Published in: الفيزياء

التحولات النووية ( الاضمحلالات النووية)

Author د. جاسم الفواز

Published on: 18 مارس، 2024

د. جاسم الفواز

تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

ما هو الاضمحلال النووي؟

هو انبعاث الطاقة في شكل إشعاعاتٍ مؤيّنة على جسيمات ألفا، أو جسيمات بيتا، أو البوزيترونات، ويترافق دوماً مع أشعة غاما، ويحدث الاضمحلال الإشعاعي في الذرات غير المستقرة التي تسمّى النويدات المُشعّة (Radionuclides). يمكن للعناصر الموجودة في الجدول الدوري أن تتخذ شكلين، وهما الشكل المستقر، وهو الذي نستخدمه في حياتنا اليومية، مثل: الحديد، والنحاس، والذهب الذي نتعامل به، وشكلٌ آخر يُدعى غير المستقر أو المُشع، فكما هنالك الذهب الذي نعرفه في حياتنا.

هنالك أيضاً الذهب المُشع الذي لا يستخدم إلا في المفاعلات والمراكز البحثية، حيث يُعتبر هذا العنصر غير مستقر، ولن يبقى ذهباً، إنما سيتحول مع مرور الزمن لعنصرٍ آخر من خلال إطلاق الأشعة المؤيّنة بعملية الاضمحلال النووي (Nuclear decays).

عادةً ما يكون الشكل المستقر (غير المُشع) للعنصر هو الأكثر شيوعًا في الطبيعة، ومع ذلك فإن جميع العناصر لها شكل غير مستقر، بالتالي تقوم بالاضمحلالات النووية لكي تقترب من الاستقرار، وهناك بعض العناصر التي ليس لها شكل مستقر إطلاقاً، وتكون مشعّةً دائماً، مثل: اليورانيوم (Uranium). ^[1]

التحول من نوع ألفا (اضمحلال ألفا)

ما هو اضمحلال ألفا؟

هو عملية اضمحلالٍ نووي، حيث تتغير نواةٌ غير مستقرةٍ إلى نواة عنصرٍ آخر عن طريق إطلاق جسيمٍ يتكون من بروتونين، ونيوترونين، حيث يُعرف هذا الجسيم المقذوف بجسيم ألفا، وهو ببساطةٍ نواة الهيليوم، بالتالي يتألف اضمحلال ألفا (Alpha decay) من نواةٍ تدعى النواة الأم، والتي تتحول إلى نواةٍ أخرى تسمّى النواة البنت، ويرافق ذلك إطلاق جسيمة ألفا، وطاقةٍ على شكل إشعاع غاما، ودائماً يكون العدد الكتلي للبنت أقل من الأم بمقدار 4، والعدد الذري للبنت أقل من الأم بمقدار 2.

ما هو تأثير منابع ألفا على صحة الإنسان؟

تمتلك جسيمات ألفا كتلةً كبيرةً نسبياً (أربع أضعاف كتلة الهيدروجين)، وتعني هذه الكتلة الكبيرة أن جسيمات ألفا لا تمتلك قدرةً كبيرةً في الاختراق والنفوذية، لذلك يصعب عليها اختراق جلد الإنسان، فهي لا تُسبّب ضرراً في حال كانت منبعاً خارج الجسم.

لكن إذا تمّ استنشاق منبعٍ لاضمحلال ألفا، أو ابتلاعه، أو امتصاصه في مجرى الدم، فقد يحدث ضررٌ بيولوجيٌّ دائم، ويزيد هذا الضرر من خطر إصابة الشخص بالسرطان، ومن المعروف أن إشعاع ألفا يُسبّب سرطان الرئة، ومن أشهرها منابع جسيمات ألفا استنشاق غاز الرادون المحيط بنا لأنه يُنتَج من الصخور، والتربة، والمياه، ومواد البناء، ومنابع كثيرة تحيط بنا بشكلٍ يومي.

بماذا تستخدم منابع جسيمات ألفا؟

تُستخدم العناصر المُشعّة التي تخضع لاضمحلال ألفا في أجهزة كشف الدخان، والإنذار من الحرائق، مثل: عنصر الأمريسيوم، حيث يقوم الدخان بتأيين الهواء داخل الكاشف، مما يطلق جسيمات ألفا، ويتمُّ تغيير التأيُّن داخل الجهاز، ويتمُّ إطلاق الإنذار.

كذلك، يتمُّ استخدام منابع جسيمات ألفا في عمليةٍ تعرف باسم التحليل الطيفي للأشعة السينية لجسيمات ألفا (APXS)، حيث تستخدم هذه العملية لتحديد التركيب العنصري للصخور والتربة، واستخدمت وكالة ناسا هذه الطريقة في بعثاتها إلى المريخ. لمنابع جسيمات ألفا أيضًا بعض الاستخدامات في المجال الطبي، حيث يستخدم علاج السرطان الجديد المعروف باسم علاج ألفا المستهدف أو TAT، حيث يتمُّ استخدام جسيمات ألفا لقتل الخلايا السرطانية. ^[2]

التحول من نوع بيتا (اضمحلال بيتا)

كيف يحدث اضمحلال بيتا؟

جسيمات بيتا هي إلكتروناتٌ عالية السرعة، ويحدث اضمحلال بيتا (Beta decay) في النوى التي تملك عدداً زائداً من النيوترونات، حيث يتحول النيوترون إلى بروتون،  ويرافق ذلك إطلاق جسيمة بيتا، وتتحول وفق هذا الاضمحلال النواة الأم المُشعّة إلى النواة البنت التي تمتلك نفس العدد الكتلي للأم، ويزيد عددها الذري عن الأم بمقدار 1، ويرافق ذلك إطلاق جسيمة بيتا وأشعة غاما. ^[3]

ما هي الآثار الصحية للتعرض لجسيمات بيتا؟

نظرًا لأن جسيمات بيتا أقل قدرةً على التأيين من جسيمات ألفا، وأصغر منها بنسبةٍ كبيرةٍ جداً، فيمكنها اختراق الأجسام بشكلٍ أكبر، لذلك تخترق جلد الإنسان، ويمكن لكثافةٍ كافيةٍ من إشعاع بيتا أن تُسبّب حروقًا، مثل: حروق الشمس الشديدة. وإذا تمّ استنشاق أو ابتلاع منابع بيتا، فإنها يمكن أن تلحق الضرر أيضًا بالخلايا، والأعضاء الداخلية.

ما هي بعض المصادر الشائعة لجسيمات بيتا؟

تتواجد العديد من منابع بيتا بشكلٍ طبيعي، ومن الأمثلة على ذلك الرصاص 210، والبزموت 214، والثاليوم 206، وتوجد منابع بيتا أيضًا بشكلٍ شائع في المنتجات المُشعّة للانشطار النووي، ومن الأمثلة على ذلك السترونتيوم 90، السيزيوم 137، والتريتيوم.

ما هي استخدامات جسيمات بيتا؟

توفر قوة الاختراق المتوسطة لجسيمات بيتا مجموعةً من التطبيقات المفيدة التي تشمل: أجهزة كشف السماكة لمراقبة جودة المواد الرقيقة، مثل: الورق، وتستخدم لعلاج سرطانات العين والعظام، وتستخدم بشكلٍ شائعٍ كمُتتبّعٍ للتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني. ^[4]

التحول من نوع بوزيترون (اضمحلال البوزيترون)

كيف يحدث اضمحلال البوزيترن؟

البوزيترون هو المادة المضادة للإلكترون، وله نفس كتلة الإلكترون تمامًا، ولكن له شحنة كهربائية معاكسة، وتنبعث البوزيترونات من بعض النظائر غير المستقرة، ويحدث اضمحلال البوزترون (Positron decay) في النوى التي تملك عدداً زائداً من البروتونات.

حيث يتحول البروتون إلى نيوترون، ويرافق ذلك إطلاق جسيمة البوزيترون، وتتحول وفق هذا الاضمحلال النواة الأم المُشعّة إلى النواة البنت التي تمتلك نفس العدد الكتلي للأم، وينقص عددها الذري عن الأم بمقدار 1، ويرافق ذلك جسيمة البوزيترون وأشعة غاما.

يُطلق على البوزيترونات أحيانًا اسم جسيمات بيتا “الموجبة” لتمييزها عن جسيمات بيتا “السالبة” الأكثر شيوعًا (الإلكترونات)، ويمكن أيضًا إنتاج البوزيترونات جنبًا إلى جنب مع إلكترونٍ مطابق، عندما تتفاعل أشعة جاما ذات الطاقة العالية مع المادة في عمليةٍ تسمّى إنتاج الأزواج (Pair-production).

كما أن البوزيترون والإلكترون إذا التقيا سوف يُفنيان بعضهما البعض، ويتمُّ تحويلهما إلى طاقةٍ على شكلٍ شعاعي جاما، ينبعثان في اتجاهين متعاكسين، وتُسمّى أشعة جاما هذه بإشعاع الفناء (Annihilation radiation). ^[5]

ما هو التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)؟

هو نوعٌ من إجراءات الطب النووي الذي يقيس النشاط الإشعاعي لخلايا أنسجة الجسم، وهو في الواقع مزيجٌ من الطب النووي، والتحليل الكيميائي الحيوي، ويستخدم (PET) غالبًا في المرضى الذين يعانون من أمراض الدماغ، أو القلب، أو السرطان. نظرًا لأن التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) هو نوعٌ من إجراءات الطب النووي، فهذا يعني أنه يتمُّ استخدام كميةٍ صغيرةٍ من مادة مُشعّة، تسمّى مادةً صيدلانيةً إشعاعية (Radiopharmaceutical).

ويمكن أيضًا استخدام التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) جنبًا إلى جنب مع اختباراتٍ تشخيصيةٍ أخرى، مثل: التصوير المقطعي المحوسب (CT)، أو التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، لتوفير معلوماتٍ أكثر تحديدًا حول الأورام الخبيثة (السرطانية) تجمع التكنولوجيا الأحدث بين التصوير المقطعي المحوسب (PET)، والتصوير المقطعي المحوسب (CT) في ماسحٍ ضوئيٍّ واحدٍ يُعرف باسم PET/CT.