سه نوع تابش هسته اي داراي خصوصيات متفاوتي نسبت به يكديگر هستند و مشخصه اي ويژه خود دارند كه برخي مشخصات بارز آنها را پي ميگيريم:
در مقايسه ي قدرت نفوذ پرتوهاي آلفا و بتا و گاما رادرفورد مشاهده نمود كه:پرتوهاي آلفا توسط ورقه اي از كاغذ متوقف مي شوند و قابليت نفوذ درون ورقه كاغذ را ندارند يا به عبارت ديگر نمي توانند از كاغذ عبوركنند. پرتوهاي بتا از ورقه ي كاغذي عبور كرده اما در برخورد با ورقه ي آلومينيومي با ضخامت ۱٫۱۶ اينچ متوقف مي شوند و بلاخره پرتوهاي گاما كه قابليت نفوذ در يك ديوار بتوني ضخيم را دارا

مي باشد اما نمي توانند از ورقه اي سربي با ضخامت بسيار زياد عبوركنند، بنابراين از اين مشاهدات مي توان نتيجه گرفت كه پرتوهاي آلفا قدرت نفوذي كم تر از پرتوهاي بتا و پرتوهاي بتا قدرت نفوذي كم تر از پرتوهاي گاما دارند. در بين تابش هاي هسته اي پرتوهاي گاما داراي قدرت نفوذ بيش تري هستند اما ذكر اين نكته لازم است كه نافذترين پرتوهاي جهان، پرتوهاي كيهاني هستند كه قابليت نفوذ در يك كوه را نيز دارند و به طور نامحسوسي همواره از اعماق ميان ستاره اي يا شراره هاي خورشيد زمين را بمباران مي كنند و در اعماق زمين نفوذ مي كنند.

تابش هاي هسته اي از نظر جنس و بارالكتريكي تفاوت هاي محسوسي دارند، پرتوهاي الفا داراي بار مثبت هستند و از جنس هسته مثبت اتم هليم مي باشند و جرمي ۴ برابر جرم هيدروژن يعني در حدود ۴ a.m.u جرم دارند اين پرتوها به سهولت در مواد جذب مي شوند و يونيزه كننده اي قوي محسوب مي گردند، پرتوهاي بتا به طور كلي از جنس ذرات مي باشند، ذرات با بار الكتريكي منفي و همچنين ذرات با بار الكتريكي مثبت(ضدالكترونها يا همان پوزيترون ها)، بتاي منفي از جنس الكترون ها بوده و بار منفي دارد، بتاي مثبت در مقايسه با بتاي منفي فقط و فقط در نوع بارالكتريكي تفاوت دارد و درواقع ، پوزيترون ها يا همان ذرات بتاي مثبت همان الكترون ها هستند با اين تفاوت كه با آن ها مثبت شده است.

هنگامي كه پوزيترون ها با يك ماده(هدف) برخورد مي كنند، با الكترون هاي درون ماده واكنش داده و هر دو از بين رفته و جرقه اي از گاما زده مي شود.
پرتوهاي گاما از نظر بارالكتريكي، خنثي هستند و هيچ گونه باري ندارند اين ذرات از جنس امواج الكترو مغناطيس يا هان نور هستند و در واقع همان پرتوهاي X پرانرژي مي باشند. پرتوهاي گاما داراي طول موج بسيار كوتاه و فركانس فوق العاده زيادي مي باشند و به دليل اينكه طول موج كمي دارند مي توان نتيجه گرفت كه انرژي فوق العاده زيادي را شامل مي شوند.

واپاشي پرتوهاي آلفا، بتا و گاما
واپاشي يكي از خواص مواد راديواكتيو يا پرتوزا ميباشد كه در طي يك واپاشي از يك ماده راديواكتيو پرتوهاي مشخصي واپاشيده مي شوند.
معمولا هسته ها ي اتم هايي از خود پرتوي آلفا گسيل مي كنند كه عدد جرمي آن ها بيش از ۱۵ و عدد اتمي آن ها بيش از ۸۲ باشد. در اتم هايي كه هسته هاي سبك تري دارند احتمال واپاشي آلفا بسيار كم است.

واپاشي بتايي متداول ترين نوع واپاشي مي باشد كه تقريبا تمام اتم هايي كه ناپايداري دارند، قابليت گسيل پرتوهاي بتا را دارند و مي توانند پرتوهاي بتا از خود ساطع كنند. واپاشي بتا مشتمل بر گسيل مستقيم يك الكترون از هسته است و در هنگام گسيل پرتوي بتا، به عدد اتمي ماده پرتوزا يك واحد افزوده مي شود، به طور مثال در گسيل بتا از هسته يك اتم هليوم (هليون)، علاوه بر اينكه هليم به پرتوي بتا و ليتيوم-۶ تبديل مي شود، عدد اتمي آن نيز از ۲ به ۳ مي رسد(تغييرات مواد پرتوزا پس از واپاشي در قوانين سدي مورد بررسي قرار مي گيرد كه در ادامه به آن نيز اشاره خواهد شد).

هسته ي يك اتم مي تواند به طرق و روش هاي مختلف، برانگيخته شود و پس از برانگيختگي امواج الكترومغناطيس ازجنس نور گسيل كند كه بسته به سطح برانگيختگي مي تواند از امواج الكترومغناطيس با انرژي كم تا پرتوهاي گاما گسيل شود.
قانون سدي

قانون سدي به بررسي تغييرات يك ماده پرتوزا پس از گسيل تابش هاي هسته اي مي پردازد و بيان مي كند كه :
۱- هر ماده اي كه از خود پرتوي آلفا گسيل كند، ۲ واحد از عدد اتمي آن و ۴ واحد از عدد جرمي آن كم مي شود، در واقع دو پروتون و دو نوترون از بين
مي روند.
۲- هر ماده اي كه از خود پرتوي بتا صادر كند، يك واحد به عدد اتمي آن افزوده مي شود يعني يك نوترون جاي خود را به يك پروتون مي دهد و عدد جرمي يكسان اما عدد اتمي يك واحد افزايش مي يابد.