تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

ما هي النيوترونات؟

النيوترونات (Neutrons) هي جسيماتٌ دون ذرية، حيادية الشحنة، ويرمز لها بالرمز N، ويُكون عدد النيوترونات والبروتونات العدد الكتلي A، كتلة النيوترون أكبر بمقدارٍ ضئيلٍ من كتلة البروتون، ويتكون النيوترون من جسيماتٍ دون ذرية تسمّى الكواركات، ويتكون كل نيوترون من ثلاثة كواركات 2 كوارك قعري سفلي إلى جانب 1 كوارك قمّي علوي.

كيف تنتج النيوترونات؟

تنتج النيوترونات لغرض الأبحاث أو التطبيقات لهذا الجسيم، خلال التفاعلات النووية، يمكن تقسيم إنتاج النيوترونات إلى ثلاثة أصناف:

● عن طريق المصادر المُشعّة: قذف المواد الخفيفة بالإشعاعات الصادرة من النوى المُشعّة، كجسيمات ألفا، أو إشعاع غاما.

● عن طريق مسرّعات الجسيمات المشحونة.

● عن طريق الانشطار النووي للعناصر الثقيلة.

تكون النيوترونات الناتجة سريعةً دائماً، وعند الحاجة إلى نيوتروناتٍ بطيئة أو حرارية، يتمّ تهدئتها من خلال تعريضها لمواد، مثل :الماء، وشمع البرافين التي تُفقدها طاقتها شيئاً فشيئاً أثناء اصطدامها بنوى ذراتها.

إنتاج النيوترونات عن طريق المصادر المُشعّة

هناك عدة مصادر مُشعّة لإنتاج النيوترونات، وهي:

1- مصدر الكاليفورنيوم  (Cf-252)

يتمُّ إنتاج الكاليفورنيوم 252 في الوقت الحالي في المفاعلات النووية، ويتفكك الكاليفورنيوم 252 تلقائياً مُصدراً جسيم ألفا أحياناً، وقد يتفكك مُصدراً نيوتروناً طبقاً للمعادلة التالية: ^[1]

[math]_{98}^{252}\textrm{Cf}\rightarrow_ {98}^{251}\textrm{Cf}+_{0}^{1}\textrm{n}[/math]

ويبلغ معدل الانبعاث النيوتروني 2.3 x 106 نيوتروناً في الثانية لكل 1ميكرو كوري من الكاليفورنيوم 252، وتنطلق النيوترونات بطاقةٍ تتراوح بين (1 – 6) مليون إلكترون فولت.

2- مصادر نيوترونية وتفاعل (alpha ,n)

هناك عدة آليات لإنتاج النيوترونات بقذف العناصر الخفيفة بجسيمات ألفا، ومنها: ^[2]

مصدر راديوم- بيريليوم (Ra-Be)

يعتبر هذا المصدر من أرخص مصادر النيوترونات، وتنتج النيوترونات عند قذف نواة البيريليوم (Be -9) بجسيم ألفا، فينطلق نيوترون وفق التفاعلات التالية:

[math]_{2}^{4}\textrm{He}+_{4}^{9}\textrm{Be}\rightarrow _{6}^{12}\textrm{C}+_{0}^{1}\textrm{n}[/math]

ويستخدم نظير الراديوم (Ra-226) كمُصدر لجسيمات ألفا. يحضر المصدر بخلط كميةٍ من الراديوم مع كميةٍ أخرى من مسحوق البيريليوم، فعند خلط غرامٍ واحدٍ من الراديوم مع عدة غراماتٍ من مسحوق البريليوم، يمكن الحصول على مصدرٍ نيتروني تبلغ شدته (أي عدد النيترونات المنبعثة في الثانية الواحدة (حوالي (106-108) نيترون سريع في الثانية.

يجب وضع الخليط داخل كبسولةٍ محكمة الإغلاق، وغير قابلةٍ للكسر حتى لا يحدث تلوثٌ بمصدر جسيمات ألفا. من أجل زيادة احتمال التقاط نواة البيريليوم لجسيمات ألفا، فإنه يتمُّ أخذ البيريليوم بكميةٍ زائدةٍ عن منبع ألفا عادة (5:1 بالكتلة).

إن النيترونات الناتجة عن مصدر (Ra -Be) هي نيوتروناتٌ سريعة، يتمُّ إبطاؤها بواسطة شمع البرافين الغني بالهيدروجين. تتغير شدة مصدر النيوترونات بتغير الزمن حسب قانون التفكك الإشعاعي للمادة النشطة بالنسبة إلى التفكك ألفا، ولما كان عمر النصف للراديوم 1600 سنة، فإن نشاط العينة البدئي لا يتغير عملياً.

إلا أن شدة نيوترونات المنبع يمكن أن تزداد مع الزمن، وذلك نتيجةً لتجميع نواتج تفكك النظير المُشع القادرة على إصدار جسيمات ألفا، فلنظير الراديوم 226 أربع بناتٍ قادرة على إصدار جسيمات ألفا. نبين في الجدول التالي خصائص الراديوم ووليداته، والمساهمة النسبية لكل منهم في شدة المنبع (Ra-Be)

المساهمة النسبية في شدة منبع (%)Ra-Be	T1/2	Eα(MeV)	النيكليد
5.2	1620y	4.78	226Ra
11.1	3.825d	5.49	222Rn
18.1	3.05min	5.998	218Po
56.5	1.6×10-4s	7.680	214P0
9.1	140d	5.298	210Po

مصدر أمريسيوم- بيريليوم (Am-Be)

يعدُّ المصدر أمريسيوم – بيريليوم من أهمّ المنابع النيوترونية، ويتألف هذا المصدر من مزيج من الأمريسيوم – بيريليوم أو مزيج من أوكسيد الأمريسيوم Am2O3 والبيريليوم على شكل بودرة توضع ضمن غلافٍ من الفولاذ أسطواني الشكل، ومحاطٍ بغلاف ثانٍ يفصله عن الأول غاز الأرغون، وتنبعث النيوترونات من هذا المنبع وفق التفاعل التالي:

[math]_{4}^{9}\textrm{Be}+_{2}^{4}\textrm{He}\rightarrow _{6}^{12}\textrm{C}+_{0}^{1}\textrm{n}+5.65MeV[/math]

حيث تنتج جسيمات ألفا من تفكك الأمريسيوم241 .

مصدر بولونيوم- بيريليوم (Po-Be)

يستخدم في الوقت الحالي نظير البولونيوم (Po-210) الذي يبلغ عمره النصف 140 يوماً، ويعتبر مصدراً لجسيمات ألفا بدلاً من الراديوم (Ra-226)، لإنتاج النيوترونات مع البيريليوم، لكن نظراً لعمر النصف القصير نسبياً لنظير البولونيوم 210، فقد حل مصدر الأمريسيوم (Am-241) محله في معظم التطبيقات الصناعية.

3- المصادر الفوتونترونية والتفاعل (gamma ,n)

يمكن أن تثار نوى المواد عند امتصاصها فوتونات أشعة غاما، ويحدث التفاعل (gamma ,n)، وحتى يتحقق هذا التفاعل يجب أن تكون طاقة فوتون غاما أكبر من طاقة الارتباط الوسطية للنيوترون التي تتجاوز 6MeV لأغلب العناصر ما عدا البيريليوم Be، والديتيريوم D التي تساوي(1.67MeV)  للبيريليوم، و (2.23MeV) للديتريوم، حيث ينتج التفاعلين التاليين: ^[3]

[math]Y+_{4}^{9}\textrm{Be}\rightarrow _{4}^{8}\textrm{Be}+_{0}^{1}\textrm{n}+1.67MeV[/math]

[math]Y+_{1}^{2}\textrm{D}\rightarrow _{1}^{1}\textrm{H}+_{0}^{1}\textrm{n}+2.23MeV[/math]

بما أن طاقة أشعة غاما الصادرة من المواد المُشعّة عادةً تكون أقل من6MeV، لذلك غالباً ما يستخدم العنصرين السابقين لإنتاج مصادر نيوترونية، ورغم أن عدد النيترونات المنتجة لهذه المصادر تكون قليلةً حوالي (104) نيوترون في الثانية لكل واحد كوري إلاّ أن هذه المصادر مفيدة للمعاير.

لأنها تنتج نيوتروناتٍ وحيدة الطاقة، عكس مصادر (alpha, n) التي تُنتج طيفاً متصلاً يحتوي على كل الطاقات حتى الطاقة العظمى التي هي في حدود 13MeV. يمكن الحصول على نيوترونات وحيدة الطاقة، وذلك في حال مُصدر غاما وحيد الطاقة، فمثلاً: يصدر Na-24 فوتونات وحيدة الطاقة (2.76MeV).

من عيوب هذه المصادر هو قصر عمر النصف لمصدرات غاما (عمر النصف لـ Na-24 يساوي 14h)، مما يقلل من معدل إصدار النيوترونات. من أهمّ المصادر الفوتو-نيوترونية المنتجة للنيوترونات (منبع من الأنتموان والبيريليوم بحيث تتفاعل أشعة غاما الصادرة من الأنتيموان مع نوى البيريليوم، منتجةً نيوتروناتٍ أحادية الطاقة).

4- إنتاج النيوترونات في المُسرّعات

يتمُّ إنتاج النيوترونات في المُسرّعات عن طريق قذف الجسيمات المشحونة المسّرعة على أهدافٍ معينة من العناصر وفق التفاعل (p,n)، والتفاعل (d,n)، فالتفاعل الأول (p,n) ماصٌّ للطاقة، ولهذا يجب تسريع البروتون لكسبه طاقةٍ حركيةٍ تفوق عتبة التفاعل التي تتراوح بين حوالي (0.8-4) MeV حسب الهدف.

أما التفاعل الثاني (d,n)، فهو مصدر للطاقة، ولا يحتاج نظرياً إلى طاقةٍ حركية، وتدعى مثل هذه التفاعلات بتفاعلات الاندماج النووي، (حيث تندمج النوى الخفيفة مع بعضها لتعطي نوى أثقل). عند اندماج نواتي ديتيريوم مع بعضهما كما في التفاعل التالي:

[math]_{1}^{2}\textrm{D}+_{1}^{2}\textrm{D}\rightarrow _{2}^{3}\textrm{He}+_{0}^{1}\textrm{n}+3.27MeV[/math]

ينتج عن التفاعل السابق طاقةً قيمتها (3.27MeV) يتقاسمها النيوترون (2.45MeV) والهليوم (0.82MeV)، وغالباً ما يُستخدم هذا التفاعل في عمل مولد النيوترونات الاندماجي (Fusion neutrons generator). إن أهمّ مميزات حزم النيوترونات المنتجة عن طريق المُسرّعات أن لها تدفُّقاً نيترونياً عالياً جداً يصل إلى 1015 نيوترون لكل سنتيمتر مربع في الثانية الواحدة، مما يجعلها مفيدةً جداً، خاصةً للأبحاث والعلاج الطبي. ^[4]

5- إنتاج النيوترونات في المفاعلات النووية

يعتبر إنتاج النيوترونات في المفاعلات النووية من أهمّ مصادر النيوترونات على الإطلاق، حيث يمكن أن يتراوح تدفُّق النيوترونات داخل المفاعلات بين (1013-1019) نيوترون لكل سنتيمتر مربع في الثانية الواحدة. تنتج النيوترونات في المفاعلات عن انشطار نوى العناصر الثقيلة المستخدمة كوقودٍ في مفاعلات الانشطار، حيث تنشطر نوى الوقود النووي (اليورانيوم، البلوتونيوم أو الثوريوم) نتيجة حدوث التفاعلات المتسلسلة داخل قلب المفاعل، وتجدر الإشارة إلى أن طيف النيوترونات داخل المفاعل يتراوح ما بين النيوترونات الحرارية والسريعة. يمكن استخدام النيوترونات المنبعثة عن عمليات الانشطار التي تتمّ في قلب المفاعل بعد تهدئتها وترشيحها في:

1- عمليات العلاج الإشعاعي، والتطبيقات العلمية، والتصوير بالنيوترونات.

2- اختبار ومعايرة الأجهزة، مثل: معايرة الكواشف الإشعاعية، ووسائل الحماية من الإشعاع.

3- تجارب التشعيع بالنيوترونات للحصول على النظائر المُشعّة.

4- الحصول على البيانات النووية، كالمقاطع العرضية، وإجراء التجارب النووية. ^[4]