قد يظهر لك في سؤال الفيزياء أن جسيم ألفا عبارة عن نواة ذرة الهيليوم، ثم يأتي سؤال آخر: لماذا هو موجب الشحنة؟ أو لماذا لا يخترق الورق؟ أو لماذا يُعد أكبر من جسيم بيتا؟ تبدو هذه الأسئلة متفرقة، لكنها كلها تعود إلى فكرة واحدة بسيطة: جسيم ألفا هو نواة صغيرة مكوّنة من بروتونين ونيوترونين، ولا تحتوي على إلكترونات.
لذلك فالإجابة التي يجب تثبيتها أولًا هي: جسيم ألفا يتكوّن من 2 بروتون + 2 نيوترون، أي أنه يشبه نواة ذرة الهيليوم. وبما أنه يحتوي على بروتونين موجبين ولا يحتوي على إلكترونات سالبة، تكون شحنته موجبة +2. وبسبب كتلته الكبيرة نسبيًا وشحنته، يتفاعل بسرعة مع المادة، فيفقد طاقته خلال مسافة قصيرة، ولهذا لا يستطيع غالبًا اختراق ورقة عادية.
ما هو جسيم ألفا؟
جسيم ألفا هو جسيم نووي ينبعث من بعض النوى المشعة أثناء نوع من التحلل الإشعاعي يسمى تحلل ألفا أو اضمحلال ألفا. وهو ليس ذرة كاملة، وليس إلكترونًا، وليس شعاعًا مثل الضوء، بل هو نواة ذرة هيليوم. عندما نقول إن جسيم ألفا هو نواة هيليوم، فهذا يعني أنه يحتوي على مكونات نواة الهيليوم فقط: بروتونين ونيوترونين. أما ذرة الهيليوم الكاملة فتحتوي أيضًا على إلكترونين يدوران حول النواة. جسيم ألفا لا يحمل هذين الإلكترونين، ولذلك لا يكون متعادلًا كهربائيًا مثل ذرة الهيليوم العادية.
بأبسط صيغة:
جسيم ألفا = بروتونان + نيوترونان
وهذه الصيغة وحدها تفسر معظم خصائصه: شحنته، كتلته، ضعفه في الاختراق، وقوته في التأثير على الذرات القريبة منه.
جسيم ألفا عبارة عن نواة أي ذرة؟
جسيم ألفا عبارة عن نواة ذرة الهيليوم. والسبب أن عنصر الهيليوم عدده الذري 2، أي أن نواته تحتوي على بروتونين. ونواة أكثر نظائر الهيليوم شيوعًا تحتوي أيضًا على نيوترونين، وهذا بالضبط هو تركيب جسيم ألفا. لذلك عندما تجد في كتاب أو اختبار عبارة مثل: “جسيم ألفا عبارة عن نواة ذرة…” فالإجابة هي: نواة ذرة الهيليوم. لكن من المهم عدم الخلط بين “نواة الهيليوم” و“ذرة الهيليوم”. جسيم ألفا هو نواة فقط، أما ذرة الهيليوم الكاملة فهي نواة ومعها إلكترونات. هذا الفرق هو السبب المباشر في أن جسيم ألفا موجب الشحنة.
ممّ يتكون جسيم ألفا؟
يتكون جسيم ألفا من أربعة جسيمات نووية صغيرة: بروتونين ونيوترونين. البروتونات جسيمات موجبة الشحنة، أما النيوترونات فليست لها شحنة كهربائية. وبما أن جسيم ألفا يحتوي على بروتونين ونيوترونين، فإن عدده الكتلي يساوي 4؛ لأن العدد الكتلي هو مجموع البروتونات والنيوترونات. أما عدده الذري فيساوي 2؛ لأن العدد الذري يعتمد على عدد البروتونات فقط. لذلك يمكن كتابته في الفيزياء أحيانًا على صورة قريبة من رمز نواة الهيليوم:
⁴₂He
وهذا يعني أن له عددًا كتليًا 4 وعددًا ذريًا 2. كما قد يُكتب أيضًا بالرمز:
α
والرمزان يشيران إلى الفكرة نفسها: جسيم ألفا هو نواة هيليوم مكوّنة من بروتونين ونيوترونين.
لماذا جسيم ألفا موجب الشحنة؟
جسيم ألفا موجب الشحنة لأنه يحتوي على بروتونين موجبين ولا يحتوي على إلكترونات سالبة تعادل شحنتهما. البروتون الواحد شحنته +1، وبما أن جسيم ألفا يحتوي على بروتونين، فإن شحنته الكلية تكون:
+1 + +1 = +2
أما النيوترونان الموجودان داخل جسيم ألفا فلا يغيران الشحنة، لأن النيوترون متعادل كهربائيًا. لذلك نقول إن شحنة جسيم ألفا هي +2.
وهنا تظهر أهمية الفرق بين جسيم ألفا وذرة الهيليوم. ذرة الهيليوم الكاملة تحتوي على بروتونين موجبين وإلكترونين سالبين، فتكون متعادلة كهربائيًا. أما جسيم ألفا فهو نواة الهيليوم من دون إلكترونات، ولذلك يبقى موجب الشحنة.
لماذا يعتبر جسيم ألفا أكبر من جسيم بيتا؟
يعتبر جسيم ألفا أكبر من جسيم بيتا لأن تركيبه أثقل بكثير. جسيم ألفا يتكون من بروتونين ونيوترونين، أي من أربعة جسيمات نووية. أما جسيم بيتا فهو غالبًا إلكترون سريع أو بوزيترون، وكتلة الإلكترون صغيرة جدًا مقارنة بكتلة البروتون أو النيوترون. لذلك عندما يأتي سؤال مثل: “علل: جسيم ألفا أكبر حجمًا أو كتلة من جسيم بيتا”، فالإجابة تكون لأن جسيم ألفا يتكون من بروتونين ونيوترونين، بينما جسيم بيتا يكون غالبًا إلكترونًا أو بوزيترونًا ذا كتلة صغيرة جدًا.
هذا الفرق في الكتلة يفسر أيضًا اختلاف سلوكهما. جسيم ألفا أثقل وأقل قدرة على الاختراق، لكنه يسبب تأينًا قويًا في مسافة قصيرة. أما جسيم بيتا فهو أخف، فيستطيع غالبًا قطع مسافة أكبر داخل المادة مقارنة بألفا.
ما خصائص جسيمات ألفا؟
جسيمات ألفا لها خصائص واضحة تجعلها سهلة التمييز عن بيتا وغاما. فهي موجبة الشحنة، وكتلتها كبيرة نسبيًا، وقدرتها على التأيين عالية، لكنها ضعيفة الاختراق. كونها موجبة الشحنة يرجع إلى وجود بروتونين داخلها من دون إلكترونات. وكونها كبيرة نسبيًا يرجع إلى أنها مكوّنة من بروتونين ونيوترونين، لا من إلكترون واحد مثل بيتا. أما قدرتها العالية على التأيين فسببها أنها مشحونة وثقيلة، فتؤثر بقوة في الذرات القريبة أثناء مرورها.
لكن هذه القوة نفسها تجعلها تفقد طاقتها بسرعة. فهي عندما تمر في الهواء أو في مادة ما تصطدم وتتفاعل مع ذرات كثيرة خلال مسافة قصيرة، ولذلك لا تقطع مسافة طويلة.
لماذا لا تخترق جسيمات ألفا الورق؟
جسيمات ألفا لا تخترق الورق لأنها ثقيلة نسبيًا ومشحونة بشحنة موجبة، فتتفاعل بسرعة مع الذرات التي تقابلها. أثناء مرورها في المادة، تؤثر في إلكترونات الذرات وتفقد جزءًا من طاقتها في كل تفاعل. وبعد عدد كبير من التفاعلات القصيرة، تتوقف. بمعنى أبسط: جسيم ألفا لا ينزلق بسهولة داخل المادة؛ لأنه كبير ومشحون مقارنة بجسيمات أخرى. لذلك تكفي ورقة عادية، أو طبقة رقيقة من الجلد الخارجي، أو بضعة سنتيمترات من الهواء غالبًا لإيقافه.
لكن ضعف الاختراق لا يعني أن جسيمات ألفا غير مؤثرة. هي ضعيفة من خارج الجسم غالبًا، لكنها قد تصبح خطيرة إذا دخلت المادة المشعة الباعثة لألفا إلى داخل الجسم عن طريق التنفس أو الطعام أو الجروح، لأن الجسيمات حينها تطلق طاقتها قرب الخلايا مباشرة.
ما معنى أن جسيمات ألفا قوية التأيين؟
التأيين يعني نزع إلكترون من ذرة أو جزيء، فيتحول إلى أيون. جسيمات ألفا قوية التأيين لأنها تحمل شحنة موجبة كبيرة نسبيًا ولها كتلة عالية، لذلك تؤثر بقوة في الإلكترونات القريبة من مسارها.
عندما يمر جسيم ألفا قرب ذرة، قد يجذب أحد إلكتروناتها أو ينقل إليه طاقة كافية لخروجه من الذرة. نتيجة ذلك تتكوّن أيونات في مسار قصير. ولهذا نقول إن جسيمات ألفا ذات تأثير تأييني قوي لكنها ذات مدى قصير.
هذه النقطة مهمة جدًا في الأسئلة المدرسية؛ لأن ألفا تجمع بين صفتين قد تبدوان متناقضتين: لا تخترق كثيرًا، لكنها تؤثر بقوة في المسافة القصيرة التي تمر فيها.
ما هو اضمحلال ألفا؟
اضمحلال ألفا هو عملية تطلق فيها نواة مشعة جسيم ألفا. يحدث هذا غالبًا في النوى الثقيلة غير المستقرة، مثل بعض نظائر اليورانيوم والراديوم والثوريوم. عندما تطلق النواة جسيم ألفا، فهي تفقد بروتونين ونيوترونين. وبما أن عدد البروتونات هو الذي يحدد نوع العنصر، فإن فقدان بروتونين يعني أن العنصر يتحول إلى عنصر آخر. لذلك في اضمحلال ألفا ينقص: العدد الذري بمقدار 2، لأن النواة فقدت بروتونين. والعدد الكتلي بمقدار 4، لأنها فقدت بروتونين ونيوترونين. أي إذا كانت نواة ما عددها الذري Z وعددها الكتلي A، فإنها بعد انبعاث جسيم ألفا تصبح نواة جديدة عددها الذري:
Z – 2
وعددها الكتلي:
A – 4
وهذا هو الأساس الذي تُحل به كثير من مسائل اضمحلال ألفا في الفيزياء والكيمياء النووية.
لماذا تطلق بعض النوى جسيمات ألفا؟
تطلق بعض النوى جسيمات ألفا لأنها تكون غير مستقرة. النوى الثقيلة جدًا تحتوي على عدد كبير من البروتونات والنيوترونات، وقد يصبح ترتيبها الداخلي غير مستقر، فتتخلص من جزء صغير منها على شكل جسيم ألفا. بعد خروج جسيم ألفا، تصبح النواة أخف من قبل، وقد تصبح أكثر استقرارًا نسبيًا. لذلك يظهر تحلل ألفا غالبًا في العناصر الثقيلة أو النظائر المشعة ذات النوى الكبيرة.
لا يعني هذا أن كل الذرات تطلق جسيمات ألفا. التحلل الإشعاعي يحدث في نظائر معينة غير مستقرة، وليس في المواد العادية المستقرة من حولنا.
هل جسيمات ألفا خطيرة على الإنسان؟
جسيمات ألفا خارج الجسم لا تستطيع غالبًا اختراق الجلد السليم، ولذلك تكون أقل خطرًا من بعض أنواع الإشعاع الأخرى عندما يكون مصدرها خارج الجسم وبعيدًا عن التنفس أو البلع. لكن الخطر الحقيقي يظهر عندما تدخل المواد الباعثة لألفا إلى الجسم. إذا استنشق الإنسان غاز الرادون مثلًا، أو دخل غبار مشع باعث لألفا إلى الرئتين، أو ابتلع مادة مشعة، فقد تنبعث جسيمات ألفا قرب الخلايا مباشرة. وبسبب قدرتها العالية على التأيين، قد تسبب تلفًا في الأنسجة أو في المادة الوراثية داخل الخلايا.
لذلك يمكن تلخيص الفكرة هكذا: ألفا ضعيفة الاختراق من الخارج، لكنها مؤثرة جدًا إذا كان مصدرها داخل الجسم.
ما الفرق بين جسيمات ألفا وبيتا وغاما؟
جسيمات ألفا وبيتا وغاما كلها ترتبط بالإشعاع النووي، لكنها ليست الشيء نفسه. ألفا جسيم ثقيل موجب الشحنة يتكون من بروتونين ونيوترونين. بيتا جسيم أخف بكثير، يكون غالبًا إلكترونًا أو بوزيترونًا. أما غاما فهي ليست جسيمًا ماديًا مثل ألفا وبيتا، بل إشعاع كهرومغناطيسي عالي الطاقة.
من حيث الاختراق، ألفا هي الأضعف غالبًا؛ توقفها ورقة أو الجلد الخارجي. بيتا أكثر قدرة على الاختراق من ألفا، وقد تحتاج إلى طبقة رقيقة من معدن أو بلاستيك لإضعافها. أما غاما فهي الأعلى اختراقًا، وقد تحتاج إلى مواد كثيفة مثل الرصاص أو الخرسانة لتقليل شدتها.
ومن حيث التأيين، ألفا قوية جدًا في المسافة القصيرة التي تقطعها، بينما بيتا أقل منها غالبًا، وغاما قدرتها على الاختراق عالية لكن تأيينها المباشر أقل من ألفا في المسار القصير.
خلاصة جسيم ألفا
جسيم ألفا هو نواة ذرة هيليوم مكوّنة من بروتونين ونيوترونين. لذلك تكون شحنته موجبة +2، وكتلته أكبر بكثير من جسيم بيتا، وقدرته على التأيين قوية، لكنه ضعيف في الاختراق. أهم ما يجب تذكره أن جسيم ألفا لا يحتوي على إلكترونات، ولهذا لا يكون متعادلًا مثل ذرة الهيليوم الكاملة. وهو لا يخترق الورق غالبًا لأنه يفقد طاقته بسرعة داخل المادة، لكنه قد يكون خطيرًا إذا دخل مصدره المشع إلى الجسم.