واپاشی طبیعی

تا اوایل قرن بیستم میلادی بر طبق نظریه اتمی جان دالتون که بیان می‌کرد اتم‌ها نه پدید می‌آیند و نه از بین می‌روند و همه اتم‌های یک عنصر، ویژگی‌های یکسان دارند. تصور بر این بود که تمام عناصر پایدار هستند، تا زمانی که در سال ۱۸۹۶، هانری بکرل، در حالی که مشغول بررسی فسفرسانس در نمک‌های اورانیوم بود، پرتوزایی را کشف کرد.(۱۹۰۳) کشف این پدیده دانشمندان را بر آن داشت تا دلیل پرتوزایی طبیعی را پیدا کنند. آزمایش‌های ارنست رادرفورد روی این پدیده، به کشف هسته اتم انجامید. بر پایه آزمایش‌های رادرفورد، هسته اتم بار الکتریکی مثبت دارد و بار مثبت هسته در ناحیه کوچکی از اتم متراکم شده است. بعدها مشخص شد بار مثبت هسته در اثر وجود پروتون هاست، با توجه به اینکه پروتون ها دارای بار مثبت هستند نیروی دافعه قوی الکترواستاتیکی بین آنها وجود دارد و همین امر باید باعث فروپاشی تمام هسته ها می تواند باشد که در عمل این چنین نیست پس باید به دنبال عاملی می‌بود تا پروتون‌ها را کنار هم نگه دارد تا در اثر نیروی کولنی میان پروتون‌ها از فروپاشی هسته جلو بگیرد.

پس از کشف نوترون از سوی جیمز چادویک در ۱۹۳۲، به مدت کوتاهی معلوم شد که نوترون دومین ذره تشکیل‌دهنده هسته و عامل اصلی پایداری یا واپاشی آن است. معمولاً اگر تعداد نوترون‌های هسته یک اتم 1/5 برابر تعداد پروتون‌هایش باشد، آن اتم پرتوزا می‌شود، ولی در یک قاعده کلی، همه عناصر سنگین‌تر از سرب پرتوزا هستند. در واپاشی رادیواکتیو یک هسته اتمی ناپایدار با انتشار ذره یا تابش به هسته‌ای سبکتر تبدیل می‌شود. در طی فرآیندهای واپاشی جرم مجموع هسته ها پس از فرآیند، اندکی کمتر از جرم هسته قبل از واپاشی است. این اختلاف جرم به صورت ذرات یا فوتون های پر انرژی آزاد می شود. این فرایند واپاشی پرتوزا، پرتوزایی طبیعی نامیده می‌شود.

پرتوزایی طبیعی به سه صورت اتفاق می افتد:

1. پرتوهای آلفا
2. پرتوهای بتا
3. پرتوهای گاما

واپاشی آلفا زا:

این ذرات از لحاظ بار، جرم و قدرت نفوذ با یکدیگر متمایز هستند. پرتوهای آلفا کمترین نفوذ را دارند، در ورقه نازک سربی باضخامت ناچیز(تقریبا 0.01نانومتر) متوقف می شوند در حالی که پرتوهای بتا مسافت خیلی بیشتری(تقریبا 0.1نانومتر) را در سرب نفوذ می‌کنند. پرتوهای گاما بیشترین نفوذ را دارند و می‌توانند از ورق های سربی به ضخامت قابل ملاحظه(تقریبا 100نانومتر) بگذرند. در تمام فرآیندهای واپاشی پرتوزا مشاهده شده است که تعداد نوکلئون ها در طی فرآیند واپاشی هسته ای پایسته است. یعنی تعداد نوکلئون های قبل از واپاشی با تعداد نوکلئون ها بعد از واپاشی مساوی است.

واپاشی آلفا

در واپاشی آلفا زا که در هسته های سنگین اتفاق می افتد، هسته با گسیل ذره $\alpha$ واپاشی می کند. ذرات آلفا پایدار هستند و جنس هسته اتم هلیوم هستند که دارای دو پروتون و دو نوترون است و دو بار الکتریکی مثبت نیز دارد. واپاشی آلفا به صورت زیر است:

$^{A}_{Z}X \to ^{4}_{2}\alpha + ^{A-4}_{Z-2}Y$

در این رابطه X هسته مادر و Y هسته دختر نامیده می شود. عدد اتمی هسته دختر 2 عدد و عدد جرمی هسته دختر 4 عدد از عدد اتمی و جرمی هسته مادر کمتر است.

ذره های آلفا سنگین هستند و بار مثبت دارند. برد این ذره ها کوتاه است. این ذرات پس از طی مسافت کوتاهی در هوا و یا با عبور از لایه ای نازک از مواد جذب می شوند. اگر این ذره ها از راه تنفس یا دستگاه گوارش وارد بدن شوند باعث آسیب جدی به بافت های بدن می‌شود. بنابراین باید مراقب بود که مواد آلفازا وارد بدن نشود. از واپاشی آلفا در آشکارساز های دود و اعلام خطر در منازل و ساختمان ها استفاده می شود.

واپاشی بتازا (الکترون زا)

واپاشی بتا

متداول ترین نوع واپاشی در هسته هاست و ذرات گسیل شده در این واپاشی را ذرات $\beta$ می نامند. این ذرات الکترون اند و به همین دلیل این واپاشی را واپاشی بتای منفی می نامند. الکترونی که در این واپاشی گسیل می شود، در هسته مادر وجود ندارد و همچنین یکی از الکترون های مداری اتم هم نیست. این الکترون وقتی به وجود می آید که نوترونی درون هسته به پروتون و الکترون تبدیل شود. فرآیند واپاشی به صورت زیر بیان می شود.

$^{A}_{Z}X \to + ^{A}_{Z+1}Y + ^{0}_{-1}e$

$^{1}_{0}N \to + ^{1}_{1}P + ^{0}_{-1}e$

واپاشی $\beta^{+}$

در نوع دیگری از فرآیند واپاشی بتا؛ ذره گسیل شده توسط هسته جرمی یکسان با الکترون دارد ولی به جای بار منفی دارای بار مثبت است دارد. به این الکترون مثبت، پوزیترون می گویند و با $\beta^{+}$ یا $e^{+}$ نشان می دهند.

این واپاشی زمانی رخ می دهد که یکی از پروتون های درون هسته به یک نوترون و یک پوزیترون تبدیل شود و سپس این پوزیترون از هسته گسیل می شود. فرآیند واپاشی به صورت زیر است:

$^{A}_{Z}X \to + ^{A}_{Z-1}Y + ^{0}_{+1}\beta$

واپاشی گاما

اغلب هسته ها پس ازواپاشی آلفا یا بتا درحالت برانگیخته قرار می‌گیرند و با گسیل فوتون های پر انرژی یعنی پرتوهای گاما به حالت پایه می رسند. در این فرآیند A و Z تغییر نمی کنند بلکه هسته برانگیخته که با علامت * مشخص شده است باگسیل پرتو گاما به حالت پایه می رسد. واپاشی گاما به صورت زیر بیان می‌شود:

$^{Z}_{Z}X^{\ast } \to + ^{Z}_{Z}X + ^{0}_{0}\gamma$

از پرتوهای گاما در جراحی غده های خوشخیم و سرطانی و همچنین رفع نقص ها در رگ های خونی استفاده می شود.

نحوه کار با شبیه ساز

برای کار با این شبیه ساز ابتدا از نوار لغزنده مربوطه، نوع واپاشی مورد نظر را انتخاب نموده و سپس هسته مادر را انتخاب نمایید و با قرار دادن تیک در مربع $\square$ مربوطه و اجرای شبیه ساز می توانید معادله واپاشی و شبیه ساز واپاشی را ملاحظه بفر مایید

در حین کار با شبیه ساز سعی کنید پاسخ سوالات زیر را بیابید:

1- پوزیترون تولید شده در واپاشی بتا زا چگونه تولید می شود؟

2- در واپاشی الکترون زا، الکترون تابش شده طی چه فرآیندی تولید می‌شود؟

3- اگر هسته عنصر لیتیم (Z=3 , A=8) یک پرتو آلفا و همزمان یک ذره بتا(الکترون) گسیل کند، به چه عنصری تبدیل می شود؟

بعد از کار با شبیه ساز می‌توانید به پرسش های زیر پاسخ دهید:

1- معادله واپاشی هسته مادر هنگام گسیل ذره آلفا را بنویسید.

2- در یک واپاشی بتا زا الکترون حاصل شده از واپاشی چگونه بوجود می آید؟

3-معادله واپاشی بتا زا از نوع پوزیترون را بنویسید.

4-معادله واپاشی بتا زا یک هسته مادر با گسیل الکترون را بنویسید.