مواد پرتوزا

مقدمه
این مقاله شامل سه بخش كلی می باشد كه به ترتیب خاصی و به صورت تدریجی كنار یكدیگر قرارگرفته اند، قسمت اول تاریخچه كوتاهی را از كشف رادیواكتیویته بیان می كند كه با معرفی چهاردانشمند با نام های هانری بكرل، ماری كوری، ارنست رادرفورد و پل اوریچ ویلارد همراه است، در قسمت اول تحقیق(تاریخچه) ارنست رادرفورد بیش تر مورد توجه و بوده و قسمتی از زندگی وی و تحقیقات او بیان شده است.
قسمت دوم این تحقیق به معرفی مواد پرتوزا، اصطلاحات راجع به این موضوع، ماهیت پرتوهای آلفا، بتا و گاما، واپاشی و قانون سدی می پردازد كه سعی شده است درمورد همه مفاهیم و مباحث جزیی بحث و نتیجه گیری شود و بلاخره در قسمت سوم گفتار حاضر از تریتیم به عنوان یك عنصر رادیواكتیو نام برده شده، آن را معرفی كرده ایم، میزان خطرات آن و روش اندازه گیری خطرات را نیز بیان نموده ایم تا به عنوان یك مثال همه مفاهیم روی آن كار شود.

تاریخچه كشف مواد پرتوزا
هانری بكرل، دانشمند فرانسوی، زمانی كه مشغول تحقیق بر روی مواد دارای خاصیت فسفرسانس بود متوجه شد كه تاثیر نور مرئی و سنگ معدن اورانیوم(سولفات پتاسیم اورانیوم) بر روی یك فیلم عكاسی بسته بندی شده همانند است ( بعدها مشخص شد كه سنگ معدن اورانیوم از خود پرتوهای آلفا و گاما گسیل كرده و چون پرتوهای گاما همان پرتوهای X پرانرژی هستند و از جنس نور یا امواج الكترومغناطیسی اند، بنابر این اورانیوم، چنین تاثیری بر روی فیلم عكاسی بسته بندی شده وی گذاشته)، در همین حین ماری كوری خاصیت پرتوزایی را كشف كرد و با تعداد محدودی ماده پرتوزا مانند پولونیم(فلز ضعیف) و رادیم(فلز قلیایی خاكی) آشنا گردید و نام های كنونی چون رادیواكتیو(پرتوزا) یا رادیواكتیویته(پرتوزایی) را وی برگزید ومنتشر ساخت، در آن زمان، اطلاعات بشر در مورد این مواد بسیار كم بود و رادرفورد در پی اكتشافات تازه ای درمورد این مبحث نوین بود.
ارنست رادرفورد در سال 1895 به ?آزمایشگاه کاوندیش? دانشگاه کمبریج آمد تا در آنجا تحت مدیریت ?جی.جی امسون? مشغول به کار شود، تامسون که استاد فیزیک تجربی بود، رادرفورد را فعالانه در آزمایشگاه به کار گرفت، رادرفورد در اوایل کار تحقیقاتی خود با انجام آزمایشی که فکر آن از خود وی بود دو تابش رادیواكتیو ناهمانند شناسایی کرد، او پی برد که بخشی از تابش با برگه ای به ضخامت یك پانصدم سانتی متر قابل ایستادن بود اما برای متوقف کردن بخش دیگر برگه های بس ضخیم تری لازم بود. او اولین اشعه ای را که تابشی با بار الکتریکی مثبت و یونیزه کننده ای قوی بود و به سهولت در مواد جذب می شد اشعه آلفا نام داد. اشعه دوم را که تابشی با بار الکتریکی منفی بود و تشعشع کمتری ایجاد می کرد اما قابلیت نفوذ آن در مواد زیاد بود را اشعه بتا نامید. تابش نوع سومی که شبیه پرتوهای ایکس بود، در سال 1900 بوسیله پل اوریچ ویلارد (فیزیکدان فرانسوی) کشف شد، این پرتو نافذترین تابش را داشت. طول موج آن بسیار کوتاه و فرکانس آن فوق العاده زیاد بود تابش جدید، پرتو گاما نام گرفت. رادرفورد و همکارانش کشف کردند که فعالیت تشعشعی طبیعی مشهود در اورانیوم: فرآیند خروج ذره آلفا از هسته اتم اورانیوم بصورت یک هسته اتم هلیم و بر جای ماندن اتمی سبکتر از اتم اورانیوم در اورانیوم به ازاء هر خروج ذره آلفا از آن است از کشف آنها نتیجه گیری شد که رادیوم تنها عنصر از شرته عناصر حاصل از فعالیت تشعشعی اورانیوم است.
رادرفورد در سال 1904 نخستین کتاب خود به نام فعالیت تشعشعی را که امروزه از کتب کلاسیک نوشته شده در آن زمینه شناخته می شود را منتشر کرد و به سرعت دست به کار تدوین نظریه های تازه در باره ساختار اتم شد. آن دوره پر ثمرترین دوره زندگی دانشگاهی او بود رادرفورد به پاس کوشش های علمی خود در دانشگاه منچستر نشان ها و جوایز زیادی دریافت کرد که دریافت جایزه نوبل سال 1907 در شیمی نقطه اوج آن بود. این نشان افتخار را البته برای کارهایی که در کانادا در زمینه فعالیت تشعشعی عناصر کرده بود به او دادند، بزرگترین دستاورد رادرفورد در دانشگاه منچستر کشف ساختار هسته اتم بود پیش از رادرفورد اتم به گفته خود او یک موجود نازنین سخت و قرمز و یا به حسب سلیقه خاکستری بود اما اینک یک منظومه شمسی بسیار ریز متشکل از ذرات بی شمار بود که مظنون به نهفته داشتن اسرار ناگشوده متعدد دیگر در سینه هم بود.
رادرفورد در سال 1937 در اثر یک فتق محتقن(گونه ای تورم ناشی از انسداد اعضای درونی) در گذشت او در آن هنگام 66 ساله و هنوز سرزنده و قوی بود سهم رادرفورد در شکل گیری درک کنونی ما از ماهیت ماده از هر کس دیگری بیشتر است و به همین علت، او را پدر انرژی هسته ای نامیده اند.

ماده پرتوزا چیست؟
ماده پرتوزا ماده ای است كه طی یكسری فعل و انفعالات خاص در هسته ی اتم های خود، پرتوها یا تابش های خاصی را گسیل می كند، همه مواد طبیعی یا مصنوعی قابلیت پرتوزایی ندارند و این قابلیت فقط در موادی مشاهده می شود كه هسته ای ناپایدار دارند و برای تبدیل شدن به یك تركیب پایدار از خود پرتوهایی را گسیل می كنند.
تابش های هسته ای به طور كلی به سه دسته ی پرتوهای آلفا، بتا و گاما تقسیم می گردند. هر ماده ی رادیواكتیو پرتوهای مشخصی را گسیل می كند، به طور مثال: هسته اتم های رادیوكربن و رادیو استرانسیوم پرتو بتا گسیل می كنند، هسته های رادیوكبالت پرتوی بتا و پرتوی گاما تشعشع می كنند و هسته های رادیوم و اورانیوم پرتو آلفا و پرتوی گاما گسیل می كنند، بنابر این می توان نتیجه گرفت كه هر ماده ای قابلیت پرتوزایی ندارد و موادی كه قابلیت پرتوزایی دارند، از بین پرتوهای آلفا، بتا و گاما فقط تعداد خاص و مشخصی را گسیل می كنند و همانطور كه در مثال های گذشته اشاره شد، به طور مثال، هسته های رادیوكبالت پرتوهای بتا ساطع می كنند و این هسته ها قابلیت صادركردن پرتوهای آلفا و گاما را ندارند و در گسیل تابش های هسته ای محدود می باشند.
مواد رادیو اكتیو شامل دو دسته هستند، ا- ماده پرتوزای طبیعی و 2- ماده پرتوزای مصنوعی
ماده پرتوزای طبیعی آن دسته از مواد پرتوزا است كه در طبیعت به صورت ذاتی وجود دارند و انسان در به وجود آمدن آن ها هیچ نقشی ندارد.
و ماده پرتوزای مصنوعی آن دسته از مواد پرتوزا را شامل می شود كه ساخته دست انسان هستند و برای تولید آن ها، انسانی تلاش كرده است.
این نوع دسته بندی در برخی كتب جزو قوانین سدی بیان شده است(مانند كتاب شیمی عمومی تالیف غلامرضا قاضی مقدم، توضیحات بیش تر در فسمت منابع) اما در برخی دیگر به صورت مجزا آمده است.
پرتوهای آلفا، بتا و گاما دارای جنس، بارالكتریكی، قدرت نفوذ و انرژی متفاوتی هستند و منشا و مبدا هركدام نیز ممكن است متفاوت باشد.
در واكنش های هسته ای ماده ای كه پرتو گسیل می كند را ماده مادر یا ماده اولیه می نامند و فرآورده یا آن ماده ای كه پس از واپاشی بر جای می ماند را ماده دختر می نامند.
نیمه عمر مواد رادیواكتیو، یك عنصر، مدت زمانی است كه طول می كشد تا یك ماده پرتوزا نیمی از قدرت خود را از دست بدهد، به طور مثال نیمه عمر كربن-14 حدود 5600 سال می باشد یا اورانیم 238 دارای نیمه عمر 5 میلیارد سال است، یعنی 5 میلیارد سال طول می كشد تا اورانیوم 238 نیمی از خاصیت رادیواكتیویته خود را از دست دهد، پس بنابراین یك عنصر اورانیوم 238 حدود 10 میلیار سال طول می كشد تا به طور كلی خاصیت رادیواكتیویته خود را از دست دهد.
از آنجایی كه مواد پرتوزا قابلیت نفوذ در بافت های زنده را نیز دارند، بنابر این میزان تابش های هسته ای اطراف ما همواره می بایست آزمایش و بررسی شوند كه این كار(اندازه گیری میزان پرتوهای الفا، بتا و گاما در اطراف زندگی) توسط دستگاهی به نام گایگر-مولر اندازه گیری می شود كه این نام از نام سازندگانش اقتباس شده است.

ماهیت پرتوهای آلفا، بتا و گاما
هر سه نوع تابش هسته ای دارای خصوصیات متفاوتی نسبت به یكدیگر هستند و مشخصه ای ویژه خود دارند كه برخی مشخصات بارز آنها را پی میگیریم:
در مقایسه ی قدرت نفوذ پرتوهای آلفا و بتا و گاما رادرفورد مشاهده نمود كه:پرتوهای آلفا توسط ورقه ای از كاغذ متوقف می شوند و قابلیت نفوذ درون ورقه كاغذ را ندارند یا به عبارت دیگر نمی توانند از كاغذ عبوركنند. پرتوهای بتا از ورقه ی كاغذی عبور كرده اما در برخورد با ورقه ی آلومینیومی با ضخامت 1.16 اینچ متوقف می شوند و بلاخره پرتوهای گاما كه قابلیت نفوذ در یك دیوار بتونی ضخیم را دارا می باشد اما نمی توانند از ورقه ای سربی با ضخامت بسیار زیاد عبوركنند، بنابراین از این مشاهدات می توان نتیجه گرفت كه پرتوهای آلفا قدرت نفوذی كم تر از پرتوهای بتا و پرتوهای بتا قدرت نفوذی كم تر از پرتوهای گاما دارند. در بین تابش های هسته ای پرتوهای گاما دارای قدرت نفوذ بیش تری هستند اما ذكر این نكته لازم است كه نافذترین پرتوهای جهان، پرتوهای كیهانی هستند كه قابلیت نفوذ در یك كوه را نیز دارند و به طور نامحسوسی همواره از اعماق میان ستاره ای یا شراره های خورشید زمین را بمباران می كنند و در اعماق زمین نفوذ می كنند.
تابش های هسته ای از نظر جنس و بارالكتریكی تفاوت های محسوسی دارند، پرتوهای الفا دارای بار مثبت هستند و از جنس هسته مثبت اتم هلیم می باشند و جرمی 4 برابر جرم هیدروژن یعنی در حدود 4 a.m.u جرم دارند این پرتوها به سهولت در مواد جذب می شوند و یونیزه كننده ای قوی محسوب می گردند، پرتوهای بتا به طور كلی از جنس ذرات می باشند، ذرات با بار الكتریكی منفی و همچنین ذرات با بار الكتریكی مثبت(ضدالكترونها یا همان پوزیترون ها)، بتای منفی از جنس الكترون ها بوده و بار منفی دارد، بتای مثبت در مقایسه با بتای منفی فقط و فقط در نوع بارالكتریكی تفاوت دارد و درواقع ، پوزیترون ها یا همان ذرات بتای مثبت همان الكترون ها هستند با این تفاوت كه با آن ها مثبت شده است.
هنگامی كه پوزیترون ها با یك ماده(هدف) برخورد می كنند، با الكترون های درون ماده واكنش داده و هر دو از بین رفته و جرقه ای از گاما زده می شود.
پرتوهای گاما از نظر بارالكتریكی، خنثی هستند و هیچ گونه باری ندارند این ذرات از جنس امواج الكترو مغناطیس یا هان نور هستند و در واقع همان پرتوهای X پرانرژی می باشند. پرتوهای گاما دارای طول موج بسیار كوتاه و فركانس فوق العاده زیادی می باشند و به دلیل اینكه طول موج كمی دارند می توان نتیجه گرفت كه انرژی فوق العاده زیادی را شامل می شوند.

واپاشی پرتوهای آلفا، بتا و گاما
واپاشی یكی از خواص مواد رادیواكتیو یا پرتوزا میباشد كه در طی یك واپاشی از یك ماده رادیواكتیو پرتوهای مشخصی واپاشیده می شوند.
معمولا هسته ها ی اتم هایی از خود پرتوی آلفا گسیل می كنند كه عدد جرمی آن ها بیش از 15 و عدد اتمی آن ها بیش از 82 باشد. در اتم هایی كه هسته های سبك تری دارند احتمال واپاشی آلفا بسیار كم است.
واپاشی بتایی متداول ترین نوع واپاشی می باشد كه تقریبا تمام اتم هایی كه ناپایداری دارند، قابلیت گسیل پرتوهای بتا را دارند و می توانند پرتوهای بتا از خود ساطع كنند. واپاشی بتا مشتمل بر گسیل مستقیم یك الكترون از هسته است و در هنگام گسیل پرتوی بتا، به عدد اتمی ماده پرتوزا یك واحد افزوده می شود، به طور مثال در گسیل بتا از هسته یك اتم هلیوم (هلیون)، علاوه بر اینكه هلیم به پرتوی بتا و لیتیوم-6 تبدیل می شود، عدد اتمی آن نیز از 2 به 3 می رسد(تغییرات مواد پرتوزا پس از واپاشی در قوانین سدی مورد بررسی قرار می گیرد كه در ادامه به آن نیز اشاره خواهد شد).
هسته ی یك اتم می تواند به طرق و روش های مختلف، برانگیخته شود و پس از برانگیختگی امواج الكترومغناطیس ازجنس نور گسیل كند كه بسته به سطح برانگیختگی می تواند از امواج الكترومغناطیس با انرژی كم تا پرتوهای گاما گسیل شود.
کشف پرتوزایی طبیعی به دست بکرل منجر به عصر جدیدی شد – عصر اتمی و هسته ای – اما نه بی درنگ.
پرتوزایی طبیعی تا سالها بعد به درستی شناخته نشد. پژوهشها و نبوغ راذرفورد، سادی و دیگران لازم بود تا به طبیعت و منشأ تابشی که بکرل و کوری ها کشف کرده بودند پی ببرند، و این نظر را پیش بکشند که از ذرات (آلفا و بتا) گسیل شده از هسته های اتمها و تابش الکترومغناطیسی همراه چنین گسیل هایی تشکیل شده است. لرد راذرفورد در بیان اینکه جرم اتمها عمدتاً (بیش از 9/99%) در مرکزشان قرار گرفته، و از ذرات باردار مثبت و خنثی به نام پروتونها و نوترونها تشکیل شده است، نقش بسزایی داشت. در حوالی سال 1934 بود که به تدریج پرده از راز چگونگی دستیابی به قدرت عظیم انرژی هسته ای برداشته شد.
در سال 1934 ایران کوری، دختر ماری و پی یر، و شوهرش فردریک ژولیو، پرتوزایی مصنوعی را کشف کردند. آنان نشان دادند که می توان از ذرات آلفا، که راذرفورد آنها را به عنوان تکه هایی از هسته ی اتمها که عناصر پرتوزای طبیعی گسیل می کردند شناسایی کرده بود، برای بمباران عناصر غیر پرتوزا و القای پرتوزایی در آنها استفاده کرد. پروفسور آلن لایتمن در ساینس 84 این فرایند زیر اتمی را چنین توصیف کرد: «ظاهراً اگر برخی هسته های اتمی پایدار را که به آرامش ابدی خود رضایت داده بودند، مجبور می کردند تا ذرات زیر اتمی دیگری ببلعند، می شد آنها را ناپایدار ساخت. این هسته های اتمی که به اجبار پر شده بودند، در حالتی ناآرام شروع به پرتاب ذرات کوچکی از خود می کردند، گویی پرتوزایی «طبیعی» صورت گرفته باشد».
انریکو فِرمی که در آن هنگام در رم بود، تصمیم گرفت که به جای ذرات آلفا از نوترونها برای بمباران عناصر پایدار استفاده کند. بدین ترتیب هسته ی اتم سنگین اورانیم (البته ایزوتوپ پایدارآن) را در معرض بارانی از پروتونها قرار داد. وی فرض کرد که احتمالاً این بمباران نوترونی، هسته های ی از عناصر را که وزنشان تقریباً برابر با اورانیم است ایجاد خواهد کرد. اما اتوهان وفریتزاشتراسمن که در انستیتو قیصر ویلهلم در برلین پژوهش می کردند، در محصولات بمباران اورانیم مقداری باریم یافتند، یعنی عنصری که اندازه ی اتمهای آن تقریباً نصف اورانیم است. چون هیچ باریمی در نمونه ی بمباران شده وجود نداشت، ظاهراً بعضی از هسته های اورانیم به دو نیم شده بودند!
در دسامبر سال 1938 ، هان طی نامه ای این نتیجه ی نامنتظره را برای لیزه مایتنر شرح داد.
مایتنر، 30 سال همکار ارزشمند هان بود، اما چون یهودی بود، پنج ماه قبل از آن از آلمان هیتلری گریخته و به سوئد پناه آورده بود. در کریسمس آن سال، خواهر زاده اش اتور.فریش، که او نیز فیزیکدان و در کپنهاگ از همکاران فیزیکدان معروف دانمارکی نیلس بور بود، از او دیدن کرد، و با هم درباره ی هان گفت و گو کردند. پس از تفکر زیاد، در حالی که در برفها قدم می زدند به یاد یکی از نظریات بور افتادند؛ در سال 1936 بور احتمال داده بود که شاید ذرات درون هسته به نحوی دسته جمعی عمل می کنند، که حتی با ضربه ی ذره ی کوچکی همچون نوترون، هسته از حالت کروی خود تغییر شکل می یابد. امکان داشت که نیروهای دافعه ی هسته بر نیروهای جاذبه غلبه کنند، هسته به دو نیم تقسیم شود، و دو نیمه را با سرعتی زیاد و با آزاد کردن مقادیر عظیمی انرژی به دو سو پرتاب کند. بور هر هسته ی سنگین ناپایدار را به قطره ی آبی که در حال شکافتن باشد تشبیه کرد.
وقتی فریش چند روز بعد به کپنهاگ بازگشت، توانست درست قبل از سوار شدن بور بر کشتی سوئدی – امریکایی ام اس دروتنینگهولم که به نیویورک می رفت با او صحبت کند. بور بی درنگ به اهمیت آزمایش شکافت هسته ای – واژه ای که فریش براساس نام تقسیم یاخته ای در زیست شناسی وضع کرده بود – که هان مشاهده کرده بود، پی ببرد. بور راهی کنفرانسی در واشنگتن دی. سی. در زمینه فیزیک نظری بود، و تفسیر مایتنر و فریش را در کنفرانس مطرح کرد. بور متعاقباً نامه ی کوتاهی به سردبیر مجله ی فیزیکال ریویو نوشت که در آن نظریه ی قطره ی مایع برای شکافت هسته ای را به اختصار شرح داد.
چندی نگذشت که لئوزیلارد در دانشگاه کلمبیا شکافت هسته ای را در واکنشهای زنجیره ای مشاهده کرد. بور که در آن هنگام در دانشگاه پرینستون بود، حساب کرد که فقط شکل نادری از اورانیم، یعنی ایزوتوپ 235-U آن که در طبیعت تنها 1% اورانیم طبیعی را تشکیل می دهد، موجب واکنشی زنجیره ای می شود. برای ساخت یک رآکتور زنجیره ای باید 235-U تغلیظ می شد. این کار عملی بود، و بالاخره انجام شد .ایالات متحده موفق شد گوی سبقت را در این زمینه از آلمان برباید.