تحلل اشعاعى

تحلل اشعاعى
جزء من	نشاط إشعاعي

لنك عشوائى
تصانيف	شوف كمان
مصطلحات | مهن جهاز| جوايز كل الليستات	حارس مرمى

الاضمحلال الإشعاعى (المعروف كمان بالاضمحلال النووى ، أو النشاط الإشعاعي، أو التفكك الإشعاعى ، أو التفكك النووى ) هو العملية اللى تفقد من خلالها نواة ذرية غير مستقرة طاقتها عن طريق الإشعاع . المادة اللى فيها نوى غير مستقرة مادة مشعة . ومن اكتر أنواع الاضمحلال انتشار اضمحلال ألفا ، واضمحلال بيتا ، واضمحلال جاما . القوة الضعيفة هيا الآلية المسؤولة عن اضمحلال بيتا، فى الوقت نفسه يخضع النوعان الآخران للقوى الكهرومغناطيسية والنووية.

التحلل الإشعاعى عملية عشوائية على مستوى الذرات المفردة. حسب لنظرية الكم ، يستحيل التنبؤ بموعد تحلل ذرة معينة، بغض النظر عن مدة وجودها. رغم ده ، بالنسبة لعدد كبير من الذرات المتدورة، ممكن التعبير عن معدل التحلل الإجمالى بثابت تحلل أو بنصف عمر . وتتراوح أنصاف أعمار الذرات المشعة بصوره كبيره اوى: من شبه فورى لأطول بكتير من عمر الكون .

النواة المتحللة بتتسمما بالنواة المشعة الأم (أو النظير المشع الأم)، وتُنتج دى العملية نواة بنت واحدة على الأقل. باستثناء تحلل جاما أو التحول الداخلى من حالة إثارة نووية، بيعتبر التحلل تحول نووى ينتج عنه نواة بنت فيها عدد مختلف من البروتونات أو النيوترونات (أو الاتنين). لما يتغير عدد البروتونات، تتكون ذرة من عنصر كيميائى مختلف. على الأرض 28 عنصر كيميائى مشع موجود بشكل طبيعي، تتكون من 35 نظير مشع (لكل عنصر من العناصر السبعة نظيران مشعان مختلفين) تاريخها يرجع لقبل نشأة النظام الشمسى . معروفه دى النظائر الـ 35 بالنظائر المشعة البدائية . من الأمثلة المعروفة اليورانيوم والثوريوم ، لكن بتشمل كمان نظائر مشعة طويلة العمر موجودة بشكل طبيعي، زى البوتاسيوم-40 . يشارك كل نظير من النظائر المشعة البدائية الثقيلة فى واحده من سلاسل التحلل الأربع.

تاريخ الاكتشاف

بيير وم ارى كورى فى مختبرهم فى باريس، قبل سنة 1907

هنرى بوانكاريه وضع بذور اكتشاف النشاط الإشعاعى باهتمامه ودراساته للأشعة السينية ، ده أثر بشكل كبير على الفيزيائى هنرى بيكريل . اكتُشف النشاط الإشعاعى سنة 1896 على ايد بيكريل، و بشكل مستقل على ايد مارى كورى ، وقت عملهما على المواد الفسفورية . تتوهج دى المواد فى الظلام بعد تعرضها للنور، واشتبه بيكريل فى أن التوهج الناتج فى أنابيب أشعة الكاثود بالأشعة السينية ممكن يكون مرتبط بالفسفرة : قام بلف لوحة فوتوغرافية بورق أسود ووضع عليها أملاح فسفورية مختلفة.جميع النتايج كانت سلبية لحد استخدم أملاح اليورانيوم . أملاح اليورانيوم تسببت فى اسوداد اللوحة رغم لفها بورق أسود. 48 كورى سما الإشعاع «أشعة بيكريل»، و أثبت إن الأشعة دى خاصية من خواص الذرّات. : 54 

الأشعة السينية كانت بتنتج باستخدام الطاقة الكهربائية، ظل مصدر طاقة الإشعاع لغز. سنة 1899، عمل يوليوس إلستر وهانز جايتل تجارب أساسية للعثور على مصدر طاقة النشاط الإشعاعي، مستبعدين استخلاص الطاقة من الهواء عن طريق القياسات فى الفراغ، واستخلاص الطاقة من الفضاء الخارجى عن طريق القياسات على عمق 300 متر فى منجم بجبال هارتس : 100 إذا كانت الذرات نفسها مصدر الطاقة، فده يعنى أن الذرات اللى تبدو ثابتة لا بد أن تتغير عند انبعاث الأشعة. سنة 1900، لخص كورى لغز النشاط الإشعاعى بأنه خيار بين احتمالين متساويين فى استبعادهما: إما أن الطاقة غير محفوظة أو أن العناصر الكيميائية قابلة للتحول : 112  رذرفورد كان أول من أدرك أن كل دى العناصر تتحلل حسب نفس الصيغة الرياضية الأسية. كان رذرفورد وطالبه فريدريك سودى أول من أدرك أن كتير من عمليات التحلل توصل لتحول عنصر لآخر. بعدين ، صِيغ قانون الإزاحة الإشعاعية لفايانز وسودى لوصف نواتج تحلل ألفا وبيتا .

الباحثين الأوائل كمان اكتشفو إن كتير من العناصر الكيميائية التانيه، مع اليورانيوم، ليها نظائر مشعة. كما قاد البحث المنهجى عن النشاط الإشعاعى الكلى فى خامات اليورانيوم بيير ومارى كورى لعزل عنصرين جديدين: البولونيوم والراديوم . وباستثناء النشاط الإشعاعى للراديوم، التشابه الكيميائى بين الراديوم والباريوم جعل التمييز بين دول العنصرين صعب .

مارى و بيير كورى صاغو مصطلح "النشاط الإشعاعي" لوصف انبعاث الإشعاع المؤين من بعض العناصر الثقيلة. ( بعدين ، عُمم المصطلح علشان يشمل كل العناصر). أدى بحثهما حول الأشعة النافذة فى اليورانيوم واكتشاف الراديوم لإطلاق عصر استخدام الراديوم فى علاج السرطان. ويمكن اعتبار استكشافهما للراديوم أول استخدام سلمى للطاقة النووية و بداية الطب النووى الحديث.

المخاطر الصحية المبكرة

صورة بالأشعة السينية التُقطت باستخدام جهاز أنبوب كروكس القديم سنة 1896. بيظهر أنبوب كروكس فى المنتصف. الرجل الواقف يفحص يده باستخدام شاشة التنظير الفلورى ؛ كانت دى طريقة منتشرة لتركيب الأنبوب. لم تُتخذ أى احتياطات ضد التعرض للإشعاع؛ علشان ما كانتش مخاطره معروفةساعتها .

ماكانش تم التاتعرف فور على مخاطر الإشعاع المؤيّن الناتج من النشاط الإشعاعى و الأشعة السينية.

الأشعة السينية

اكتشاف الأشعة السينية على ايد فيلهلم رونتجن سنة 1895 اتسبب فى تجارب واسعة النطاق عملها العلما و الأطباء والمخترعون. وبدأ كتير من الناس فى سرد قصص عن الحروق وتساقط الشعر و أمور أسوأ فى المجلات التكنولوجيا من سنة 1896. فى فبراير من السنه دى، عمل البروفيسور دانيال والدكتور دادلى من جامعة فاندربيلت تجربة تضمنت تصوير رأس دادلى بالأشعة السينية،و ده اتسبب فى تساقط شعره. كان تقرير الدكتور إتش دى هوكس، عن معاناته من حروق شديدة فى اليد والصدر وقت عرض توضيحى بالأشعة السينية، أول تقرير من كتير من التقارير التانيه فى مجلة "إلكتريكال ريفيو" .

ناس تانيين كانو بيجربو، منهم م إيليهو طومسون و نيكولا تيسلا ، اشتكو من حروق. طومسون حط صباعه قدام أنبوبة أشعة سينية بمزاجه شوية، و بعدها حصله وجع و تورّم و طلعت له تقرّحات. ساعات بترجع الأضرار لعوامل تانيه، بما فيها الأشعة فوق البنفسجية و الأوزون، و لسه كتير من الأطباء يدّعون عدم وجود أى آثار للتعرض للأشعة السينية .

مع كده، اتعملت شوية أبحاث بدرى بشكل منظّم عن المخاطر دي، و فى سنة 1902 كتب William Herbert Rollins بيأس شديد إن تحذيراته من الاستخدام المستهتر للأشعة السينية ماحدّش سمعها، لا فى المجال الصناعى ولا لحد زمايله.

وساعتها كان رولينز أثبت إن الأشعة السينية تقدر تقتل حيوانات التجارب، وتتسبّب فى إجهاض أنثى خنزير جينيا حامل، و كمان تقتل الجنين. كمان أكّد إن «الحيوانات بتختلف فى درجة تأثرها بالتعرّض الخارجى للأشعة السينية»، وحذّر إن لازم الاختلافات دى تتاخد فى الاعتبار وقت علاج العيانين بالأشعة السينية.

المواد المشعة

قياس الآثار البيولوجية للإشعاع الناتج عن المواد المشعة كان صعب . ده أتاح الفرصة لأطباء و لشركات كتير لتسويق المواد المشعة كأدوية مسجلة ببراءات اختراع . ومن الأمثلة على ذلك حقن الراديوم الشرجية، والميه المحتوية على الراديوم اللى تُشرب كمنشطات. احتجت مارى كورى على النوع ده من العلاج، محذرةً من أن "الراديوم خطير فى ايدين اللى مشمدربين". توفيت كورى بعدين بسبب فقر الدم اللاتنسجى ، اللى يُرجح أنه ناجم عن التعرض للإشعاع المؤين. تلاتينات القرن العشرين، و بعد عدد من حالات نخر العظام ووفاة المتحمسين لعلاج الراديوم، تم سحب المنتجات الطبية المحتوية على الراديوم لحد كبير من السوق ( الشعوذة الإشعاعية ).

النشاطية الإشعاعية سمة مميزة للعناصر بالأعداد الذرية الكبيرة. العناصر اللى ليها نظير مستقر واحد على الأقل مُوضّحة باللون الأزرق الفاتح. بيشير اللون الأخضر لالعناصر اللى عمر النصف لنظيرها الاكتر استقرار ملايين السنين. أما اللونان الأصفر والبرتقالى فبيشيران لعناصر أقل استقرار تدريجى، حيث يتراوح عمر النصف ليها بين آلاف ومئات السنين، وصول ليوم واحد. فى الوقت نفسه بيشير اللونان الأحمر والبنفسجى لعناصر شديدة الإشعاع، حيث عمر النصف لنظائرها الاكتر استقرار يوم واحد أو أقل بكثير.

الحماية من الإشعاع

  

المقال الاساسى: Radiation protection

بعد سنه واحده بس من اكتشاف رونتجن للأشعة السينية، قدّم المهندس الامريكانى وولفرام فوكس (1896) ما يُرجّح أنه أول نصيحة وقائية، لكن لم يُعقد المؤتمر الدولى الاولانى للأشعة (ICR) إلا سنة 1925، حيث نُظِر فى وضع معايير دولية للحماية. أما آثار الإشعاع على الجينات، بما فيها تأثيره على خطر الإصابة بالسرطان، ف تمّ التاتعرف عليها لاحق. سنة 1927، نشر هيرمان جوزيف مولر بحثاً بيبيين التأثيرات الجينية، و سنة 1946، اتمنح جايزة نوبل فى الطب أو علم وظايف الأعضاء تقدير لاكتشافاته.

المؤتمر الدولى التانى للراديوم اتعمل فى ستوكهولم سنة 1928، واقترح اعتماد وحدة الرنتجن ، واتشكلت اللجنة الدولية للحماية من الأشعة السينية والراديوم (IXRPC). اتتعين رولف سيفرت رئيس لها، لكانوجورج كاى من المختبر الفيزيائى الوطنى البريطانى كان له دورٌ محوريٌّ فى تأسيسها. اجتمعت اللجنة فى سنين 1931 و1934 و1937.

زيادة حجم وكميّة المواد المشعّة اللى بقت بتتستخدم بسبب البرامج النووية العسكرية والمدنية خلّت أعداد كبيرة من العاملين و كمان الناس العاديين يتعرّضوا لمستويات مؤذية من الإشعاع المؤيّن.

والموضوع ده اتناقش فى أول اجتماع للجنة الدولية للحماية من الإشعاع (ICRP) بعد الحرب، واللى اتعمل فى لندن سنة 1950. هناك اتأسست اللجنة الدولية دلوقتى للحماية من الإشعاع (ICRP).

من وقتها، طوّرت International Commission on Radiological Protection النظام الدولى الحالى للحماية من الإشعاع، واللى بيغطّى كل جوانب مخاطر الإشعاع.

وفى سنة 2020، عمل Mark P. Little Hauptmann و15 باحث دولى تانى من 8 دول دراسة شاملة اوى باستخدام التحليل التلوى عن الأضرار الناتجة من «الجرعات القليلة» من الإشعاع، واللى أثّرت على الناجين. وشارك فى الدراسة معاهد ومراكز متخصّصة فى الإحصاء الحيوي، و أبحاث السجلات، ووبائيات السرطان، ووبائيات الإشعاع، و كمان National Cancer Institute وInternational Agency for Research on Cancer وRadiation Effects Research Foundation فى Hiroshimaم ن القصف الذرى لهيروشيما وناغازاكى ، و فى كتير من الحوادث اللى وقعت فى محطات الطاقة النووية .

العلما دول قالو فى دراستهم اللى اتنشرت فى Journal of the National Cancer Institute بعنوان «الدراسات الوبائية عن الإشعاع المؤيّن بجرعات قليلة وخطر السرطان»، إن الدراسات الجديدة بتأكّد بشكل مباشر إن التعرّض حتا لجرعات قليلة من الإشعاع المؤيّن ممكن يزوّد احتمال الإصابة بالسرطان. سنة 2021، أبلغ الباحث الإيطالى سيباستيانو فينتورى عن أولى الارتباطات بين السيزيوم المشع وسرطان البنكرياس ، مع دور السيزيوم فى علم الأحياء، و فى التهاب البنكرياس، و فى مرض السكر ليه المنشأ البنكرياسى.

الوحدات

رسم بيانى يوضح العلاقة بين النشاط الإشعاعى و الإشعاع المؤين المكتشف

وحدة قياس النشاط الإشعاعى فى النظام الدولى للوحدات (SI) هيا البيكريل (Bq)، و اتسمت تكريم للعالم هنرى بيكريل . بييتعرف البيكريل الواحد بأنه تحول واحد (أو تحلل أو تفكك) فى التانيه الواحدة.

وحدة قياس النشاط الإشعاعى القديمة هيا الكورى (Ci)، اللى عُرِّفت فى الأصل بأنها "كمية أو كتلة انبعاث الراديوم فى حالة توازن مع غرام واحد من الراديوم (العنصر)". أما النهارده، فبييتعرف الكورى بأنه 3.7× 10¹⁰ تفكك فى الثانية، بحيث 1 كورى (Ci) = 3.7× 10 10 لأغراض الحماية الإشعاعية، رغم ان هيئة التنظيم النووى الامريكانيه تسمح باستخدام وحدة الكورى مع وحدات النظام الدولى للوحدات، لكن توجيهات الاتحاد الاوروبى بخصوص وحدات القياس الاوروبية اشترطت التخلص التدريجى من استخدامها لأغراض "الصحة العامة ..." 3.7 31 ديسمبر 1985.

قياس آثار الإشعاع المؤين غالب ما يتم بوحدات غراى للضرر الميكانيكى أو سيفرت للضرر اللى يلحق بالأنسجة.

انواع

التحلل الإشعاعى يوصل لانخفاض فى مجموع كتلة السكون، بمجرد أن تتسرب الطاقة المنبعثة ( طاقة التفكك ) بطريقة ما. رغم ان طاقة التحلل بتتعرف ساعات بأنها مرتبطة بالفرق بين كتلة نواتج التحلل الأصلية وكتلة نواتج التحلل، لكن ده صحيح بس فى قياسات كتلة السكون، حيث تُزال بعض الطاقة من نظام النواتج. ده صحيح لأن طاقة التحلل لازم تحمل معاها دايما كتلة، مكان اتوجدت (شوف الكتلة فى النسبية الخاصة ) حسب للصيغة E = mc² ^. بتتطلق طاقة الاضمحلال مبدئى على شكل طاقة الفوتونات المنبعثة و الطاقة الحركية للجسيمات المنبعثة بالكتلة (أى الجسيمات اللى ليها كتلة سكون). إذا وصلت دى الجسيمات لحالة توازن حرارى مع محيطها وامتصت الفوتونات، طاقة الاضمحلال تتحول لطاقة حرارية، اللى تحتفظ بكتلتها.

طاقة الاضمحلال بتفضل مرتبطة بكمية معيّنة من كتلة نظام الاضمحلال، واللى بتتسمّى «الكتلة الثابتة»، واللى ما بتتغيرش وقت الاضمحلال، رغم إن طاقة الاضمحلال بتتوزّع بين جسيمات الاضمحلال.

طاقة الفوتونات، و كمان الطاقة الحركية للجسيمات اللى بتطلع، و بعد كده الطاقة الحرارية اللى بتروح للمادة المحيطة، كلهم بيشاركو فى الكتلة الثابتة للنظام.

وعشان كده، رغم إن مجموع كتل السكون للجسيمات ما بيكونش محفوظ وقت الاضمحلال الإشعاعي، إلا إن كتلة النظام وكتلته الثابتة (وكمان الطاقة الكلية للنظام) بيظلوا محفوظين فى أى عملية اضمحلال. ده إعادة صياغة لقوانين حفظ الطاقة و حفظ الكتلة المكافئة.

اضمحلال ألفا و بيتا و جاما

يمكن إيقاف جسيمات ألفا تمام بورقة، وجسيمات بيتا بدرع من الألومنيوم. أما أشعة جاما ف مش ممكن تقليلها إلا بكتلة اكبر بكثير، زى طبقة سميكة اوى من الرصاص .

الباحثين الأوائل لقو أن المجال الكهربائى أو المغناطيسى ممكن يقسم الانبعاثات الإشعاعية ل3 أنواع من الحزم. أطلق إرنست رذرفورد على دى الأنواع التلاته أسماء ألفا وبيتا وجاما ، بترتيب تصاعدى لقدرتها على اختراق المادة. : 632 لا يُلاحظ تحلل ألفا إلا فى العناصر الأثقل بالعدد الذرى 52 ( التيلوريوم ) وما فوق، باستثناء البريليوم-8 (الذى يتحلل لجسيمين ألفا). تنبعث أشعة جاما من حالات الإثارة فى النوى كأثر جنبيىن لتحلل ألفا أو بيتا. بيعتبر تحلل بيتا النوع الوحيد اللى يُلاحظ فى كل العناصر. الرصاص، بالعدد الذرى 82، هو أثقل عنصر له نظائر مستقرة (فى حدود القياس) ضد التحلل الإشعاعى. يُلاحظ التحلل الإشعاعى فى كل نظائر كل العناصر بالعدد الذرى 83 ( البزموت ) أو ما فوق. رغم ده ، البزموت-209 مشع بشكل طفيف اوى، حيث عمر النصف له عشرة أضعاف عمر الكون؛ و النظائر المشعة بأعمار النصف الطويلة اوى مستقرة فعلى للأغراض العملية.

مخطط انتقالى لأنماط اضمحلال النظير المشع، مع عدد النيوترون N والعدد الذرى Z (يظهر انبعاثات α و β ^± و p ⁺ و n ⁰ ، EC تشير لالتقاط الإلكترون ).

عند تحليل طبيعة نواتج الاضمحلال، اتضح من اتجاه القوى الكهرومغناطيسية المؤثرة على الإشعاعات بالمجالات المغناطيسية والكهربائية الخارجية أن جسيمات ألفا تحمل شحنة موجبة، وجسيمات بيتا تحمل شحنة سالبة، فى الوقت نفسه أشعة جاما متعادلة. ومن مقدار الانحراف، كان جلى أن جسيمات ألفا أثقل بكتير من جسيمات بيتا . مكّن تمرير جسيمات ألفا عبر نافذة زجاجية رقيقة اوى و حصرها فى أنبوب تفريغ الباحثين من دراسة طيف انبعاث الجسيمات المحصورة، و أثبتوا فى الاخر أن جسيمات ألفا هيا نوى الهيليوم . أظهرت تجارب تانيه أن إشعاع بيتا، الناتج عن الاضمحلال و أشعة الكاثود ، إلكترونات عالية السرعة. وبالمثل، اتوجد أن إشعاع جاما و الأشعة السينية إشعاع كهرومغناطيسى عالى الطاقة.

كمان ابتدا يدرس العلاقة بين أنواع الاضمحلال المختلفة. فمثل، اتلاحظ إن اضمحلال جاما فى الغالب بيكون مرتبط بأنواع تانية من الاضمحلال، وبيحصل فى نفس الوقت بالتقريب أو بعده مباشرة. واتفهم بعد كده إن اضمحلال جاما كعملية منفصلة ليه عمر نصف خاص بيه (واللى بيسموه دلوقتى “الانتقال المتماثل”) فى النشاط الإشعاعى الطبيعي، بيكون ناتج عن انتقالات جوه نوى مثارة شبه مستقرة، واللى بتتكوّن أصل من أنواع تانية من الاضمحلال.

ورغم إن إشعاعات ألفا وبيتا وغاما كانت الاكتر انتشار ، إلا إنه اتكتشف بعد كده أنواع تانية من الانبعاثات. بعد فترة قصيرة من اكتشاف البوزيترون فى الأشعة الكونية، اتفهم إن نفس عملية اضمحلال بيتا الكلاسيكى ممكن كمان تنتج بوزيترونات (انبعاث البوزيترون)، و كمان نيوترينوات، فى الوقت نفسه اضمحلال بيتا الكلاسيكى بيطلع مضادات نيوترينوات.

التقاط الإلكترون

فى عملية أسر الإلكترون، اتلاحظ إن بعض النوى الغنية بالبروتونات بتأسر إلكترون من الإلكترونات اللى حواليها بدل ما تطلع بوزيترون. وده بيخلى النواة تطلع نيوترينو و أشعة جاما بس من النواة المثارة، و ساعات كمان بيطلع إلكترونات أوجيه و أشعة سينية مميّزة، وده بيحصل بسبب إعادة ترتيب الإلكترونات عشان تملى الفراغ اللى سببه فقدان الإلكترون.

الأنواع دى من الاضمحلال—سواء أسر إلكترون أو إصدار بوزيترون—بتحاول تخلى النواة تتحرك لنسبة أنسب بين النيوترونات والبروتونات، بحيث توصل لأقل طاقة ممكنة لعدد معيّن من النيوكليونات، وده بيخلى النواة أكتر استقرار (وطاقتها أقل).

وفى المقابل، عملية أسر البوزيترون، اللى شبه أسر الإلكترون، ممكنة نظرى فى ذرات المادة المضادة، لكن لحد دلوقتى ما اتلاحظتش، لأن ذرات المادة المضادة المعقّدة نفسها مش متوفرة اللى تتجاوز الهيليوم المضاد، تجريبى.

التحلّل ده بيحتاج ذرات مادة مضادّة ما تقلّش فى تعقيدها عن ذرات البريليوم-7 ، و هو أخف نظير معروف للمادة العادية يخضع للتحلل عن طريق التقاط الإلكترون.

انبعاث النيوكليون

  

المقال الاساسىs: Neutron emission, Cluster emission, and Nuclear fission

بعد فتره قصيره من اكتشاف النيوترون سنة 1932، أدرك إنريكو فيرمى أن بعض تفاعلات تحلل بيتا النادرة بتنتج نيوترونات فور كجسيم تحلل إضافي، فياللى يتعرف بانبعاث النيوترونات المتأخر بيتا. بيحصل انبعاث النيوترونات فى العاده من النوى فى حالة إثارة، زى نظير الأكسجين ⁻¹⁷ المُثار الناتج عن تحلل بيتا لنظير ^{النيتروجين-17} . وتتحكم القوة النووية فى عملية انبعاث النيوترونات، و علشان كده فهى سريعة للغاية، ويُشار ليها ساعات بأنها "شبه فورية". لوحظ بعدين انبعاث بروتونات منفردة فى بعض العناصر. كما اتوجد أن بعض العناصر الثقيلة قد تخضع لانشطار تلقائى لنواتج تختلف فى تركيبها. فى ظاهرة بتتسمما تحلل التجمعات ، اتوجد أن تركيبات محددة من النيوترونات والبروتونات، بخلاف جسيمات ألفا (نوى الهيليوم)، تنبعث تلقائى من الذرات.

أنواع أغرب من التحلل

اتلقا إن فيه أنواع تانية من الاضمحلال الإشعاعى بتُطلّع جسيمات كانت معروفة قبل كده، لكن بآليات مختلفة. مثال على كده الاتحول الداخلي، اللى بيوصل لانبعاث إلكترون “أولي”، وبعده فى الغالب بييجى انبعاث أشعة سينية مميّزة و إلكترونات أوجيه، مع إن الاتحول الداخلى نفسه ما بيشملش اضمحلال بيتا أو غاما.

فى الحالة دى ما بيطلعش نيوترينو، و كمان الإلكترونات أو الفوتونات اللى بتطلع ما بتطلعش مباشرة من النواة، رغم إن الطاقة اللى بتخليها تطلع أصل جاية من النواة.

الاتحول الداخلي، زى اضمحلال جاما الناتج عن انتقالات متساوية، و كمان انبعاث النيوترونات، كلهم ببيعبرو عن إن النواة المثارة بتفرّغ طاقتها من غير ما يحصل تغيير فى العنصر نفسه. وفيه حالات نادرة اوى بيحصل فيها نوعين من اضمحلال بيتا فى نفس الوقت (وده بيتناقش بعد كده).

بشكل عام، أى عملية اضمحلال مسموح بيها طالما ما بتكسرش قوانين حفظ الطاقة أو الزخم (وممكن كمان قوانين حفظ تانية للجسيمات)، لكن مش كل العمليات دى اتلاحظت عملى. ومن الأمثلة المثيرة للاهتمام اضمحلال بيتا لحالة الارتباط فى عنصر الرينيوم-187، وفيه النواة الأم بتعمل اضمحلال بيتا من غير ما بيظهر إلكترون بيتا، لأن الإلكترون بيتحبس فى مدار K فى الذرة الناتجة. فى المقابل بيتطلع نيوترينو مضاد زى باقى اضمحلال بيتا السالب.

لو ظروف الطاقة كانت مناسبة، ممكن نظير مشع معيّن يخضع لأكتر من نوع من الاضمحلال فى نفس الوقت، بحيث بعض الذرات تتحلل بمسار معيّن، و ذرات تانية تتحلل بمسار مختلف.

من الأمثلة على كده النحاس-64، اللى فيه 29 بروتون و35 نيوترون، و بيتحلل بنصف عمر حوالى 12.7 ساعة. النظير ده فيه بروتون مفرد و نيوترون مفرد، عشان كده ممكن يا إمّا البروتون يتحول لنيوترون، أو النيوترون يتحول لبروتون، حسب نوع الاضمحلال.

النظير ده بالذات، مش زى كل النظائر المشابهة، بيحصل له اضمحلال بيتا بلس بنسبة اكبر (حوالى 61.5%) مقارنة بأسر الإلكترون (حوالى 38.5%).

كمان حالات الطاقة المثارة اللى بتنتج من عمليات الاضمحلال دي، لو ماوصلتش لحالة الطاقة الأرضية، ممكن يحصل بعدها تحويل داخلى أو اضمحلال جاما فى حوالى 0.5% من الحالات.

سلاسل التحلل و أنماط متعددة

سلسلة تحلل النبتونيوم -237

النواة الناتجة عن عملية الاضمحلال ممكن تكون غير مستقرة (مشعّة). فى الحالة دي، هيا كمان بتتحلل و تطلع إشعاع، وممكن كمان النواة اللى بعدها تفضل مشعّة. وده ممكن يعمل سلسلة من عمليات الاضمحلال ورا بعض، واللى بتتسمّى «سلسلة اضمحلال» (وفيه تفاصيل عن سلاسل طبيعية مهمة فى مقالات تانية). فى الآخر، السلسلة دى بتنتهى بنواة مستقرة.

أى نواة ناتجة من اضمحلال ألفا بتؤدى فى النهاية لتكوّن ذرات هيليوم.

فيه نويدات مشعّة ممكن تتحلل بأكتر من مسار. مثال على كده البزموت-212، اللى حوالى 35.94% منه بيتحلل عن طريق انبعاث ألفا وبيتحول لثاليوم-208، فى الوقت نفسه حوالى 64.06% بيتحلل عن طريق انبعاث بيتا وبيتحول لبلونيوم-212. وكل من الثاليوم-208 والبلونيوم-212 هما نواتج مشعّة للبزموت-212، لكن الاتنين فى النهاية بيتحللوا مباشرة لرصاص-208 المستقر.

التواجد و التطبيقات

حسب نظرية الانفجار العظيم ، تم إنتاج النظائر المستقرة لأخف 3 عناصر ( الهيدروجين ، والهيليوم، وآثار الليثيوم ) بعد فتره قصيره من نشأة الكون، فى عملية معروفه باسم التخليق النووى للانفجار العظيم . لسه دى النوى المستقرة الأخف (بما فيها الديوتيريوم ) موجودة لحد االنهارده ، فى الوقت نفسه تحللت النظائر المشعة للعناصر الخفيفة اللى تم إنتاجها فى الانفجار العظيم ( زى التريتيوم ) من زمن بعيد. لم يتم إنتاج نظائر العناصر الأثقل من البورون إطلاق فى الانفجار العظيم، ولا تمتلك دى العناصر الخمسة الأولى أى نظائر مشعة طويلة العمر. علشان كده، كل النوى المشعة حديثة نسبى مقارنه بنشأة الكون، علشان تشكلت بعدين فى أنواع تانيه من التخليق النووى فى النجوم (و بالخصوصً المستعرات العظمى )، و كمان خلال التفاعلات المستمرة بين النظائر المستقرة والجسيمات عالية الطاقة. زى ، يتم إنتاج الكربون-14 ، و هو نظير مشع عمر النصف له 5700(30) سنة بس، باستمرار فى الغلاف الجوى العلوى للأرض بسبب التفاعلات بين الأشعة الكونية والنيتروجين.

النوى الناتجة عن التحلل الإشعاعى بتتسمما بالنوى المشعة ، سواء كانت مستقرة أم لا. توجد نوى مشعة مستقرة تشكلت من نوى مشعة منقرضة قصيرة العمر فى النظام الشمسى المبكر. ويمكن الاستدلال على وجود دى النوى المشعة المستقرة ( زى الزينون-129 الناتج عن اليود-129 المنقرض) فى مقابل النوى المستقرة البدائية بوسايل مختلفة.

التحلل الإشعاعى استُخدم فى تكنولوجيا الوسم بالنظائر المشعة ، اللى بتستعمل لتتبع مسار مادة كيميائية عبر نظام معقد ( زى كائن حى). تُصنّع عينة من المادة بتركيز عالى من الذرات اللى مشمستقرة. بييحدد وجود المادة فى جزء من النظام عن طريق رصد مواقع أحداث التحلل.

من فرضية أن التحلل الإشعاعى عشوائى تمام (وليس مجرد فوضوى )، فقد استُخدم فى مولدات الأرقام العشوائية فى الأجهزة . ولأن دى العملية لا يُعتقد أنها تتغير بشكل كبير فى آليتها مع مرور الوقت، فهى كمان أداة قيّمة فى تقدير الأعمار المطلقة لبعض المواد. بالنسبة للمواد الجيولوجية، تُحتبس النظائر المشعة و بعض نواتج تحللها عند تصلب الصخور، ويمكن استخدامها بعدين (مع مراعاة كتير من الشروط المعروفة) لتقدير تاريخ التصلب. وتشمل دى الشروط التحقق من نتايج شوية عمليات متزامنة ونواتجها مقابل بعضها ، ضمن العينة نفسها. وبطريقة مماثلة، ومع مراعاة الشروط كمان ، ممكن تقدير معدل تكوّن الكربون-14 فى عصور مختلفة، وتاريخ تكوّن المادة العضوية خلال فترة زمنية معينة مرتبطة بنصف عمر النظير، لأن الكربون-14 يُحتبس لما تنمو المادة العضوية وتدمج الكربون-14 الجديد من الهواء. بعد ذلك، تنخفض كمية الكربون-14 فى المادة العضوية حسب لعمليات التحلل اللى ممكن كمان التحقق منها بشكل مستقل بوسايل تانيه ( زى فحص الكربون-14 فى حلقات الشجر الفردية، زى ).

تأثير زيلارد-تشالمرز

تأثير زيلارد-تشالمرز هو كسر الرابطة الكيميائية بسبب لطاقة الحركية المكتسبة من التحلل الإشعاعى. ويحدث ده التأثير بامتصاص الذرة للنيوترونات، وما يتبعه من انبعاث لأشعة غاما، مصحوبة فى الغالب بكميات كبيرة من الطاقة الحركية.

حسب قانون نيوتن التالت ، الطاقة الحركية دى تدفع الذرة المتحللة، ده يخلليها تتحرك بسرعة كافية لكسر الرابطة الكيميائية. ممكن استخدام التأثير ده لفصل النظائر بالوسايل الكيميائية. ليو زيلارد و توماس أ. تشالمرز اكتشفو تأثير زيلارد-تشالمرز سنة 1934 لاحظو أنه بعد قصف يوديد الإيثيل السائل بالنيوترونات، يؤدى كسر الرابطة فيه لإزالة اليود المشع.

أصول النويدات المشعة

النظائر المشعة البدائية الموجودة فى الأرض بقايا انفجارات مستعرات عظمى قديمة حصلت قبل تكوّن النظام الشمسى . هيا تمثل جزء من النظائر المشعة اللى نجت من كده الوقت، مرور بتكوّن السديم الشمسى البدائي، وتراكم الكواكب، و حتا الوقت الحاضر. أما النظائر المشعة قصيرة العمر الموجودة بشكل طبيعى فى صخور اليوم، فهى نتاج تلك النظائر المشعة البدائية. ومن المصادر الثانوية التانيه للنظائر المشعة الطبيعية النظائر الكونية ، اللى تتشكل نتيجة قصف الأشعة الكونية للمواد فى الغلاف الجوى أو القشرة الأرضية. ويساهم تحلل النظائر المشعة فى صخور وشاح الأرض وقشرتها بشكل كبير فى ميزانية الحرارة الداخلية للأرض .

العمليات التجميعية

مع ان عملية التحلل الإشعاعى الأساسية تتم على مستوى الجسيمات دون الذرية، إلا أنها تاريخى و فى معظم الحالات العملية تُلاحظ فى المواد الصلبة بالأعداد الهائلة من الذرات. يناقش ده القسم نماذج تربط الأحداث على المستوى الذرى بالملاحظات الإجمالية.

مصطلحات

معدل اضمحلال المادة المشعة، أو نشاطها ، يتميز بالمعايير اللى بعد كده اللى ما بتعتمدش على الزمن:

• نصف العمر ، t_1/2 ، هو الوقت اللازم لانخفاض نشاط كمية معينة من مادة مشعة لنصف قيمتها الأولية.
• ثابت الاضمحلال ، λ " لامدا "، و هو مقلوب متوسط العمر (فى s⁻¹ )، ويشار ليه ساعات ببساطة باسم معدل الاضمحلال .
• متوسط العمر ، τ " tau "، متوسط العمر (1/ e عمر) الجسيم المشع قبل التحلل.

رغم كونها ثوابت، إلا أنها مرتبطة بالسلوك الإحصائى لمجموعات الذرات. بسبب ده، تكون التنبؤات اللى تستخدم دى الثوابت أقل دقة بالنسبة لعينات الذرات متناهية الصغر.

ممكن استخدام نصف العمر، أو ثلث العمر، أو لحد (1/√2) العمر، بنفس طريقة استخدام نصف العمر تمام؛ لكن تم اعتماد متوسط العمر ونصف العمر t_1/2 كأوقات قياسية مرتبطة بالانحلال الأسى.

ممكن ربط المعايير دى بالمعايير اللى بعد كده اللى تعتمد على الوقت:

• النشاط الكلي (أو النشاط بس)، A ، هو عدد الاضمحلالات لكل وحدة زمنية لعينة مشعة.
• عدد الجسيمات ، N ، فى العينة.
• النشاط النوعي ، a ، هو عدد مرات التحلل لكل وحدة زمنية لكل كمية من المادة فى العينة عند الزمن t = 0 و ممكن تكون "كمية المادة" هيا كتلة العينة الأولية أو حجمها أو عدد مولاتها.

الأمور دى ترتبط ببعضها على النحو التالي:

${\begin{aligned}t_{1/2}&={\frac {\ln(2)}{\lambda }}=\tau \ln(2)\\[2pt]A&=-{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}=\lambda N={\frac {\ln(2)}{t_{1/2}}}N\\[2pt]S_{A}a_{0}&=-{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}{\bigg |}_{t=0}=\lambda N_{0}\end{aligned}}$

N ₀ هيا الكمية الأولية للمادة الفعالة — مادة فيها نفس النسبة المئوية من الجسيمات اللى مشمستقرة زى ما كانت عند تكوين المادة.

الافتراضات

رياضيات الاضمحلال الإشعاعى بتعتمد على فرضية أساسية إن نواة النظير المشع ما عندهاش “ذاكرة” أو أى طريقة تخلى تاريخها يأثر على سلوكها الحالى. يعنى النواة ما “بتكبرش” أو “بتشيخ” مع الوقت.

وعشان كده، احتمال إنها تتحلل فى أى لحظة بيكون ثابت، وما بيزيدش مع مرور الزمن، بغض النظر عن قد إيه النواة عايشة. الاحتمال ده ممكن يختلف اوى من نوع نواة للتاني، وده اللى بيخلى فى أنصاف أعمار مختلفة بين النظائر. لكن المهم إن الاحتمال نفسه ما بيتغيرش مع الزمن. وده عكس أنظمة معقدة زى البشر أو العربيات اللى بتتدهور مع الوقت، لأن فى الأنظمة دى احتمال الفشل بيزيد مع العمر.

العمليات اللى زى الاضمحلال الإشعاعي، اللى فيها احتمال الحدث لكل نواة صغير اوى لكن عدد النوى كبير اوى، بتتوصّف باستخدام توزيع بواسون. وده بينطبق كمان على تفاعلات الجسيمات النووية، اللى هيا أمثلة على عمليات عشوائية تجميعية بالشكل ده.

تُختزل رياضيات عمليات بواسون لقانون الاضمحلال الأسى ، اللى بيوصف السلوك الإحصائى لعدد كبير من النوى، بدل نواة واحدة. فى الصيغة اللى بعد كده ، يكون عدد النوى، أو عدد النوى N ، متغير متقطع ( عددًا طبيعى )، لكن بالنسبة لأى عينة فيزيائية، يكون N كبير اوى بحيث ممكن التعامل معه كمتغير مستمر. بيستخدم حساب التفاضل والتكامل لنمذجة سلوك الاضمحلال النووى.

عملية اضمحلال واحدة

لنفترض حالة نواة A تتحلل لنواة تانيه B بعملية ما A → B (انبعاث جسيمات تانيه، زى نيوترينوات الإلكترون ν (الإلكترونات ν و الإلكترونات ^e⁻ زى ما فى تحلل بيتا ، غير بصلة باللى جاى). تحلل النواة اللى مشمستقرة عشوائى تمام مع مرور الوقت، علشان كده يستحيل التنبؤ بموعد تحلل ذرة معينة. بس، احتمالية تحللها متساوية فى أى لحظة زمنية. لذلك، بالنظر لعينة من نظير مشع معين، عدد أحداث التحلل −dN المتوقع حدوثها فى فترة زمنية قصيرة dt يتناسب مع عدد الذرات الموجودة N ، أى

$-{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}\propto N$

النويدات المشعة تتحلل بمعدلات مختلفة، علشان كده لكل منها ثابت تحلل خاص بيها λ . ويتناسب معدل التحلل المتوقع −dN/N طردى مع الزيادة الزمنية dt .

$z=re^{i\phi }=x+iy\,\!$

الإشارة السالبة تشير إن قيمة N تتناقص مع مرور الوقت، حيث تتوالى أحداث التحلل تباع. حل دى المعادلة التفاضلية من الدرجة الأولى هو الدالة :

$N(t)=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}$

N₀ هيا قيمة N عند الزمن t = 0، مع ثابت الاضمحلال المعبر عنه بـ λ

لدينا لكل وقت t :

$N_{A}+N_{B}=N_{\text{total}}=N_{A0},$

N_total هو العدد الثابت للجسيمات طول عملية التحلل، و هو يساوى العدد الأولى لنوى A لأن دى هيا المادة الأولية.

إذا كان عدد نوى A اللى مشمتحللة هو:

$N_{A}=N_{A0}e^{-\lambda t}$

ثم يكون عدد نوى B (أى عدد نوى A المتحللة) هو

$N_{B}=N_{A0}-N_{A}=N_{A0}-N_{A0}e^{-\lambda t}=N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\right).$

يخضع عدد حالات الاضمحلال المرصودة خلال فترة زمنية محددة لإحصاءات بواسون . إذا كان متوسط عدد حالات الاضمحلال ⟨N⟩ احتمال حدوث عدد معين من حالات الاضمحلال N هو

$P(N)={\frac {\langle N\rangle ^{N}\exp(-\langle N\rangle )}{N!}}.$

عمليات التحلل المتسلسل

سلسلة من اضمحلالين

نفترض حالة فيها سلسلة من عمليتين اضمحلال: النظير A بيتحلل للنظير B بعملية معيّنة، و بعدين B نفسه بيتحلل لـ C بعملية تانية، يعني:

A → B → C

فى الحالة دي، المعادلة البسيطة اللى قبل كده ما تنفعش تتطبق مباشرة على سلسلة الاضمحلال، لكن ممكن نعمّمها.

لأن A لما بيتحلل بيزوّد عدد نوى B الموجودة فى العيّنة، و بعد كده نوى B دى نفسها بتتحلل لـ C، فعدد نوى B بيزيد بسبب تحلل A، و فى نفس الوقت بيقل بسبب تحلل B نفسه.

بمعنى تاني، عدد نوى الجيل التانى B بيزيد نتيجة تحلل نوى الجيل الاولانى A، و بيقل لما B يتحلل بنفسه و يتحول لنوى الجيل التالت C. مجموع الحدّين دول بيدى قانون سلسلة الاضمحلال لنظيرين.:

${\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{B}N_{B}+\lambda _{A}N_{A}.$

معدل تغير N_B ، أى dN_B/dt ، يرتبط بالتغيرات فى كميات A و B ، و ممكن بيزيد N_B لما يتم إنتاج B من A وينخفض لما ينتج B C

${\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{B}N_{B}+\lambda _{A}N_{A0}e^{-\lambda _{A}t}$

الرموز اللى تحت دى بتشير ببساطة للنوى المقصودة. يعنى (N_A) هو عدد النوى من النوع A، و (N_{A0}) هو العدد الابتدائى لنوى A، و ( \lambda_A ) هو ثابت الاضمحلال للنواة A، و نفس الكلام بينطبق على النواة B.

و حل المعادلة دى عشان نجيب (N_B) بيدّي:

$N_{B}={\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{\lambda _{B}-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-e^{-\lambda _{B}t}\right).$

فى حالة كون B نويدة مستقرة ( λ_B = 0)، دى المعادلة تختزل لالحل السابق:

$\lim _{\lambda _{B}\rightarrow 0}\left[{\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{\lambda _{B}-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-e^{-\lambda _{B}t}\right)\right]={\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{0-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-1\right)=N_{A0}\left(1-e^{-\lambda _{A}t}\right),$

زى ما اتوضح قبل كده فى حالة الاضمحلال الواحد. ممكن نلاقى الحل باستخدام طريقة «عامل التكامل»، و عامل التكامل هنا بيكون: e^λ_Bt . ولعل دى الحالة هيا الاكتر فائدة، علشان ممكن من خلالها اشتقاق معادلة الاضمحلال الواحد (أعلاه) ومعادلة سلاسل الاضمحلال المتعددة (تحته) بشكل مباشر.

سلسلة من أى عدد من التحللات

فى الحالة العامة لأى عدد من الاضمحلالات المتتالية فى سلسلة اضمحلال، أى A₁ → A₂ ··· → A_i ··· → A_D ، حيث D هو عدد الاضمحلالات و i هو فهرس وهمى ( i = 1, 2, 3, ..., D )، ممكن إيجاد عدد كل نويدة بدلالة عدد النظائر السابقة. فى دى الحالة N₂ = 0 ، N₃ = 0 ، ...، N_D = 0 باستخدام النتيجة السابقة فى صيغة تكرارية:

${\frac {\mathrm {d} N_{j}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{j}N_{j}+\lambda _{j-1}N_{(j-1)0}e^{-\lambda _{j-1}t}.$

الحل العام للمسألة المتكررة بيدى بمعادلات باتمان :

'Bateman's equations'

${\begin{aligned}N_{D}&={\frac {N_{1}(0)}{\lambda _{D}}}\sum _{i=1}^{D}\lambda _{i}c_{i}e^{-\lambda _{i}t}\\[3pt]c_{i}&=\prod _{j=1,i\neq j}^{D}{\frac {\lambda _{j}}{\lambda _{j}-\lambda _{i}}}\end{aligned}}$

منتجات متعددة

فى كل الأمثلة السابقة، النظير الأولى يتحلل لناتج واحد بس. لنفترض وجود نظير أولى واحد ممكن يتحلل لواحد من ناتجين، و هما A → B و A → C بالتوازى. زى ، فى عينة من البوتاسيوم-40 ، يتحلل 89.3% من النوى لكالسيوم-40 و10.7% لأرجون-40 . لدينا لجميع الأزمنة t :

$N=N_{A}+N_{B}+N_{C}$

وهو ثابت، لأن العدد الإجمالى للنوى يفضل ثابت. وبالتفاضل بالنسبة للزمن:

${\begin{aligned}{\frac {\mathrm {d} N_{A}}{\mathrm {d} t}}&=-\left({\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}+{\frac {\mathrm {d} N_{C}}{\mathrm {d} t}}\right)\\-\lambda N_{A}&=-N_{A}\left(\lambda _{B}+\lambda _{C}\right)\\\end{aligned}}$

تعريف ثابت الاضمحلال الكلي λ بدلالة مجموع ثوابت الاضمحلال الجزئي λ_B و λ_C :

$\lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}.$

حل المعادلة دى لإيجاد قيمة N_A :

$N_{A}=N_{A0}e^{-\lambda t}.$

N_A0 هو العدد الأولى للنواة A. عند قياس إنتاج نوية واحدة، مش ممكن ملاحظة سوى ثابت الاضمحلال الكلى λ . يحدد ثابتا الاضمحلال λ_B و λ_C احتمالية أن ينتج عن الاضمحلال النواتج B أو C كاللى جاى:

$N_{B}={\frac {\lambda _{B}}{\lambda }}N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\right),$

$N_{C}={\frac {\lambda _{C}}{\lambda }}N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\right).$

لأن نسبة λ_B/λ من النوى تتحلل لB فى الوقت نفسه نسبة λ_C/λ من النوى تتحلل لC

نتايج القوانين

يمكن كمان كتابة المعادلات المكتوبه فوق باستخدام كميات تتعلق بعدد جسيمات النظائر N فى العينة؛

• النشاط: A = λN .
• كمية المادة : n = N/N_A .
• الكتلة : m = Mn = MN/N_A .

N_A = 6.022140 76 × 10 23 mol −1 هو ثابت أفوجادرو ، M هيا الكتلة المولية للمادة بالكيلوجرام/مول، وكمية المادة n بالمولات .

توقيت الاضمحلال: التعريفات و العلاقات

الثابت الزمنى و متوسط العمر

بالنسبة لحل الاضمحلال الأحادى A → B :

$N=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}=N_{0}\,e^{-t/\tau },\,\!$

المعادلة تشير لأن ثابت الاضمحلال λ له وحدات t⁻¹ ، و علشان كده ممكن تمثيله كمان على أنه 1/ τ ، حيث τ هو وقت مميز للعملية يسمى ثابت الزمن .

فى عملية التحلل الإشعاعي، يمثل ده الثابت الزمنى كمان متوسط عمر الذرات المتحللة. تعيش كل ذرة لفترة زمنية محددة قبل ما تتحلل، ويمكن إثبات أن متوسط العمر ده هو المتوسط الحسابى لأعمار كل الذرات، و أنه τ ، اللى يرتبط بدوره بثابت التحلل :

$\tau ={\frac {1}{\lambda }}.$

الشكل ده كمان ينطبق على عمليات التحلل المزدوج فى وقت واحد A → B + C ، مع إدخال القيم المكافئة لثوابت التحلل .

$\lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}\,$

دخول محلول التحلل يوصل ل:

${\frac {1}{\tau }}=\lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}={\frac {1}{\tau _{B}}}+{\frac {1}{\tau _{C}}}\,$

محاكاة لعدد كبير من الذرات المتدورة اللى تخضع للتحلل الإشعاعي، بدءًا إما بأربع ذرات (شمال) أو بأربعمائة ذرة (يمين). يشير الرقم فى الأعلى لعدد فترات نصف العمر اللى انقضت.

نص العمر

نص العمر T_1/2 ) واحد من المعايير الاكتر انتشار . فعند إعطاء عينة من نظير مشع معين، يُاتعرف نصف العمر بأنه الزمن اللازم لتحلل نصف ذرات ده النظير. فى حالة التفاعلات النووية أحادية التحلل:

$N=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}=N_{0}\,e^{-t/\tau },\,\!$

عمر النص يرتبط بثابت الاضمحلال كاللى جاى: ضع N = N₀/2 و t = T_1/2 لتحصل على

$t_{1/2}={\frac {\ln 2}{\lambda }}=\tau \ln 2.$

العلاقة دى بين عمر النصف و ثابت الاضمحلال بتبيين أن المواد شديدة الإشعاع تُستهلك بسرعة، فى الوقت نفسه تدوم المواد بالإشعاع الضعيف لفترة أطول. يتفاوت عمر النصف للنويدات المشعة المعروفة بما يقارب 54 رتبة مقدارية، من اكتر من 2.25(9)× 10²⁴ سنة ( 6.9× 10³¹ ثانية) للنويدة ^128Te شبه المستقرة، ل8.6(6)× 10⁻²³ ثانية للنويدة ^5H اللى مشمستقرة للغاية.

عامل ln(2) فى العلاقات المكتوبه فوق ينتج من حقيقة أن مفهوم "نصف العمر" مش إلا طريقة لاختيار أساس مختلف عن الأساس الطبيعى e لتعبير العمر. ثابت الزمن τ هو e -1 بيشير مصطلح τ للوقت اللازم لبقاء 1/ e بس، أى حوالى 36.8%، بدل 50% فى عمر النصف للنظائر المشعة. علشان كده، τ أطول من t_1/2 . ويمكن إثبات صحة المعادلة اللى بعد كده :

$N(t)=N_{0}\,e^{-t/\tau }=N_{0}\,2^{-t/t_{1/2}}.\,\!$

بما أن التحلل الإشعاعى عملية أسية باحتمالية ثابتة، فإنه ممكن وصف كل عملية بسهولة بفترة زمنية ثابتة مختلفة، معروفه (زى ) بـ "عمر الثلث" (المدة اللازمة لحد يتبقى ثلث المادة المشعة بس) أو "عمر العشر" (المدة اللازمة لحد يتبقى 10% بس)، وهكذا. علشان كده، اختيار τ و t_1/2 كأوقات مرجعية هو مجرد إجراء تسهيلى وعرفى. ولا يعكس ده الاختيار مبدأً أساسى إلا بقدر ما بيبيين أن النسبة نفسها من مادة مشعة معينة ستتحلل خلال أى فترة زمنية يتم اختيارها.

رياضى ، ممكن إيجاد n^th للحالة المكتوبه فوق بنفس الطريقة المكتوبه فوق — و ده بوضع N = N₀/n و t = T_1/n والتعويض فى حل الاضمحلال للحصول على

$t_{1/n}={\frac {\ln n}{\lambda }}=\tau \ln n.$

مثال للكربون-14

عمر النصف للكربون-14 5700(30) سنة ومعدل اضمحلاله 14 تفكك فى الدقيقة (dpm) لكل غرام من الكربون الطبيعى.

إذا اتلقا قطعة أثرية فيها نشاط إشعاعى قدره 4 ديسيبل لكل غرام من الكربون الموجود فيها، فيمكننا إيجاد العمر التقريبى للقطعة باستخدام المعادلة أعلاه:

$N=N_{0}\,e^{-t/\tau },$

${\begin{aligned}{\frac {N}{N_{0}}}&=4/14\approx 0.286,\\\tau &={\frac {T_{1/2}}{\ln 2}}\approx 8267{\text{ years}},\\t&=-\tau \,\ln {\frac {N}{N_{0}}}\approx 10356{\text{ years}}.\end{aligned}}$

معدلات اضمحلال

معروف إن أنماط الاضمحلال الإشعاعى زى أسر الإلكترون والاتحول الداخلى بتتأثر بشكل بسيط اوى بالعوامل الكيميائية والبيئية اللى بتغيّر البنية الإلكترونية للذرة، وده بدوره بيأثر على وجود إلكترونات 1s و2s اللى بتدخل فى عملية الاضمحلال. التأثير ده بيكون محدود على عدد قليل من النوى.

مثل، الروابط الكيميائية ممكن اتأثر على معدل أسر الإلكترون بنسبة صغيرة اوى (فى الغالب أقل من 1%) حسب قد إيه الإلكترونات قريبة من النواة. فى نظير البريليوم-7، اتلاحظ فرق حوالى 0.9% فى عمر النصف بين وجوده فى بيئة معدنية وبيئة عازلة. وده راجع لأن البريليوم ذرة صغيرة، و إلكترونات التكافؤ بتاعته فى مدارات 2s، ودى مدارات بتخترق النواة بشكل طبيعي، فبتبقى مشاركة فى أسر الإلكترون فى نظير البريليوم-7.

سنة 1992، جونج و زملاؤه من مجموعة أبحاث الأيونات الثقيلة فى دارمشتات لاحظو تسارع فى اضمحلال بيتا- لنظير الديسبروسيوم-163 المتأين بالكامل. رغم إن الديسبروسيوم-163 المتعادل مستقر، إلا إن الديسبروسيوم-163 لما يكون متأين بالكامل (163Dy⁶⁶⁺) بيخضع لاضمحلال بيتا- من الغلافين K وL لالهولميوم-163 المتأين، بنصف عمر حوالى 47 يوم.

الرينيوم-187 مثال رائع آخر. يخضع الرينيوم ⁻¹⁸⁷ فى العاده لتحلل بيتا للأوزميوم ⁻¹⁸⁷ بنصف عمر 41.6 مليار  سنين، لكن الدراسات اللى استخدمت ذرات الرينيوم ⁻¹⁸⁷ المتأينة بالكامل (النوى العريانه) لقت ده ممكن ينخفض ل32.9 بس  ده بسبب " تحلل ^بيتا للحالة المرتبطة " للذرة المتأينة بالكامل - حيث ينبعث الإلكترون ل"الغلاف K" (المدار الذرى 1s)، و هو ما مش ممكن بيحصل للذرات المتعادلة اللى تكون فيها كل الحالات المرتبطة بالطاقة المنخفضة مشغولة.

مثال على التغيرات اليومية والموسمية فى استجابة كاشف أشعة جاما.

تجارب كتير أظهرت ان معدلات اضمحلال أنماط تانيه من النظائر المشعة الاصطناعية و الطبيعية ما بتتأثرش، بدرجة عالية من الدقة، بالظروف الخارجية كدرجة الحرارة والضغط والبيئة الكيميائية والمجالات الكهربائية و المغناطيسية والجاذبية. وتشير مقارنة التجارب المخبرية على مدى القرن العشرين، ودراسات مفاعل أوكلو النووى الطبيعى (الذى أوضح تأثير النيوترونات الحرارية على الاضمحلال النووى)، والملاحظات الفيزيائية الفلكية لاضمحلال لمعان المستعرات العظمى البعيدة (اللى اخدت مسافة بعيدة، علشان كده استغرق النور وقت طويل للوصول إلينا)، زى ، بقوة لأن معدلات الاضمحلال اللى مشمتأثرة فضلت ثابتة (على الأقل فى حدود الأخطاء التجريبية الصغيرة) مع مرور الوقت كمان .

نتايج حديثة تشير لاحتمال وجود اعتماد ضعيف لمعدلات الاضمحلال على العوامل البيئية. أشارت بعض الدراسات لأن قياسات معدلات اضمحلال السيليكون-32 ، والمنغنيز-54 ، والراديوم-226 بتبيين تغيرات موسمية طفيفة (فى حدود 0.1%). بس، دى القياسات عرضة بشدة للأخطاء المنهجية، و خلصت دراسة لاحقة لعدم وجود دليل على وجود زى دى الارتباطات فى سبعة نظائر تانيه (الصوديوم ⁻²² ، والتيتانيوم ⁻⁴⁴ ، والفضة ⁻¹⁰⁸ ، والقصدير ⁻¹²¹ ، والباريوم ⁻¹³³ ، و الأمريسيوم ⁻²⁴¹ ، والبلوتونيوم ⁻²³⁸ )، وحددت حدود عليا لحجم أى تأثيرات من ده القبيل. أُفيد قبل كده أن اضمحلال الرادون-222 بيبيين تباينات موسمية كبيرة توصل ل4% من الذروة لالذروة (شوف الرسم البيانى)، اللى اقتُرح أنها مرتبطة إما بنشاط التوهجات الشمسية أو بالمسافة من الشمس، لكن التحليل المفصل لعيوب تصميم التجربة، مع المقارنات مع تجارب تانيه اكتر صرامة وتحكم منهجى، يدحض ده الادعاء.

شذوذ GSI

ده سبّب سلسلة نتايج تجريبية غريبة ماكانتش متوقعة، بخصوص معدلات اضمحلال الأيونات المشعّة التقيلة عالية الشحنة اللى كانت بتتداول فى حلقة تخزين، وده خللا العلما يدخلوا فى شغل نظرى كتير عشان يلاقوا تفسير منطقى.

واتلاحظ إن معدلات الاضمحلال الضعيف لنوعين من الأيونات المشعّة، اللى أنصاف أعمارهم حوالى 40 ثانية و200 ثانية، كانت بتتذبذب بشكل واضح، وبتعمل دورة منتظمة بالتقريب كل 7 ثوانى. الظاهرة المرصودة دى معروفه باسم شذوذ GSI ، علشان حلقة التخزين هيا منشأة تبع مركز GSI هيلمهولتز لأبحاث الأيونات الثقيلة فى دارمشتات ، المانيا . لأن عملية الاضمحلال بتنتج نيوترينو إلكترونى ، بعض التفسيرات المقترحة لتذبذب المعدل المرصود تستند لخصايص النيوترينو. اتقابلت الأفكار الأولية المتعلقة بتذبذب النكهة بالتشكيك. ويتضمن اقتراح أحدث اختلافات الكتلة بين حالات الطاقة الذاتية لكتلة النيوترينو.

العمليات النووية

النظير بيعتبر "موجود" إذا كان عمر النصف له اكبر من 2 × ^10⁻¹⁴ ثانية. ده حدٌّ اعتباطي؛ أما أعمار النصف الأقصر ف رنين، زى نظام يخضع لتفاعل نووى. ده النطاق الزمنى مميز للتفاعل القوى اللى بيولد القوة النووية . النظائر بس هيا اللى قابلة للتحلل و إنتاج النشاط الإشعاعى. : 568 

النوى ممكن تكون مستقرة أو غير مستقرة. تتحلل النوى اللى مشمستقرة، ممكن على شوية مراحل، لحد تبقا مستقرة. فيه 251 نواة مستقرة معروفة. ازداد عدد النوى اللى مشمستقرة المكتشفة، حيث عددها حوالى 3000 نواة سنة 2006.

اكتر أشكال التحلل الإشعاعى الطبيعى شيوع، و علشان كده أهمها تاريخى تتضمن ، انبعاث جسيمات ألفا، وجسيمات بيتا، و أشعة غاما. ويرتبط كل منها بتفاعل أساسى مسؤول بشكل رئيسى عن النشاط الإشعاعي: 142 

• اضمحلال ألفا -> تفاعل قوى ،
• اضمحلال بيتا -> تفاعل ضعيف ،
• اضمحلال جاما -> الكهرومغناطيسية .

فى تحلل ألفا، تنفصل شديده فيها بروتونين ونيوترونين، أى يسوا نواة هيليوم، عن النواة الأم. تمثل دى العملية تنافس بين التنافر الكهرومغناطيسى بين البروتونات فى النواة وقوة الجذب النووى ، هيا بقايا التفاعل القوى. شديده ألفا هيا نواة بارتباط قوى بشكل خاص،و ده يساعدها على الفوز فى ده التنافس فى أغلب الأحيان : 872 بس، تتفكك بعض النوى أو تنشطر لجسيمات اكبر، وتتحلل النوى الاصطناعية بانبعاث بروتونات مفردة، وبروتونات مزدوجة، و تركيبات تانيه.

تحلل بيتا بيحول النيوترون لبروتون أو العكس. فلما يتحلل نيوترون جوه نواة أصلية لبروتون، ينتج إلكترون، ونيوترينو مضاد ، ونواة بعدد ذرى أعلى. ولما يتحلل بروتون فى نواة أصلية لنيوترون، ينتج بوزيترون ، ونيوترينو ، ونواة بعدد ذرى أقل. دى التغيرات هيا مظهر مباشر للتفاعل الضعيف.: 874 

اضمحلال جاما يشبه أنواع تانيه من الانبعاثات الكهرومغناطيسية: فهو يتوافق مع الانتقالات بين حالة كمومية مثارة وحالة طاقة أقل. فى الغالب تترك أى من آليات اضمحلال الجسيمات الجسيم الناتج فى حالة مثارة، اللى تضمحل بعد كده عبر انبعاث غاما. : 876 

علامات التحذير من المخاطر

• 
  رمز ثلاثى الأوراق المستخدم للتحذير من وجود مواد مشعة أو إشعاع مؤين
• 
  رمز خطر النشاط الإشعاعى ISO سنة 2007 مخصص لمصادر الفئة 1 و2 و3 التبع لوكالة الدولية للطاقة الذرية والمحددة على أنها مصادر خطرة قادرة على التسبب فى الوفاة أو الإصابة الخطيرة
• 
  واحده من علامات تصنيف نقل البضائع الخطرة للمواد المشعة

 

Nuclear technology portal Physics portal

لينكات برانيه

• بحث البيانات النووية فى لوند/مختبر لورانس بيركلى الوطني - فيه معلومات مجدولة عن أنواع وطاقات الاضمحلال الإشعاعى.
• مصطلحات الكيمياء النووية ( Archived 2015-02-12 at the Wayback Machine Archived
• النشاط المحدد و المواضيع بالصلة .
• مخطط النظائر المشعة المباشر – الوكالة الدولية للطاقة الذرية
• مخطط تفاعلى للنويدات، Archived
• موقع جمعية الفيزياء الصحية للتوعية العامة
• قائمة مراجع مشروحة حول النشاط الإشعاعى من مكتبة ألسوس الديجيتال للقضايا النووية، Archived
• "هنرى بيكريل: اكتشاف النشاط الإشعاعي"، مقالات بيكريل سنة 1896 متاحة على الإنترنت وتم تحليلها على BibNum [انقر على "à télécharger" للنسخة الإنجليزية] .
• "التغير الإشعاعي"، مقال روثرفورد وسودى (1903)، متاح على الإنترنت وتم تحليله على Bibnum [انقر على "à télécharger" للنسخة الإنجليزية]