خاصیت رادیواکتیویته

  

رادیواکتیویته (Radioactivity)


مواد رادیواکتیو از اتمهای ناپایداری تشکیل می‌شوند که تجزیه شده و انرژی سطح بالایی به نام تابش رادیواکتیو را آزاد می‌کنند. این اتمها نهایتا عناصر جدیدی را تشکیل می‌دهند. این خاصیت را که ایزوتوپهای ناپایدار اتمها ذراتی از خود گسیل می‌کنند، خاصیت رادیواکتیویته می‌گویند.

تاریخچه

حدود اواخر قرن نوزدهم اکثر دانشمندان بر این عقیده بودند که تمام مسائل عمده فیزیک حل شده‌اند، به غیر از چند مورد جزئی که برای قطعیت دادن به برخی نظریه‌ها ضروری بود. رونتگن ، در سال 1895 ، اشعه ایکس را کشف کرد. این اشعه نخست در معاینات پزشکی بکار رفت و بعدها برای بررسی ساختمان اساسی مواد مورد استفاده قرار گرفت.

چند ماه بعد از کشف رونتگن ، هنری بکرل (1908-1852 م) کشف کرد که ترکیبات اورانیوم ، پرتوی فوق‌العاده نافذ ، مشابه اشعه ایکس ، ساتع می‌کنند. ماری کوری این پدیده جدید را رادیواکتیو نامید. او و شوهرش پیر 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 الکترومغناطیسی قابل‌توجهی دارند، استفاده کرد. خاصیت رادیواکتیویته این دو عنصر جدید از اورانیوم بیشتر بود.

 
پرتوهای گاما را توسط کاغذ و پرتوهای بتا
را توسط آلومینیم می توان متوقف
کرد اما پرتوهای گاما را فقط
لایه ضخیمی از سرب متوقف می سازد.


تحولات رادیواکتیویته

  • در مورد کشف رادیواکتیویته توسط هنری بکرل باید بگوییم که در سال 1896 میلادی ، بکرل در جستجوی شواهدی بود که ثابت کند مواد شیمیایی که دارای نور طبیعی فلوئورسان هستند، از خود پرتو ساتع می‌کنند. او یک نمونه سولفات پتاسیم اورانیوم 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 نمی‌داد. او آن را در کشویی در آزمایشگاه خود گذاشت و به آزمایشهای خود در مورد لامپهای اشعه کاتدی ادامه داد. چند روز بعد ، بکرل دریافت که نمونه ، تصویری را بر روی صفحه عکاسی ایجاد کرده است. این نشان می‌داد که ماده مذکور شکلی از تشعشع را که بعدا ماری کوری آن را رادیواکتیویته نامید، از خود ساطع کرده است.

  • ماری کوری و پیر کوری همراه با فیزیکدان فرانسوی ، هنری بکرل ، مدل دیوی انجمن سلطنتی انگلستان و جایزه نوبل را در فیزیک برای کشف رادیواکتیو دریافت دریافت کردند. پیر کوری کشف کرد که رادیم Ra خودبه‌خود حرارت آزاد می‌کند. این نخستین نمود ثبت شده از انرژی اتمی به شکل گرما است.

    در سال 1910 میلادی در کنفرانس بروکسل در مورد رادیواکتیویته ، واحد رادیواکتیویته به افتخار او کوری نامیده شد. ماری کوری تحقیق خود را با جستجوی کاربردهای پزشکی رادیواکتیو ادامه داد و قدرت تشعشع ترکیبات اورانیوم را اندازه گرفت و تحقیق خود را به عناصر دیگر از جمله توریم ، گسترش داد.

  • در 1922 میلادی ، نیلز بوهر نظریه ساختار طیفهای اتمی ‌را منتشر کرد و در 1927 میلادی اصل مکمل بودن را تنظیم کرد که رفتار پیچیده رادیواکتیویته را توصیف می‌کند.

  • 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 هسته‌ای ریز و متراکم متمرکز است. در سال 1930 میلادی رادرفورد تشعشعات مواد رادیواکتیو را منتشر کرد.

  • در سال 1934 میلادی زوج ژولیو - کوری رادیواکتیویته مصنوعی را کشف کرد.

تابشهای رادیواکتیو

سه نوع تابش رادیواکتیو وجود دارد که ذرات آلفا از چهار ذره اتمی‌ ، یعنی دو پروتون و دو نوترون ، تشکیل می‌شوند. این ذرات ضعیفترین نوع تابش رادیواکتیو هستند و بار الکتریکی مثبت دارند. مسیر آنها را می‌توان با صفحه کاغذ مسدود کرد. ذرات بتا قدرتمند هستند و از ذرات اتمی‌ که الکترون خوانده می‌شوند و بار منفی دارند، تشکیل می‌شوند. این ذرات از کاغذ عبور می‌کنند، ولی آلومینیوم آن را مسدود می‌کند.

پرتوهای گاما از همه قدرتمندترند. آنها امواج الکترومغناطیسی هستند و فاقد بار الکتریکی می‌باشند، اما پرتوهای گاما را فقط لایه ضخیمی ‌از سرب متوقف می‌سازد. خروجی یا تابش رادیواکتیو می‌تواند وارد بافتهای زنده شود و به آنها صدمه بزند، بنابراین اطراف آن باید کنترل شود. تابش رادیواکتیو را با وسیله‌ای به نام آشکارساز گایگر مولر ، که نام آن از نام مخترعانش اقتباس شده است، می‌توان اندازه گرفت. وقتی تابش رادیواکتیو ، وارد این شمارنده می‌شود، گاز موجود در آن حامل الکتریسیته می‌شود. مقدار بار را می‌توان روی صفحه‌ای قرائت کرد، یا از طریق یک بلندگو به صورت صداهای تیک‌تیک خاصی شنید.

نیم عمر

نیم عمر یک ماده ، مدت زمانی است که طول می‌کشد تا خاصیت رادیواکتیویته آن به نصف کاهش یابد. مثلا ، نیم عمر کربن 14 (شکل خاصی از عنصر کربن) 5600 سال است، یعنی 5600 سال طول می‌کشد تا نصف اتمهای رادیواکتیو کربن دچار فروپاشی شوند، یا یک گرم از اتمهای رادیواکتیو به نیم گرم تقلیل یابد. 5600 سال دیگر طول می‌کشد که همین مقدار نیز به نصف برسد و به همین ترتیب. نیم عمر عناصر مختلف از چند ثانیه تا میلیونها سال متغیر است. فروپاشی بشکه‌های زباله‌های اتمی ‌زیان‌بخش حاصل از نیروگاههای هسته‌ای میلیونها سال طول می‌کشد.

همه موجودات زنده روی زمین حاوی مقدار معینی کربن 14 (کربن رادیواکتیو) هستند که با تبادل مداوم گازهای اکسیژن و دی‌اکسید کربن بین موجودات زنده و جو زمین تشکیل می‌شود. وقتی یک گیاه یا حیوان می‌میرد، این تبادل متوقف می‌شود و کربن 14 شروع به فروپاشی می‌کند. دانشمندان می‌دانند که نیم عمر این کربن 5600 سال است. بنابراین پس از این مدت جسم مرده دقیقا نصف تشعشع رادیواکتیو زمان زندگی خود را ساتع می‌کند. این فروپاشی با آهنگ ثابتی انجام می‌شود و در نتیجه این امکان وجود دارد که با اندازه‌گیری میزان تابش ، زمان مرگ موجود مورد نظر را دریافت. باستان‌شناسان از نیم عمر کربن برای یافتن تاریخ مومیایی‌های مصر باستان استفاده کرده‌اند.

از دیدگاه نظری ، همه مواد رادیواکتیو نهایتا به سرب تبدیل می‌شوند. هسته اتم سرب پایدار است و بنابراین خاصیت رادیواکتیو ندارد، اما این امر بطور تجربی اثبات نشده است، زیرا نیم عمر بعضی از عناصر بیش از عمر انسانها است. در جدول زیر نام برخی عناصر متداول و نیم عمر آنها آمده است.


نام عنصر نیم عمر عنصر
اورانیم 238 5 میلیارد سال
اورانیم 235 700 میلیون سال
پلوتونیم 239 24000سال
کربن 14 5600 سال
ید131 8 روز
طلای 198 3 روز
سدیم 24 15 ساعت
فلوئور 17 1 دقیقه
پولونیم 214 3x108- ثانیه
سرب پایدار (بدون نیم عمر)

عمده کاربردهای ایزوتوپهای رادیواکتیو

بسیاری از ایزوتوپها ، رادیواکتیو هستند. یعنی ذرات با فرکانس بالا را از هسته (مرکز) اتمهای خود ساتع می‌کنند. از آنها می‌توان 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 می‌شود. سپس مسیر آن توسط آشکارسازهای خاصی که فعالیت رادیواکتیویته را مشخص می‌کنند، دنبال می‌شود. این اطلاعات به یک کامپیوتر داده می‌شود که صفحه آن هرگونه اختلالی ، مانند انعقاد خون در رگها ، را نشان می‌دهد. با استفاده از روشی مشابه ، می‌توان از ایزوتوپها برای مطالعه جریان مایعات در تاسیسات شیمیایی نیز استفاده کرد.

در فرسودگی ماشین‌آلات

آهنگ فرسودگی ماشین‌آلات صنعتی را نیز می‌توان با استفاده از ایزوتوپها اندازه گرفت. مقادیر اندکی از ایزوتوپهای رادیواکتیو به بخشهای فلزی ماشین آلات ، مانند یاتاقانها و رینگ پیستونها اضافه می‌شود. سپس سرعت فرسودگی با اندازه گرفتن رادیواکتیویته روغنی که برای روغنکاری این بخشها بکار رفته است، محاسبه می‌شود.