Published in: الفيزياء

جسيمات ألفا

Author د. هالة وتار

Published on: 24 فبراير، 2024

د. هالة وتار

تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

ما هي جسيمات ألفا؟

هي عبارةٌ عن نواة ذرة الهليوم التي تحتوي على بروتونين ونيوترونين، وهي تصدر عن النوى أثناء عملية الاضمحلال الإشعاعي، مما يؤدي إلى انخفاض العدد الذري Z للنواة المُشعّة بمقدار اثنين أي يصبح (Z-2)، وينخفض العدد الكتلي A بمقدار أربعة أي يصبح (A-4).

اضمحلال ألفا Alpha Decay

تتميز النوى الثقيلة (النوى التي تمتلك عدداً كتلياً أكبر من العدد الكتلي للرصاص) بانخفاض قيمة طاقة الترابط لكل نكليون (النيكلون هو البروتون أو النيوترون)، لذلك تكون هذه النوى غير مستقرة، وتميل للتفكك لنوىً أخفّ، وأكثر استقراراً بإصدار جسيمات ألفا. مثلاً: عند اضمحلال نواة الراديوم إلى نواة الرادون مصدرةً جسيمات ألفا، فإن النواة البنت Rn تمتلك عدداً ذرياً أقل من العدد الذري للنواة الأم Ra بمقدار 2، وعدداً كتلياً أقل بمقدار 4، وذلك لأن لجسيمة ألفا (نواة الهليوم) عدداً ذرياً مساوياً 2، وعدداً كتلياً مساوياً 4.

الطاقة المتحررة أثناء إصدار جسيم ألفا Q يجب أن تساوي الفرق بين طاقة ارتباط جسيم ألفا في النواة، وبين الطاقة اللازمة لفصل بروتونين ونيوترونين من النواة. في الحالة التي تكون فيها النواة البنت غير مثارة، فإن طاقة الاضمحلال تظهر على شكل طاقةٍ حركيةٍ لجسيم ألفا باعتبار أن طاقة النواة المُرتدّة مهملةٌ غالباً، أي لطاقة الاضمحلال قيمة محددة، أما إذا كانت النواة البنت مثارةً في سوياتٍ مختلفةٍ من الطاقة، فيتبع إصدار جسيمات ألفا إصدار أشعة غاما حتى تتمكن النوى الوليدة من التخلص من طاقتها الزائدة، وفي هذه الحالة تكون طاقة الاضمحلال ذات قيمٍ مختلفة.

ما هي خصائص جسيمات ألفا؟

تمتاز جسيمات ألفا بعدة خصائص، وهي: ^[1]

1- شحنتها موجبة.

2- كتلتها كبيرة، فهي تساوي تقريباً أربعة أمثال كتلة البروتون.

3- نظراً لكتلتها الكبيرة، فإن سرعتها أٌقل من سرعة الضوء.

4- قليلة النفوذية أو مقدرتها على الاختراق صغيرة، فهي تسير بضعة سنتيمترات في الهواء فقط.

5- قدرتها على التأيُّن كبيرة.

كيف تفقد جسيمات ألفا طاقتها في المادة؟

تفقد جسيمات ألفا طاقتها في المادة بآليتين: ^[2]

1- تفاعل جسيمات ألفا مع إلكترونات ذرات المادة

عند سقوط جسيمٍ مشحونٍ مثل جسيم ألفا على المادة، تنتقل طاقة هذه الجسيمات إلى المادة بالتدريج إلى أن تتوقف الجسيمات الساقطة، ويتمُّ هذا الانتقال عن طريق التصادمات اللامرنة مع الإلكترونات المدارية لذرات المادة، فإذا مرَّ الجسيم قريباً من الذرة بمقدارٍ كافٍ.

فمن الممكن أن يأخذ أحد الإلكترونات المدارية طاقةً كافيةً للهروب من الذرة، وذلك إذا كانت الطاقة المنتقلة إليه مساويةً إلى طاقة التأيُّن، وبالتالي يغادر الإلكترون الذرة تاركاً إياها على شكل أيونٍ موجب، بينما ينطلق هو بطاقةٍ حركيةٍ مساويةٍ إلى الفرق بين الطاقة المنتقلة إليه، وطاقة ارتباطه في مداره.

تسمّى هذه العملية بالتأيُّن، والتي ينتج عنها زوج إلكتروني-أيوني. إذا حصل الإلكترون المداري على طاقةٍ غير كافية لاقتلاعه من الذرة، انتقل من مداره إلى سويةٍ طاقيةٍ أعلى، وتحولت عندئذ هذه الذرة إلى ذرةٍ مثارة، وتسمّى هذه العملية بالإثارة.

في هذه الحالة تتخلص الذرة من هذه الطاقة الزائدة لتعود إلى حالتها الطبيعية بإصدار ضوءٍ أو إشعاعٍ سيني، ويسمّى التأيُّن الناتج عن جسيمات ألفا المشحونة ذاتها بالتأيُّن الأولي. يمكن لإلكترونات التأيُّن الابتدائي إذا ملكت الطاقة الكافية أن تُؤيّن بدورها ذرات المادة، وتسمّى هذه العملية بالتأيُّن الثانوي، وتسمّى الإلكترونات الناتجة بإلكترونات دلتا (ᵟ-electron)، ويمثل التأيُّن الأولي حوالي 30 بالمئة من إجمالي التأيُّن.

2- تفاعل جسيمات ألفا مع النوى الذرية

يمكن لجسيمات ألفا أن تتفاعل مع نوى المادة التي تمرُّ خلالها، ولكن هذا التفاعل يعُتبر مهملاً كون احتمالية هذا التصادم مع نوى المادة أقل بكثيرٍ من احتمالية التصادم مع الإلكترونات. إن النسبة بين هذين الاحتمالين تتناسب مع النسبة بين مساحة مقطع النواة إلى مساحة مقطع الذرة أي 10^-24cm² / 10^-16 cm²=10^-8. إذا كانت طاقة جسيمات ألفا كبيرة، فقد تتمكن من اجتياز السحابة الإلكترونية، وتصل إلى النواة نفسها، حيث تحدث تفاعلاتٌ نوويةٌ كثيرة منها:

● تحدث تفاعلاتٌ ينتج عنها انطلاق جسيماتٍ نووية، مثل: الديترونات، والنيوترونات، والبروتونات.

● يحدث تشتُّتٌ نوويٌّ لجسيم ألفا.

● يحدث تشتُّت رزرفورد (تشتُّتٌ كلاسيكي) لجسيم ألفا عن النواة، حيث تنحرف جسيمات ألفا بزوايا كبيرة عن مسارها.

ما هي مصدرات جسيمات ألفا؟

هناك مصدرات طبيعية وصنعية: ^[3]

1- مصدرات ألفا الطبيعية

هي النظائر المُشعّة الطبيعية الموجودة في الصخور، والتربة، والمياه، مثل: اليورانيوم 238-، والراديوم 226-، والنظائر المُشعّة المتولدة عن اضمحلال سلسلتي الأكتنيوم، والثوريوم.

2- مصدرات ألفا الصنعية

تصدر جسيمات ألفا عن اضمحلال النظائر المُشعّة البلوتونيوم والكالفورنيوم اللذان ينتجان في المفاعلات النووية عند صدم النيوترونات لنواة اليورانيوم.

ما هي استخدامات جسيمات ألفا؟

لمصدرات جسيمات ألفا استخداماتٌ متعددةٌ نذكر بعضها: ^[4]

1- تستخدم مصدرات جسيمات ألفا من نواة البولونيوم 210-، لإزالة الشحنات الساكنة من المعدات الصناعية، حيث تلتقط جسيمات ألفا موجبة الشحنة الإلكترونات الحرة، فتخفض الكهرباء الساكنة الموضعية.

2- يتمُّ تحويل الحرارة الناتجة عن جسيمات ألفا الصادرة عن البلوتونيوم 238- إلى طاقةٍ كهربائيةٍ يستفاد منها في المسابر الفضائية.

3- تستخدم ككواشف للدخان: إن جسيمات ألفا الصادرة عن النظير المُشع الأمريسيوم 241- تؤيّن جزيئات الهواء، فالإلكترونات المتحررة عن عملية التأيُّن تنتج تياراً كهربائياً، تعطل جزيئات الدخان التيار ،فيعمل في هذه الحالة جهاز الإنذار.

4- تستخدم مصدرات جسيمات ألفا من نواة البلوتونيوم 238- كمصدر (بطارية) لجهاز تنظيم ضربات القلب، حيث تعمل هذه البطارية لفترةٍ طويلةٍ جداً بسبب عمر النصف الطويل للبلوتونيوم، والذي يبلغ 88 عام، لكن صفة السُّمّية للبلوتونيوم قلّلت من استخدامه.

5- تستخدم بعض مصدرات ألفا في العلاج الإشعاعي من أمراض السرطان، فمثلاً: يستخدم الراديوم لعلاج سرطان العظام.

ما هي تأثيرات جسيمات ألفا على صحة الإنسان؟

بما أن جسيمات ألفا تمتاز بشحنةٍ مساويةٍ إلى مثلي شحنة الإلكترون، وكتلة كبيرة مقارنةً مع كتلة جسيمات بيتا، فهي تمتاز بقدرتها الكبيرة على إنتاج أيونات خلال اجتيازها لمسافةٍ صغيرة، وبالتالي تمنح طاقتها لجزيئات الوسط، وتسبّب ضرراً بيولوجياً، ولاسيما للحمض النووي DNA الذي يُعتبر أهمّ مكونات خلايا الجسم البشري.

بما أن مقدرة جسيمات ألفا على النفوذ صغيرة، فهي لا تستطيع اختراق الطبقة المتقرّنة من الجلد البشري، ولكنها يمكن أن تلحق الضرر بقرنية العين، ذا ما تمّ التعرُّض لها بشكلٍ مباشر. كما أن دخول مصدرات ألفا إلى الجسم عن طريق الأطعمة أو استنشاق الهواء الملوث بمصدرات ألفا، كغاز الرادون ووليداته، يسبّب أخطار كبيرة على الجسم البشري لأن أغلب مصدرات ألفا ذات عمرٍ نصف فيزيائيٍّ كبير، وعمر نصف بيولوجي كبير. ^{[5] [6]}