الكيمياء الإشعاعية والنووية

نظرة حول الكيمياء النووية

تدرس الكيمياء الإشعاعية والنووية (بالإنجليزية: Radiological and nuclear chemistry) الخصائص الفيزيائية والكيميائية للعناصر التي تتأثر بالتغيرات في بنية النواة الذرية، والطاقة المنبعثة من التفاعلات النووية واستخداماتها، وتدرس الكيمياء الإشعاعية تكوين العناصر في الكون وتصميم العلاجات المشعة للتشخيصات الطبية والعديد من التطبيقات الأخرى.

كانت النظرية الذرية في القرن التاسع عشر تفترض أن نواة الذرة لها تركيب ثابت، وفي عام 1896 قام العالم الفرنسي هنري بيكريل بملاحظة أن مركباً من اليورانيوم كان موضوعاً في شاش أسود بالقرب من لوحة، ولوحظ أنه صنع صورة على اللوحة، واستنتج من ذلك أن مركب اليورانيوم قد يصدر نوعاً من الإشعاع الذي يمر عبر القماش، وأظهرت التحقيقات فيما بعد أن الإشعاع عبارة عن مزيج من الجسيمات والأشعة الكهرومغناطيسية ومصدره هو نواة الذرة.

سميت هذه الانبعاثات بالنشاط الإشعاعي (radioactivity) وقد كانت ماري كوري هي أول من صاغت هذا المصطلح، فبعد اكتشاف بيكريل لهذه الظاهرة توالت تحقيقات العلماء في هذا الاكتشاف الجديد، وتم الاهتمام به من قِبَل كل من ماري كوري، وإرنست رذرفورد صاحب تجربة رقاقة الذهب الشهيرة؛ الذي تحقق فيها من ثلاثة أنواع من الإشعاع الكيمائي الأكثر شيوعًا.

الاضمحلال الإشعاعي

الاضمحلال الإشعاعي الطبيعي (بالإنجليزية: Radioactivity Decay) هو تغير تلقائي يطرأ على النويدة غير المستقرة (النويدة: هي ذرة تحتوي على عدد محدد من البروتونات والنيترونات في نواتها)، وتسمى هذه النويدة بالنويدة الأم، وينتج من عملية اضمحلالها نويدة أخرى تسمى النويدة الوليدة، ويصاحب ذلك انبعاث جسميات نووية، كجسيمات ألفا وبيتا والبوزيترون وأشعة جاما، وقد تكون هذه النويدة الوليدة مستقرة، وقد لا تكون وتضمحل، منتجةً نويدة وليدة أخرى أكثر استقراراً مقارنة بالنويدة التي أتت منها.

فمثلاً؛ إذا كان لدينا نواة لذرة اليورانيوم 238 (نويدة أم)، وهي ذرة غير مستقرة، فسينبعث منها جسيمات ألفا مشكلةً بذلك ذرة الثوريوم 234 (نويدة وليدة)، حيث إن الجسيم النووي ألفا هو جسيم يتكون من بروتونين ونيترونين.

الأنواع الرئيسية للانبعاثات النووية

هناك خمسة أنوع للأشعة والجسيمات المنبعثة من التفاعلات النووية أو المتفاعلة فيها وهي على النحو الآتي:

جسيم ألفا

جسيم ألفا (α)، وهو نفس نواة ذرة الهيليوم (He)، ويتكون ألفا من بروتونين ونيترونين، ومثال على اضمحلال نووي ينتج من خلاله الجسيم ألفا هو اضمحلال نواة ذرة اليورانيوم 238 إلى ذرة ثوريوم 234 باعثة خلال ذلك الجسيم ألفا.

جسيم بيتا

جسيم بيتا (β)، وهو عبارة عن جسيم مثل الإلكترون ولكنه إلكترون يمتلك طاقة عالية، مثال على ذلك أثناء اضمحلال نواة ذرة الراديوم 228 إلى ذرة الأكتينيوم 228، ينبعث جسيم بيتا سالب.

أشعة جاما

أشعة جاما (γ)، جاما هي إشعاع كهرومغناطيسي، وهو مثل أشعة إكس (x-ray)، لكنه يمتلك طاقة أعلى بكثير منها، وهو ينبعث غالبا مع أنواع أخرى من الجسيمات النووية، ففي المثال السابق عن اليورانيوم 238 أثناء انبعاث جسيم ألفا منه يصدر كذلك خلال هذا التفاعل طاقة على شكل أشعة جاما وهي عديمة الكتلة والشحنة.

جسيم البوزترون

البوزترون هو الجسيم المضاد للإلكترون موجب الشحنة؛ مثل اضمحلال نواة ذرة الفسفور المشع 30 باعثاً أثناء ذلك بوزترون لينتج نواة السيليكون 30.

جسيم الإلكترون

يمكن للإلكترون أن يندمج مع بعض أنوية الذرات، منتجاً بذلك نواة جديدة، فمثلاً قد تتفاعل نواة ذرة الروثينيوم 92 مع الإلكترون السالب مندمجاً معها، منتجة بذلك ذرة التيكنيشيوم 92.

الاستقرار النووي

الاستقرار النووي هو مفهوم يساعد على تحديد الاستقرار للنظائر، ومن خلال يمكن إيجاد نسبة النيترونات إلى البروتونات (N / Z) للنظير المراد معرفة استقراره من عدمه، وبذلك يتحدد ثبات هذا النظير، حيث إن النوى الذرية تتكون من البروتونات والنيترونات التي تجذب بعضها البعض من خلال القوة النووية، في حين أن البروتونات تتنافر بسبب القوة الكهربائية فيما بينها لأن شحنتها موجبة، فينتج بين كل من القوة النووية والقوة الكهربائية في الذرة تنافس يؤدي لأن تكون بعض الأنوية مستقرة وبعضها غير مستقر.

كلما زاد العدد الذري ازدادت حاجة الذرة إلى النيوترونات بعدد أكثر لتحقيق الاستقرار النووي لها، لربط النواة ببعضها أكثر فتزداد نسبة النيترونات للبروتونات أكثر، فأنوية النظائر التي تحتوي على عدد بروتونات أكثر من 82 تكون غير مستقرة بسبب عددها الكبير من النيكليوتيدات الموجودة في أنويتها ومن خلال عملية الاضمحلال الإشعاعي تصبح هذه النوى أكثر استقراراً، وتخضع العديد من العناصر الثقيلة لسلسلة اضمحلالات إشعاعية متتابعة لتشكيل نواة أكثر استقراراً في نهاية الأمر.

عمر النصف

للعناصر المشعة ما يسمى بعمر النصف (half life) وهو الوقت الذي تستغرقه نصف نويدات عينة مشعة لتتحلل إلى نويدات وليدة، أي أنه خلال هذا الوقت تكون نصف الذرات قد تحللت أنويتها إلى الأنوية الوليدة، ويكون هذا الوقت ثابتاً بحسب نوع النظير المشع نفسه، فعلى سبيل المثال لعنصر الذهب المشع 198 عمر نصف قيمته = 2.7 يوم، والذي يعنيه هذا الرقم أنه لو كان هناك عينة من الذهب 198 فإن عدد الذرات التي سوف تضمحل بعد 2.7 يوم ستكون نصف عدد الذرات في العينة في أول مرة.

استخدامات النظائر المشعة

تستخدم النظائر المشعة في العديد من التطبيقات والمجالات ونذكر بعض منها على النحو الآتي:

• في محطات الطاقة النووية .
• في التشخيص والعلاج الطبي.
• معرفة عمر الأشياء التاريخية.
• تشكيل عناصر جديدة.
• تعقيم الأغذية عن طريق تعريضها للأشعة وقتل الطفيليات والميكروبات فيها.
• في صناعة الأسلحة النووية.