تويت
عناصر مشعه
Radioelements - Radioéléments
العناصر المشعة
يُعدُّ النشاط الإشعاعي الصنعي artificial radioactivity بداية ما يسمى العناصر المشعةradioelements أو ما يسمى كذلك النظائر المشعةradioisotopes. فقد لاحظ إنريكو فيرمي[ر] Enrico Fermi أن في إمكان تدفّق من النترونات[ر]neutrons أن يجعل بعض العناصر مشعة، إذ إن العناصر المشعة إشعاعاً طبيعياً هي العناصر الثقيلة التي تصدر بتفككها غالباً جسيمات ألفا α.
تقانة إنتاج العناصر المشعة
يمكن توليد العناصر المشعة عن طريق قذف نوى ذرات العناصر بسيل من النترونات في مفاعل نووي، أو من نواتج عمليات الانشطار، أو باستخدام مولدات العناصر المشعة وستعرض هذه الطرائق الثلاث فيما يأتي:
ـ التوليد بالنترونات
إن أهم التفاعلات في هذا الصدد هي التفاعلات (n, γ) و(n, α) و(n,p) التي تعطي بنتيجتها إشعاعات غاما (γ) أو جسيمات ألفا (α) أو بروتونات (p) على التوالي.
يعد التفاعل (n, γ) أكثر أنواع التفاعلات استخداماً والأكثر احتمالاً للحدوث، وذلك لإمكانية إحداثه باستخدام نترونات بطيئة أي حراريةthermal neutrons، وهي نترونات يكثر وجودها في محيط المفاعلات حيث تعتبر من نواتج التشعيع. ومن العناصر المشعة التي تنتج بهذه الطريقة الكوبالت m60Co والذهب n198Au وذلك وفقاً للتفاعلين:
n59Co (n,gγ) 60Co; 197Au (n, α)198Au
يتطلب التفاعلان (n, α) و(n,p) نترونات ذات طاقة عالية. ويكثر مثل هذه النترونات في مراكز المفاعلات، ومن أمثلته اصطناع الفسفور n32P من الكبريت n32S وذلك وفقاً للتفاعل: n32S (n,p) 32Pوهو تفاعل يتطلب حدوثه نترونات تفوق طاقتها (n1MeV) غير أنه تحدث أحياناً تفاعلات من هذا النوع باستخدام نترونات حرارية، ومن أمثلة هذه التفاعلات توليد التريتيوم n3H والكربون n14C وذلك وفقاً للتفاعلين: n14N (n,p) 14C وn6Li (n, α) 3H.
ـ التوليد من نواتج الانشطار
يُحصل على العناصر المشعة هنا نتيجة المعالجات الكيمياوية للبلوتونيوم في معامل خاصة، وهكذا يستحصل على السترونسيوم n90Sr(ودوره أو عمر النصف العائد له 28 عاماً) وعلى السيزيوم n137Cs (ودوره ثلاثون عاماً).
ـ باستخدام المولدات
كثيراً ما يحتاج الأطباء إلى عناصر مشعة ذات دور قصير نسبياً، وهم يستخدمون لهذه الغاية مولدات للنظائر المشعة radioelements generators.
يتألف مولِّد العناصر المشعة من نكليد أمmother nuclide دوره طويل نسبياً محمول على حامل يسمح بفضل بنيته الكيمياوية استخلاص نكليد بنت ذات دور قصير بسرعة وسهولة، وذلك نتيجة تفكك النكليد الأم، كما يمكن بتكرار الاستحصال الحصول على كمية كبيرة ذات نشاط إشعاعي عال . فمثلاً يمكن الحصول من ميلي كوري واحد (n1m Ci) من الجرمانيوم n68Ge خلال ثلاثة أدوار للنكليد على 860 ميلي كوري من الغاليوم n68Ga وذلك بتكرار الاستحصال لمدة عشر ساعات.
ويبين الجدول (1) عدداً من مولدات العناصر المشعة المعروفة تجارياً، في حين يبين الشكل (1) بنية مولِّد عناصر مشعة من هذا القبيل.
تصنيف العناصر المشعة
تصنف العناصر المشعة وفق ثلاثة أصناف وذلك بحسب سمِّيتها الإشعاعية ومن أهمها:
ـ الفئة I: درجة سمّيتها الإشعاعية عالية جداً و من أمثلتها: n226Ra, 241Am
ـ الفئة II-A: درجة سمّيتها الإشعاعية عالية ومن أمثلتها:
n170Tm,204 T1, 90Sr, 192Ir ,131I, 137Cs, 60Co
ـ الفئة II-B: درجة سميتها الإشعاعية معتدلة ومن أمثلتها:
n171Tm, 35S, 147Pm, 32P
ـ الفئة III: وهي ذات سمية إشعاعية ضعيفة ومن أمثلتها:
n238U, 235U, 85Kr
ولتجنب التلوث تزوَّد المنابع المشعة في حاويات مغلقة تتحمل درجات حرارة مرتفعة تصل إلى 1000 ْس مدة 200 ساعة، كما تتحمل ضغطاً يصل إلى 700 بار وثقلاً يصل إلى 10000 نيوتن.
ويقدر النشاط الإشعاعي لعنصر مشع بالكوري و رمزه Ci أو ما يقابله بالكتلة.
إذ يعادل (n1Ci) من الـ n226Ra غراماً واحداً.
ويعادل (n1Ci) من الـ n90Sr م4.6 مليغرام.
ويعادل (n1Ci) من الـn32P م5.3ميكروغرام.
وبصورة عامة تعطى الكتلة m لعنصر مشع، دوره T مقدراً بالأعوام بدلالة العدد الكتلي Aبالعلاقة:
يشار هنا إلى أن الخطر الذي يرافق استخدام العناصر المشعة تابع لدوره ولطاقه الإشعاعات الصادرة عنه. فالكوبالت n60Co على سبيل المثال دوره (5.3 عاماً) ويصدر إشعاعات طاقتها تساويn0.3MeV ونوعين من إشعاعات طاقتاهما n1.33MeVوn1.17MeV.
أهمية العناصر المشعة واستخداماتها
تستخدم الصناعة العناصر المشعة لأغراض عدة، ولهذه العناصر تطبيقات في ميادين الطب والزراعة وفي تقدير أعمار الآثار. وبالإمكان استخدامها لإجراء قياسات هندسية وميكانيكية. وقد استخدمت العناصر المشعة كمقتفيات لسير التفاعلات الكيمياوية؛ إذ يمكن استخدامها للكشف عن تطور تفاعل كيمياوي أو تحوّل فيزيائي والكشف عن آليته. وتُعرض فيما يلي هذه الاستخدامات وفق القطَّاع الذي تستخدم فيه:
التطبيقات الصناعية
من هذه التطبيقات قياس السماكات، وقياس سويات السوائل، واستخدام أشعة غاما لأغراض التصوير، وتمثل هذه التطبيقات ما يقارب 75% من التطبيقات الصناعية، وفيما يأتي تفصيل ذلك:
ـ قياس السماكات: تستخدم هنا طريقتان؛ مباشرة وغير مباشرة. ففي الطريقة المباشرة يستخدم منبع S تصدر عنه إشعاعات ما، ويوضع أمامه كاشف D. فإذا سجل الكاشف قراءة I0، ثم وُضِع بينهما حاجز سميك، فإن بعض الإشعاعات يتم امتصاصه ضمن الحاجز، ويسجل الكاشف قراءة I أخفض من I0. إن الفرق I - I0 يسمح بقياس سماكة الحاجز بين المنبع S والكاشف D. أما الطريقة غير المباشرة فيوضع فيها المنبع والكاشف في جهة واحدة كما في الشكل (2) أمام الحاجز، ويقيس الكاشف عندها الإشعاعات المرتدة.
يشار هنا إلى أن إشعاعات γ هي أكثر الإشعاعات نفوذاً في المادة. ولذا فهي تستخدم لقياس السماكات الكبيرة التي تقدر في مجال الفيزياء النووية بواحدة الكتلة لوحدة المساحة أيkg/m2 وهي تمثل جداء كثافة المادة بسماكتها. وإذا قدرت السماكة بالسنتمتر والكثافة بالغرام على السنتمتر المكعب فإن الكثافة السطحية تكون بواحدة g/cm2. ويمكن باستخدام الكوبلت n60Co أو السيزيوم n137Cs أوالتاليوم n170Tm قياس سماكات من الفولاذ تصل إلى n6cm بتقريب جيد. ويأخذ الكاشف عندها شكل عداد وميض يتصل بمضاعف ضوئي photomultiplier، كما يمكن باستخدام جهاز قياس مناسب تحرّي التآكل داخل الأنابيب حتى أثناء عملها.
إن المقاييس التي تستخدم إشعاعات βكثيرة التنوع وهي تفوق عدداً الكواشف المستخدمة لإشعاعات γ. وهنا يتم عادة استخدام مواد مشعة ذات دور طويل تجنباً للأخطاء. ومن الاستخدامات الصناعية في هذا المجال قياس سماكة الورق والمواد البلاستيكية والمعادن الرقيقة. ولا تقتصر أهمية العدادات هنا على قياس السماكات وإنما تتعداها إلى أمور التحكُّم. يضم النظام في هذه الحالة إضافة إلى المنبع حجرة تأين يتصل بها مقياس كهربية ومضخم ومقياس ميكرو أمبير يستخدم كمؤشر للسماكة. وتستخدم طريقة الانتثار المرتد لإشعاعات لقياس سماكة الدهان أو الأغشية الرقيقة المرسَّبة على السطوح المعدنية.
أما إشعاعات α فهي أقل الإشعاعات نفوذاً في المادة ، ولذا فهي تستخدم لقياس سماكات من رتبة n5mg/cm2 كالورق الرقيق جداً. وغالباً ما يستخدم هنا منبع الراديوم. أما العداد المناسب لمثل هذه الأغراض فهو عداد غايغر ـ مولر Geiger-Müller أو عداد الوميض.
يبين الجدول (2) أشهر المنابع المستخدمة لقياس السماكات من النوعين γ أو β.
ـ قياس مستويات السوائل: يمكن استخدام عنصر مشع يصدر إشعاعات γ مثلاً لقياس سوية السائل في وعاء محكم الإغلاق كتيم، وهنا يمكن اللجوء إلى عدة طرق هي:
(أ) تَحمل عوَّامةٌ المنبعَ داخل الوعاء، ويعلو الكاشف بدوره العوامة ويعاير الجهاز بحيث يقابل كل تسجيل للكاشف ارتفاعاً للسائل في الوعاء.
(ب) يمكن كذلك وضع المنبع في قعر الوعاء وقياس الإشعاع الذي يصل إلى الكاشف لدى اجتيازه سماكة السائل و الهواء فوقه، وبرسم منحني معايرة يمكن استنتاج ارتفاع السائل في الوعاء.
(ج) يمكن وضع منبع إشعاعات γ والكاشف جنباً إلى جنب وبالتالي قياس ارتفاع السائل في الوعاء عن طريق الإشعاعات المرتدة عن سطحه.
ـ التصوير بإشعاعات غاما
تعدُّ طريقة التصوير بإشعاعات غاما سهلة واقتصادية، إلا أنه ينبغي تطبيق تعليمات وقاية صارمة من خطر الإشعاعات عند مزاولة عملية التصوير. ويتضمن الجدول (3) عدداً من العناصر المشعة المستخدمة لأغراض التصوير الشعاعي.
استخدام العناصر المشعة مقتفيات
تستخدم هنا لأغراض التعدين عناصر مشعة مثل الكربون n14C والكبريت n32S والكلور n36Clوالحديد n55Fe والحديد n59Fe. وهكذا يدرس اهتراء السِّوار الحابس segments للزيت في المكابس والدواليب والجدران الاستنادية في الأفران باستخدام الكوبلت n60Co، كما يدرس تسرب السوائل في الأقنية باستخدام الصوديومn24Na والبروم n82Br واليود n131I. وفي مجال الصناعات النفطية تستخدم ذات العناصر المشعة للتعرف على نوعية المواد المارة في الأنابيب. أما دراسات التهوية فتستخدم الأرغون n141A والزينونn135Xe.
التطبيقات الطبية للعناصر المشعة
تستخدم العناصر المشعة في الطب النوويnuclear medicine في جميع أنحاء العالم. وتُستخدم إشعاعات بيتا و/أو غاما في نحو مئة عنصر مشع في تشخيص وعلاج أمراض كثيرة. وقد اكتشف عدد كبير من هذه العناصر منذ الربع الثاني من القرن العشرين، وكان أهمها اليود n131I (1938)والكوبلتn60Co (1937) والتكنسيوم n99mTc (1938)والسيزيوم n137Cs (1941)، وتلا ذلك اكتشاف عناصر كثيرة أخرى.
يستعمل اليود n131I، ونصف عمره 8 أيام، في تشخيص ومعالجة بعض أمراض الغدد الدرقية بنجاح كبير، وقد يُغني ذلك في بعض الحالات عن التدخل الجراحي. ويحتل التكنسيوم n99mTc، ونصف عمره 6 ساعات، المكانة الأولى في الطب النووي. فمثلاً يُقدر أنه يستعمل في أكثر من 10 ملايين حالة تشخيصية في الولايات المتحدة الأمريكية كل عام. ويُستخدم في دراسات الدماغ والعظام والكبد والطحال والكلية والرئة والغدة الدرقية وغيرها.
تستعمل أشعة غاما التي يطلقها الكوبلتn60Co لقتل الخلايا السرطانية، وقد تبين أن السيزيوم n137Cs يمتلك تطبيقات مهمة في الطب النووي كمصدر لأشعة غاما، وهي مماثلة في استخداماتها لتلك الخاصة بالكوبلت n60Co. وقد اكتسبت معالجة السرطان بحُزم من الأيونات المنتجة من أجهزة خاصة تدعى المسرِّعات الخطِّيةlinear accelerators انتشاراً واسعاً في العقد الماضي. وعلى عكس أشعة غاما التي توزع طاقتها على كل من الخلايا السليمة والخلايا السرطانية، فإن معظم طاقة الجزيئات ستتركز في الخلايا السرطانية، وليس في الأنسجة السليمة المحيطة بالأورام.
تُستخدم العناصر المشعة أيضاً في تقدير نسبة الهرمونات (هرمون النمو والهرمون المنشط للغدة الدرقية والهرمونان المنشطان للجنسgonadotrophins وهرمونات الدرقية والهرمونات الجنسية وغيرها) في الدم. كما تستخدم في حالات المسح الإشعاعي لأعضاء كثيرة في جسم الإنسان، فمثلاً يستخدم المسح الشعاعي للكبد liver scan لتحديد حجمه وشكله وموضعه، وتحديد أورام البطن ومعرفة ما إذا كانت في الكبد أو خارجه، واكتشاف نوع وسبب تضخم الكبد مثل حالات خراجات الكبد وأورامه وأكياسه أو أي تجمع دموي فيه، وتحديد مكان أي ورم فيه، والمقارنة بين حالته قبل العلاج وبعده، وكذلك معرفة وتحديد أمراض الكبد المزمنة مثل تليّف الكبد والتهابه.
وتستخدم العناصر المشعة في علاج بعض الأورام الخبيثة ومن أمثلتها ما يأتي:
ـ الكوبلت وهو من العناصر المشعة المستخدمة منذ وقت بعيد في علاج بعض الأورام السرطانية مثل سرطان الحنجرة وسرطان المثانة البولية وسرطان المخ والعظام وسرطان الرحم.
ـ السيزيوم المش الذي يستخدم في علاج سرطان الثدي ومرض هودجكن.
ـ الراديوم المشع ويستخدم على هيئة بذور أو إبر تزرع في مكان المرض في حالات مثل سرطان اللثة وسرطان عنق الرحم.
ـ الذهب المشع ويستخدم في حالات سرطان وأورام الغدة النخامية.
ـ اليود المشع وهو نظير مشع يستعمل بكثرة في تشخيص أمراض الغدة الدرقية وأيضاً في علاج بعض منها.
ومن جهة أخرى تستخدم بعض العناصر المشعة لتخفيف الآلام، فمثلاً يستخدم السترونسيوم n89Sr لتخفيف آلام العظام الناجمة عن السرطان.
التطبيقات الزراعية للعناصر المشعة
بدأ استخدام العناصر المشعة عقب إنتاجها اصطناعياً في المفاعلات النووية والمسرّعات عام 1946، ومنذ ذلك التاريخ استخدمت في التطبيقات الزراعية على نطاق واسع، فأسهمت في الكشف عن غوامض كثيرة من الوظائف الفيزيولوجية للنباتات، وفي تغيير منحى التفكير والاتجاه العلمي فيها، وخير مثال على ذلك هو تفسير ماهية التركيب الضوئي أو التمثيل الضوئي ـ اليخضوري باستخدام الكربون المشع n14Cوالعديد من النظريات الخاصة بعمليات الاستقلاب في النباتات وتغذيتها. وقد أمكن بفضل العناصر المشعة دراسة إمكانية التغذية النباتية بوساطة الأوراق أو المجموعة الخضرية، وزراعة النسج النباتية باستخدام عناصر مشعة مختلفة، مما ساعد على تلافي عوز النباتات بالعناصر المغذية المهمة. كما أمكن تحديد أنسب الأوقات لرش الأسمدة الورقية، واستخدمت في تحديد درجة نفاذية عناصر معينة أو مواد مكتشفة لمعالجة أعراض مرضية غذائية في النبات، وذلك بإدخالها عبر النسج الورقية وخاصة مركبات العناصر الصغرى الدينامية مثل الحديد والمنغنيز والمغنزيوم والنحاس والزنك وغيرها وفي تحديد التمركز الغذائي للعناصر المغذية في الأشجار.
وأسهمت هذه العناصر في تقدير مدى إفادة النبات من الميزان المعدني الغذائي المضاف إلى التربة ومقدار العنصر الذي أخذه النبات من التربة، إذ أن المهم هو معرفة استفادة النبات من عناصر التربة الأخرى المضافة على شكل سماد. وأمكن أيضاً تحديد نوع المركب الفسفوري اللازم في تسميد التربة، وأفضل موعد لاستعماله في أثناء مراحل نمو وتطور النباتات الحولية والمعمرة وذلك باستخدام الفسفور المشع n32P، وأدت هذه البحوث إلى حقائق علمية مهمة وأهمها:
ـ تحديد احتياج النباتات من المخصبات الفسفورية المختلفة بحسب نوع النبات ونوع التربة ومرحلة النمو والتطور.
ـ تحديد أنسب الطرائق لوضع السماد في التربة وعمقه، وعمق الحراثة، وكميات مياه الري، وتحديد سرعة النمو الجذري بحسب عمر الأشجار.
ـ أمكن أيضاً قياس سرعة حركة الماء في أجزاء النبات وقدرت بنحو 14م في الساعة في بعض الأشجار العالية وسرعة انتقال المواد المغذية من الجذور إلى الأوراق وقدرت بنحو 2-3م/سا. إضافة إلى تحديد مسالك المواد الغذائية بين الأنسجة باستخدام النظير المشع n42K وتبين أن عنصر البوتاسيوم ينتقل في الخشب من الجذور إلى الأوراق إلى جانب انتقاله الجانبي من الخشب إلى اللحاء.
ـ كما كان الفضل الكبير للعناصر المشعة في بيان تأثير المطر على إزاحة مقدار كبير لبعض العناصر مثل البوتاسيوم من الأوراق وأن غسل العناصر يتم من سطوح الأوراق الهرمة أكثر من الأوراق الفتية وهي حقائق مهمة لا بد من مراعاتها عند استخدام المطر الاصطناعي أو الري بالرذاذ، وعند تهيئة العينات للتحليل.
ـ كما أوضحت طريقة اقتفاء الأثر العنصري ضرورة إجراء تسميد جيد في المناطق الغزيرة الأمطار بالعناصر المعدنية K وثم Mn وNa بالدرجة الأولى وCa وMg وS بالدرجة الثانية.
ـ استعملت هذه العناصر أيضاً في مجال تعقيم ذكور الحشرات، وفي مقاومة الآفات الضارة بالمحاصيل.
ـ كما أمكن باستخدام طريقة الاقتفاء للعناصر المشعة من تحديد محاور الدراسات العالمية للإشعاعات النووية الطبيعية التي تدور حولها المؤتمرات العالمية وأهمها:
ـ التناثر الحيوي المشع والإسقاطات النووية المشعة في البيئة.
ـ تحديد منشأ النشاط الإشعاعي وانتقاله في الترب والنباتات والأوساط المائية، وتسربه إلى المنتجات النباتية والحيوانية وأغذية الاستهلاك.
ـ تحديد مستويات التدخل التقني الحديث لتحقيق الأمن الشعاعي.
ـ تحويل العناصر الشعاعية الطويلة الحياة عبر القنوات الخاصة داخل السلسلة الغذائية لتحديد ما ينتج منها فعلياً من أمراض وكوارث وغيرها ومن هذه العناصر المشعة: n140Ba, 90Sr,134Cs, 137Cs, 132 I, 131I وغيرها.
ـ تحري التسربات الإشعاعية في المواد الغذائية النباتية والحيوانية والبيئية عموماً.
استخدمت العناصر المشعة أيضاً في مجال تربية النبات بإحداث الطفرات الوراثية مما أدى إلى الحصول على سلالات جديدة وفيرة الإنتاج وجيدة النوعية ومقاومة للأمراض.
وخلاصة القول إن استخدام العناصر النووية المشعة يمكنه أن يؤدي دوراً مهماً في أبحاث المستقبل وأن يؤمل منه الكثير من النتائج المهمة في مجال التطبيقات الزراعية المختلفة وتغذية النباتات وتربيتها وإنتاجها وزراعة النسج وغيرها. وصار من المؤكد أن لاستخدامها آفاقاً مستقبلية باهرة وكبيرة في المجالات الزراعية ويمكن الاعتماد عليها في حل الكثير من المشكلات المعقدة في العلم والتكنولوجيا في بلدان العالم أجمع.
تطبيقات أخرى
تستخدم العناصر المشعة مثل السترونيومn90Sr والتلور n204Te والبوتونيوم n210Po لانتزاع الشحنات الكهربائية الساكنة التي يحملها النسيج أثناء التصنيع بفعل الاحتكاك.كما يمكن استخدام خاصة التفلور للإشعاعات، فتضاف بضع كميات من أملاح الراديوم n226Ra أو التريتيوم n3H أو الكربونn14C أو الكريبتون n85Kr وغيرها إلى الدهانات فتبدو لمّاعة.
أحمد حصري، أسامة العوا، هشام قطنا
Radioelements - Radioéléments
العناصر المشعة
يُعدُّ النشاط الإشعاعي الصنعي artificial radioactivity بداية ما يسمى العناصر المشعةradioelements أو ما يسمى كذلك النظائر المشعةradioisotopes. فقد لاحظ إنريكو فيرمي[ر] Enrico Fermi أن في إمكان تدفّق من النترونات[ر]neutrons أن يجعل بعض العناصر مشعة، إذ إن العناصر المشعة إشعاعاً طبيعياً هي العناصر الثقيلة التي تصدر بتفككها غالباً جسيمات ألفا α.
تقانة إنتاج العناصر المشعة
يمكن توليد العناصر المشعة عن طريق قذف نوى ذرات العناصر بسيل من النترونات في مفاعل نووي، أو من نواتج عمليات الانشطار، أو باستخدام مولدات العناصر المشعة وستعرض هذه الطرائق الثلاث فيما يأتي:
ـ التوليد بالنترونات
إن أهم التفاعلات في هذا الصدد هي التفاعلات (n, γ) و(n, α) و(n,p) التي تعطي بنتيجتها إشعاعات غاما (γ) أو جسيمات ألفا (α) أو بروتونات (p) على التوالي.
يعد التفاعل (n, γ) أكثر أنواع التفاعلات استخداماً والأكثر احتمالاً للحدوث، وذلك لإمكانية إحداثه باستخدام نترونات بطيئة أي حراريةthermal neutrons، وهي نترونات يكثر وجودها في محيط المفاعلات حيث تعتبر من نواتج التشعيع. ومن العناصر المشعة التي تنتج بهذه الطريقة الكوبالت m60Co والذهب n198Au وذلك وفقاً للتفاعلين:
n59Co (n,gγ) 60Co; 197Au (n, α)198Au
 الشكل (1): مولّد نظائر مشعة |
ـ التوليد من نواتج الانشطار
يُحصل على العناصر المشعة هنا نتيجة المعالجات الكيمياوية للبلوتونيوم في معامل خاصة، وهكذا يستحصل على السترونسيوم n90Sr(ودوره أو عمر النصف العائد له 28 عاماً) وعلى السيزيوم n137Cs (ودوره ثلاثون عاماً).
ـ باستخدام المولدات
كثيراً ما يحتاج الأطباء إلى عناصر مشعة ذات دور قصير نسبياً، وهم يستخدمون لهذه الغاية مولدات للنظائر المشعة radioelements generators.
يتألف مولِّد العناصر المشعة من نكليد أمmother nuclide دوره طويل نسبياً محمول على حامل يسمح بفضل بنيته الكيمياوية استخلاص نكليد بنت ذات دور قصير بسرعة وسهولة، وذلك نتيجة تفكك النكليد الأم، كما يمكن بتكرار الاستحصال الحصول على كمية كبيرة ذات نشاط إشعاعي عال . فمثلاً يمكن الحصول من ميلي كوري واحد (n1m Ci) من الجرمانيوم n68Ge خلال ثلاثة أدوار للنكليد على 860 ميلي كوري من الغاليوم n68Ga وذلك بتكرار الاستحصال لمدة عشر ساعات.
ويبين الجدول (1) عدداً من مولدات العناصر المشعة المعروفة تجارياً، في حين يبين الشكل (1) بنية مولِّد عناصر مشعة من هذا القبيل.
| النكليد الأم | النكليد البنت | |||||||||||
| الاسم | الرمز | الدور | نوع الإشعاع الصادر وطاقتهMe V | الاسم | الرمز | الدور | نوع الإشعاع الصادر وطاقته Me V | |||||
| أسرK | γ | β | تحول آيزومتري | α | β | |||||||
| السسزيوم | n137Cs | 30عاماً | n0.5, 1.2 | الباريوم | n137Bam(1)n | 2.55دقيقة | نعم | n0.66 | ||||
| إتريوم | n87Y | 80عاماً | n0.48 | n0.7 | السترونسيوم | n89Srm | 2.8ساعة | نعم | n0.39 | |||
| جرمانيوم | n68Ge | 275يوماً | نعم | الغاليوم | n68Ga | 68.3دقيقة | n1.08, 0.08 | n1.9 | ||||
| اقصدير | n113Sn | 115يوماً | نعم | n0.26 | الإنديوم | n113In | 1.66ساعة | نعم | n0.39 | |||
| موليدن | n99Mo | 66.7ساعة | n0.74, 0.18 | n1.2 | التكنسيوم | n99Tc | 6ساعة | نعم | n0.14 | |||
| التلّور | n137Te | 78ساعة | n0.23, 0.50 | n0.2 | اليود | n137I | 2.4ساعة | n0.77, 0.67 | n2.1 | |||
| الجدول (1) مولدات عناص رمشعة تجارية | ||||||||||||
تصنف العناصر المشعة وفق ثلاثة أصناف وذلك بحسب سمِّيتها الإشعاعية ومن أهمها:
ـ الفئة I: درجة سمّيتها الإشعاعية عالية جداً و من أمثلتها: n226Ra, 241Am
ـ الفئة II-A: درجة سمّيتها الإشعاعية عالية ومن أمثلتها:
n170Tm,204 T1, 90Sr, 192Ir ,131I, 137Cs, 60Co
ـ الفئة II-B: درجة سميتها الإشعاعية معتدلة ومن أمثلتها:
n171Tm, 35S, 147Pm, 32P
ـ الفئة III: وهي ذات سمية إشعاعية ضعيفة ومن أمثلتها:
n238U, 235U, 85Kr
ولتجنب التلوث تزوَّد المنابع المشعة في حاويات مغلقة تتحمل درجات حرارة مرتفعة تصل إلى 1000 ْس مدة 200 ساعة، كما تتحمل ضغطاً يصل إلى 700 بار وثقلاً يصل إلى 10000 نيوتن.
ويقدر النشاط الإشعاعي لعنصر مشع بالكوري و رمزه Ci أو ما يقابله بالكتلة.
إذ يعادل (n1Ci) من الـ n226Ra غراماً واحداً.
ويعادل (n1Ci) من الـ n90Sr م4.6 مليغرام.
ويعادل (n1Ci) من الـn32P م5.3ميكروغرام.
وبصورة عامة تعطى الكتلة m لعنصر مشع، دوره T مقدراً بالأعوام بدلالة العدد الكتلي Aبالعلاقة:
يشار هنا إلى أن الخطر الذي يرافق استخدام العناصر المشعة تابع لدوره ولطاقه الإشعاعات الصادرة عنه. فالكوبالت n60Co على سبيل المثال دوره (5.3 عاماً) ويصدر إشعاعات طاقتها تساويn0.3MeV ونوعين من إشعاعات طاقتاهما n1.33MeVوn1.17MeV.
أهمية العناصر المشعة واستخداماتها
تستخدم الصناعة العناصر المشعة لأغراض عدة، ولهذه العناصر تطبيقات في ميادين الطب والزراعة وفي تقدير أعمار الآثار. وبالإمكان استخدامها لإجراء قياسات هندسية وميكانيكية. وقد استخدمت العناصر المشعة كمقتفيات لسير التفاعلات الكيمياوية؛ إذ يمكن استخدامها للكشف عن تطور تفاعل كيمياوي أو تحوّل فيزيائي والكشف عن آليته. وتُعرض فيما يلي هذه الاستخدامات وفق القطَّاع الذي تستخدم فيه:
التطبيقات الصناعية
من هذه التطبيقات قياس السماكات، وقياس سويات السوائل، واستخدام أشعة غاما لأغراض التصوير، وتمثل هذه التطبيقات ما يقارب 75% من التطبيقات الصناعية، وفيما يأتي تفصيل ذلك:
 الشكل (2) قياس السماكات |
يشار هنا إلى أن إشعاعات γ هي أكثر الإشعاعات نفوذاً في المادة. ولذا فهي تستخدم لقياس السماكات الكبيرة التي تقدر في مجال الفيزياء النووية بواحدة الكتلة لوحدة المساحة أيkg/m2 وهي تمثل جداء كثافة المادة بسماكتها. وإذا قدرت السماكة بالسنتمتر والكثافة بالغرام على السنتمتر المكعب فإن الكثافة السطحية تكون بواحدة g/cm2. ويمكن باستخدام الكوبلت n60Co أو السيزيوم n137Cs أوالتاليوم n170Tm قياس سماكات من الفولاذ تصل إلى n6cm بتقريب جيد. ويأخذ الكاشف عندها شكل عداد وميض يتصل بمضاعف ضوئي photomultiplier، كما يمكن باستخدام جهاز قياس مناسب تحرّي التآكل داخل الأنابيب حتى أثناء عملها.
إن المقاييس التي تستخدم إشعاعات βكثيرة التنوع وهي تفوق عدداً الكواشف المستخدمة لإشعاعات γ. وهنا يتم عادة استخدام مواد مشعة ذات دور طويل تجنباً للأخطاء. ومن الاستخدامات الصناعية في هذا المجال قياس سماكة الورق والمواد البلاستيكية والمعادن الرقيقة. ولا تقتصر أهمية العدادات هنا على قياس السماكات وإنما تتعداها إلى أمور التحكُّم. يضم النظام في هذه الحالة إضافة إلى المنبع حجرة تأين يتصل بها مقياس كهربية ومضخم ومقياس ميكرو أمبير يستخدم كمؤشر للسماكة. وتستخدم طريقة الانتثار المرتد لإشعاعات لقياس سماكة الدهان أو الأغشية الرقيقة المرسَّبة على السطوح المعدنية.
أما إشعاعات α فهي أقل الإشعاعات نفوذاً في المادة ، ولذا فهي تستخدم لقياس سماكات من رتبة n5mg/cm2 كالورق الرقيق جداً. وغالباً ما يستخدم هنا منبع الراديوم. أما العداد المناسب لمثل هذه الأغراض فهو عداد غايغر ـ مولر Geiger-Müller أو عداد الوميض.
يبين الجدول (2) أشهر المنابع المستخدمة لقياس السماكات من النوعين γ أو β.
| المنابع γ الرئيسية المستخدمة لقياس السماكات | المنبع | الدور | طاقة الإشعاع الوسطيةMeV |
| الكوبالت n60Co | 5.3عاماً | n1.33-1.17 | |
| السيزيوم n137Cs | 30عاماً | n0.66 | |
| الثاليوم n170Tm | 127يوماً | n0.08 | |
| المنابع β الرئيسية المستخدمة لقياس السماكات | المنبع | الدور | الطاقة العظمى MeV |
| الثاليوم n204TI | 2.7عاماً | n0.77 | |
| الكريبتون n85Kr | 10.6عاماً | n0.66 | |
| السترزنسيوم n90Sr | 28عاماً | n0.54 | |
| البروميثيوم n147Pr | 26عاماً | n0.22 | |
| الجدول (2) المنابع الرئيسي المستخدمة لقياس السماكات | |||
(أ) تَحمل عوَّامةٌ المنبعَ داخل الوعاء، ويعلو الكاشف بدوره العوامة ويعاير الجهاز بحيث يقابل كل تسجيل للكاشف ارتفاعاً للسائل في الوعاء.
(ب) يمكن كذلك وضع المنبع في قعر الوعاء وقياس الإشعاع الذي يصل إلى الكاشف لدى اجتيازه سماكة السائل و الهواء فوقه، وبرسم منحني معايرة يمكن استنتاج ارتفاع السائل في الوعاء.
(ج) يمكن وضع منبع إشعاعات γ والكاشف جنباً إلى جنب وبالتالي قياس ارتفاع السائل في الوعاء عن طريق الإشعاعات المرتدة عن سطحه.
ـ التصوير بإشعاعات غاما
تعدُّ طريقة التصوير بإشعاعات غاما سهلة واقتصادية، إلا أنه ينبغي تطبيق تعليمات وقاية صارمة من خطر الإشعاعات عند مزاولة عملية التصوير. ويتضمن الجدول (3) عدداً من العناصر المشعة المستخدمة لأغراض التصوير الشعاعي.
| المنبع | طاقة الإشعاع الوسطية MeV | الدور | مجال الاستخدام (السماكة بالسنتمتر) | الجرعة لكل كوري على بعد متر بواحدة (R/h) |
| الكوبالت 60n60Co | n1.33-1.17 | 5.3عاماً | 5 حتى 12 (فولاذ) | n1.35 |
| السيزيوم 137n137Cs | n0.66 | 30عاماً | 2حتى 7 (فولاذ) | n0.35 |
| الإيريديوم 192n192Ir | n0.3-0.6 | 74عاماً | 0.5 حتى 4 (فولاذ) | n0.5 |
| الثاليومn170Tm | n0.08 | 127يوماً | 0حتى 6 (ألمنيوم) | n0.04 |
| الجدول (3): العناصر المشعة بإصدار γالمستخدمة لأغراض التصوير الشعاعي | ||||
تستخدم هنا لأغراض التعدين عناصر مشعة مثل الكربون n14C والكبريت n32S والكلور n36Clوالحديد n55Fe والحديد n59Fe. وهكذا يدرس اهتراء السِّوار الحابس segments للزيت في المكابس والدواليب والجدران الاستنادية في الأفران باستخدام الكوبلت n60Co، كما يدرس تسرب السوائل في الأقنية باستخدام الصوديومn24Na والبروم n82Br واليود n131I. وفي مجال الصناعات النفطية تستخدم ذات العناصر المشعة للتعرف على نوعية المواد المارة في الأنابيب. أما دراسات التهوية فتستخدم الأرغون n141A والزينونn135Xe.
التطبيقات الطبية للعناصر المشعة
تستخدم العناصر المشعة في الطب النوويnuclear medicine في جميع أنحاء العالم. وتُستخدم إشعاعات بيتا و/أو غاما في نحو مئة عنصر مشع في تشخيص وعلاج أمراض كثيرة. وقد اكتشف عدد كبير من هذه العناصر منذ الربع الثاني من القرن العشرين، وكان أهمها اليود n131I (1938)والكوبلتn60Co (1937) والتكنسيوم n99mTc (1938)والسيزيوم n137Cs (1941)، وتلا ذلك اكتشاف عناصر كثيرة أخرى.
يستعمل اليود n131I، ونصف عمره 8 أيام، في تشخيص ومعالجة بعض أمراض الغدد الدرقية بنجاح كبير، وقد يُغني ذلك في بعض الحالات عن التدخل الجراحي. ويحتل التكنسيوم n99mTc، ونصف عمره 6 ساعات، المكانة الأولى في الطب النووي. فمثلاً يُقدر أنه يستعمل في أكثر من 10 ملايين حالة تشخيصية في الولايات المتحدة الأمريكية كل عام. ويُستخدم في دراسات الدماغ والعظام والكبد والطحال والكلية والرئة والغدة الدرقية وغيرها.
تستعمل أشعة غاما التي يطلقها الكوبلتn60Co لقتل الخلايا السرطانية، وقد تبين أن السيزيوم n137Cs يمتلك تطبيقات مهمة في الطب النووي كمصدر لأشعة غاما، وهي مماثلة في استخداماتها لتلك الخاصة بالكوبلت n60Co. وقد اكتسبت معالجة السرطان بحُزم من الأيونات المنتجة من أجهزة خاصة تدعى المسرِّعات الخطِّيةlinear accelerators انتشاراً واسعاً في العقد الماضي. وعلى عكس أشعة غاما التي توزع طاقتها على كل من الخلايا السليمة والخلايا السرطانية، فإن معظم طاقة الجزيئات ستتركز في الخلايا السرطانية، وليس في الأنسجة السليمة المحيطة بالأورام.
تُستخدم العناصر المشعة أيضاً في تقدير نسبة الهرمونات (هرمون النمو والهرمون المنشط للغدة الدرقية والهرمونان المنشطان للجنسgonadotrophins وهرمونات الدرقية والهرمونات الجنسية وغيرها) في الدم. كما تستخدم في حالات المسح الإشعاعي لأعضاء كثيرة في جسم الإنسان، فمثلاً يستخدم المسح الشعاعي للكبد liver scan لتحديد حجمه وشكله وموضعه، وتحديد أورام البطن ومعرفة ما إذا كانت في الكبد أو خارجه، واكتشاف نوع وسبب تضخم الكبد مثل حالات خراجات الكبد وأورامه وأكياسه أو أي تجمع دموي فيه، وتحديد مكان أي ورم فيه، والمقارنة بين حالته قبل العلاج وبعده، وكذلك معرفة وتحديد أمراض الكبد المزمنة مثل تليّف الكبد والتهابه.
وتستخدم العناصر المشعة في علاج بعض الأورام الخبيثة ومن أمثلتها ما يأتي:
ـ الكوبلت وهو من العناصر المشعة المستخدمة منذ وقت بعيد في علاج بعض الأورام السرطانية مثل سرطان الحنجرة وسرطان المثانة البولية وسرطان المخ والعظام وسرطان الرحم.
ـ السيزيوم المش الذي يستخدم في علاج سرطان الثدي ومرض هودجكن.
ـ الراديوم المشع ويستخدم على هيئة بذور أو إبر تزرع في مكان المرض في حالات مثل سرطان اللثة وسرطان عنق الرحم.
ـ الذهب المشع ويستخدم في حالات سرطان وأورام الغدة النخامية.
ـ اليود المشع وهو نظير مشع يستعمل بكثرة في تشخيص أمراض الغدة الدرقية وأيضاً في علاج بعض منها.
ومن جهة أخرى تستخدم بعض العناصر المشعة لتخفيف الآلام، فمثلاً يستخدم السترونسيوم n89Sr لتخفيف آلام العظام الناجمة عن السرطان.
التطبيقات الزراعية للعناصر المشعة
بدأ استخدام العناصر المشعة عقب إنتاجها اصطناعياً في المفاعلات النووية والمسرّعات عام 1946، ومنذ ذلك التاريخ استخدمت في التطبيقات الزراعية على نطاق واسع، فأسهمت في الكشف عن غوامض كثيرة من الوظائف الفيزيولوجية للنباتات، وفي تغيير منحى التفكير والاتجاه العلمي فيها، وخير مثال على ذلك هو تفسير ماهية التركيب الضوئي أو التمثيل الضوئي ـ اليخضوري باستخدام الكربون المشع n14Cوالعديد من النظريات الخاصة بعمليات الاستقلاب في النباتات وتغذيتها. وقد أمكن بفضل العناصر المشعة دراسة إمكانية التغذية النباتية بوساطة الأوراق أو المجموعة الخضرية، وزراعة النسج النباتية باستخدام عناصر مشعة مختلفة، مما ساعد على تلافي عوز النباتات بالعناصر المغذية المهمة. كما أمكن تحديد أنسب الأوقات لرش الأسمدة الورقية، واستخدمت في تحديد درجة نفاذية عناصر معينة أو مواد مكتشفة لمعالجة أعراض مرضية غذائية في النبات، وذلك بإدخالها عبر النسج الورقية وخاصة مركبات العناصر الصغرى الدينامية مثل الحديد والمنغنيز والمغنزيوم والنحاس والزنك وغيرها وفي تحديد التمركز الغذائي للعناصر المغذية في الأشجار.
وأسهمت هذه العناصر في تقدير مدى إفادة النبات من الميزان المعدني الغذائي المضاف إلى التربة ومقدار العنصر الذي أخذه النبات من التربة، إذ أن المهم هو معرفة استفادة النبات من عناصر التربة الأخرى المضافة على شكل سماد. وأمكن أيضاً تحديد نوع المركب الفسفوري اللازم في تسميد التربة، وأفضل موعد لاستعماله في أثناء مراحل نمو وتطور النباتات الحولية والمعمرة وذلك باستخدام الفسفور المشع n32P، وأدت هذه البحوث إلى حقائق علمية مهمة وأهمها:
ـ تحديد احتياج النباتات من المخصبات الفسفورية المختلفة بحسب نوع النبات ونوع التربة ومرحلة النمو والتطور.
ـ تحديد أنسب الطرائق لوضع السماد في التربة وعمقه، وعمق الحراثة، وكميات مياه الري، وتحديد سرعة النمو الجذري بحسب عمر الأشجار.
ـ أمكن أيضاً قياس سرعة حركة الماء في أجزاء النبات وقدرت بنحو 14م في الساعة في بعض الأشجار العالية وسرعة انتقال المواد المغذية من الجذور إلى الأوراق وقدرت بنحو 2-3م/سا. إضافة إلى تحديد مسالك المواد الغذائية بين الأنسجة باستخدام النظير المشع n42K وتبين أن عنصر البوتاسيوم ينتقل في الخشب من الجذور إلى الأوراق إلى جانب انتقاله الجانبي من الخشب إلى اللحاء.
ـ كما كان الفضل الكبير للعناصر المشعة في بيان تأثير المطر على إزاحة مقدار كبير لبعض العناصر مثل البوتاسيوم من الأوراق وأن غسل العناصر يتم من سطوح الأوراق الهرمة أكثر من الأوراق الفتية وهي حقائق مهمة لا بد من مراعاتها عند استخدام المطر الاصطناعي أو الري بالرذاذ، وعند تهيئة العينات للتحليل.
ـ كما أوضحت طريقة اقتفاء الأثر العنصري ضرورة إجراء تسميد جيد في المناطق الغزيرة الأمطار بالعناصر المعدنية K وثم Mn وNa بالدرجة الأولى وCa وMg وS بالدرجة الثانية.
ـ استعملت هذه العناصر أيضاً في مجال تعقيم ذكور الحشرات، وفي مقاومة الآفات الضارة بالمحاصيل.
ـ كما أمكن باستخدام طريقة الاقتفاء للعناصر المشعة من تحديد محاور الدراسات العالمية للإشعاعات النووية الطبيعية التي تدور حولها المؤتمرات العالمية وأهمها:
ـ التناثر الحيوي المشع والإسقاطات النووية المشعة في البيئة.
ـ تحديد منشأ النشاط الإشعاعي وانتقاله في الترب والنباتات والأوساط المائية، وتسربه إلى المنتجات النباتية والحيوانية وأغذية الاستهلاك.
ـ تحديد مستويات التدخل التقني الحديث لتحقيق الأمن الشعاعي.
ـ تحويل العناصر الشعاعية الطويلة الحياة عبر القنوات الخاصة داخل السلسلة الغذائية لتحديد ما ينتج منها فعلياً من أمراض وكوارث وغيرها ومن هذه العناصر المشعة: n140Ba, 90Sr,134Cs, 137Cs, 132 I, 131I وغيرها.
ـ تحري التسربات الإشعاعية في المواد الغذائية النباتية والحيوانية والبيئية عموماً.
استخدمت العناصر المشعة أيضاً في مجال تربية النبات بإحداث الطفرات الوراثية مما أدى إلى الحصول على سلالات جديدة وفيرة الإنتاج وجيدة النوعية ومقاومة للأمراض.
وخلاصة القول إن استخدام العناصر النووية المشعة يمكنه أن يؤدي دوراً مهماً في أبحاث المستقبل وأن يؤمل منه الكثير من النتائج المهمة في مجال التطبيقات الزراعية المختلفة وتغذية النباتات وتربيتها وإنتاجها وزراعة النسج وغيرها. وصار من المؤكد أن لاستخدامها آفاقاً مستقبلية باهرة وكبيرة في المجالات الزراعية ويمكن الاعتماد عليها في حل الكثير من المشكلات المعقدة في العلم والتكنولوجيا في بلدان العالم أجمع.
تطبيقات أخرى
تستخدم العناصر المشعة مثل السترونيومn90Sr والتلور n204Te والبوتونيوم n210Po لانتزاع الشحنات الكهربائية الساكنة التي يحملها النسيج أثناء التصنيع بفعل الاحتكاك.كما يمكن استخدام خاصة التفلور للإشعاعات، فتضاف بضع كميات من أملاح الراديوم n226Ra أو التريتيوم n3H أو الكربونn14C أو الكريبتون n85Kr وغيرها إلى الدهانات فتبدو لمّاعة.
أحمد حصري، أسامة العوا، هشام قطنا