ذرهٔ بتا: جهان زیراتمی در حال واپاشی
سفر به مرکز هسته: واپاشی رادیواکتیو چیست؟
برخی از هستههای اتم به دلیل داشتن تعداد زیاد نوترون۳ یا پروتون۴ ناپایدار هستند. این هستهها برای رسیدن به آرامش و پایداری، ذرات یا انرژی از خود گسیل میکنند که به این پدیده «واپاشی رادیواکتیو» میگویند. یکی از مهمترین راههای واپاشی، «واپاشی بتا» است. در این فرآیند، یک نوترون درون هسته به یک پروتون تبدیل میشود یا برعکس، و در حین این تبدیل، یک ذرهٔ بتا و یک ذرهٔ دیگر به نام «نوترینو۵» آزاد میشود.
برای درک بهتر، یک هستهٔ ناپایدار را مانند یک کوه یخ بلند و بیثبات تصور کنید. این کوه یخ برای آنکه پایدار شود، ممکن است بخشی از خود را جدا کند و به درون آب بیندازد. این تکهٔ جدا شده همان ذرهٔ بتا است. انرژی آزاد شده در این فرآیند نیز به حرکت سریع آن کمک میکند.
انواع واپاشی بتا: الکترون یا پوزیترون؟
واپاشی بتا به دو شکل اصلی رخ میدهد که منجر به تولید دو نوع ذرهٔ بتای متفاوت میشود. تفاوت این دو در بار الکتریکی و نوع تبدیل ذره درون هسته است.
| نام واپاشی | ذرهٔ بتای گسیلشده | تبدیل درون هسته | نماد | مثال (ایزوتوپ۷) |
|---|---|---|---|---|
| بتا-منفی ($\beta^-$) | الکترون ($e^-$) با بار -1 | یک نوترون به یک پروتون تبدیل میشود. | $n \rightarrow p^+ + e^- + \bar{\nu}_e$ | کربن-14 به نیتروژن-14 |
| بتا-مثبت ($\beta^+$) | پوزیترون ($e^+$) با بار +1 | یک پروتون به یک نوترون تبدیل میشود. | $p^+ \rightarrow n + e^+ + \nu_e$ | پتاسیم-40 (یکی از حالتهای واپاشی) |
توجه کنید که در هر دو نوع واپاشی، یک ذرهٔ خنثی و فوقالعاده سبک به نام نوترینو یا پادنوترینو۸ نیز آزاد میشود. این ذره برهمکنش بسیار ضعیفی با ماده دارد و عبور آن از بدن ما و حتی کل کرهٔ زمین، مانند عبور نور از شیشه است!
از آزمایشگاه تا زندگی واقعی: کاربردهای ذرات بتا
شاید فکر کنید این پدیدههای هستهای فقط مختص آزمایشگاههای پیشرفته است، اما در واقعیت، کاربردهای عملی فراوانی در اطراف ما دارند.
در پزشکی: از ایزوتوپهای گسیلندهٔ بتا برای درمان سرطان استفاده میشود. برای مثال، ید-131 که بتا-منفی گسیل میکند، برای درمان سرطان تیروئید بهکار میرود. ذرات بتا با انرژی خود، سلولهای سرطانی را بدون آسیب گسترده به بافتهای سالم اطراف، از بین میبرند. همچنین در تصویربرداری پِتاسکن۹ از پوزیترونهای گسیل شده از یک مادهٔ رادیواکتیو برای تولید تصاویر دقیق از متابولیسم بدن استفاده میکنند.
در صنعت: از پرتوهای بتا برای کنترل ضخامت ورقههای نازک در تولید کاغذ، پلاستیک یا فولاد استفاده میشود. هرچه ماده ضخیمتر باشد، تعداد کمتری از ذرات بتا از آن عبور میکنند. این تغییر در شمارش، به طور خودکار دستگاههای تنظیم غلطکها را کنترل میکند. همچنین در برخی از آشکارسازهای دود از مقدار کمی مادهٔ رادیواکتیو گسیلندهٔ آلفا یا بتا استفاده میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر. الکترونهای اتمی که در اوربیتالها۱۱ به دور هسته هستند، متعلق به «لایهٔ الکترونی» اتم هستند. اما ذرهٔ بتا، در لحظهٔ واپاشی از درون هسته تولید و با سرعت بسیار بالا از اتم بیرون پرتاب میشود. این دو، الکترون یکسان اما با منشأ کاملاً متفاوت هستند.
جواب به مقدار و انرژی تابش بستگی دارد. ذرات بتا میتوانند توسط یک ورق پلاستیکی ضخیم یا لباس متوقف شوند، بنابراین خطر بیرونی آنها محدود است. اما اگر یک مادهٔ گسیلندهٔ بتا بلعیده یا استنشاق شود، میتواند به بافتهای داخلی آسیب برساند. استفادهٔ کنترل شده و با محافظت کافی (مانند استفاده در پزشکی) کاملاً ایمن و مفید است.
عدد جرمی، مجموع تعداد پروتونها و نوترونهای هسته است. در واپاشی بتا، یک نوترون به یک پروتون (یا برعکس) تبدیل میشود، بنابراین تعداد کل ذرات هسته ثابت میماند و عدد جرمی تغییر نمیکند. اما چون تعداد پروتونها (که تعیینکنندهٔ عدد اتمی و هویت شیمیایی عنصر است) تغییر میکند، عنصر به عنصر دیگری تبدیل میشود!
پاورقی
۱ واپاشی هستهای (Nuclear Decay)
۲ پوزیترون (Positron): پادذرهٔ الکترون با بار مثبت.
۳ نوترون (Neutron): ذرهای خنثی در هستهٔ اتم.
۴ پروتون (Proton): ذرهای با بار مثبت در هستهٔ اتم.
۵ نوترینو (Neutrino): ذرهای خنثی و سبک که در واپاشی بتا همراه با ذرهٔ بتا گسیل میشود.
۶ نیمهعمر (Half-life): مدت زمانی که طول میکشد تا نیمی از اتمهای یک نمونهٔ رادیواکتیو واپاشی شوند.
۷ ایزوتوپ (Isotope): اتمهای یک عنصر با تعداد نوترون متفاوت.
۸ پادنوترینو (Antineutrino): پادذرهٔ نوترینو. در واپاشی $\beta^-$ گسیل میشود.
۹ پِتاسکن (PET Scan): تصویربرداری با گسیل پوزیترون.
۱۰ تاریخگذاری رادیوکربن (Radiocarbon Dating).
۱۱ اوربیتال (Orbital): ناحیهای در اطراف هسته که احتمال یافتن الکترون در آن زیاد است.
۱۲ عدد جرمی (Mass Number).
۱۳ عدد اتمی (Atomic Number).
