المحاضرة السابعة في الكيمياء الاشعاعية للمرحلة الثالثة في قسم الكيمياء

الفصل الخامس:
سيتم التطرق الى دراسة تاثير الاشعاع في المواد المختلفة وماينجم عن ذلك من تغيرات في تركيب المادة وفي خصائص الاشعة نفسها.
1. تفاعل الجسيمات او الايونات الموجبة: من امثلتها جسيمات الفا، حيث يعد التاين من ابرز نتائج اختراقها للاجسام بعد ان تفقد طاقتها الحركية نتيجة تفاعلها مع الالكترونات المدارية لمادة تلك الاجسام، ومايصل منها الى النواة قد يعاني من الاستطارة او يتحد بها اتحادا نوويا. عموما ينتج عن ذلك الاختراق او الاصطدام، تفكك الجزيئات او اثارة الذرات والجزيئات او تايينها، وكنتيجة للتاين ينشا الزوج الايوني (ايون موجب والكترون)، يتوقف مقدار طاقة الفا المستهلكة لتكوين تلك الازواج على مقدار جهد التاين الاول للغاز الذي تمر خلاله الفا، وبالتالي فان مصطلح التاين النوعي يعرف على انه عدد الازواج الايونية المتكونة في وحدة الطول من مسار الفا وتزداد قيمته بتباطؤ الجسيمة في سيرها اي كلما انخفضت طاقة الفا او قلت سرعتها (اي فترة تماس الفا والالكترون المداري تزداد بانخفاض السرعة والطاقة). ان جزءا من الطاقة التي تخسرها الفا تكتسبه الالكترونات على شكل طاقة حركية وبالتالي فان السرعة القصوى التي تكتسبها تلك الالكترونات المتولدة (وتدعى ايضا بالالكترونات الثانوية او اشعة دلتا) تقارب ضعف سرعة الفا.
يكون الاصطدام مرنا ومن غير اثارة للالكترون، يحدث ذلك عند تفاعل الفا (اعتمادا على طاقتها) مع المادة فحينما تقترب الطاقة من سرعة الكترون التكافؤ في المادة الكابحة لجسيمات الفا ويطلق على تلك الظاهرة بالكبح او الايقاف النووي (يختلف بوضوح عن الايقاف الالكتروني الذي يحدث في السرعات العالية). كما يلاحظ ان الايونات التي تخترق المادة المعنية سرعان ماتنتزع الالكترونات المدارية منها جميعا (عندما تقترب طاقة الفا من سرعة الكترون في ايون الهيليوم فانها تنتزعه انتزاعا من المادة الكابحة).
2. مدى جسيمات الفا: يعرف المدى بانه المسافة (المستقيمة غالبا) التي تقطعها جسيمة الفا اثناء اختراقها المواد الكابحة، ويعين المدى بطرق الامتصاص المعروفة. يمثل المقدار dE/dx فقدان الطاقة عند توغل الفا داخل المادة (غالبا مايعبر به عن العلاقة بين مدى الفا وطاقتها)، ويدعى احيانا بقوة الايقاف او الكبح، وهو تعبير اخر عن التاين النوعي كثيرا مايستخدم في دراسات الدروع الواقية من الاشعاع. ولغرض حساب الزخم المنقول الى احد الالكترونات من ايون ثقيل (جسيم الفا) كتلته M وينطلق ببسرعة V في مسار مستقيم، بحيث نحصل على الصورة النهائية للمعادلة التي قام باشتقاقها بور والتي عالجت عملية التصادم بين الكترون ساكن طليق وايون ثقيل على وفق نظريات الميكانيك التقليدية وهي:
-dE/dX=4?y2Z2e4NZ/mV2.Ln mV3/2yZe2w
y تمثل معدل الجزء المنتزع من الالكترونات عن الايون، N عدد الذرات في وحدة الحجم من المادة الكابحة، و Z عددها الذري، وw التردد او التذبذب التقليدي لحركة الالكترون في الذرة. تعطي هذه المعادلة القيمة التقريبية لقدرة الكبح او الطاقة المفقودة –dE اثناء توغل الايون مسافة dx في المادة الكابحة.
3. العلاقة ما بين المدى والطاقة: لها اهمية في تصميم الدروع الواقية من الاشعاع وحساب الجرعات الاشعاعية، والمعادلة الاتية تقريبية وشاملة في تعيين مدى الايونات الثقيلة (جسيمات الفا) في العناصر المختلفة وفي حساب سمك الدروع الواقية والحاويات والملابس الواقية عمليا والمصنوعة من العناصر النقية:
Rz/Ra=0.90+0.0275Z+(0.06-0.0086Z) log E/M
Rz يشير الى المدى بالملي غرام لكل سنتي متر مربع في عنصر عدده الذري Z، كما تشير Ra الى المدى في الهواء بالوحدة عينها وm الى عدد كتله الفا (4)، وتمثل E الطاقة الابتدائية لالفا (م ا ف).
علما ان المعادلة اعلاه تطبق على العناصر التي يزيد عددها الذري عن (10)، اما في العناصر التي يقل عن (10) فيستبدل المقدار (0.90+0.0275Z) بالواحد (1) باستثناء عنصر الهيدروجين الذي يصبح (0.3). لنفترض ان كلا من R1, R2, R3 يمثل المدى في ثلاثة عناصر مختلفة على التوالي، ولنفترض ان Rt يمثل المدى الكلي في مركب او خليط مجانس من العناصر الثلاثة المذكورة واوزانها النسبية هي على التوالي: W1, W2, W3 فتكون العلاقة بالشكل الاتي: 1/Rt=W1/R1+ W2/R2+ W3/R3
مثال// مامدى جسيمات الفا بطاقة 20 (م ا ف) في مركب متعدد الاثيلين وصيغته الكيميائية الاولية (CH2)x علما ان مدى تلك الجسيمات في الهواء يساوي (41.3 ملغم /سم2)، ووزنه الصيغي 14، من 85.6% كاربون و 14.4 % هيدروجين ؟
مثال// سقطت حزمة من جسيمات الفا بطاقة 20 (م ا ف) على درع مصنوع من لدينة متعدد الاثيلين بسمك 15 ملغم/ سم2. مامقدار طاقة الفا E المتبقية بعد ان تكون قد اخترقت الدرع، والى اي مسافة ستنطلق في الهواء؟

4. اشعة بيتا وتفاعلاتها: بشكل مشابه تتفاعل ايضا اشعة بيتا مع المادة الكابحة وكما هو الحال لتفاعل جسيمة الفا، وذلك لان متوسط الطاقة المستهلكة في انتاج الزوج الايوني (35 م ا ف تقريبيا) وتقدر النسبة المئوية للتاين الابتدائي لبيتا مابين 20-30 من التاين الكلي اما النسبة الباقية فترجع الى التاين الثانوي الذي تحدثه الالكترونات الثانوية مثلها كمثل جسيمات الفا.
هنالك فروق جوهرية مابين الفا وبيتا، وذلك ان سرعة بيتا اكبر من الفا عند تساوي طاقتيهما لذا يصبح التاين النوعي الذي تحدثه بيتا في الهواء اقل من تاين الفا لان التاين والسرعة يتناسبان عكسيا.