ماهي أنواع النظائر المشعة
النظائر تنقسم الي نوعين ، النوع الأول يعرف بالنظائر المستقرة ، و النوع الثاني وهو ما يعرف بالنظائر غير المستقرة أو النظائر المشعة .
وان عدد النظائر المستقرة يبلغ حوالي ثلاثمائة، وقد تم الإنتاج الصناعي لزيادة عن 1500 نظير مشع حتى اليوم ، ويوجد 21عنصر طبيعي في صورته النقية بمعني انه بدون أية نظائر . والنظائر المشعة تنقسم الى نظائر طبيعية وهي التي تكون موجودة في الطبيعة من بداية ان خلقها الله عز وجل.
وهناك نظائر مشعة صناعية، الإنسان تمكن من إنتاجها لكي يستخدمها في كثير ومختلف الأغراض.
استخدامات العناصر المشعة
فيما يأتي بعض الأمثلة على كيفية استخدام النظائر المشعة اليوم:
- منزلياً: معظم الناس لديهم مواد مشعة في منازلهم الخاصة، فمثلاً في جهاز الكشف عن الدخان هناك كمية صغيرة جداً من أميريكيوم-241، فهو موجود في الجهاز على شكل أكسيد، وتنبعث منه جسيمات ألفا وأشعة غاما منخفضة الطاقة. يتمّ امتصاص أشعة ألفا في الجهاز، لكن أشعّة غاما غير الضارة تتمكن من الهروب، ثمّ تصطدم جسيمات ألفا بالأكسجين والنيتروجين في هواء حجرة التأين؛ للكشف عن إنتاج جسيمات مشحونة أو أيونات، وعندما يدخل الدخان إلى الغرفة فإنه يمتص جسيمات ألفا التي تعطّل معدل التأين في الغرفة فينطلق الإنذار.
- الطاقة النووية: تزامناً مع ارتفاع أسعار الغاز، أنشأت العديد من دول العالم محطات طاقة نووية، وأولى الدول التي أنشأتها هي الاتحاد السوفييتي، وكان ذلك في عام 1954م، حيث يتم توفير ما يعادل 15% من الكهرباء و6% من الطاقة في العالم من الطاقة النووية التي تولّدها هذه المحطات، لكنّها بالإضافة إلى ذلك تنتج نفايات نووية سامة تصعب إزالتها، ومن أعظم الكوارث في محطات الطاقة النووية كارثة تشيرنوبيل التي حدثت في عام 1986.
- الصناعة: تُستخدَم أشعّة غاما لتعقيم الأدوات الطبية التي يمكن التخلص منها، مثل: الحقن، والقفازات، والأدوات الأخرى التي قد تتلف إذا تعرضت للتعقيم الحراري، كما تستخدم لقتل الطفيليات الموجودة في الصوف، والخشب، والمنتجات الأخرى، وقد سمحت الولايات المتحدة بتعريض اللحوم لأشعة غاما بغرض تعقيمها، وأصبحت الآن طريقة شائعةً لتعقيمها.
- الحروب: الدولة الوحيدة التي استخدمت الأسلحة النووية فعليّاً هي الولايات المتحدة، حيث ألقت قنابل نووية على كلٍّ من ناغازاكي وهيروشيما في اليابان، ورغم أنّ الناس في مكان الانفجار قد قُتلوا على الفور، لكن العديد من الأشخاص ماتوا في الأشهُر التي تلت التفجير نتيجةً للتسمم الإشعاعي، حيث تسبب هذا التسمم بالعديد من العيوب الخلقية؛ فقد أثرت على الحمض النووي.
- الدواء: تُستخدَم النظائر المشعة كمُتتبِعات في الأبحاث الطبية، حيثُ يبتلع الناس هذه النظائر التي تسمح للعلماء بدراسة عمليات مثل: الهضم، وتحديد الأمراض مثل: السرطان، والعوائق داخل الجهاز الهضمي، كما تستخدم العناصر المشعة في تنظيف الأوعية الدموية، والقضاء على السرطان.
العناصر المشعة مصادرها وتطبيقاتها
اليورانيوم U
يعد هذا العنصر أحد العناصر التابعة لسلسة الأكتينيدات في الجدول الدوري، ويبلغ عدده الذري 92، أي يحتوي على 92 بروتوناً و92 إلكتروناً، ويوجد هذا العنصر في التربة والصخور، ويتميز بلونه الأبيض المائل إلى الفضيّ، ويُستخدم في العديد من المجالات، ومنها: العسكرية حيث يُستخدم في القاذفات ذات المدى البعيد، والمؤسسات التي تعتمد على الطاقة النووية كمحطات توليد وإنتاج الكهرباء، وتحلية ماء البحر، وحساب عمر الصخور النارية.
الفرانسيوم Fr
اكتشف العالم الفرنسي مارغريت يري هذا العنصر عام 1939م، ويعدّ أحد العناصر نادرة الوجود في الطبيعة، ويبلغ عدده الذري 87، ويتبع إلى عناصر المجموعة الأولى في الدورة السابعة من الجدول الدوري، ويعد أحد الفلزات القوية ذات القاعدة القلوية بسبب كميته القليلة في الطبيعة وندرة وجوده في الطبيعة، ولا يوجد تطبيقات عملية كثيرة لهذا العنصر ولكن يُستخدم في أبحاث علوم الأحياء والتركيب الذري بشكل كبير.
الراديوم Ra
يبلغ العدد الذري لهذا العنصر 88، ويحتوي على 26 نظيراً من النظائر المشعّة؛ لذلك يعتبر أحد أثقل الفلزات القلوية الموجودة في الطبيعة، ويتميّز باللون الأبيض النقي، ويوجد في التراب ولكنه يتأكسد مباشرةً عند تعرضه للهواء، وينتج عنه غاز الرادون في حالة انقسامه إلى مراحل عديدة، وإلى عنصر الرصاص في حالة استقراره. ويُستخدم في مجال الطب كعلاج لأمراض السرطان المختلفة، وكمصدر لإنتاج النيوترنات في مراكز إجراء الأبحاث، وأيضاً في مجالات الدهان.
الروبيديوم Rb
يبلغ العدد الذري لهذا العنصر 37، ويعتبر أحد الفلزات القلوية الهشّة، ويتميّز باللون الأبيض المائل إلى الفضيّ، ويتأكسد ويشتعل مباشرةً في حالة تعرضه للهواء، كما يتميّز بتفاعله السريع مع الماء والأحماض، ويمكن إيجاده بجانب عنصر الصوديم، والليثوم في الجدول الدوري بسبب تشابه الخصائص بينهم، ويُستخدم هذا العنصر في الخلايا الضوئيّة والأنانيب الإلكترونيّة.
كيف استفاد الجيولوجيين من العناصر المشعة
يستخدم الجيولوجيين وعلماء البيئة النظائر المشعة لتحديد عمر الصخور والحفريات الاثرية وبقايا النباتات، تستند الطريقة على ان النظائر تتحلل بمعدل ثابت.
من أشهر النظائر هو عنصر الكربون-14، ينتج هذا العنصر عندما تصطدم النيوترونات بالنيتروجين ليحل محل بروتون في نواة النيتروجين ويحوله إلى كربون -14، تقدر فترة نصف العمر لهذا النظير 5,730 سنة لذلك يستخدم كساعة بيولوجية لتعيين أعمار المواد العضوية التي يقدر عمرها ب 45000 سنة.
عند تكون كربون-14 فانه يختلط مع ثاني أكسيد الكربون الموجود بالهواء الجوي حتى يصل إلى النباتات والحيوانات. بطبيعة الحال يوجد بعض الكربون المشع وغير المشع في الكائنات الحية فبعد موت كائن ما تنخفض نسبة الكربون المشع تدريجيا و بقياس كمية النشاط الإشعاعي المتبقية في الكائن الحي يمكن تقدير نسبة الكربون-14 لحساب زمن الوفاة.
فعلى سبيل المثال إذا وجد عينة من الخشب تحتوي على نسبة كربون-14 تقدر بالنصف فان العمر المتوقع لعينة الخشب يساوي 5,730 سنة.
باستخدام احدى الطرق الاشعاعية وجد ان عمر مومياء مصرية يقدر بحوالي 2050 سنة وذلك من خلال عينة من القماش المحاط بها. ويوافق ان هذا الزمن عمر الاهرامات وفقا لحسابات المؤرخين.
اما عند الحاجة لتقدير عمر المواد غير عضوية مثل الاحافير والصخور وطبقات الأرض فإنه يستلزم استخدام عنصر ذو فترة عمرة نصف كبيرة، وفي هذه الحالة ساعة البوتاسيوم – أرجون هي الأنسب فتقدر فترة عمر النصف 1.25 مليار سنة، كما انه يقدر العمر بدقة حتى ولو كانت العينة صغيرة.
تستند ساعة البوتاسيوم – أرجون على تقدير نسبة البوتاسيوم الى غاز الأرجون الناتج عن تحلله عن طريق انبعاثات جسيمات بيتا.
استخدامات النظائر المشعة في البيئة
مقتطفات البيئية التتبعات المشعة (أو أجهزة الاستشعار الإشعاعية) هي مركبات كيميائية فيها ذرة واحدة أو أكثر من النظائر المشعة . تعتبر أجهزة الاستشعار الإشعاعي واحدة من عدد من أجهزة التتبع البيئية التي يمكن استخدامها ، ولكنها تلعب دورًا مهمًا في اكتشاف وتحليل الملوثات نظرًا لأنه يمكن بسهولة اكتشاف كميات صغيرة جدًا من النظائر المشعة ، ويعني انحسار النظائر قصيرة العمر بقايا تبقى في البيئة . يستخدم أخصائيو الهيدرولوجيا أجهزة الاستشعار الإشعاعية لتحديد مرور وسرعة الملوثات التي تتحرك عبر المياه الجوفية لتقييم مستوى الضعف .
استخدام وتأثير النظائر المشعة في المياة
المياه الصالحة للشرب ضرورية للحياة . ومع ذلك ، كانت المياه العذبة في كثير من أنحاء العالم شحيحة ، وفي مناطق أخرى أصبحت هذه المياه نادرة . من أجل أي تطور جديد ، سواء كان مستوطنة زراعية أو صناعية أو إنسانية ، فإن توفير مياه نقية مستدامة أمر حيوي .
الهيدرولوجيا النظائر تستخدم التباين الطبيعي في تكوين الموارد المائية . مصدر معين للمياه سيكون له بصمة أو تركيبة نظرية معينة . قد تكون النظائر الموجودة داخل المصدر طبيعية أو اصطناعية ، وقد تكون مستقرة أو غير مستقرة . تستخدم النظائر المشعة لتحديد عمر الماء ، بينما يمكن استخدام النظائر المستقرة لتحديد تاريخ المصدر ، وظروف هطول الأمطار ، وخصائص الخلط التفاعل في المسطحات المائية ذات الصلة ، وعمليات التلوث ، وعمليات التبخر . تسمح النتائج بالتخطيط والإدارة المستدامة لهذه الموارد المائية . بالنسبة للمياه السطحية ، يمكنهم تقديم معلومات حول التسربات عبر السدود وقنوات الري ، وديناميات البحيرات والخزانات ، ومعدلات التدفق ، وتصريف الأنهار ، ومعدلات الترسيب . تستطيع مجسات النيوترون قياس رطوبة التربة بدقة شديدة ، مما يتيح إدارة أفضل للأراضي المتأثرة بالملوحة ، خاصة فيما يتعلق بالري .
استخدامات النظائر المشعة في البيئة
الكربون 14 (C-14) هو نظير مشع لعنصر الكربون وينتج في الجو العلوي بالإشعاع الصادر من الشمس . يتم دمجها في النباتات من خلال التمثيل الضوئي وفي المياه الجوفية عن طريق التفاعلات بين مياه التغذية وثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي أثناء إعادة شحن المياه . عندما تموت النباتات أو الحيوانات ، لا يتم تبادلها مع البيئة وتبدأ في الاضمحلال بمرور الوقت .
تأثير النظائر المشعة على التلوث البيئي
تستخدم تقنيات النظائر المشعة بشكل مختلف للسيطرة على التلوث البيئي . توصف التطورات والاتجاهات الحالية في اليابان في تحليل العناصر البيئية مثل الهواء والماء على النحو التالي ، تحليل محتوى الكبريت في الوقود باستخدام RIs ، تحليل كروماتوجرافي بالغاز ECD ، تحليل تألق طاقة الأشعة السينية من نوع تشتت الطاقة ، وتفعيلها . يتم استخدام مقياس الكبريت RI بشكل متزايد بسبب سهولة التشغيل والتشغيل السريع والدقة ، ولكن أيضًا مع بعض المشاكل . ECD الغاز اللوني يجد تطبيقه على الضباب الدخاني الكيميائي الضوئي .
في تحليل مضان الأشعة السينية ، تستخدم النظائر المشعة المختومة بدلاً من أنابيب الأشعة السينية . يعتبر تحليل التفعيل الفعال للغبار العائم في الغلاف الجوي فعال للغاية . يعد تحليل تنشيط المياه الملوثة أمرًا مرغوبًا فيه ، ولكن المعالجة المسبقة ضرورية لتسهيل الإشعاع .
علل تسمى العناصر المشعة بالمتتبعات
إنتاج النظائر المشعة
المفاعلات ومولدات النيوترونات
تتكون النظائر المشعة عند التشعيع بالنيوترونات من خلال التفاعل المعروف باسم تفاعل الأسر النيوتروني حيث تأسر النواة المستقرة ( النواة الهدف ) أحد النيوترونات الساقطة عليها فتتكون نواة النظير الجديد .
ومن امثلة هذا التفاعل أسر نواة الصوديوم 23 المستقر للنيوترون وتكون الصوديوم 24 المشع , وأسر نواة الفسفور 31 المستقر للنيوترون مكونة نواة الفسفور 32 المشع , وكذلك أسر نواة الكوبلت 59 المستقرة للنيوترون وتكون الكوبلت 60 المشع .
ويتم إنتاج عدة مئات من النظائر المشعة المختلفة بالتشعيع النيوتروني لنظائر مستقرة . ومن أمثلة النظائر المنتجة بهذا الأسلوب ( الصوديوم 24 , الفسفور 32 , الكروم 51 , الكوبلت 60 , البروم 82 , الفضة 111 , اليود 125 , اليود 131 , الزئبق 197 الذهب 198 ) وغيرها .
كذلك تستخدم التفاعلات النووية المستحثة بالنيوترونات والتي تنطلق عنها جسيمات مشحونة مثل البروتونات أو جسيمات ألفا أو غيرها في الحصول على العديد من النظائر المشعة . ومن الأمثلة على ذلك تجهيز نظير الصوديوم 24 المشع نتيجة قصف المغنيسيوم 24 بالنيوترونات وأسرها وانطلاق البروتون طبقاً للتفاعل الآتي :
مغنيسيوم 24 + نيوترون ———–> صوديوم 24 + بروتون
وتنتج عشرات النظائر المشعة باستخدام التفاعلات النووية المستحثة بالنيوترونات والتي تنتج عنها انطلاق جسيمات مشحونة .
وفضلاً عن ذلك يستخدم التفاعل الإنشطاري للحصول على عدد من النظائر المشعة . فعند تعرض المواد الإنشطارية أو القابلة للإنشطار للنيوترونات تنشطر المادة الإنشطارية أو القابلة للإنشطار تحت ظروف معينة الى نواتين جديدتين متوسطتي الكتلة . ويتم إنتاج عدد من النظائر المشعة نتيجة لانشطار نوى اليورانيوم والثوريوم بالنيوترونات . ومن أمثلة النظائر المنتجة بهذا الأسلوب ( المولبيبدينيوم 99 , الفضة 111 ) وغيرها .
وتعد مفاعلات الأبحاث متوسطة القدرة والتي يتراوح الفيض النيوتروني فيها بين (100000000000 و 100000000000000 نيوترون/ سم2. ثانية) من أنسب المفاعلات لإنتاج معظم النظائر المشعة من خلال التشعيع النيوتروني .
وتعد المفاعلات من نوع البركة السابحة ( Swimming Pool Reactors )
والمفاعلات المشابهة من أكثر المفاعلات ملاءمة لإنتاج النظائر حيث تتميز تلك المفاعلات بسهولة عمليات إدخال وإخراج العينات الخاضعة للتشعيع وبالتالي سهولة التحكم في زمن التشعيع الذي يعد من العناصر الهامة في عملية إنتاج النظائر . إلا أنه في حالة انتاج النظائر المشعة ذات النشاط النوعي المرتفع اللازمة لعمليات التعقيم والعلاج وبعض الأغراض الصناعية الأخرى فإن الأمر يتطلب وجود مفاعلات يصل فيها الفيض النيوتروني الى (1000000000000000 نيوترون/ سم2. ثانية) بل وأكثر من ذلك .
وفي بعض الأحيان تستخدم مولدات النيوترونات بدلاً من المفاعلات كمصدر للنيوترونات , وتعطي المولدات عدداً من النيوترونات يصل الى حوالي ( 10000000000 – 100000000000نيوترون/ ثاتية ) لذا فإنه يمكن استخدام هذه المولدات في تشعيع النظائر المستقرة التي تتميز بمقطع عرضي كبير للتفاعل . ومعنى المقطع العرضي للتفاعل هو احتمال حدوث هذا التفاعل عند سقوط جسيم واحد على نواة هدف واحدة موجودة في وحدة المساحة .
المعجلات
تنتج العديد من النظائر المشعة بقصف النظائر المستقرة بحزمة من الجسيمات المشحونة المسرعة في المعجلات النووية لطاقة تتراوح ما بين 10 الى 40 م.أ.ف تبعاً لنوع النظير وللمقطع العرضي للتفاعل المعين .
ويعد معجل السيكلوترون متغير الطاقة من أنسب المعجلات لإنتاج أكبر عدد من النظائر المشعة باستخدام عملية قصف النظائر المستقرة بالجسيمات المشحونة . ولزيادة معدل الإنتاج ينبغي أن يتميز المعجل بتيار كبير من الجسيمات المشحونة بحيث يصل الى حوالي 100 ميكرو أمبير بل ويزيد وذلك لإمكانية الحصول على النظائر التي تتميز المقاطع العرضية المؤدية لها بقيم صغيرة .
وتجدر الإشارة الى أنه يمكن إنتاج مئات العينات من نفس النظير أو من النظائر المختلفة في آن واحد داخل المفاعل وذلك بوضع جميع العينات المراد تشعيعها داخل المفاعل في نفس الوقت . إلا أنه بالنسبة للمعجلات لا يوجد سوى حزمة واحدة من الجسيمات المعجلة يتم توجيهها للنظير المستقر المطلوب تحضير نظير مشع منه .
يندر استخدام النظائر المشعة المنتجة على المعجلات إلا في حالات الضرورة كعدم ملاءمة الخصائص النووية للنظير المنتج في المفاعل للدراسة أوعدم إمكانية أنتاج النظير المطلوب في المفاعل أو بُعد المفاعل عن المكان الذي سوف يستخدم فيه النظير المشع خاصة إذا كان النظير من النوع ذي العمر النصفي القصير .
ومن النظائر التي تنتج باستخدام المعجلات ( الصوديوم 22 , المنجنيز 52 , الكوبلت 57 , الزنك 65 , الجاليوم 67 )
مراحل إنتاج النظائر
تمر عملية إنتاج النظائر بمراحل عديدة . وتعني المرحلة الاولى بإعداد النظير المستقر المطلوب تشعيعه بحيث يكون على درجة عالية من النقاوة . ويعبأ النظير سواء كان في شكل منفرد أو في شكل مركب كيميائي داخل وعاء التشعيع الذي ينبغي أن يستوفي بعض المتطلبات , ويوفر وصول الجسيمات فيه المساهمة في التفاعل الى النظير المستقر الموجود داخله .
وتتم بعد ذلك عملية التشعيع سواء في المفاعل أو على المعجل وتستمر لفترات متفاوتة تفاوتاً كبيراً تبعاً لنوع النظير وللمقطع العرضي للتفاعل وللنشاط الإشعاعي اللازم . وقد تستمر عملية التشعيع لدقائق محدودة كما قد تمتد لعدة أيام بل لعشرات الأيام .
وبعد التشعيع داخل المفاعل أو على المعجل تبدأ مرحلة المعالجات المختلفة للنظير المشع . وتتضمن هذه المرحلة عمليات فصل النظير المشع عن النظير المستقر الذي تبقى بعد التشعيع أو عن النظائر الأخرى التي تتكون كعمليات جانبية . ويتم في نهاية هذه المرحلة الحصول على النظير المشع المطلوب في الصورة الكيميائية المناسبة للإستخدام للغرض المعين وبالنقاوة المطلوبة . وقد يتطلب الأمر إجراء بعض عمليات التعقيم للنظير المشع في الحالات التي يستخدم فيها النظير داخلياً للأغراض الطبية . وفي نهاية المرحلة تجرى العمليات الخاصة باختيار جودة المنتج وتحديد مدى صلاحيته للإستخدام وتحديد الشدة الإشعاعية النوعية له وتعبئته في العبوات الملائمة ووضعه داخل الدروع الإشعاعية الواقية وغير ذلك من الأعمال الأخرى .
وهكذا فإنه لتنفيذ برنامج متكامل لإنتاج النظائر المشعة يتطلب الأمر توفر قاعدة تقنية تقوم على مفاعل أبحاث متوسط القدره ومعجل متغير الطاقة للجسيمات المشحونة تصل طاقته الى حوالي ( 30 – 40 م .إ.ف ) ويصل تيار حزمة الجسيمات فيه الى حوالي 100 ميكرو أمبير .
وفضلاً عن ذلك يتطلب الأمر توفر بعض الوحدات الرئيسة الأخرى التي تعني بإعداد المادة المطلوب تشعيعها وتنفيذ عمليات الفصل والمعالجات الكيميائية والتقنية وإجراء اختبارات الجودة والصلاحية وإجراء القياسات الإشعاعية وتنفيذ الدروع وغير ذلك من الأعمال المرتبطة بالإنتاج .
العناصر المشعة PDF