الدرس الثاني: الإشعاع النووي
الثانوي - الصف الثاني عشر - المسار الأكاديمي
الدرس الثاني: الإشعاع النووي
توجد في الطبيعة نوى غير مستقرة (مشعة) تتحول تلقائيًا إلى نوى أكثر استقرارًا عن طريق إصدار إشعاعات نووية. هناك ثلاثة أنواع رئيسية من هذه الإشعاعات: ألفا (α)، بيتا (β)، وغاما (γ). تختلف هذه الإشعاعات في طبيعتها وقدرتها على الاختراق والتأيين.
أولاً: اكتشاف النشاط الإشعاعي
هنري بيكريل (1896):
اكتشف بالصدفة أن أملاح اليورانيوم تبعث إشعاعًا غير مرئي يمكنه التأثير على ألواح التصوير الفوتوغرافي حتى وهي مغلفة. هذا الإشعاع لم يكن بحاجة إلى محفز خارجي، بل كان تلقائيًا.
بيير وماري كوري:
تابعا اكتشاف بيكريل وتمكنا من فصل عنصرين جديدين شديدي الإشعاع هما البولونيوم والراديوم. وأطلقت ماري كوري على هذه الظاهرة اسم "النشاط الإشعاعي" (Radioactivity).
تعريف الاضمحلال الإشعاعي (Radioactive Decay):
هو التحول التلقائي لنواة غير مستقرة إلى نواة أكثر استقرارًا، عن طريق انبعاث جسيمات مثل (ألفا، بيتا) وغالبًا ما يصاحب ذلك انبعاث أشعة غاما.
ثانيًا: أنواع الإشعاعات النووية وخصائصها
أثبتت التجارب وجود ثلاثة أنواع متميزة من الإشعاع الصادر من المواد المشعة، أطلق عليها العلماء الأحرف اليونانية: ألفا (α)، بيتا (β)، وغاما (γ). يمكن التمييز بينها بتمريرها عبر مجال كهربائي أو مغناطيسي.
| الخاصية | جسيم ألفا (α) | جسيم بيتا (β) | أشعة غاما (γ) |
|---|---|---|---|
| الطبيعة | نواة هيليوم (⁴₂He) | إلكترون (e⁻) أو بوزيترون (e⁺) | فوتونات (موجات كهرمغناطيسية) |
| الشحنة | موجبة (+2e) | سالبة (-e) أو موجبة (+e) | صفر (متعادلة) |
| الكتلة | ≈ 4 amu | ≈ 0.0005 amu | صفر |
| القدرة على التأيين | عالية جدًا (الأقوى) | متوسطة | منخفضة (الأضعف) |
| القدرة على النفاذ | ضعيفة جدًا (ورقة أو بضعة سم من الهواء) |
متوسطة (يمنعها صفيحة ألمنيوم رقيقة) |
عالية جدًا (عدة سم من الرصاص أو الخرسانة) |
محاكاة خصائص الإشعاعات النووية
قارن بين قدرة ألفا وبيتا وغاما على النفاذ والانحراف
جسيم ألفا (α)
نواة هيليوم، شحنة موجبة (+2)، كتلة كبيرة.
جسيمات ألفا ثقيلة ومشحونة، تصطدم بالذرات فوراً، لذا تمنعها حتى الورقة.
ثالثًا: أنواع الاضمحلال الإشعاعي بالتفصيل
1. اضمحلال ألفا (α-Decay)
يحدث غالبًا في النوى الثقيلة غير المستقرة (Z > 82). تفقد النواة الأم جسيم ألفا (نواة هيليوم ⁴₂He).
- العدد الذري يقل بمقدار 2.
- العدد الكتلي يقل بمقدار 4.
مثال: اضمحلال اليورانيوم-238 إلى ثوريوم-234:
محاكاة اضمحلال ألفا (U-238 → Th-234)
شاهد كيف تتحول نواة اليورانيوم الثقيلة بإطلاق جسيم ألفا
المعادلة النووية
نلاحظ أن النواة الناتجة (الثوريوم) فقدت بروتونين ونيوترونين، مما قلل عددها الذري بمقدار 2 والكتلي بمقدار 4.
2. اضمحلال بيتا (β-Decay)
يحدث للنوى غير المستقرة التي تحتوي على فائض من النيوترونات أو البروتونات. تنبعث جسيمات بيتا (إلكترونات أو بوزيترونات) من النواة نتيجة تحول داخلي بين النيوكليونات.
بيتا السالبة (β⁻) – إلكترون:
السبب: فائض من النيوترونات.
الآلية: يتحلل أحد النيوترونات داخل النواة ليتحول إلى بروتون، ويصدر إلكترونًا (β⁻) وجسيمًا مضاد للنيوترينو (ν̄).
التغير في النواة: العدد الذري يزيد بمقدار 1، والعدد الكتلي ثابت.
مثال: 14C → 14N + e⁻ + ν̄
بيتا الموجبة (β⁺) – بوزيترون:
السبب: فائض من البروتونات.
الآلية: يتحلل بروتون (مرتبط بالنواة) إلى نيوترون، ويصدر بوزيترونًا (β⁺) وهو جسيم مضاد للإلكترون بشحنة موجبة، ونيوترينو (ν).
التغير في النواة: العدد الذري يقل بمقدار 1، والعدد الكتلي ثابت.
محاكاة اضمحلال بيتا (β⁻ / β⁺)
المعادلة النووية
3. اضمحلال غاما (γ-Decay)
خلافاً لاضمحلال ألفا وبيتا، لا يصاحب اضمحلال غاما تحول في هوية العنصر (لا يتغير Z أو A). هو عبارة عن تخلص النواة من طاقة الإثارة الزائدة للوصول إلى الحالة المستقرة (Ground State).
متى يحدث؟
غالباً ما تترك اضمحلالات ألفا أو بيتا النواة الناتجة في حالة "إثارة" نووية، حيث تكون البروتونات والنيوترونات في مستويات طاقة أعلى من الطبيعي. لكي تستقر، يجب أن تهبط هذه النوكليونات لمستوياتها الأساسية مطلقة الفوتونات (أشعة غاما).
طبيعة الإشعاع: موجات كهرمغناطيسية (فوتونات) بترددات هائلة جداً.
الحفظ النووي: يبقى كل من A و Z ثابتاً.
محاكاة اضمحلال غاما (γ-Decay)
التغير النووي
المثال (8)
يمثّل الشكل (7) مخطط مستويات الطاقة لعملية اضمحلال نواة الراديوم (²²⁶₈₈Ra) إلى نواة الرادون (²²²₈₆Rn). عند الكشف عن جسيمات ألفا المنبعثة، وُجِد أنّها توجد على هيئة طاقتين مختلفتين.
ما مقدار طاقتي جُسيم ألفا المنبعثين؟
ما مقدار طاقة فوتون أشعة غاما؟
أكتب معادلة اضمحلال أشعة غاما.
أكتب معادلة اضمحلال ألفا الذي ينتج منه طاقة أكبر.
قيم الطاقة الموضحة في مخطط مستويات الطاقة (الشكل 7).
قانون حفظ الطاقة، الحفظ النووي، مستويات الطاقة النووية.
الشكل (7): اضمحلال نواة الراديوم-226
* يمثل الخط الأفقي العلوي طاقة النواة الأم، والخطوط السفلية تمثل حالات طاقة النواة الناتجة. الفرق في الطاقة بين المستويات يُطلق على شكل إشعاع.
الحلّ النموذجي
طاقتي جُسيم ألفا
الطاقة الأولى (المباشرة):
Eα1 = 4.785 MeV
الطاقة الثانية (إلى المستوى المثار):
Eα2 = 4.785 - 0.186 = 4.599 MeV
طاقة أشعة غاما
تساوي الفرق بين طاقة المستوى المثار ومستوى الاستقرار:
Eγ = 0.186 MeV
معادلة اضمحلال غاما
²²²₈₆Rn* → ²²²₈₆Rn + γ
Gamma Emission Equation
معادلة ألفا (الطاقة الأعلى)
²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂He
Max Energy Alpha Decay
رابعًا: عمر النصف وقانون الاضمحلال
التحلل الإشعاعي عملية عشوائية لا يمكن التنبؤ بموعد اضمحلال نواة معينة، لكن إحصائيًا، نستطيع تحديد الزمن اللازم لاضمحلال نصف عدد نوى عينة معينة.
عمر النصف (Half-Life - t½):
الزمن اللازم ليضمحل نصف عدد النوى المشعة الموجودة في عينة ما.
ثابت الاضمحلال (λ):
احتمال اضمحلال نواة واحدة في وحدة الزمن. علاقته بعمر النصف:
قانون الاضمحلال الإشعاعي
بعد مرور زمن t، يكون عدد النوى المتبقية N في العينة هو:
حيث N₀ هو عدد النوى المشعة الأصلي.
مفاهيم الرموز:
تغير كمية المادة مع مرور فترات عمر النصف
| عدد أعمار النصف (n) | النسبة المتبقية (N/N₀) | النسبة المئوية |
|---|---|---|
| 0 | 1 | 100% |
| 1 | 1/2 | 50% |
| 2 | 1/4 | 25% |
| 3 | 1/8 | 12.5% |
| 4 | 1/16 | 6.25% |
التمثيل البياني لعملية الاضمحلال
العلاقة هي علاقة تناقص أسي، حيث يقل عدد النوية إلى النصف مع مرور كل فترة عمر نصف.
محاكاة عمر النصف
ساعة المحاكاة
خامسًا: النشاطية الإشعاعية (Activity)
مفهوم النشاطية (A):
هي عدد النوى التي تضمحل في العينة في الثانية الواحدة. تتناسب طرديًا مع عدد النوى المشعة المتبقية.
قانون اضمحلال النشاطية:
يسلك نفس نمط اضمحلال عدد النوى:
يرتبط عمر النصف (t1/2) بثابت الاضمحلال بالعلاقة الآتية:
وحدات قياس النشاطية
- Bq
البيكريل (Becquerel)
اضمحلال واحد في الثانية.
- Ci
الكوري (Curie)
نشاطية 1 جرام من الراديوم-226 تقريبًا.
1 Ci = 3.7 × 10¹&sup0; Bq
أمثلة تطبيقية شاملة
عينة مشعة نشاطها الابتدائي A₀ = 4680 Bq، وبعد فترة أصبح نشاطها A = 1170 Bq. عمر النصف 5 أيام، احسب الزمن.
الحل:
n = 2
الزمن الكلي:
عمر نصف 8 ساعات، ما النسبة المتبقية بعد 24 ساعة؟
الحل:
n = 24/8 = 3
النسبة = (1/2)³ = 1/8
عينة كوبالت-60 عدد نوى 3.0×10²⁰، ثابت الاضمحلال 4.17×10⁻¹⁰ s⁻¹، احسب النشاطية.
الحل:
سادسًا: سلاسل الاضمحلال الإشعاعي الطبيعي
النوى الثقيلة غير المستقرة لا تستقر بعد اضمحلال واحد فقط، بل ينتج عنها نواة جديدة غير مستقرة أيضًا، تستمر في الاضمحلال حتى تصل إلى نواة مستقرة.
سلسلة اليورانيوم
تبدأ بـ ²³⁸U وتنتهي بـ ²⁰⁶Pb.
سلسلة الثوريوم
تبدأ بـ ²³²Th وتنتهي بـ ²⁰⁸Pb.
خطوات سلسلة اضمحلال اليورانيوم-238:
تستمر السلسلة عبر 14 مرحلة لتصل إلى الرصاص المستقر:
المعادلة الإجمالية المختصرة:
مجموع الانبعاثات: 8 جسيمات ألفا و 6 جسيمات بيتا.
نصائح وملاحظات هامة للدراسة:
التمييز بين الإشعاعات:
الإشعاع الأكثر تأييناً هو الأقل نفاذاً (ألفا).
حساب النسبة المتبقية:
استخدم n = t / t½.
حفظ قوانين الحفظ:
مجموع العدد الكتلي والذري متساو في الطرفين.
وحدات النشاطية:
1 Ci = 3.7×10¹⁰ Bq.
خلاصة الدرس
- أنواع الإشعاع: ألفا (تأيين عالٍ، اختراق ضعيف)، بيتا (متوسطة)، غاما (تأيين ضعيف، اختراق عالٍ).
- الاضمحلال: عملية عشوائية تحكمها قوانين الاضمحلال الأسي وتعتمد على عمر النصف.
- النشاطية (A): معدل الاضمحلالات في الثانية، بوحدتي البيكريل والكوري.
- سلاسل الاضمحلال: اضمحلالات متتالية تنتهي بنظير مستقر (الرصاص).