العناصر المشعة
لفهم الصفات التي تجعل أحد العناصر مشعاً، يجب التطرق إلى التركيب الذري العام للعناصر. كل نواة تحتوي على نيوترونات بجانب البروتونات. النيوترونات هي جسيمات متعادلة كهربائياً، بينما البروتونات تحمل شحنة موجبة. عادةً ما تكون البروتونات والنيوترونات متجمعة في حيز صغير جداً.
تتنافر البروتونات الموجبة داخل النواة مع بعضها بسبب القوة الكهرومغناطيسية، لكن هناك قوة نووية متضادة تعمل على جذب مكونات النواة، مما يحافظ على تماسكها. هذه القوة النووية أقوى من القوة الكهرومغناطيسية، لكنها تقتصر على نطاق النواة فقط، في حين يمتد نطاق القوى الكهرومغناطيسية إلى مسافات أكبر. يحدث تنافس دائم بين القوتين. في حالة نواة اليورانيوم، المكونة من 92 بروتوناً، تصبح القوة الكهرومغناطيسية أكبر بكثير من القوة النووية، مما يؤدي إلى عدم استقرار النواة وحدوث اضمحلال إشعاعي، حيث يتحلل اليورانيوم إلى عنصر آخر أكثر استقراراً.
النشاط الإشعاعي
النشاط الإشعاعي يمثل انطلاق نوى عناصر كيميائية معينة، مثل اليورانيوم، والتي يمكن أن تشع أحد أنواع الجسيمات أو الإشعاعات التالية:
- أشعة غاما (γ): إشعاع كهرومغناطيسي ذو تردد عالٍ.
- جسيمات بيتا (β): عبارة عن إلكترونات أو بوزيترونات.
- جسيمات ألفا (α): نواة الهيليوم.
عند انبعاث هذه الجسيمات والإشعاعات، تتحول النواة غير المستقرة إلى نواة مستقرة، وتُسمي هذه العملية الاضمحلال الإشعاعي.
أنواع الاضمحلال الإشعاعي
يمكن أن يحدث الاضمحلال الإشعاعي بأحد الأنماط الثلاثة التالية:
- اضمحلال ألفا: يُطلق من نواة الهيليوم جسيم ألفا، مما يؤدي إلى تحولها إلى نواة أخرى ذات عدد ذري أقل بمقدار 2 ووزن ذري أقل بمقدار 4.
- اضمحلال بيتا: يحدث إما بانبعاث إلكترون أو بوزيترون، حيث يؤدي انبعاث الإلكترون إلى زيادة العدد الذري بمقدار 1، في حين يؤدي انبعاث البوزيترون إلى انخفاض العدد الذري بمقدار 1. توجد أحياناً حالات اضمحلال بيتا مزدوج، حيث ينبعث جسيمان بيتا.
- اضمحلال غاما: يحدث عند إطلاق أشعة غاما، مما يتسبب في تغيير مستوى الطاقة للنواة.
- التقاط الإلكترون: يُعتبر هذا النوع نادراً، حيث يتم التقاط الإلكترون بواسطة البروتون، مما يحول البروتون إلى نيوترون، ثم يحرر أحد النيوترونات إلكتروناً، مما يؤدي إلى انخفاض في العدد الذري مع بقاء العدد الكتلي دون تغيير.
قائمة بالعناصر المشعة
فيما يلي قائمة بأسماء العناصر المشعة:
- تيكنيتيوم (TC) – المعادن الانتقالية
- بروميثيوم (Pm) – المعادن الأرضية النادرة
- بولونيوم (Po) – الفلزات
- أستاتين (At) – الهالوجينات
- الرادون (Rn) – الغازات النبيلة
- الفرنك (Fr) – المعادن القلوية
- الراديوم (Ra) – القلويات الترابية
- الأكتينيوم (Ac) – المعادن النادرة
- الثوريوم (Th) – المعادن النادرة
- البروتكتينيوم (Pa) – المعادن النادرة
- اليورانيوم (U) – المعادن النادرة
- النبتونيوم (Np) – المعادن النادرة
- البلوتونيوم (Pu) – المعادن النادرة
- أمريكيوم (Am) – المعادن النادرة
- كيوريوم (Cm) – المعادن النادرة
- بيركيليوم (Bk) – المعادن النادرة
- كاليفورنيوم (Cf) – المعادن النادرة
- إينشتاينيوم (Es) – المعادن النادرة
- فيريميوم (Fm) – المعادن النادرة
- مينديليفيوم (Md) – المعادن النادرة
- نوبيليوم (No) – المعادن النادرة
- لورينسيوم (Lr) – المعادن النادرة
- رثرفورديوم (Rt) – العناصر الانتقالية
- دوبينيوم (Db) – العناصر الانتقالية
- سيبوريوم (Sg) – العناصر الانتقالية
- بوهريوم (Bh) – العناصر الانتقالية
- هاسيوم (Hs) – العناصر الانتقالية
- ميتنيريوم (Mt) – العناصر الانتقالية
تطبيقات
إليك بعض الأمثلة على كيفية استخدام النظائر المشعة اليوم:
- الاستخدام المنزلي: يوجد في معظم المنازل مواد مشعة، كمثال على ذلك جهاز كشف الدخان الذي يحتوي على كمية صغيرة جداً من أميريكيوم-241، والذي يتواجد في الجهاز على شكل أكسيد، وينبعث منه جسيمات ألفا وأشعة غاما منخفضة الطاقة. يتم امتصاص أشعة ألفا داخل الجهاز، لكن أشعة غاما غير الضارة تستطيع المغادرة، وعندما يدخل الدخان إلى الغرفة، فإنه يقوم بامتصاص جسيمات ألفا مما يسبب زيادة في معدل التأين وبالتالي ينطلق الإنذار.
- الطاقة النووية: بالتزامن مع ارتفاع أسعار الغاز، قامت العديد من الدول بإنشاء محطات الطاقة النووية، حيث كانت أول دولة تفتتح هذا النوع من المحطات هي الاتحاد السوفييتي عام 1954، وإذا ما تم توفير حوالي 15% من الكهرباء و6% من الطاقة العالمية عبر الطاقة النووية، إلا أنها تترك وراءها نفايات نووية سامة تُعتبر صعبة الإزالة. من أبرز الكوارث النووية حادثة تشيرنوبيل التي وقعت في عام 1986.
- الصناعة: تُستخدم أشعة غاما في تعقيم الأدوات الطبية القابلة للاستخدام مرة واحدة مثل الحقن والقفازات، حيث يمكن أن تتعرض للتعقيم الحراري دون تلف. كما تُستخدم لقتل الطفيليات في الصوف والخشب والمنتجات الأخرى، وقد أذنت الولايات المتحدة بتعريض اللحوم لأشعة غاما لأغراض التعقيم، مما أصبحت الطريقة شائعة الاستخدام.
- الحروب: الدولة الوحيدة التي استعملت الأسلحة النووية فعلياً هي الولايات المتحدة، إذ ألقت قنابل نووية على مدينتي ناغازاكي وهيروشيما في اليابان. رغم أن الكثير من الأرواح تفقدت على الفور، إلا أن العديد من الأشخاص توفوا لاحقاً بسبب التسمم الإشعاعي الذي أدى إلى العيوب الخلقية في الحمض النووي.
- الطب: تُستخدم النظائر المشعة كمتتبعات في الأبحاث الطبية، حيث يبتلع الأشخاص هذه النظائر، مما يمكن العلماء من دراسة عمليات مثل الهضم، وتحديد الأمراض مثل السرطان، بالإضافة إلى معالجة الانسدادات في الجهاز الهضمي، كما تلعب العناصر المشعة دوراً في تنظيف الأوعية الدموية وعلاج السرطان.