مواد رادیواکتیو چیست؟ – تاریخچه کشف و کاربردهای آن ها

به موادی که از خود نور منشر می کنند، بدون بمباران الکترونی و تاباندن نور، مواد رادیواکتیو می گویند. هسته های ناپایدار عناصر با تابش اشعه دچار فراپاشی شده و پایدار می شوند. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به بیان چگونگی کشف و خواص این مواد می پردازد.

۱- تاریخچه کشف مواد رادیو اکتیو :

بعد از کشف اشعه رادیو اکتیو ساطع شده از اورانیوم توسط هنری بکرل، ماری کوری و همسرش پیری کوری توانستند اولین مواد رادیو اکتیو را کشف کنند. پیرکوری وسیله ای متشکل از دو صفحه موازی که هر کدام به یکی از قطب های پیل وصل بودند، ساخت. ماده رادیو اکتیو به صفحه اول برخورد کند با یونیزاسیون هوای اطراف صفحه، باعث انحراف عقربه گالوانومتر می شود. همین دستگاه نشان داد که این مواد اشعه از خود منتشر می کنند. چون میزان انحراف گالوانومتر برای اورانیوم خالص کمتر از پیچ بلند بود، آن دو متوجه شدند که باید ماده ای فعالتر از اورانیوم موجود باشد. بعد از تلاش های فراوان ماری کوری و همسرش دو اتم جدید رادیواکتیو رادیوم و پلونیوم را کشف کردند.

۲- تعریف مواد رادیو اکتیو :

وقتی در یک ماده نسبت نوترون به پروتون بیشتر باشد، این هسته ناپایدار خواهند بود و خاصیت پرتوزایی خواهد داشت. هسته های ناپایدار (به دلیل زیادی پروتون، نوترون یا هر دو) برای رسیدن به حالت پایدار از خود تابش هایی خواهند داشت. این مواد که به طور خودبه خودی از خود نور ساطع می کنند مواد رادیو اکتیو می گویند. هسته های دارای خاصیت رادیواکتیویته یا به طور طبیعی وجود دارند و یا به دست انسان ها ساخته می شوند. به فرآیندی که طی آن هسته دچار شکافت هسته ای می شود و یک پرتو یون ساز پرانرژی تولید می کنند، رادیواکتیویته یا پرتوزایی می گویند. در این فرآیند هسته های بزرگ و سنگین به هسته های کوچک و پایدار تبدیل می شود.

۳- نمونه های مواد رادیواکتیو طبیعی و مصنوعی :

مواد رادیواکتیو طبیعی مثل اورانیوم U، توریم Th، پولونیوم Po و رادیم Ra را می توان نام برد. مواد رادیواکتیو مصنوعی که در طبیعت نیست و به دست انسان ها در آزمایشگاه ساخته می شود مثل Pt 197 را می توان نام برد. هر دو این مواد می توانند با تابش ذرات به هسته های پایدار تبدیل می شوند. در جدول تناوبی، عناصر ۱۱۰ تا ۱۱۶ رادیواکتیو و ساخته دست بشر هستند (عناصر خانه های ۱۱۳ و ۱۱۵ در حال حاضر ساخته نشده است).

۴- ذرات منتشر شده از مواد رادیو اکتیو :

مواد رادیواکتیو سه نوع تابش دارند α، β و γ.

تابش α دارای ذرات آلفا متشکل از دو پروتون و دو نوترون است. این ذره دارای بار الکتریکی ۲+ است و وقتی نزدیک یک اتم می شود تحت تاثیر میدان الکتروستاتیکی اتم را یونیزه می کند. ذره α همچنین می تواند الکترون را به مدار بالاتر منتقل کرده و اتم را برانگیخته کند. اشعه ی آلفا قابلیت نفوذ کمی دارند و به طور مستقیم است.

تابش β که دارای ذرات بتا با بار الکتریکی منفی است. خاصیت یون سازی و برانگیختگی اتم ها توسط ذرات β کمتر از ذرات α است. قدرت نفوذ اشعه ی بتا بیشتر از اشعه ی آلفاست ولی دارای انحراف است. تابش γ که حاوی ذرات γ است، قدرت یونیزاسیون کمی دارد ولی نفوذ این اشعه بیشتر از تابش های آلفا و بتاست.

۵- پایداری و ناپایداری ایزوتوپ ها :

با کشف پرتوزایی توسط بکرل، کشف مواد رادیو اکتیو توسط کوری و همچنین کشف پروتون و نوترون ایزوتوپ ها تعریف شدند. اتم هایی از یک عنصر که عدد اتمی یکسان ولی جرم متفاوت دارند، ایزوتوپ های آن عنصر هستند. با این تعریف، این تصور که همه عناصر پایدار هستند لغو می شود. برخی از ایزوتوپ های عناصر مانند ایزوتوپ تریتیم هیدروژن، خاصیت رادیواکتیویتی دارند. اتم های سنگین تر، ایزوتوپ های بیشتر و در نتیجه تعداد هسته های ناپایدار بیشتر و امکان رادیواکتیویته بودن آن ها بیشتر می شود. تمام ایزوتوپ های بعضی از عناصر، رادیواکتیو است. اورانیوم و پلوتونیوم از نمونه های آن هاست.

۶- کاربردهای مواد رادیو اکتیو :

برای تعیین سن فسیل ها، سنگ ها و عمر آثار باستانی از نیمه عمر مواد پرتوزا استفاده می کنند. در پزشکی و صنعت مواد رادیواکتیو استفاده زیادی دارند. در پزشکی با تزریق ایزوتوپ های رادیواکتیو به خون مسیر آن با آشکارسازهای مشخصی که فعالیت های رادیواکتیوی را نشان می دهند دنبال می شود. بعد روی کامپیوتر هر نقصی که خون دارد با گرفتن اطلاعات از آشکارساز نمایش داده می شود.

نکته :

بعضی غذاهای طبیعی دارای مواد رادیو اکتیو هستند.آجیل برزیلی دارای دو عنصر رادیواکتیو رادیوم و پتاسیم است. لوبیای سفید دارای پتاسیم ۴۰ و رادون ۲۲۶ است. موز با داشتن ماده رادیواکتیو پتاسیم از این ماده غنی است. هویج، سیب زمینی و نمک از غذاهای دیگر حاوی مواد رادیواکتیو است.

۷- زباله های مواد رادیو اکتیو :

دفع زباله های مواد پرتوزا یکی از مشکلات اساسی است. به عنوان مثال میله های داغ اورانیوم با دمای ۸۰ درجه سانتیگراد، بعد از استفاده در رآکتورهای اتمی، اگر به دریا ریخته شود و یا در زمین دفن شود باعث آلودگی منطقه می شود. برای رفع این مشکل می توان قالب هایی از بتن ساخت و میله های داغ را داخل آن گذاشته و دفن کنیم. ولی این کار هزینه بسیار زیادی را متقبل می کند و به این دلیل شایعات زیادی درباره رها کردن این زباله به طور غیر سالم در دریاها و کویرها وجود دارد. البته سوخت های فسیلی هم آلودگی های زیادی برای دریاها و زمین دارند.

۸- اثرات زیان بار مواد رادیو اکتیو :

وقتی یک فروپاشی هسته ای اتفاق می افتد مواد رادیواکتیو در محیط پخش می شود. انسان از طریق هوا، آب، گیاهان و جانوران آلوده این مواد را وارد بدن خود می کند. به عنوان مثال اگر ید ۱۳۱ توسط تیروئید جذب شود باعث سرطان تیروئید می شود. اگر انسان در مقابل مقدار زیادی از تشعشعات رادیواکتیوی قرار گیرد، مانند کسانی که در نیروگاه ها کار می کنند، دچار سندروم تشعشع حاد می شوند. در نتیجه در این حالت فرد دچار زخم پوستی و یا حالت تهوع و اسهال و در موارد شدید می تواند باعث کما رفتن فرد شود.

چون رادیواکتیو روی DNA اثرات مخرب دارد بنابراین به بافت هایی از بدن که بیشتر دچار تقسیم سلولی می شوند آسیب می زند. بافت هایی مثل روده، پوست و اگر دوز رادیو اکتیو زیاد باشد حتی به سلول های مغزی هم آسیب می زند.

توجه :

اثرات زیان بار ناشی از مواد رادیو اکتیو طولانی مدت و قابل انتقال از هر نسل به نسل بعدی است. به عنوان نمونه بعد از حادثه انفجار رآکتور هسته ای در اوکراین، به دلیل خوردن شیر آلوده به مواد رادیواکتیو در کودکی، افراد زیادی در بزرگسالی به سرطان تیروئید مبتلا شدند. برای پیشگیری از این بیماری می شد به آن ها در کودکی دارویی که حاوی ایزوتوپ غیر رادیواکتیو ید است، داده شود. چون تیروئید آن ها از ید سالم اشباع می شود و ید اضافی را جذب نمی کند.