پرتوزایی یا رادیواکتیویته – فیزیک دوازدهم (۳)

زمان مطالعه: ۵ دقیقه

با سلام و احترام خدمت مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا به مبحث پرتوزایی یا رادیواکتیویته از کتاب فیزیک ۳ بپرداریم. پرتوزایی موضوعی مشترک در کتاب فیزیک ۳ برای هر دو رشته ریاضی و تجربی است.

پرتوزایی طبیعی

بعضی از هسته‌های اتم چه در طبیعت و چه آزمایشگاهی‌، ناپایدار هستند. لازم به ذکر است که هسته‌های ناپایدار به پرتوزا نیز موسوم هستند. این نام‌گذاری از این جهت است که این هسته‌ها به طور طبیعی یا اصطلاحاً خود به خودی دچار واپاشی می‌شوند. در این واپاشی نوع معینی از ذرات یا فوتون های پرانرژی آزاد یا گسیل می‌شوند. این فرایند واپاشی به پرتوزایی طبیعی موسوم است. پرتوزایی طبیعی توسط هانری بکرل هنگام بررسی وجود هسته اتم کشف شد.

در پرتوزایی طبیعی سه نوع پرتو ایجاد می‌شود:

  • پرتوهای آلفا \(\alpha\) : کمترین میزان نفوذ، با ورقه سربی به ضخامت خیلی کم  متوقف می‌شوند.
  • پرتوهای بتا \(\beta\) : نفوذ بیشتر نسبت به پرتو‌های آلفا  در ورقه سربی
  • پرتوهای گاما \(\gamma\) : بیشترین نفوذ در ورقه سربی

لازم به ذکر است که در تمامی فرایندهای پرتوزایی‌ مشاهده می‌شود که تعداد نوکلئون‌ها در طی فرآیند واپاشی هسته‌ای پایسته است. بدین معنی که تعداد نوکلئون‌ها، پیش از فرایند پرتوزایی با تعداد نوکلئون‌ها پس از فرایند پرتوزایی برابر است.

نوکلئون : هستهٔ اتم از نوترون‌ها و پروتون‌ها تشکیل شده است که به طور کلی نوکلئون نامیده می‌شوند.

پرتوزایی یا واپاشی آلفا

در این نوع پرتوزایی که در نوکلئون یا هسته‌های سنگین رخ می‌دهد‌، هسته  با گسیل پرتو یا بهتر است بگوییم ذره آلفا دچار واپاشی می‌شود. آزمایشات مختلف نشان می‌دهد که ماهیت ذره‌ آلفا چیزی نیست جز هسته هلیم. توجه داشته باشید که هسته هلیم یعنی هلیم دوبار مثبت  (هیچ الکترونی ندارد).

پس ذره آلفا یا همان هلیوم دوبار مثبت یا به عبارتی هسته اتم هیلوم تنها از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده است. معادله واکنش واپاشی آلفا را می‌توان به صورت زیر نوشت.

\(_{Z}^{A}\textrm{X} \rightarrow _{Z-2}^{A+4}\textrm{Y} + _{2}^{4}\textrm{He}\)

مشاهده می‌کنید که تعداد نوکلئون‌ها (نوترون و پروتون) در معادله فوق، قبل و بعد از عمل پرتوزایی یا واپاشی یکسان است. در علم فیزیک هسته‌ای عموماً به X هسته مادر و به Y هسته دختر می‌گویند. به طور مثال در شکل زیر یک فرایند پرتوزایی آلفا نشان داده شده است.

پرتوزایی آلفا

ذرات آلفا سنگین و دارای بار مثبت هستند. بُرد ذرات الفا خیلی کوتاه هست و پس از طی مسافت کوتاهی در هوا (در حدود ۱ تا ۲ سانتی‌متر) و یا عبور از لایه‌های نازکی از مواد جذب می‌شوند. اگر ذرات الفا از راه تنفس یا گوارش وارد بدن شوند، باعث اسیب شدید به بافت‌های بدن می‌شوند. به همین جهت هنگام کار در ازمایشگاه‌های هسته‌ای حتما باید نکات ایمنی را رعایت کرد.

پرتوزایی با واپاشی بتا

واپاشی بتا می‌تواند بر دو نوع باشد:

  1. واپاشی بتا منفی
  2. واپاشی بتا مثبت

پرتوزایی یا واپاشی بتا‌، متداول‌ترین نوع واپاشی است که در هسته‌های سنگین رخ می‌دهد و منجر به گسیل ذرات بتا می‌شود. ماهیت ذرات بتا‌، الکترون است.

در اولین مواردی که از واپاشی بتا مشاهده شد‌، ماهیت ذره بتا، الکترون بود. به همین جهت به آن واپاشی بتای منفی می‌گویند. معادله واکنش واپاشی بتا منفی به صورت زیر است:

\(_{Z}^{A}\textrm{X} \rightarrow _{Z+1}^{A}\textrm{Y} + _{-1}^{0}\textrm{}e^{-}\)

در رابطه فوق نیز مشاهده می‌کنید که تعداد نوکلئون‌ها (نوترون و پروتون) در معادله فوق، قبل و بعد از عمل پرتوزایی یا واپاشی یکسان است. توجه داشته باشید که ذره بتا (الکترون) گسیل شده در این واپاشی‌، در هسته مادر وجود نداشته و همچنین از الکترون‌های مدار هسته مادر نیز نیست. ذره بتا یا همان الکترون گسیل شده از هسته مادر، وقتی به وجود می‌آید که درون هسته سنگین مادر، یک نوترون به پروتون و الکترون تبدیل می‌شود.

واپاشی بتا منفی

در واکنش بتا مثبت، ماهیت ذره گسیل شده نیز الکترون است، اما بار آن به جای  برابر با  است. در واقع ذره بتا مثبت، الکترون مثبت است. در فیزیک نام ذره الکترون مثبت‌، پوزیترون است که با نماد  یا  نمایش داده می‌شود. معادله واکنش واپاشی مثبت به صورت زیر است:

\(_{Z}^{A}\textrm{X} \rightarrow _{Z-1}^{A}\textrm{Y} + _{1}^{0}\textrm{}e^{+}\)

واپاشی بتا مثبت وقتی رخ می‌دهد که یکی از پروتون‌های درون هسته مادر‌، به یک نوترون و یک پوزیترون (الکترون مثبت) تبدیل شود. در واقع پوزیترون گسل شده از قبل در هسته مادر یا مدارهای الکترونی هسته مادر وجود ندارد. در شکل زیر مثالی از گسیل ذره بتا مثبت نشان داده شده است.

واپاشی بتا مثبت

پرتوزایی واپاشی گاما

عموم هسته‌های سنگین، پس از واپاشی آلفا یا بتا‌، در حالت برانگیخته قرار می‌گیرند. از آنجایی که هسته‌ها تمایل به پایداری دارند، با گسیل فوتون‌های بسیار پر انرژی (پرتو گاما) به حالت پایه می‌رسند.

در مقاله (طیف الکترومغناطیسی) دیدیم که امواج یا پرتوهای گاما‌، که در انتهای طیف الکترومغناطیسی قرار می‌گیرند‌، فرکانس بسیار بالایی دارند. همچنین دیدیم که هر موج الکترومغناطیسی می‌توانیم یک فوتون با فرکانس f نسبت دهیم. از آنجایی که فرکانس امواج (پرتو) گاما خیلی زیاد است، بر اساس رابطه  ، نتیجه می‌گیریم که انرژی پرتوهای گاما نیز بسیار زیاد است. به همین جهت به آن، فوتون های پر انرژی نیز می‌گویند.

انرژی امواج الکترومغاطیس

معادله واپاشی گاما به صورت زیر نوشته می‌شود.

\(_{Z}^{A}\textrm{}X^{*} \rightarrow _{Z}^{A}\textrm{X} + \gamma\)

مشاهده می‌کنید که در فرایند پرتوزایی گاما، مقدار A (عدد جرمی) و Z (عدد اتمی) تغییری نمی‌کند. تنها هسته مادر که در حالت برانگیخته است‌، با گسیل فوتون‌های پر انرژی یا همان پرتو گاما به حالت پایه می‌رسد. در مقاله (اصول لیزر) دیدیم که علامت * به معنی حالت برانگیخته است.

واپاشی گاما

واپاشی آلفا و آشکارسازهای دود

یکی از کاربردهای پرتوزایی ذرات آلفا، استفاده آن‌ها در آشکارسازهای دود است که تصویری از آن را در زیر مشاهده می‌کنید.

اشکارساز دود

شماتیکی ساده از مدار موجود در آشکارساز دود در زیر آورده شده است. مشاهده می‌کنید که در این مدار دو صفحه فلزی موازی کوچک قرار گرفته که در حدود ۱ سانتی‌متر از یکدیگر فاصله دارند.

آشکارساز دود

مقداری ماده پرتوزا که ذرات سنگین الفا را گسیل می‌کند، در وسط یکی از صفحه‌ها قرار می‌گیرد. ذرات الفا گسیل شده از این ماده پرتوزا‌، با مولکول‌های هوای بین دو صفحه برخورد و آن‌ها را یونیده می‌کنند. یعنی یون‌های مثبت و منفی از هوا به وجود می‌آید. ولتاژ اعمال شده به صفحات باعث می‌شود که یون‌های مثبت به سمت صفحه منفی و یون‌های منفی به سمت صفحه مثبت جذب شوند که در نتیجه جریانی در مدار متصل به صفحه‌ها به وجود می‌آید.

حال اگر ذرات دود میان این صفحات پر شوند، باعث کاهش جریان از حالت ابتدایی می‌شوند. چرا که یون‌هایی که به ذرات دود برخودر می‌کنند، عموماً خنثی می‌شوند. همین افت جریان از حالت طبیعی با علایم هشدار دهنده نظیر بوق و نور به کاربران اطلاع داده می‌شود.

امیدواریم تا این مقاله برای شما عزیزان مفید واقع شده باشد. در انتها پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقالات زیر نیز داشته باشید:

ساختار هسته اتم – فیزیک دوازدهم (۳)

سلف یا القاگر – فیزیک یازدهم (۲)

خطوط میدان الکتریکی – فیزیک یازدهم (۲)

جریان متناوب – فیزیک دوازدهم (۳)

اشکان ابوالحسنی، مدیریت واحد وبلاگ بین جو، کارشناس ارشد فوتونیک (گرایش مخابرات نوری) و دانشجوی دکتری در رشته مهندسی برق مخابرات - گرایش میدان و موج است. در پی علاقه ایشان به مباحث آموزشی، به تولید محتوا در حوزه فیزیک پیش از دانشگاه در وبلاگ بین جو نیز می‌پردازد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *