النشاط الإشعاعي

تتعرض النويات كما رأينا لقوتين متنافستين: قوة التجاذب النووية بين جميع النويات وقوة كولوم التنافرية بين البروتونات. وإذا كانت المجموعة تضم عدداً اكبر من اللازم من البروتونات بالنسبة لعدد النيوترونات، فإن المجموعة ستتعرض لقوة تفجيرية كبيرة نتيجة التنافر الكولومي. أي أنها لن تكون قادرة على التواجد كوحدة مستقرة. وهناك عوامل أخرى أيضاً من شأنها التأثير على استقرار النواة كما سنرى لاحقاً. وليس هناك سوى عدد قليل من مجموعات البروتونات والنيوترونات التي تتمتع باستقرار نسبي ويوضحها الشكل 1)).

ولن يكون النوى الكبير مستقراً إلا إذا كان يحتوي على نيوترونات اكثر من البروتونات كما هو واضح من الشكل 1)). أي أن فائض النيوترونات ضروري من اجل  تخفيف" الشحنة الموجية للبروتونات، ومن ثم خفض التأثير التنافري لقوى كولوم. وعلى الرغم من أن معظم النوى المشار إليه في الشكل (1) مستقر تماماً، إلا أن تلك النوى التي يزيد فيها Z عن 83 ستكون غير مستقرة نوعاً ما.

يستطيع النوى غير المستقر ان يعاني تلقائياً من تغير داخلي نحو حالة ذات طاقة أقل واستقرار أكبر. ويتم هذا بالتخلص من الطاقة الزائدة عن طريق طرد جسيمات وإشعاع كهرومغناطيسي أثناء عملية يطلق عليها النشاط الاشعاعي وقد اكتشف الباحثون الأوائل في النشاط الاشعاعي (في تسعينات القرن التاسع عشر) الطاقة المنبعثة ، واستطاعوا باستخدام المجالات المغناطيسية إثبات وجود ثلاثة أنواع محددة من الطاقة : ذات الشحنة الموجبة، وذات الشحنة السالبة والمتعادلة كهربياً؛ أما فيما عدا ذلك فقد كان الباحثون عاجزين عن تحديد هوية الاشعاعات ولذا أطلقوا عليها أشعة ألفا (a) وبيتا (β) وجاما (γ) (وهي الحروف الإغريقية المناظرة للحروف (a ،  b ، c) وقد صرنا نعرف حالياً أن جسيمات a هو نوى ⁴He وأن جسيمات β إلكترونات، أما أشعة γ فهي موجات كهرومغناطيسية ذات طول موجي في غاية القصر (أو فوتونات).

الشكل 1)): تمثل كل نقطة نواة إما مستقرة تماماً أو بالتقريب، أما الخط المتصل فيمثل مواقع النواة الذي به عدد متساوٍ من البروتونات والنيوترونات.

يعتمد العلماء أن النويات في حالة حركة دائمة، وأنها مشتركة في محاولات دائبة للهروب من النواة، ولكنها لا تنجح أبداً في الهروب من النوى المستقرة. اما النواة غير المستقرة فإنها تستطيع خفض طاقتها وتصبح اكثر استقراراً إذا أطلقت جسيماً و/او طاقة. وهي تفعل ذلك على أساس عشوائي تماماً. ويمكننا تصور جسيماً يحاول الهروب من النواة، باذلاً العديد من المحاولات كل ثانية، وفي لحظة مواتية، تكون النواة فيها ذات تركيب داخلي يسمح للجسيم بالهروب، نقول أن النواة قد قامت بانحلال إشعاعي.

وتعنى هذه اللعبة المستمرة للصدف  داخل جميع النوى غير المستقر أن لكل نواة فرصة في أن تنحل في فترة زمنية tΔ. دعنا الآن نتفق على أن الفرصة أو الاحتمال في أن نواة ما ستنجل في فترة زمنيةt Δ، هو tΔλ ، حيث سنطلق على λ ثابت التفتت أو ثابت الاضمحلال (يجب عدم الخلط بين هذا الرمز ورمز الطول الموجي). فإذا كان ليدان عينة من مادة بها N نواة من هذا فإن العدد الذي سيضمحل في فترة زمنية مقدارها tΔ هو NλΔt ونستطيع من ثم أن نكتب:

    (1)             N = - NλΔt Δ

وتشير الإشارة السالبة إلى أن المقدار NΔ سالب، حيث أن N في تناقص وسنطلق على المقدار N/nΔ فاعلية العينة، وهي عدد الاضمحلالات التي تحدث في وحدة الزمن.

هب أن لدينا N₀ ذرة مشعة عند اللحظة t =0. وسنقوم باستخدام المعادلة (1) لبيان كيفية تغير عدد الذرات التي لم تضمحل (N) مع الزمن، والنتيجة مبينة في الشكل (2). ويطلق على هذا النوع من المنحنيات منحني الاضمحلال الأسي.

ويمكن إعطاء الاضمحلال الأسي الوصف البديل البسيط التالي:

نخفض كمية المادة التي تقوم بالاضمحلال الأسي بمقدار النصف في فترات زمنية متتالية ومتساوية، تسمى كل منها عمر النصف لتلك المادة.

الشكل 2)): يضمحل العنصر المشع أسياً.

الشكل 2)) عمر النصف T_½. يلاحظ أنه في كل نصف عمر متسلسل ينخفض عدد النوى المتبقي إلى النصف، ومعنى هذا أنه بعد انقضاء عدد n من أعمار النصف فإن عدد النوى الذي تبقى ولم ينحل هو ⁿ N₀(½).

تتباين أعمار النصف في المواد المشعة تبايناً كبيراً، فعمر النصف لليورانيوم 238 يصل إلى 4.47 بليون سنة، بينما يصل في حالة الراديوم 226 إلى 1600 سنة أما غاز الرادون وهو العنصر الذي يصير إليه الراديوم عند اضمحلاله، فيصل عمر النصف له إلى 3.8 يوم فحسب. كما أن الكثير من المواد المشعة التي تنتج صناعياً لا يصل عمر النصف لديها إلا إلى كسر من الثانية. وعلى الرغم من أي شيء فكل هذه العناصر تضمحل طبقاً لنفس قانون الاضمحلال الأسي.

ومن الأهمية بمكان أن ندرك أن عمر النصف سلوك إحصائي لعدد ضخم من النوى، ولذلك لا توجد طريقة للتنبؤ بالوقت الذي تضمحل فيه نواة بعينها . وقد تستغرق نواة راديوم منفردة ــ مثلاً ــ مليون سنة لتتحول إلى نواة أخرى بالاضمحلال بينما لا تستغرق نواة أخرى سوى ساعة واحدة، على أنه في حالة عينة ضخمة إحصائياً (أي كمية ملموسة من عنصر ما تحتوي على تريليونات فوق تريليونات من النوى) يقوم نصف الراديوم بالاضمحلال إشعاعياً في 1600  سنة.

لقد أصحبت لدينا الآن طريقتنا لوصف معدل الاضمحلال : λ أو T_½ ومن الطبيعي أن ترتبط هاتان الكميتان بشكل أو بآخر. وإذا لجأنا إلى حساب التفاضل والتكامل، لأمكننا إثبات أن: