مواد رادیواکتیو

خلاصه :

مواد رادیواکتیو به موادی گفته می‌شود که بدون اینکه به وسیله نور یا بمباران الکترونی تحریک شوند از خود نور ساطع می‌کنند . می توان گفت وقتی نسبت نوترون به پروتون بیشتر از 5/1 شود، هسته ی عنصر مورد نظر ناپایدار شده و خاصیت رادیواکتیوی پیدا می کند، یعنی برای رهایی از این ناپایداری و سنگینی که در آن وجود دارد، با ساطع کردن پرتوهایی دچار تلاشی می شود تا به پایداری نسبی برسد. هسته‌های ناپایدار رادیواکتیو خود به خود دچار تغییراتی می‌شوند که در اثر آن تغییرات ، ترکیبات هسته‌ای پایدارتر به‌وجود می‌آیند .بعضی از هسته‌های ناپایدار به طور طبیعی وجود دارند و بعضی دیگر ساخته دست انسانند .

برای مثال آلومینیوم عنصری پایدار است. تا حدود یک قرن پیش تصور بر این بود که تمام عناصر پایدار هستند.

در مواد پرتوزا یا رادیو اکتیو فرایند پرتوزایی رخ می‌دهد. پرتوزایی (رادیواکتیویته) به فرآیندی گفته می‌شود که به وسیله آن هسته‌های ناپایدار اتمی دچار واپاشی هسته‌ای می‌شوند. چنین فرایندی معمولاً یک پرتو یون ساز با مقدار بالایی انرژی (کار مایه) پدید می‌آورد.

گاهی این انرژی را می‌توان به صورت نیروی هسته‌ای مهار کرد یا می‌تواند به‌وسیله آلودگی پرتوزایی در زیست بوم رها شود که بسیار مخاطره آمیز خواهد بود.

هسته‌هایی که ترکیب نوترونها و پروتونهایشان پایدار نیست دست خوش واپاشی می‌شوند. این گونه هسته‌ها به طور ذاتی ناپایدار بوده و با گذشت زمان تغییر نموده و به هسته‌های جدیدی تبدیل می‌شوند. به این فرآیند شکافت هسته‌ای می‌گویند که ضمن تبدیل به هسته یا هسته‌هایی کوچک تر و پایدارتر پرتوهای پرانرژی به اطراف پراکنده می‌شود. چنین هسته‌ای را پرتوزا یا رادیواکتیو می‌گویند. ناپایداری هسته می‌تواند به دلیل فزونی نوترون‌ها، پروتون‌ها و یا هر دو باشد.

مواد رادیواکتیو سه نوع پرتو با ذرات پر انرژی از خود ساطع می‌کنند ، پرتوهای آلفا ، بتا و گاما. این سه نوع پرتو از نظر بار ، جرم ، انرژی و قدرت نفوذ در اجسام مختلف با هم فرق دارند.

 پرتوهای آلفا دارای ذرات باردار مثبت ، پرتو بتا حامل ذرات باردار منفی و پرتو گاما متشکل از ذرات بدون بار هستند. مواد رادیواکتیو به دلیل ناپایداری که دارند با تابش این پرتوها به هسته‌های پایداری تبدیل می‌شوند.

از جمله عناصر رادیواکتیو طبیعی می‌توان به اورانیم U، توریم Th، پولونیوم Po ، رادیم Ra و بعضی از ایزوتوپهای عناصر پایدار نام برد. این عناصر به طور طبیعی وجود دارند. و اما مواد رادیواکتیو مصنوعی موادی هستند که در طبیعت وجود ندارند، بلکه آنها را در آزمایشگاه به وجود می‌آورند. به عنوان مثال یک ایزوتوپ از پلاتین به نام Pt 197 در طبیعت یافت نمی‌شود، اما می‌توان آنرا با اضافه کردن یک نوترون در فرآیندی به نام گیراندازی نوترون تولید کرد. این محصول ناپایدار بوده و با گسیل یا نشر یک ذره‌ی بتا به طلای 197 تباهی می‌یابد. عناصر رادیواکتیو طبیعی و مصنوعی هر دو با گسیل یک یا جند ذره تباهی می‌یابند و به عناصر دیگر تبدیل می‌شوند، و تفاوت آنها به خاطر وجود یا عدم وجود در طبیعت است.

تمام عناصری که در آزمایشگاه ساخته می‌شوند، به کمک واکنشهای هسته‌ای بوده و عمر آنها کوتاه است. از جمله می‌توان به عناصر 110 تا 116 جدول اشاره نمود. البته عناصر با اعداد اتمی113 و 115 هنوز ساخته نشده‌اند و در جدول تناوبی جای آنها خالی است. این عناصر عبارتند از: Uun , Uuu , Uub , Uuq , Uuh

مواد رادیواکتیو به طور کلی سمی هستند. این مواد برای حیات ضرر دارند. یعنی به انحاَء مختلف در سطح بسیار بسیار بالا ایجاد مسومیت می‌کنند و در نهایت وارد بدن انسان که می‌شوند، حتی اگر شخص مسموم زنده بماند، باعث تغییرات ژنتیکی در فرد می‌شوند. یعنی اینکه مولکول‌ها را روی آن حلقه‌های DNA و RNA تحت تأثیر قرار می‌دهند و باعث میوتیشن (جهش) یا تغییرات ژنتیکی می‌شوند.

 مهم‌ترین مسئله‌ای که مواد رادیواکتیو ایجاد می‌کنند، تغییرات ژنتیکی است. در اطراف راکتورهای اتمی اگر دقت و احتیاط نشود، مثلا می‌بینیم که مارمولک‌هایی با سه پا، با دو سر و یا مارمولک‌های بی دست و پا و انواع قورباغه‌هایی که به اصطلاح دفورمه شده و تغییر شکل دادند، پیدا می‌شود. این تغییرات یعنی در ژنتیک آن جانور دستکاری شده. البته اگر دوز  این مواد بالا باشد، باعث مسمومیت و مرگ فرد، گیاه و جانور می‌شود.

 وقتی که در چرنوبیل، در اتحاد شوروی سابق، در راکتورهای اتمی اختلال ایجاد شد، ما دیدیم که در غرب انگلستان یعنی حدود ۵۰۰۰ کیلومتر آنطرف‌تر به طرف غرب، دولت انگلستان مجبور شد که گوسفندهای بی‌شماری را بکشد و دفن بکند. چون علف‌های آن منطقه به مواد رادیواکتیو آغشته شده بودند. گوسفند‌ها از آنها خورده بودند و این گوسفندها دیگر برای مصرف انسان جایز نبودند. فقط و فقط تغییرات و جهش ژنتیکی در یک نسل انجام نمی‌شود، بلکه وقتی در کروموزوم‌های شخصی این تغییرات ژنتیکی ایجاد شد، این را به فرزندش منتقل می‌کند و فرزند منتقل به فرزند. بنابراین انسان و حیات بر روی زمین برای این ساخته نشده‌اند که بتوانند این تغییرات را تحمل بکنند. مواد رادیواکتیو با حیات بر روی زمین سازگاری ندارد.

* جالب است بدانید که به گزارش خبرنگار سایت پزشکان بدون مرز  ،  در سال ۱۹۵۰ از دویست و پنجاه کودک ۴تا ۵ ساله ومادران آنها هنگام بارداری در معرض تشعشع بمب اتمی قرار گرفته بودند آزمایش بعمل آمد ۲۷ کودک دارای نواقص شدیدجسمی (نقص قلب،  انواع بیماری های ریوی و مری) و ۶ کودک سر بسیار بزرگ داشتند. و فهم و شعور آنها کم بود مادران این کودکان هنگام انفجار بمب در داخل مدار ۱۲۰۰ متری بودند. کودکانی که در معرض تشعشع قرارداشتند در رشد جسمی و عقلی آنها نیز اختلالات بوجود آمد هر قدر سن کودک هنگام انفجار کمتر بود اختلال بیشتر در اوظاهر می گردید.

تشعشعات مواد رادیو اکتیو

 این تشعشعات شامل تشعشعات الکترومغناطیسی مانند اشعة x و γ و تشعشعات اتمی نظیر اشعه x ، الکترون ها، پروتونها و نوترونها می باشد.

 اجسام رادیواکتیو ایزوتوپهایی از یک عنصر می باشند که در حالت تعادل قرار ندارند و با جذب یا دفع یک یا چند نوکلئون و تشعشع انرژی اضافی، بحالت تعادل درمی آیند. عناصر رادیواکتیو ممکن است با شکسته شدن نیز به عناصری با حالت پایدارتر تبدیل شوند. اجسام رادیواکتیو سه نوع اشعه β،  xو γ از خود منتشر می سازند.

 امروزه خاصیت رادیواکتیویته را با ایجاد عدم تعادل در هسته های پایدارتر بطور مصنوعی نیز درست می کنند. منابع تولید اشعه رادیواکتیو می توانند طبیعی یا مصنوعی باشند. رادیواکتیویته طبیعی از تشعشعاتِ کیهانی و دیگر منابع طبیعی بوجود می آید که میزان و آثار سوء آنها، در مقایسه با مواد رادیواکتیو مصنوعی، ناشی از فعالیت های انسانی، ناچیز است.

• در واکنش های هسته ای ماده ای که پرتو گسیل می کند را ماده مادر یا ماده اولیه می نامند و فرآورده یا آن ماده ای که پس از واپاشی بر جای می ماند را ماده دختر می نامند.

نیمه عمر

نیمه عمر مواد رادیواکتیو، یک عنصر، مدت زمانی است که طول می کشد تا یک ماده پرتوزا نیمی از قدرت خود را از دست بدهد، به طور مثال نیمه عمر کربن-14 حدود 5600 سال می باشد یا اورانیم 238 دارای نیمه عمر 5 میلیارد سال است، یعنی 5 میلیارد سال طول می کشد تا اورانیوم 238 نیمی از خاصیت رادیواکتیویته خود را از دست دهد، پس بنابراین یک عنصر اورانیوم 238 حدود 10 میلیار سال طول می کشد تا به طور کلی خاصیت رادیواکتیویته خود را از دست دهد.

از آنجایی که مواد پرتوزا قابلیت نفوذ در بافت های زنده را نیز دارند، بنابر این میزان تابش های هسته ای اطراف ما همواره می بایست آزمایش و بررسی شوند که این کار(اندازه گیری میزان پرتوهای الفا، بتا و گاما در اطراف زندگی) توسط دستگاهی به نام گایگر-مولر اندازه گیری می شود که این نام از نام سازندگانش اقتباس شده است.

واحدهای سنجش مواد پرتوزا :

 کوری :

 کوری بیانگر تحولات و میزان کاهشی است که در یک ثانیه در مقدار معینی از رادیوایزوتوپ رخ می دهد و معادل فعالیت یک گرم رادیوم است.

 گری :

 مقدار دز جذب شده که یک ژول انرژی را به یک کیلوگرم انتقال می دهد یک گری نامیده می شود.

 مقدار معادل :

 از نظر کیفی, پرتوها روی بدن آثار بیولوژیک متفاوتی دارند یعنی یک مقدار مشخص از یک نوع پرتو ممکن است اثر  بیولوژیک کمتر یا بیشتری از یک نوع دیگر باشد. کمیتی  که این تفاوت را معلوم می کند دز معادل نام دارد.

 DE = D * RBE

  شناخت پرتوها و ذرات یونساز:

  ۱- ذره α :

 ذرات α دارای جرم زیاد می باشند. مسیر حرکتشان مستقیم  است.

 انرژی خود را از دست می دهند و سرانجام با جذب دو الکترون به اتم  هلیم تبدیل می شوند. ذرات  با توجه به انرژی خود بین ۲ تا ۱۰ سانتی متر در هوا نفوذ می کنند. در آب و محیطهای جامد نفوذ کمتری دارند و بدین ترتیب با یک ورقه نازک فلزی و حتی صفحه کاغذ می توانند از حرکت آنها جلوگیری کرد.

  ورود آنها از بیرون به بدن چندان خطرناک نیست اما اگر از طریق استنشاق وارد بدن شوند بسیار خطرناکند.

 ۲- ذره β :

 انرژی ذرات β که از هسته های رادیو اکتیو خارج می شوند متفاوت است و بدین دلیل برد آنها اختلاف دارد. قدرت نفوذ آنها زیاد است. مسیر آنها بدلیل انحراف های پی در پی مستقیم نمی باشد این ذرات در هنگام عبور به مرور انرژی خود را از دست می دهند و موجب یونیزه کردن اتمها می شوند.

 ۳- پرتو γ :

 این پرتو معمولاً از هسته اتم رادیواکتیو که به حالت پایدار   می رود بدست می آید. قدرت یونیزاسیون اشعه γ ضعیف است ولی قدرت نفوذ آن بسیار زیاد است و بدلیل نفوذ در عمق بافت بدن خطرات زیادی دارد. پرتوهای β با صفحه آلومینیومی به ضخامت چند میلی متر متوقف می شوند در حالیکه برای جلوگیری از پرتوهای γ از بلوک های ضخیم سربی استفاده می شود.

  ۴- پرتو X :

 این پرتوها دارای انرژی کافی برای یونسازی و تحریک اتمها و مولکولهای جسم جاذب می باشد و از طریق کاهش ناگهانی سرعت الکترونهای سریع یا خارج کردن یک الکترون از مدار اتم  بوسیله الکترون های سریع (که باعث جذب الکترون دیگر در مدار مزبور و صدور فوتون می شود) تولید می گردد.

 ۵- نوترون:

 پرتو نوترون فاقد بار الکتریکی است و به صورت نوترون های سریع و حرارتی ممکن است آثاری داشته باشد.

در حدود یک قرن پیش دانشمندان متوجه شدند که بعضی عناصر ایزوتوپ‌هایی دارند که رادیواکتیو (پرتوزا) هستند. مثلاً هیدروژن را در نظر بگیرید، در مورد این عنصر سه ایزوتوپ شناخته شده‌است:

۱ - هیدروژن معمولی (H) در هسته اتم حود یک پروتون دارد وبدون هیچ نوترونی. البته واضح است چون نیازی نیست تا خاصیت چسبانندگی خود را نشان دهد چرا که پروتون دیگری وجود ندارد.

۲ - هیدروژن دوتریم(D)که یک پروتون ویک نوترون دارد و در طبیعت بسیار نادر است. اگرچه عمل آن بسیار شبیه هیدروژن نوع اول است برای مثال می‌توان از آن آب ساخت اما میزان بالای آن سمی است.

هر دو ایزوتوپ یاد شده پایدار هستند اما ایزوتوپ دیگری از هیدروژن وجود دارد که ناپایدار است!

۳ - ایزوتوپ سوم هیدروژن(تریتیوم و رادیو اکتیو)(T)که شامل دو نوترون و یک پروتون است. همان طور که قبلا گفته شد این نوع هیدروژن ناپایدار است. یعنی اگر بازهم ظرفی برداریم واین بار درون آن را با این نوع از هیدروژن پر کنیم و یک میلیون سال دیگر به سراغ آن بیائیم متوجه می‌شویم که دیگر هیدروژنی نداریم و همه آن به هلیم ۳ تبدیل شده‌است (۲ پروتون و یک نوترون).

می‌توان گفت که هر چه هسته اتم سنگین‌تر شود تعداد ایزوتوپ‌ها بیشتر می‌شود و هر چه تعداد ایزوتوپ‌ها بیشتر شود امکان بوجود آمدن هسته‌های ناپایدار نیز بیشتر خواهد شد و در نتیجه احتمال وجود نوع رادیواکتیو نیز بیشتر می‌شود.

در طبیعت عناصر خاصی را می‌توان یافت که همه ایزوتوپ‌هایشان رادیواکتیو باشند. برای مثال دو عنصر سنگین طبیعت که در بمب‌ها ونیروگاه‌های هسته‌ای از آنها استفاده می‌شود را نام می‌بریم: اورانیوم و پلوتونیوم.

تاریخچه کشف مواد پرتوزا

هانری بکرل، دانشمند فرانسوی، زمانی که مشغول تحقیق بر روی مواد دارای خاصیت فسفرسانس بود متوجه شد که تاثیر نور مرئی و سنگ معدن اورانیوم(سولفات پتاسیم اورانیوم) بر روی یک فیلم عکاسی بسته بندی شده همانند است   ( بعدها مشخص شد که سنگ معدن اورانیوم از خود پرتوهای آلفا و گاما گسیل کرده و چون پرتوهای گاما همان پرتوهای X پرانرژی هستند و از جنس نور یا امواج الکترومغناطیسی اند، بنابر این اورانیوم، چنین تاثیری بر روی فیلم عکاسی بسته بندی شده وی گذاشته)، در همین حین ماری کوری خاصیت پرتوزایی را کشف کرد و با تعداد محدودی ماده پرتوزا مانند پولونیم(فلز ضعیف) و رادیم(فلز قلیایی خاکی) آشنا گردید و نام های کنونی چون رادیواکتیو(پرتوزا) یا رادیواکتیویته(پرتوزایی) را وی برگزید ومنتشر ساخت، در آن زمان، اطلاعات بشر در مورد این مواد بسیار کم بود و رادرفورد در پی اکتشافات تازه ای درمورد این مبحث نوین بود.

ارنست رادرفورد در سال 1895 به آزمایشگاه کاوندیش دانشگاه کمبریج آمد تا در آنجا تحت مدیریت جی.جی امسون مشغول به کار شود، تامسون که استاد فیزیک تجربی بود، رادرفورد را فعالانه در آزمایشگاه به کار گرفت، رادرفورد در اوایل کار تحقیقاتی خود با انجام آزمایشی که فکر آن از خود وی بود دو تابش رادیواکتیو ناهمانند شناسایی کرد، او پی برد که بخشی از تابش با برگه ای به ضخامت یک پانصدم سانتی متر قابل ایستادن بود اما برای متوقف کردن بخش دیگر برگه های بس ضخیم تری لازم بود. او اولین اشعه ای را که تابشی با بار الکتریکی مثبت و یونیزه کننده ای قوی بود و به سهولت در مواد جذب می شد اشعه آلفا نام داد. اشعه دوم را که تابشی با بار الکتریکی منفی بود و تشعشع کمتری ایجاد می کرد اما قابلیت نفوذ آن در مواد زیاد بود را اشعه بتا نامید. تابش نوع سومی که شبیه پرتوهای ایکس بود، در سال 1900 بوسیله پل اوریچ ویلارد (فیزیکدان فرانسوی) کشف شد، این پرتو نافذترین تابش را داشت. طول موج آن بسیار کوتاه و فرکانس آن فوق العاده زیاد بود تابش جدید، پرتو گاما نام گرفت. رادرفورد و همکارانش کشف کردند که فعالیت تشعشعی طبیعی مشهود در اورانیوم فرآیند خروج ذره آلفا از هسته اتم اورانیوم بصورت یک هسته اتم هلیم و بر جای ماندن اتمی سبکتر از اتم اورانیوم در اورانیوم به ازاء هر خروج ذره آلفا از آن است از کشف آنها نتیجه گیری شد که رادیوم تنها عنصر از شرته عناصر حاصل از فعالیت تشعشعی اورانیوم است.

رادرفورد در سال 1904 نخستین کتاب خود به نام فعالیت تشعشعی را که امروزه از کتب کلاسیک نوشته شده در آن زمینه شناخته می شود را منتشر کرد  و به سرعت دست به کار تدوین نظریه های تازه در باره ساختار اتم شد.

سهم رادرفورد در شکل گیری درک کنونی ما از ماهیت ماده از هر کس دیگری بیشتر است و به همین علت، او را پدر انرژی هسته ای نامیده اند.

پرتوزایی مصنوعی

در سال 1934 ایران کوری، دختر ماری و پی یر، و شوهرش فردریک ژولیو، پرتوزایی مصنوعی را کشف کردند. آنان نشان دادند که می توان از ذرات آلفا، که راذرفورد آنها را به عنوان تکه هایی از هسته ی اتمها که عناصر پرتوزای طبیعی گسیل می کردند شناسایی کرده بود، برای بمباران عناصر غیر پرتوزا و القای پرتوزایی در آنها استفاده کرد

•  چندی نگذشت که لئوزیلارد در دانشگاه کلمبیا شکافت هسته ای را در واکنشهای زنجیره ای مشاهده کرد. بور که در آن هنگام در دانشگاه پرینستون بود، حساب کرد که فقط شکل نادری از اورانیم، یعنی ایزوتوپ 235-U آن که در طبیعت تنها 1% اورانیم طبیعی را تشکیل می دهد، موجب واکنشی زنجیره ای می شود. برای ساخت یک رآکتور زنجیره ای باید 235-Uتغلیظ می شد. این کار عملی بود، و بالاخره انجام شد .ایالات متحده موفق شد گوی سبقت را در این زمینه از آلمان برباید.

کاربرد مواد رادیو کتیو

میدانیم برای تعیین عمر آثار باستانی , فسیلها و حتی سن سنگها و صخره ها از ویژگی خاص مواد رادیو اکتیو یعنی نیمه عمر این مواد استفاده می شود .اغلب دانش اموزان کنجکاوند بدانند این روش عمر سنجی به چه طریق انجام می شود. عمر سنجی با مواد رادیو اکتیو را به سه دسته می توان تقسیم کرد