الكيمياء الاشعاعية

الكيمياء الاشعاعية Radiochemistry :
وهي فرع من فروع العلوم النووية التي تشمل الفيزياء النووية والتكنلوجيا النووية والكيمياء النووية والكيمياء الاشعاعية وتتداخل الكيمياء النووية مع الكيمياء الاشعاعية في مواضيعهما حيث تهتمان بدراسة العناصر المشعة وعمليات الانحلال الاشعاعي ونتائجه وتدرسان كيفية الوقايه من الاشعاع ووسائل الكشف عنه كما تدرسان كيفية استخدام هذا الاشعاع للاغراض الحياتيه المختلفه ( الطبيه والزراعيه والصناعيه والغذائيه والاستكشافيه ) كما تهتم بدراسة نوى الذرات ومكوناتها والعلاقه فيما بينها والطاقه المتحرره منها وتدرس التفاعلات النوويه التي تحدث نتيجة قصف النوى باشعاع معين وتدرس استخدام الطاقه النوويه لانتاج الكهرباء .

الدقائق النووية الاساسيه Principle Nuclear Particles :

يوجد في النواة دقائق عديده وصلت المعروفه منها 150 دقيقه ولا يعرف عنها الا الشئ القليل ويمكن تصنيفها حسب كتلتها الى :

1- الدقائق الخفيفه leptons : وهي الالكترون والنيترينو الذي يرمز له ? كتلته صفر وشحنته صفر لذلك فهو جسيم طاقي.
2-
3- الدقائق المتوسطه mesons : وتتراوح كتلتها من 280 – 1000 مره اكبر من كتلة الالكترون ومنها البيوتونات – ? , + ? , 0 ? والكاوونات K .
4-
5- الدقائق الثقيله baryons : ومنها البروتونات والنيوترونات.

القوى النووية Nuclear Forces :

تعتبر هذه القوى اشد القوى وتظهر كقوى جذب بين مكونات النواة مثلا n-n , p-n , p-p
ان هذه القوى قصيرة المدى حيث لايتجاوز مداها 10-12 سم أي بحدود نصف قطر النواة , ان القوى النوويه تسببها جسيمات صغيره تسمى الميزونات وهذه الجسيمات موجوده في الطبيعه وان التجاذب بين النويات يحصل بواسطة تيار مستمر من الميزونات بين النويدتين .

الاصناف النووية Nuclear Species :
وهي عناصرلها عدد معين من البروتونات وعدد معين من النيوترونات أي عدد كتله معين واصطلح ان يكتب عدد الكتله على الجهه العليا اليسرى من رمز العنصر وقد يكتب العدد الذري اسفله مثال ذلك :
, , ,
تقسم الاصناف النوويه الى أربعة أصناف وهي :

1- النظائر Isotopes :
وهي الاصناف النوويه التي تتساوى في اعدادها الذريه Z وتختلف في اعدادها الكتليه A أي انها تحتوي على اعداد مختلفه من النيوترونات n مثال على ذلك نظيري الكوبالت اعلاه وتقسم النظائر حسب نشاطها الاشعاعي الى :

A : النظائر المستقره :
وهي النظائر غير المشعه حيث ان نويداتها ثابته حيث على الاغلب تحتوي على عدد زوجي من البروتونات والنيوترونات . توجد حوالي 275 نواة مختلفه لاتظهر نشاطا اشعاعيا منها 60 % تمتلك عدد زوجي من n و p ومنها 40% تمتلك عدد زوجي من n وفردي من p أو العكس وتوجد فقط ستة نوى مستقره تمتلك عدد فردي من n وعدد فردي من p وهي :
, , , , ,

B : النظائر غير المستقره :
وهذه النظائر مشعه حيث ان نويداتها غير مستقره تتحول الى نويدات مستقره وذلك ببعثها اشعاعات مختلفه ناتجه عن تفاعلات نوويه فيما بين النويدات النوويه وهذه العمليه تسمى بالنشاط الاشعاعي واغلبها تحتوي على اعداد منفرده من البروتونات والنيوترونات , وتقسم النظائر الغير مستقره الى:.

1- Isobars :
وهي النويدات التي تحتوي على اعداد ذريه مختلفه واعداد كتله متساويه مثل :
, , .

2- Isotons : وهي النويدات التي تحتوي على اعداد متساويه من النيوترونات واعداد كتله مختلفه مثل :
, , .




3- Isomers : وهي نويدات لها نفس العدد الذري والعدد الكتلي ولكنهما يختلفان بالخصائص الاشعاعيه كشكل الانحلال وطاقته وعمر النصف وغالبا مايكون احدهما مشع والآخر مستقر مثلا :
, حيث يرمز للنويده المستقره g وتعني ground state وللنويده المشعه m وتعني metastable

التفاعل النووي والتفاعل الكيمياوي

التفاعل النووي التفاعل الكيمياوي
1- ذرات عنصر واحد معين تتحول الى ذرات عنصر آخر
2- البروتونات والنيوترونات ودقائق اخرى تشارك في التفاعل , في حين ان الالكترونات المداريه نادرا ماتشترك في التفاعل
3- التفاعل يصاحبه تغير كبير في الطاقه وتغيرات ممكن حسابها في الكتله
4- سرعة التفاعل تتاثر بعدد النوى ولاتتاثربدرجة الحراره او العوامل المساعده او نوع المركب المتواجد فيه العنصر المشع 1- ماده واحده تتحول الى ماده أخرى ولكن لاتتغير هوية الذرات
2- الالكترونات المداريه هي التي تشترك في التفاعل حيث تتكسر اواصر وتتكون اواصر غيرها وان الدقائق النوويه لاتشترك في التفاعل
3- التفاعل يصاحبه تغير طفيف في الطاقه بدون تغير في الكتله
4- سرعة التفاعل تتأثر بدرجة الحراره والتركيز والعوامل المساعده ونوع المركب المتواجد فيه العنصر



الاشعاع

ماهو الاشعاع ؟ الاشعاع من وجهة النظر الفيزياويه هو حاله فيزياويه تتواجد فيها أمواج كهرومغناطيسيه أو جسيمات تمتلك صفه موجيه لها طاقه معينه في بداية تكونه وطاقه أخرى في نهاية تكونه وينتهي الاشعاع عندما تصبح طاقته صفر.

تصنيف الاشعاع



1-الاشعاع الموجي :

A:الاشعاع المؤين : مثل اشعة ? واشعة X

B:الاشعاع غير المؤين : مثل الضوء العادي ( المرئي ) Visible. , الاشعه الفوق بنفسجيه U.V. , الاشعه تحت الحمراء I.R. , الليزر

2- الاشعاع الجسيمي ( كله مؤين ) :

A : جسيمات مشحونه : مثل p , ? ,?

B: جسيمات غير مشحونه :مثل n

تعتمد قابلية الاشعاع على التأين على مقدار طاقته والتي تحدد بالمقدار h? وكذلك على شحنته.

التأين :

هو عملية ازاحة احد الكترونات الذره وينتج عنها مايعرف بالزوج الآيوني ( ion pair ) وفي التفاعلات النوويه يحصل نوعين من االتاين:

1- التأين المباشر :
وهو تكوين الازواج الآيونيه مباشرة عند قصف الذره بدقيقه مشحونه لها طاقه كافيه لاحداث عملية التأين او تقصف بفوتونات ذات طاقه عاليه كافيه لاحداث عملية التأين
2- التأين غير المباشر :
وهو تكوين الازواج الآيونيه بصوره غير مباشره ويحدث عند قصف الذره بجسيمات غير مشحونه مثل النيوترونات حيث تتولد نتيجة ذلك جسيمات مشحونه تقوم بانجاز عملية التأين.

ملاحظه : الاشعه التي طاقتها تتراوح مابين 100 – 1000 الكترون فولت تعتبر اشعه مؤينه.

حساب طاقة الاشعه:

تحسب طاقة الاشعه بوحدات الجول أوالالكترون فولت ووحدة ال eV في الكيمياء الاشعاعيه تستخدم الوحدات التاليه:
eV : هو مقدار الطاقه المتحرره عند مرور شحنه مقدارها الكترون واحد بين نقطتين فرق الجهد بينهما فولت واحد أي ان
الطاقه بوحدة eV = شحنة الالكترون * 1 فولت
وبما ان الفولت هو الشغل المصروف لنقل وحدة الشحنه ( الفولت = جول / كولوم )
eV = 1.6 * 10-19 coul J / coul
eV = 1.6 * 10-19 J

العلاقه بين الطاقه بوحدة ev والطول الموجي للاشعاع بوحدة الانكستروم
E = h? =h c / ?
E = 6.63 * 10-34 J s * 3* 108 m s-1 / ? A0
1m = 1010 A0
1eV = 1.6 * 10-19 J
Eev = 12400 / ?(A0)

الاشعاع الموجي :

عباره عن امواج تتكون من مجالين متعامدين أحدهما كهربائي والاخر مغناطيسي وكلاهما عمودي على اتجاه سير الموجه ولهما طور واحد لذلك فالموجه تكون مستعرضه ذات ثلاثة ابعاد في المحاور الثلاثه.
خواص الموجه الكهرومغناطيسيه
1- سرعتها في الفراغ تساوي 3* 810 م / ثا
2- المجالان الكهربائي والمغناطيسي الذان يكوناها عموديان على بعضهما ولهما طور واحد
3- طاقة الموجه تتوزع بين المجالين بالتساوي
4- تختلف الامواج الكهرومغناطيسيه فيما بينها نتيجة اختلافها بالطاقه
5- يمكن ان تفقد الموجه طاقتها او تتحول طاقتها الى شكل اخر عند اصطدامها بالماده

انواع الاشعه الموجيه:

1- الاشعه السينيه X-RAY : يتراوح طولها الموجي 1 – 100 انكستروم وهي على نوعين :
• الاشعه السينيه المميزه
• الاشعه السينيه ذات الطيف المستمر
الاشعه السينيه المميزه :
ان الميكانيكيه العامه لتوليدها تتضمن خلع الكترون من مدارات الذرة الداخليه يتبعه املاء الفجوه التي تركها بالكترون من مدار اعلى واثناء عملية الانتقال لهذا الالكترون يبعث اشعه سينيه ممزه تميز كلا من المدار والذره الباعثه
طرق توليد الاشعه السينيه المميزه:

1 –التأثير الكهروضوئي : حيث يتم قصف ذره معينه بأشعة كاما او أشعة اكس المتفلوره ونتيجه لهذا القصف تحدث الميكانيكيه اعلاه .
2- قصف الذره بأشعه جسيميه ذات طاقه عاليه مثل سيل من الالكترونات او البروتونات اودقائق الفا تؤدي الى حدوث الميكانيكيه اعلاه
3- اثناء عملية التحول الداخلي حيث تحدث هذه العمليه للنويدات التي تشع اشعة كاما حيث ان هذه الاشعه عند امتصاصها من قبل احد الالكترونات المداريه القريبه من النواة فسوف يقذف هذا الالكترون وتحدث الميكانيكيه اعلاه
-4 الأسر الالكتروني : حيث تأسر نواة عنصر معين احد الكتروني الغلاف K القريب منها وتحدث الميكانيكيه اعلاه.

الاشعه السينيه ذات الطيف المستمر :

تسمى هذه الاشعه البرمشتالنك وهي كلمه المانيه تعني الكبح أو الابطاء للاشعه . فعند مرور الالكترونات المعجله في المجال الكهربائي للنواة الهدف تبدأ بالتباطؤ السريع نتيجه لتنافرها مع الكترونات الذره الهدف وهذا التنافر يؤدي الى انحراف مسارها , التباطؤ والانحراف يؤدي الى فقدان هذه الالكترونات جزء من طاقتها والتي يظهر على شكل اشعه سينيه ذات طيف مستمر وكلما ازداد العدد الذري للذره الهدف ازدادت شدة الاشعه المنبعثه

2- أشعة كاما ? :
تنطلق اشعة كاما من المصادر المشعه الطبيعيه أو الصناعيه اثناء عملية الانحلال الاشعاعي حيث ان النواة المتهيجه تعود الى حالة الاستقرار عند فقدانها للطاقه على شكل اشعة كاما , ان اهم مصدر معروف لاشعة كاما هو الكوبالت – 60 حيث انه اثناء عملية انحلال النيكاترون له ( تبعث نواته ?- بطاقه تساوي 0.31 الكترون فولت ) تبقى نواته متهيجه وتحمل طاقه مقدارها 2.5 Mev حيث تتخلص هذه النواة من الطاقه هذه بمرحلتين : الاولى انبعاث كاما بطاقه مقدارها 1.17 Mev والمرحله الثانيه انبعاث كاما بطاقه مقدارها 1.33 Mev والنتيجه الحصول على الوليده النيكل – 60


مقارنه بين اشعة اكس واشعة كاما :
اشعة اكس اشعة كاما
1- تنبعث عندما تعاني الالكترونات المداريه تغيرا في موقعها بين المدارات
2- طيفها قد يكون مستمرا او احديا
3- طيفها صفه مميزه للذرات
4- لايمكن تمييز النظائر المختلفه بواسطة طيفها
1- منشئها من نواة الذره حيث تنتج من التغيرات التي تحصل في النواة
2- طيفها مستمرا
3- طيفها صفه مميزه للنواة
4- يمكن ان يستخدم طيفها للتمييز بين النظائر المختلفه


س : ماسبب انبعاث اشعة كاما


الاشعاع الجسيمي:
جسيمات ? :
وهي عباره عن نواة ذرة الهيليوم ( بروتونين ونيوترونين ) تحمل دقائق الفا شحنه موجبه ثنائيه وكتلتها 4.002603 وحدة كتله ذريه وعند انبعاثها فان العدد الكتلي للام يقل بمقدار 4 وعددها الذري يقل بمقدار 2 , ونظرا للكتله الكبيره لها فانها تحتاج الى طاقه كبيره جدا لكي تتحرك بسرعه تقارب سرعة الضوء وعند هذه السرع تعتبر اشعاع موجي ويمكن تطبيق معادلة بلانك عليها

E= hv

وعندما تكون سرعتها قليله فانها تعد جسيما غير نسبي وتطبق عليها القوانين الكلاسيكيه لحركة الجسيم ,

E=mC2
ان المصدر الطبيعي لدقائق الفا هو انحلال اليورانيوم – 238 الى الثوريوم – 234 , ان مدى الفا قصير لذلك فان الورقه العاديه تكفي لايقافها وذلك لكتلتها الكبيره التي تجعلها تسير ببطئ مما يزيد من احتمالية تفاعلها مع الماده الماره خلالها مما يؤدي الى فقدانها لطاقتها وتوقفها كما ان التأين الذي تحدثه في المادة كبير بسبب شحنتها العاليه وسرعتها البطيئه التي تساعد على ذلك بشكل كبير

العلاقه بين طاقة الفا وطاقة الوليده وQ للتفاعل :
اثناء الانحلالات الاشعاعيه تنبعث اشعة الفا مع الوليده الناتجه من الام المشعه وهناك علاقه بين طاقة اشعة الفا المنبعثه والوليده المرافقه لها وكما يلي:

E?= (A-4)/A x EQ
E?= energy of alpha particles, EQ energy of the daughter and A is the mass number of the daughter.


س : احسب الطاقه الحركيه لجسيم الفا المنبعث من انحلال 212Po والطاقه الحركيه للوليده المرتده 208Pb ؟

العلاقه بين طاقة الفا ومداها :

ان مقدار طاقة الفا الناتجه من التفاعلات النوويه تتراوح بين 4-9 Mev ان مدى جسيمات الفا قصير جدا ويحسب كالاتي :


يقاس R بوحدة ملغم / سم2 , A الوزن الذري للماده يقاس بالغرام يجب ان يحول الى ملغم , E يجب ان تقاس بوحدة ملغم . سم2 / ثا2 ويتم التحويل كالاتي :
E بوحدة ev تحول الى الجول ( كغم . م2 / ثا2 ) وهذه تحول الى ملغم . سم2 / ثا2
ومن مدى الفا يمكن حساب سمك الاختراق d لها
R?(z)=d x ?(z)

حيث ان ? كثافة الماده التي تمر خلالها الفا
س : احسب سمك اختراق الفا طاقتها 8.78 Mev عند قصفها لوح من الالمنيوم كثافته 5.9 غم / سم2 ووزنه الذري 26.98154 ؟
س : احسب مدى الفا في الهواء عند انبعاثها من انحلال البولونيوم – 212 اذا علمت ان الكتل الذريه للبولونيوم 211.98886 وللوليده 207.97665 ولالفا 4.002603 ؟



جسيمات بيتا (?)

هي عباره عن سيل من الالكترونات العالية السرعه تتولد في النواة وقد تكون سالبة الشحنه وتسمى النيكاترون او بيتا السالبه وقد تكون موجبة الشحنه وتسمى البوزترون او اشعة بيتا الموجبه وان الفارق الاساس بين اشعة بيتا والالكترونات المداريه هو ان الاخيره تنبعث من المدارات الذريه بينما اشعة بيتا بنوعيها تنبعث من النواة ويكون انبعاثها من النواة مصحوب بانبعاث جسيمات طاقيه عديمة الكتله والشحنه وتسمى ( النتريونو U ) وهي جسيمات طاقيهوهي لاتظهر مع الالكترونات المداريه.

العلاقه بين طاقة بيتا ومداها
ان مدى دقائق بيتا في الهواء كبير جدا وان مداها في الماده اكبر بكثير من دقائق الفا بسبب كتلتها المتناهيه في الصغر مقارنه مع جسيمات الفا تكون العلاقه عكسيه بين مدى اشعة بيتا والوزن الذري لمادة الوسط الذي تمر فيه وان مدى اشعة بيتا في الهواء يكون:

R?(air)= 0.542 x E?
يقاس المدى R بوحدة ملغم? سم2 .

النيترونات

• وهي احد الجسيمات النوويه التي لاتحمل شحنه وهي على انواع اعتمادا على طاقتها :

• 1 – النيوترونات الحراريه : وهي اهم انواع النيوترونات وطاقتها تساوي 0.025 الكترون فولت وتكون في حالة توازن حراري مع الوسط الذي تتحرك فيه .


• 2 – النيوترونات الفوق حراريه : تتولد نتيجه لتهدئة النيوترونات السريعه وتتراوح طاقتها بين 0.5 – 10 الكترون فولت .

• 3 – النيترونات السريعه : وهي ذات طاقه عاليه جدا وتتراوح بين 1 – 20 مليون الكترون فولت .
•
• 4 – النيوترونات البطيئه : طاقتها اقل من 0.025 الكترون فولت وهي عديمة الفائده.

مصادر النيترونات
• 1 – المصادر المشعه :
يمزج العنصر الهدف الذي يحوي على نيوترونات ضعيفة الارتباط مثل Be-9 مع عنصر مشع آخر ( الامريشيوم-241) الذي يستخدم كمصدر لتوليد دقائق الفا التي تتفاعل مع الهدف لتوليد النيوترونات

وقد يستخدم مصدر مشع لاشعة كاما وتسمى النيوترونات في هذه الحاله بالنيوترونات الضوئيه

• 2 – المعجلات :
• وهي اجهزه تستخدم المجال الكهربائي والمغناطيسي لتعجيل الجسيمات مثل البروتونات والالكترونات والنيوترونات , ولتوليد النيوترونات تستخدم البروتونات وعند سقوطها على الهدف يحدث التفاعل النووي بينهما مولدا نيوترونات ذات طاقه عاليه جدا
•
واهمها المعجل الخطي والمعجل الدائري ( السايكلترون ) ومعجل فان دي كراف.

3 – مولدات النيوترونات : وهي اجهزه اقل حجما من المعجلات تستخدم لتوليد نيوترونات ذات طاقه اقل حيث يجهز نظير بطاقه تصل الى 50 كيلو الكترون فولت ويقوم بقصف نظير آخر ساكن ويحدث تفاعل نووي يؤدي الى انتاج النيوترونات



4 – المفاعلات النوويه : تنتج النيوترونات في المفاعل نتيجه لعملية الانشطار النووي وتعد المفاعلات النوويه اهم مصادر النيوترونات الحراريه: