رادیواکتیو چیست؟ – تابش های رادیواکتیو و کاربردهای آن ها

فرآیندی که در هسته اتم های ناپایدار پرتوزا رخ می دهد و باعث تابش پرتوهای رادیواکتیو می شود، رادیواکتیویته یا فروپاشی هسته ای نامیده می شود. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به معرفی این پدیده و اثرات آن می پردازد.

 تعریف رادیواکتیویته

به پدیده ای که در مواد رادیواکتیو که دارای هسته های ناپایدار و پرتوزا هستند، رخ می دهد و با تابش پرتوهای رادیواکتیو به هسته های پایدار تبدیل می شوند، رادیواکتیویته می گویند. در این فرآیند با گذشت زمان ماده اولیه از بین رفته و به هسته های کوچک تر تبدیل می شوند. در طی این فرآیند جرم هسته های تولید شده کمتر از جرم مواد اولیه (به میزان خیلی کم) خواهد بود و این تفاوت جرم به صورت انرژی آزاد می شود. اگر این انرژی مهار شود و به صورت نیروی هسته ای حفظ شود (به جای رها شدن در طبیعت)، هیچ خطری برای بشریت نخواهد داشت. در این فرآیند نیمه عمر قابل محاسبه است ولی زمان دقیق انجام آن قابل پیش بینی نیست.

تاریخچه کشف رادیواکتیو

در سال ۱۸۹۶ میلادی هانری بکرل ثابت کرد که ترکیبات اورانیوم می توانند مانند خورشید از خود اشعه ای منتشر کنند که اثرش روی صفحه عکاسی می ماند. برای این نتیجه گیری او در یک روز ابری نمونه ای از سولفات پتاسیم اورانیوم را در کاغذ سیاهی به همراه یک صفحه عکاسی در یک کشویی قرار داد. بعد از چند روز مشاهده کرد که یک تصویری روی صفحه عکاسی از نمونه حک شده است. در این آزمایش او گفت علاوه بر اینکه از این نمونه اشعه ای ساطع شده، بلکه این اشعه توانایی عبور از کاغذ سیاه را هم دارد.

در همین هنگام ماری کوری خاصیت پرتوزایی را کشف کرد و پی برد که برخی مواد مثل رادیم از خود حرارت آزاد می کنند. ماری کوری نام پرتوزایی (رادیواکتیویته) را برای اشعه های کشف شده خود قرار داد. او اولین فردی بود که این نام را برای این مواد استفاده کرد. ماری کوری وبکرل جایزه نوبل فیزیک را به خاطر این کشف از آن خود کردند و در سال ۱۹۳۴ دختر ماری کوری همراه همسر خود رادیو اکتیویته مصنوعی را کشف کردند.

تابش های رادیواکتیو

همان طور که گفته شد مواد پرتوزا و رادیواکتیو از خود اشعه تابش می کنند. طی یک دسته بندی سه نوع تابش (سه ذره مختلف) در این مواد داریم.

واپاشی α

ذرات α از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده که بار الکتریکی مثبت داشته و تابش α ضعیف ترین نوع تابش رادیواکتیو است. مسیر حرکت این ذرات مستقیم بوده و با یک کاغذ یا ورقه نازک فلزی مسیر آن ها مسدود می شود چون این ذره نفوذ کمی در آب یا محیط های جامد دارد. از هسته ناپایدار مادر (به طور معمول هسته های سنگین ناپایدار) وقتی ذره آلفا گسیل کرد، هسته دختر تولید شده دو عدد اتمی کمتر از هسته مادر و چهار عدد جرمی کمتر از هسته مادر خواهد داشت.

واپاشی β

ذرات β از ذرات الکترون با بار منفی تشکیل شدند که ذراتی قوی بوده و تابش β چون قدرت نفوذ بالایی دارند با کاغذ مسیر آن ها مسدود نمی شود. ولی با آلومینیم می توان مسیر حرکتی آن ها را بست. مسیر این ذرات به دلیل اینکه مرتب منحرف می شود، مستقیم نیست. وقتی ذره بتا از یک اتم ساطع می شود عدد اتمی هسته دختر یک واحد بیشتر از هسته مادر می شود.

 واپاشی γ

ذرات γ قوی ترین ذرات و فاقد بار الکتریکی هستند. چون قدرت نفوذ این ذرات بسیار بالاست مسیر آن ها فقط با ورقه ضخیم سرب می تواند مسدود شود. جنس این اشعه از نور و امواج الکترومغناطیسی است. جرم آن صفر بوده و در عدد اتمی هسته مادر هیچ تغییری ایجاد نمی کند. در این واپاشی فقط بسته انرژی تابش می شود.

نیمه عمر

مدت زمانی که طول می کشد تا خاصیت رادیواکتیویته یک ماده به نصف کاهش پیدا کند نیمه عمر گفته می شود. به عبارتی مثلا یک گرم از اتم های پرتوزا، در طی فروپاشی به نیم گرم کاهش پیدا کند. وقتی گفته می شود نیمه عمر کربن ۱۴ برابر ۵۶۰۰ سال است، یعنی بعد از ۵۶۰۰ سال در طی فروپاشی اتم های کربن، تعداد کربن های رادیواکتیو آن نصف مقدار اولیه می شود. در بدن موجودات زنده به خاطر تبادل تنفسی اکسیژن و دی اکسیدکربنی که با جو دارند، کربن ۱۴ وجود دارد. با مردن موجودات، کربن ۱۴ بدن آن ها شروع به فروپاشی می کند. در مدت ۵۶۰۰ سال نصف کربن  ۱۴ بدن آن ها با آهنگ ثابتی پرتوزایی می کند. دانشمندان با محاسبه مقدار تابش می توانند زمان مرگ را به دست آورند.

نیمه عمر بین چند ثانیه تا چند میلیون سال متغیر است. از فلوئور ۱۷ که نیمه عمر یک دقیقه دارد تا اورانیوم ۲۳۵ که نیمه عمر ۷۰۰ میلیون سال دارد حتی اورانیوم ۲۳۸ نیمه عمر ۵ میلیارد سال دارد.

ایزوتوپ ها

تا قرن بیستم بر طبق نظریه اتمی دالتون که نه اتمی به وجود می آید و نه از بین می رود و اتم ها پایدار هستند، گمان می شد همه عناصر پایدار هستند. اما چون پدیده رادیواکتیویته توسط بکرل و ماری کوری کشف شده بود باید دلیل آن توضیح داده می شد. رادرفورد هسته اتم را کشف کرد و بیان کرد بار مثبت دارد که به دلیل وجود پروتون هاست. بعد از کشف نوترون توسط چادویک که ذره دیگر تشکیل دهنده هسته است، دلیل پایداری هسته و پرتوزایی آن کاملا توضیح داده شد. با کشف نوترون ایزوتوپ ها تعریف شدند. اتم های یک عنصر با عدد اتمی و خاصیت شیمیایی یکسان، عدد جرمی متفاوتی داشته باشند، ایزوتوپ های آن عنصر هستند.

مثال :

ایزوتوپ های هیدروژن : هیدروژن معمولی (پروتیم) در هسته خود یک پروتون دارد و نوترون ندارد. هیدروژن سنگین (دوتریم) در هسته خود یک پروتون و یک نوترون دارد. هیدروژن پرتوزا (تریتیم) در هسته خود یک پروتون و دو نوترون دارد. بسیاری از ایزوتوپ های عناصر خاصیت رادیواکتیوی دارند.

اندازه گیری رادیواکتیویته

تابش رادیو اکتیویته با وسیله ای به نام شمارشگر گایگر – مولر به نام مخترع آن، اندازه گیری می شود. گاز موجود در ماده پرتوزا با وارد شدن به دستگاه شمارشگر دارای الکتریسیته می شود. مقدار بار روی صفحه ای نمایش داده می شود.

کاربردهای پرتوهای رادیواکتیو

استفاده از نیروی هسته ای به ۴۰ سال پیش برمی گردد. در پزشکی هسته ای از پرتونگاری برای درمان و تشخیص بیماری ها استفاده می شود. در این مورد مواد رادیو ایزوتوپ استفاده می شوند و یا داروها هم با مواد رادیو ایزوتوپ نشان دار می شوند. برای تشخیص بیماری نیز مواد رادیواکتیو به بدن بیمار وارد می شود و میزان تشعشع آن اندازه گرفته می شود. دوربینی که با اشعه ی گاما تصویر تشکیل می دهد به کار گرفته می شود. از ید ۱۳۱ که یک ماده رادیواکتیو است، در درمان سمی شدن و سرطان تیروئید استفاده می شود.

از پرتوهای رادیواکتیو در کشاورزی و برای جلوگیری از تخریب محصولات کشاورزی استفاده می شود. در پزشکی برای اموری چون رادیوگرافی، گاما اسکن و رادیوبیولوژی کاربرد دارد. در صنعت برای تعیین میزان خوردگی قطعات و تعیین میزان ساییدگی قطعات و موارد زیاد دیگری استفاده می شود.

مخرب آلودگی رادیواکتیو روی بدن

اشعه های رادیو اکتیو حتی به مقدار کم بسیار زیان بار است و طی چندین نسل انتقال پیدا می کند. مهم ترین تاثیری که اشعه های رادیواکتیو دارند روی DNA و ژنتیک است. طوری که در جاهایی که رآکتورهای اتمی وجود دارند، وجود مارمولک های دوسر یا سه پا و قورباغه های تغییر شکل یافته نشان دهنده این تاثیرات مهم ژنتیکی است. نکته ای که وجود دارد تغییرات و جهش های ژنتیکی نسل به نسل منتقل می شود. اگر مقدار تشعشعات رادیو اکتیو بسیار بالا باشد، باعث مسمومیت و تاثیر روی بافت های بدن و حتی مرگ انسان ها می شود.

غذاها و موادی که با مواد رادیو اکتیو بهینه می شوند با این که مقدار کمی از این مواد را دارند برای حیات بشر مضر است. چون با گذشت زمان و با جمع شدن این مواد مقدار آن به حدی می رسد که روی بدن اثر زیان بار می گذارد. الان اروپا از پذیرفتن و استفاده این مواد غذایی امتناع می کند.

رادیو اکتیو چیست علوم هشتم

رادیواکتیو یک پدیده طبیعی است که از زمان پیدایش زمین وجود داشته است وعبارت است از گسیل خود به خود تشعشع به شکل ذرات یا فوتون های پرانرژی ناشی از یک واکنش هسته ای که همچنین با نام‌ های واپاشی رادیواکتیو، فروپاشی هسته‌ ای، تجزیه هسته‌ا ی یا تجزیه رادیواکتیو شناخته می ‌شود. در حالی که اشکال زیادی از تابش الکترومغناطیسی وجود دارد، آنها همیشه توسط رادیواکتیویته تولید نمی شوند. ماده ای که حاوی هسته های اتمی ناپایدار باشد رادیواکتیو در نظر گرفته می شود که طی آن یک هسته اتمی ناپایدار با انتشار تشعشع انرژی خود را از دست می دهد.

فواید رادیو اکتیو

دانشمندان با گذشت زمان کاربردهای متنوعی برای این نیروی طبیعی ایجاد کرده اند. با مطالعه واکنش‌های هسته ‌ای که به طور طبیعی در اطراف ما اتفاق می ‌افتد، دانشمندان توانسته‌ اند فناوری‌ ای را توسعه دهند که از این فرآیندها به روش‌ هایی استفاده کند که به نفع بشر باشد. امروزه برای بهره مندی، بشر از پرتوهای رادیواکتیو در پزشکی و صنعت و همچنین برای تولید برق استفاده می شود. علاوه بر این، تشعشعات در زمینه هایی مانند کشاورزی، باستان شناسی (سنجش کربن)، اکتشاف فضا، اجرای قانون، زمین شناسی (از جمله معدن) کاربردهای مفیدی دارند.

سنگ رادیو اکتیو

سنگ های رادیواکتیو حاوی اتم های ایزوتوپ های رادیویی مانند توریم یا اورانیوم هستند .اورانیوم -۲۳۸ نیمه عمر بسیار طولانی دارد، بنابراین رسوبات آن هنوز در سراسر جهان بسیار فراوان است. اورانیوم -۲۳۸ دارای ذرات آلفا است، بنابراین وقتی خارج از بدن است برای موجودات زنده خطرناک نیست. با این حال، ذرات ریز سنگ در طول فرآیند فرسایش در آب حل می شوند یا توسط باد شکسته می شوند. سنگ ‌های دارای محتوای اورانیوم نه تنها زمانی که دانه ‌های ریز در اثر فرسایش منتقل می‌ شوند، بلکه به خاطر گاز رادونی که منتشر می‌ کنند نیز خطرناک هستند. اوتونیت یکی از جذاب ‌ترین و محبوب ‌ترین کانی ‌های رادیواکتیو است واورانینیت نیز یک ماده معدنی بسیار رادیواکتیو و جالب است. اوتونیت سنگ معدن اصلی اورانیوم و رادیوم است که در مقادیر کمی یافت می شود.

رادیو اکتیو در بدن

بدن ما به طور طبیعی رادیواکتیو است، زیرا به صورت روزمره مواد رادیواکتیو را می خوریم، می نوشیم و تنفس می کنیم که به طور طبیعی در محیط وجود دارد. این مواد توسط بدن ما جذب بافت ‌ها، اندام ‌ها و استخوان ‌ها می ‌شوند و دائماً با خوردن و استنشاق دوباره پرمی شوند. اما هنگامی که بدن در معرض تشعشعات رادیو اکتیو قرار می گیرد این تشعشات می تواند به DNA سلول های ما آسیب برساند .دوزهای بالای تابش می تواند باعث سندرم پرتوی حاد (ARS) یا آسیب های پرتوی پوستی (CRI) شود و همچنین این دوزهای بالای تشعشعات رادیواکتیو می تواند منجر به سرطان قسمت های مختلف بدن در آینده شود.

چرا رادیواکتیو خطرناک است

ما معمولاً از منابع پس زمینه سطح پایین تشعشع رادیو اکتیو آسیب نمی بینیم، زیرا میزان آسیب به طول و سطح قرار گرفتن در معرض آن بستگی دارد. تابش می تواند به شیمی داخلی بدن آسیب برساند، پیوندهای شیمیایی را در بافت ما از بین ببرد، سلول ها را بکشد و به DNA آسیب برساند که ممکن است منجر به سرطان شود. قرار گرفتن در معرض سطوح پایین تشعشعاتی که در محیط با آن مواجه می شویم، اثرات فوری بر سلامتی ایجاد نمی کند، اما یک عامل جزئی در ایجاد سرطان خواهد بود. قرار گرفتن در معرض دوزهای بسیار بالا تابش رادیو اکتیو می تواند در عرض چند ساعت باعث بیماری های خطرناک و حتی مرگ شود.

عناصر رادیو اکتیو

عناصر رادیواکتیو به طور طبیعی در نتیجه شکافت هسته ای و از طریق سنتز عمدی در راکتورهای هسته ای یا شتاب دهنده های ذرات تشکیل می شوند. اورانیوم، رادیوم، پولونیوم، توریم عناصر رادیواکتیو رایج و شناخته شده هستند. عناصر رادیواکتیو کاربردهای بسیار مفیدی دارند، در پزشکی، از آن‌ها برای درمان سرطان استفاده می شود و همچنین به ‌عنوان ردیاب برای اهداف تشخیصی و همچنین در تحقیقات در مورد فرآیندهای متابولیک مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین سن سنگ ها را می توان با استفاده از این عناصر با اندازه گیری میزان آرگون موجود در سنگ بررسی کرد.

مضرات رادیو اکتیو

قرار گرفتن در معرض تشعشع رادیواکتیو بسیار زیاد در مدت زمان کوتاهی می تواند علائمی مانند حالت تهوع و استفراغ را در عرض چند ساعت ایجاد کند و همچنین می تواند منجر به مرگ در روزها یا هفته ‌های بعد شود. به این سندرم تشعشع حاد می گویند که معمولاً به عنوان«بیماری پرتویی» نیز شناخته می شود. پرتوهای رادیواکتیو به روده ها و معده، رگ های خونی و مغز استخوان آسیب می رساند که سلول های خونی را می سازد. آسیب به مغز استخوان باعث افزایش میزان گلبول های سفید در بدن می شود که با این بیماری مبارزه می کنند. در نتیجه، عفونت ها یا خونریزی داخلی اکثر افراد در معرض رادیواکتیو را می کشد.

اثرات رادیو اکتیو بر بدن

آلودگی رادیواکتیو وجود مواد مضری است که تشعشعات را در محیط منتشر می کنند، آنها برای اکوسیستم و موجودات زنده خطرناک هستند. این تابش نوعی انرژی است که برای هسته اتم های موجود در مواد رادیواکتیو آزاد می شود و باعث آسیب به گیاهان، حیوانات و حتی انسان می شود. این تشعشعات می توانند باعث آسیب به سلول های زنده و ایجاد بیماری هایی مانند سرطان شود. آلودگی رادیواکتیو زمانی شروع می‌شود که مواد رادیواکتیو بیش از حد در محیط مانند هوا، آب یا خاک وجود داشته باشند. چند نمونه از عناصر رادیواکتیو عبارتند از اورانیوم، توریم و پلوتونیوم.

یکی از بدترین حوادث هسته ای تاریخ، فاجعه چرنوبیل است که در سال ۱۹۸۶ در اوکراین رخ داد. در آن حادثه یک راکتور منفجر شد و مقدار زیادی مواد رادیواکتیو در هوا منتشر کرد و آن را برای تنفس نامناسب کرد. این فاجعه رادیواکتیو باعث ایجاد مشکلات بهداشتی برای مردم شد. اثرات یا عوارض آلودگی رادیواکتیو به شرح زیر است:

آلودگی رادیواکتیو با ایجاد جهش های ژنی که منجر به بیماری هایی از جمله سرطان و ناباروری می شود، بر سلامت انسان تأثیر می گذارد.

آلودگی رادیواکتیو باعث ناباروری خاک می شود و باعث سمی و دشوار شدن بقا و رشد برای گیاهان می شود و همچنین تأثیر زیادی بر زندگی حیوانات دارد.

آلودگی رادیواکتیو نیز بر زنجیره غذایی تأثیر می گذارد. علاوه بر این، پتانسیل تخریب سلول های موجودات را دارد. به طور کلی، آلودگی رادیواکتیو اثرات قابل ‌توجهی بر گونه ‌های زنده و محیط آن‌ها دارد و بر ساختار ژنتیکی، سلامت خاک و عملکرد سلولی تأثیر می ‌گذارد.

تشعشعات ساطع شده از این مواد رادیواکتیو برای انسان بسیار مضر است و به DNA سلول ها آسیب می رساند که منجر به سرطان، جهش ژنتیکی، نقایص مادرزادی و سایر مشکلات شدید سلامتی در افراد در معرض می شود.