يحدث التسوس النووي والمعروف باسم الاضمحلال الإشعاعي، عندما تفقد ذرة غير مستقرة الطاقة عن طريق بث الإشعاع المؤين، والانحلال الإشعاعي هو عملية عشوائية على مستوى الذرات المنفردة، حيث أنه وفقا لنظرية الكم، فإنه من المستحيل التنبؤ عندما تتحلل ذرة معينة، وبعبارة أخرى لا تملك النواة النويدة المشعة ذاكرة، وبالتالي فإن احتمال تحطيمها لا يزداد بمرور الوقت بل يبقى ثابتا بغض النظر عن طول فترة وجود النواة، وخلال هذا الاضمحلال الذي لا يمكن التنبؤ به لهذه النواة غير المستقر، فأنها تتحلل عشوائيا لتشكيل نواة مختلفة أو حالة طاقة مختلفة أ, ما يسمى بتسوس جاما، وتشكل إشعاعا على شكل فدرات ذرية أو أشعة عالية الطاقة، ويحدث هذا الاضمحلال بمعدل ثابت ويمكن التنبؤ به ويشار إليه بنصف العمر .
طرق الاضمحلال الاشعاعي1- اضمحلال ألفا
ويمثل انحلال ألفا تفكك النواة الأم إلى اصغر نواة من خلال انبعاث نواة ذرة الهيليوم، وتتكون جسيمات ألفا من بروتونين ونيوترون مرتبطان ببعضهما البعض في جسيم مماثل لنواة الهيليوم، وبسبب كتلته الكبيرة أكثر من 7000 ضعف كتلة جسيم بيتا وشحنته ، فإنه يؤين المواد الثقيلة وله مدى قصير جدا .
2- اضمحلال بيتا
يمثل تسوس بيتا أو β الاضمحلال تفكك النواة الأم إلى النواة الأصغر من خلال انبعاث جسيم بيتا، وجسيمات بيتا هي إلكترونات عالية الطاقة أو عالية السرعة أو بوزيترونات تنبعث من بعض أنواع النوى المشعة مثل البوتاسيوم 40، وتحتوي جسيمات بيتا على مدى أكبر من الاختراق من جسيمات ألفا ، ولكنها لا تزال أقل بكثير من أشعة جاما، كما أن جسيمات بيتا المنبعثة هي شكل من أشكال الإشعاع المؤين المعروف أيضًا باسم أشعة بيتا، ويطلق على إنتاج جسيمات بيتا تسوس بيتا .
3- تسوس غاما
يمثل تسوس غاما أو γ الاضمحلال تفكك النواة الأم إلى اصغر نواة أيضا من خلال انبعاث أشعة gاما الفوتونات عالية الطاقة، وأشعة غاما هي أشعة كهرومغناطيسية أي فوتونات عالية الطاقة وذات تردد عالي جداً وطاقة عالية، ويتم إنتاجها من خلال تحلل النوى أثناء انتقالها من حالة طاقة عالية إلى حالة منخفضة تعرف باسم تسوس غاما، ومعظم التفاعلات النووية مصحوبة بانبعاث جاما .
طرق الاضمحلال الهامة1- القبض على الكترون
التقاط الإلكترون هو عملية حيث تلتقط النواة واحدة من إلكتروناتها المدارية وتصدر نيوترينو، ويتم في بعض الأحيان تضمين التقاط الإلكترون والمعروف أيضا باسم انحطاط بيتا المعكوس باعتباره نوعا من انحلال بيتا، وذلك لأن العملية النووية الأساسية التي يتوسطها التفاعل الضعيف هي نفسها .
2- التحويل الداخلي
التحويل الداخلي هو عملية كهرومغناطيسية ، تتحلل بواسطتها حالة متحمس نووي بواسطة الانبعاث المباشر لإحدى إلكتروناتها الذرية، ويتنافس التحويل الداخلي مع انبعاث جاما، ولكن في هذه الحالة لا ينتج عن حقول النواقل الكهرومغناطيسية في النواة انبعاث أشعة جاما ، بل تتفاعل الحقول مباشرة مع الإلكترونات الذرية، وعلى النقيض من انحلال بيتا الذي يحكمه قوة ضعيفة ، ينبعث الإلكترون من الذرة المشعة ولكن ليس من النواة .
3- تسوس نيوترون
تسوس النيوترون هو نوع من الاضمحلال الإشعاعي للنواة التي تحتوي على النيوترونات الزائدة خاصة المنتجات الانشطارية، حيث يتم طرد النيوترون ببساطة من النواة، ويلعب هذا النوع من الإشعاع دورا أساسيا في التحكم في المفاعلات النووية ، لأن هذه النيوترونات تؤخر النيوترونات .
4- تسوس بروتون
إن انحلال البروتون هو نوع نادر من الاضمحلال الإشعاعي للنواة التي تحتوي على بروتونات زائدة ، حيث يتم طرد البروتون ببساطة من النواة .
5- الانشطار العفوي
الانشطار العفوي SF هو شكل من أشكال الاضمحلال الإشعاعي الذي لا يوجد إلا في العناصر الكيميائية الثقيلة جدا .
طبيعة الاضمحلال الاشعاعي
تتكون النوى الذرية من بروتونات ونيوترونات تجذب بعضها البعض عبر القوة النووية، بينما تتنافر البروتونات بعضها عن طريق القوة الكهرومغناطيسية بسبب شحنتها الموجبة، وتتنافس هاتان القوتان مما يؤدي إلى استقرار مختلف من النوى، ولا يوجد سوى تركيبات معينة من النيوترونات والبروتونات ، التي تشكل نويات ثابتة والنيوترونات تثبت النواة لأنها تجذب بعضها البعض والبروتونات، مما يساعد على تعويض التنافر الكهربي بين البروتونات، ونتيجة لذلك فمع زيادة عدد البروتونات هناك حاجة إلى نسبة متزايدة من النيوترونات إلى البروتونات لتشكيل نواة مستقرة، وإذا كان هناك عدد كبير من النيوترونات تمتثل أيضا لمبدأ استبعاد باولي أو عدد قليل جدا من النيوترونات لعدد معين من البروتونات، فإن النواة الناتجة ليست ثابتة وتخضع للاضمحلال الإشعاعي، ومعظم الذرات الموجودة في الطبيعة مستقرة ولا تنبعث منها جزيئات أو طاقة تتغير بمرور الوقت، ومن العناصر الـ 82 الأولى في الجدول الدوري، فإن 80 لديها النظائر التي تعتبر مستقرة .
قوانين التسوس النووي
في تحليل التفاعلات النووية ، نطبق قوانين الحفظ العديدة، وتخضع التفاعلات النووية لقوانين الحفاظ الكلاسيكية للتهمة ، والزخم ، والزخم الزاوي ، والطاقة بما في ذلك طاقة الطرد، وقوانين الحفظ الإضافية غير المتوقعة من قبل الفيزياء الكلاسيكية ، هي :
1- قانون حفظ عدد ليبتون .
2- قانون حفظ رقم باريون .
3- قانون حفظ الشحنة الكهربائية .
ويتم إطاعة بعض هذه القوانين في جميع الظروف ، والبعض الآخر ليس كذلك، ولقد قبلنا الحفاظ على الطاقة والزخم في كل الأمثلة المعطاة ، نفترض أن عدد البروتونات وعدد النيوترونات محفوظة بشكل منفصل سنجد الظروف التي لا تكون فيها هذه القاعدة صحيحة، وعندما نفكر في ردود الفعل النووية غير النسبية فإن هذا صحيح في جوهره، ومع ذلك عندما نفكر في الطاقات النووية النسبية أو تلك التي تنطوي على التفاعلات الضعيفة ، سنجد أنه يجب تمديد هذه المبادئ .
القوانين الأساسية للتفاعلات
1- الحفاظ على النيوكليونات، والعدد الكلي من النيوكليونات قبل وبعد التفاعل هو نفسه .
2- الحفاظ على الشحن، ومجموع الرسوم على جميع الجسيمات قبل وبعد رد فعل هي نفسها .
3- الحفاظ على الزخم، والزخم الكلي للجسيمات المتفاعلة قبل وبعد التفاعل هو نفسه .
4- الحفاظ على الطاقة، يتم الحفاظ على الطاقة بما في ذلك طاقة الكتلة ، في التفاعلات النووية .
طرق الاضمحلال الاشعاعي1- اضمحلال ألفا
ويمثل انحلال ألفا تفكك النواة الأم إلى اصغر نواة من خلال انبعاث نواة ذرة الهيليوم، وتتكون جسيمات ألفا من بروتونين ونيوترون مرتبطان ببعضهما البعض في جسيم مماثل لنواة الهيليوم، وبسبب كتلته الكبيرة أكثر من 7000 ضعف كتلة جسيم بيتا وشحنته ، فإنه يؤين المواد الثقيلة وله مدى قصير جدا .
2- اضمحلال بيتا
يمثل تسوس بيتا أو β الاضمحلال تفكك النواة الأم إلى النواة الأصغر من خلال انبعاث جسيم بيتا، وجسيمات بيتا هي إلكترونات عالية الطاقة أو عالية السرعة أو بوزيترونات تنبعث من بعض أنواع النوى المشعة مثل البوتاسيوم 40، وتحتوي جسيمات بيتا على مدى أكبر من الاختراق من جسيمات ألفا ، ولكنها لا تزال أقل بكثير من أشعة جاما، كما أن جسيمات بيتا المنبعثة هي شكل من أشكال الإشعاع المؤين المعروف أيضًا باسم أشعة بيتا، ويطلق على إنتاج جسيمات بيتا تسوس بيتا .
3- تسوس غاما
يمثل تسوس غاما أو γ الاضمحلال تفكك النواة الأم إلى اصغر نواة أيضا من خلال انبعاث أشعة gاما الفوتونات عالية الطاقة، وأشعة غاما هي أشعة كهرومغناطيسية أي فوتونات عالية الطاقة وذات تردد عالي جداً وطاقة عالية، ويتم إنتاجها من خلال تحلل النوى أثناء انتقالها من حالة طاقة عالية إلى حالة منخفضة تعرف باسم تسوس غاما، ومعظم التفاعلات النووية مصحوبة بانبعاث جاما .
طرق الاضمحلال الهامة1- القبض على الكترون
التقاط الإلكترون هو عملية حيث تلتقط النواة واحدة من إلكتروناتها المدارية وتصدر نيوترينو، ويتم في بعض الأحيان تضمين التقاط الإلكترون والمعروف أيضا باسم انحطاط بيتا المعكوس باعتباره نوعا من انحلال بيتا، وذلك لأن العملية النووية الأساسية التي يتوسطها التفاعل الضعيف هي نفسها .
2- التحويل الداخلي
التحويل الداخلي هو عملية كهرومغناطيسية ، تتحلل بواسطتها حالة متحمس نووي بواسطة الانبعاث المباشر لإحدى إلكتروناتها الذرية، ويتنافس التحويل الداخلي مع انبعاث جاما، ولكن في هذه الحالة لا ينتج عن حقول النواقل الكهرومغناطيسية في النواة انبعاث أشعة جاما ، بل تتفاعل الحقول مباشرة مع الإلكترونات الذرية، وعلى النقيض من انحلال بيتا الذي يحكمه قوة ضعيفة ، ينبعث الإلكترون من الذرة المشعة ولكن ليس من النواة .
3- تسوس نيوترون
تسوس النيوترون هو نوع من الاضمحلال الإشعاعي للنواة التي تحتوي على النيوترونات الزائدة خاصة المنتجات الانشطارية، حيث يتم طرد النيوترون ببساطة من النواة، ويلعب هذا النوع من الإشعاع دورا أساسيا في التحكم في المفاعلات النووية ، لأن هذه النيوترونات تؤخر النيوترونات .
4- تسوس بروتون
إن انحلال البروتون هو نوع نادر من الاضمحلال الإشعاعي للنواة التي تحتوي على بروتونات زائدة ، حيث يتم طرد البروتون ببساطة من النواة .
5- الانشطار العفوي
الانشطار العفوي SF هو شكل من أشكال الاضمحلال الإشعاعي الذي لا يوجد إلا في العناصر الكيميائية الثقيلة جدا .
طبيعة الاضمحلال الاشعاعي
تتكون النوى الذرية من بروتونات ونيوترونات تجذب بعضها البعض عبر القوة النووية، بينما تتنافر البروتونات بعضها عن طريق القوة الكهرومغناطيسية بسبب شحنتها الموجبة، وتتنافس هاتان القوتان مما يؤدي إلى استقرار مختلف من النوى، ولا يوجد سوى تركيبات معينة من النيوترونات والبروتونات ، التي تشكل نويات ثابتة والنيوترونات تثبت النواة لأنها تجذب بعضها البعض والبروتونات، مما يساعد على تعويض التنافر الكهربي بين البروتونات، ونتيجة لذلك فمع زيادة عدد البروتونات هناك حاجة إلى نسبة متزايدة من النيوترونات إلى البروتونات لتشكيل نواة مستقرة، وإذا كان هناك عدد كبير من النيوترونات تمتثل أيضا لمبدأ استبعاد باولي أو عدد قليل جدا من النيوترونات لعدد معين من البروتونات، فإن النواة الناتجة ليست ثابتة وتخضع للاضمحلال الإشعاعي، ومعظم الذرات الموجودة في الطبيعة مستقرة ولا تنبعث منها جزيئات أو طاقة تتغير بمرور الوقت، ومن العناصر الـ 82 الأولى في الجدول الدوري، فإن 80 لديها النظائر التي تعتبر مستقرة .
قوانين التسوس النووي
في تحليل التفاعلات النووية ، نطبق قوانين الحفظ العديدة، وتخضع التفاعلات النووية لقوانين الحفاظ الكلاسيكية للتهمة ، والزخم ، والزخم الزاوي ، والطاقة بما في ذلك طاقة الطرد، وقوانين الحفظ الإضافية غير المتوقعة من قبل الفيزياء الكلاسيكية ، هي :
1- قانون حفظ عدد ليبتون .
2- قانون حفظ رقم باريون .
3- قانون حفظ الشحنة الكهربائية .
ويتم إطاعة بعض هذه القوانين في جميع الظروف ، والبعض الآخر ليس كذلك، ولقد قبلنا الحفاظ على الطاقة والزخم في كل الأمثلة المعطاة ، نفترض أن عدد البروتونات وعدد النيوترونات محفوظة بشكل منفصل سنجد الظروف التي لا تكون فيها هذه القاعدة صحيحة، وعندما نفكر في ردود الفعل النووية غير النسبية فإن هذا صحيح في جوهره، ومع ذلك عندما نفكر في الطاقات النووية النسبية أو تلك التي تنطوي على التفاعلات الضعيفة ، سنجد أنه يجب تمديد هذه المبادئ .
القوانين الأساسية للتفاعلات
1- الحفاظ على النيوكليونات، والعدد الكلي من النيوكليونات قبل وبعد التفاعل هو نفسه .
2- الحفاظ على الشحن، ومجموع الرسوم على جميع الجسيمات قبل وبعد رد فعل هي نفسها .
3- الحفاظ على الزخم، والزخم الكلي للجسيمات المتفاعلة قبل وبعد التفاعل هو نفسه .
4- الحفاظ على الطاقة، يتم الحفاظ على الطاقة بما في ذلك طاقة الكتلة ، في التفاعلات النووية .
