پرتوزایی[1]: راز اتمهای ناپایدار
پرتوزایی چیست؟ از کشف تا تعریف
داستان پرتوزایی با کشفی اتفاقی شروع شد. در سال 1896، هانری بکرل[2] متوجه شد که نمکهای اورانیوم[4]، حتی در تاریکی، بر روی صفحات عکاسی اثر میگذارند. او نتیجه گرفت که این ماده نوعی تابش ناشناخته از خود ساطع میکند. بعدها ماری کوری[3] و پیر کوری این پدیده را «پرتوزایی»[1] نامیدند و عناصر پرتوزای جدیدی مثل رادیم[5] و پولونیم[6] را کشف کردند.
اما دقیقاً درون اتم چه اتفاقی میافتد؟ هر اتم دارای یک هسته[7] کوچک و سنگین در مرکز خود است. هسته از ذرات پروتون[8] (با بار مثبت) و نوترون[9] (بدون بار) تشکیل شده است. وقتی نسبت تعداد پروتونها به نوترونها در یک هسته، خارج از محدودهای پایدار باشد، هسته ناپایدار میشود. پرتوزایی، راه طبیعت برای رساندن این هستههای ناپایدار به حالت پایدارتر است. در این فرآیند، هسته با انتشار ذرات یا انرژی، ترکیب خود را تغییر میدهد.
انواع پرتوها: آلفا، بتا و گاما
هستههای ناپایدار میتوانند به روشهای مختلفی واپاشی کنند که به سه نوع اصلی تقسیم میشوند. این پرتوها قدرت نفوذ و خواص متفاوتی دارند.
| نوع پرتو | ذره/انرژی ساطع شده | بار الکتریکی | قدرت نفوذ | مثال ساده |
|---|---|---|---|---|
| پرتو آلفا[10] ($\alpha$) | هسته اتم هلیوم[11] (۲ پروتون + ۲ نوترون) | مثبت (+2) | خیلی کم (یک ورق کاغذ یا چند سانتیمتر هوا آن را متوقف میکند) | واپاشی اورانیوم-۲۳۸ به توریوم-۲۳۴: $^{238}_{92}U \rightarrow ^{234}_{90}Th + ^{4}_{2}He$ |
| پرتو بتا[12] ($\beta$) | الکترون[13] با انرژی بالا (بتا منفی) یا پوزیترون[14] (بتا مثبت) | منفی (-1) یا مثبت (+1) | متوسط (یک صفحه آلومینیومی نازک آن را متوقف میکند) | واپاشی کربن-۱۴ به نیتروژن-۱۴: $^{14}_{6}C \rightarrow ^{14}_{7}N + e^{-} + \bar{\nu}_e$ |
| پرتو گاما[15] ($\gamma$) | انرژی خالص (فوتون[16] با فرکانس بسیار بالا) | بدون بار (خنثی) | خیلی زیاد (برای توقف آن به لایههای ضخیم سرب یا بتن نیاز است) | پس از واپاشی آلفا یا بتا، هسته برانگیخته برای رسیدن به حالت پایدار، پرتو گاما ساطع میکند. |
نیمهعمر: ساعت درونی مواد پرتوزا
یک سؤال جالب: اگر یک تکه ماده پرتوزا داشته باشیم، چقدر طول میکشد تا کاملاً ناپدید شود؟ پاسخ در مفهوم مهم نیمهعمر[17] نهفته است. نیمهعمر، مدت زمانی است که طول میکشد تا نصف اتمهای یک نمونه پرتوزا واپاشی کنند.
این زمان برای ایزوتوپ[18] های مختلف، میتواند از کسری از ثانیه تا میلیاردها سال متغیر باشد! مثلاً نیمهعمر کربن-۱۴ حدود 5730 سال است. این یعنی اگر 1 گرم کربن-۱۴ داشته باشیم، پس از 5730 سال، فقط 0.5 گرم از آن باقی میماند. پس از 11460 سال (دو نیمهعمر)، 0.25 گرم و به همین ترتیب.
پرتوها در خدمت بشر: از درمان سرطان تا تاریخگذاری
شاید فکر کنید پرتوزایی فقط خطرناک است، اما اگر با دانش و کنترل از آن استفاده شود، میتواند نجاتبخش و مفید باشد. در اینجا به چند کاربرد شگفتانگیز اشاره میکنیم:
۱. پزشکی و تصویربرداری: پرتوهای گاما یا ایکس برای عکسبرداری از استخوانها و اندامهای داخلی (رادیوگرافی) استفاده میشوند. در پرتودرمانی، از پرتوهای پرانرژی برای از بین بردن سلولهای سرطانی استفاده میشود. همچنین مواد پرتوزا به عنوان «ردیاب» به بیمار تزریق میشوند تا جریان خون یا عملکرد یک اندام خاص (مثل تیروئید) بررسی شود.
۲. تاریخگذاری رادیوکربن: یکی از معروفترین کاربردها، تعیین سن آثار باستانی و فسیلها با روش کربن-۱۴ است. گیاهان و جانوران در حین زندگی، مقدار ثابتی کربن-۱۴ (ایزوتوپ پرتوزای کربن) را از جو جذب میکنند. پس از مرگ، جذب متوقف شده و مقدار کربن-۱۴ شروع به کاهش (واپاشی) میکند. با اندازهگیری نسبت کربن-۱۴ باقیمانده به کربن-۱۲ (ایزوتوپ پایدار)، میتوان سن نمونه را تا حدود 50000 سال گذشته تخمین زد.
۳. تولید انرژی: در نیروگاههای هستهای، از فرآیند شکافت هستهای[19] استفاده میشود. در این فرآیند، هستههای سنگینی مثل اورانیوم-۲۳۵ توسط نوترونها بمباران شده و به هستههای سبکتر تقسیم میشوند. این شکافت، مقدار عظیمی انرژی گرمایی آزاد میکند که برای تولید بخار و چرخاندن توربینهای مولد برق به کار میرود.
۴. صنعت و کشاورزی: از پرتوها برای استریلیزه کردن وسایل پزشکی، افزایش ماندگاری مواد غذایی (پرتوافشانی مواد غذایی)، بررسی جوشهای لولهها و کنترل ضخامت ورقهای فلزی در خط تولید استفاده میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. پرتوزایی یک پدیده کاملاً طبیعی است. عناصر پرتوزایی مانند اورانیوم، توریوم و رادیم در پوسته زمین وجود دارند. حتی بدن ما نیز حاوی مقادیر بسیار اندکی از پتاسیم-۴۰ (یک ایزوتوپ پرتوزا) است! آنچه در آزمایشگاه ساخته میشود، معمولاً ایزوتوپهای پرتوزایی است که در طبیعت به مقدار ناچیز یافت میشوند یا نیمهعمر کوتاهی دارند.
پاسخ: خطر پرتوزایی به نوع پرتو، مقدار دوز دریافتی و مدت زمان تابش بستگی دارد. ما در محیط زندگی خود همواره در معرض تابش زمینهای طبیعی (از خاک، فضا و حتی مواد غذایی) هستیم که در سطوح پایین معمولاً بیخطر است. خطر زمانی ایجاد میشود که بدن در معرض دوزهای بالا در زمان کوتاه (مثل حوادث هستهای) یا دوزهای پایین اما مداوم (بدون محافظت مناسب) قرار گیرد. استفاده کنترل شده و با محافظتهای لازم در پزشکی و صنعت، فواید آن را بسیار بیشتر از خطراتش میکند.
پاسخ: به یک عنصر یا ایزوتوپ متفاوت (و معمولاً پایدارتر) تبدیل میشود. این زنجیره واپاشی تا رسیدن به یک ایزوتوپ پایدار ادامه مییابد. به عنوان مثال، سری واپاشی اورانیوم-۲۳۸ در نهایت به سرب-۲۰۶ که یک عنصر پایدار است، ختم میشود. در این مسیر، چندین عنصر پرتوزای میانی مثل رادون[20] تولید میشوند.
پاورقی
[1] پرتوزایی (Radioactivity): خاصیت برخی اتمها برای گسیل پرتو.
[2] هانری بکرل (Henri Becquerel): فیزیکدان فرانسوی، کاشف پرتوزایی.
[3] ماری کوری (Marie Curie): فیزیکدان و شیمیدان لهستانی-فرانسوی، پیشگام پژوهش در پرتوزایی.
[4] اورانیوم (Uranium): یک عنصر سنگین و پرتوزا با نماد شیمیایی U.
[5] رادیم (Radium): عنصر پرتوزایی که توسط کوریها کشف شد، نماد Ra.
[6] پولونیم (Polonium): عنصر پرتوزای دیگری که توسط کوریها کشف شد، نماد Po.
[7] هسته (Nucleus): مرکز کوچک، چگال و مثبت اتم.
[8] پروتون (Proton): ذرهای با بار مثبت در هسته اتم.
[9] نوترون (Neutron): ذرهای بدون بار در هسته اتم.
[10] پرتو آلفا (Alpha Radiation): ذرات متشکل از دو پروتون و دو نوترون.
[11] هلیوم (Helium): یک گاز نجیب، نماد He.
[12] پرتو بتا (Beta Radiation): ذرات الکترون یا پوزیترون پرانرژی ساطع شده از هسته.
[13] الکترون (Electron): ذرهای با بار منفی که به دور هسته میچرخد.
[14] پوزیترون (Positron): پادذره الکترون، با بار مثبت.
[15] پرتو گاما (Gamma Radiation): تابش الکترومغناطیسی با انرژی بسیار بالا.
[16] فوتون (Photon): ذره یا بستهای از انرژی نور.
[17] نیمهعمر (Half-life): زمان لازم برای واپاشی نصف اتمهای یک نمونه پرتوزا.
[18] ایزوتوپ (Isotope): اتمهای یک عنصر با تعداد پروتون یکسان اما تعداد نوترون متفاوت.
[19] شکافت هستهای (Nuclear Fission): تقسیم یک هسته سنگین به دو هسته سبکتر.
[20] رادون (Radon): یک گاز پرتوزا، بیبو و بیرنگ، نماد Rn.
