شارح الدرس: النشاط الإشعاعي الكيمياء • الصف الأول الثانوي

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

في عام 1896، كان العالم الفرنسي هنري بيكريل يُجري أبحاثه على اليورانيوم وصلته المحتملة بالأشعة السينية المكتشفة حديثًا. افترض بيكريل أن اليورانيوم قد يمتص ضوء الشمس ويُطلِقه في صورة أشعة سينية. ولاختبار هذه الفرضية، استخدم بيكريل أوراقًا سوداء ولف بها لوحة تصوير فوتوغرافي، ونثر فوقها أملاح اليورانيوم، ثم عرَّضها لضوء الشمس. عندما تحمَّضت لوحة التصوير الفوتوغرافي، أمكن لبيكريل رؤية الشكل الخارجي لبلورات اليورانيوم بوضوح. جرَّب بيكريل وضع أجسام بين اللوحة والبلورات، وعندما تحمَّضت اللوحة، استطاع رؤية الشكل الخارجي لهذه الأجسام.

بدا أن التجربة قد دعمت فرضية بيكريل، لكنه واصل إجراء مزيد من التجارب. وفي نهاية شهر فبراير من العام نفسه، امتلأت سماء باريس بالغيوم لأيام عديدة. وضع بيكريل ألواح التصوير الفوتوغرافي واليورانيوم في درج مكتبه وانتظر قدوم يوم مشمس. وبعد مرور عدة أيام، قرَّر المُضي قدمًا وتحميض الألواح، متوقِّعًا أن يرى صورة باهتة للغاية. ولكنه تفاجأ بأن الصورة كانت واضحة تمامًا كما كانت عندما عرَّض اليورانيوم لضوء الشمس. وهذا ما دفع بيكريل إلى افتراض أن اليورانيوم يُنتِج أشعة دون تعرُّضه لضوء الشمس.

وقد أثبت بحثه المتواصل أن هذه الأشعة تتبع سلوكًا مختلفًا عن الأشعة السينية. كما أثبت أن الأشعة يمكنها أن تسبِّب تفريغ الشحنات الكهربية، في عملية تُعرَف الآن باسم التأيُّن.

في عام 1898 واصلت ماري كوري، أحد طلاب الدكتوراه لدى بيكريل، وزوجها بيير، دراسة اليورانيوم، واكتشفا أن عنصرَي البولونيوم والراديوم يبعثان أشعة أيضًا. صاغت ماري كوري مصطلح «النشاط الإشعاعي» إشارةً إلى الانبعاث التلقائي للجسيمات أو الإشعاع أو كليهما معًا.

أجرى كلٌّ من إرنست رذرفورد وبول فيلارد دراسات مكثَّفة حول القدرة على الاختراق (القدرة على الحركة عبر وسط ما) وسلوك الانبعاث الإشعاعي في المجالات الكهربية والمغناطيسية، ونجم عن ذلك 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 كتل ذرية موحدة، وتبلغ شحنته الكلية . يمكن تمثيل جسيمات ألفا بالحرف اليوناني أو ترميز النيوكليد ؛ لأن جسيم ألفا له نفس تركيب نواة ذرة الهليوم.

ولأن جسيمات ألفا موجبة الشحنة، فإن إشعاع ألفا عندما يمرَّر عبر مجال كهربي أو مغناطيسي، يتنافر الإشعاع مع الجانب الموجب الشحنة للمجال، وينجذب للجانب السالب الشحنة.

وبسبب حجم جسيمات ألفا، تكون لها قدرة ضعيفة على الاختراق؛ حيث يمكن إيقافها عن طريق 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 بمعدل أسرع من جسيمات ألفا، ولها كتلة تقريبية تساوي وحدة كتل ذرية موحدة. وتحمل الإلكترونات المنبعثة في صورة إشعاع بيتا شحنة كلية سالبة، ويمكن تمثيلها بالحرف اليوناني أو ترميز النيوكليد ، وهو ترميز الإلكترون.

ولأن جسيمات 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 عند تعرُّضها للمجال بدرجة أكبر من جسيمات ألفا.

جسيمات بيتا أصغر بكثير من جسيمات ألفا، وهو ما يعني أن لها قدرة أكبر على الاختراق. يمكن لإشعاع بيتا أن يخترق الجلد والورق، لكن يمكن إيقافه باستخدام لوح رقيق من الألومنيوم.

إشعاع جاما، أو أشعة جاما، هو موجة كهرومغناطيسية عالية التردُّد تنتقل بسرعة الضوء. إشعاع جاما ليس له كتلة ولا شحنة؛ لأنه لا يتكوَّن من جسيمات. ويمكن تمثيل إشعاع جاما بالحرف اليوناني أو ترميز النيوكليد .

ولأن إشعاع جاما عديم الشحنة، لا يتأثَّر بالمجالات الكهربية والمغناطيسية.

وبما أن إشعاع جاما ليس له كتلة وينتقل في صورة موجة من الطاقة الكهرومغناطيسية، فإن له أكبر قدرة على الاختراق. يمكن لإشعاع جاما اختراق الألومنيوم ومعظم المواد. ولحجب أشعة جاما، تُستخدم عادةً ألواح من الرصاص بسُمك يصل إلى بضعة سنتيمترات أو كتلة من الأسمنت بسمك متر واحد أو أكثر. لكن حتى هذه المواد قد لا يمكنها امتصاص كل إشعاعات جاما التي تمر عبرها.

مثال ١: تحديد قدرة الإشعاع المؤيِّن على الاختراق

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

1. أيُّ نوع من أنواع الإشعاع المؤيِّن يُمكِنه اختراق الألومنيوم، ولكن لا يمكنه اختراق كميات كبيرة من الأسمنت أو بضعة سنتيمترات من الرصاص؟
   1. جسيمات
   2. جسيمات
   3. أشعة
2. أيُّ نوع من أنواع الإشعاع المؤيِّن يُمكِنه اختراق الورق، ولكن لا يمكنه اختراق رقائق الألومنيوم؟
   1. جسيمات
   2. جسيمات
   3. أشعة
3. أيُّ نوع من أنواع الإشعاع المؤيِّن يُمكِن إيقافه بيد الإنسان؟
   1. جسيمات
   2. جسيمات
   3. أشعة

الحل

الجزء الأول

الأنواع الرئيسية الثلاثة للإشعاع المؤيِّن هي جسيمات ألفا ، وجسيمات بيتا ، وأشعة جاما . جسيمات ألفا لها كتلة أكبر من جسيمات بيتا. أما أشعة جاما فموجات كهرومغناطيسية؛ أي ليس لها كتلة. وبما أن جسيمات ألفا لها الكتلة الأكبر، فإن لها القدرة الأقل على الاختراق. وبما أن أشعة جاما ليس لها كتلة، فإن لها القدرة الأكبر على الاختراق. أما جسيمات بيتا فلها كتلة متوسطة بين جسيمات ألفا وأشعة جاما. ومن ثَمَّ، فقدرة جسيمات بيتا على الاختراق أكبر منها في حالة جسيمات ألفا، ولكنها أقل منها في حالة أشعة جاما.

ومن حيث حجب الإشعاع، يمكن إيقاف جسيمات ألفا باستخدام قطعة من الورق أو عن طريق الجلد، ويمكن إيقاف جسيمات بيتا باستخدام لوح رقيق من الألومنيوم، أما أشعة جاما، فيمكن إيقاف مقدار كبير منها عن طريق طبقة سميكة من الرصاص أو الأسمنت.

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

الجزء الثاني

نوع الإشعاع الذي يُمكِنه اختراق الورق لكن لا يُمكِنه اختراق رقائق الألومنيوم هو جسيمات . إذن الإجابة الصحيحة هي (أ).

الجزء الثالث

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

قد يكون الإشعاع مؤيِّنًا أو غير مؤيِّن. والإشعاع المؤيِّن إشعاع له طاقة كافية لنزع الإلكترونات من الذرات.

يوضِّح الشكل الآتي الطيف الكهرومغناطيسي مُقسَّمًا إلى إشعاع مؤيِّن وآخر غير مؤيِّن. تُعَد جسيمات ألفا وجسيمات بيتا والنيوترونات والأشعة الكونية، وهي مجموعة من الجسيمات العالية الطاقة، صورًا من الإشعاع المؤيِّن.

مثال ٣: التعرُّف على مثال للإشعاع المؤيِّن

أيٌّ من الآتي مثالٌ للإشعاع المؤيِّن؟

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

الحل

الإشعاع المؤيِّن إشعاع له طاقة كافية لنزع الإلكترونات من الذرات. وبالنظر إلى الطيف الكهرومغناطيسي، يمكننا تقسيم الإشعاع إلى إشعاع مؤيِّن وآخر غير مؤيِّن في نطاق الأشعة فوق البنفسجية.

إضافةً إلى ذلك، فإن بعض أنواع الإشعاع الجسيمي يكون مؤيِّنًا. ويشمل ذلك جسيمات ألفا وجسيمات بيتا والنيوترونات والأشعة الكونية. نلاحظ في مخطَّط الطيف الكهرومغناطيسي أن الأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي والأشعة الميكروية والموجات الراديوية لها طاقة أقل من الأشعة فوق البنفسجية، وأنها غير مؤيِّنة. تحتوي الأشعة الكونية على بروتونات ونوى ذرية بإمكانها نزع الإلكترونات من الذرات. إذن الخيار (ب) مثالٌ على الإشعاع المؤيِّن.

يضر الإشعاع المؤيِّن بالأنظمة الحيوية؛ لأنه يتسبَّب في تلف الأنسجة والخلايا. يمكن للإشعاع المؤيِّن العالي الطاقة أن يؤيِّن الذرات في الخلية ويكسر الروابط بين الجزيئات اللازمة للقيام بالوظائف الخلوية.

يشكِّل الماء جزءًا كبيرًا من سيتوبلازم الخلايا. ويمكن للإشعاع المؤيِّن أن يؤيِّن جزيئات الماء، التي تتفاعل بعد ذلك مع الحمض النووي أو البروتينات أو الإنزيمات في الخلية.

وحسب مقدار طاقة الإشعاع المؤيِّن وطول مدة التعرُّض له قد لا تتمكَّن الخلايا من إصلاح نفسها أو قد تموت على الفور.

ثمة ضرر آخر يمكن أن يُلحِقه الإشعاع المؤيِّن بالخلايا، وهو أن الإشعاع يؤثِّر على إحدى العمليات الخلوية، وهي الانقسام الميتوزي. إذ يُمكِن للانقسام الميتوزي أن يَضعف أو يتوقَّف كليًّا، ما يؤدي إلى زيادة احتمالية تكوُّن خلايا سرطانية وأورام.

ويُمكِن أن تؤدِّي التغيُّرات الطويلة المدى التي تُصيب كروموسومات الخلية إلى حدوث تغيُّرات في الحمض النووي الذي من الممكن أن يورَّث جينيًّا إلى الأجيال القادمة. ونتيجةً لذلك، قد يُولَد أطفال جُدد من المحتمل أن تكون لهم صفات مختلفة عن أبويهم.

أما الإشعاع غير المؤيِّن فليس له طاقة كافية تسبِّب هذا النوع من التلف الخلوي؛ مع ذلك، يمكنه أن يسبِّب حروقًا وتأثيرات صحية ضارة أخرى.

من مصادر الإشعاع غير المؤيِّن الذي يتعرَّض له كثير منا يوميًّا الأبراج الخلوية. وقد يعاني الأفراد الذين يعيشون بالقرب من هذه الأبراج من أعراض مثل الصداع أو الدوار أو الإغماء.

إضافةً إلى ذلك، تنبعث مستويات منخفضة من الإشعاع غير المؤيِّن من الهواتف الخلوية والحواسيب المحمولة والواي فاي وأفران الميكروويف. ويمكن أن يؤدي ذلك إلى ارتفاع درجة حرارة الخلايا عند امتصاصها طاقة الأشعة تحت الحمراء. تُشير بعض الدراسات العلمية إلى أن الاستخدام المفرط لهذه الأجهزة، على سبيل المثال، وضع جهاز الحاسوب المحمول على ركبتيك لساعات طويلة في اليوم، قد يُسبِّب العقم لدى الذكور. وقد تؤثِّر الحرارة العالية سلبًا على صحة الحيوانات المنوية بسبب التسخين المتواصل للخصيتين.

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

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

1. يمر الإشعاع غير المؤيِّن مباشرةً عبر الكائنات الحية.
2. يتحرَّك الإشعاع غير المؤيِّن مسافات قصيرة فقط.
3. ليس للإشعاع غير المؤيِّن طاقة كافية لإتلاف الخلايا.
4. لا يستطيع الإشعاع غير المؤيِّن اختراق الخلايا الحية.
5. تعرُّض الخلايا للإشعاع غير المؤيِّن بسيط.

الحل

بالنظر إلى الطيف الكهرومغناطيسي، يمكننا تقسيم الإشعاع إلى إشعاع مؤيِّن وآخر غير مؤيِّن في نطاق الأشعة فوق البنفسجية.

يشمل الإشعاع المؤيِّن أيضًا إشعاع جسيمات ألفا وبيتا والنيوترونات. للإشعاع المؤيِّن أطوال موجية قصيرة وتردُّد عالٍ وطاقة عالية، أما الإشعاع غير المؤيِّن فله أطوال موجية طويلة وتردُّد منخفض وطاقة منخفضة. ويمكن للطاقة العالية للإشعاع المؤيِّن أن تكسِّر الروابط بين الجزيئات في الخلية، أو تؤيِّن الجزيئات. وغالبًا ما يكون التلف الناتج عن تعرُّض الخلية للإشعاع المؤيِّن تلفًا دائمًا. أما الإشعاع غير المؤيِّن فليس له طاقة كافية لكسر الروابط بين الجزيئات أو تأيين الجزيئات في الخلية. وعند التعرُّض للإشعاع غير المؤيِّن، قد يؤدِّي ذلك إلى تسخين موضعِي للأنسجة وحروق محتملة، لكنه لا يُسبِّب تلفًا دائمًا للخلايا. في العموم، لا يُسبِّب الإشعاع غير المؤيِّن تلفًا دائمًا للخلايا الحية؛ لأنه لا يحتوي على طاقة كافية لإتلاف الخلايا. إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار (ج).

إشعاع ألفا هو الإشعاع الأكثر تسبُّبًا للتأيُّن من بين الأنواع الرئيسية الثلاثة للإشعاع. يتكوَّن إشعاع ألفا من جسيمات كبيرة موجبة الشحنة، تتحرَّك بمعدل بطيء نسبيًّا، وتتميَّز بقدرتها السريعة على نزع الإلكترونات من الذرات المحيطة. ويحدث التأيُّن الذي تسبِّبه جسيمات ألفا على مدى مسافة قصيرة جدًّا. وهذا يعني أن إشعاع ألفا يسبِّب تلفًا كبيرًا مركَّزًا في منطقة من أي نظام حيوي. ولحسن الحظ، نظرًا لأن إشعاع ألفا لا يمكنه اختراق الجلد، فهو لا يسبِّب مشاكل صحية في العموم إلا حال استنشاقه أو بلعه.

بصفة عامة، تمتلك جسيمات بيتا طاقة أكبر من نظيرتها في جسيمات ألفا، لكنها أصغر حجمًا وتحمل نصف المقدار من الشحنة. ويمكن لجسيمات بيتا أيضًا أن تسبِّب تأيُّن الذرات، لكنها تؤيِّن عددًا أقل من الذرات على مدى مسافة أكبر مقارنةً بجسيمات ألفا.

إشعاع جاما عبارة عن موجات كهرومغناطيسية عالية الطاقة. وإشعاع جاما ليس له شحنة، لكن طاقته يمكن أن تنتقل إلى الإلكترون مسبِّبة انبعاثه من الذرة. وبما أن إشعاع جاما يتحرَّك بمعدل أسرع من إشعاعَي ألفا وبيتا، فإنه يقضي مدة أقل منهما ملامِسًا للأنسجة الحيوية، وهو الأقل تسبُّبًا للتأيُّن من بين الأنواع الرئيسية الثلاثة للنشاط الإشعاعي. ومع ذلك، فالتعرُّض لإشعاع جاما يأتي على رأس قائمة المخاطر الخارجية التي تهدِّد صحة الإنسان؛ نظرًا لقدرته على اختراق الجسم.

يلخِّص الجدول الآتي المعلومات التي ناقشناها حتى الآن.

إننا نتعرَّض للإشعاع المؤيِّن يوميًّا؛ سواء من مصادر طبيعية أو صناعية، ويشمل ذلك الراديوم في الهواء والتربة، والأشعة الكونية، والبوتاسيوم-40 في الموز. ولا يشكِّل تعرُّضنا اليومي للإشعاع المؤيِّن خطرًا كبيرًا. مع ذلك، فالتعرُّض المتزايد للإشعاع المؤيِّن قد يسبِّب إصابات تظهر أعراضها سريعًا أو على مدار عدة سنوات. هذه الإصابات، التي يُشار إليها عادةً بالأمراض الإشعاعية، قد تشمل الحروق والغثيان وسقوط الشعر والقرحة. وقد يؤدِّي التعرُّض الشديد للإشعاع إلى زيادة خطر الإصابة بالعدوى البكتيرية والسرطان والموت المبكِّر.

وقد اكتشف العلماء عددًا من الطرق لاستخدام الإشعاع المؤيِّن لما فيه منفعتنا. على سبيل المثال، يوجد الأمريسيوم-241، وهو مصدر لجسيمات ألفا، في أجهزة الكشف عن الدخان. تؤيِّن جسيمات ألفا الهواء المحيط. وأيُّ تغيُّر في مقدار التأيُّن بسبب وجود الدخان يسبِّب إطلاق جرس إنذار. ويُمكِن تعريض الأغذية لإشعاع جاما والأشعة السينية لإطالة عمرها الافتراضي والقضاء على الكائنات الحية الدقيقة، مثل «السالمونيلا» و«الإشريكية القولونية»، التي تسبِّب الإصابة بالأمراض المنقولة بالأغذية.

وفي المستشفيات، يُمكِن استخدام إشعاع جاما والأشعة السينية في تعقيم الأدوات، وتُستخدم أيضًا في أجهزة الأشعة السينية وأجهزة الأشعة المقطعية وأجهزة التصوير المقطعي بالانبعاث البوزيتروني؛ للحصول على صور تفصيلية لجسم الإنسان. ويُمكِن أيضًا إعطاء المريض جرعات قليلة من نظائر مشعَّة تُسمَّى المتتبِّعات المشعَّة. تتراكم المتتبِّعات المشعَّة في منطقة محدَّدة من الجسم، وتبعث إشعاعًا يمكن رصده للحصول على صور أكثر تفصيلًا. ويمكن أيضًا استخدام النظائر المشعة في العلاج. اليود-131 يُعطى عادةً بوصفه علاجًا لسرطان الغدة الدرقية. تمتص الغدة الدرقية اليود الذي يبعث إشعاعات بيتا وجاما التي يمكنها إتلاف خلايا الغدة الدرقية القريبة.

مثال ٥: التعرُّف على التطبيقات العملية للإشعاع المؤيِّن

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

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

الحل

عادةً ما يُستخدم الأمريسيوم-241، وهو مصدر لجسيمات ألفا، في أجهزة الكشف عن الدخان. وتُستخدَم الأشعة السينية وأشعة جاما والمتتبِّعات المشعَّة 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 مؤيِّن وآخر غير مؤيِّن في نطاق الأشعة فوق البنفسجية.

يمكننا ملاحظة أن أشعة جاما والأشعة السينية نوعان من الإشعاع المؤيِّن، في حين أن الموجات الراديوية نوعٌ من الإشعاع غير المؤيِّن. ويشمل الإشعاع المؤيِّن أيضًا إشعاعات جسيمات ألفا وبيتا والنيوترونات. ومن ثَمَّ، فالتطبيق الوحيد الذي لا يَستخدم الإشعاع المؤيِّن هو الرادار. إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار (ج).