Skip to main content
Global

17.1: النظائر المشعة

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    169284

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    تذكر أن الذرة هي أصغر مكون لعنصر يحتفظ بجميع الخصائص الكيميائية لهذا العنصر (انظر المادة). كما نوقش سابقًا، تحتوي الذرات على نيوترونات غير مشحونة وبروتونات موجبة الشحنة في النواة. تحيط الإلكترونات سالبة الشحنة بالنواة. يتم تحديد الكتلة الذرية للذرة من خلال عدد البروتونات والنيوترونات لأن كتلة الإلكترونات ضئيلة. يزن كل بروتون أو نيوترون وحدة كتلة ذرية واحدة (AMU). قيم الكتلة الذرية المعروضة في الجدول الدوري للعناصر ليست أرقامًا صحيحة لأنها تمثل متوسط الكتلة الذرية لذرات هذا العنصر (الشكل\(\PageIndex{a}\)). لا تحتوي ذرات العنصر نفسه بالضرورة على نفس الكتلة لأنها يمكن أن تختلف في عدد النيوترون.

    الخلايا التي تمثل الهيدروجين واليورانيوم من الجدول الدوري للعناصر.
    الشكل\(\PageIndex{a}\): العدد الكامل في كل خلية من الجدول الدوري هو العدد الذري، أو عدد البروتونات (1 للهيدروجين و 92 لليورانيوم). يظهر أيضًا رقم الكتلة الذرية، وهو متوسط عدد البروتونات والنيوترونات (1.01 للهيدروجين و238.03 لليورانيوم). تم قص الصور وتمييزها من المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية (المجال العام).

    النظائر هي أشكال مختلفة من نفس العنصر لها نفس عدد البروتونات، ولكن عددًا مختلفًا من النيوترونات. تحتوي بعض العناصر، مثل الكربون والبوتاسيوم واليورانيوم، على نظائر طبيعية. يحتوي الكربون 12، وهو أكثر نظائر الكربون شيوعًا، على ستة بروتونات وستة نيوترونات. لذلك، يبلغ عدد كتلته 12 (ستة بروتونات وستة نيوترونات) وعدد ذري 6 (مما يجعله كربونًا). يحتوي الكربون 14 على ستة بروتونات وثمانية نيوترونات. لذلك، يبلغ عدد كتلته 14 (ستة بروتونات وثمانية نيوترونات) والعدد الذري 6، مما يعني أنه لا يزال عنصر الكربون. هذان الشكلان البديلان من الكربون هما النظائر. بعض النظائر غير مستقرة وتنبعث منها إشعاعات في شكل جزيئات وطاقة لتكوين عناصر أكثر استقرارًا. بعض أشكال الإشعاع خطيرة. وتسمى هذه النظائر المشعة أو النظائر المشعة (الشكل\(\PageIndex{b}\)). أثناء التحلل الإشعاعي، يمكن أن يتحول نوع واحد من الذرات إلى نوع آخر من الذرات بهذه الطريقة (الشكل\(\PageIndex{c}\)).

    نماذج البروتيوم والديوتيريوم والتريتيوم، وكلها نظائر للهيدروجين
    الشكل\(\PageIndex{b}\): نظائر الهيدروجين. تحتوي كل هذه الذرات على بروتون واحد (دائرة وردية تسمى «p +»)، لكن البروتيوم لا يحتوي على نيوترونات، والديوتيريوم يحتوي على نيوترون واحد (دائرة برتقالية تسمى «n»)، والتريتيوم يحتوي على نيوترونين. يقع البروتون والنيوترون (النيوترونات) في مركز الذرة (النواة). يدور إلكترون (دائرة زرقاء تسمى «e - «) حول كل نواة ذرة. صورة من المركز الوطني لتطوير النظائر/برنامج نظائر وزارة الطاقة الأمريكية (المجال العام).
    تتحلل ذرة الكربون 14 إلى النيتروجين 14، مما يؤدي إلى إطلاق الإشعاع
    الشكل\(\PageIndex{c}\): يحتوي نظير الكربون المشع (كربون-14) على ستة بروتونات وثمانية نيوترونات. يتحلل إلى نظير مستقر للنيتروجين (النيتروجين 14)، الذي يحتوي على سبعة بروتونات وسبعة نيوترونات. يطلق التحلل الإشعاعي الإشعاع. (النوع المحدد من الإشعاع الذي يحدث في هذا المثال يسمى تحلل بيتا ناقص، β-.) يتحلل الكربون 14 بمعدل يمكن التنبؤ به، حيث يتحلل نصفه كل 57 إلى 30 عامًا. لأن الكربون وفير في الكائنات الحية, يشيع استخدام معدل التحلل المتوقع هذا لتأريخ الحفريات. صورة من CDC (المجال العام).

    نصف الحياة

    عمر النصف هو مقدار الوقت الذي يستغرقه نصف النظير المشع الأصلي للتحلل (الشكل\(\PageIndex{d}\)). على سبيل المثال، يبلغ نصف عمر اليورانيوم 238 حوالي 4.5 مليار سنة. بعد 4.5 مليار سنة، سيبقى فقط نصف (50٪) من الكمية الأصلية من اليورانيوم 238. سيتحلل الباقي إلى الثوريوم 234 (وهو أيضًا مادة مشعة ويتحلل بسرعة إلى سلسلة من النظائر المشعة، حتى يصبح في النهاية الرصاص 206، وهو أمر مستقر؛ الشكل\(\PageIndex{e-f}\)). بعد نصف عمر (9 مليارات سنة)، سيبقى نصف نسبة 50٪ فقط (25٪ من الأصل). بعد ثلاث فترات نصف عمر، سيبقى 12.5٪ فقط من اليورانيوم 238 الأصلي.

    رسم بياني لجزء العينة الأصلية التي تبقى بعد كل نصف عمر.
    الشكل\(\PageIndex{d}\): بعد كل نصف عمر، تتحلل 50٪ من النظائر المشعة. بعد نصف عمر واحد، تبقى 50٪ (1/2؛ 0.5) من النظائر المشعة. بعد نصف عمر، تبقى 25٪ فقط من النظائر المشعة الأصلية. بعد ثلاث فترات نصف عمر، تبلغ النسبة 12.5٪؛ أربع فترات نصف عمر = 6.25٪؛ خمسة فترات نصف عمر = 3.125٪. الصورة من قبل فرانكي وموريسون وولف/أوبنستاإكس (CC-BY). الوصول مجانًا على openstax.org.
    تتحلل نواة U-238، التي تتكون من العديد من البروتونات والنيوترونات إلى Th-235 عن طريق إطلاق بروتونين ونيوترونين.
    الشكل\(\PageIndex{e}\): عندما يتحلل اليورانيوم 238 غير المستقر، فإنه ينبعث منه جسيم ألفا ()، وهو بروتونان ونيوترونان. هذا يغيره إلى عنصر جديد (الثوريوم-234). الصورة من أوبنستاإكس (CC-BY). قم بتنزيله مجانًا على openstaxcollege.org.
    يتم تمثيل سلسلة اضمحلال اليورانيوم 238 بسلسلة من النظائر المرتبطة بالسهام
    الشكل\(\PageIndex{f}\): سلسلة اضمحلال اليورانيوم 238. يتم سرد كل كتلة النظائر والعدد الذري ونصف العمر بالترتيب على يمين الرمز الذري. يتم تسمية كل سهم بنوع الإشعاع المنبعث: إشعاع ألفا (ألفا)، وهو بروتونان واثنين من النيوترونات، أو إشعاع بيتا (β)، وهو إلكترون عالي الطاقة. يستمر الاضمحلال من اليورانيوم حتى ينتهي بنظير مستقر (غير مشع)، الرصاص (Pb-206). الصورة من توساكا (CC-BY).

    التطور في العمل: تأريخ الكربون

    الكربون 14 (14 درجة مئوية) هو نظير مشع طبيعي يتم إنشاؤه في الغلاف الجوي بواسطة الأشعة الكونية. هذه عملية مستمرة، لذلك يتم دائمًا إنشاء المزيد من 14 درجة مئوية. مع تطور الكائن الحي، فإن المستوى النسبي لـ 14 درجة مئوية في جسمه يساوي تركيز 14 درجة مئوية في الغلاف الجوي. عندما يموت كائن حي، لم يعد يتناول 14 درجة مئوية، وبالتالي ستنخفض النسبة. تتحلل درجة حرارة 14 درجة مئوية إلى 14 نيوتن من خلال عملية تسمى تحلل بيتا؛ وتنتج الطاقة في هذه العملية البطيئة (الشكل\(\PageIndex{c}\)). بعد ما يقرب من 5730 عامًا، سيتم تحويل نصف تركيز البداية البالغ 14 درجة مئوية فقط إلى 14 نيوتن، ويُطلق على الوقت الذي يستغرقه نصف التركيز الأصلي للنظير للتحلل إلى شكله الأكثر استقرارًا اسم نصف عمره.

    نظرًا لأن عمر النصف البالغ 14 درجة مئوية طويل، فإنه يُستخدم لتحديد عمر الكائنات الحية سابقًا، مثل الحفريات. باستخدام نسبة تركيز 14 درجة مئوية الموجود في جسم ما إلى كمية 14 درجة مئوية المكتشفة في الغلاف الجوي، يمكن تحديد كمية النظائر التي لم تتحلل بعد. بناءً على هذا المبلغ، يمكن حساب عمر الحفرية بحوالي 50000 عام (الشكل\(\PageIndex{g}\) أدناه). تستخدم النظائر ذات نصف العمر الأطول، مثل البوتاسيوم 40، لحساب أعمار الحفريات القديمة. من خلال استخدام التأريخ الكربوني، يمكن للعلماء إعادة بناء البيئة والجغرافيا الحيوية للكائنات الحية التي تعيش خلال 50,000 سنة الماضية.

    رجلان يكشفان الأحفورة التي تبدو وكأنها أضلاع مدفونة في الأرض.
    الشكل\(\PageIndex{g}\): يمكن تحديد عمر البقايا التي تحتوي على الكربون والتي يقل عمرها عن 50,000 عام، مثل هذا الماموث القزم، باستخدام التأريخ الكربوني. (الائتمان: بيل فولكنر/NPS)

    تفاعلات الانشطار النووي

    تفاعلات الانشطار النووي هي تلك التي تنطوي على تقسيم نواة الذرة (الشكل\(\PageIndex{h}\)). يمكن استحداثها عن طريق تفجير العناصر المشعة بالنيوترونات. كما هو الحال مع التحلل الإشعاعي الطبيعي، فإن تفاعلات الانشطار النووي المستحثة تطلق الطاقة. يمكن استخدام الطاقة الحرارية المنبعثة عند الانشطار النووي لتوليد الكهرباء. هذا هو أساس الطاقة النووية. حاليًا، يتم استخدام اليورانيوم 235 (235 U؛ نظير اليورانيوم بكتلة ذرية 235) حاليًا كوقود لتفاعلات الانشطار النووي (الشكل\(\PageIndex{h}\)).

    يُظهر الانشطار النووي انقسام نواة الذرة. يُظهر الاندماج النووي اندماج نواتين صغيرتين.
    الشكل\(\PageIndex{h}\): الانشطار النووي والاندماج هما عمليات فيزيائية تنتج الطاقة من الذرات. يتضمن الانشطار النووي تقسيم نواة الذرة، لكن الاندماج النووي يتضمن الجمع بين نوى أصغر في نواة أكبر. الصورة من سارة هارمان/وزارة الطاقة الأمريكية (المجال العام).
    تُمثل مجموعة من الكرات الحمراء والزرقاء نواة U-235 التي تُضرب بالنيوترون (كرة حمراء) وتُقسم
    الشكل\(\PageIndex{i}\): يمكن تحفيز انشطار اليورانيوم 235 (235 U) عن طريق قصفه بالنيوترون. ينتج هذا U-236، وهو غير مستقر وينقسم إلى أجزاء انشطار ونيوترونات إضافية. يتم إطلاق الطاقة نتيجة لذلك. الكرات الحمراء هي نيوترونات، والكرات الزرقاء هي بروتونات. الصورة من كتب كولومبيا البريطانية المفتوحة (CC-BY).

    الإسناد

    تم تعديله بواسطة ميليسا ها من ماتر من علم الأحياء البيئي بواسطة ماثيو آر فيشر (مرخص بموجب CC-BY)