موضوع :

2. موضوع : رادیو شیمی

3. فهرست : • رادیو شیمی چیست ؟ • پیدایش رادیو شیمی • رابطه بین شیمی هسته ای و رادیو شیمی • حوضه عمل شیمی هسته ای • ساخنارهسته و واکنشهای هسته ای • ذرات و تابشهای حاصل از مواد پرتوزا • ذرات الفا • ذرات بتا • پرتوی گاما • ذرات پوزیترون • نوترون • روشهای پرتو نگاری پوزیترون • نوترون دمایی • آنتی نوترون • واکنشهای تلاشی

4. برهمکنش تابش هسته ای با ماده • اثر فتو الکتریک • اثر کامپتون • فرایند ایجاد زوج یون • اورانیوم و رادیو اکتیویته • اندازه گیری رادیو اکتیویته • خطرات مواد رادیو اکتیو • طیف بینی موسباور • روشهای تجزی ایزوتوپ های پرتو زا • روش رقیق کردن ایزوتوپی • تجزیه با فعال سازی نوترونی • روش تجزیه نشاندار کردن • احتیاط ایمنی • نتیجه گیری

5. رادیو شیمی چیست؟ رادیو شیمی یکی از شاخه های رشته شیمی است که پس از کشف رادیواکتیویته پدید آمد و دریافتند که رادیواکتیویته به جز اثرات فیزیکی تاثیرات شیمیایی هم دارد. پیدایش رادیو شیمی : برای اولین بار پیش از جنگ جهانی دوم به واژه ی رادیو شیمی بر می خوریم. رادیو شیمی براثر توسعه علمی که درباره ی هسته اتم بوده پدید آمده است. امروزه رادیو شیمی در مجموع به علوم مربوط به پدیده های شیمیایی حاصل از تغییرات هسته ای و واکنش های آن ها اطلاق می شود. همچنین واکنش های شیمیایی ناشی از تغییرات هسته ای و واکنش های آن هاو نیز واکنش های شیمیایی حاصل از میانکنش هسته ای می گویند. . .

6. رابطه ی بین شیمی هسته ای ورادیو شیمی: شیمی هسته ای به پدیده هایی می گویند که ویژگی شیمیایی دارند و هسته اتم مستقیما در آنجا شرکت می جویند. رادیو شیمی مجموعه پدیده ها و واکنش هایی است که بر اثر پرتو تابیده از هسته اتم روی می دهد را شامل می شود در اینجا خود هسته مستقیما نقشی ندارد. شیمی هسته ای در واقع بخشی از شیمی فیزیک است که رادیو شیمی یکی از انشعابات آن و در قالب شیمی رادیو اکتیویته بیان می شود.

7. حوزه عمل شیمی هسته ای: رادیو شیمی صنعتی شاخه ای از شیمی است که هدف آن تولید مواد اولیه و خالص برای راکتور ها وتکنولوژی هایی هسته ای و تولید ایزوتوپ ها رادیو اکتیو برای صنایع دیگر است. محصولات اصلی رادیو شیمی صنعتی عبارت اند از: • سوخت هسته ای • مواد جانبی تکنولوژی هسته ای • ایزوتوپ هایی پایدار و ناپیدار و مواد شیمیایی بسیار خالص

8. ساختار هسته وواکنش هایی هسته ای: برای اکثر اهداف تصویر ساده ای از هسته اتم مناسب میباشد این ممکن است به صورت مجموعه ای از نوترون ها و پروتون ها (مجموعا به عنوان هسته شناخته شده است) در نظر گرفته شود که مجموعه ایی از سطوح انرژی شبیه به نظم الکترون هایی فوق هسته ایی منظم شده اند شکل زیر قطر هسته ایی در حدود () متر را نشان می دهد .انتقالات بین سطوح هسته ایی ممکن است همراه لا نشر و یا جذب انرژی صورت گیرد که غالبا در شکل تشعشع الکترومغناطیس (اشعه ᵞ) می باشد سطوح انرژی به مقدار زیادی فاصله دارند. به طوری که تشعشع دارای فوتون هایی با انرژی بالا و طول موج کوتاه (تا nm یا100Kevتا5Mev) خواهند داشت . انتقالات هسته ایی و تشعشعات الکترو مغناطیس متناظرشان به عنوان مشخصه ی یک هسته همانند انتقالات الکترونی و ارتعاشی برای اتم ها و مولکول ها اختصاصی است.

11. ذرات و تابش های حاصل از عناصر پرتوزا: ذرات و تابش های حاصل از پرتوزایی های مختلف از لحاظ انرژی و سرعت تولید با یکدیگر متفاوت اند و در واقع هسته های رادیو اکتیو متحمل واکنش های متفاوتی می شوند. واپاشی رادیو اکتیو در اثر کاهش مقدار ماده جمع شده طبق فرمول E=mc^2 انجام می شود که در واقع طبق این فرمول جرم توده ای به صورت انرژی جنبشی ذرات نشر می شود این شیوه فروپاشی خصوصیات متفاوتی داشته و توسط روش های مخصوص به خود شناسایی می شوند . در یک ایزوتوپ پایدار نسبت نوترون به پروتون یک است ولی در ایزوتوپ های ناپایدار این رقم کمتر از یک بوده و هسته با جذب و یا از دست دادن انرژی به سمت پایدار شدن پیش می رود و در حین این عمل ذرات وتابش های متفاوتی را نشر می کنند.

13. 1- ذرات الفا: آزمایشات نشان داده است که میدان الکتریکی یا مغناطیسی می تواند تابش را بشکافد که از این شکاف سه پرتو الفا بتا وگاما ایجاد می شود . با توجه به جهت گیری پرتو الفا در میدان مغناطیسی معلوم شده است که ذرات الفا دارای بار مثبت اند . خصوصیات : الف) ذره ی الفا دارای دو پروتون ودو نوترون می باشد ب) این ذرات انرژی کمی دارند در اثر برخورد به یک صفحه ی نازک فلزی متوقف می شوند . ج) چون از یک مسیر تولید می شوند همگی انرژی یکسانی دارند. د)در اثر گرفتن دو الکترون به He تبدیل میشوند. ه) سرعت این ذرات نسبت به دو ذره دیگر کمتر است چون جرم آن بیشتر است . ن)به علت جرم و بار بالا هنگام عبور از ماده جفت یون تولید می کند که آشکار سازی ذره الفا را راحتر می کند. تابش الفا از مشخصات هسته های خاصی است که در شناسایی آنها موثر می باشد. البته باید توجه داشت که واپاشی آنها تنها در عناصر سنگین تر از عدد اتمی 52 مشاهده می شود ولی دیگر تابش ها در همه ی عناصر وجود دارد .

17. 2-ذرات بتا : ذرات β همان اشعه کاتدی اند یا همان جریانی از الکترون که سرعتی در حد سرعت نور را دارند. خصوصیات : الف ) با قرار گرفتن در میدان مغناطیسی به سمت قطب مثبت جهت گیری می کنند. ب ) هر واکنشی که در ان عدد اتمی تغییر کند ولی عدد جرمی بدون تغییر بماند تلاشی β شناخته می شود . ج ) قدرت نفوذ ان نسبت به ذره الفا بیشتر است زیرا جرم ان کمتر است . د ) شناسایی ان ها در هوا بدلیل میل زیاد به پراکندگی مشکل است . ه )در تولید جفت یون نسبت به ذره الفا ضعیف تر عمل می کند .

18. 3- پرتو گاما : اشعه δ از رایج ترین اشعه هاست در حقیقت موج الکترومغناطیس است و هنگامی به وجود می اید که هسته در حالت برانگیخته خودش قرار دارد . وقتی الکترون در حالت برانگیخته قرار می گیرد با نسر تابش الکترومغناطیس به حالت پایه می اید و پایدار می شود . این انرژی در هسته ها متفاوت است و در حد انرژی IR,XRay,uv,Visibleنمی باشد و بصورت اشعه الکترومغناطیس گاما می باشد که انرژی بسیار بیشتری از انرژی الکترون ها را داراست. یک نکته : پرتو گاما از اسایش هسته ای تولید میشوند پرتوX از اسایش الکترونی تولید می شوند. اشعه گاما را تولید نمی کنیم بلکه هسته هایی هستند که پرتو گاما را از خود نشر می کنند.

20. 4- ذرات پوزیترون (β⁺) پوزیترون و یا آنتی الکترون یک ضد ذره ویا نقطه مقابل الکترون است . این ذره دارای بار مثبت واسپین 2/1 است وهمان جرم الکترون را داراست وقتی که یک پوزیترون کم انرژی برخورد می کند عمل خنثی شدن صورت می گیرد که دو یا بیشتر فوتون اشعه گاما را تولید می کند. وجود پوزیترون اولین بار در سال 1928 به وسیله پل دیراک کشف شد . پوزیترون اولین شاهد ضد ذره بوده و بوسیله عبور اشعه کیهانی از یک فضای ابری مانند و یک صفحه سربی که بوسیله میدان آهنربایی محصور شده بود مشاهده شد .امروزه پوزیترون ها بوسیله فروپاشی ردیاب های رادیواکتیو به وجود می آیند

21. روشهای پرتو نگاری پوزیترون: روش (PET)یک تکنیک نشان دادن فعالیت هسته در داروهاست که یک تصویر سه بعدی از فرایندهای اساسی بدن را ایجاد می کند . این سیستم اشعه گاما نشر شده به صورت غیر مستقیم و بوسیله نشر پوزیترون هسته رادیو اکتیو را تعیین می کند و در واقع تصویرهای غلظت های ردیاب در یک فضای سه بعدی بدن تعیین شده و بوسیله انالیز کامپیوتر این تصاویر ساخته میشود . برای هدایت اسکن یک ایزوتوپ ردیاب رادیو اکتیو با عمر کوتاه به هدف یا نمونه زنده تزریق می شود . ردیاب معمولا از نظر شمیایی در سیستم بیولوژیکی یک مولکول فعال است . یک مدت کوتاه طول می کشد که ماده ردیاب در بافت به غلظت مورد نظر برسد . بعد از ان بیمار در اسکنر تصویر برداری قرار داده می شود .مولکول مورد استفاده معمولا فولئورو دی اکسید گلوکز (FDG) که زمان انتظار ان حدود یک ساعت می باشد. در طی اسکن ثبت غلظت به وسیله فروپاشی ماده ردیاب انجام می شود . هنگامی که رادیو ایزوتوپ ها فروپاشی نشر پوزیترون را انجام می دهند یک ذره با بار مخالف (الکترون) نشر می شود که چند میلیمتر جلوتر از حرکت پوزیترون ان را خنثی می سازد و تولید دو فوتون گاما می کند که در جهت مخالف حرکت می کنند . بیماری که دارو هسته ای دریافت می کند متحمل اشعه تابشی می شود و یک دوز تابش را دریافت می کند طبق پژوهش های مختلف معلوم شده است که دوز تابش هرچند ناچیز می تواند خطرناک باشد این خطرا مشابه خطرات تابش اشعه X هستند.

25. 5- نوترون : ذره ایست کروی به شعاع cm و دانسیته معادل گرم بر سانتیمتر مکعب داشته و جرم ان مساوی 1.6747*گرم ویا1.0086654 amu می باشد. این ذره در سال 1932 توسط چاودیک کشف شد . خصوصیات نوترون: نوترون درون هسته اتم قرار دارد که بار الکتریکی ندارد و جرم آن کمی بیشتر از پروتون می باشد . نوترون معمولا در هسته ی اتم ها یافت می شود. هسته تمام اتم ها شامل نوترون است و تعداد نوترون در واقع ایزوتوپ های مختلف ان عنصر را مشخص می کند . نوترون آزاد غیر پایدار است و طی فرایند های شکافت یا جوشش هسته ای تولید می شوند . نوترون ها در حالت ازاد پایدار نیستند و با یک نیمه عمر 12.5 دقیقه ای متلاشی شده و الکترون و پروتون آزاد می کنند البته نوترون ها فرصت تلاشی ندارند چون به سرعت با اتم های اطراف خود واکنش می دهند. نوترون ها به عنوان یک بمباران کننده خوب هستند و دارای قدرت نفوذ بالا و به علت نداشتن بار تحت ممانعت الکتروستاتیکی قرار نمی گیرند.

27. نوترون ها همان طور که گفته شد یک عنصر شمیایی نیستند ولی نوترون های ازاد بعضی مواقع در جدول هسته ها دیده می شود که در این صورت عدد اتمی ان صفر و عدد جرمی ان ها یک می باشد شکل زیر واکنش تولید نوترون را نشان می دهد. در خارج هسته نوترون ازاد ناپایدار است تنها توسط فروپاشی هسته ای حاصل می شوند و میانگین طول عمر ان حدود 15 دقیقه است که در این حالت نشر تابش به یک الکترون با بار منفی انتی نوترینو و پروتون تبدیل می شوند . این فرایند فروپاشی بتا نام دارد. همچنین پروتون ها هم می توانند توسط فرایند عکس فروپاشی بتا به نوترون تبدیل شوند. که در این حالت فرایند تبدیل به وسیلهنشر پوزیترون و یک نوترینو اتفاق می افتد . باید توجه داشت که قرار گرفتن مقابل فوتونترون های ازاد خطرناک است و هنگامی که واکنش نوترون ها با مولکول های بدن اتفاق می افتد می تواند منجر به تولید مولکول های سرطانی شود بعضی از مواد مثل پارافین (دارای هیدروژن های اشباع) می توانند به عنوان محافظ نوترونی عمل کنند .همچنین هیدروژن های معمولی هم می توانند باعث کند شدن نوترون ها شوند و بوسیله موادی که تمایل به جذب ان ها دارند مثل لیتیم یا اب سنگین (دوتریم دار) جذب شوند.

31. منابع تولید نوترون: 1- هسته های مختلف در طی پایدار شدن واپاشی نوترونی انجام می دهند که تحت عنوان نشر نوترون نام گرفته است و این آفریند طی جوشش های خود بخودی رایج است. 2-تابش های کیهانی در برخورد با اتمسفر زمین به طور پیوسته نوترونی را تولید می کنند را تولید می کنند به سطح زمین برسند . 3- راکتور های شکافت هسته ای نیز نوترون ها را به عنوان یک محصول پساب تولید می کنند که می توان این نوترون های پر انرژی را به دام انداخت و به صورت یک انرژی مفید در مهندسی از آن بهره برد .یک مثال از تولید نوترون در راکتور هسته ای است کهU235 یا Po239 این کار را انجام می دهند. 4- استفاده از شتاب دهنده ها که در واقع تولید نوترون های با انرژی بالا می نماید . نوترون هایی با چگالی تابشی متفاوت می توانند برای تولید رادیو ایزوتوپ های مختلف در طی فرایند فعالسازی نوترونی که واقع یک نوع به دام اندازی نوترونی است استفاده کنند.

35. نوترون دمایی: نوترون گرمایی یک نوترون آزاد است که طبق توزیع بولتزمن KT=0.024ev در دمای اتاق داراست .که این باعث می شود تا سرعت ان به 2.2Km/s برسد که بعد از حدود 20-10 برخورد با نوکلئون این نوترون به این سطح انرژي می رسند . در بسیاری از مواد نوترون های گرم که سرعت میانگینی دارند به علت داشتن سطح مقطع برخورد بیشتر بهتر از نوترون های سریع جذب می شوند و می توانند به اسانی تولید و هسته سنگین تر و اغلب ناپایدارتر و یا به عبارتی ایزوتوپ های عناصر را منجر می شوند . آنتی نوترون : آنتی نوترون در واقع یک ضد ذره نوترون می باشد که در سال 1956 یک سا پس از کشف آنتی پروتون بوسیله بروک کرک کشف شد . تفاوت جزئی بین جرم نوترون و آنتی نوترون در حدود9±5.می باشد. همچنین انواع دیگری از واپاشی رادیوکتیو کشف شده که همان ذرات قبلی را با مکانیزیم متفاوتی نشد می کنند که این ذرات جدید نه شامل ذرات الفا و نه بتا هستند.

36. واکنشهای تلاشی • برهمکنش تابش هسته ای با ماده • اورانیوم و اکتیویته • اندازه گیری رادیو اکتیویته • خطرات مواد رادیو اکتیو • طیف بینی موسباور

37. واکنش های تلاشی : پایداری کلی یک هسته به صورت تنگاتنگی به هر دو تعداد کل و نسبی نوترون ها و پروتون ها در ان هسته دارد . اگر عدد جرمی بزرگ تر از 209 باشد ناپایدار بزرگی وجود خواهد داشت و هسته بوسیله نشر ذرات بزرگ ذرات هلیم و ذرات الفا به سطوح انرژی پایین تری تعدیل خواهد شد . برای هسته های خیلی سنگین عدد جرمی بالاتر از 238 شکاف خودبخودی یکی از طریقه های مهم تلاشی است در این فرایند شکاف هسته به دو قسمت کاملا مساوی اتفاق می افتد. معلوم شده است که برای یک عدد جرمی مشخص با افزایش جرم نسبت پایدار نوترون به پروتون از 1 به 1.5 تغییر می نماید شکل زیر هر هسته ای که نسبتش خارج از این مقادیر قرار گیرد ناپایدار خواهد بود و به گونه ای تلاشی می یابد که به یک نسبت پایدارتر برسد . در صورت انجام این عمل نوترون ها و پروتون ها تبدیل متقابل خواهند شد و نوعا پوزیترون یا نگاترون ها نشر خواهد شد . فرایندهای تلاشی مستلزم نشر ذرات با انرژی بالا در رویداد اولیه خواهد بود بلافاصله بدنبال نشر اشعه گاما هسته جدید به سطوح پایه اش تعدیل می نماید . طریقه های مهم تلاشی رادیو اکتیو در زیر اورده ایم: 1- تلاشی الفا 2- تلاشی نگاترون

39. برهم کنش تابش هسته ای با ماده • پرتو بتا : با الکترونهای ماده ای که با ان برخورد دارد بر هم کنش می کند . در این مورد مولکول می تواند مراحل تجزیه برانگیختگی و یا یونش را طی کند بدیهی است که فرایند یونش اساس تشخیص ذرات بتا است . در برخورد پرتو بتا با ماده زوج یون تولید می شود . • ذرات الفا : نیز در برخورد با ماده انرژی خود را از دست خواهند داد ولی قدرت یونش انها خیلی بیشتر از پرتو بتا است زیرا ذرات الفا از هسته اتم با انرژی معینی گسیل می شوند و در برخورد با الکترون ها فقط مقدار ناچیزی از انرژی خود را از دست می دهند . • برخورد کلیه ذرات الفای گسیل شده از یک هسته در فاصله معین به جسم جاذب انجام می گیرد .بنبراین تعیین حدود و دامنه پرتو الفا به سادگی صورت گرفته و میزان انرژی ان با مراجعه به منحنی های استاندارد انجام می گیرد.

40. پرتو گاما : تابش گاما که با طول موج کوتاه و دامنه انرژی فروپاشی آن بین 0.1 تا3 میکرو الکترون ولت است و چون باردار نیستند دامنه حرکتی گسترده ای دارند و در برخورد با ماده به سه صورت انرژی خود را از دست می دهد : الف) اثر فوتو الکتریک ب) اثر کامپتون ج) فرایند ایجاد زوج یون

41. الف) اثر فوتوالکتریک : در این فرایند پرتو گاما جذب الکترون های داخلی اتم شده و سبب می شود که الکترون از اتم یا مولکول خارج شود(نظیر جذب پرتوX).این اثر برای عناصر جاذب سنگین و پرتو گاما با انرژی کم مهم است. ب) اثر کامپتون: در این فرایند قسمتی از انرژی تابش گاما به الکترون منتقل شده و در نتیجه پرتو گاما با انرژی کمتر در جهتی متفاوت انتشار می یابد چنانچه انرژی فوتون گاما کافی باشد یک الکترون پیوندی ازاد شده و از انرژی فوتون گاما کاسته می شود در این صورت ممکن است فوتون گاما پراکنده شده و باعث کنده شدن الکترون دیگری می شود.

48. ج) فرایند ایجاد زوج یون : هنگامی که پرتو گاما پر انرژی با هسته یک اتم سنگین بر هم کنش نموده و از بین برود زوج الکترون و پوزیترون تولید می شود برعکس هنگامی که پوزیترون و الکترونبا هسته برخورد داشته باشند پرتو گاما با انرژی برابر با 0.51Mevایجاد می شود . جذب هر سه نوع پرتو گاما به وسیله ماده تابع قانون بیر لامبرت بوده و از رابطه زیر بدست می اید نوترون ها بار ندارند لذا با الکترون ها بر هم کنشی نداشته و به سادگی وارد هسته می گردندو جود انها توسط واکنش ثانویه تشخیص داده می شود .

50. اورانیوم و رادیو اکتیویته همه ی ایزوتوپ های اورانیوم رادیواکتیو هستند با نیمه عمر بی نهایت طولانی هسته ی رادیو اکتیویته یک نیمه عمر مشخص داراست که این نیمه عمرها متفاوتند. اتم های اورانیوم به دیگر اتم ها شکافته می شوند اورانیوم ومحصولات واپاشی ان اولا تابش الفا نشر می کنند .اگر چه سطوح پایین تر هر دو تابش بتا و گاما نشر می کنند. سطوح فعالیت کل اورانیوم بستگی به ترکیب ایزوتوپ ها و پروسه تاریخی انها دارد.و یک نمونه اورانیوم طبیعی استخراج شده از معدن شامل 99.3 درصد U-238 و0.7 درصد شامل U-235ویک مقدار ناچیز از U-234را شامل می شود .U-234 و 235-Uمقدار خطر بیشتری می افرینند. U-238چون مقدار نیمه عمر کوتاهتری دارد فسادش سریع تر است و بنابراین رادیو اکتیویته بیشتر دارد.چون همه ی ایزوتوپ های اورانیوم نشرکننده الفا هستند انها تنها خطرناکند به خصوص اگر خورده شوند یا تنفس شوند