الأنوية غير المستقرة والتحلل الإشعاعي

تقوم الفكرة الأساسية للأنوية غير المستقرة على سعي الذرات للوصول إلى حالة الاستقرار عبر التحلل الإشعاعي، وهو عملية تلقائية تفقد فيها الذرة طاقة بإصدار إشعاعات لتتحول إلى ذرات عنصر آخر. انظر إلى حالة الحجر المرتفع الذي يفقد طاقة بوضعه طاقة وعي عند سقوطه على الأرض ليصل للاستقرار؛ كذلك تفقد النواة غير المستقرة طاقتها بإطلاق إشعاعات تشمل ألفا وبيتا وجاما لتصل إلى الثبات. وتتحدد استقرار النواة بنسبة النيوترونات إلى البروتونات فيها، مما ينتج عنه تغييرات في نواة الذرة عبر تفاعلات نووية تختلف عن التفاعلات الكيميائية التي تغير الإلكترونات فقط.

الفكرة الأساسية

الذرات غير المستقرة تصدر إشعاعات للوصول إلى حالة الاستقرار.

الشرح

انظر إلى الشكل الذي يوضح شخصاً يقف على يديه في وضع غير مستقر، ولكي يصل إلى حالة الاستقرار فإن عليه أن يتخلى عن وضعه وقدميه؛ وكذلك تفقد بعض الذرات غير المستقرة التي لا تكون نسبة النيوترونات إلى البروتونات فيها مستقرة، طاقة لتصل إلى حالة الاستقرار عبر التحلل الإشعاعي. التفاعل الكيميائي يحدث لتغير مادة أو أكثر وينتج مواد جديدة وتشارك فيه إلكترونات الذرة فقط مع بقاء هويتها ثابتة، بينما التفاعل النووي يستطيع أن يحول عنصراً إلى عنصر آخر عبر تغير في نواة الذرة.

لدينا ثلاثة أنواع من الإشعاعات الناتجة عن التحلل الإشعاعي:

1. أشعة ألفا: وهي جسيمات ألفا المكونة من بروتونين ونيوترونين، وتعادل نواة هيليوم $\text{He}$ أو $\alpha$ أو $\text{He}^{2+}$، وتحمل شحنة موجبة ثنائية $(+2)$، وكتلتها تساوي $4\text{ amu}$ (وتساوي كتلتها بـ $\text{kg}$ مقدار $6.65 \times 10^{-27}\text{ kg}$). وتنجذب نحو الصيغة السالبة.
2. أشعة بيتا: وهي جسيمات بيتا السريعة الحركة، وتتكون من إلكترون له شحنة سالبة أحادية $(-1)$، وكتلتها بـ $\text{amu}$ تساوي $\frac{1}{1840}$ وكتلتها بـ $\text{kg}$ تساوي $9.11 \times 10^{-31}\text{ kg}$، ويرمز إليها بالرمز $\beta$ أو $\text{e}^-$. ومصدر هذا الإلكترون هو النواة وليس السحابة الإلكترونية، حيث يتفكك النيوترون غير المستقر إلى بروتون وإلكترون.
3. أشعة جاما: وهي أشعة ذات طاقة عالية، ويرمز إليها بالرمز $\gamma$. ولا كتلة لها $(0)$ ولا شحنة $(0)$، لذا فهي لا تحرف في المجال المغناطيسي أو الكهربائي، وغالباً ترافق أشعة ألفا وأشعة بيتا وتكون مسؤولة عن معظم الطاقة التي تُفقد خلال التحلل الإشعاعي.

مثال محلول خطوة بخطوة

خذ مثال تحلل عنصر الراديوم $\text{Ra}$ غير المستقر إلى الرادون $\text{Rn}$ بإصدار جسيم ألفا:

$$\ce{^{226}_{88}Ra -> ^{222}_{86}Rn + \alpha}$$

الخطوة الأولى: لاحظ أن العدد الكتلي للراديوم في المتضامنات هو $226$ والعدد الذري هو $88$. الخطوة الثانية: عندما يخرج جسيم ألفا والذي يملك كتلة عددها $4$ وشحنة عددها $+2$، فإن النواة الناتجة ينقص عددها الكتلي بمقدار $4$ ليصبح $226 - 4 = 222$، وينقص عددها الذري بمقدار $2$ ليصبح $88 - 2 = 86$. الخطوة الثالثة: الناتج هو عنصر الرادون ذو العدد الكتلي $222$ والعدد الذري $86$، مع انبعاث جسيم ألفا $\alpha$.

أخطاء شائعة

• الخلط بين التفاعل الكيميائي والتفاعل النووي بالاعتقاد بأن التفاعل الكيميائي يغير في نواة الذرة أو يحول عنصراً إلى عنصر آخر، بينما التفاعل الكيميائي يقتصر على إعادة ترتيب الإلكترونات وبقاء هوية الذرة ثابتة.
• الاعتقاد بأن إلكترون أشعة بيتا يأتي من السحابة الإلكترونية المحيطة بالنواة، بينما مصدره الحقيقي هو تفكك النيوترون داخل النواة إلى بروتون وإلكترون.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: ما نوع التفاعل الذي يتضمن تغييراً في نواة الذرة وتحول العنصر إلى عنصر آخر؟ الإجابة: التفاعل النووي.

السؤال الثاني: قارن بين أشعة ألفا وأشعة بيتا وأشعة جاما من حيث الشحنة والكتلة. الإجابة: أشعة ألفا لها شحنة موجبة ثنائية $(+2)$ وكتلة تساوي $4\text{ amu}$، وأشعة بيتا لها شحنة سالبة أحادية $(-1)$ وكتلة تساوي $\frac{1}{1840}\text{ amu}$، بينما أشعة جاما متعادلة الشحنة $(0)$ وليس لها كتلة $(0)$.