هستهٔ ناپایدار: هسته‌ای که به‌صورت طبیعی واپاشی می‌شود

هسته‌های ناپایدار: جهان ریز اتم‌های در حال دگرگونی

اتم پایدار در برابر اتم ناپایدار: تعادل نیروها

برای درک هسته ناپایدار، ابتدا باید ساختار یک هسته پایدار را بشناسیم. هر اتم از یک هسته مرکزی (متشکل از پروتون[3] و نوترون[4]) و الکترون‌های در حال چرخش به دور آن تشکیل شده است. پروتون‌ها بار مثبت دارند و یکدیگر را دفع می‌کنند. پس چه چیزی باعث می‌شود این ذرات مثبت در کنار هم در فضای بسیار کوچک هسته باقی بمانند؟ پاسخ، نیروی هسته‌ای قوی[5] است. این نیروی جاذبه بسیار قوی، اما با برد کوتاه، مانند چسبی قدرتمند، پروتون‌ها و نوترون‌ها را به هم می‌چسباند و بر نیروی دافعه الکتریکی بین پروتون‌ها غلبه می‌کند.

پایداری یک هسته به تعادل دقیق بین تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها بستگی دارد. نوترون‌ها مانند ضربه‌گیر عمل می‌کنند و با افزایش فاصله بین پروتون‌ها، به نیروی هسته‌ای قوی اجازه می‌دهند مؤثرتر عمل کند. در عناصر سبک، تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها تقریباً برابر است (مثلاً کربن-۱۲ با ۶ پروتون و ۶ نوترون). با افزایش تعداد پروتون‌ها (عناصر سنگین‌تر)، برای حفظ پایداری، به نسبت بیشتری نوترون نیاز است. اگر این تعادل به‌هم بخورد، هسته ناپایدار می‌شود.

واپاشی هسته‌ای: راه‌های رسیدن به پایداری

هسته ناپایدار برای رسیدن به آرایش پایدارتر، دست به تغییر می‌زند. این تغییر خودبه‌خودی، واپاشی هسته‌ای نام دارد. در این فرآیند، هسته با گسیل ذرات یا انرژی، به هسته‌ای دیگر (اغلب از عنصری دیگر) تبدیل می‌شود. سه نوع عمده واپاشی وجود دارد:

مثال معادله واپاشی آلفا برای رادیم-226:
$_{88}^{226}\textrm{Ra} \rightarrow _{2}^{4}\textrm{He} + _{86}^{222}\textrm{Rn}$
همانطور که می‌بینید، رادیم (Ra) با گسیل ذره آلفا، به رادون (Rn) تبدیل می‌شود.

نیمه‌عمر: ساعت درونی هسته‌های ناپایدار

اگر یک ظرف پر از هزاران هسته یکسان ناپایدار داشته باشیم، پیش‌بینی زمان واپاشی کدام یک از این هسته‌ها غیرممکن است. اما رفتار کلی آنها کاملاً قابل پیش‌بینی و قانون‌مند است. نیمه‌عمر[14]، زمان لازم برای واپاشی نصف هسته‌های یک نمونه رادیواکتیو است. این مفهوم، قلب همه کاربردهای عملی هسته‌های ناپایدار است.

به عنوان مثال، نیمه‌عمر ید-131 حدود 8 روز است. یعنی اگر 100 گرم از این ماده را امروز داشته باشیم، پس از 8 روز، 50 گرم از آن باقی می‌ماند (و 50 گرم واپاشی کرده و به زنون تبدیل شده است). پس از 16 روز (2 نیمه‌عمر)، 25 گرم باقی می‌ماند و الی آخر. نیمه‌عمر برای هر ایزوتوپ رادیواکتیو، ثابت و منحصربه‌فرد است و تحت تأثیر دما، فشار یا شرایط شیمیایی قرار نمی‌گیرد. این مقادیر از کسری از ثانیه (مثل پولونیوم-212) تا میلیاردها سال (مثل اورانیوم-238 با نیمه‌عمر 4.5 میلیارد سال) متغیر است.

کاربردهای هسته‌های ناپایدار: از پزشکی تا باستان‌شناسی

هسته‌های ناپایدار با وجود ذات بی‌ثباتشان، کاربردهای مفید و گسترده‌ای در زندگی مدرن دارند:

پزشکی:تشخیص: تزریق مقدار بسیار کمی از ایزوتوپ‌های ناپایدار (مانند تکنسیوم-99m) به بدن. این ایزوتوپ‌ها در اندام خاصی جمع شده و پرتوهای گامای خود را گسیل می‌کنند. یک دوربین مخصوص این پرتوها را ثبت کرده و تصویری دقیق از عملکرد آن اندام ایجاد می‌کند. درمان: از پرتوهای قدرتمند حاصل از واپاشی (مانند پرتو گامای کبالت-60 یا ذرات بتا) برای از بین بردن سلول‌های سرطانی استفاده می‌شود.

باستان‌شناسی و زمین‌شناسی (تعیین عمر): این روش، معروف به تاریخ‌گذاری رادیوکربن[15] است. کربن-14 یک ایزوتوپ ناپایدار از کربن است که در جو زمین به‌طور طبیعی تولید می‌شود و توسط موجودات زنده جذب می‌شود. با مرگ موجود زنده، جذب کربن-14 متوقف می‌شود و مقدار آن با نیمه‌عمر 5730 سال شروع به کاهش می‌کند. با اندازه‌گیری نسبت کربن-14 باقی‌مانده به کربن-12 (پایدار) در یک فسیل یا شیء باستانی، می‌توان زمان مرگ آن موجود یا توقف استفاده از آن شیء چوبی را تخمین زد.

صنعت و کشاورزی: از پرتوها برای سنجش ضخامت ورق‌های فلزی، استرلیزه کردن مواد غذایی (از بین بردن میکروب‌ها بدون گرم کردن)، و ایجاد جهش‌های مفید در دانه‌های گیاهی برای تولید گونه‌های مقاوم‌تر استفاده می‌شود.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

[1] واپاشی (Decay): فرآیند تبدیل خودبه‌خود یک هسته اتم ناپایدار به هسته‌ای دیگر با گسیل ذره یا انرژی.
[2] رادیواکتیویته (Radioactivity): خاصیت برخی مواد برای گسیل پرتوهای ناشی از واپاشی هسته‌ای.
[3] پروتون (Proton): ذره‌ای با بار مثبت در هسته اتم.
[4] نوترون (Neutron): ذره‌ای بدون بار در هسته اتم.
[5] نیروی هسته‌ای قوی (Strong Nuclear Force): نیروی جاذبه بسیار قوی بین نوکلئون‌ها (پروتون‌ها و نوترون‌ها).
[6] رادیونوکلید (Radionuclide): اتمی با هسته ناپایدار که قابلیت واپاشی رادیواکتیو دارد.
[7] ایزوتوپ (Isotope): اتم‌های یک عنصر که تعداد پروتون یکسان ولی تعداد نوترون متفاوت دارند.
[8] واپاشی آلفا (Alpha Decay): گسیل ذره آلفا (هسته هلیوم-۴) از هسته.
[9] عدد اتمی (Atomic Number): تعداد پروتون‌های یک اتم که هویت عنصر را مشخص می‌کند.
[10] عدد جرمی (Mass Number): مجموع تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های یک هسته.
[11] واپاشی بتا (Beta Decay): گسیل الکترون یا پوزیترون از هسته.
[12] پوزیترون (Positron): پادذره الکترون، با جرم مساوی اما بار مثبت.
[13] پرتو گاما (Gamma Ray): موج الکترومغناطیسی با انرژی بسیار بالا و طول موج بسیار کوتاه.
[14] نیمه‌عمر (Half-life): زمان لازم برای واپاشی نصف اتم‌های یک نمونه رادیواکتیو.
[15] تاریخ‌گذاری رادیوکربن (Radiocarbon Dating): روش تعیین سن مواد باستانی بر پایه اندازه‌گیری میزان کربن-۱۴ باقی‌مانده.