التحلل الإشعاعي
| English | العربية |
|---|---|
| radiation/ˌreɪdɪˈeɪʃn/ | الإشعاع |
| positron/ˈpɒzɪtrɒn/ | بوزيترون |
| photon/ˈfəʊtɒn/ | فوتون |
| penetration/ˌpenɪˈtreɪʃn/ | اختراق |
| ionising/ˈaɪənaɪzɪŋ/ | مؤين |
| deflected/dɪˈflektɪd/ | منحرف |
| antiparticles/ˌæntɪˈpɑːtɪklz/ | جسيمات مضادة |
| neutrinos/njuːˈtriːnəʊz/ | نيوترينوات |
ثلاثة أنواع من الإشعاع
- النواة غير المستقرة تستقر بإطلاق إشعاع.
- هناك ثلاثة أنواع — ألفا، بيتا وغاما — وتتصرف بشكل مختلف تماماً.
- التمييز بينها هو جوهر هذا الموضوع.
ما هو كل نوع
- ألفا (α): نواة الهيليوم ($^{4}_{2}\alpha$)، شحنتها $+2e$، كتلتها $\approx 4\ \text{u}$.
- β: إلكترون سريع ($\beta^{-}$) أو بوزيترون ($\beta^{+}$)، شحنته $\mp e$، كتلته ضئيلة جداً.
- γ: فوتون عالي الطاقة، لا شحنة له، ولا كتلة.
التحلل الإشعاعي
A = A₀·bᵗ
النشاط يتناقص بشكل أسي — حدد الأساس b بحيث يكون أقل من 1.
جسيم ألفا هو:
جسيم ألفا هو $^{4}_{2}\alpha$ — نواة هيليوم-4 شحنتها $+2e$.
الاختراق والتأين
- α: تتوقفه الورقة؛ مؤين بشدة.
- β: تتوقفه بضعة مليمترات من الألمنيوم.
- γ: يُخفّف فقط بواسطة الرصاص السميك؛ ضعيف التأين.
طابق كل إشعاع بما يوقفه.
اختراق يتجه α < β < γ؛ قوة التأين تتجه بالعكس (α هو الأقوى تأييناً).
من بين الثلاثة، الإشعاع ألفا هو الأكثر تأييناً بشدة.
نعم — ألفا هو الأقوى تأييناً (وبالتالي الأقل اختراقاً)؛ غاما هو الأضعف تأييناً (والأكثر اختراقاً).
في مجال كهربائي
- المجال يدفع الشحنات: α تنحني نحو اللوح السالب، β$^{-}$ في الاتجاه المعاكس، γ لا تنحني على الإطلاق.
- القوة هي $F = Eq$، لذا يشعر α بقوة ضعفين قوة β — لكن كتلته أكبر بألف مرات، لذا ينحني أقل بكثير.
- نفس القاعدة لأي جسيمين مشحونين في نفس المجال: قارن القوى بالشحنة، والتسارع بـ $\dfrac{q}{m}$.
جسيم ألفا، وجسيم بيتا⁻، وشعاع غاما يدخلون نفس المجال الكهربائي المنتظم جنباً إلى جنب. أي عبارة صحيحة؟
الشحنات المتعارضة تدفع بطرق متعاكسة. بيتا⁻ لديه نسبة شحنة إلى كتلة أكبر بكثير، لذا يتسارع أكثر بكثير؛ غاما غير المشحون لا يشعر بأي قوة.
الجسيمات المضادة والنيوترينوات
- لكل جسيم جسيم مضاد — نفس الكتلة، وشحنة معاكسة (البوزيترون هو مضاد الإلكترون).
- تحلل β يعطي دائماً (أنتي)نيوترينو أيضاً: شبه عديم الكتلة، لا شحنة له، يصعب رصده جداً.
البوزيترون هو ____ للإلكترون.
الجسيم المضاد له نفس الكتلة ولكن شحنة معاكسة — البوزيترون هو $+e$ لشحنة الإلكترون $-e$.
لماذا طيف β مستمر
- تحلل α يشارك الطاقة بين جسيمين → يمتلك α طاقة ثابتة واحدة (منفصلة).
- تحلل β يشارك الطاقة بين ثلاثة (مع النيوترينو) → تتراوح طاقات β من الصفر إلى حد أقصى (مستمرة).
جسيمات بيتا تخرج بنطاق مستمر من الطاقات لأن الطاقة تُقسم على:
مع ثلاثة جسيمات تقسم الطاقة، يمكن لجسيم بيتا أن يأخذ أي حصة حتى الحد الأقصى. الانحلال ألفا يقسم بين جسيمين، مما يثبت طاقة ألفا.
معادلات التحلل
- α: $^{A}_{Z}\text{X} \to {}^{A-4}_{Z-2}\text{Y} + {}^{4}_{2}\alpha$.
- β$^{-}$: $^{A}_{Z}\text{X} \to {}^{A}_{Z+1}\text{Y} + {}^{0}_{-1}\beta + \bar{\nu}_{e}$ (تتحول نيوترون إلى بروتون).
- β$^{+}$: $^{A}_{Z}\text{X} \to {}^{A}_{Z-1}\text{Y} + {}^{0}_{+1}\beta + \nu_{e}$ (تتحول بروتون إلى نيوترون).
في انحلال ألفا، بمقدار كم ينخفض عدد النيوكليونات $A$؟
ألفا يأخذ 4 نيوكليونات (2 بروتون + 2 نيوترون)، لذا $A$ تنخفض بـ 4 (و$Z$ بـ 2).
في اضمحلال β$^{-}$، يتغير عدد البروتونات $Z$:
النيوترون يتحول إلى بروتون، لذا $Z$ يرتفع بمقدار 1 بينما $A$ يبقى كما هو.
مثال محلول: نيتروجين-12 ومجال كهربائي
نيتروجين-12، $^{12}_{7}\text{N}$، يتحلل بإطلاق بوزيترون. ثم يمر البوزيترون المنطلق وجسيم α عبر نفس المجال الكهربائي المنتظم.
- المعادلة: $^{12}_{7}\text{N} \to {}^{12}_{6}\text{C} + {}^{0}_{+1}\beta + \nu_{e}$. تحقق: $12 = 12 + 0$ و$7 = 6 + 1$.
- شحنة البوزيترون: $+e$ — مضاد الإلكترون.
- القوى في المجال: $F = Eq$، لذا $\dfrac{F_{\alpha}}{F_{\beta}} = \dfrac{2e}{e} = 2$.
- التسارع: $a = \dfrac{Eq}{m}$، لذا $\dfrac{a_{\alpha}}{a_{\beta}} = \dfrac{2e / 4\,\text{u}}{e / (\text{u}/1840)} \approx \dfrac{1}{3700}$ — البوزيترون يتسارع بألف مرة أكثر.
- تحقق: ضعف القوة ولكن أربعة آلاف ضعف الكتلة: α تنحني قليلاً جداً. كلاهما مدفوع نحو نفس الاتجاه، لأن كليهما موجب.
النواة X (شحنة $+2e$، كتلة $4\ \text{u}$) والنواة Y (شحنة $+e$، كتلة $3\ \text{u}$) في نفس المجال الكهربائي المنتظم. ما هي نسبة تسارع X : تسارع Y؟
$a = \dfrac{Eq}{m}$، لذا النسبة هي $\dfrac{2/4}{1/3} = \dfrac{0.5}{0.333} = 1.5$. نسبة القوة وحدها ستكون $2$؛ الكتل تغير ذلك.
جسيم β$^{-}$ يأتي من النواة — حيث يتحول نيوترون إلى بروتون — وليس من الإلكترونات المدارية. شعاع γ لا يغير لا $A$ ولا $Z$؛ بل يحمل الطاقة بعيداً فقط. والسبب في أن طاقات β مستمرة هو مشاركة (الأنتي)نيوترينو للطاقة — وهذا هو السؤال المفضل في الامتحانات لتفسير هذا الموضوع.
لقد فهمت الأمر
- α = نواة He، $+2e$، $4\ \text{u}$ (تتوقفه الورق، مؤين قوي)؛ β = إلكترون/بوزيترون (تتوقفه Al)؛ γ = فوتون (الرصاص)
- في المجال: القوة $\propto q$، التسارع $\propto \dfrac{q}{m}$؛ α وβ$^{-}$ ينحنيان في اتجاهين متعاكسين، γ لا ينحني
- تحلل β يعطي (أنتي)نيوترينو، ولهذا يكون طيف طاقته مستمر؛ α: $A{-}4, Z{-}2$؛ β$^{-}$: $Z{+}1$؛ β$^{+}$: $Z{-}1$