العناصر الكيميائية المشعة

العناصر الكيميائية المشعة

  |   علوم

النظائر المشعة هي الشكل غير المستقر للعنصر الكيميائي الذي ينبعث منه الإشعاع ويتحول إلى شكل أكثر استقرارًا. تعقب تلك الإشعاعات يتم بسهولة لذلك تعتبر النظائر المشعة من اهم الوسائل المساعدة في قياس عمر الكائنات الحية والأحافير وتقدير نسبة ثاني الكربون في الجو خلال العصور المختلفة.

العناصر المشعة واستخداماتها

تستخدم العناصر المشعة في جوانب عديدة من حياتنا اليومية. ربما تظن أن استخدمها مقتصر على المجالات العسكرية او الصناعية او البحثية ولكنها تستخدم ايضا ميدنيا في المستشفيات والمنازل.

في المنازل

جهاز اكتشاف الدخانتستخدم المنازل الحديثة -التي تراعي شروط السلامة- جهاز لاكتشاف الدخان، يحتوي هذا الجهاز على قليلا من عنصر Americium-241، ولكن لماذا؟ يوجد هذا العنصر في حالة الاكسيد ويقوم باصدار جزيئات الفا مع اشعة منخفضة الطاقة. تمتص أشعة الفا في حساس الجهاز بينما تخرج أشعة جاما -الغير ضارة- خارج الجهاز.

تصتدم جزيئات الفا بكلا من الاكسجين والنيتروجين في غرفة تأين الكاشف لإنتاج جزيئات او ايونات مشحونة. يتم استخدام جهد كهربي صغير لتجميع الأيونات ولامداد قطبي الحساس بالتيار الكهربي.

عندما يدخل الدخان الى غرفة الحساس يمتص بعضا من جزيئات الفا مشوشا على نسبة التاين في الغرفة مما يؤدي الى فصل التيار الكهربي ليحين عمل جرس الانذار.

في الصناعة

تستخدم النظائر المشعة بأنواعها المختلفة لقياس سمك الصفائح المعدنية أو البلاستيكية. يعين سمك الصفائح من قوة الإشعاعات التي تخترق المواد التي يجري فحصها. يمكن أيضًا استخدامها بدلاً من اجهزة الأشعة السينية الكبيرة لفحص العيوب الهيكلية في الأجزاء المعدنية المصنعة.

ومن التطبيقات المهمة الأخرى التي يتم فيها استخدام النظائر المشعة كمصدر للطاقة الكهربائية في المركبات الفضائية فعلى سبيل المثال يتم استخدام عنصر plutonium-238 لتوليد الطاقة الحرارية التي تحول من خلال دوائر حرارية الى طاقة كهربية.

في المفاعلات النووية

في عام 1954 طور الاتحاد السوفيتي او محطة للطاقة النووية، بالرغم من الطاقة الناتجة من محطات الطاقة النووية نظيفة، فكل ما ينبعث من المحطة هو بخار الماء المستخدم في تبريد المفاعلات، الا انها تخلف قدرا كبيرا من النفايات النووية السامة التي يصعب التخلص منها.

حتى الآن ، يتم إنتاج ما يقرب من 15 ٪ من الكهرباء و 6 ٪ من طاقة العالم من خلال محطات الطاقة النووية. ومع ارتفاع أسعار الغاز فكرت العديد من الدول حول العالم في زيادة استخدام الطاقة النووية.

المفاعلات النوويةتكمن مشكلة الطاقة النووية في انها تتطلب تحكم وتنظيف بعناية لتشغيلها، فقد يتسبب سوء تنظيم الطاقة النووية في مشاكل كبيرة، مثل حادثة تشيرنوبيل في عام 1986. وحتى عندما يتم تنظيمها بشكل صحيح، يمكن أن تسبب النفايات تلوثًا يدوم لسنوات عديدة ويدمر الموارد الطبيعية.

في الزراعة

يمكن استخدام النظائر المشعة لقتل البكتيريا والحشرات الضارة بالنباتات والبذور. كما يمكن قياس معدل نمو جذور النبات من خلال وضع سماد نشط اشعاعيا في أعماق مختلفة من التربة. فعندما تصل الجذور إلى أعماق أكبر سوف تظهر النباتات نشاطًا إشعاعيًا مختلف.

ولتعيين معدل امتصاص بعض المواد الغذائية من النبات تخلط كمية صغيرة من الفسفور الراديوي مع الأسمدة ومع مرور الزمن يمكن ملاحظة نسبة امتصاص المواد الغذائية لفرع معين من خلال قياس النشاط الإشعاعي للفرع.

بالإضافة لإمكانية دراسة عملية البناء الضوئي للنباتات عن طريق استخدام النظير كربون-14 لتعيين نسبة المركبات العضوية.

استخدامات النظائر المشعة في الطب

النظائر المشعة، هي أنواع من العناصر الكيميائية التي يتم إنتاجها من خلال التحلل الطبيعي للذرات. يعتبر التعرض للإشعاع عمومًا ضارًا لجسم الإنسان، ولكن النظائر المشعة ذات قيمة عالية في الطب، وخاصة في تشخيص وعلاج بعض الامراض.

تستخدم النظائر المشعة في الأبحاث الطبية كدارسة العمليات الحيوية مثل البلع وتشخيص وعلاج الأمراض كالسرطان والكشف عن الأداء الوظيفي للأعضاء المختلفة، ومن النظائر المشعة الأكثر شيوعا المستخدمة في التشخيص هو عنصر Technetium-99. يتم تناول او استنشاق او حقن النظير المشع لينتشر خلال الجسم ليتقفى أثره من خلال الإشعاع الصادر منه.

يمكن التقاط الإشعاع الصادر باستخدام تقنيات تصوير خاصة مثل التصوير المقطعي المحوسب بإصدار فوتون واحد او التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني من خلال الصور الملتقطة يمكن فحص نمو العظام والكشف عن أداء الأعضاء المختلفة وتدفق الدم اليها. من حسن الحظ ان عمر النظائر قصير فتأثيرها يتلاشى قبل ان تسبب ضررا لجسم المريض.

ماهي انواع النظائر المشعة

  • الطبيعية: عناصر تتواجد في الطبيعة بشكل مباشر مثل الهيدروجين ويتواجد له ثلاث نظائر هي الديوتيريوم والتريتيوم والبروتيوم، كما يوجد للكربون ثلاث نظائر وهم كربون-12 ويعتبر قاعدة مرجعية للكتلة الذرية للعناصر وكربون-13 ذو الخصائص المغناطيسية وكربون-14 المستخدم لتقدير مع الاحافير والصخور.
  • الصناعية: هذه النظائر يتم تصنيعها في المختبرات النووية عن طريق قصف الجسيمات دون الذرية، وعادة ما يكون عمرها الافتراضي قصيرًا، ويرجع ذلك غالبًا إلى طبيعتها وإشعاعاتها الغير مستقرة. فعلى سبيل المثال عنصر الإيريديوم 192، يستخدم للتحقق من أن لحام الأنابيب ملحوم بإحكام، خاصة فيما يتعلق بأنابيب نقل النفط الخام والوقود. كما تستخدم بعض نظائر اليورانيوم في الأعمال النووية مثل توليد الكهرباء.

كيف استفاد الجيولوجيين من العناصر المشعة؟

تقدير عمر الحفرياتيستخدم الجيولوجيين وعلماء البيئة النظائر المشعة لتحديد عمر الصخور والحفريات الاثرية وبقايا النباتات، تستند الطريقة على ان النظائر تتحلل بمعدل ثابت.

من أشهر النظائر هو عنصر الكربون-14، ينتج هذا العنصر عندما تصطدم النيوترونات بالنيتروجين ليحل محل بروتون في نواة النيتروجين ويحوله إلى كربون -14، تقدر فترة نصف العمر لهذا النظير 5,730 سنة لذلك يستخدم كساعة بيولوجية لتعيين أعمار المواد العضوية التي يقدر عمرها ب 45000 سنة.

عند تكون كربون-14 فانه يختلط مع ثاني أكسيد الكربون الموجود بالهواء الجوي حتى يصل إلى النباتات والحيوانات. بطبيعة الحال يوجد بعض الكربون المشع وغير المشع في الكائنات الحية فبعد موت كائن ما تنخفض نسبة الكربون المشع تدريجيا و بقياس كمية النشاط الإشعاعي المتبقية في الكائن الحي يمكن تقدير نسبة الكربون-14 لحساب زمن الوفاة.

فعلى سبيل المثال إذا وجد عينة من الخشب تحتوي على نسبة كربون-14 تقدر بالنصف فان العمر المتوقع لعينة الخشب يساوي 5,730 سنة.

باستخدام احدى الطرق الاشعاعية وجد ان عمر مومياء مصرية يقدر بحوالي 2050 سنة وذلك من خلال عينة من القماش المحاط بها. ويوافق ان هذا الزمن عمر الاهرامات وفقا لحسابات المؤرخين.

اما عند الحاجة لتقدير عمر المواد غير عضوية مثل الاحافير والصخور وطبقات الأرض فإنه يستلزم استخدام عنصر ذو فترة عمرة نصف كبيرة، وفي هذه الحالة ساعة البوتاسيوم – أرجون هي الأنسب فتقدر فترة عمر النصف 1.25 مليار سنة، كما انه يقدر العمر بدقة حتى ولو كانت العينة صغيرة.

تستند ساعة البوتاسيوم – أرجون على تقدير نسبة البوتاسيوم الى غاز الأرجون الناتج عن تحلله عن طريق انبعاثات جسيمات بيتا.

متى يكون النظير غير مستقر

يصبح النظير غير مستقر عند وجود الكثير من النيوترونات في النواة. وعندما يحدث ذلك تحاول الذرة التخلص من النيوترونات الإضافية لتحقيق الاستقرار الذري. يأتي هذا الاستقرار من وجود توازن بين الشحنات والقوى الذرية، وهو ما لا يمكن أن يحدث عندما يتواجد الكثير من النيوترونات. فعندما تتخلص الذرة النيوترونات فإن ذلك يخلق إشعاعًا ويسمى هذا الانحلال الإشعاعي بينما النظائر المستقرة لا تتحلل.

اهم العناصر المشعة مع رموزها

كربون-12

يحتوي نواته على ستة بروتونات وستة نيوترونات، يمثل حوالي 99 في المائة من الكربون الطبيعي، يستخدمه الباحثون لقياس كتلة العناصر.

كربون-13

يستخدم مع النظير كربون-12 لدراسة تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي من خلال حلقات الأشجار والجليد. كما يستعين به علماء المناخ لتقدير نسبة امتصاص المحيطات لثاني أكسيد الكربون.

كربون-14

يستخدمه العلماء لقياس عمر الكائنات الحية ذات الاعمار السحيقة ويطلق على هذه الطريقة التاريخ بالكربون.

Americium -241

يستخدم في الحساس الخاص بأجهزة اكتشاف الدخان

Uranium-235

يتوجد هذا النظير في الطبيعة لكن بكميات صغيرة لذلك طورت بعض الطرق الصناعية لإنتاجه بكميات تجارية لاستخدامه كوقود نووي في المفاعلات.

ماري كوري

المؤلف - TheRecap

مجلة علوم عربية، أسسها طلاب كلية الطب بجامعة بنها وجامعات أخرى. تهدف إلى نشر الثقافة العلمية، والإحاطة بكل ما هو جديد في مجالات العلوم الطبية والطبيعية المختلفة والتكنولوجيا.