22.10: خلاصه
- Page ID
- 216005
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)یک هسته اتمی از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده است که در مجموع نوکلئون نامیده می شوند. اگرچه پروتون ها یکدیگر را دفع می کنند، هسته توسط یک نیروی کوتاه برد اما بسیار قوی به نام نیروی هسته ای قوی محکم در کنار هم نگه داشته می شود. یک هسته جرم کمتری نسبت به جرم کل نوکلئونهای تشکیل دهنده خود دارد. این جرم «گمشده» نقص جرمی است که به انرژی پیوندی تبدیل شده است که هسته را با توجه به معادله همارزی جرم-انرژی اینشتین، E = mc 2 نگه می دارد. از میان بسیاری از هسته هایی که وجود دارند، تنها تعداد کمی پایدار هستند. نوکلیدهای با تعداد زوج پروتون یا نوترون، یا آنهایی که تعداد جادویی نوکلئونها دارند، به احتمال زیاد پایدار هستند. این نوکلیدهای پایدار نوار باریکی از پایداری را در نموداری از تعداد پروتونها در مقابل تعداد نوترونها اشغال میکنند. انرژی اتصال در هر نوکلئون برای عناصر با عدد جرمی نزدیک به 56 بزرگترین است؛ اینها پایدارترین هسته ها هستند.
هسته ها می توانند واکنش هایی را انجام دهند که تعداد پروتون ها، تعداد نوترون ها یا حالت انرژی آنها را تغییر می دهد. بسیاری از ذرات مختلف می توانند در واکنش های هسته ای دخیل باشند. رایج ترین آنها پروتون ها، نوترون ها، پوزیترون ها (که الکترون های با بار مثبت هستند)، ذرات آلفا (α) (که هسته های هلیوم با انرژی بالا هستند)، ذرات بتا (β) (که الکترون های پر انرژی هستند) و پرتوهای گاما (γ) (که تابش الکترومغناطیسی با انرژی بالا را تشکیل می دهند) هستند. همانند واکنش های شیمیایی، واکنش های هسته ای همیشه متعادل هستند. هنگامی که یک واکنش هسته ای رخ می دهد، جرم کل (عدد) و بار کل بدون تغییر باقی می مانند.
هستههایی که نسبت n:p ناپایدار دارند دچار واپاشی رادیواکتیو خود به خودی میشوند. رایجترین انواع پرتوزایی عبارتند از واپاشی α، واپاشی β، گسیل γ، گسیل پوزیترون، و گیراندازی الکترون. واکنش های هسته ای نیز اغلب شامل اشعه γ می شوند و برخی از هسته ها با جذب الکترون از بین می روند. هر یک از این مدهای واپاشی منجر به تشکیل یک هسته جدید با نسبت n:p پایدارتر میشود. برخی از مواد تحت سری واپاشی رادیواکتیو قرار می گیرند و قبل از پایان یافتن به یک ایزوتوپ پایدار، چندین واپاشی را طی می کنند. تمام فرایندهای واپاشی هسته ای از سینتیک مرتبه اول پیروی می کنند و هر رادیوایزوتوپ نیمه عمر خاص خود را دارد، مدت زمانی که برای فروپاشی نیمی از اتم های آن لازم است. به دلیل تفاوتهای زیاد پایداری میان نوکلیدها، طیف بسیار گستردهای از نیمه عمرهای مواد رادیواکتیو وجود دارد. بسیاری از این مواد کاربردهای مفیدی در تشخیص و درمان پزشکی، تعیین سن اشیاء باستان شناسی و زمین شناسی و موارد دیگر پیدا کرده اند.
تولید اتمهای جدید با بمباران اتمهای دیگر با هستهها یا ذرات با سرعت بالا امکانپذیر است. فراوردههای این واکنشهای دگردیسی میتوانند پایدار یا پرتوزا باشند. تعدادی از عناصر مصنوعی، از جمله تکنسیوم، آستاتین و عناصر ترانس اورانیوم، به این روش تولید شده اند.
انرژی هسته ای و همچنین انفجار سلاح های هسته ای می توانند از طریق شکافت (واکنش هایی که در آن یک هسته سنگین به دو یا چند هسته سبک تر و چندین نوترون تقسیم می شود) تولید شوند. از آنجا که نوترون ها ممکن است واکنش های شکافت اضافی را هنگام ترکیب با سایر هسته های سنگین ایجاد کنند، یک واکنش زنجیره ای می تواند منجر شود. اگر فرآیند شکافت در یک راکتور هسته ای انجام شود، قدرت مفید به دست می آید. تبدیل هستههای سبک به هستههای سنگینتر (همجوشی) نیز تولید انرژی میکند. در حال حاضر، این انرژی به اندازه کافی موجود نیست و برای تولید انرژی تجاری بسیار گران است.
ترکیباتی که به عنوان ردیاب های رادیواکتیو شناخته می شوند می توانند برای پیگیری واکنش ها، ردیابی توزیع یک ماده، تشخیص و درمان شرایط پزشکی و موارد دیگر استفاده شوند. سایر مواد رادیواکتیو برای کنترل آفات، تجسم ساختارها، ارائه هشدارهای آتش و بسیاری از کاربردهای دیگر مفید هستند. صدها میلیون آزمایش و روش پزشکی هسته ای، با استفاده از طیف گسترده ای از رادیو ایزوتوپ ها با نیمه عمر نسبتا کوتاه، هر ساله در ایالات متحده انجام می شود. اکثر این رادیوایزوتوپها نیمه عمر نسبتا کوتاهی دارند؛ برخی از آنها به اندازه کافی کوتاه هستند که رادیوایزوتوپ باید در محل و در مراکز پزشکی ساخته شود. پرتودرمانی از پرتوهای پرانرژی برای کشتن سلول های سرطانی با آسیب رساندن به DNA آنها استفاده می کند. اشعه مورد استفاده برای این درمان ممکن است به صورت خارجی یا داخلی تحویل داده شود.
ما به طور مداوم در معرض تابش از انواع منابع طبیعی و تولید شده توسط انسان قرار می گیریم. این تابش میتواند موجودات زنده را تحت تأثیر قرار دهد. تابش یونیزان مضرترین است زیرا می تواند مولکول ها را یونیزه کند یا پیوندهای شیمیایی را بشکند، که به مولکول آسیب می رساند و باعث خرابی در فرایندهای سلولی می شود. همچنین می تواند رادیکال های هیدروکسیل واکنشی ایجاد کند که به مولکول های بیولوژیکی آسیب می رساند و فرآیندهای فیزیولوژیکی را مختل می کند. تابش می تواند باعث آسیب های جسمی یا ژنتیکی شود و برای سلول های سریع تولید مثل مضر است. انواع پرتوها در توانایی نفوذ به مواد و آسیب رساندن به بافت متفاوت هستند، ذرات آلفا کمترین نفوذ را دارند اما به طور بالقوه بیشترین آسیب را دارند و پرتوهای گاما بیشترین نفوذ را دارند.
دستگاه های مختلفی از جمله شمارنده های گایگر، سوسوزن ها و دزیمترها برای تشخیص و اندازه گیری تابش و نظارت بر قرار گرفتن در معرض تابش استفاده می شوند. ما از چندین واحد برای اندازه گیری تابش استفاده می کنیم: بکرل یا کوری برای میزان پوسیدگی رادیواکتیو؛ خاکستری یا راد برای جذب انرژی؛ و rems یا sieverts برای اثرات بیولوژیکی تابش. قرار گرفتن در معرض اشعه می تواند طیف گسترده ای از اثرات سلامتی، از جزئی تا شدید و از جمله مرگ را ایجاد کند. ما می توانیم اثرات تابش را با محافظت از مواد متراکم مانند سرب، دور شدن از منبع و محدود کردن زمان قرار گرفتن در معرض به حداقل برسانیم.