شارح الدرس: النشاط الإشعاعي الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نشرح مفهوم النشاط الإشعاعي.

في عام 1896، كان العالم الفرنسي هنري بيكريل يدرس اليورانيوم وَصِلته المحتمَلة بالأشعة السينية المكتشَفة حديثًا. افترضَ بيكريل أن اليورانيوم يمتص أشعة الشمس ويُطلِقها في صورة أشعة سينية. ولاختبار هذه النظرية، لَفَّ ورقة تصوير فوتوجرافي في ورقة سوداء، ووضع أملاح اليورانيوم عليها، وعرَّضها لضوء الشمس. عند تحميض ورقة التصوير الفوتوجرافي، أمكن لبيكريل رؤية حواف بلورات اليورانيوم بوضوح. بعد ذلك حاول وضع أجسام بين الورقة والبلورات، وعندما انتهت الورقة من التحميض، كانت حواف الأجسام مرئية.

بدا أن التجربة تدعم افتراضات بيكريل، لكنه واصل إجراء المزيد من التجارب. وفي نهاية شهر فبراير من العام نفسه، كانت سماء باريس غائمة لعدة أيام. وضع بيكريل ورق التصوير الفوتوجرافي واليورانيوم في درج مكتبه، وانتظر قدوم يوم مشمس. وبعد عدة أيام، قرَّر المضي قدمًا وتحميض الورق متوقِّعًا أن يرى صورة باهتة للغاية. ولكنه تفاجأ بأن الصورة كانت بنفس درجة الوضوح عندما عُرِّض اليورانيوم لضوء الشمس. وهو ما دفع بيكريل إلى افتراض أن اليورانيوم أنتج أشعةً دون تعرُّضه لضوء الشمس.

وأثبت بحثه المتواصل أن لهذه الأشعة سلوكًا مختلفًا عن الأشعة السينية. كما أثبت أن هذه الأشعة يمكن أن تتسبَّب في تفريغ جسيمات كهربية في عملية تُعرَف الآن باسم التأيين.

في عام 1898، واصلت ماري كوري، طالبة الدكتوراه تحت إشراف بيكريل، مع زوجها بيير دراسة اليورانيوم، واكتشفا أن عنصرَي البولونيوم والراديوم يُنتجان أشعة أيضًا. وصاغت ماري كوري مصطلح «النشاط الإشعاعي» لوصف الانبعاث التلقائي للجسيمات أو الإشعاع أو هما معًا.

تعريف: النشاط الإشعاعي

النشاط الإشعاعي خاصية للمادة التي تُظهِر انبعاثًا تلقائيًّا للجسيمات أو الإشعاع أو هما معًا.

أدَّت الدراسات المكثَّفة التي أجراها إرنست رذرفورد وبول فيلارد حول القدرة على الاختراق (القدرة على الحركة عبر وسط ما) وسلوك الانبعاث الإشعاعي في المجالات الكهربية والمغناطيسية؛ إلى اكتشاف إشعاعات ألفا وبيتا وجاما.

يتكوَّن إشعاع ألفا، الذي يُسمَّى أيضًا جسيمات ألفا أو أشعة ألفا، من جسيمات سريعة الحركة، يتكوَّن كلٌّ منها من بروتونين ونيوترونين. وتبلغ كتلة جسيم ألفا 4 وحدات كتلة ذرية، وتبلغ شحنته الصافية 2+. ويمكن تمثيل جسيمات ألفا بالحرف اليوناني 𝛼 أو ترميز النيوكليد 42He؛ لأن جسيم ألفا له نفس تركيب نواة ذرة الهليوم.

عند انتقال إشعاع ألفا في مجال كهربي أو مغناطيسي، فإنه يتنافر مع الجانب الموجب الشحنة للمجال، ويتجاذب مع الجانب السالب الشحنة للمجال لكونه جسيمات موجبة الشحنة.

ونظرًا لحجم جسيمات ألفا، تكون ضعيفة القدرة على الاختراق، ويمكن إيقافها بواسطة الجلد، أو قطعة من الورق، أو نحو 10 سنتيمترات من الهواء.

يتكوَّن إشعاع بيتا، الذي يُسمَّى أيضًا جسيمات بيتا أو أشعة بيتا، من إلكترونات أو بوزيترونات عالية الطاقة. وتتحرَّك هذه الجسيمات العالية الطاقة أسرع بكثير من جسيمات ألفا، ولها كتلة تقريبية تساوي 11800 وحدة كتلة ذرية. وللإلكترونات المنبعثة باعتبارها إشعاع بيتا شحنة صافية سالبة، ويمكن تمثيلها بالحرف اليوناني 𝛽 أو ترميز النيوكليد 01e، وهو ترميز الإلكترون.

ولأن جسيمات 𝛽 يمكن أن تكون سالبة الشحنة، فإن هذا النوع من إشعاعات بيتا، عندما يُمرَّر عبر مجال كهربي أو مغناطيسي، يتنافر مع الجانب السالب الشحنة للمجال، ويتجاذب مع الجانب الموجب الشحنة للمجال. وتنحرف جسيمات بيتا بقوة أكثر من جسيمات ألفا عند تعرُّضها للمجال.

جسيمات بيتا أصغر بكثير من جسيمات ألفا؛ ومن ثَمَّ، فلها قدرة أكبر على الاختراق. يمكن أن يخترق إشعاع بيتا الجلد والورق، لكن يمكن إيقافه باستخدام لوح رقيق من الألومنيوم.

إشعاع جاما، أو أشعة جاما، موجةٌ كهرومغناطيسية عالية التردد تنتقل بسرعة الضوء. وإشعاع جاما ليس له كتلة ولا شحنة؛ لأنه لا يتكوَّن من جسيمات. ويمكن تمثيل إشعاع جاما بالحرف اليوناني 𝛾 أو ترميز النيوكليد 00𝛾.

وبما أن إشعاع جاما ليس له شحنة، فإنه لا يتأثَّر بالمجالات الكهربية والمغناطيسية.

بما أن إشعاع جاما ليس له كتلة وينتقل في صورة موجة من الطاقة الكهرومغناطيسية، فإن له أكبر قدرة على الاختراق. فيمكنه اختراق الألومنيوم وأغلب المواد الأخرى. ولحجب إشعاع جاما، غالبًا ما تُستخدَم ألواح رصاص بسُمك يصل إلى بضعة سنتيمترات، أو كتلة من الأسمنت بسُمك متر أو أكثر. لكن حتى هذه المواد قد لا تستطيع امتصاص جميع إشعاعات جاما التي تمر عبرها.

مثال ١: تحديد قدرة إشعاع مؤين على الاختراق

تتناول الأسئلة الآتية قدرة الأنواع المختلفة للإشعاع المؤين على اختراق مواد مختلفة.

  1. أيُّ نوع من أنواع الإشعاع المؤين يُمكِنه اختراق الألومنيوم، ولكن لا يمكنه اختراق كميات كبيرة من الأسمنت أو بضعة سنتيمترات من الرصاص؟
    1. جُسيمات 𝛽
    2. جُسيمات 𝛼
    3. أشعة 𝛾
  2. أيُّ نوع من أنواع الإشعاع المؤين يُمكِنه اختراق الورق، ولكن لا يمكنه اختراق أوراق الألومنيوم؟
    1. جُسيمات 𝛽
    2. جُسيمات 𝛼
    3. أشعة 𝛾
  3. أيُّ نوع من أنواع الإشعاع المؤين يُمكِن إيقافه بيد الإنسان؟
    1. جُسيمات 𝛽
    2. جُسيمات 𝛼
    3. أشعة 𝛾

الحل

الجزء الأول

الأنواع الثلاثة الأساسية للإشعاع المؤين هي جسيمات ألفا (𝛼)، وجسيمات بيتا (𝛽)، وأشعة جاما (𝛾). لجسيمات ألفا كتلة أكبر من جسيمات بيتا. أما أشعة جاما فموجات كهرومغناطيسية؛ ومن ثَمَّ ليست لها كتلة. وبما أن جسيمات ألفا لها أكبر كتلة، فإن قدرتها على الاختراق هي الأضعف. وبما أن أشعة جاما لا كتلة لها، فإن قدرتها على الاختراق هي الأكبر. تتوسَّط كتلة جسيمات بيتا جسيمات ألفا وأشعة جاما. ولذا، فإن قدرة جسيم بيتا على الاختراق أكبر من قدرة جسيم ألفا، ولكن أقل من قدرة أشعة جاما.

وبالنسبة إلى الحجب، فيمكن إيقاف جسيمات ألفا باستخدام قطعة من الورق أو الجلد، ويمكن إيقاف جسيمات بيتا باستخدام لوح رقيق من الألومنيوم، ويمكن إيقاف أشعة جاما إلى حدٍّ كبير باستخدام الرصاص أو الأسمنت السميك.

من ثَمَّ، فإن نوع الإشعاع المؤين الذي يُمكِنه اختراق الألومنيوم، ولكن لا يمكنه اختراق كميات كبيرة من الأسمنت أو بضعة سنتيمترات من الرصاص، هو أشعة 𝛾. إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار (ج).

الجزء الثاني

نوع الإشعاع المؤين الذي يمكنه اختراق الورق، ولكن لا يمكنه اختراق أوراق الألومنيوم، هو جسيمات 𝛽. إذن الإجابة الصحيحة هي (أ).

الجزء الثالث

نوع الإشعاع المؤين الذي يمكن إيقافه بيد الإنسان هو جسيمات 𝛼. إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار (ب).

مثال ٢: تمثيل إشعاع مؤين باستخدام ترميز النيوكليد

يُستخدَم ترميز النيوكليد لتمثيل أنواع مُختلِفة من الإشعاع المؤين. ما نوع الإشعاع المؤين الذي يُمثِّله ترميز النيوكليد 42He؟

  1. أشعة جاما
  2. جُسيمات بيتا
  3. الأشعة السينية
  4. جُسيمات ألفا

الحل

في ترميز النيوكليد، تمثِّل القيمة الموجودة أعلى اليسار العدد الكتلي، وتمثِّل القيمة الموجودة أسفل اليسار العدد الذري. والعدد الذري هو عدد البروتونات. ومن ثَمَّ، فإن هذا النوع من الإشعاع المؤين لا بد أن يتكوَّن من بروتونين. تذكَّر أن العدد الكتلي هو مجموع عدد البروتونات والنيوترونات: داوتداوتادا+=2+𝑁=4𝑁=2.

ومن ثَمَّ، فهذا النوع من الإشعاع المؤين لا بد أن يتكوَّن من بروتونين. إن نوع الإشعاع الذي يتكوَّن من بروتونين ونيوترونين هو جسيم ألفا. إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار (د).

قد يكون الإشعاع مؤينًا أو غير مؤين. والإشعاع المؤين إشعاع له طاقة كافية لنزع الإلكترونات من الذرات.

تعريف: الإشعاع المؤين

الإشعاع المؤين إشعاع له طاقة كافية لنزع الإلكترونات من الذرات.

تعريف: الإشعاع غير المؤين

الإشعاع غير المؤين إشعاع ليس له طاقة كافية لنزع الإلكترونات من الذرات.

يوضِّح الشكل الآتي الطيف الكهرومغناطيسي مُقسَّمًا إلى إشعاع مؤين وغير مؤين. تُعَد جسيمات ألفا، وجسيمات بيتا، والنيوترونات، والأشعة الكونية، وهي مجموعة من الجسيمات العالية الطاقة، صورًا من الإشعاع المؤين.

مثال ٣: التعرُّف على مثال للإشعاع المؤين

أيٌّ من الآتي مثال للإشعاع المؤين؟

  1. الأشعة تحت الحمراء
  2. الأشعة الكونية
  3. أشعة الضوء
  4. الأشعة الميكروية
  5. الموجات الراديوية

الحل

الإشعاع المؤين إشعاع له طاقة كافية لنزع الإلكترونات من الذرات. وبالنظر إلى الطيف الكهرومغناطيسي، يمكننا تقسيم الإشعاع إلى إشعاع مؤين وإشعاع غير مؤين في نطاق الأشعة فوق البنفسجية.

إضافةً إلى ذلك، فإن بعض أنواع إشعاع الجسيمات يكون مؤينًا. وهذا يشمل جسيمات ألفا وجسيمات بيتا والنيوترونات والأشعة الكونية. يمكننا أن نرى في مخطط الطيف الكهرومغناطيسي أن الأشعة تحت الحمراء، والضوء المرئي، والأشعة الميكروية، والموجات الراديوية، لها طاقة أقل من الأشعة فوق البنفسجية، وأنها غير مؤينة. أما الأشعة الكونية فتحتوي على بروتونات ونوى ذرية عالية الطاقة يمكنها نزع الإلكترونات من الذرات. ومن ثَمَّ، فالخيار (ب) يوضِّح مثالًا على الإشعاع المؤين.

الإشعاع المؤين يضر بالأنظمة الحيوية. يمكن للإشعاع العالي الطاقة أن يكسر الروابط في جزيئات مهمة للوظائف الخلوية، أو أن يؤين جزيئات الماء التي يمكن أن تواصل التفاعل مع الحمض النووي أو البروتينات أو الإنزيمات. أما الإشعاع غير المؤين فليس له طاقة كافية للتسبُّب في النوع نفسه من التلف الخلوي، لكن يمكنه أن يُسبِّب حروقًا. وبناءً على مقدار طاقة الإشعاع المؤين وطول مدة التعرُّض له، قد تتمكَّن الخلايا من إصلاح نفسها، أو تموت على الفور، أو تصبح غير قادرة على التضاعف، أو تتحوَّر إلى خلايا سرطانية.

مثال ٤: فهم السبب وراء عدم تسبُّب الإشعاع غير المؤين في إحداث تلف خلوي دائم

في العموم، لماذا لا يُسبِّب الإشعاع غير المؤين تلفًا دائمًا للخلايا الحية؟

  1. يمُرُّ الإشعاع غير المؤين في اتجاه مستقيم عَبْرَ العُضَيَّات الحية.
  2. يتحرَّك الإشعاع غير المؤين مسافات قصيرة فقط.
  3. ليس للإشعاع غير المؤين طاقة كافية لتلف الخلايا.
  4. لا يستطيع الإشعاع غير المؤين اختراق الخلايا الحية.
  5. تعرُّض الخلايا للإشعاع غير المؤين بسيط.

الحل

بالنظر إلى الطيف الكهرومغناطيسي، يمكننا تقسيم الإشعاع إلى إشعاع مؤين وغير مؤين في نطاق الأشعة فوق البنفسجية.

يشمل الإشعاع المؤين أيضًا إشعاع جسيمات ألفا وبيتا والنيوترونات. للإشعاع المؤين أطوال موجية قصيرة، وتردد عالٍ، وطاقة عالية، في حين أن للإشعاع غير المؤين أطوال موجية طويلة، وتردد منخفض، وطاقة منخفضة. ويمكن للطاقة العالية للإشعاع المؤين أن تكسر الروابط في الجزيئات في الخلية، أو أن تؤين هذه الجزيئات. وغالبًا ما يكون التلف الناتج عن تعرُّض الخلية للإشعاع المؤين تلفًا دائمًا. أما الإشعاع غير المؤين فليس له طاقة كافية لكسر الروابط في الجزيئات أو تأيين الجزيئات في الخلية. وعند التعرُّض للإشعاع غير المؤين، قد يؤدي ذلك إلى تسخين موضعي للأنسجة وحروق محتملة، لكنه لا يُسبِّب تلفًا دائمًا للخلية. ولذا في العموم، لا يُسبِّب الإشعاع غير المؤين تلفًا دائمًا للخلايا الحية؛ لأنه ليس له طاقة كافية لإتلاف الخلايا. إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار (ج).

إشعاع ألفا هو الإشعاع الأكثر تأيينًا من بين أنواع الإشعاع الثلاثة الرئيسية. ويتكوَّن إشعاع ألفا من جسيمات كبيرة لها حركة بطيئة نسبيًّا، وشحنة موجبة تعمل على نزع الإلكترونات من الذرات المحيطة بسرعة. ويحدث التأيين الناتج من جسيمات ألفا من مسافة قصيرة جدًّا. وهذا يعني أن إشعاع ألفا سيسبِّب تلفًا كبيرًا في منطقة مركَّزة من أي نظام حيوي. ولحسن الحظ، نظرًا لأن إشعاع ألفا يمكن إيقافه بالجلد، فهو لا يُسبِّب مشاكل صحية في العموم إلا في حالة استنشاقه أو بلعه.

بصفةٍ عامة، لجسيمات بيتا طاقة أكبر من جسيمات ألفا، لكنها أصغر حجمًا ولها نصف مقدار الشحنة. وتؤين جسيمات بيتا الذرات بالفعل، لكنها تؤين ذرات أقل على مسافة أكبر مقارنةً بجسيمات ألفا.

إشعاع جاما عبارة عن موجات كهرومغناطيسية عالية الطاقة. وإشعاع جاما ليس مشحونًا، لكن يمكنه نقل طاقته للإلكترون، وهو ما يؤدي إلى انبعاث الإلكترون من الذرة. وبما أن إشعاع جاما يتحرَّك أسرع من إشعاعَي ألفا وبيتا، فإنه يقضي وقتًا أقل منهما ملامِسًا للأنسجة الحيوية، وهو أقل الأنواع الرئيسية للإشعاع تأيينًا. ومع ذلك، فإن التعرُّض إلى إشعاع جاما يُعَد أخطر المشاكل الخارجية التي تهدِّد صحة الإنسان؛ لقدرتها على اختراق الجسم.

يلخِّص الجدول الآتي المعلومات التي تناولناها حتى الآن.

اسم الإشعاعألفابيتاجاما
نوع الإشعاعجسيمجسيمموجة كهرومغناطيسية
الرمز𝛼𝛽𝛾
ترميز النيوكليد42He01e00𝛾
الانحراف في المجالينحرف في اتجاه الجانب السالب الشحنة للمجال- ينحرف في اتجاه الجانب الموجب الشحنة للمجال
- ينحرف بدرجة أكبر من إشعاع ألفا
لا ينحرف
القدرة على الاختراقيُوقفه الجلد أو قطعة من الورقيُوقفه لوح رقيق من الألومنيومتُوقفه إلى حدٍّ كبير عدة سنتيمترات من الرصاص أو الأسمنت السميك
السرعة النسبيةبطيئةأسرع من ألفا وأبطأ من جاماسريعة
القدرة النسبية على التأيين مرتفعةأضعف من ألفا وأقوى من جامامنخفضة

إننا نتعرَّض للإشعاع المؤين يوميًّا؛ سواء من مصادر طبيعية أو صناعية كالراديوم في الهواء والتربة، والأشعة الكونية، والبوتاسيوم-40 في الموز. لذا، فإن تعرُّضنا اليومي للإشعاع المؤين لا يشكِّل خطرًا كبيرًا. ومع ذلك، فإن زيادة التعرُّض لها قد تؤدي إلى إصابات إشعاعية مؤينة يمكن أن تتضح بسرعة أو على مدار أكثر من سنة. وقد تشمل هذه الإصابات، التي يُشار إليها عادةً بالأمراض الإشعاعية، الحروق والغثيان وفقدان الشعر والقرحة. وقد يؤدي التعرُّض الشديد للإشعاع أيضًا إلى زيادة العدوى البكتيرية والسرطان والموت المبكر.

اكتشف العلماء عدة طرق للاستفادة من الإشعاع المؤين. فمثلًا، يوجد الأمريسيوم-141، وهو مصدر لجسيمات ألفا، في أجهزة الكشف عن الدخان. تؤين جسيمات ألفا الهواء المحيط. سيؤدي أي تغيُّر في كمية التأيين بسبب وجود دخان إلى إطلاق جرس إنذار. كما يمكن تعريض الأغذية لإشعاع جاما والأشعة السينية لإطالة عمرها الافتراضي والقضاء على العضيات الحية، مثل «السالمونيلا» و«الإشريكية القولونية»، التي تسبِّب الإصابة بالأمراض المنقولة بالأغذية.

وفي المستشفيات، يمكن استخدام إشعاع جاما والأشعة السينية في تعقيم الأدوات، واستخدامها في أجهزة الأشعة السينية، وأجهزة الأشعة المقطعية، وأجهزة التصوير المقطعي بالانبعاث البوزيتروني؛ للحصول على صور مفصلة لجسم الإنسان. ويمكن أيضًا إعطاء المريض كميات صغيرة من نظائر مشعة تُسمَّى المتتبعات المشعة. تتراكم هذه المتتبعات المشعة المحدَّدة المُعطاة للمريض في منطقة معيَّنة من الجسم، وتبعث إشعاعًا يمكن اكتشافه لإصدار صور أكثر تفصيلًا. كما يمكن استخدام النظائر المشعة في العلاج. يُعطى اليود-131 عادةً باعتباره علاجًا لسرطان الغدة الدرقية. تمتص الغدة الدرقية اليود الذي يبعث إشعاعات بيتا وجاما يمكنها إتلاف خلايا الغدة الدرقية القريبة.

مثال ٥: التعرُّف على التطبيقات العملية للإشعاع المؤين

الإشعاع المؤين له العديد من الاستخدامات العملية. أيُّ الأجهزة أو العمليات الآتية لا يُستخدَم فيها الإشعاع المؤين؟

  1. أجهزة الكشف عن الدخان
  2. التصوير الطبي
  3. أجهزة الرادار
  4. تعقيم الأدوات الطبية
  5. حفظ الأغذية بالإشعاع

الحل

يوجد الأمريسيوم-241، وهو مصدر لجسيمات ألفا، في أجهزة الكشف عن الدخان عادةً. وتُستخدَم الأشعة السينية وأشعة جاما والمتتبعات المشعة عادةً في التصوير الطبي. ويُعَد الرادار نظامًا للكشف يَستخدم الموجات الراديوية. ويمكن تعقيم الأدوات الجراحية وتعريض الأغذية للإشعاع باستخدام أشعة جاما أو الأشعة السينية.

بالنظر إلى الطيف الكهرومغناطيسي، يمكننا تقسيم الإشعاع إلى إشعاع مؤين وغير مؤين في نطاق الأشعة فوق البنفسجية.

يمكننا أن نلاحظ أن أشعة جاما والأشعة السينية نوعان من الإشعاع المؤين، في حين أن الموجات الراديوية نوع من الإشعاع غير المؤين. كما يشمل الإشعاع المؤين إشعاعات جسيمات ألفا وبيتا والنيوترونات. ولذا، فالتطبيق الوحيد الذي لا يَستخدم الإشعاع المؤين هو الرادار. إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار (ج).

النقاط الرئيسية

  • اكتشف هنري بيكريل أن الذرات يمكن أن تبعث أشعة تلقائيًّا.
  • صاغت ماري كوري مصطلح «النشاط الإشعاعي» لوصف قدرة الذرة على بعث إشعاع.
  • الأنواع الثلاثة الرئيسية للإشعاع هي ألفا وبيتا وجاما.
  • قد يكون الإشعاع مؤينًا أو غير مؤين.
  • يمكن أن يُتلِف الإشعاع المؤين الخلية تلفًا دائمًا أو يُميتها.
  • يمكن استخدام الإشعاع المؤين بأمان في أجهزة الكشف عن الدخان، أو في حفظ الأغذية عن طريق تعريضها للإشعاع، أو في إجراءات وعلاجات طبية متنوعة.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.