العناصر المشعة

تعد ظاهرة النشاط الإشعاعي (Radioactivity) من أهم الركائز التي قام عليها علم الفيزياء النووية الحديث، وهي عملية فيزيائية طبيعية أو اصطناعية تحدث عندما تمتلك نوى الذرات طاقة زائدة تجعلها في حالة غير مستقرة، مما يدفعها للبحث عن حالة الاستقرار من خلال إطلاق طاقة على شكل إشعاعات أو جسيمات. إن الذرة المشعة تسعى دائماً لإعادة ترتيب مكوناتها الداخلية، المتمثلة في البروتونات والنيوترونات، للوصول إلى مستوى طاقة أدنى وأكثر ثباتاً، ويتم هذا التحول عبر عدة مسارات فيزيائية دقيقة تعتمد في جوهرها على نوع عدم الاتزان القائم داخل النواة.

​تبدأ هذه المسارات أولاً بما يعرف بـ "انحلال ألفا" (Alpha Decay)، وفيه تقوم النواة الثقيلة غير المستقرة بتحرير جسيم يتكون من بروتونين ونيوترونين، وهو ما يعادل تماماً نواة ذرة الهيليوم، مما يؤدي إلى تقليل العدد الذري والكتلي للنواة الأم بشكل ملحوظ. أما المسار الثاني فهو "انحلال بيتا" (Beta Decay) بنوعيه؛ الأول هو بيتا السالبة والتي تنتج عن تحول نيوترون إلى بروتون داخل النواة مع انبعاث إلكترون سريع وجسيم "أنتينيوترينو"، ومن المهم ملاحظة أن هذه الإلكترونات المنبعثة تنشأ من داخل النواة بفعل القوة النووية الضعيفة وليس لها علاقة بالإلكترونات المدارية التي تدور حول النواة. والنوع الثاني هو بيتا الموجبة أو ما يعرف بانبعاث "البوزيترونات"، حيث يتحول البروتون إلى نيوترون وينبعث بوزيترون سريع. أما المسار الثالث والأكثر طاقة فهو انبعاث "أشعة غاما" (Gamma Rays)، وهي عبارة عن فوتونات كهرومغناطيسية ذات طاقة ترددية عالية جداً وقدرة نفاذ هائلة، وغالباً ما تصاحب انحلالات ألفا وبيتا لتخليص النواة من الطاقة الزائدة المتبقية فيها بعد التحول الجسيمي (المصدر: كتاب الفيزياء للعلماء والمهندسين، سيرواي وجوويت).

​ويمكننا صياغة النشاط الإشعاعي رياضياً باعتباره المعدل الزمني لانحلال كمية معينة من المادة المشعة، حيث وجد تجريبياً أن هذا المعدل يعتمد طردياً على عدد الأنوية الموجودة في تلك اللحظة. فإذا رمزنا لعدد الأنوية بـ (N)، فإن معدل التغير بالنسبة للزمن يُعبر عنه بالمعادلة التالية:

(dN/dt) تتناسب طردياً مع N

أي أن: (dN/dt) = -λ N

ومنها نصل للصيغة التفاضلية: (dN/N) = -λ dt

​حيث يمثل (λ) "ثابت الانحلال" (Decay Constant)، وهو احتمال انحلال النواة الواحدة في وحدة الزمن، ويعد صفة فيزيائية مميزة لكل عنصر مشع لا تتأثر بالظروف الخارجية مثل الحرارة أو الضغط. وفي سياق متصل، يُعرف مقلوب ثابت الانحلال (τ) بـ "متوسط العمر" أو "معدل استمرار الحياة للأنوية المشعة" (Mean Lifetime)، حيث أن: τ = 1/λ. ومن خلال إجراء عملية التكامل الرياضي للمعادلة التفاضلية السابقة، نحصل على قانون الانحلال الإشعاعي الأساسي الذي يوضح التناقص الأسي لعدد الأنوية مع مرور الزمن:

N = No * e^(-λt)

​حيث (No) هو عدد الأنوية عند الزمن صفر، و(N) هو العدد المتبقي بعد مرور زمن (t). وبناءً على ذلك، يمكن تعريف "الفعالية الإشعاعية" (Activity) بأنها عدد الانحلالات التي تحدث في الثانية الواحدة، وتُحسب من خلال العلاقة التالية:

A = λN = λNo * e^(-λt) = Ao * e^(-λt)

​أما المفهوم الجوهري الآخر في هذا العلم فهو "عمر النصف" (Half-life)، وهو الزمن اللازم لكي يضمحل نصف عدد أنوية العنصر المشع الأصلي. وبالتعويض في قانون الانحلال الأسي نجد أن:

(No / 2) = No * e^(-λ t1/2)

ومن خلال التبسيط الرياضي نصل إلى: ln(2) = λ * t1/2

أي أن: t1/2 = 0.693 / λ

​وهذا يثبت أن هناك علاقة عكسية وثيقة بين عمر النصف وثابت الانحلال؛ فكلما كان العنصر أكثر استقراراً زاد عمر نصفه وقل ثابت انحلاله. ولتوضيح ذلك بمثال عملي، نأخذ عنصر البزموث (Bi 210) الذي يمتلك ثابت انحلال يساوي (1.61 ضرب 10 أس سالب 6) في الثانية. فإذا أردنا حساب النسبة المتبقية منه بعد مرور ساعة واحدة (أي 3600 ثانية)، نطبق العلاقة:

N/No = e^(-1.61 * 10^-6 * 3600) = 0.994

وهذا يعني أن ما نسبته (0.006) فقط من الأنوية قد تفكك خلال هذه الساعة (المصدر: الفيزياء النووية، إيرفينغ كابلان).

​من الناحية القياسية، تُقاس النشاطية الإشعاعية بوحدة "البكريل" (Bq)، وهي تعادل انحلالاً واحداً في الثانية. ولكن في مجالات الوقاية الإشعاعية، لا تزال وحدة "الكوري" (Curie) مستخدمة، وهي تساوي: 1 كوري = 3.7 * 10^10 بكريل. ولربط الكتلة الفيزيائية للمادة بنشاطها الإشعاعي، نستخدم علاقة تربط بين الكتلة (m) والكتلة الذرية (A) وعدد أفوجادرو (Na = 6.02 * 10^23):

N = (m/A) * Na

وبالتالي النشاطية: a = λ * (m/A) * Na

​فإذا قمنا بحساب نشاطية 10 غرام من اليورانيوم-238، الذي يمتلك ثابت انحلال (4.84 ضرب 10 أس سالب 18) لكل ثانية، نجد أولاً عدد الذرات:

N = (0.01 / 238) * 6.02 * 10^26 = 2.529 * 10^22 ذرة

ثم نحسب النشاطية (a):

a = (4.84 * 10^-18) * (2.529 * 10^22) = 1.224 * 10^5 انحلال/ثانية

وبما أن 1 كوري يساوي (3.7 ضرب 10 أس 10) انحلال/ثانية، فإن نشاطية هذه الكتلة تساوي تقريباً 3.31 مايكرو كوري، وهو ما يفسر النشاط الإشعاعي المنخفض لليورانيوم الطبيعي بسبب عمر نصفه الذي يمتد لمليارات السنين (المصدر: تقارير الوكالة الدولية للطاقة الذرية IAEA).

​✍️ محمد زيد الكيلاني