الإشعاع النووي الناشط radioactive radiation هو سيل من الجسيمات العالية الطاقة التي ترافق التفكك التلقائي spontenous dissociation الذي تتمتع به أنواع معينة من النوى الذرية غير المستقرة. وهناك ثلاثة أنواع من الإشعاعات النووية الناشطة: إشعاع ألفا a وإشعاع بيتا β وإشعاع غاما γ ولكل منها ميزات خاصة غير أن لها جميعاً خواص مشتركة. وتكشف آثار الجسيمات المشحونة أو مساراتها باستخدام حجرة وِلْسُن Wilson أو حجرة الضباب cloud chamber وهي تتألف من حجرة محكمة الإغلاق مُلئت بغاز معين وتحتوي على كمية كافية من سائل (كحول+ ماء) بخاره مشبع وفيها مكبس متحرك إذا زيد حجم الحجرة فجأة بإزاحته سبّب التمدد المكظوم تبرداً وصار البخار فائق الإشباع قابلاً للتكاثف فإذا وُجدت في الحجرة جسيمات مشحونة حصل التكاثف عليها وظهرت آثار الجسيمات ومساراتها، وأمكن رؤيتها في ضوء مناسب أو تصويرها.
إشعاع ألفا
هو جسيمات مادية ذات شحنة كهربائية موجبة تساوي ضعف شحنة الإلكترون، أي 3.2 × 10-19 كولون، وذات كتلة أكبر من كتلته وتساوي 6.2 × 10-27 كغ، وليس جسيم ألفا إلا نواة الهليوم 2He4 (بروتونان + نترونان). إن كتلة جسيم ألفا وشحنته مستقلتان عن العنصر المشع الذي يصدره، وتُراوح طاقة جسيمات ألفا التي تصدرها العناصر المشعة الشائعة الاستعمال بين (5و 10) مليون إلكترون فولط (م. إ. ف) وعدد الجسيمات التي تصدر في الثانية كبير جداً، فمثلاً يُصْدِر غرامٌ واحد من اليورانيوم 235 عدداً منها يبلغ (64) ألفاً في الثانية، ويصدر غرام من البلوتونيوم 239 عدداً يبلغ (2.3) مليار في الثانية.
أما مسارات جسيمات ألفا فهي مسارات مستقيمة وقصيرة، كما تظهرها حجرة وِلْسُن، ويرجع ذلك إلى كونها جسيمات ثقيلة، فهي لا تنحرف لدى اصطدامها بذرةٍ ما مالم تُصِبها في جوار النواة. ويتوقف هذا المسار على عدد من العوامل أهمها طاقة الجسيم أو سرعته وطبيعة المادة التي تخترقها.
وهناك صيغ تجريبية تعطي المسار «مس» في الهواء بدلالة الطاقة «طا»، منها الصيغة التالية التي تصلح في المجال مابين 8.3 مليون إِلكترون
فولط (م. إِ. ف) مس (سم) = 0.318طا3/2 (1)
حيث تقدر الطاقة طا بـ (م. إِ. ف). ويراوح طول المسار في الهواء بين 2 و10سم: (اليورانيوم 2.6سم والراديوم 3.4سم والبولونيوم 3.9سم).
ويمكن القول إن جسيمات ألفا تفقد من طاقتها 2 م. إِ. ف في كل سنتمتر من مسارها في الهواء. وهناك دساتير تمكِّن من حساب مسار جسيم ألفا في مادة عددها الذري Z فيما إذا عُرف مساره في الهواء.
 | مسارات جسيمات ألفا في حجرة ضباب تحوي نتروجين. إحدى جسيمات ألفا وقد أسرتها نواة نتروجين مما أفضى إلى انشاطر النواة المركبة إلى بروتون (المسار الرفيع) وأيون أكسجين (المسار السميك) |
وقد دلت نتائج التجارب على أن السرعات التي تصدُر بها جسيمات ألفا هي من رتبة 910 سم/ثا. وفي كثير من الحالات يتألف طيف الطاقة من خط واحد كما تدل على ذلك جسيمات ألفا في حجرة ولْسُن مثلاً، ممايدل على أن لكل جسيمات ألفا الصادرة عن هذا الصنف من العناصر السرعة نفسها. ويلاحظ في مجموعة كبيرة من العناصر إضافة إلى هذا الخط، وجود خطوط أخرى في جواره، ويوصف إشعاع ألفا في هذه الحالة بأنه ذو بنية دقيقة وأن طيفه خطي حاد.
ولما كانت الطاقة طا ترتبط مع السرعة سر بالعلاقة فإنه
 |
ينتج من هذا أن المسار مس يتناسب مع مكعب السرعة وفقاً للعلاقة (1) التي تكتب عندئذ كما يلي:
مس (سم) = 9.76 × 10-28سر3.
حيث تقدر السرعة سر بـ سم/ثا.
وعلى هذا يكون المسار نحو سنتمترين من أجل سرعة مقدارها (13) ألف كم/ثا، ويصبح ثلاثة أضعاف ذلك من أجل السرعة (20) ألف كم/ثا.
أما مايتصل بنفوذ جسيمات ألفا فقد تبين أنه ضعيف، وقد اصطُلح على أن يقدَّر تأثير وسطٍ ما، من حيث تبطئته الجسيمات التي تجتازه، بثخن طبقة الهواء التي لها التأثير نفسه والتي تعرف بالمدى range.
إشعاع بيتا
إن شحنة جسيم بيتا وكتلته لا تختلفان عن شحنة الإلكترون وكتلته.
| الشحنة | e= | 1.6 × 10-19 كولون |
الكتلة ك = 9.11 × 10-31 كغ
وجسيمات بيتا المشحونة سلباً(-β) ماهي إلا نيغاتونات، أي إلكترونات عادية كالأشعة المهبطية cathode rays. أما جسيمات بيتا المشحونة إيجاباً (+β) فليست سوى بوزِِتْرونات، أي إلكترونات موجبة. وتصدر أشعة بيتا +β عن النواة. ولما كانت الإلكترونات لا تنشأ من داخل النواة، فإن إصدار الإلكترونات هنا يتم خارج النواة نتيجة تحولٍ يقع في داخلها.
ويمكن فحص مسارات بيتا في حجرة ولْسُن، إلا أنه يوجد فارق أساسي بين جسيمات ألفا وبيتا يعود إلى أنه في إصدار جسيمات بيتا لا تكون الجسيمات ذات طاقة واحدة تقريباً كما هو الحال في إصدار ألفا، بل يكون لها مجموعة طاقات يعبَّر عنها بالقول إن لها طيف طاقة. ويوجد نمطان متميِّزان ظاهرياً لأطياف أشعة بيتا: أحدهما طيف خطي حاد، والآخر طيف مستمر. وقد تبين بما لا يقبل الشك أن الأطياف الخطية الحادة تعود إلى إلكترونات كانت قد طرحتها طبقات الذرة المختلفة بفعل إشعاعات غاما الصادرة عن نواة الذرة نفسها أو الذرات المجاورة. أما طيف أشعة بيتا المستمر فهو الذي تولده الإلكترونات التي كانت قد طرحتها نوى الذرات المشعة.
ويختلف طيف إشعاعات بيتا لعنصر ما اختلافاً بيِّناً عن معظم الأطياف الأخرى المميزة للعنصر نفسه من حيث أن هذه الأطياف المميزة هي أطياف خطية، سواءً أكانت ضوئية أم أشعة سينية أم أشعة ألفا أم أشعة غاما، في حين يكون طيف أشعة بيتا طيفاً مستمراً.
إن طاقة جسيمات بيتا التي تصدرها العناصر المشعة المستعملة تبلغ نحو 5 مليون إلكترون فولط عادة. وتتمتع جسيمات بيتا بسرعة عالية، إذ تصل سرعة الإشعاعات السريعة منها، والناتجة عن الثوريوم Th، إلى ما يقارب 0.999 من سرعة الضوء. وعلى الرغم من هذه السرعة العالية فإن كتلتها الخفيفة بالمقارنة بكتلة جسيم ألفا (كتلة جسيم بيتا أخف من كتلة جسيم ألفا بنحو 8000 مرة) تجعل مساراتها غير منتظمة إذ تنحرف عن مسارها في كل مرة تصطدم بذرة غاز، كما أن معظم الصدمات تحدث بالقرب من النوى.
وتتعين طاقات جسيمات أشعة بيتا الصادرة عن النظائر المشعة وسرعاتها بطرائق كثيرة، منها مثلاً قياس أنصاف أقطار تقوس مساراتها في حقل مغنطيسي معلوم الشدة.
ويمكن التحقق من أن المدى يساوي 0.8 من المسار على وجه التقريب. وتوجد صيغ تعطي المسارات بدلالة الكتلة السطحية كس (غ/سم2) (وهي كتلة واحدة السطوح من المادة ثخنها يساوي المسار (مس) وبدلالة الكتلة النوعية φ(غ/سم3) والطاقة طا، منها الصيغة التالية:
ك س(غ/سم2) = φ مس = 0.530 طا -0.106
إن الطاقة التي تظهر في هذه العلاقة هي الطاقة العظمى لجسيمات بيتا التي تُراوح قيمها بين 2.5 و20 مليون إلكترون فولط.
إن طول مسار إلكترون طاقته (80) كيلو (إ.ف) في الهواء يساوي 8سم، أي يساوي تقريباً طول مسار جسيم ألفا طاقته 8 ملايين (م.إ.ف)، وهذا يدل على أن طاقة جسيم بيتا (الإلكترون) أشد بمئة ضعف من طاقة جسيم ألفا. إن جسيمات بيتا أكثر نفوذاً من جسيمات ألفا. ويعود ذلك لسرعتها الكبيرة التي تصل حتى 250000 كم/ثا. وتقطع أشعة بيتا نحو 10 أمتار في الهواء إذا كانت طاقتها 3 ملايين (م.أ.ف)، أما أشعة بيتا الناتجة من الانشطار في الانفجارات النووية فطاقاتها لاتتجاوز 2 مليون (م.أ. ف)، ولا تتجاوز مساراتها 8 أمتار في الهواء، وبضع سنتمرات في الماء و0.1 سم فيالرصاص.
إشعاع غاما
إن الجسيمات التي تكوّن إشعاعات غاما ما هي إلا الفوتونات[ر] التي ليس لها شحنة أو كتلة، فهي لذلك لا تنحرف في الحقول الكهربائية أو المغنطيسية، وهي من طبيعة الأشعة السينية لكنها تصدر عن النواة في حين تصدر الأشعة السينية عن البنية الخارجية من نواة الذرة، كما أن لها أطوالاً موجية أقصر وطاقات أكبر من مثيلاتها في الأشعة السينية. وتُراوح أطوالها الموجية بين 5 × 10-3 و 5 × 10-1 أنغستروم (أنغستروم = 10-10 متر).
تصدر أشعة غاما عن نوى الذرات المشعة في عملية التفكك dissociation مصاحبة أشعة ألفا أو أشعة بيتا في أغلب الأحيان. فعندما تتحول ذرةٌ مصدرةً جسيم ألفا أو جسيم بيتا، فقد تبقى النواة الناتجة في حالةٍ مثارةٍ تؤدي بها إلى إصدار أشعة غاما لدى عودتها إلى حالات مثارة أدنى أو إلى الحالة الدنيا.
إن طاقة الإشعاع الكهرمغنطيسي تساوي الجداء h × تو، حيث تو: تواتر (تردد) الإشعاع وh: ثابت بلانك Planck، وقيمته 625،6 × 10-34 جول. ثانية وتُراوح طاقة الفوتونات في الحالة العامة بين بضعة آلاف إلكترون فولط وبضع مئات الملايين إلكترون فولط. ولا تظهر حجرة ولْسُن آثار أشعة غاما فيها لأنها معدومة الشحنة.
وتعد أشعة غاما أكثر الإشعاعات التي تصدرها المواد المشعة نفوذاً، فهي تنتقل بسرعة الضوء، لذلك كانت مساراتها مستقيمة وطويلة جداً. فيمكن لأشعة غاما أن تجتاز مئات الأمتار في الماء وعدة سنتمترات في الرصاص، وتنخفض شدة أكثرها نفوذاً إلى النصف لدى اختراقها صفيحة من الرصاص ثخنها 1.4سم.
ويمكن التفريق بين إشعاعات ألفا وبيتا وغاما من حيث مقدرة كل منها على النفوذ. فورقة كتابة عادية تكفي لامتصاص إشعاع ألفا، وتكفي وريقة من الألمنيوم لامتصاص إشعاع بيتا، أما أشعة غاما فلا تُمتص امتصاصاً كاملاً بأي منهما.
الخواص المشتركة للإشعاعات النووية الناشطة الثلاثة
تؤلق الإشعاعات بعض الأجسام: فبعض السوائل النقية تتألق عندما تخترقها أشعة غاما. ويكون لون التألق [ر] luminescence مائلاً إلى الزرقة ويمتد بعض المسافة في سوائل. ويختلف هذا التألق أساساً عن التفلور fluorescence الذي ينشأ عن تبادل الطاقة بين ذرات المادة.
وقد بين العالم الفيزيائي الروسي تشيرنكوف Tcherenkov أن هذا التألق لا تولده أشعة غاما مباشرة بل تولده الإلكترونات التي تتحرك بسرعة أكبر من السرعة الطورية phase velocityلانتشار الضوء في ذلك السائل. وتعرف هذه الظاهرة بأثر تشيرنكوف[ر]. وهي تحدث عندما يتحرك جسيم مشحون بسرعة تزيد على السرعة الطورية لانتشار الضوء في العازل. وهي تشبه ظاهرة أمواج الصدم الصوتية ولكنها هنا تولِّد تألقاً في السائل.
ويمكن مشاهدة هذه الظاهرة بوضع طبقة رقيقة من أحد أملاح الراديوم على كبريت الزنك فُيرى باستعمال مكبِّرة مناسبة تألقات يسببها اصطدام جسيمات ألفا بكبريت الزنك. وكانت هذه الطريقة البدائية هي الطريقة التي انطلق منها الباحثون لإجراء تجاربهم في النشاط الإشعاعي.
الإشعاعات تؤيِّن الذرات وتثيرها وتفكِّكها: ففي حالة التأين بإشعاعات ألفا وبيتا يعود الأمر أساساً إلى تأين مباشر يعقبه تأين ثانوي مهم جداً، لأن 40 في المئة من حوادث التأين بإشعاعات ألفا هي من التأين المباشر. ويتطلب إنتاج زوجين من الأيونات في الهواء طاقة تقدر بنحو 32.5 (إ. ف). ويكون التأين بإشعاعات ألفا أشد في نهاية المسارات لأنها تصبح أبطأ، لذلك فإن كثافة مسارات جسيمات ألفا تزداد عند نهايتها.
وينتج إلكترون طاقته تساوي 3 ملايين (م.إ.ف) نحو 25 زوجاً من الأيونات في السنتمتر الواحد في الهواء، في حين أن جسيم ألفا ذا الطاقة ذاتها ينتج 35000 زوج من الأيونات في السنتمتر الواحد من الهواء.
ويمكن لإشعاعات بيتا أن تولد تأيناً ثانوياً مهماً قد يصل إلى نحو 70 في المئة من مجموع التأينات، ويؤدي تباطؤ الجسيمات إلى إصدار إشعاع كهرمغنطيسي يدعى إشعاع الكبحbrake radiation أو bremsstrahlung الذي ينبغي أخذه بالحسبان. وأخيراً، وفي حالة أشعة غاما فإن مايحدث هو التأين غير المباشر فقط.
ويمكن للفوتونات الساقطة على المادة أن تؤثر وفق ثلاث آليات مختلفة إذ يتعلق احتمال حدوث كل آلية منها بطاقة الفوتونات وبالعدد الذري Z للمادة التي تجتازها.
أما الآلية الأولى فهي الأثر الكهرضوئي photoelectricity إذ تكون طاقة الفوتونات ضعيفة وقيمة Z مرتفعة. وبموجب هذا الأثر يتخلى الفوتون عن كل طاقته إلى الإلكترون المقذوف من المادة ثم يختفي تماماً.
وأما الآلية الثانية فهي أثر كُمْتون Compton، إذ يكون للفوتونات طاقة متوسطة وتكون Z ذات قيمة منخفضة. وفي هذه الآلية لا يفقد الفوتون المرتد على الإلكترون سوى جزء من طاقته الابتدائية، ويكتسب الإلكترون المقتلَع طاقة حركية بالفرق في الطاقة.
وأما الآلية الثالثة فهي إنتاج الزوجين pair production، وهي عملية يتطلب حدوثها فوتوناً ذا طاقة عالية (لا تقل عن مليون (إ. ف) تقريباً)، كما تكون قيمة Z عالية، ويفنى الفوتونفي هذه العملية وتستخدم طاقته لتوليد إلكترونين أو إلكترون سالب وإلكترون موجب (جسيم جديد موجب الشحنة) هو البوزِترون.
وفي هذه الحالات الثلاث، يكون الإلكترون المقذوف مع زوج الأيونين الناتج هو المسؤول عن التأين وليس الفوتون الوارد المعتدل؛ وهذا مايعنيه بالضبط التأين غير المباشر.
تولِّد الإشعاعات آثاراً كيمياوية مختلفة إذ يؤثر الإشعاع النووي الناشط في ألواح التصوير كما تفعل الأشعة السينية. فهو يحلل الماء ويلون باللون البنفسجي أو البني بعض المواد كالزجاج والكوارتز والمينا.
يرافق إصدار الإشعاع النووي الناشط تحرر طاقة: فإذا وضع جسم صلب مشع داخل أنبوب من الرصاص، فإن الأنبوب يمتص الإشعاع ويظهر كامل الطاقة بشكل حرارة. يطلق غرام واحد من الراديوم 135 حريرة في الساعة الواحدة، يعود 120 حريرة منها إلى جسيمات ألفا و9 حريرات إلى جسيمات بيتا و6 حريرات إلى جسيمات غاما.
إن مشكلة تحرير الطاقة هذه هي إحدى الصعوبات التي تعوق مشكلة التخلص من النفايات المشعة المتبقية من عمل المفاعلات النووية.
أخطار الإشعاع النووي الناشط واستخداماته
يؤثر الإشعاع في أنسجة الحيوان والنبات، وتؤلف الإشعاعات ذات الطاقة العالية خطراً على الأنسجة الحية، إذ تستطيع بهذه الطاقة أن تفكك الجزيئات المعقدة للأنسجة الحية وأن تقتل الخلايا وأن تحوّل جزيئات البنى الحيوية إلى أشكال غريبة أو أن تنتج بعض الحروق.
ولا تؤلف أشعة بيتا خطراً على الإنسان، إذ تكفي الملابس والجلد لوقاية الأعضاء الأساسية من أخطارها، وجسيمات ألفا أقل خطراً من أشعة بيتا لأنها أقل منها نفوذاً. أما أشعة غاما فهي أشد خطراً من أشعة ألفا وأشعة بيتا لأنها أشد منهما نفوذاً.
ومن جهة ثانية يمكن استخدام الأشعة النفوذة بطريقة المعالجة «الكورية» نسبة إلى العالم كوري لقتل الخلايا السرطانية من دون إلحاق أي ضرر بالخلايا المجاورة لها [ر. الأشعة(المعالجة بـ ـ)].
أنواع التلوث البيئى
