الإشعاع: المصادر

في منشور سابق تحدثت عن وحدات الإشعاعات المؤينة. الآن دعنا نتحدث عن مصادر الإشعاع.

لن أكتب هنا عن "أنه ليس عليك مسها" - لقد كتب الكثير عنها ، لكنني لست أوليغ آيزون وليس لدي صور فريدة من نوعها لمواد غير مشعة غير مسبوقة. سأقول بشكل عام - من أين يأتي الإشعاع.

الاضمحلال الإشعاعي كظاهرة

ما هو الاضمحلال المشع؟ شخص ما ، يستذكر المعرفة المدرسية ، سوف يجيب - هذه هي ظاهرة تحول بعض العناصر إلى عناصر أخرى. سيقدم شخص ما ، كقاعدة عامة ، تعريفًا غير دقيق على قدم المساواة. في الواقع ، فإن التحلل الإشعاعي هو أي تغيير تلقائي في حالة النواة الذرية كنظام من النكليونات ، مصحوبًا بإطلاق الطاقة ، والتي تتجاوز قيمتها ، كقاعدة عامة ، عدة فولتات إلكترونية. ثم يتم نقل هذه الطاقة عن طريق الجزيئات الأولية المنبعثة من النواة ، أو عن طريق الإشعاع الكهرومغناطيسي كوانتا ، أو نقلها إلى إلكترونات الذرة. في هذه الحالة ، يمكن أن تغير النواة نفسها شحنتها أو كتلتها أو تنقسم إلى نواة أو أكثر ، أو يمكن أن تبقى بمفردها ، فقط عن طريق الدخول في حالة أكثر استقرارًا.

خصائص "النواة" الخارجية التي يتم تحديدها بسهولة هي الكتلة A والشحنة (أو العدد الذري) Z ، المقاسة في شحنة وكتل البروتون. هذه هي القيم الصحيحة التي لها معنى فيزيائي لعدد الجسيمات المقابلة في تكوين النواة. تكون شحنة النيوترون صفرا ، والكتلة هي نفسها تقريبا كتلة البروتون ، لذلك احسب عدد النيوترونات: $$$N = A - Z$. تسمى النوى ذات التهم نفسها نظائر ، بنفس الكتل - إيزوبار ، إذا كان هو نفسه ، ثم ، والآخر ، نحن نتعامل مع الأيزومرات . يتم الرمز Z و A على يسار رمز العنصر في الفهارس السفلية والعلوية ، على التوالي.

يتضح مما قيل أنه من أجل تغيير Z ، يجب أن تترك النواة الجسيم المشحون ، ولكي تتغير A ، يجب أن يطير شيء أثقل من الإلكترون بعيدًا عن النواة. لذلك ، الخيارات التالية ممكنة:

- إلكترون و antineutrino أو بوزيترون و neutrino (تحلل بيتا) يطير - يتغير Z بواحد (يزيد في حالة الإلكترون ويقلل في حالة تحلل البوزيترون) ، A - لا يتغير ؛

$$

$${{} ^ {40} _ {19} K} \ rightarrow \ mathrm {{} ^ {40} _ {20} Ca} + e ^ - + \ bar {\ nu} _e$$

- على العكس ، يمكن أن تمتص النواة إلكترونًا من مستوى K للذرة (K - الالتقاط) - Z تزيد بمقدار واحد (كما في تحلل بيتا زائد) ، A لا يتغير ، ينبعث النيوترونات.

$$

$${{} ^ {40} _ {19} K} + e ^ - \ rightarrow \ mathrm {{} ^ {40} _ {18} Ar} + {\ nu} _e$$

- يطير جوهر الهيليوم -4 ، ما يسمى جسيم ألفا (تحلل ألفا) - تنخفض Z بمقدار 2 ، والنقصان A بمقدار 4 ؛

$$

$$^ {238} _ {92} {\ rm {U}} \ rightarrow ^ {234} _ {90} {\ rm {Th}} + \ alpha \ (^ 4_2 {\ rm {He})}$$

إن تحلل بيتا (والتقاط الإلكترون) هو تحويل أحد النيوترونات إلى بروتون أو العكس ، وهو مظهر من مظاهر التفاعل الضعيف الذي يعيد شحن "أحد الكواركات النكليونية". جنبا إلى جنب مع الإلكترون ، يتم دائمًا تكوين مضاد للأنيوترينو ، حيث يأخذ جزءًا من الطاقة ، بينما يتم إعادة توزيع الطاقة بينهما بشكل عشوائي. وبسبب هذا ، فإن طيف الطاقة للإشعاع التجريبي مستمر.

يحدث انحلال ألفا ببساطة لأن أي نواة أثقل من الحديد تكون أكثر ربحية بقوة "لفقدان الوزن". ولكن في حين أن هذا الكسب ليس أكثر من عدد قليل من MeV ، فإن حاجز الطاقة لإزالة جسيم ألفا أو أي جزء آخر من النواة مرتفع للغاية. وعندما يكون كسب الطاقة كبيراً بدرجة كافية (ولكن لا يزال أقل من طاقة الربط) ، يصبح من الممكن نفق جسيم ألفا خارج النواة. بالإضافة إلى جسيم ألفا ، يمكن أن يطير النيوترون أو البروتون من النواة في حالات نادرة للغاية ، أو أن النواة أثقل من جسيم ألفا. وأخيراً ، يمكن أن تقع النواة في عدة نوى ، بينما تنبعث منها عدة نيوترونات. هذه انشطار عفوي لا تستطيع سوى النوى الثقيلة أن تبدأ منه بالثوريوم واليورانيوم.
بعد حدوث الانحلال ، قد تظل هناك فائض من الطاقة في النواة ويجب أن تتخلص هذه النواة "المحسنة" بطريقة ما. للقيام بذلك ، تنبعث منها أشعة غاما واحد أو أكثر. في بعض الأحيان تحدث ظاهرة التحويل الداخلي أيضًا: لا تشع الطاقة على شكل فوتونات ، ولكنها تنتقل إلى الإلكترونات التي تخرج من الذرة. على عكس أشعة بيتا ، يكون للإلكترونات التحويلية طيف أحادي الطاقة (خطي).

في بعض الحالات ، يمكن أن يوجد لب الطاقة الزائدة لفترة طويلة ، وأحيانا حتى مئات السنين. لا يختلف عن نفس النواة "العادية" - لا بالشحنة ولا بالكتلة ، أي أنها نفس العنصر الكيميائي والنظير نفسه. لكن الايزومرات مختلفة. في معظم الأحيان ، لا يتجاوز عمر الأيزومرات القابلة للتحويل ساعات ، ولا يملك سوى عدد قليل منهم سنوات. لا يوجد سوى قلب واحد فقط تكون حالة الأيزومير فيه مستقرة: إنه التنتالوم 180. في الحالة الأرضية ، إنه نشط بيتا وقصير الأجل (نصف عمر 8 ساعات) ، ويبدو أن إيزومير التنتالوم 180 متر ، على ما يبدو ، يجب أن يذهب إلى الحالة الأرضية مع انبعاث طاقة أشعة غاما تبلغ 75 كيلو فولت ، أو الخضوع للتسوس التجريبي ، لم يلاحظها أحد على الإطلاق: هذه الأيزومر ، على عكس حالة الأرض القصيرة العمر ، مستقرة .

انحلال أيزومر نووي هو المثال الوحيد للتحلل الإشعاعي المصحوب حصريًا بإشعاع جاما . في جميع الحالات الأخرى ، يكون إشعاع جاما موجودًا على وجه الحصر مع إشعاع ألفا أو بيتا.
حول النظائر والأيزومرات ، قلنا. يبقى واحد آخر "iso" - هذه isobars. نوى بتهم نووية مختلفة ونفس الكتلة. عادة ما يكون لليزابار المستقر رسوم مختلفة حسب وحدتين ، وهناك دائمًا ما يكون هناك نظير مشع. من غير المحتمل وجود اثنين من الأيزابار المستقرة في الخلايا المجاورة للجدول الدوري - وتسمى هذه القاعدة بحكم Schukarev-Mattauch. يُعرف عنها استثناءان فقط: الأنتيمون والتيلوريوم 123 و الهافنيوم -18 والتنتالوم المذكور أعلاه - 180 متر.

الأشعة الكونية وغيرها من مصادر الإشعاع غير المشعة

بالإضافة إلى المواد المشعة ، تؤدي بعض العمليات والظواهر الأخرى ، الطبيعية والمتولدة من العقل البشري ، أيضًا إلى ظهور الإشعاع بخصائص مماثلة.

ربما تعرف عن الإشعاع الكوني. تملأ الأشعة الكونية الكون بأكمله ، فهي بروتونات ونوى أثقل ، وإلكترونات وأشعة جاما ذات طاقات عالية بشكل استثنائي. تصل الطاقة القصوى التي تسجلها الجزيئات الكونية إلى انحسار فولت الإلكترون! إنه كذلك $$$10 ^ {21}$فولت. ما هو مصدر هذه الجزيئات عالية الطاقة من المستحيل أن نقول بشكل لا لبس فيه ، ولكن الجسيمات وأشعة جاما مع طاقات معتدلة - من كيلو جيجا إلكترون فولت - يتم إنشاؤها بواسطة النجوم ، بما في ذلك شمسنا.

هذا هو ما يسمى الإشعاع الكوني الأساسي. لا يمكنك مواجهته إلا إذا دخلت في مدار أرضي منخفض ، أو على الأقل صعدت عشرات الكيلومترات. على الرغم من الطاقة العالية ، فإن هذه الجزيئات لا تصل إلى السطح. كل من هذه الجسيمات ، التي تطير في الجو ، تتسبب في سلسلة كاملة من التفاعلات النووية ، مما يؤدي إلى تشكيل العديد من الجزيئات - بشكل رئيسي الميونات - التي تصل بالفعل إلى الأرض. بالمناسبة ، فإنها تطير فقط بسبب تمدد الوقت النسبي: إن وجود وقت للميون - اثنين من الميكروثانية - دون أن يجعل من الممكن أن يطير ميون فقط نصف كيلومتر مع واحد صغير. وهناك حقيقة أخرى مثيرة للاهتمام تتعلق بالميونات الكونية: فهي مشحونة سالبًا ، ولكن الأشعة الكونية الأولية مشحونة إيجابًا ، لأنها تتكون أساسًا من البروتونات. هذا هو السبب في أن الأرض لها شحنة سالبة ، وأن الأيونوسفير موجب. بالقرب من سطح الأرض ، في المتوسط ​​، يطير موون واحد في كل سنتيمتر مربع في الدقيقة. حوالي ثلث الخلفية الطبيعية - حوالي 3.5 μR / ساعة - بسببها. وعلى الارتفاع الذي تطير فيه طائرات الركاب ، تخلق الأشعة الكونية معدل جرعة عدة ميكروسيفيرت في الساعة ، مما يشكل بالفعل خطراً معيناً على صحة الطيارين.


بالإضافة إلى الميونات ، هناك أيضًا إلكترونات ونيوترونات في الأشعة الكونية الثانوية. تلعب الأخيرة دورًا مهمًا في تشكيل النويدات المشعة الكونية المنشأ.

تتمتع الأشعة الكونية الثانوية بقوة اختراق عالية. لحماية نفسك منهم ، عليك الذهاب إلى الأقبية والألغام العميقة. بالطبع ، يتعين على المرء أن يدافع عن نفسه ليس لأنه ضار بالصحة - ولكن لأنه يتداخل مع اكتشاف الأحداث النادرة والضعيفة في تجارب الفيزياء النووية ، وقياس أنشطة النويدات المشعة الصغيرة ، إلخ. ولكن هناك بعض الفوائد منها: من خلال مساعدتهم ، من الممكن "تألق" الهياكل الجيولوجية ، الهياكل الكبيرة (مثل الأهرامات المصرية).

بالمناسبة ، فإن الغلاف الجوي للأرض يعادل حوالي متر من الرصاص للأشعة الكونية. ليس هناك جو واحد فقط يحمي الأرض وجميعنا من الأشعة الكونية - إلى جانب ذلك ، هناك مجال مغناطيسي يحرف الجزيئات المشحونة. ولكن ينبغي للمرء ألا يقلل من شأن الخصائص الواقية للغلاف الجوي. أثناء الانقلابات المغنطيسية الأرضية ، يمكن أن يختفي الدرع المغناطيسي للأرض عملياً لفترة زمنية معينة ، ولكن على عكس قصص الرعب التي يطلقها المنبهون ، فإن هذا لن يؤدي إلى توقف الحياة على الأرض ، وسوف يرتفع مستوى الإشعاع على السطح 2-3 مرات فقط.

تتسبب جزيئات الطاقة العالية التي تصل من الفضاء في تكوين دش للجسيمات ، والذي يغطي مساحة كبيرة ، مما يتسبب في التسجيل المتزامن للعديد من الجسيمات في أجهزة الكشف عن مسافات بعيدة. هذه هي ما يسمى الاستحمام الهواء واسعة. يتيح تسجيلهم بمساعدة مجموعة متنوعة من أجهزة الكشف المتباعدة تحديد طاقة الجسيم الأساسي ، وبهذه الطريقة يتم تحديد طاقات الجسيمات ذات الطاقة الأعلى للأشعة الكونية. بالإضافة إلى ذلك ، مثل هذه الجسيمات تسبب وميض قوي من إشعاع شيرينكوف في الغلاف الجوي.

المصادر الأرضية للانفجارات القصيرة لإشعاع جاما والإلكترونات عالية الطاقة هي البرق وغيرها من عمليات التصريف في الغلاف الجوي.

وعمل الأيدي البشرية هو العديد من الأجهزة التي تولد تيارات من جزيئات عالية الطاقة والكمية ، وليس بالضرورة عن قصد. خاصةً لهذا ، توجد أنابيب الأشعة السينية وأنواع مختلفة من المعجلات - من الأنابيب الصغيرة التي تتلاءم تقريبًا في راحة يدك ، إلى وحش LHC ، الذي يحتل أراضي العديد من البلدان. والمصادر ، كما يقولون باللغة الجافة للأوراق الرسمية ، من الأشعة السينية غير المستخدمة هي أي أجهزة كهروضوئية. لكنها عادة ما تكون قادرة على الخروج عندما يكون الجهد الكهربائي في الأنود عشرات الكيلوفولت. لذلك ، فإن مصادر الكينوترونات ذات الجهد العالي ومصابيح المغير النبضية ومصابيح الموجات الصغرية ذات الموجات المتحررة والكليسترونات وما إلى ذلك تصبح مصادر للأشعة السينية. في محطات الرادار. وأيضا - في أيدي مختلف عشاق التجارب المنزلية.

يمكنك سماع حقيقة أن مصدر إشعاع الأشعة السينية هو أنبوب الصورة للتلفزيون أو الشاشة. ربما ، ولكن عادة لا. والحقيقة هي أن الزجاج الموجود في أنبوب الصورة سميك للغاية ، وإشعاع الأشعة السينية عند جهد أنود يتراوح من 15 إلى 25 كيلو فولت ناعم جدًا بحيث لا يمكن المرور به عبر هذا الزجاج. فيما يلي أشرطة سينمائية من أجهزة تلفزيون الإسقاط ، والتي تعمل بجهد يصل إلى 50 كيلو فولت ولها أبعاد صغيرة وجدران رقيقة من اللمبة ، "X-rayed" على هذا النحو. ومن بين أجهزة التلفزيون ، قامت ULPTC بداراتها لتثبيت ثبات الأنود "بتمييز نفسها". في هذه الدائرة ، تم استخدام مصباح GP-5 ، الذي يعمل بجهد أنود مساوٍ للجهد في الأنود الثاني (أي 25 كيلو فولت) ، يمر تيار أنود ملحوظ من خلاله ، وكانت جدران هذا المصباح رفيعة. نتيجة لذلك ، أشرق بشكل مشرق في نطاق الأشعة السينية. من خلال وضع ورقة من ورق الصور ملفوفة في ورقة سوداء على جهاز تلفزيون كهذا ، يمكنك الحصول على لقطة واضحة من الدواخل الداخلية - خاصةً إذا قمت بإزالة الغطاء الواقي من المصباح.

ولكن سنعود إلى النشاط الإشعاعي.

أورانوس والثوريوم وبناتهم

أصبح اليورانيوم والثوريوم أول العناصر المشعة المعروفة للإنسان. اكتشفت هنري بيكريل إشعاعًا جديدًا مشابهًا للأشعة السينية على خام اليورانيوم ، وقد أنتجت منها ماريا سكلودوفسكا كوري الحبوب الأولى من الراديوم والبولونيوم.

هذه العناصر هي نوع من "جزر الاستقرار" في منتصف بحر من العناصر التي تكون حياتها قصيرة جدًا مقارنةً بحياة الأرض. لقد بقوا من الوقت الذي تشكلوا فيه في أحشاء سوبر نوفا ، خلال الانفجار الذي تشكلت فيه تلك الغازات والغبار ، والتي تشكل منها نظامنا الشمسي. وهي تقع في وسط العناصر التي يتم قياس فترات نصف عمرها بالدقائق والساعات والسنوات وآلاف السنين ... لذا ، فإن تغيير الخلية الموجودة في الجدول الدوري إلى الخلية الموجودة على اليمين (بتدهور بيتا) أو واحدة على اليسار ، يصبح هذا العنصر غير مستقر بدرجة أكبر عنصر مشع يتحلل مرة أخرى - وهكذا ، حتى تؤدي سلسلة التحلل أخيرًا إلى وجود عنصر ثابت - يؤدي أو البزموت.





في هذا الصدد ، في المناقشات التي تجري في مختلف منتديات القطع الأثرية المشعة مثل العدسات اليابانية أو زجاج اليورانيوم ، وكذلك تاريخ اليورانيوم المنضب في الأسلحة والطائرات ، يمكن للمرء في كثير من الأحيان سماع مغالطة: يقولون إن اليورانيوم والثوريوم من بواعث ألفا ويمكن في هذا الصدد أن ينشط نشاطهما الإشعاعي. أهمل إذا لم يدخل الجسم. نعم ، يخضع اليورانيوم 238 والثوريوم -232 لتحلل ألفا ، غير مصحوب بإشعاعات غاما. ومع ذلك ، فإن الأعضاء اللاحقين في سلسلة اليورانيوم 238 ، الذين تتحلل حالتهم سريعًا تلو الآخر إلى اليورانيوم طويل العمر -34 ، نشطون بيتا ، والبروتكتينيوم 234 م يعطي إشعاعات غاما مكثفة.

بالإضافة إلى ذلك ، في نظائر اليورانيوم الطبيعي ، بالإضافة إلى النظير 238 ، هناك دائمًا النظيران 235 و 234. النشاط المحدد لأول من اليورانيوم الطبيعي هو 21 مرة أقل من $$${} ^ {238} U$ومع ذلك ، فإنه يحتوي على إشعاع جاما مكثف ، مثل اليورانيوم 234 ، الذي يكون نشاطه دائمًا مساويًا لنشاط اليورانيوم 238 ، لأنه في حالة توازن علماني به. لذلك ، قطعة من اليورانيوم 238 تكفي "لتضيء" وتضيء الفيلم الذي يقع عليه لمدة ساعة. القصة مع الثوريوم هي نفسها ، والفرق الوحيد هو أن الثوريوم -232 المنعزل حديثًا هو في الحقيقة منبعث ألفا نقي تقريبًا ، وعلى سبيل المثال ، فإن زجاج الثوريوم الخاص بالعدسات اليابانية في وقت صنعها لم يكن يشكل خطرًا إشعاعيًا معينًا. ولكن مع استعادة التوازن فيه ، تزداد كثافة إشعاع بيتا وغاما للثوريوم خلال 10-15 عامًا بشكل كبير ، وذلك بسبب تراكم الراديوم - 228 والأعضاء اللاحقة في السلسلة - وصولًا إلى "التحية" النهائية للثاليوم -208 ، والذي يعطي درجة كبيرة إشعاع جاما الصلب مع طاقة 2.6 MeV. هذا الخط عادة ما يكون الأخير في أطياف جاما ، وبعده لا يوجد إلا إشعاع كوني.

وبطبيعة الحال ، فإن "ابنة" اليورانيوم 238 الأكثر شهرة هي الراديوم -226 ، وهي نفسها التي اكتشفها زوجي كوري واستخلص منها ماياكوفسكي عمله:

مضايقة كلمة واحدة ل
آلاف الأطنان من الخام اللفظي ...

ولكن لا يوجد تقريبا راديوم في اليورانيوم الطازج. أمامه 245 ألف سنة أخرى لانتظار انحسار اليورانيوم 234 ثم 75 ألف سنة - الثوريوم 230 مع الاسم الجميل "أيون". ولكن في خام اليورانيوم ، يكون الراديوم في حالة توازن مع اليورانيوم ونشاطه مساوٍ له ، وهو اليورانيوم ، والنشاط. لذلك ، يعد خام اليورانيوم أكثر نشاطًا من اليورانيوم نفسه.

هذا هو السبب في أن اليورانيوم الطازج ليس مصدرًا للرادون 222 (ناقص آخر أسطورة حول زجاج اليورانيوم).

يحتوي Thorium أيضًا على الراديوم الخاص به في صفه - مائتان وثمانية وعشرون. نظرًا لأن التوازن في سلسلة الثوريوم سريع التأسيس ، فإن الراديوم -228 ومعه الرادون -20 ، لم يعد طويلًا.

بضع كلمات عن غاز الرادون

الرادون هو غاز خامل. في هذا الصدد ، يبدو أنه لا ينبغي أن يكون لديه درجة عالية من السمية الإشعاعية ، نظرًا لأنه لا يتم امتصاصه عمليًا ولا يتراكم. لقد ظنوا ذلك لفترة طويلة ، وحتى عندما كانوا يعرفون الكثير عن مخاطر الإشعاع ، كانت حمامات الرادون هي أشهر طريقة للعلاج.

ولكن الحقيقة هي أن الرادون (أي اليورانيوم 222 ، واليورانيوم 220) ، الذي يقف في منتصف الصف المشع ، يتحول بسرعة إلى أحد النظائر المشعة للرصاص (214 للرادون و 212 للثورون) ، الذي يستقر في الرئتين ويبقى هناك إلى الأبد. بدلا من ذلك ، حتى تتحلل. وهو بالفعل (والأعضاء اللاحقون في السلسلة - في سلسلة اليورانيوم ، على سبيل المثال ، البولونيوم 210) يشعيع الرئتين بكفاءة وفعالية. إن غاز الرادون ومنتجات تسوسه هي التي تساهم بشكل رئيسي في جرعة الإشعاع السنوية.

بالمناسبة ، تسقط منتجات رادون الإشعاع المشع باستمرار على رؤوسنا. وإذا قمت بقياس إشعاع الخلفية في الشارع تحت أمطار غزيرة ، فقد اتضح أنه نما - وأحيانًا حتى مرتين إلى ثلاث مرات. هذا ليس "مطر تشيرنوبيل" وعواقب فوكوشيما ، إنه مجرد نتاج تسوس للرادون من جو طوله كيلومتر يتجمع على سطح الأرض.
بعد ذلك سوف يتحول الرصاص والبزموت 214 إلى رصاص 210 نسبيًا (22 عامًا) ، والذي يمكن استخدامه لتحديد مقدار الوقت الذي انقضى منذ اللحظة التي تم فيها حظر طبقة الرواسب في قاع البحر أو خزان آخر بطبقات جديدة.

كما يتم امتصاصها بسهولة بواسطة الأشنات ، على سبيل المثال ، طحالب الرنة ، والتي تتغذى عليها الغزلان. يكون تركيز منتجات ابنة تسوس الرادون في الأشنات أعلى كثيرًا من محتواها الأولي في مياه الأمطار والتربة. يصل محتوى الرصاص 210 في طحلب الرنة إلى 500 بيكريل / كغم ، مما يؤدي إلى نسبة عالية من هذا النوكلييد (وبالتالي البولونيوم 210) في لحم الرنة - وفي عظام ممثلي شعوب أقصى الشمال ، وهذا اللحم في والتي هي أيضا عالية في الرصاص 210) تتغذى. والنتيجة هي جرعة سنوية أعلى 35 مرة من مقيم ، على سبيل المثال ، موسكو.

حول البوتاسيوم والموز والبرتقال الأخرى

بالإضافة إلى اليورانيوم والثوريوم مع "بنات" ، فإن مصادر النشاط الإشعاعي الطبيعي هي عدد من العناصر التي لها ، بالإضافة إلى النظائر الطبيعية المستقرة المشعة. من بينها نظائر تم تشكيلها في عهد البازلاء قبل ولادة النظام الشمسي.عمر النصف ، مثل عمر اليورانيوم والثوريوم ، يتجاوز عمر النظام الشمسي ، وحتى الكون. البعض الآخر لديهم نصف حياة قصيرة نسبيا لا تسمح لهم بالبقاء على قيد الحياة من العصور القديمة. لا يمكن أن تتشكل أثناء تحلل النظائر المشعة الأخرى ، مما يعني أنه في مكان ما يجب أن يكون هناك مصدر مختلف لظهورها. هذه هي الأشعة الكونية.

البروتونات عالية السرعة ، التي تصطدم بنواة الذرات ، كلاهما يسبب تفاعلات نووية ، ويؤدي إلى ولادة نيوترونات وأشعة غاما عالية الطاقة ، مما يسبب تفاعلات نووية جديدة. ونتيجة لذلك ، يؤدي كل من البروتونات الكونية التي تطير إلى الغلاف الجوي إلى تكوين ليس فقط مجموعة من الميونات والإلكترونات ، ولكن أيضًا إلى تشكيل العديد من النويدات المشعة غير المستقرة للنوى. نظرًا لحقيقة تكوينها باستمرار ، فهي دائمًا موجودة في الجو ، على الرغم من العمر القصير نسبيًا (من ثوانٍ إلى آلاف السنين). ولعل أهم النويدات المشعة الكونية هو الكربون 14 ، الذي يتكون تحت تأثير الأشعة الكونية الناتجة عن النيتروجين. ومن الأمثلة الأخرى على البريليوم -7 ، والذي يتم اكتشافه بسهولة مع مياه تسوس الرادون بسهولة في مياه الأمطار عن طريق إشعاع جاما المميز ، التريتيوم.

, . -36 -10.
, «» ( ), — , -40. ( , -14) -40, — , -14 — 156 . , — 15 /.

خصوصية البوتاسيوم هو أنه العنصر الأكثر أهمية بالنسبة لأي شكل من أشكال الحياة تقريبا. وفي الوقت نفسه ، لا يمكن فصل البوتاسيوم عن البوتاسيوم 40 المشع ، والذي يسبب نشاطه الإشعاعي الملحوظ للغاية. نشاط جرام البوتاسيوم الطبيعي هو 31 بيكريل / جم ، ونشاط البوتاسيوم في جسم الإنسان حوالي 60 بكريل / كغ. يخلق هذا النشاط جرعة سنوية تبلغ 170 درجة مئوية في السنة - في مكان أقل بقليل من عُشر جرعة الإشعاع الكلية.

الموز ، كما تعلمون ، غني بالبوتاسيوم ، وبالتالي نظيره المشع. البوتاسيوم ، في الواقع ، هناك الكثير من الأشياء المشمش المجفف الغني ، والتمور ، والمكسرات ، والموز بشكل عام ليسوا رائدين ، لكن لا يزال هناك الكثير من البوتاسيوم. يحتوي الموز العادي على حوالي نصف جرام من البوتاسيوم ، والذي يتوافق مع 15-16 بيكريل من البوتاسيوم. هذا النشاط ، بالإضافة إلى المساهمة في جرعة الإشعاع الناجمة عن استهلاك موزة واحدة (تقدر بـ 0.1 μSv) خلال الحادث الذي وقع في جزيرة ثري مايل ، أطلق عليه مازح اسم "مكافئ الموز".

في الواقع ، فإن "مكافئ الموز" من حيث الجرعة هو ما يقرب من الصفر. والحقيقة هي أن تركيز البوتاسيوم في الجسم هو شيء ثابت جدا. يدرك الجسم أي انحراف خطير في تركيز البوتاسيوم في الأنسجة بشكل مؤلم للغاية ويحافظ بعناية على هذا التركيز ضمن حدود ضيقة. إذا دخل الكثير من البوتاسيوم إلى الجسم ، تفرز الكليتان الكثير من البوتاسيوم. لا يكفي البوتاسيوم - الكلى سيوفر البوتاسيوم بكل قوتهم. لكن محتواه في الجسم سيبقى دون تغيير. لذا فإن الموز الذي تم أكله لن يغير كمية البوتاسيوم في الجسم ، مما يعني أنه لن يخلق جرعة إضافية من الإشعاع.

لا يزال هناك روبيديوم -87. كما أنه يتصرف في الجسم مثل البوتاسيوم ، ولكن بسبب ندرته ، فإن مساهمته في الجرعة صغيرة - شيء في منطقة تبلغ 6 6Sv / year.

العمل اليدوي البشري

من اللحظة التي تم فيها اكتشاف النشاط الإشعاعي حتى عام 1934 ، تعامل العلماء فقط مع العناصر المشعة الموجودة في الطبيعة. في عام 1934 ، وجد فريدريك وإيرين جوليو كوري ، الذين يدرسون تشكيل النيوترونات الحرة تحت تأثير تدفق جسيمات ألفا ، أنه بعد توقف التشعيع ، يستمر هدف الألومنيوم في إطلاق بعض الجسيمات (التي تحولت لاحقًا إلى بوزيترونات) ، وقد تدهور تدفقها بسرعة. لذلك تم إجراء التوليف الاصطناعي الأول للنظير المشع:

$$

$${}^{27}_{13}Al + \alpha\rightarrow n+{}^{30}_{15}P$$

تم إثبات تكوُّن الفسفور المشع كيميائيًا: عندما تم إذابة الألومنيوم الذي أصبح مشعًا في حمض الهيدروكلوريك ، ذهب كل النشاط إلى الغاز المتحرر في صورة هيدروجين فوسفوري. ثم أظهر الزوجان Joliot-Curie أيضًا تشكيل نظائر مشعة اصطناعية أخرى: عن طريق تشعيع البورون بجزيئات ألفا ، تم الحصول على نيتروجين مشع ، وعن طريق تشعيع المغنيسيوم - الألومنيوم. لقد تحقق حلم الكيميائيون بتحويل بعض العناصر إلى عناصر أخرى. كان أكثر إنتاجية استخدام معجلات الجسيمات المشحونة التي تم إنشاؤها حديثًا ، والتي كان من الممكن من خلالها تجميع ليس فقط العديد من النظائر المشعة للعناصر المعروفة ، ولكن أيضًا تلك العناصر التي لم تكن موجودة في الطبيعة. أولها كان تكنيتيوم إميليو سيغري ، الذي تم اكتشافه في عام 1937 ، والذي أشار اسمه منذ ذلك الحين إلى أصله الاصطناعي. ثم كانت هناك فرنسا ، أستاتين ،ثم أول عناصر ما بعد اليورانيوم - النبتونيوم ، البلوتونيوم ...

أخيرًا ، تم اكتشافه ، وربما أقوى مصدر للنظائر الاصطناعية الجديدة: الانشطار النووي.

كما قلت أعلاه ، بالنسبة للنواة الثقيلة ، فإن الوجود الكامل لنواة كاملة أقل فائدة من تدميرها. ومع ذلك ، تظل النواة سليمة ، حيث يوجد حاجز طاقة كبير بين حالات "النواة بأكملها" و "الشظايا الفردية". إن احتمالية التغلب التلقائي على مثل هذا الحاجز حتى بالنسبة للأثقل نوى - اليورانيوم والثوريوم وعناصر اليورانيوم - ليست مهمة. يكون أكبر بكثير إذا كانت الشظية القابلة للانفصال عبارة عن جسيم ألفا ، والذي يحدد نشاط ألفا لهذه النوى. ولكن لا تزال هناك فرصة ضئيلة للغاية لتفتيت القلب إلى عدة "قطع" متطابقة تقريبًا والتي سوف تنفجر فورًا تحت تأثير التنافر الإلكتروستاتيكي. لكن احتمال الانشطار النووي يزداد بشكل حاد إذا تم "تسخين" اللب ، متحمسًا من قبل أي جسيم من الخارج. أسهل طريقة للقيام بذلك هي باستخدام النيوترون:لا يحتاج للتغلب على حاجز كولوم. يتم تشويه جوهر متحمس ثم كسر. من المهم ألا ينتج الانشطار عادة "شظايا" فحسب ، بل ينتج أيضًا نيوترونات حرة ، والتي تتحول أيضًا إلى القدرة على التسبب في الانشطار في نوى أخرى. هذه العملية هي أساس كل الطاقة النووية في عصرنا ، وتنتج عددًا كبيرًا من النظائر المشعة الأكثر تنوعًا: يمكن أن تكون "الشظايا" النووية موجودة تقريبًا ، ويمكننا اكتشافها وعزلها أم لا ، يتم تحديدها فقط حسب وقت حياتها. يمكن لتدفق النيوترونات القوي الناتج خلال تفاعل نووي مكثف (خاصة في انفجار نووي) أن ينتج عناصر عبرية ثقيلة للغاية. أصبح أينشتينيوم وفيرميوم "ذرية انفجار نووي". والبلوتونيوم الأخف وزنا ،يتم الحصول على كوريوم وكاليفورنيا في المفاعلات بكميات صناعية بالكامل.

, — , , , , , .

, ...

النظير المشع كمصدر إشعاع له خاصية واحدة ، وهي ميزة وعيوب على حد سواء. إنها "تعمل" من تلقاء نفسها ، لا تعتمد على أي شيء. من المستحيل "إيقاف" مصدر مشع - فقط إخفائه وراء طبقة سميكة من الرصاص.

لكن تفاعل الانشطار يمكن (ويجب) التحكم فيه. من الشروط الأساسية لحدوث تفاعل الانشطار المستدام ذاتياً أن عدد النيوترونات التي يتم إنتاجها أثناء أحداث الانشطار يكفي لملء كل من النيوترونات التي تنفق على الانشطار وتلك التي تركت المنطقة النشطة دون التسبب في الانشطار: تم امتصاصها أو التقاطها ، أو ببساطة طار وراءها. هذه حالة حرجة. يتشكل عدد أكبر من النيوترونات أكثر من اللازم - تسارع التفاعل ، مما يزيد من شدة أضعافا مضاعفة ، مثل الانهيار. لا يكفي النيوترونات - رد الفعل يموت.

عادة ما تعتبر المفاعلات النووية في المقام الأول مصادر للنيوترونات. حول مثل هذا المفاعل البحثي (أو عدة) ، يتم بناء مركز علمي كامل عادة فيه مجموعة متنوعة من الدراسات والتجارب ، والتي تتطلب تدفق نيوتروني مكثف. هذه هي الدراسات التي أجريت على التركيب البلوري باستخدام حيود النيوترون ، وطرق التحليل الكيميائي المختلفة القائمة على تحويل العناصر المستقرة إلى نظائر مشعة (تحليل تنشيط النيوترونات) ، ودراسة تأثير الإشعاع على المادة ، بما في ذلك الجزيئات الحيوية والكائنات الحية بشكل عام ، وأكثر من ذلك بكثير.

أحد الخيارات لمثل هذا المفاعل هو مفاعل نووي نابض. يشبه القنبلة الذرية تقريبًا من وجهة نظر بعض من يشهرون الفيزياء النووية: "إذا أخذنا قطعتين من اليورانيوم وجمعناها ، فسنحصل على قمع يبلغ قطره نصف ميل". هذا هو بالضبط ما يحدث في المفاعل النبضي: تتشكل كتلة حرجة للحظة عندما تطير قطعة من اليورانيوم بسرعة إلى أخرى. يمكن أن يكون انفجار النيوترون ، الذي يتم تشكيله في هذه الحالة ، أكثر شدة آلاف المرات من تدفق النيوترونات في مفاعل أبحاث أو طاقة تقليدية.

المفاعل النووي هو مصدر جيد للنيوترونات ، ولكنه ثابت ومكلف وضخم وخطير. في المختبر العادي أو في الحقل ، يتم استخدام كاليفورنيا - 252 ، التي تولد النيوترونات من خلال الانشطار التلقائي ، أو المصادر التي تستند إلى تفاعلات جسيمات ألفا مع البريليوم أو البورون أو الألومنيوم ، لإنتاج تدفق نيوتروني. ومع ذلك ، فإن هذه المصادر منخفضة الكثافة وتنتج حتما إشعاعات جاما مع النيوترونات. هذه المصادر لها بديل في شكل أنبوب نيوتروني يسمى.

في الواقع ، هذا أيضًا مفاعل ، فقط مفاعل نووي حراري : يتم إجراء تفاعل اندماج نووي في أنبوب نيوتروني. صحيح ، يتم إنفاق الكثير من الطاقة على تنفيذه أكثر مما يتم إصداره ، ولكنه يعطي تدفقًا نيوترونيًا. والأهم من ذلك أن أنبوب النيوترون المغلق آمن عمليا (باستثناء بعض التنشيط لعناصر هيكله ، وبعض كمية التريتيوم داخل الأنبوب) وبهذا المعنى يشبه أنبوب الأشعة السينية. يحدث الاندماج النووي على هدف من التريتيوم تحت تأثير نوى الديوتيريوم - الديوتريونات ، تتسارع من خلال تصريف الغاز في الديوتيريوم.

خاتمة

الإشعاعات المؤينة ليست ظاهرة جديدة. على عكس المعتقدات الشائعة (لقد كتبت بالفعل عن بعض الخرافات حول هذا الموضوع في المقالات السابقة) ، فإن نسبة مصادر الإشعاع البشرية المنشأ في الجرعة إلى الغالبية العظمى من الناس صغيرة جدًا. ومع ذلك ، فمن المصادر البشرية التي تشكل أكبر خطر من الضرر الإشعاعي الحاد . إن الإشعاع الأرضي الطبيعي لا يهدد الحياة بشكل مباشر تقريبًا - والاستثناء الوحيد هو العمل على تطوير بعض أغنى رواسب اليورانيوم. لكن المصادر الاصطناعية تمكنت بالفعل من قتل الكثير من الناس. هؤلاء هم علماء الفيزياء الذين عملوا مع اليورانيوم والبلوتونيوم ووقعوا تحت وطأة تفشي SCR ، وضحايا تفجير هيروشيما وناغازاكي ، وضحايا تشيرنوبيل وحوادث الإشعاع الأخرى الأقل شهرة. كانت هناك حالات أيضًا عندما قُتل أشخاص بسبب مصدر إشعاعي مفقود أو سُرق ، أو عندما وجد الناس أنفسهم عن غير قصد في منطقة من الإشعاعات الشديدة واكتسبوا جرعات مميتة في ثوانٍ.

سأقول عن هذا - أو بالأحرى ، عن السلامة من الإشعاع ، في المقالة التالية.

جميع المقالات في السلسلة

الإشعاع: مختبر أيام الكيمياء الإشعاعية
الإشعاع: الوحدات
الإشعاع: المخاطر والسلامة والحماية