. القنبلة الهيدروجينية
هي عبارة عن طاقة ناتجة من إندماج خليط من الديوتيريوم21H والتريتيوم31H وذلك بواسطة ضغطهما مع بعضهما في وجود حرارة ناتجة عن أنشطار نووي.
8.3. النظائر المشعة Isotopes
النظائر هي ذرات تحتوي أنويتها على نفس العدد من البروتونات ولكنها تختلف في عدد النيوترونات التي تحتويها. ويعني ذلك أن العدد الذري للعنصر الواحد لا يتغير في حين يتغير عدده الكتلي.
ولنظائر العنصر الواحد نفس الخواص الكيميائية حيث أن الخواص الكيميائية للعنصر يحددها عدده الذري، وعليه فإن النظائر المختلفة للعنصر لها جميعا نفس الخواص والتفاعلات الكيميائية بالرغم من إختلاف أوزانها الذرية.
الهيدروجين مثلا قد يوجد على ثلاث صور تحتوي نواة كل منها على بروتون واحد أي أن العدد الذري لها جميعا يساوي واحد ويدور حولها إلكترون واحد أيضا، بينما فيما بينها في عدد النيوترونات وبالتالي في عددها الكتلي، فالهيدروجين العادي لا يحتوي على أي نيوترون والهيدروجين العادي أو الثقيل (الديوتيريوم) يحتوي على نيوترون واحد ، أما الهيدروجين الثلاثي (التريتيوم) فيحتوي على نيوترونين بجانب البروتون.
وهكذا توجد نظائر متعددة لمختلف العناصر، كما يوجد كل عنصر في الطبيعة على شكل خليط من نظائره المختلفة بنسبة مئوية معينة.
فمثلا يوجد نظيرين للكلور في الطبيعة هما: الأول وزنه الذري يساوي 34.98 ويوجد بنسبة 75.4% والثاني وزنه الذري 36.98 ويوجد بنسبة 24.6% ، إذا الوزن الذري للكلور الموجود في الطبيعة وخليط من هذين النظيرين يساوي 35 46 ويمكن حسابه كالتالي:
(24.6/100 x 36.98) + ( 75.4/100 x 34 98) = 35.46
أنواع النظائر
تنقسم النظائر إلى نوعين:
النظائر المستقرة.
النظائر غير المستقرة أو النظائر المشعة.
وتنقسم النظائر المشعة إلى قسمين: نظائر مشعة طبيعية: وهي توجد في الطبيعة من خلق الله سبحانه وتعالى. ونظائر مشعة صناعية: هي من صنع الإنسان فقد تمكن من فضل الله تعالى من إنتاجها صناعيا ويستخدمها في الأغراض المختلفة.
10.3. إنتاج النظائر المشعة
يتم إنتاج النظائر المشعة المختلفة عند تعريض النظائر المستقرة لسيل من الجسيمات النووية كالنيوترونات أو البروتونات أو الديوترونات وكذلك عند تعريصها لجسيمات ألفا. ويستخدم لهذا الغرض المفاعلات النووية ومولدات النيوترونات كمصدر للنيوترونات، كذلك تستخدم المعجلات النووية كمصدر للجسيمات المشحونة كالبروتونات والديوترونات وجسيمات ألفا.
1.4. المفاعلات النووية Nuclear Reactors
المفاعل النووي عبارة عن منشأة يتم فيها إنشطار نووي متسلسل كما في الشكل (4-1) تحت السيطرة وكما ذكر سابقا ينتج عنه كمية من الطاقة بالإضافة إلى النيوترونات.
تفاعل إنشطاري متسلسل.
يتم إنشاء المفاعلات النووية لإنتاج الطاقة مثل الطاقة الحرارية أو الطلقة الميكانيكية أو الطاقة الكهربائية وإنتاج المواد المشعة والمواد التي تستخدم في الأسلحة النووية، كما أنه يستخدم في خدمة البحوث النووية في الفيزياء والكيمياء.
2.4. تركيب المفاعل النووي
يتوقف تركيب المفاعل النووي على الغرض الذي يستخدم فيه ولكنه بصفة عامة يتكون كما هو موضح في الشكل (4-2):
تركيب المفاعل النووي.
1-قلب المفاعل:
هو عبارة عن وعاء يتحمل الضغط العالي atmosphere 15 ودرجة حرارة عالية ، ويجب أن تكون مادته من النوع الثابت الذي لا يتحول بالإشعاع إلى مادة نشطة إشعاعيا، ويحاط الوعاء بدرع من الإسمنت المسلح الثقيل كحاجز واقي من الإشعاع لحماية العاملين، ويتم تركيب أعمدة الوقود وكذلك أعمدة التحكم على قاعدة مثبتة في أسفل وعاء المفاعل.
2-الوقود:
يتكون الوقود إما من:
يورانيوم طبيعي 238U الذي يحتوي على 0.72% من اليورانيوم-235 235U .
يورانيوم مخصب الذي يحتوي على نسبة أكبر من 0.72% من اليورانيوم-235.
يورانيوم-233 233U .
بلوتونيوم-239 239Pu .
3-المهديء Moderator
وهو عبارة عن جرافيت (كربون) أو ماء أو ماء ثقيل أو بريليوم أو أكسيد البريليوم. ويحيط المهديء بالوقود وذلك لتهدئة النيوترونات السريعة وتقليل طاقتها من Mev إلى 1/40 Mev والتي تعتبر طاقة النيوترونات الحرارية القادرة على التفاعل الإنشطاري مع نواة اليورانيوم.
4-أعمدة التحكم:
هذه الأعمدة مصنوعة من الكادميوم الذي له قابلية عالية لإمتصاص النيوترونات الحرارية. وهذه الأعمدة تتحكم في قوة التفاعل وفي وقف التفاعل. حينما ترتفع إلى أعلى يبدأ التفاعل بالعمل وعندما تنزل إلى الأسفل أي تمتص جميع النيوترونات يتوقف التغاعل وبالتالي يتوقف المفاعل في هذه الحالة.
5-المبرد:
الطاقة الناتجة من الإنشطار تتحول إلى طاقة حرارية داخل قلب المفاعل وتسحب هذه الطاقة بواسطة المبرد وهو إما أن يكون غاز مثل الهواء أو ثاني أكسيد الكربون أو الهيليوم أو قد يكون سائل مثل الماء أو الصوديوم السائل، ويتوقف نوع المبرد على درجة الحرارة داخل قلب المفاعل.
3.4. المعجلات النووية
ذكرنا سايقا أن التفاعلات النووية بالبروتونات والديوترونات وجسيمات ألفا تعتمد على طاقة القذيفة ولايمكن حدوث تفاعل نووي بهذه الجسيمات السابقة دون طاقة حركية كافية للتغلب على قوة التنافر بين هذه الجسيمات الموجبة الشحنة ونواة الهدف التي تحمل شحنة موجبة أيضا وهذا التنافر يسمى بحاجز كولومب النووي.
حاجز كولومب النووي:
هو عبارة عن قوة التنافر بين نواة الهدف والقذيفة اللتان تحملان شحنة موجبة ويساوي:
V = (Z1 e x Z2 e) / D
حيث أن Z1 و Z2 هما العدد الذري للنواة والقذيفة، e شحنة البروتون وهي تساوي 4.8 x 10-10 e.s.u (وحدة إلكتروستاتيكية)، D هي المسافة بين الجسيمين (القذيفة والهدف) بالسنتيميتر.
تزداد قوة التنافر V كلما قلت المسافة بين النواتين إلى أن تصل إلى أقصى قيمة لها (حاجز كولومب) عندما تكون المسافة D تساوي مجموع أنصاف أقطار النواتين وبعدها يختفي التنافر لأن القذيفة تكون قد وقعت في جهد النواة (طاقة الربط).
حاجز كولومب النووي.
وتكون وحدة V بالإرج عندما تكون e بوحدة الإلكتروستاتيك، وتكون المسافة بالسنتيميتر. ويمكن تحويل وحدة حاجز كولومب (قوة التنافر) إلى Mev بالقانون:
1 Mev = 1.6 x 10-6
Erg = 6.25 x 105 Mev
4.4. نصف قطر النوى Nuclear Radius
من التجارب العملية وجد أن حجم النواة u يتناسب طرديا مع العدد الكلي للنيوكلونات الموجودة في النواة أي أن uαA
وبما أن uαR لأن u = 4/3πR3
A α R3
R3 α A
R = Const. x A1/3
وقد وجد أن هذا الثابت يساوي 1.4 x 10-13 cm = 1.4 fermi
إذا
R = 1.4 X 10-13 A1/3 cm
مسألة:
إحسبي طاقة القذيفة (جسيم ألفا) اللازمة للتفاعل مع نواة اليورانيوم-238 ؟
1.5. المعجلات النووية
تستخدم المعجلات النووية (المسرعات النووية) لتسريع الجسيمات النووية المشحونة لإكسابها طاقة كافية لإجراء التفاعلات النووية، ويتم إنتاج الجسيمات المشحونة (أيونات) بواسطة قذف ذرة الغاز (H2, 2H2, 4He) بواسطة إلكترونات سريعة فينتج أيونات للغاز موجبة الشحنة (H+,2H+, He+) التي هي (البروتون، الديوترون وجسيم ألفا).
وهناك أنواع مختلفة من المعجلات ولكنها تشترك جميعا في إستخدام المجال الكهربي في تعجيل الجسيمات ولكنها تختلف في الطريقة التي يطبق فيها هذا المجال الكهربي.
وعند وضع الأيونات في مجال كهربي ذو فرق في الجهد V ، تكتسب الأيونات طاقة حركية تساوي K-E = Ve حيث V فرق الجهد الكهربي و eشحنة الأيون المطلوب تعجيله.
1-معجل فاندجراف Van de Graaff Accetrator
تم إختراع هذا المعجل عام 1931م بواسطة العالم فان دي جراف ، وتقوم فكرة هذا المعجل على توليد جهد مرتفع على سطح جسم كروي بواسطة النقل المستمر لشحنات إستاتيكية بواسطة سير متحرك إلى سطح الجسم الكروي (كما هو موضح في الشكل) ويستمر شحن السطح الكروي ويزداد الجهد على السطح الكروي حتى يصل إلى قيمة ثابتة (حوالي 750 كيلوفولت) عندما يكون معدل فقد الشحنة بواسطة السطح الكروي يساوي معدل إنتقال الشحنة من السير.
ويتكون الفاندجراف من قطبين أحدهما السطح الكروي الذي يتم شحنه يواسطة السير وهو موجب الشحنة، والقطب الثاني عبارة عن الهدف وهو قطب سالب ويكون الجهد عنده = صفر، ولذلك يكون فرق الجهد بين القطبين يساوي 750 – صفر = 750 كيلوفولت.
ويوجد هذين القطبين في أنبوبة معدنية كبيرة تحتوي على غاز عازل مثل النيتروجين أو سداسي فلوريد الكبريت.
تركيب الفاندجراف.
ومن الفاندجراف يمكن الحصول على فيض من البروتونات بطاقة تصل إلى 20Mev وفيض من جسيمات ألفا بطاقة تصل إلى 30Mev وللحصول على طاقة أكبر من ذلك وجد بعض الصعوبات في إنشاء أنبوبة فاندجراف أطول وجهد أعلى ولتفادي هذه الصعوبات إخترع العلماء السيكلوترون.
2-المعجلات الخطية:
وفيها تسير الجسيمات في مسارات مستقيمة وتتلقى المزيد من الطاقة عند مواضع معينة في مسارها وقد صممت المعجلات الخطية لتعمل على تعجيل الإلكترونات والبروتونات.
): تركيب المعجل الخطي.
يتكون المعجل الخطي كما يتضح من الشكل السابق من أنبوبة مصنوعة من الصلب مفرغة من الهواء، تحتوي على لأنبوبة نحاسية (أنبوبة التعجيل) تتصل بمصدر تيار عالي التردد تحقن البروتونات ذات طاقة حوالي 4 مليون إلكترون فولت في إتجاه محور الأنبوبة فتقطع الجسيمات مجموعة أنابيب التعجيل (أنابيب السحب) فتتعجل الجسيمات في الإتجاه الأمامي. وبإزدياد سرعة البروتون لابد أن تزيد حول أنبوبة السحب حتى يبقى البروتون في نفس الطور مع المجال الكهربي ولا يحدث تعجيل عكسي.
وقد أمكن الحصول على بروتونات ذات طاقة تصل إلى 22 مليون إلكترون فولت من هذا المعجل، كما أمكن الحصول على إلكترونات وصلت طاقتها إلى بليون إلكترون فولت من معجل خطي طوله 66 مترا.
ومن مميزات المعجل الخطي سهولة خروج الجسيمات منه إذإنها تسير في خطوط.
3-السيكلوترون Cyclotron accelerator
لقد تغلب العالمان لاورنس و لفينجستون E. O .Lawrence and M. S. Livingston على الصعوبات التي قابلتهم عند الحصول على طاقة عالية من معجل الفاندجراف المعجل الخطي وذلك بإختراعهم السيكلوترون الذي تتسارع فيه الجسيمات بإستخدام جهد منخفض نسبيا ويتكرر هذا التسارع عدة مرات إلى أن يتم الوصول للطاقة المطلوبة.
ويتكون السيكلوترون من إسطوانة مفلطحة معدنية على شكل نصفي دائرة كما هو موضح في الشكل يطلق عليهما إسم ديز ويشبه كل منهما حرف D. ويطلق على طرفي نصفي الدائرة فرق جهد متذبذب (حوالي 100 كيلوفولت) وتوضع الإسطوانة في صندوق مفرغ من الهواء ويوضع هذا الصندوق بين قطبي مغناطيس قوي بحيث يتولد مجال مغناطيسي عمودي على مستوى الإسطوانة ليبقى مسار الأيونات في مستوى أفقي.
وينشأ مصدر الأيونات في مركز السيكلوترون بين نصفي الدائرة وتتسارع الأيونات حينما تمر بين نصفي الدائرة (نتيجة لفرق الجهد بينهما) متجهه إلى النصف السالب وبداخله تتحرك الأيونات بشكل دائري نتيجة لتأثير المجال المغناطيسي العمودي عليه متجهه إلى النصف الثاني الذي تتغير شحنته وتصبح سالبة نتيجة للتيار المتردد وبذلك تنجذب الأيونات إليها وتتسارع مرة أخرى نتيجة لفرق الجهد بين نصفي الدائرة وتدخل الأيونات النصف المقابل بسرعة أكبر وبالتالي تدور نصف دائرة ذات قطر نصفي أكبر. وتتكرر هذه العملية وتزداد سرعة الأيون إلى أن تصل إلى السرعة المطلوبة (الطاقة المطلوبة) وبعد ذلك يتم إنحراف مسار الأيونات بواسطة إلكترون الإنحراف لتخرج من اليز وتقابل الهدف ويتم التفاعل النووي المطلوب.
ومن الممكن تسريع بروتونات بالسيكلوترون إلى طاقة تصل إلى 50 مليون إلكترون فولت. ويعتبر السيكلوترون مصدر منخفض الجهد نسبيا للجسيمات عالية الطاقة.
4-البيتاترون:
. مصادر النيوترونات
لا توجد مصادر طبيعية للنيوترونات ولكن يمكن الحصول عليها عن طريق التفاعلات النووية والإنشطار النووي.
1-مصادر النيوترونات الناتجة من التفاعل النووي:
تتحد العناصر المشعة لجسيمات ألفا قصيرة المدى ويمكن إمتصاصها في وسط التفاعل لذلك يتم خلط المادة المشعة لجسيمات ألفا مع العناصر الخفيفة (البريليوم) فيتم الحصول على مصدر للنيوترونات.
ومن الأمثلة على مصادر النيوترونات:
(Ra + Be) 9Be (α, n) 12C
(Ra + B) 11B (α, n) 14N
(24Na + Be) 9Be (γ,n) 8Be
2-مصادر النيوترونات الناتجة من الإنشطار النووي التلقائي:
الإنشطار النووي التلقائي مثل لأي إنشطار يصحبه إنبعاث نيوترونات، فتعتبر العناصر التي يحدث لها إنشطار نووي تلقائي من مصادر النيوترونات. ومن هذه العناصر عنصر الكاليفورنيوم 252Cf حيث ينشطر منه 3.1% تلقائيا والباقي يتفكك بانبعاث ألفا. ويفضل عنصر الكاليفورنيوم كمصدر للنيوترونات أكثر من العناصر الأخرى، لأنه (الكاليفورنيوم) لا يحتوي على أشعة جاما.
مثال:
25298Cf 14054Xe + 10844Ru + 4n + Energy
3.5. تفاعل الإشعاع مع المادة
يعتمد فهمنا لطبيعة الأشعة النووية على معرفة كيفية تفاعل هذه الأشعة مع المادة. وتعتبر هذه المعرفة ضرورية في إنشاء وإستخدام الكواشف الإشعاعية وأجهزة القياس وفي التطبيقات المنتوعة للأشعة في العلوم والطب والصناعة والزراعة. وتنقسم الأشعة إلى أربعة أنواع هي:
جسيمات مشحونة ثقيلة مثل: جسيمات ألفا والديوترونات 21H والبروتونات ونوى الذرات الخفيفة.
جسيمات مشحونة خفيفة وهي الإلكترونات e- والبوزيترونات e+ .
أجسام غير مشحونة مثل النيوترونات.
أشعة كهرومغناطيسية مثل أشعة جاما زأشعة إكس.
وجميع هذه الشعة لها القدرة على إحداث تأين لذرات المادة التي تمر خلالها ولذلك تسمى بلأشعة المؤينة.
أولا: تفاعل الجسيمات المشحوتة الثقيلة مع المادة:
عندما يتم التصادم بين جسيم ثقيل مشحون بذرة المادة، فإنه يكسبها جزء من طاقته تكفي لإثارتها أو تأينها، وإذا كانت كمية الطاقة المكتسبة أكبر من طاقة التاين فإن الإلكترون المتحرر ينطلق بطاقة حركية تساوي الفرق بين الطاقتين.
طاقة حركة الإلكترون = الطاقة المكتسبة – طاقة التأين
ثانيا: تفاعل الجسيمات الخفيفة مع المادة:
أ-فقد الطاقة بالتصادم: عندما تكون طاقة الإلكترونات أو البوزيترونات صغيرة تفقد هذه الإلكترونات طاقتها في إثارة أوتأين ذرات المادة. ونظرا لصغر كتلة الإلكترون تكون سرعته عالية نسبيا لسرعة جسيمات ألفا التي لها نفس الطلقة. وهذا يؤدي ألى إنخفاض إحتمال التأين لأن زمن تواجد الإلكترون بالقرب من الذرة صغير جدا
ب-فقد الطاقة بالإشعاع: عندما تكون طاقة الإلكترون عالية فعند سقوطه على المادة يتعرض الإلكترون للمجال الكهربي لشحنة النواة أو الإلكترونات فينتج تغير حاد في سرعة الإلكترون أثناء سيره في المادة، أي أنه يفقد جزء من طاقته الحركية التي تتحول إلى أشعة كهرومغناطيسية. ويتم تفاعل البوزيترون مع المادة نفس الطريقة لتفاعل الإلكترون مع المادة إلا أنه عندما يفقد البوزيترون طاقته يكون هناك إحتمال لأسر البوزيترون يواسطة أحد الإلكترونات في الوسط ومن ثم فنائهما وإنبعاث فوتونين طاقة كل منهما تساوي 0.511 Mev وهي عبارة عن أشعة كهرومغناطيسية تسمى أشعة الفناء Annihilation Radiation.
ثالثا: تفاعل الجسيمات غير المشحونة مع المادة:
لا يحدث التفاعل مع الإلكترونات في هذا التفاعل تفقد الجسيمات غير المشحونة (النيوترونات) طاقتها بواسطة:
1-التصادم مع الأنوية الخفيفة (التصادم المرن):
تتناسب كمية فقد الطاقة عكسيا مع كتلة النواة، فكلما زادت كتلة النواة قلت الطاقة المنتقلة، لذلك يعتبر الهيدروجين أنسب المواد التي تفقد عليها النيوترونات طاقتها، ولذلك يستخدم الهيدروجين أو المواد الغنية به مثل البارافين (الشمع) في تهدئة النيوترونات في المفاعلات النووية.
2-الأسر النيوتروني:
وهو يحدث مع النيوترونات ذات الطاقة المنخفضة حيث يتم أسر النيوترون بواسطة نواة المادة، وتتكون نواة جديدة (نظير) وتنبعث أشعة جاما (تفاعل(n,γ)).
رابعا: تفاعل الأشعة الكهرومغناطيسية مع المادة (أشعة جاما):
تتفاعل أشعة جاما مع المادة بإحدى الطرق الثلاث الآتية:
أ-تفاعل إلكتروضوئي Photoelectric Effect وتسمى الظاهرة الإلكتروضوئية، وفي هذا التفاعل يتفاعل الفوتون (أشعة جاما) مع أحد الإلكترونات المرتبطة بالذرة أي مع أحد الإلكترونات في المستويلت الداخلية للذرة فيختفي الفوتون تماما ويظهر الإلكترون الذري منطلق ويسمى الإلكترون الضوئي ويحمل طاقة تساوي الفرق بين طاقة الفوتون الساقط وطاقة ربط الإلكترون بالذرة.
Ee (Energy of electron) = Eγ - B Ee
حيث أن BEe هي طاقة ربط الإلكترون بالذرة و Eγ هي طاقة أشعة جاما.
ويملأ المكان الشاغر للإلكترون المنبعث بواسطة إلكترونات من المدارات الخارجية للذرة ويتبع ذلك إنبعاث أشعة إكس المميزة للعنصر.
تفاعل أشعة جاما الإلكترونات الداخلية للذرة.
ب-أثر كومبتون Compton effect
وهو تفاعل أشعة جاما مع الإلكترونات الحرة للذرة (إلكترونات المدار الأخير). وفي هذا التفاعل يتشتت الشعاع الساقط أي يتغير إتجاهه، وتقل طاقته بمقدار ما يعطى للإلكترون من طاقة وينطلق هذا الإلكترون بطاقة E.
E = Eγ - Eγ-
حيث Eγ طاقة أشعة جاما الساقطة و Eγ- هي طاقة أشعة جاما بعد التشتت ( الإنحراف).
): تفاعل أشعة جاما مع إلكترونات المدار الأخير.
ج-إنتاج الأزواج Pair Production
عندما يتفاعل الفوتون (أشعة جاما) مع النواة يختفي تماما هذا الفوتون ويظهر بدلا عنه إلكترون وبوزيترون e-, e+ ، وتحدث هذه الظاهرة عندما تكون طاقة جاما الساقطة أكبر من 1.022 Mev، وبعد 1ذلك يفقد كل من الإلكترون والبوزيترون طاقتهما الحركية نتيجة للتصادمات المتتابعة مع الذرات حتى يصلا إلى السكون. ويتفاعل الإلكترون مع البوزيترون ويكونا فوتونين طاقة كل منهما 0.511Mev (أشعة الفناء).
4-الكواشف الصلبة:
يوجد نوعان من الكواشف الصلبة هي:
كواشف صلبة مصنوعة من مواد مفلورة:
تشع هذه الموادالمفلورة وميض ضوئي عندما تصطدم بها الأشعة المؤينة، ويستخدم هذا الوميض الضوئي في إنتاج تيار كهربي عن طريق سقوط هذه الومضة على مهبط حساس. ويتم تكبير هذا التيار بواسطة أنبوبة تكبير وينتج تيار من الإلكترونات يمكن الإحساس به وقياسه بواسطة الأجهزة الكهربائية.
ومن هذه المواد كبريتيد الزنك الذي يستخدم ككاشف لجسيمات ألفا، والأنثراسين الذي يستخدم للكشف عن جسيماتبيتا، وفلوريد الكالسيوم الذي يستخدم للكشف عن جسيمات ألفا وبيتا، ويوديد الصوديوم المستخدم للكشف عن أشعة جاما، ويستخدم للكشف عن النيوترونات البطيئة مادة الليثيوم أو البورون مع كبريتيد الخارصين حيث تتفاعل النيوترونات مع عنصر الليثيوم أو البورون وينتج من التفاعل جسيم ألفا الذي يحدث وميض في كبريتيد الخارصين.
63Li + n [73Li] 31H + 42He
105B + n [115B] 73Li + 42He
42He + ZnS flourecence
أما النيوترونات السريعة فيستخدم للكشف عنها البارافين (الشمع) مع كبريتيد الخارصين، وبما أن البارافين يحتوي على كمية كبيرة من الهيدروجين الذي يتفاعل مع النيوترونات السريعة معطيا الديوترون والتريتيوم.
11H + n 21H
21H + n 31H
اللذان يتفاعلان مع كبريتيد الخارصين مسببا وميض ضوئي ويتحول الوميض الضوئي إلى تيار كهربي بواسطة المهبط الحساس وبقياس كمية هذا التيار وشدته يمكن معرفة كمية الأشعة وطاقتها.
ب-أشباه الموصلات Semi Conductors:
عندما تكون المادة نقية مع نسبة من الشوائب تصل إلى 1010/cm3 تعرف المادة بأشباه الموصلات. وتتأثر أشباه الموصلات بالأشعة حيث يحدث فيها تأين ينتج عنه كمية كبيرة من الإلكترونات كافية لإحداث تيار كهربي في الدائرة الكهربائية، وتتناسب كمية هذا التيار مع الطاقة الإشعاعية الساقطة على شبه الموصل. ومن الأمثلة على هذا النوع من الكواشف كاشف الجيرمانيوم عالي النقاء Hyper Pure Germanium (HPG) ويستخدم للكشف عن أشعة جاما.
2.6. أجهزة قياس الأشعة Radiation Instruments
هناك مجموعة من الأجهزة التي تستخدم للكشف عن الأشعة ومن أهم هذه الأجهزة ما يلي:
1-فيلم بادج Badge Film
وهو عبارة عن فيلم حساس صغير مساحته حوالي 2x3cm (يشبه فيلم الأسنان) مغطى بطبقة من البلاستيك المعتم لحمايته من الضوء موضوع داخل حقيبة من البلاستيك بها نافذة لدخول أشعة بيتا، أما أشعة جاما فإنها تخترق الحقيبة البلاستيكية وتصل إلى الفيلم، ويوجد داخل الحقيبة حاجز من الرصاص لإمتصاص أشعة بيتا من قبل جزء من الفيلم ونفاذ أشعة جاما فقط. وعن طريق تحميض الفيلم يمكن معرفة نوع الأشعة وكميتها التي تتوقف على درجة عتامة الفيلم ويستخدم، ويستخدم هذا الفيلم للكشف عن الأشعة التي يتعرض لها العاملين سواء في مصانع أو في مراكز البحوث أو المستشفيات.
2-جهاز المسح الإشعاعي Survey Meter
يتكون جهاز المسح الإشعاعي عموما من كاشف إشعاعي ودائرة إكترونية لتكبير التيار وقياس شدته أو عد النبضات الكهربائية الناتجة عن التيار الكهربائي في وحدة الزمن، وتزود هذه الأجهزة بجهاز صوتي يصدر صوتا كلما تم تسجيل نبضة فيه وبالتالي يمكن التنبه إلى وجود زيادة في مستوى الأشعة في البيئة، ويوجد منه أنواع مختلفة لقياس أنواع الأشعة المختلفة.
3-مقياس الجرعة الجيبي Pocket Dosimeter
وهو عبارة عن جهاز صغير يشبه قلم الحبر من حيث الشكل والحجم، ويتكون الجهاز من غرفة تأين إسطوانية تحتوي على قطبين أحدهما ثابت والآخر متحرك وهو الذي يعطي القراءة عند التعرض للأشعة ويستخدم الجهاز لقياس كمية الأشعة التي يتعرض لها الإنسان الذي يعمل بالمواد المشعة.
4-محلل وحيد القناة SINGLE Channel Analyzer
وهو يتكون من:
أ-كاشف إشعاعي:
يتوقف نوعه على نوع الإشعة المراد قياسها كما في الأنواع السابقة الذكر.
ب-مكبر:
يستخدم لتكبيرالإشارة الكهربائية الناتجة من الومضة الضوئية المنبعثة من الكاشف الإشعاعي نتيجة لسقوط الأشعة على الكاشف.
ج-محلل طيفي:
تختلف شدة الإشارات الكهربائية حسب طاقة الأشعة الساقطة ويقوم المحلل الطيفي بتحليل هذه الإشارات ليعطي طيف مختلف الطاقة.
د-العداد:
يقوم العداد بعد كل الإشارات الكهربائية التي لها نفس الطاقة وبتغيير مفتاح الطاقة يمكن أخذ قراءة عد الإشارات الكهربائية للطاقات المختلفة التي تعبر عن عدد الإشعاعات الساقطة على الكاشف بطاقات مختلفة.
5-محلل عديد القنوات Multi Channel Analyzer
يتكون المحلل عديد القنوات من نفس الوحدات الموجودة في المحلل وحيد القناة إلا أنه يمكن عد الإشارات الضوئية المختلفة الطاقة في وقت واحد بعد تحليلها إلى طاقات مختلفة معطيا طيف متكامل لجميع الأنوية الموجودة في العينة المراد قياسها كما يعطي النشاط الإشعاعي لكل طاقة في آن واحد.
2.6. تأثير الأشعة المختلفة:
كما نعلم أن الأشعة تدمر الأنسجة الحية فمن الممكن أن تمزق الأشعة الخلية الحية فتموت ويصعب إصلاحهابواسطة الجسم، كما أنه من المحتمل أن تدمر الخلايا الوراثية التي لا يمكن تعويضها بواسطة الجسم وهذا يؤدي إلى أمراض السرطان أو خلل في العوامل الوراثية بالنسبة للأجيال.
وتتوقف تأثيرات الأشعة على الكمية التي يتعرض لها الجسم وتؤثر فيه، وتسمى كمية الأشعة الممتصة بواسطة كيلوجرام من الجسم بالجرعة المكافئة وتقاس بالسيفرت.
والسيفرت Sievert (Sv) عبارة عن كمية الطاقة (واحد جول) المنتقلة إلى كيلوجرام واحد من الجسم.
هي عبارة عن طاقة ناتجة من إندماج خليط من الديوتيريوم21H والتريتيوم31H وذلك بواسطة ضغطهما مع بعضهما في وجود حرارة ناتجة عن أنشطار نووي.
8.3. النظائر المشعة Isotopes
النظائر هي ذرات تحتوي أنويتها على نفس العدد من البروتونات ولكنها تختلف في عدد النيوترونات التي تحتويها. ويعني ذلك أن العدد الذري للعنصر الواحد لا يتغير في حين يتغير عدده الكتلي.
ولنظائر العنصر الواحد نفس الخواص الكيميائية حيث أن الخواص الكيميائية للعنصر يحددها عدده الذري، وعليه فإن النظائر المختلفة للعنصر لها جميعا نفس الخواص والتفاعلات الكيميائية بالرغم من إختلاف أوزانها الذرية.
الهيدروجين مثلا قد يوجد على ثلاث صور تحتوي نواة كل منها على بروتون واحد أي أن العدد الذري لها جميعا يساوي واحد ويدور حولها إلكترون واحد أيضا، بينما فيما بينها في عدد النيوترونات وبالتالي في عددها الكتلي، فالهيدروجين العادي لا يحتوي على أي نيوترون والهيدروجين العادي أو الثقيل (الديوتيريوم) يحتوي على نيوترون واحد ، أما الهيدروجين الثلاثي (التريتيوم) فيحتوي على نيوترونين بجانب البروتون.
وهكذا توجد نظائر متعددة لمختلف العناصر، كما يوجد كل عنصر في الطبيعة على شكل خليط من نظائره المختلفة بنسبة مئوية معينة.
فمثلا يوجد نظيرين للكلور في الطبيعة هما: الأول وزنه الذري يساوي 34.98 ويوجد بنسبة 75.4% والثاني وزنه الذري 36.98 ويوجد بنسبة 24.6% ، إذا الوزن الذري للكلور الموجود في الطبيعة وخليط من هذين النظيرين يساوي 35 46 ويمكن حسابه كالتالي:
(24.6/100 x 36.98) + ( 75.4/100 x 34 98) = 35.46
أنواع النظائر
تنقسم النظائر إلى نوعين:
النظائر المستقرة.
النظائر غير المستقرة أو النظائر المشعة.
وتنقسم النظائر المشعة إلى قسمين: نظائر مشعة طبيعية: وهي توجد في الطبيعة من خلق الله سبحانه وتعالى. ونظائر مشعة صناعية: هي من صنع الإنسان فقد تمكن من فضل الله تعالى من إنتاجها صناعيا ويستخدمها في الأغراض المختلفة.
10.3. إنتاج النظائر المشعة
يتم إنتاج النظائر المشعة المختلفة عند تعريض النظائر المستقرة لسيل من الجسيمات النووية كالنيوترونات أو البروتونات أو الديوترونات وكذلك عند تعريصها لجسيمات ألفا. ويستخدم لهذا الغرض المفاعلات النووية ومولدات النيوترونات كمصدر للنيوترونات، كذلك تستخدم المعجلات النووية كمصدر للجسيمات المشحونة كالبروتونات والديوترونات وجسيمات ألفا.
1.4. المفاعلات النووية Nuclear Reactors
المفاعل النووي عبارة عن منشأة يتم فيها إنشطار نووي متسلسل كما في الشكل (4-1) تحت السيطرة وكما ذكر سابقا ينتج عنه كمية من الطاقة بالإضافة إلى النيوترونات.
تفاعل إنشطاري متسلسل.
يتم إنشاء المفاعلات النووية لإنتاج الطاقة مثل الطاقة الحرارية أو الطلقة الميكانيكية أو الطاقة الكهربائية وإنتاج المواد المشعة والمواد التي تستخدم في الأسلحة النووية، كما أنه يستخدم في خدمة البحوث النووية في الفيزياء والكيمياء.
2.4. تركيب المفاعل النووي
يتوقف تركيب المفاعل النووي على الغرض الذي يستخدم فيه ولكنه بصفة عامة يتكون كما هو موضح في الشكل (4-2):
تركيب المفاعل النووي.
1-قلب المفاعل:
هو عبارة عن وعاء يتحمل الضغط العالي atmosphere 15 ودرجة حرارة عالية ، ويجب أن تكون مادته من النوع الثابت الذي لا يتحول بالإشعاع إلى مادة نشطة إشعاعيا، ويحاط الوعاء بدرع من الإسمنت المسلح الثقيل كحاجز واقي من الإشعاع لحماية العاملين، ويتم تركيب أعمدة الوقود وكذلك أعمدة التحكم على قاعدة مثبتة في أسفل وعاء المفاعل.
2-الوقود:
يتكون الوقود إما من:
يورانيوم طبيعي 238U الذي يحتوي على 0.72% من اليورانيوم-235 235U .
يورانيوم مخصب الذي يحتوي على نسبة أكبر من 0.72% من اليورانيوم-235.
يورانيوم-233 233U .
بلوتونيوم-239 239Pu .
3-المهديء Moderator
وهو عبارة عن جرافيت (كربون) أو ماء أو ماء ثقيل أو بريليوم أو أكسيد البريليوم. ويحيط المهديء بالوقود وذلك لتهدئة النيوترونات السريعة وتقليل طاقتها من Mev إلى 1/40 Mev والتي تعتبر طاقة النيوترونات الحرارية القادرة على التفاعل الإنشطاري مع نواة اليورانيوم.
4-أعمدة التحكم:
هذه الأعمدة مصنوعة من الكادميوم الذي له قابلية عالية لإمتصاص النيوترونات الحرارية. وهذه الأعمدة تتحكم في قوة التفاعل وفي وقف التفاعل. حينما ترتفع إلى أعلى يبدأ التفاعل بالعمل وعندما تنزل إلى الأسفل أي تمتص جميع النيوترونات يتوقف التغاعل وبالتالي يتوقف المفاعل في هذه الحالة.
5-المبرد:
الطاقة الناتجة من الإنشطار تتحول إلى طاقة حرارية داخل قلب المفاعل وتسحب هذه الطاقة بواسطة المبرد وهو إما أن يكون غاز مثل الهواء أو ثاني أكسيد الكربون أو الهيليوم أو قد يكون سائل مثل الماء أو الصوديوم السائل، ويتوقف نوع المبرد على درجة الحرارة داخل قلب المفاعل.
3.4. المعجلات النووية
ذكرنا سايقا أن التفاعلات النووية بالبروتونات والديوترونات وجسيمات ألفا تعتمد على طاقة القذيفة ولايمكن حدوث تفاعل نووي بهذه الجسيمات السابقة دون طاقة حركية كافية للتغلب على قوة التنافر بين هذه الجسيمات الموجبة الشحنة ونواة الهدف التي تحمل شحنة موجبة أيضا وهذا التنافر يسمى بحاجز كولومب النووي.
حاجز كولومب النووي:
هو عبارة عن قوة التنافر بين نواة الهدف والقذيفة اللتان تحملان شحنة موجبة ويساوي:
V = (Z1 e x Z2 e) / D
حيث أن Z1 و Z2 هما العدد الذري للنواة والقذيفة، e شحنة البروتون وهي تساوي 4.8 x 10-10 e.s.u (وحدة إلكتروستاتيكية)، D هي المسافة بين الجسيمين (القذيفة والهدف) بالسنتيميتر.
تزداد قوة التنافر V كلما قلت المسافة بين النواتين إلى أن تصل إلى أقصى قيمة لها (حاجز كولومب) عندما تكون المسافة D تساوي مجموع أنصاف أقطار النواتين وبعدها يختفي التنافر لأن القذيفة تكون قد وقعت في جهد النواة (طاقة الربط).
حاجز كولومب النووي.
وتكون وحدة V بالإرج عندما تكون e بوحدة الإلكتروستاتيك، وتكون المسافة بالسنتيميتر. ويمكن تحويل وحدة حاجز كولومب (قوة التنافر) إلى Mev بالقانون:
1 Mev = 1.6 x 10-6
Erg = 6.25 x 105 Mev
4.4. نصف قطر النوى Nuclear Radius
من التجارب العملية وجد أن حجم النواة u يتناسب طرديا مع العدد الكلي للنيوكلونات الموجودة في النواة أي أن uαA
وبما أن uαR لأن u = 4/3πR3
A α R3
R3 α A
R = Const. x A1/3
وقد وجد أن هذا الثابت يساوي 1.4 x 10-13 cm = 1.4 fermi
إذا
R = 1.4 X 10-13 A1/3 cm
مسألة:
إحسبي طاقة القذيفة (جسيم ألفا) اللازمة للتفاعل مع نواة اليورانيوم-238 ؟
1.5. المعجلات النووية
تستخدم المعجلات النووية (المسرعات النووية) لتسريع الجسيمات النووية المشحونة لإكسابها طاقة كافية لإجراء التفاعلات النووية، ويتم إنتاج الجسيمات المشحونة (أيونات) بواسطة قذف ذرة الغاز (H2, 2H2, 4He) بواسطة إلكترونات سريعة فينتج أيونات للغاز موجبة الشحنة (H+,2H+, He+) التي هي (البروتون، الديوترون وجسيم ألفا).
وهناك أنواع مختلفة من المعجلات ولكنها تشترك جميعا في إستخدام المجال الكهربي في تعجيل الجسيمات ولكنها تختلف في الطريقة التي يطبق فيها هذا المجال الكهربي.
وعند وضع الأيونات في مجال كهربي ذو فرق في الجهد V ، تكتسب الأيونات طاقة حركية تساوي K-E = Ve حيث V فرق الجهد الكهربي و eشحنة الأيون المطلوب تعجيله.
1-معجل فاندجراف Van de Graaff Accetrator
تم إختراع هذا المعجل عام 1931م بواسطة العالم فان دي جراف ، وتقوم فكرة هذا المعجل على توليد جهد مرتفع على سطح جسم كروي بواسطة النقل المستمر لشحنات إستاتيكية بواسطة سير متحرك إلى سطح الجسم الكروي (كما هو موضح في الشكل) ويستمر شحن السطح الكروي ويزداد الجهد على السطح الكروي حتى يصل إلى قيمة ثابتة (حوالي 750 كيلوفولت) عندما يكون معدل فقد الشحنة بواسطة السطح الكروي يساوي معدل إنتقال الشحنة من السير.
ويتكون الفاندجراف من قطبين أحدهما السطح الكروي الذي يتم شحنه يواسطة السير وهو موجب الشحنة، والقطب الثاني عبارة عن الهدف وهو قطب سالب ويكون الجهد عنده = صفر، ولذلك يكون فرق الجهد بين القطبين يساوي 750 – صفر = 750 كيلوفولت.
ويوجد هذين القطبين في أنبوبة معدنية كبيرة تحتوي على غاز عازل مثل النيتروجين أو سداسي فلوريد الكبريت.
تركيب الفاندجراف.
ومن الفاندجراف يمكن الحصول على فيض من البروتونات بطاقة تصل إلى 20Mev وفيض من جسيمات ألفا بطاقة تصل إلى 30Mev وللحصول على طاقة أكبر من ذلك وجد بعض الصعوبات في إنشاء أنبوبة فاندجراف أطول وجهد أعلى ولتفادي هذه الصعوبات إخترع العلماء السيكلوترون.
2-المعجلات الخطية:
وفيها تسير الجسيمات في مسارات مستقيمة وتتلقى المزيد من الطاقة عند مواضع معينة في مسارها وقد صممت المعجلات الخطية لتعمل على تعجيل الإلكترونات والبروتونات.
): تركيب المعجل الخطي.
يتكون المعجل الخطي كما يتضح من الشكل السابق من أنبوبة مصنوعة من الصلب مفرغة من الهواء، تحتوي على لأنبوبة نحاسية (أنبوبة التعجيل) تتصل بمصدر تيار عالي التردد تحقن البروتونات ذات طاقة حوالي 4 مليون إلكترون فولت في إتجاه محور الأنبوبة فتقطع الجسيمات مجموعة أنابيب التعجيل (أنابيب السحب) فتتعجل الجسيمات في الإتجاه الأمامي. وبإزدياد سرعة البروتون لابد أن تزيد حول أنبوبة السحب حتى يبقى البروتون في نفس الطور مع المجال الكهربي ولا يحدث تعجيل عكسي.
وقد أمكن الحصول على بروتونات ذات طاقة تصل إلى 22 مليون إلكترون فولت من هذا المعجل، كما أمكن الحصول على إلكترونات وصلت طاقتها إلى بليون إلكترون فولت من معجل خطي طوله 66 مترا.
ومن مميزات المعجل الخطي سهولة خروج الجسيمات منه إذإنها تسير في خطوط.
3-السيكلوترون Cyclotron accelerator
لقد تغلب العالمان لاورنس و لفينجستون E. O .Lawrence and M. S. Livingston على الصعوبات التي قابلتهم عند الحصول على طاقة عالية من معجل الفاندجراف المعجل الخطي وذلك بإختراعهم السيكلوترون الذي تتسارع فيه الجسيمات بإستخدام جهد منخفض نسبيا ويتكرر هذا التسارع عدة مرات إلى أن يتم الوصول للطاقة المطلوبة.
ويتكون السيكلوترون من إسطوانة مفلطحة معدنية على شكل نصفي دائرة كما هو موضح في الشكل يطلق عليهما إسم ديز ويشبه كل منهما حرف D. ويطلق على طرفي نصفي الدائرة فرق جهد متذبذب (حوالي 100 كيلوفولت) وتوضع الإسطوانة في صندوق مفرغ من الهواء ويوضع هذا الصندوق بين قطبي مغناطيس قوي بحيث يتولد مجال مغناطيسي عمودي على مستوى الإسطوانة ليبقى مسار الأيونات في مستوى أفقي.
وينشأ مصدر الأيونات في مركز السيكلوترون بين نصفي الدائرة وتتسارع الأيونات حينما تمر بين نصفي الدائرة (نتيجة لفرق الجهد بينهما) متجهه إلى النصف السالب وبداخله تتحرك الأيونات بشكل دائري نتيجة لتأثير المجال المغناطيسي العمودي عليه متجهه إلى النصف الثاني الذي تتغير شحنته وتصبح سالبة نتيجة للتيار المتردد وبذلك تنجذب الأيونات إليها وتتسارع مرة أخرى نتيجة لفرق الجهد بين نصفي الدائرة وتدخل الأيونات النصف المقابل بسرعة أكبر وبالتالي تدور نصف دائرة ذات قطر نصفي أكبر. وتتكرر هذه العملية وتزداد سرعة الأيون إلى أن تصل إلى السرعة المطلوبة (الطاقة المطلوبة) وبعد ذلك يتم إنحراف مسار الأيونات بواسطة إلكترون الإنحراف لتخرج من اليز وتقابل الهدف ويتم التفاعل النووي المطلوب.
ومن الممكن تسريع بروتونات بالسيكلوترون إلى طاقة تصل إلى 50 مليون إلكترون فولت. ويعتبر السيكلوترون مصدر منخفض الجهد نسبيا للجسيمات عالية الطاقة.
4-البيتاترون:
. مصادر النيوترونات
لا توجد مصادر طبيعية للنيوترونات ولكن يمكن الحصول عليها عن طريق التفاعلات النووية والإنشطار النووي.
1-مصادر النيوترونات الناتجة من التفاعل النووي:
تتحد العناصر المشعة لجسيمات ألفا قصيرة المدى ويمكن إمتصاصها في وسط التفاعل لذلك يتم خلط المادة المشعة لجسيمات ألفا مع العناصر الخفيفة (البريليوم) فيتم الحصول على مصدر للنيوترونات.
ومن الأمثلة على مصادر النيوترونات:
(Ra + Be) 9Be (α, n) 12C
(Ra + B) 11B (α, n) 14N
(24Na + Be) 9Be (γ,n) 8Be
2-مصادر النيوترونات الناتجة من الإنشطار النووي التلقائي:
الإنشطار النووي التلقائي مثل لأي إنشطار يصحبه إنبعاث نيوترونات، فتعتبر العناصر التي يحدث لها إنشطار نووي تلقائي من مصادر النيوترونات. ومن هذه العناصر عنصر الكاليفورنيوم 252Cf حيث ينشطر منه 3.1% تلقائيا والباقي يتفكك بانبعاث ألفا. ويفضل عنصر الكاليفورنيوم كمصدر للنيوترونات أكثر من العناصر الأخرى، لأنه (الكاليفورنيوم) لا يحتوي على أشعة جاما.
مثال:
25298Cf 14054Xe + 10844Ru + 4n + Energy
3.5. تفاعل الإشعاع مع المادة
يعتمد فهمنا لطبيعة الأشعة النووية على معرفة كيفية تفاعل هذه الأشعة مع المادة. وتعتبر هذه المعرفة ضرورية في إنشاء وإستخدام الكواشف الإشعاعية وأجهزة القياس وفي التطبيقات المنتوعة للأشعة في العلوم والطب والصناعة والزراعة. وتنقسم الأشعة إلى أربعة أنواع هي:
جسيمات مشحونة ثقيلة مثل: جسيمات ألفا والديوترونات 21H والبروتونات ونوى الذرات الخفيفة.
جسيمات مشحونة خفيفة وهي الإلكترونات e- والبوزيترونات e+ .
أجسام غير مشحونة مثل النيوترونات.
أشعة كهرومغناطيسية مثل أشعة جاما زأشعة إكس.
وجميع هذه الشعة لها القدرة على إحداث تأين لذرات المادة التي تمر خلالها ولذلك تسمى بلأشعة المؤينة.
أولا: تفاعل الجسيمات المشحوتة الثقيلة مع المادة:
عندما يتم التصادم بين جسيم ثقيل مشحون بذرة المادة، فإنه يكسبها جزء من طاقته تكفي لإثارتها أو تأينها، وإذا كانت كمية الطاقة المكتسبة أكبر من طاقة التاين فإن الإلكترون المتحرر ينطلق بطاقة حركية تساوي الفرق بين الطاقتين.
طاقة حركة الإلكترون = الطاقة المكتسبة – طاقة التأين
ثانيا: تفاعل الجسيمات الخفيفة مع المادة:
أ-فقد الطاقة بالتصادم: عندما تكون طاقة الإلكترونات أو البوزيترونات صغيرة تفقد هذه الإلكترونات طاقتها في إثارة أوتأين ذرات المادة. ونظرا لصغر كتلة الإلكترون تكون سرعته عالية نسبيا لسرعة جسيمات ألفا التي لها نفس الطلقة. وهذا يؤدي ألى إنخفاض إحتمال التأين لأن زمن تواجد الإلكترون بالقرب من الذرة صغير جدا
ب-فقد الطاقة بالإشعاع: عندما تكون طاقة الإلكترون عالية فعند سقوطه على المادة يتعرض الإلكترون للمجال الكهربي لشحنة النواة أو الإلكترونات فينتج تغير حاد في سرعة الإلكترون أثناء سيره في المادة، أي أنه يفقد جزء من طاقته الحركية التي تتحول إلى أشعة كهرومغناطيسية. ويتم تفاعل البوزيترون مع المادة نفس الطريقة لتفاعل الإلكترون مع المادة إلا أنه عندما يفقد البوزيترون طاقته يكون هناك إحتمال لأسر البوزيترون يواسطة أحد الإلكترونات في الوسط ومن ثم فنائهما وإنبعاث فوتونين طاقة كل منهما تساوي 0.511 Mev وهي عبارة عن أشعة كهرومغناطيسية تسمى أشعة الفناء Annihilation Radiation.
ثالثا: تفاعل الجسيمات غير المشحونة مع المادة:
لا يحدث التفاعل مع الإلكترونات في هذا التفاعل تفقد الجسيمات غير المشحونة (النيوترونات) طاقتها بواسطة:
1-التصادم مع الأنوية الخفيفة (التصادم المرن):
تتناسب كمية فقد الطاقة عكسيا مع كتلة النواة، فكلما زادت كتلة النواة قلت الطاقة المنتقلة، لذلك يعتبر الهيدروجين أنسب المواد التي تفقد عليها النيوترونات طاقتها، ولذلك يستخدم الهيدروجين أو المواد الغنية به مثل البارافين (الشمع) في تهدئة النيوترونات في المفاعلات النووية.
2-الأسر النيوتروني:
وهو يحدث مع النيوترونات ذات الطاقة المنخفضة حيث يتم أسر النيوترون بواسطة نواة المادة، وتتكون نواة جديدة (نظير) وتنبعث أشعة جاما (تفاعل(n,γ)).
رابعا: تفاعل الأشعة الكهرومغناطيسية مع المادة (أشعة جاما):
تتفاعل أشعة جاما مع المادة بإحدى الطرق الثلاث الآتية:
أ-تفاعل إلكتروضوئي Photoelectric Effect وتسمى الظاهرة الإلكتروضوئية، وفي هذا التفاعل يتفاعل الفوتون (أشعة جاما) مع أحد الإلكترونات المرتبطة بالذرة أي مع أحد الإلكترونات في المستويلت الداخلية للذرة فيختفي الفوتون تماما ويظهر الإلكترون الذري منطلق ويسمى الإلكترون الضوئي ويحمل طاقة تساوي الفرق بين طاقة الفوتون الساقط وطاقة ربط الإلكترون بالذرة.
Ee (Energy of electron) = Eγ - B Ee
حيث أن BEe هي طاقة ربط الإلكترون بالذرة و Eγ هي طاقة أشعة جاما.
ويملأ المكان الشاغر للإلكترون المنبعث بواسطة إلكترونات من المدارات الخارجية للذرة ويتبع ذلك إنبعاث أشعة إكس المميزة للعنصر.
تفاعل أشعة جاما الإلكترونات الداخلية للذرة.
ب-أثر كومبتون Compton effect
وهو تفاعل أشعة جاما مع الإلكترونات الحرة للذرة (إلكترونات المدار الأخير). وفي هذا التفاعل يتشتت الشعاع الساقط أي يتغير إتجاهه، وتقل طاقته بمقدار ما يعطى للإلكترون من طاقة وينطلق هذا الإلكترون بطاقة E.
E = Eγ - Eγ-
حيث Eγ طاقة أشعة جاما الساقطة و Eγ- هي طاقة أشعة جاما بعد التشتت ( الإنحراف).
): تفاعل أشعة جاما مع إلكترونات المدار الأخير.
ج-إنتاج الأزواج Pair Production
عندما يتفاعل الفوتون (أشعة جاما) مع النواة يختفي تماما هذا الفوتون ويظهر بدلا عنه إلكترون وبوزيترون e-, e+ ، وتحدث هذه الظاهرة عندما تكون طاقة جاما الساقطة أكبر من 1.022 Mev، وبعد 1ذلك يفقد كل من الإلكترون والبوزيترون طاقتهما الحركية نتيجة للتصادمات المتتابعة مع الذرات حتى يصلا إلى السكون. ويتفاعل الإلكترون مع البوزيترون ويكونا فوتونين طاقة كل منهما 0.511Mev (أشعة الفناء).
4-الكواشف الصلبة:
يوجد نوعان من الكواشف الصلبة هي:
كواشف صلبة مصنوعة من مواد مفلورة:
تشع هذه الموادالمفلورة وميض ضوئي عندما تصطدم بها الأشعة المؤينة، ويستخدم هذا الوميض الضوئي في إنتاج تيار كهربي عن طريق سقوط هذه الومضة على مهبط حساس. ويتم تكبير هذا التيار بواسطة أنبوبة تكبير وينتج تيار من الإلكترونات يمكن الإحساس به وقياسه بواسطة الأجهزة الكهربائية.
ومن هذه المواد كبريتيد الزنك الذي يستخدم ككاشف لجسيمات ألفا، والأنثراسين الذي يستخدم للكشف عن جسيماتبيتا، وفلوريد الكالسيوم الذي يستخدم للكشف عن جسيمات ألفا وبيتا، ويوديد الصوديوم المستخدم للكشف عن أشعة جاما، ويستخدم للكشف عن النيوترونات البطيئة مادة الليثيوم أو البورون مع كبريتيد الخارصين حيث تتفاعل النيوترونات مع عنصر الليثيوم أو البورون وينتج من التفاعل جسيم ألفا الذي يحدث وميض في كبريتيد الخارصين.
63Li + n [73Li] 31H + 42He
105B + n [115B] 73Li + 42He
42He + ZnS flourecence
أما النيوترونات السريعة فيستخدم للكشف عنها البارافين (الشمع) مع كبريتيد الخارصين، وبما أن البارافين يحتوي على كمية كبيرة من الهيدروجين الذي يتفاعل مع النيوترونات السريعة معطيا الديوترون والتريتيوم.
11H + n 21H
21H + n 31H
اللذان يتفاعلان مع كبريتيد الخارصين مسببا وميض ضوئي ويتحول الوميض الضوئي إلى تيار كهربي بواسطة المهبط الحساس وبقياس كمية هذا التيار وشدته يمكن معرفة كمية الأشعة وطاقتها.
ب-أشباه الموصلات Semi Conductors:
عندما تكون المادة نقية مع نسبة من الشوائب تصل إلى 1010/cm3 تعرف المادة بأشباه الموصلات. وتتأثر أشباه الموصلات بالأشعة حيث يحدث فيها تأين ينتج عنه كمية كبيرة من الإلكترونات كافية لإحداث تيار كهربي في الدائرة الكهربائية، وتتناسب كمية هذا التيار مع الطاقة الإشعاعية الساقطة على شبه الموصل. ومن الأمثلة على هذا النوع من الكواشف كاشف الجيرمانيوم عالي النقاء Hyper Pure Germanium (HPG) ويستخدم للكشف عن أشعة جاما.
2.6. أجهزة قياس الأشعة Radiation Instruments
هناك مجموعة من الأجهزة التي تستخدم للكشف عن الأشعة ومن أهم هذه الأجهزة ما يلي:
1-فيلم بادج Badge Film
وهو عبارة عن فيلم حساس صغير مساحته حوالي 2x3cm (يشبه فيلم الأسنان) مغطى بطبقة من البلاستيك المعتم لحمايته من الضوء موضوع داخل حقيبة من البلاستيك بها نافذة لدخول أشعة بيتا، أما أشعة جاما فإنها تخترق الحقيبة البلاستيكية وتصل إلى الفيلم، ويوجد داخل الحقيبة حاجز من الرصاص لإمتصاص أشعة بيتا من قبل جزء من الفيلم ونفاذ أشعة جاما فقط. وعن طريق تحميض الفيلم يمكن معرفة نوع الأشعة وكميتها التي تتوقف على درجة عتامة الفيلم ويستخدم، ويستخدم هذا الفيلم للكشف عن الأشعة التي يتعرض لها العاملين سواء في مصانع أو في مراكز البحوث أو المستشفيات.
2-جهاز المسح الإشعاعي Survey Meter
يتكون جهاز المسح الإشعاعي عموما من كاشف إشعاعي ودائرة إكترونية لتكبير التيار وقياس شدته أو عد النبضات الكهربائية الناتجة عن التيار الكهربائي في وحدة الزمن، وتزود هذه الأجهزة بجهاز صوتي يصدر صوتا كلما تم تسجيل نبضة فيه وبالتالي يمكن التنبه إلى وجود زيادة في مستوى الأشعة في البيئة، ويوجد منه أنواع مختلفة لقياس أنواع الأشعة المختلفة.
3-مقياس الجرعة الجيبي Pocket Dosimeter
وهو عبارة عن جهاز صغير يشبه قلم الحبر من حيث الشكل والحجم، ويتكون الجهاز من غرفة تأين إسطوانية تحتوي على قطبين أحدهما ثابت والآخر متحرك وهو الذي يعطي القراءة عند التعرض للأشعة ويستخدم الجهاز لقياس كمية الأشعة التي يتعرض لها الإنسان الذي يعمل بالمواد المشعة.
4-محلل وحيد القناة SINGLE Channel Analyzer
وهو يتكون من:
أ-كاشف إشعاعي:
يتوقف نوعه على نوع الإشعة المراد قياسها كما في الأنواع السابقة الذكر.
ب-مكبر:
يستخدم لتكبيرالإشارة الكهربائية الناتجة من الومضة الضوئية المنبعثة من الكاشف الإشعاعي نتيجة لسقوط الأشعة على الكاشف.
ج-محلل طيفي:
تختلف شدة الإشارات الكهربائية حسب طاقة الأشعة الساقطة ويقوم المحلل الطيفي بتحليل هذه الإشارات ليعطي طيف مختلف الطاقة.
د-العداد:
يقوم العداد بعد كل الإشارات الكهربائية التي لها نفس الطاقة وبتغيير مفتاح الطاقة يمكن أخذ قراءة عد الإشارات الكهربائية للطاقات المختلفة التي تعبر عن عدد الإشعاعات الساقطة على الكاشف بطاقات مختلفة.
5-محلل عديد القنوات Multi Channel Analyzer
يتكون المحلل عديد القنوات من نفس الوحدات الموجودة في المحلل وحيد القناة إلا أنه يمكن عد الإشارات الضوئية المختلفة الطاقة في وقت واحد بعد تحليلها إلى طاقات مختلفة معطيا طيف متكامل لجميع الأنوية الموجودة في العينة المراد قياسها كما يعطي النشاط الإشعاعي لكل طاقة في آن واحد.
2.6. تأثير الأشعة المختلفة:
كما نعلم أن الأشعة تدمر الأنسجة الحية فمن الممكن أن تمزق الأشعة الخلية الحية فتموت ويصعب إصلاحهابواسطة الجسم، كما أنه من المحتمل أن تدمر الخلايا الوراثية التي لا يمكن تعويضها بواسطة الجسم وهذا يؤدي إلى أمراض السرطان أو خلل في العوامل الوراثية بالنسبة للأجيال.
وتتوقف تأثيرات الأشعة على الكمية التي يتعرض لها الجسم وتؤثر فيه، وتسمى كمية الأشعة الممتصة بواسطة كيلوجرام من الجسم بالجرعة المكافئة وتقاس بالسيفرت.
والسيفرت Sievert (Sv) عبارة عن كمية الطاقة (واحد جول) المنتقلة إلى كيلوجرام واحد من الجسم.