اضمحلال نشاط إشعاعي
يعود اكتشاف النشاط الإشعاعي الطبيعي أو التحلل الإشعاعي إلى العالم أنتوني هنري بيكريل عام 1896، وذلك عندما كان يبحث في مختبره في معهد التقنيات العليا في باريس في كيفية تصوير الأشعة السينية وإظهارها على صفائح فوتوغرافية من صنعه. وكان يكسو تلك اللوحات من كبريتات مختلفة للتوتياء والكالسيوم وأملاح أخرى. ولاحظ خلال محاولاته تأثر الصفائح في الظلام رغم عدم قذفها بأشعة أخرى. وكان يدرس موادا فسفورية تتميز بأنها تضيء في الظلام بعد تعرضها للضوء، وظن أن إسوداد لوحاته كان ناتجا عن المواد الفسفورية. فقام بتجربة في عام 1896: بأن قام بلف الشرائح الفوتوغرافية في ورق أسود ووضع عليها بعضا من المواد الفسفورية، فلم تسود اللوحات الفوتوغرافية. ولكن عندما وضع أملاحا من اليورانيوم على اللوحات الفسفورية المغطاة بورق أسود وجد أنها اسودت، دليل على خروج أشعة من أملاح اليورانيوم تنفذ خلال الورق الاسود. و سماها في سنة 1896 إشعاعات يورانيومية.
وكانت ماري كوري وزوجها بيير يدرسان النشاط الإشعاعي للبولونيوم، ويعرفان أن البولونيوم يصدر إشعاعات طبيعيا من تلقاء نفسه. وتأكد كل من ماري كوري وزوجها بيار من سبب إسوداد شرائح بيكريل حيث أنها تسود عند تعرضها لأملاح اليورانيوم، وهو أن اليورانيوم أيضا يصدر تلقائيًا أشعة نفاذة تعمل على إسوداد لوحات بيكريل؛ والإسوداد يزداد كلما كان ملح اليورانيوم أكثر أو أكثر تركيزًا.
في عام 1896م اكتشف بكريل أن أحد أملاح اليورانيوم يصدر اشعاع - لم تكن طبيعته واضحة في ذلك الوقت - وأثبت بكريل أن الإشعاع الذي اكتشفه يصدر من جميع مركبات اليورانيوم وعن اليورانيوم الفلزي أيضًا بما يعني أن مصدر الإشعاع هو ذرةاليورانيوم. واتضح له أن هذا الإشعاع يحدث بصورة تلقائية مستمرة لا تؤثر عليه المؤثرات الخارجية من ضغط و درجة حرارة ولهذا سمى اشعاع اليورانيوم اشعاع نشط وتسمى هذه الظاهرة النشاطية الاشعاعية .
في عام 1898 م قام بيير كوري وزوجته ماريا سكلودوفسكايا- بولندية الاصل - ومشهورة باسم مدام كوري باكتشاف النشاط الإشعاعي للثوريوم. وأيضا اكتشفا في نفس السنة عنصرين جديدين يوجدان في خامات اليورانيوم :العنصر الأول أطلق عليه الراديوم وهو عنصر أقوى في نشاطه الإشعاعي من اليورانيوم بمليون مرة بينما العنصر الثاني أطلقا عليه اسم مسقط رأس مدام كوري وهو البولونيوم. وبعد 10 سنوات اكتشف رذرفورد في عام 1908 م الغاز النشط اشعاعيا - الرادون - بواسطة التحليل الطيفي
تقاس النشاطية الاشعاعية بوحدة البكريل
البكريل هو عدد الإشعاعات التي تصدرها العينة المشعة في الثانية
ما معنى أن النشاطية الاشعاعية لعينة واحد بكريل
المعنى : نشاطية العينة تصدر اشعاعا واحدا في الثانية
هل هناك وحدات أخرى لقياس النشاطية الاشعاعية ؟
نعم توجد وحدة انحلال / ثانية ووحدة الكوري Ci وفي بعض المراجع Cu وأيضا توجد وحدة ثالثة هي الرذرفورد Rd وهو نشاط يناظر مليون انحلال / ثانية
عرف الكوري ؟
الكوري هو نشاط عينة تنحل فيها في الثانية الواحدة 3.7x10 من الانوية المشعة.
تسير عملية التحلل بمعدل ثابت ، فإذا كان لدينا عينة من مادة مشعة ، يكون عدد التحللات dN التي تحدث في فترة زمنية dt متناسبا مع عدد الذرات الكلي. فإذا كان عدد الذرات الكلي "N" ، يكون احتمال التحلل (−"dN"/ dt) متناسبا تناسبا طرديا مع N، أي أن:
وكل عنصر من العناصر المشعة يتميز بمعدل تحلل خاص به ويسمى("λ"). وتعني الإشارة السالبة في المعادلة أن "N" تنقص مع كل حدث للتحلل. ويمكن حل تلك المعادلة التفاضلية من الدرجة الأولى ونحصل على:
حيث :
"N" هي العدد "N" عند الزمن ("t" = 0).
وتبين المعادلة الثانية أن ثابت التحلل "λ" له وحدة 1/الزمن ، وبالتالي يمكن صيغتها في صورة "τ" حيث تعطي "τ" نصف العمر أو عمر النصف لتحلل العنصر.
وعلاقة "τ" ب formula_3 كالآتي :
وتمثل الدالة الأسية لأساس الثابت الطبيعي e معدل التحلل في المعادلة الثانية.
وفي العادة يكون عدد ذرات العينة كبير جدا مقارب لعدد أفوجادرو بحيث يكون وصف تلك المعادة لمعدل التحلل وصفا جيدا.
نفترض الآن أن لدينا ثلاثة عناصر مختلفة مشعة :
يبين الرسم البياني المجاور معدل تحلل الذرات للثلاثة عناصر ، أي أنه يبين عدد الذرات التي لم تتحلل بعد كدالة للزمن. وكما نري يتناقص عدد الذرات التي لم تتحلل بمعدل ثابت مميز لكل عنصر وذلك طبقا للمعادلة الثانية أعلاه. ونري أن العنصر ذو عمر نصف طويل (الأحمر) هو الذي يتميز بمعدل صغير للتحلل.
إذا كان لدينا عينة مشعة تحتوي على 400.000 ذرة مشعة وتتميز بنصف عمر قدره 10 أيام ، فإنه بعد مرور 10 أيام يصبح عدد الذرات التي لا زالت مشعة 200.000 ذرة. وبعد مرور 10 أيام أخرى ثانية ينخفض عدد الذرات المشعة إلى 100.000 ذرة وبعد مرور 10 أيام تالية يصبح عدد الذرات التي لم تتحلل 50.000 وهكذا. لذلك نتحدث عن formula_5 ونسميها عمر النصف.
عمر النصف هو الزمن الذي يحتاجه العنصر المشع لكي ينحل نصف عدد ذراته. حيث تنخفض فيه الكمية المشعة إلى النصف. فمعنى أن عمر النصف لليورانيوم 238 (4.49x10 yr) أي أنه لكي ينحل نصف عدد ذرات اليورانيوم يلزم 4.49x10 سنة.
ويسمى هذا الزمن الثابت المميز للعنصر عمر النصف ، ويرمز له بالرمز formula_5. ويمكن كتابة عمر النصف كدالة لثابت التحلل أو (متوسط العمر) كالآتي:
وبالتعويض عنها في المعادلة الأسية أعلاه نحصل على:
أي أن جزء المادة التي لا زالت مشعة بعد مرور زمن formula_9 :
formula_10
وهذا يعني أنه بعد مرور 3 فترات من فترات عمر النصف ، يبقي في العينة الكمية المشعة التالية :
formula_11
أي أن متوسط العمر formula_12 يساوي عمر النصف مقسوما على اللوغاريتم الطبيعي (ln(2 :
formula_13.
ويبلغ عمر النصف = 138 يوم لمادة البولونيوم-210 ، في حين أن يكون متوسط عمرها 200 يوم.
يستخدم الكربون-14 في تقدير عمر الصخور والطبقات الأرضية ، وبالتالي هي طريقة لتقدير عمر نباتات أو أحياء عاشت في الماضي واختزنت في تلك الطبقات الأرضية. يتميز النظير كربون-14 بعمر نصف مقداره 5730 سنة ، ويتحلل بمعدل 14 تحللا في الدقيقة الواحدة لكل جرام من الكربون الطبيعي (الكربون الطبيعي يحتوي على أغلبية من الكربون-12 ونسبة معينة من الكربون-14).
فإذا عثرنا على عينة (أحفورة) ووجدناها تصدر 4 تحللات /دقيقة/جرام من الكربون فيها ، فما هو عمرها ؟
لحساب العمر نستخدم المعادلة المذكورة أعلاه :
حيث:
أي أن متوسط عمر العينة هو 10.360 سنة.