الفصل الحادي عشر التهيج والتأين وتفاعل النترونات مع المادة Atom Ionizations and Interaction between Neutrons and matter.11.1 تهيج الذرات Atom Excitation رأينا أنه عندما تكتسدددددب الذرة كمية محددة من الطاقة قد يمتصددددها أحد اإللكترونات الداخلية في الذرة تكفي للقفز إلى مدار خارجي ذي سوية طاقية أعلى واالنتقال بالذرة من حالتها المستقرة إلى حالة جديدة مثارة. عندها نقول أن الذرة قد تعرضددددددت لعملية تهييج أو إثارة. الشددددددكل )1(. أما اإللكترون فتزداد طاقته الكامنة بعد هذا االنتقال بمقدار: ΔE = ev * حيث * V كمون التهيج. الشكل )1( عملية التهييج ولكن سرعان ما تصدر الذرة ما كسبته من الطاقة على شكل إشعاع كهرطيسي عندما يعود اإللكترون إلى سويته الطاقية األصلية. 121
يمكن أن يحدث تهيج الذرات بإحدى الطرق اآلتية: آ( التهيج بوساطة الفوتونات عندما يصطدم فوتون وارد بطاقة hv بذرة A يكتسب أحد اإللكترونات طاقة الفوتون فيتهيج ويحصل التفاعل اآلتي: hv + A -- A* يحصل التفاعل السابق إذا تحقق الشرط اآلتي: hv = e V * v = ev h وبالتالي: λ= ويمكن حساب طول موجة الفوتون الوارد بداللة كمون التهيج بتعويض v بقيمتها في العالقة C/v كما يأتي: λ = hc ev )1( و بعد تبديل كل من h e c بقيمها نحصل على العالقة اآلتية: λ = 12400 V حيث تقدر V بالفولط و λ باالنغستروم A. 0 وجدير بالذكر أن اإللكترون المتهيج سوف يعود إلى مداره الطبيعي ناشرة الذرة شعاعة ضوئية تواترها :ν A A + hν حيث hν طاقة الفوتون الصادر وهي محددة بسويات طاقة الكترون الذرة المتهيجة. ب( التهيج بوساطة اإللكترونات Excitation By Electrons 122
بفرن أن إلكترونا اصطدم بإحدى ذرات جسم صلب وهو وارد بطاقة حركية E k للذرة إذا تحقق الشرط اآلتي: E k ev ونكتب التفاعل على النحو اآلتي: e + A A + e عندئذ سوف يحصل تهيج ومن الواضح أن في الحالة التي يكون فيها ev E k = يقدم اإللكترون كامل طاقته إلى الذرة التي اصطدم فيها ويبقى دون حركة. ج( التهيج بوساطة األيونات أو الذرات Excitation by Ions or Atoms بفرن أن الذرة الهدف ذات كتلة E k عندئذ يحصل التفاعل اآلتي: m 1 وهي في حالة سكون وأن ذرة أخرى ذات كتلة m 2 واردة بطاقة حركية A + B A + B شريطة أن تحقق E k العالقة اآلتية: E k = m 1 + m 2 m 1 ev ومن الواضددددددح أن هذه الطاقة أكبر من ev الالزمة في حالة الفوتونات أو اإللكترونات وذلك ألنه في حالة الذرات الواردة التكتسب الذرة الهدف إال جزءا من الطاقة الواردة.11.2 تأين الذرات Atom Ionization نعلم أن الذرة في حالتها الطبيعية داخل أي وسددددط مادي تكون معتدلة كهربائيا حيث أنها تحوي القدر ذاته من الشحنات السالبة والشحنات الموجبة أو باألحرى العدد ذاته من اإللكترونات والبروتونات. إذا ورد إلى وسط شددددعاع أو جسدددديم بطاقة كافية يمكن لإللكترونات المقيدة ضددددمن مداراتها )في الغالب اإللكترونات األبعد عن النواة( أن تمتص قدرا محددا من الطاقة يسمح لبعضها بالتغلب على القوة الجاذبة التي تربطها بالنواة واالنفالت 123
من مداراتها واالنفصدددددددال عن الذرة فنقول أن الذرة تأينت ionized لإللكترون بالمقدار: الشددددددكل )2(. وتزداد الطاقة الكامنة ΔE = ev i حيث V i كمون التأين. ويمكن ألكثر من إلكترون أن يترك الذرة فإذا ترك الذرة إلكترون واحد حصددددلنا على أيون مشددددحون بشددددحنة ايجابية واحدة وإذا تركها إلكترونان حصدلنا على أيون ذي شدحنة ايجابية مضداعفة وهكذا. لكن الطاقة الالزمة أو الكمون الالزم لهددذه العمليددة يزداد ألندده كلمددا ازداد عدددد اإللكترونددات التي تفقدددهددا الددذرة ازدادت طدداقددة اإللكترونات المتبقية في الذرة. جسيم مؤين أيون سالب أيون موجب الشكل )2( عملية التأيين وحيث أن عدد اإللكترونات المشحونة سلبا المتبقية في الذرة يصبح بذلك أصغر من عدد البروتونات المشحونة إيجابا فإن الذرة تكتسب شحنة إجمالية موجبة ويطلق عليها والحالة هذه اسم أيون موجب أو شاردة موجبة. أما اإللكترون الذي غادر الذرة فيشار إليه كأيون سالب )شاردة سالبة( ويشكل كال األيونين المتعاكسين في الشحنة زوجا أيونيا. يطلق على العملية الفيزيائية التي تؤدي إلى توليد األيونات اسددددددم التأيين ويشددددددار إلى اإلشددددددعاع المسددبب لهذه العملية كإشددعاع مؤين. وكما نعلم أن جسدديمات ألفا وبيتا وكذلك أشددعة غاما وأشددعة إكس )األشددعة 124
السينية( والنترونات يمكنها جميعها أن تحدث تأيينا في ذرات المادة ولذلك فإن هذه األنواع من اإلشعاع تندرج جميعها بين أنماط اإلشعاع المؤين. ومن المهم أن نذكر هنا أن اإلشعاع االبتدائي )المسؤول عن حادثة التأيين األولى( ال بد من أن يخسر جزءا من طاقته في التفاعل الذي يؤدي إلى حدوث التأيين. وإذا ما تكرر حدوث هذا التفاعل بشددددددكل كاف فإن اإلشعاع المؤين قد تنتقل بشكل كلي إلى مادة الوسط الماص. 11.2.1.التأيين المباشر والتأيين غير المباشر Direct and Idirect Ioniztion 125 طاقة جميع أنواع اإلشددددددعاع التي تحمل شددددددحنة كهربائية قادرة على التأثير بقوى كهربائية في اإللكترونات المدارية لذرات الوسدددط الذي تمر فيه. وعلى سدددبيل المثال فإن جسددديمات ألفا التي تحمل شدددحنة موجبة يمكنها أن تجذب اإللكترونات المشحونة سلبا وتنتزعها من ذرات الوسط لتشكل معها ذرات هليوم معتدلة ومستقرة. كذلك األمر في حالة جسدددددديمات بيتا فإن القوى المطبقة على اإللكترونات المدارية تبلغ شددددددددات كافية لنزع بعض تلك اإللكترونات من مداراتها وإعطائها طاقة تنطلق بها عبر ذرات الوسط. وفي كلتا الحالتين يتم نزع اإللكترونات من ذرات الوسدددط عبر التفاعل المباشدددر بين اإلشدددعاع المؤين وتلك الذرات. لذلك يشدددار إلى اإلشدددعاع المؤين المشحون كهربائيا على اختالف أنواعه )ألفا بيتا أيونات ثقيلة( كإشعاع مؤين تأيينا مباشرا. أما اإلشعاع الذي ال يحمل شحنة كهربائية ومثال ذلك أشعة إكس وأشعة غاما والنترونات فيوصف بأنه إشعاع مؤين تأيينا غير مباشر. يقطع اإلشعاع المؤين تأيينا غير مباشر مسافات طويلة نسبيا في الفراغ الممتد بين ذرات الوسط الماص دون أن يؤثر بأية قوى على اإللكترونات المدارية إلى أن يصطدم عن طريق المصادفة اصطداما مباشرا بواحدة من تلك الذرات ليتفاعل معها تفاعال يقود إلى حدوث تأيين في مادة الوسط. من جهة أخرى يوصف التأيين بأنه شديد أو متوسط الشدة أو ضعيف ويستخدم تعبير التأيين الشديد في توصيف اإلشعاع الذي يولد كثافة أيونية مرتفعة على امتداد مساره في الوسط. توصف جسيمات ألفا وغيرها من الجسيمات المشحونة الثقيلة بأنها شديدة التأيين. أما جسيمات بيتا التي تحدث على امتداد مسارها تأيينا أقل شدة إذا ما قورنت بجسيمات ألفا فتعتبر متوسطة التأيين. بالنسبة ألشعة إكس وأشعة غاما فإنهما تولدان لدى عبورهما في المادة قدرا قليال فقط من األيونات لذلك يشار إليهما على أنهما إشعاع ضعيف التأيين. أما النترونات فتمثل حالة خاصة حيث أنها غير قادرة على إحداث أي
تأيين مباشر إال أن اإلشعاعات الناتجة عن تفاعالت النترونات مع المادة تتدرج من ضعيفة التأيين إلى شديدة التأيين. وأخيرا يمكن الحصول على تأين الذرات بالطرق نفسها التي نحصل بها على تهيجها أي بوساطة الفوتونات أو اإللكترونات أو الذرات أو األيونات. 11.3. اإلصدار اإللكتروني للمعادن Electron Emission يمكن الحصول على إلكترونات من سطح المعدن بإحدى الطرق اآلتية: آ( اإلصدار بالفعل الكهرحراري Thermoelectric Emission تدل التجربة على أنه إذا سخنا معدنا إلى درجة عالية من الحرارة فإنه يصبح قادرا على إصدار اإللكترونات من سطحه. تتضمن التجربة زجاجة مغلقة ومفرغة من الهواء يتخللها سلك من التنغستين لتسخين المهبط K كما تحتوي على صفيحة معدنية تدعى المصعد A. الشكل )3(. الشكل )3( اإلصدار اإللكتروني بالفعل الكهرحراري. عندما نسخن المهبط بوساطة سلك التسخين إلى درجة عالية من الحرارة بحدود 2250 K 0 ذرات المهبط تنطلق من المهبط بطاقة حركية تعطى بالعالقة اآلتية: فإن إلكترونات 1 2 mv2 = 3 2 kt 126 )2(
حيث K ثابتة بولتزمان و T درجة الحرارة المطلقة. يمكن إعادة كتابة العالقة السابقة بداللة سرعة اإللكترونات المنطلقة على النحو اآلتي: v = 3k m T )3( ويتضح من هذه العالقة أن سرعة اإللكترونات الصادرة من المهبط تتناسب طردا مع الجزر التربيعي لدرجة الحرارة T ولكن اليصل منها إلى المصعد إال اإللكترونات ذات الطاقة الحركية العالية. أما إذا طبقنا فرقا في الكمون بين المصعد والمهبط بحيث يكون المصعد موجبا بالنسبة للمهبط الحظنا مرور تيار كهربائي في الدارة وتزداد شدة التيار كلما ازداد فرق الكمون مع بقاء درجة حرارة التسخين ثابتة ولكن نحصل بعد قيمة معينة لكمون المصعد على تيار إشباع وهو تابع لدرجة حرارة التسخين. ب( اإلصدار اإللكتروني الثانوي Secondary Emission لقد لوحي بالتجربة أنه عند سقوط اإللكترونات على سطح صفيحة معدنية تصدر من سطح الصفيحة إلكترونات شدتها يمكن أن تكون أكبر من شدة اإللكترونات الواردة على الصفيحة. وهذا يدل على أن اإللكترونات الواردة بسرعة كافية على سطح المعدن تقلع منه عددا من اإللكترونات تسمى اإللكترونات الثانوية. K A K اجملمع الصفيحة الشكل )4(. اإلصدار اإللكتروني الثانوي 127
يمكن تجميع هذه اإللكترونات المنطلقة في اتجاهات مختلفة على مسرى يحيط بالصفيحة الهدف وذلك بتطبيق عليه كمون موجب بالنسبة للصفيحة. يدعى هذا المسرى المجمع. الشكل )4(. عند دراسددددة الطاقة الحركية لإللكترونات الثانوية الصددددادرة )وذلك بتخفيض قيمة كمون المسددددرى الذي يتلقاها تدريجيا إلى ان يصدبح سدالبا بالنسدبة للصدفيحة التي تصددرها فال يصدل عندئذ سدوى اإللكترونات التي لها طاقة أكبر من حد معين( وجد أن طاقتها ضددددددعيفة أقل من 10. ev أما طاقة اإللكترونات المنعكسددددددة الناتجة عن الحزمة األولية الواردة تكون وسطا بين طاقة اإللكترونات الواردة وطاقة اإللكترونات الثانوية. نعرف عامل اإلصدددددار اإللكتروني الثانوي α بعدد اإللكترونات التي يصدددددرها وسددددطيا إلكترون واحد. أو بتعبير آخر هي نسبة تيار اإللكترونات الثانوية الصادرة I s على تيار اإللكترونات الواردة I. p α = I s I p )4( تتعلق قيمة هذا العامل بطاقة اإللكترونات الواردة وبطبيعة الصددفيحة التي تصدددر اإللكترونات وبزاوية الورود على الهدف. ج( االصدار اإللكتروني بوساطة الفوتونات Emission by Photones كنا قد تناولنا هذه الظاهرة في فصددل سددابق وقد دعوناها المفعول الكهرضددوئي. ورأينا أن الضددوء وحيد اللون والذي يحمل طاقة كافية إذا سددقط على سددطح معدن فإنه يصددرف قسددما من طاقته إلخراج إلكترون من سددطح المعدن ويزوده بالقسم الباقي من طاقته كطاقة حركية تعطى وفق العالقة: E k = hν hν 0 حيث hν طاقة الفوتون و hν 0 تابع العمل للمعدن. 128
تفاعل النترونات مع الوسط المادي Interaction between Neutrons and Material Medium.11.4 تمثل النترونات إلى جانب البروتونات اللبنات األساسية المكونة للنواة في الذرة أما المصدر الرئيس للنترونات الحرة هو التفاعالت النووية السيما في حوادث انشطار النوى الثقيلة. إن جميع النترونات الحرة تبدأ حياتها كنترونات سريعة تزيد طاقتها على 0.1 ميغا إلكترون فولط. لكن النترونات السريعة ال تلبث أن تتباطأ وتخسر جزءا كبيرا من طاقتها عبر جملة من التصادمات مع األنوية في ذرات الوسط. تتأثر النترونات مع المادة عبر تفاعالت ثالث رئيسة هي: آ( التشتت المرن Elastic Scattering ب( التشتت الالمرن Inelastic Scattering ج( أسر النترون Neutron Capture أ( التشتت المرن Elastic Scattering يطلق اسم التشتت المرن على التصادمات المرنة التي تخوضها النترونات مع نوى ذرات الوسط والتي ينتج عنها انتقال جزء من طاقة النترون إلى مادة الوسط وانحراف النترون عن مساره األصلي أو تشتت النترونات في الوسط )يعرف التصادم المرن بأنه التصادم الذي يحفي مصونية الطاقة الحركية الكلية للجسيمات المتصادمة أي أن مجموع الطاقات الحركية للجسيمات المتصادمة بعد الصدم يساوي مجموعها قبل الصدم(. في حالة التصادم المرن يصطدم النترون السريع أو المتوسط السرعة بنواة إحدى ذرات الوسط ويرتد عنها بعد أن يخسر جزءا من طاقته الحركية االبتدائية. تنتقل الطاقة التي يخسرها النترون إلى النواة حيث تظهر على شكل طاقة حركية تدفع بتلك النواة إلى مغادرة موضعها واالنتقال عبر الوسط أما النترون فإنه ينحرف مغيرا مساره. الشكل )5(. تجدر اإلشارة هنا إلى أن اتجاه ارتداد النواة وكذلك شدة انحراف النترون تتعلقان بكمية الطاقة المنتقلة من النترون إلى النواة. نترون نترون ن واة الشكل )5( التبعثر المرن للنترونات 129
إن الحالة األكثر جدوى في نقل طاقة النترون إلى الوسط الماص تكمن في التصادم مع جسيم مشابه له في الكتلة كأن يتصادم مع نترون آخر أو مع بروتون على سبيل المثال. عندما يصطدم النترون بهدف أكبر منه بكثير )من حيث الكتلة العطالية( فإنه سوف يرتد عن ذلك الهدف ارتداد كرة الكريكيت على كرة حديدة ضخمة كقذيفة المدفع مثال وسوف لن يخسر النترون من طاقته إال النذر اليسير. وكذلك إذا ما ارتطم النترون بهدف أصغر منه بكثير فإنه سوف يدفع ذلك الهدف جانبا ويزيحه عن طريقه دون عناء بمثل ما تزيح كرة الكريكيت كرة تنس الطاولة الصغيرة. وهنا أيضا لن يخسر النترون من طاقته إال جزءا صغيرا ال يستحق الذكر أما عندما يصطدم النترون مع نترون آخر أو مع بروتون فإن الطاقة االبتدائية للنترون الوارد سوف تتوزع بعد الصدم على كال الجسيمين بنسب متقاربة. عمليا هذا يعني أن المواد الغنية بالهيدروجين )كالماء والبيتونوالبارافين على سبيل المثال( تتمتع بمواصفات متميزة فيما يخص التدريع ضد النترونات ألن ذرات الهيدروجين التي تحمل في نواتها بروتونا وحيدا تسمح بتبديد طاقة النترون بسرعة كبيرة نسبيا أي خالل عدد قليل من التصادمات المرنة. علل استخدام الماء كدرع لدرء مخاطر النترونات من المفيد التذكير هنا أن النوى المرتدة في عملية التبعثر المرن للنترونات تمثل جسيمات ثقيلة مشحونة تنطلق عبر الوسط الماص حاملة طاقة االرتداد التي ظفرت بها على حساب طاقة النترون وهذه النوى المرتدة تخسر طاقتها خالل مسافة قصيرة في الوسط عبر سلسلة من حوادث التأيين والتهييج شأنها في ذلك شأن جسيمات ألفا ولذلك فإن النوى المرتدة تصنف أيضا بين أنماط اإلشعاع شديد التأيين. لهذا السبب وألن التبعثر المرن يمثل التفاعل األرجح بالنسبة للنترونات السريعة في النسيج البيولوجي فإن النترونات من شأنها أن تسبب أضرارا بالغة لدى مرورها في الجسم البشري. Inelastic Scattering ب( التبعثر الالمرن يمكن أن يتفاعل النترون مع المادة بآلية أخرى أكثر تعقيدا عندما يصطدم نترون سريع أو متوسط مع نواة أكبر منه بكثير وال يرتد عنها )كما أسلفنا في حالة التبعثر المرن( بل يمتص من قبل تلك النواة التي ال تلبث أن تقذفه من جديد في الوسط لكن بطاقة أصغر بوضوح من طاقته االبتدائية. ومن جهة أخرى فإن إصدار النترون يخلف النواة في حالة مثارة ال تلبث أن تتفكك لتعود النواة إلى حالة االستقرار مصدرة طاقة اإلثارة على شكل أشعة غاما. ولما كانت الطاقة الحركية الكلية غير مصونة في هذا التصادم )إذ أن جزءا من الطاقة قد استهلك في توليد 130
أشعة غاما( فإن هذا النوع من التصادم يعرف باسم التصادم الالمرن. كذلك يطلق على هذا النوع من تفاعل النترونات مع المادة اسم التبعثر الالمرن. الشكل )6(. نترون أشعة غاما ن واة نترون ن واة مثارة الشكل )6(. التبعثر الالمرن للنترونات يتوقف احتمال التبعثر الالمرن بالدرجة األولى على طاقة النترون حيث يكبر هذا االحتمال بازدياد طاقة النترون. ومن الضروري أن تؤخذ أشعة غاما الناتجة عن التبعثر الالمرن بعين االعتبار في المسائل المتعلقة بالتدريع ضد النترونات السيما إذا ما توافرت الشروط المواتية لحدوث هذا النوع من التفاعل. Neutron Capture ج( أسر النترون تتحول النترونات السريعة والمتوسطة بعد تبطيئها )تهدئتها( بواسطة التصادمات المرنة والالمرنة إلى نترونات حرارية طاقتها من مرتبة 0.025 إلكترون فولط. لكن النترون الحراري سرعان ما يتعرن لألسر من قبل نواة إحدى ذرات الوسط الماص ليصبح جزءا من تلك النواة. ومن جهة أخرى فإن النواة الجديدة الناتجة ال بد لها من التخلص من فائض الطاقة الناجم عن تحرر طاقة ارتباط النترون في عملية األسر وعادة ما يتم ذلك عبر إصدار أشعة غاما. الشكل )7(. 131
نترون A ن واة وزن ها الذري ن واة وزن ها الذري 1+A مصد رة ألشعة غاما الشكل )7( أسر النترون إن أسر النترونات قد يحرن في بعض الحاالت واحدا من التفاعالت األخرى التالية: يقود أسر النترون في بعض النوى الخفيفة إلى إصدار بروتون. يقود أسر النترون في نواة البورون أو الليثيوم إلى إصدار جسيم ألفا. يقود أسر النترون في بعض النوى الثقيلة كنواة اليورانيوم أو البلوتونيوم إلى االنشطار. يفيد أسر النترون في العديد من النوى في إنتاج نظائر مشعة تعرف هذه العملية بالتنشيط النتروني ومثال ذلك تشعيع اإليريديوم المستقر بالنترونات الحرارية إلنتاج النظير إيريديوم- 192 وهو نظير مشع يصدر غاما / بيتا ويستخدم ألغران التصوير الشعاعي الصناعي بأشعة غاما. Capture Crossbarn( ويقاس بواحدة تدعى البارن Section تعطى قدرة المادة على أسر النترونات بمقدار فيزيائي يسمى المقطع العرضي لألسر 1= 2 10(. 24- cm يمتاز الكادميوم والليثيوم والبورون بقدرة كبيرة على امتصاص )أسر( النترونات الحرارية لكن امتصاص النترون من قبل نواة الكادميوم أو البورون يؤدي إلى انبعاث إشعاع غاما األمر الذي ال يجوز إغفاله لدى التخطيط للتدريع ضد النترونات. وفي الواقع فإن تركيبة تضم مادتي البولي إيتيلين والبورون )أو الليثيوم( تعطي درعا جيدا للوقاية من النترونات حيث تتولى ذرات الهيدروجين الموجودة بوفرة في مادة البولي إيتيلين تهدئة النترونات وتحويلها إلى نترونات حرارية ال تلبث أن تؤسر في نوى البورون )أو الليثيوم(. ولما كانت جسيمات ألفا التي تنتج عن تفاعل األسر ال تقطع سوى 132
مسافة صغيرة جدا في مادة الدرع فإن الخطر الرئيس يتجسد في أشعة غاما المنبعثة من نواة البورون بعد األسر والتي تبلغ طاقتها 0.48 ميغا إلكترون فولط وربما بعض من فوتونات غاما ذات الطاقة 2.26 ميغا إلكترون فولط التي تنبعث في حالة أسر النترون من قبل نواة الهيدروجين. لكن نسبة هذه األخيرة تبقى في جميع األحوال ضعيفة جدا وذلك بسبب صغر المقطع العرضي ألسر النترونات في نواة الهيدروجين بالمقارنة مع البورون أو الليثيوم. لمزيد من المعلومات: Physics for Sientists and Engineers with Modern Physics 9 th edi. 2015, P.,,13951399,1403 اإلطالع على الموقع /http://ar.wikipedia.org/wiki إضافات مدرس المقرر 133
134