واکنشهای هسته ای و رادیواكتیویته Nuclear Reactions & Radioactivity

1. واکنشهای هسته ایو رادیواكتیویتهNuclear Reactions & Radioactivity

2. Atomic Models • Thomson • Rutherford • Bohr • Electron in separate shells in different energy level; K, L, M, N, … • It is not ideal for multi-electron atoms • Quantum number based atoms • Principal quantum number (n=1,2,3,4..) for K,L,N,.. • Azimuthal (سمت یا زاویه) (l=n-1: l=0,1,2,3,…) • Magnetic orbital quantum number (m shows spatial shell direction in presence of ext. magnetic field) • Spin quantum number (s=±1/2,±1,…) Rotational electron

3. حالتهای اتم • حالت پایه‌ای: • در حالت عادی اتم بوهر از دید الکتریکی خنثی است(nq+=nq-) و هر الكترون دردرون اتم در پایین ترین سطح یا ترازانرژی است که به آن حالت پایه (ground state) گفته می شود. • حالت انگیزش یا تحریک: • با دریافت انرژی از یک چشمه بیرونی(موج الکترومغناطیسی یا بمباران ذره ای) الكترون به تراز انرژی بالاترمی‌رود. • اگر اتم خنثی بودن الکتریکی خود را حفظ کند گفته می شود که اتم برانگیخته شده است.(excited state)(حدود الکترون ولت) • حالت یونش: • اگر الکترون انرژی بیش از انرژی پتانسیل یا پیوندی خود دریافت کند، اتم را رها می کند که به این روند یونش (Ionization) گفته می شود. اتم در اِین حالت دارای بار مثبت می شود. • و اتم مثبت والکترون جفت یون نامیده می شود. • الکترون آزاد دارای انرژی جنبشی Ek = Ei – Ebبوده و Ei انرژی داده شده به الکترون و Eb انرژی پتانسیل لازم برای جدا کردن الکترون از قید اتم می باشد. • تابش امواج الكترومغناطیس ایكسx-ray وقتی الكترون از تراز انرژی بالاتر به تراز انرژی پایین تر برای پر كردن جای خای الكترون می‌رود.

5. نوکلاید: هسته شامل Z پروتون وN نوترون. • ایزوتوپ: نوکلایدهای شامل Z یکسان وN متفاوت. • ایزوتون: نوکلایدهای شامل Z متفاوت وN یکسان. • ایزوبار: نوکلایدهای عدد جرمی A یکسان. • ایزومر: نوکلایدهای که در حالت تحریکی و داراینیمه عمر تقریباً بلند ( بیش از ثانیه ). با حرف m ( مخفف metastable ) در كنار عدد جرمی مشخص می كنند: مانند • نوکلئون: پروتون یا نوترون.

6. مزونها: ذراتیکه جرم آنها بین جرم الکترون و پروتون است. ذرات پیون یا مزون‌پی دارای جرمی معادل 270 برابر الكترون است، که در واکنشهای هسته ای مهم می باشند و • ذرات میون یا مزون‌ میو، دارای جرمی معادل 207 برابر الكترون است که در تشعشعات کیهانی حائزاهمیت هستند. • پوزیترون: الكترون دارای بار مثبت و جرمی برابرجرم الكترون. • ذره: هسته هلیوم دو بار مثبت. • فوتون: کوانتوم تشعشع الکترومغناطیسی که بصورت نور یا اشعه ایکس(x-ray)و گاما(  -ray)ظاهر میشود. • رادیو اکتیویته:تابش خود بخودی ذره ها یا امواج الکترو مغناطیسی از هسته یک اتم است.

7. ساختمان هسته • موارد اختلاف وتشابه با ساختمان الکترونیکی اتمها • الکترونهای اتم روی مدارهاییکه بنا بر قوانین مکانیک کوانتیک ترازهای انرژی نامیده می شود، • بنا بر اصل انحصار پاولی توزیع شده اند. • این الکترونها می توانند از اتم جدا گردند که با توجه به این پدیده ها می توان ساختمان اتم را نتیجه گیری نمود. • در هسته دو گروه ذرات مشابه وجود دارند؛ پروتونها و نوترونها؛ که هریک از آنها بر حسب اصل انحصار پاولی در ترازهای انرژی معینی قرار مِگیرند. • هسته ها ممکن است در حالتهای تحریکی قرار گیرند (حدود کیلو و مگا الکترون ولت) • و نوکلئونها بعضی اوقات می توانند از هسته جدا شده یا به آن اضافه گردند. • همانطور که نور یا امواج الکترومغناطیسی از اتم انتشار پیدا می کند، هسته نیز در اثر انتشار اشعه گاما میتواند از یک حالت تحریکی به حالت تحریکی دیگری برسد. • با توجه به این پدیده ها می توان ساختمان هسته را نتیجه گیری نمود. • الکترونها و نوکلئونها دارای گشتاور زاویه ای اصلی موسوم به حرکت مداری ، اسپین و اسپین اصلی می باشند که با توجه به تاثیرات متقابل ذرات می توان از نیروی بین آنها اطلاعاتی بدست آورد. ساختمان هسته ها خیلی پیچیده تر از ساختمان اتمهاست.

8. نیروی هسته ای • در طبیعت چهار نیرو وجود دارند كه عبارتند از: • 1- نیروی گرانشی 2- نیروی الكترومغناطیسی 3- نیروی هسته ای قوی-4- نیروی هسته ای ضعیف • با دو نیروی اول آشنا هستیم ولی در مورد نیروی هسته ای، كه نیروی حاكم بر پایدای هسته است، هنوز ابهامات زیادی وجود دارد با این وجود اطلاعات مفیدی نیز از آن در اختیار داریم. • اول آن كه این نیرو جاذبهاست و در فواصل بسیار كوتاه عمل می كند یعنی برد كوتاه دارد ( بر خلاف دو نیروی اول كه بردشان بینهایت است ). • همچنین این نیرو بین هر دو نوكلئون ( ذرات تشكیل دهندة هسته، پروتون یا نوترون ) كه فاصله اشان در حدود یك فرمی ( یك فرمی برابر با 13-10 سانتی متر است: cm13-10Fm=1 ) باشد وجود دارد. • به عبارت دیگر یك نوكلئون تنها به نوكلئون های اطراف خود تا شعاع حدود یك فرمی می تواند نیروی هسته ای اعمال كند و در فواصل دورتر اثر این نیرو از بین می رود.

9. اندازه نیروی هسته ای میلیون ها بار از اندازة نیروهای الكترومغناطیسی، كه این خود بسیار قوی تر از نیروی گرانشی است، بزرگتر است به طوری كه مثلاً اگر بخواهیم یك پروتون یا نوترون را از یك هسته پایدار جدا كنیم نیاز به صرف انرژئی بیش از چند میلیون الكترون ولت داریم. • منشاء این انرژی عظیم را باید در پدیده ای به نام كسر جرم جستجو كرد: شواهد تجربی نشان می دهد كه ( جرم هسته از مجموع جرم ذرات تشكیل دهنده اش اندكی كمتر است. این اختلاف جرم را كسر جرم گویند. به عبارت دیگر هنگام تشكیل هسته این مقدار جرم طبق رابطة 2E= mc نابود و به انرژی پیوندی هسته تبدیل شده است. نتیجه آن كه كسر جرم، معادل كاری ( انرژی ) است كه باید انجام داد ( صرف كرد ) تا هسته به ذرات تشكیل دهنده اش تجزیه شود.

10. نیروی گرانش • گرانش، نیروی جاذبه ای است که میان همه ذرات دارای جرم وجود دارد. افتادن اجسام بر اثر نیروی گرانش میان تک تک ذرات کره زمین و همه ذرات جسم مورد نظر روی می دهد. • متراکم شدن مواد پس از انفجار بزرگ و تشکیل کهکشان ها و همین طور تجمع گازها درون کهکشان ها برای تشکیل ستارگان، حاصل نیروی گرانش است.چرخش ماه به دور زمین و زمین به دور خورشید و • خورشید به دور مرکز کهکشان راه شیری هم بدون وجود گرانش ممکن نیست. گرانش به حرکت اجرام آسمانی نظم و آهنگ می بخشد.

11. گرانش دو ویژگی منحصربه فرد دارد: • نخست این که این نیرو همیشه جاذبه است. • حتی دو ذره با بار الکتریکی یکسان هم یکدیگر را بر اثر گرانش جذب می کنند، • ولی این نیرو به قدری ضعیف است که تاب مقاومت در برابر نیروی دافعه الکتریکی آن دو را ندارد. • ویژگی دیگر گرانش دوربرد بودن آن است

12. در فواصل کیهانی که جرم ساختارها چشمگیر است، نیروی گرانش بخوبی اثر خود را آشکار می کند. • فاصله میان کهکشان راه شیری و کهکشان آندرومدا حدود 2.5 میلیون سال نوری است؛ ولی نیروی گرانش میان آنها، از این فاصله هم موثر است و • این دو کهکشان با سرعت 300کیلومتر بر ثانیه در حال نزدیک شدن به یکدیگر هستند و حدود 4.5 میلیارد سال دیگر به هم برخورد خواهند کرد.اگرچه داستان کشف جاذبه فقط با افتادن یک سیب از درخت، افسانه ای بیش نیست ولی اگر در این افسانه، نیوتن اندکی باهوش تر بود و پس از کشف جاذبه این را هم از خود می پرسید که چرا سیب به درون زمین فرو نرفت؟ • احتمالا امروز او را کاشف نیروی الکترومغناطیسی هم می دانستیم.

13. نیروی الکترومغناطیسی • این نیرو، اجزای ماده را کنار هم می نشاند. • الکترون را در اتم مقید و با پیوند اتم ها به یکدیگر مولکول ها و ساختارهای بزرگ تر را تولید می کند. • این نیرو مسئول همه تغییرات شیمیایی است و اساس کار آن یک جمله معروف است: «بارهای همنام یکدیگر را دفع و بارهای غیرهمنام همدیگر را جذب می کنند.» • چرخش الکترون به دور پروتون برخلاف چرخش زمین به دور خورشید نمی تواند ناشی از نیروی جاذبه باشد، چراکه با جرم ناچیز الکترون و پروتون نیروی گرانش حاصل بسیار ناچیز و قابل چشم پوشی است.

14. نیروی الکترومغناطیسی باعث می شود الکترون با بار منفی جذب بار مثبت هسته اتم شود و با چرخش به دور هسته، اتم های پایدار به وجود بیاورد. • نیروی الکترومغناطیسی 1039بار قوی تر از گرانش است؛ • یعنی اگر بزرگی گرانش را به اندازه یک نخود تشبیه کنیم، بزرگی نیروی الکترومغناطیسی از کل عالم هستی بزرگ تر است. • زمانی که یک براده آهن جذب آهن ربا می شود، یک مجموعه کوچک با تعداد محدودی الکترون و پروتون بر کل نیروی گرانش حاصل از برهم کنش همه ذرات براده آهن با همه ذرات کره زمین غلبه می کند.

15. نیروی الکترومغناطیسی با ایجاد پیوند میان اتم ها و مولکول ها ماده را می سازد و به آن انسجام می بخشد و باعث شود سیب پس از افتادن از درخت به درون زمین فرو نرود. • ولی اگر نیروی الکترومغناطیسی میان بارهای همنام باعث می شود آنها یکدیگر را دفع کنند، • چگونه ممکن است 92 پروتون با بار مثبت، همراه 143 نوترون، درون هسته یک اتم تجمع کنند و اتمی مانند اورانیوم 235 را به وجود آورند؟ • پاسخ به این پرسش، دانشمندان را به کشف نیروی سوم یعنی نیرویهستهای قوی هدایت کرد.

16. نیروی هسته ای قوی • نیرویی که باعث پایداری هسته اتم می شود.نیروی هسته ای قوی نام دارد. • پسوند قوی، از شدت این نیرو نسبت به نیروی الکترومغناطیسی حکایت دارد. • نیروی هسته ای قوی به قدری کوتاه برد است که حوزه تاثیر آن به درون هسته اتم محدود است و ما هیچ گاه نمی توانیم احساس مستقیم و درک ملموسی مانند آنچه از گرانش و الکترومغناطیس داریم از آن داشته باشیم.

17. اگر یک متر را به ده میلیارد قسمت مساوی تقسیم کنیم، به فاصله ای می رسیم که می توانیم نیروی الکترومغناطیسی بین دو ذره باردار را احساس کنیم • ولی برای احساس نیروی هسته ای قوی باید یک متر را ابتدا به یک میلیارد قسمت و • سپس هر قسمت را به یک میلیون قسمت دیگر تقسیم کنیم.

18. پروتون و نوترون تحت نفوذ این نیروی قوی قرار دارند. • البته اگر یک نوترون پر انرژی وارد یک هسته سنگین مانند اورانیوم 235 شود، • نیروی الکترومغناطیسی بر نیروی هسته ای قوی چیره خواهد شد و با متلاشی شدن هسته، انرژی فراوانی آزاد می شود.این پدیده شکافت هسته ای نام دارد و در ساخت بمب اتم از همین قاعده ساده استفاده می شود. • ولی نیروها لزوما دو ذره را به سمت یکدیگر نمی کشند. • نیروی چهارم نیرویی است که نقش اصلی آن کمک به واپاشی عناصر، تبدیل آنها به عناصر دیگر و ایجاد اثر رادیواکتیویته است.

19. نیروی هسته ای ضعیف • این نیرو باعث واپاشی نوترون و پروتون و تبدیل آنها به یکدیگر است، • که در نتیجه هسته یک عنصر به عنصر دیگر تبدیل می شود. • این تبدیل عناصر، عامل اصلی پرتوزایی و تولید انرژی هسته ای است. • نقش این نیرو در واکنش های هسته ای خورشید و تبدیل هیدروژن به هلیم بسیار حیاتی است. • این نیرو 1011 مرتبه از نیروی الکترومغناطیسی ضعیف تر است و برد آن خیلی کوتاه تر از نیروی الکترومغناطیسی و با برد نیروی هسته ای قوی قابل مقایسه است.

20. اتحاد نیروها • اواسط قرن 19 میلادی کلارک ماکسول توانست نشان دهد نیروهای الکتریکی و مغناطیسی که تا آن زمان تصور می شد دو نیروی متفاوتند در واقع دو روی یک سکه به نام نیروی الکترومغناطیسی هستند. شاید خود ماکسول هم از درک جایگاه ویژه کشف شگفت انگیزش باخبر نبود، • ولی زمانی که اواخر قرن 20 عبدالسلام و واینرگ نشان دادند نیروی الکترومغناطیسی و هسته ای ضعیف هم در انرژی های بالا به یک نیرو به نام الکتروضعیف تبدیل می شوند اوضاع دگرگون شد.ظاهرا همه نیروها در انرژی های بالا مانند آنچه بلافاصله پس از انفجار بزرگ وجود داشت با هم متحد می شوند. البته تلاش هایی که تاکنون برای اثبات اتحاد همه نیروها صورت گرفته هنوز به پاسخ قطعی منجر نشده است.

21. همکاری حیرت انگیز • هماهنگی نیروهای چهارگانه برای کنترل پدیده های عالم و ایجاد جهان کنونی بویژه برای ایجاد امکان حیات، حیرت انگیز و باورنکردنی است. • بهترین نمونه برای نشان دادن این هماهنگی در فرآیند ایجاد انرژی در دل خورشید مشاهده می شود. • این فرآیند پیچیده چنین آغاز می شود که نیروی جاذبه میان پروتون های خورشید، آنها را به هم نزدیک می کند. گاهی دو پروتون به قدری به هم نزدیک می شوند که بر اثر انرژی زیاد خود برای یک لحظه بر نیروی دافعه الکتریکی غلبه و به هم برخورد می کنند. • در همین لحظه نیروی ضعیف، یکی از پروتون ها را به نوترون تبدیل می کند و در این هنگام نیروی قوی وارد عمل شده، پروتون و نوترون را به هم پیوند می دهد و اینجاست که هسته هلیم متولد می شود. • بر اثر این پیوند، انرژی فراوانی ساطع می شود که به لطف نیروی الکترومغناطیسی به شکل تابش به زمین می رسد. حیات زمینی آهنگ مناسب سوختن خورشید را مدیون هماهنگی میان این نیروهاست.

22. مدلهای هسته ای • مدل قطره ای: • انرژی پیوند هسته ای، تابش های ذره ای مانندa و b و تلاشی هسته را شرح می‌دهد. • مدل لایه ای: • تابش امواج الكترومغناطیس gرا شرح می‌دهد. • مدل سد پتانسیل: • اگر به ذره ای انرژی كافی داده شود از هسته بیرون می رود (بمبارانهای ذره ای هسته را شرح می‌دهد). • : انرژی پیوند هسته برای هر هستك بین 5 تا 8 Mev تغییر می‌كند و اگر هسته برانگیخته شود با تابش ذره یا امواج الكترومغناطیس به حالت پایه برمیگردد.

23. جرم هسته را با (U یا a.m.u) واحد جرم اتمی نشان می دهند. • معمولاً در بیشتر محاسبات بجای جرم هسته، جرم اتمی را بكار می برند و اینكار اشكالی تولید نمی كند. • فقط باید انرژی پیوندی الكترونها را در اتم نیز منظور نمائیم كه برای سهولت از آن صرفنظر می كنیم. • M ZMH+ NMN جرم اتم

24. جرم هسته را با (U یا a.m.u) واحد جرم اتمی نشان می دهند. (atomic. mass. Unit)a.m.u or U • 1/12جرم اتم كربن 12C را واحد جرم اتمa.m.uگویند. • بر مبنایاین واحد جرم 12C برابر 12/000U باشد. • =12gr اتم دارد =NAیک مول اتم کربن=یك اتم گرم کربن

25. انرژیپیوندیهسته‌ای • اگر جرم تك‌تك هستكها را جمع كنیم، بیشتر از جرم اتم كامل است. این اختلاف جرم (Dm) راجرم کاهش یافته می‌گویند كه هم‌ تراز یك مقدار انرژی براساس E=mc2است. • این انرژی هنگام تشكیل اتم تابش شده است و بنام انرژی پیوند هسته معرفی می‌شود. • برای اتم هلیم این انرژی معادل 28.8 Mev است. • اگر انرژی پیوند را بر جرم اتمی تقسیم كنیم = انرژی پیوندی هر هستك بدست می آید. • عناصر با جرم متوسطدارای انرژی پیوندی هستك بیشتر از عناصر با جرم سنگینبوده و لذا پایدار ترهستند.

26. اختلاف جرم هسته با مجموع جرم نوكلئونهای متشكله آن را انرژی كل پیوندی هسته می نامند و • با علامت (( Btot ( A,Z ) )) نشان می دهند و • آن انرژی برابر با كار لازم برای جدان كردن نوكلئونها از یكدیگر است یا • برابر است با انرژی لازم برای آنكه از اجتماع نوكلئونهای جدا شده مجدداً هسته را تشكیل یابد. M= M ( A,Z ) جرم اتم Btot( A,Z )=[(ZMH+ NMn)- M(A,Z)]C2

27. مثال: انرژی معادل یك واحد جرم اتمی چقدر است؟ • حل: طبق تعریف یك واحد جرم اتمی برابر است با 1/12جرم یك اتم كربن 12، یعنی حال طبق رابطه انیشتن انرژی معادل این جرم برابر است با: • مثال: انرژی پیوندی هسته كربن چقدر است؟ • حل: جرم اتمی كربن با اندازه گیری برابر است با:a.m.u000/12mc2= • جرم آن از طریق محاسبه مجموع جرم ذرات تشكیل دهندة آن یعنی جرم 6 پروتون و 6 نوترون برابر است با a.m.u09948/12mc2= نتیجه آن كه كسر جرم هسته كربن برابر است با:

28. حال با توجه به آن كه انرژی معادل هر واحد جرم اتمی MeV931 است ( مثال قبل ) لذا انرژی پیوندی ( B.E. ) هسته كربن برابر خواهد شد با: • بنابراین برای آن كه هسته كربن را به تك تك اجزایش تجزیه كنیم باید این مقدار انرژی صرف كرد. • تمرین: اگر جرم الكترون و پروتون به ترتیب kg31-10×1/9 و • kg27-10×1.6 انرژی معادل جرم آنها چقدر است؟

29. نیروهای پیوند هسته‌ای • یوكاوا 1935: نیروهای پیوند هسته مانند نیروهای تبادلی الكترونها، از به اشتراك گذاشتن یك ذره در هسته بوجود می‌آیند. • مثلا در مولکولH2، دو اتم H با به اشتراک گذاشتن الکترون میان دو هسته باهم پیوند برقرار کرده اند. • چنین فرایندی در هسته رخ می دهد و پروتون و نوترون یک ذره را به اشتراک می گذارند. • پاول: این ذرات را پیون یا مزون‌پی معرفی كرد كه دارای جرمی معادل 270 برابر الكترون است. • واكنشهای میان پروتون و نوترون بصورت زیر است و این دو ماهیتشان را بطور پیوسته به همدیگرعوض می ‌كنند.

30. نسبت نوترون به پروتون:N/Z برای هسته های سبك خط متوسط پایداری تقریباً بر خط N= Z منطبق است. ولی برای هسته های سنگین به علت افزایش زیاد نیروی كولونی از خط N= Z دور می شوند.

31. پایداری هسته • ترازمندی(تعادل) بین دو نیروی كششی (میان پروتون ها و نوترون ها) و رانشی (میان پروتون و پروتون) پایداری هسته را بعهده دارد. • نظریه های ناپایداری هسته ای: • نسبت نوترون به پروتون N/Z • اگر N/Z بیشتر و یا كمتر از خط پایداری باشد، هسته ناپایدار و با تابش خودبخودی ذره و گاهی گاما به پایداری می ‌رسد. • این حالت را دگرگونی، فروپاشی و یا واپاشی (Decay or Disintegration)نامیده می ‌شود.

32. منشاء رادیواكتیویته • منشاء رادیـواكتیویتـه را باید تا حـدود زیـادی در عـدم تعـادل بین تعـداد پـروتونها و نـوترونها، نحـوة پـر شدن آنها در تـرازهـای انـرژی هستـه و همچنین نیــروی دافعـه كولنـی بین پـروتون هـا جستجـو كـرد. • با نگاهی به جـدول منـدلیـف متـوجـه مـی شویـم كـه بـا افــزایش عـدد اتمـی عناصـر، عـدد نوترونـی آنهـا نیـز افـزایـش مـی یابـد و • در بسیـاری از مـوارد تعـداد نوترونهـا بیش از تعـداد پـروتـون هـا مـی شود، كــه گفتـه مـی شـود این بـرای پایداری هستــه ضـروری است. • در واقـع افـزایش بیشتـر نوترونهـا و جـای گیـری آنها در بین پروتون ها سبـب كـاهش نیــروی دافعــه كولنـی بین پــروتـونهـا شده و این خود پایداری هسته را حفظ می كند.

33. با این حال با افزایش عدد اتمی نیروی دافعه كولونی دائماً در حال افزایش است • در حالی كه نیروی جاذبه هسته ای بین نوكلئون ها به دلیل برد كوتاه آن و خاصیت اشباع افزایش نمی یابد. • نتیجــه آن كه وقتی عدد اتمی به 83 می رسد، دافعه كولنی بین پروتون ها بحدی می رسد كه دیگر هسته قادر به حفظ حالت پایدار خود نیست. • لذا عنصر رادیواكتیو شده و ذراتی را از خود تابش و به بیرون پرتاب می كند، تا به حالت پایدار برسد. عناصر رادیواكتیو به دو دسته تقسیم می شوند:

34. عناصر رادیواكتیو به دو دسته تقسیم می شوند: • 1- عناصر رادیواكتیو طبیعی • 2- عناصر رادیواكتیو مصنوعی • كلیه عناصری كه Z آنها از 83 بالاتر است به طورطبیعی رادیواكتیوند. • تعدادی عنصر با عدد اتمی كمتر از 83 هم كه به طورطبیعی رادیواكتیوند در طبیعت یافت می شوند مانندكه دائماً و توسط اشعه كیهانی در اتمسفر تولید می شود: • تبدیل نوترون به پروتون:تولید مواد رادیواكتیو ( رادیو ایزوتوپ ) از طریق واكنش های هسته ای را اصطلاحاً (( رادیواكتیویته مصنوعی )) گویند. • به عبارت دیگر رادیواكتیویته مصنوعی، تولید مواد رادیواكتیوی است كه در طبیعت وجود ندارند و به طور مصنوعی در آزمایشگاههای هسته ای یا راكتورها ساخته می شوند. در واقع رادیواكتیویته مصنوعی است كه در پزشكی كاربرد دارد.

35. تابشها به دو دسته تابشهای یونیزان و غیریونیزان • (Ionizing and Nonionizing Radiations) تقسیم می شوند. • تابشهای یونیزان، قادرند اتم را یونیزه كرده و این زمانی اتفاق می افتد، كه یكی از الكترونهای ظرفیت دراتم، كاملاً‌ از اتم جدا شوند. • اتم باقیمانده را یون مثبت Positive Ion و • الكترون آزاد را یون منفی یا IonNegativeگفته می شود. • بطور مثال x-ray و ذرات بتا) (Beta Particles: +,- • اشعه های غیر یونیزان ,(Nonionizing Radiation) • قادر به ایجاد یون نیستند. • مثل اشعه ماوراء بنفش (Ultraviolet Radiation) و • تشعشعات میكروویو (Microwave Radiation) ، • بنابراین چنین تابشهایی روی سلامت انسان کمترتأثیرگذار هستند.

36. تابشها و ذراتی كه قادرند تولید یون كنند، • به دو دسته مستقیم و غیرمستقیم یونیزان کننده تقسیم می‌شوند. • (Directly Ionizing Particles) • (Indirectly Ionizing Particles) • ذرات مستقیم یونیزان كننده،Directly Ionizing Particles) (، • ذرات باردار الكتریكی،(Electrically Charged Particles) هستند، كه دارای انرژی جنبشی كافی برای ایجاد یون به هنگام برخورد با سایر مواد می باشند. • اینها شامل الكترونها(الکترونهای ظرفیت)، پروتونها ، ذرات  و ذرات  (پوزیترونهاونگاترونهاییکه که از تبدیلات p – nحاصل می شوند)، می باشند.

37. تابشها وذرات غیرمستقیما یونیزان كننده، • (Indirectly IonizingParticles) • تابشها وذرات بدون باری هستند، كه قادرند ذرات مستقیما یونیزان کننده • (Directly IonizingParticles) • را آزاد كرده و یا سبب آغاز تبدیلات هسته‌ای • (Nuclear Transformation) • شوند. • این ها شامل:x-ray و  -ray ، • نوترونها (neutrons) و • مزونهاهستند.

38. Different radiations have different properties, as summarized below: In summary, the most common types of radiation include alpha particles, beta

40. انواع واپاشی مواد رادیواكتیو • 1 ) واپاشی آلفا: این نوع واپاشی اكثراً در هسته های سنگین 83 Z اتفاق می افتد. • مثال: اورانیوم 238 كه یك ماده رادیواكتیو طبیعی است به صورت زنجیره زیر واپاشی یافته و پس از حدود 15 واپاشی به سرب پایدار تبدیل می شود:

41. 2 ) واپاشی بتا : این نـوع واپاشـی در هستـه هـای رادیـواكتیو سنگین و سبك وجود دارد و • البته بیشتر در هسته های رادیواكتیو سبك به وقوع می پیوندد. • دو نوع واپاشی داریم: • الف ) واپاشی بتای منفی ( - یا الكترون ) ب ) واپاشی بتای مثبت ( + یا پوزیترون: ضد الكترون ) • واپاشی  منفی: هرگاه نسبت نوتون به پروتون ( N/P ) یك ماده رادیواكتیو از نسبت ( N/P ) حالت پایدارش در جدول مندلیف بزرگتر باشد • آن ماده از طریق واپاشی  منفی به تعادل می رسد. • این كار بدین نحو انجام می شود كه در داخل هسته، یك نوترون به یك الكترون و یك پروتون و یك ذره دیگر به نام “پادنوترینو“ تبدیل می شود پروتون در هسته می ماند ولی الكترون ( بتا ) و پادنوترینو به خارج پرتاب می شوند. (( پادنوترینو )) ذره ای است كه تقریباً بدون جرم كه تنها انرژی با خود حمل می كند.

42. بنابراین شرط واپاشی  منفی عبارت است از: • پایدار ( N/P ) رادیواكتیو ( N/P ) در این صورت خواهیم داشت: • از آنجا كـه یك نوترون بـه یك پـروتون تبدیل شده، لذا عـدد جـرمی تغییر نمی كند ولی عدد اتمی یكی افزایش می یابد. • یعنی ماده رادیواكتیو به ماده ای كه جایش در جدول مندلیف یك خانه بالاتر است تبدیل می شود: در واپاشی - به طوركلی خواهیم داشت: • نمونه چنین واپاشی فسفر رادیواكتیو است. فسفر پایدار است. حال چون 17/15= فسفر رادیواكتیو ( N/P ) از 16/15= فسفر پایدار ( N/P ) بـزرگتـر است، • لـذا از طـریـق واپـاشـی  منفی با نیمه عمر 3/14 روز متلاشی می شود:

43. نحوه واپاشی فسفر و سدیم رادیواكتیو نحوه واپاشی فسفر و سدیم رادیواكتیو و دیگـر مـواد كـه هنگـام واپاشی - می دهند را اصطلاحاً emitter - ( تابش كننده - ) می نامند.

44. واپاشی +: هرگاه نسبت N/P یك ماده رادیواكتیو از نسبت N/P حالت پایدارش كوچكتر باشد و • همچنین اختلاف سطح انرژی هسته مادر و هسته دختر از 02/1 میلیون الكترون ولت بیشتر باشد، ( 2cدختر-m2cمادرE=m ) • آن ماده می تواند از طریق واپاشی + به تعادل برسد و این عمل به این صورت انجام می گیرد كه • در داخل هسته، یك پروتون به یك نوتـرون و پـوزیتـرون و نـوتـرینو تبدیل می شود. نوترون در هسته باقی مانده اما پوزیترون و نوترینو از آن خارج می شوند ( اینها پرتوهای رادیو اكتیوند ):PN+++ • چـون یك پـروتون تبدیـل بـه نوترون شده، لذا عدد جرمی تغییر نمی كند، ولی عدد اتمی هسته دختر یكی كمتر می شود و هسته دختر جایش یك خانه پائین تر از هسته مادر در جدول مندلیف است:

45. نمونه چنین واپاشی را می توان در ازت رادیواكتیو یافت • برای ازت رادیواكتیو • 5/7=N/P است، برای ازت پایدار 7/7=N/P و • چـون اختـلاف سطـح انــرژی و بیش از 02/1 میلیون الكترون ولت است لذا واپاشی می تواند از • طـریق + صورت گیـرد • اصطلاحــاًگفته می شود ، emitter + ( تابش كننده + ) است.

46. تسخیر الكترون ( E.C. ):هرگاه شرط دوم در واپاشی + برقرار نباشد، یعنی اگر: • ( N/P ) پایداررادیواكتیو( N/P ) باشد، • ولی اختلاف سطح انرژی هسته مادر و دختر كمتر از MeV02/1 باشد، دیگر • واپاشی + امكان پذیر نبوده و ماده رادیواكتیو از طریق واپاشی دیگری مجبور است به تعادل برسد و • آن واپاشی از طریق تسخیر الكترون است. • در چنین واپاشی ماده رادیواكتیو به جای این كه در هسته یك پروتون را به نوترون و پوزیترون تبدیل كند (واپاشی +)،یك الكترون از مدار K اتم تسخیر می كند، نتیجه عبارت است از: • یعنی الكترونی كه وارد هسته می شود، با یك پروتون تركیب، و نوترون را پدید می آورد:P+eN+ • مجدداً عدد جرمی A مانند واپاشی های - و + ثابت می ماند ( هسته مادر و دختر ایزوبار باقی می مانند ) ولی • عدد اتمی هسته دختر مانند واپاشی + یك واحد كم می شود و جایش یك خانه پائین تر از هسته مادر در جدول مندلیف است. نمونه چنین واپاشی را می توان در رادیواكتیو یافت. بریلیوم رادیواكتیو به صورت زیر واپاشی می كند.

47. مواد رادیواكتیوی كه شرایط واپاشی + را داشته باشند، می توانند واپاشی تسخیر الكترون را نیز انجام دهند، ولی ماده رادیواكتیوی كه تنها شرایط واپاشی تسخیر الكترون را داشته باشد، نمی تواند واپاشی + را انجام دهد. • یعنی اگر علاوه بر ( N/P ) شرط پایدار رادیواكتیو ( N/P ) كه برای هر دو واپاشی لازم است، اختلاف سطح انرژی هسته مادر و دختر از MeV02/1 بیشتر باشد، • ماده رادیواكتیو می تواند هم از طریق + و هم از طریق E.C واپاشی كند، ولی اگر اختلاف سطح از MeV02/1 كمتر باشد، تنها E.C امكانپذیر و + محال است. شكل ب نحوه واپاشی سدیم رادیواكتیو را نشان می دهد. از آن جا كه اختلاف سطح انرژی و از MeV02/1 بزرگتر است لذا واپاشی از هر دو طریق + و E.C. ممكن است:

48. واپاشی گاما : پرتو گاما از دیگر پرتوهای هسته ای است كه از جنس پرتوهای الكترومغناطیسی است. • در بسیاری از واپاشی های  و  ( مثبت یا منفی ) هسته مادر تبدیل به هسته دختری می شود كه در اكثر مواقع در حالت برانگیختـه است. لـذا • هستـه دختـر انـرژی اضافی خود را از طریق تابش گاما آزاد می كند تا به تراز یا حالت زمینه خود برود. • در واقع هسته دختری كه در حالت برانگیخته است، خود رادیواكتیو بوده و با تابش گاما به حالت پایدار خود تبدیل می شود. • باید توجه داشت كه ( هیچ رادیوایزوتوپ طبیعی تنها با تابش گاما واپاشی نمی یابد، بلکه همیشه تابش گاما متعاقب واپاشی های  و یا  بوجود می آید ) • نمونه چنین واپاشی هایی را در واپاشی در مبحث واپاشی - دیدیم. در انجا سدیم رادیواكتیو یعنی هسته مادرابتدا با تابش - به حالت برانگیخته ( هسته دختر ) رفته و • سپس برانگیخته از طریق تابش دو گاما به حالت پایدار ( زمینه ) می رود.

49. بریلیـوم و سـدیـم كـه در مبحث تسخیر الكترون بررسی شدند نیز نمونه هائی از این نوع واپاشی اند: • بریلیوم با احتمال 12% از طریق تسخیر الكترون به حالت برانگیخته می رفت. • لیتیومسپس با تابش گاما به حالت زمینه خود رجعت می كرد. • همچنین سدیم می توانست هم از طریق تسخیر الكترون و هم از طریق + به حالت برانگیخته برود و • نئون برانگیخته سپس با تابش گاما به حالت زمینه می رفت.

50. برخورد پرتو گاما با ماده