مواد پرتوزا (پرتوزایی) و کاربردهای آن

مواد پرتوزا (پرتوزایی) چیست و از کاربردهای آن چه می دانید؟
مواد پرتوزا به طور طبیعی در پوسته زمین، کف و دیوارهای خانه ها، مدارس، مطب ها و غذاهایی که می خوریم و می نوشیم وجود دارد. در هوای تنفسی ما گازهای پرتوزا وجود دارد و در بدن خودمان نیز ماهیچه ها، استخوان ها و بافت های مختلف حاوی مواد پرتوزا طبیعی می باشند.

پرتوزایی بخشی از زمین ماست و در تمام مدت وجود داشته است. بیشتر تشعشعاتی که در زمین در معرض آن هستیم از خورشید و ستارگان موجود در فضای خارج است. ما به طور مداوم با این اشعه ها بمباران می شویم اما به طور نسبی توسط جو پیرامون زمین در برابر آن ها محافظت می شویم.

کسانی که در سطح دریا هستند از کسانی که در ارتفاعات می باشند تشعشعات کمتری دریافت می کنند زیرا جو محافظ با افزایش ارتفاع نازک می شود به عبارت دیگر شخصی که در مناطق کوهستانی زندگی می کند دو برابر بیشتر از این نوع اشعه ها را نسبت به کسی که در سطح دریا زندگی می کند، دریافت می کند.

تابش از چیز های دیگری مانند سنگ ها و مواد معدنی نیز حاصل می شود. به همین دلیل کسانی که در خانه های ساخته شده از اجر یا بتن یا سنگ زندگی می کنند تابش بیشتری نسبت به کسانی که در خانه های چوبی زندگی می کنند، دریافت می کنند.

مواد پرتوزا (پرتوزایی) چیست؟
پرتوزایی اصطلاحی است که برای توصیف تجزیه اتم ها به کار می رود. اتم را می توان با تعداد پروتون های هسته مشخص کرد. برخی از عناصر طبیعی ناپایدار هستند. بنابراین، هسته آنها از هم پاشیده و دچار فروپاشی می شود، بنابراین انرژی را به شکل تابش آزاد می کند.

این پدیده فیزیکی را پرتوزایی یا رادیواکتیویته می نامند. فروپاشی مواد پرتوزا برحسب واحدهایی به نام بکرل بیان می شود. یک بکرل برابر است با یک فروپاشی در ثانیه.

همه چیز روی زمین از اتم ساخته شده است، اما می بینید که همه چیز روی زمین مثل هم نیست. زیرا اشیاء از انواع مختلف اتم ها ساخته شده است که عناصر نامیده می شوند. اتم ها بسیار کوچک هستند، اما هر اتم از یک عنصر حتی از ذرات زیر اتمی کوچک تر نیز ساخته شده است. اینها پروتون ها، نوترون ها و الکترون های اتم هستند.

تعداد پروتون ها مشخص می کند که آن اتم چه عنصری است. به عنوان مثال، یک اتم با 8 پروتون همیشه اکسیژن است و یک اتم با 80 پروتون همیشه جیوه است. اگر تعداد پروتون ها را تغییر دهید، عنصر را تغییر داده اید. چیزی که می تواند تغییر کند تعداد نوترون ها است.

بیایید به عنوان مثال کربن را بررسی کنیم. یک اتم کربن همیشه دارای 6 پروتون است، اما ممکن است دارای 6، 7 یا 8 نوترون باشد. این اتمها ایزوتوپ های کربن هستند، زیرا آنها اتمهای یک عنصر هستند که تعداد مختلفی از نوترون ها دارند.

وقتی ایزوتوپ ها ناپایدار باشند، به این معنی است که تعادلی بین نوترون ها و پروتون ها وجود ندارند در نتیجه این مواد پرتوزا هستند. اتم کربن با 6 نوترون، که کربن 12 نیز نامیده می شود، و اتم کربن با 7 نوترون، که کربن 13 نیز نامیده می شود، هر دو پایدار هستند زیرا تعداد پروتون ها و نوترون ها از تعادل خوبی برخوردار است.

اتم کربن با 8 نوترون ( کربن 14) اما پایدار نیست. این اتم پرتوزا است زیرا انرژی زیادی دارد و آن را ناپایدار می کند. پس از مدتی، انرژی اضافی از اتم ناپایدار آزاد می شود. به این فرآیند فروپاشی مواد پرتوزا گفته می شود. بعد از آزاد شدن انرژی کافی، اتم به حالت پایدار برمی گردد و دیگر پرتوزا نیست. همه مواد پرتوزا در نهایت تحلیل می روند.

رادیونوکلیدها با سرعت مشخصی دچار فروپاشی می شوند که بدون توجه به تأثیرات خارجی مانند دما یا فشار، ثابت می مانند. به مدت زمان تجزیه یا فروپاشی نیمی از رادیونوکلئیدها نیمه عمر گفته می شود. این مدت برای هر عنصر رادیویی متفاوت است، از کسرهای ثانیه تا میلیاردها سال متفاوت است.

به عنوان مثال، نیمه عمر ید 131 هشت روز است، اما برای اورانیوم 238، که در مقادیر مختلف در سراسر جهان وجود دارد، 4.5 میلیارد سال است. پتاسیم 40، منبع اصلی پرتوزایی در بدن ما نیمه عمری حدود 1.42 میلیارد سال دارد.

تاریخچه کشف مواد پرتوزا:
در سال 1896، آنتوان هنری بکرل فیزیکدان فرانسوی (1858-1908) به طور تصادفی دریافت که ماده معدنی غنی از اورانیوم به نام پیچبلند (pitchblende) اشعه های نامرئی و نافذی را ساطع می کند که می تواند صفحه عکاسی محصور در پاکت مات را تیره کند.

بنابراین اشعه ها انرژی حمل می کنند. این اشعه ها را رادیواکتیویته یا به سادگی مواد پرتوزا می گویند. به خود این اشعه ها تابش هسته ای گفته می شود.سپس ماری کوری دانشجوی تحصیلات تکمیلی (1934-1867)، با پیر کوری فیزیکدان مشهور فرانسوی (1909-1949) ازدواج کرد، مطالعه دکترای خود را در مورد پرتوهای بکرل آغاز کرد.

او و شوهرش هنگام تحقیق در مورد مواد پرتوزا دو عنصر رادیواکتیو جدید را کشف کردند که آنها را پولونیوم و رادیوم نامیدند. این دو عنصر جدید خانه های جدول تناوبی را پر کردند و به علاوه، میزان رادیواکتیویته در هر گرم ماده نسبت به اورانیوم را بسیار بالاتر نشان می دهند.

در طول یک دوره چهار ساله، کوری ها در شرایط بد کار کردند و بودجه شخصی خود را صرف کردند، کوری ها بیش از یک تن سنگ اورانیوم را پردازش کردند تا یک گرم نمک رادیوم را جدا کنند. رادیوم بسیار مورد توجه قرار گرفت، زیرا حدود دو میلیون برابر اورانیوم رادیواکتیو بود.

اندکی پس از اتمام دوره دکترای خود، هر دو کوری و بکرل برای کار در مورد رادیواکتیویته جایزه نوبل فیزیک 1903 را به خود اختصاص دادند. پیر در سال 1906 در یک حادثه اسب سواری کشته شد، اما ماری نزدیک به 30 سال دیگر به مطالعه رادیواکتیویته ادامه داد.

وی به دلیل کشف دو عنصر جدید جایزه نوبل شیمی را در سال 1911 دریافت کرد، وی تنها کسی است که موفق به دریافت جایزه نوبل در فیزیک و شیمی شده است. اثرات انگشت رادیواکتیو ماری در برخی از صفحات دفترچه یادداشت های او هنوز هم می تواند فیلم را آشکار کند و او از ضایعات ناشی از اشعه رنج می برد. وی در اثر سرطان خون که احتمالاً ناشی از اشعه بود درگذشت، اما تقریباً تا زمان مرگ در سال 1934 در تحقیقات فعال بود.

تابش مواد پرتوزا:
اصطلاح "تابش" بسیار گسترده است و شامل مواردی مانند نور و امواج رادیویی است. در این زمینه ما به تابش "یونیزه" اشاره داریم، به این معنی که چون چنین تابشی از ماده عبور می کند، می تواند باعث باردار شدن یا یونیزه شدن آن شود. در بافت های زنده، یون های الکتریکی تولید شده توسط تابش می توانند بر روند طبیعی بیولوژیکی تأثیر بگذارند.

انواع پرتوزایی:
پرتوزایی انواع مختلفی دارد که هر کدام دارای خصوصیات متفاوتی هستند. تشعشعات یونیزه کننده رایج که به طور کلی در مورد آنها صحبت می شود عبارتند از:

• تابش آلفا متشکل از ذرات سنگین و دارای بار مثبت است که توسط اتم عناصری مانند اورانیوم و رادیوم ساطع می شود. تابش آلفا را می توان به طور کامل توسط یک صفحه کاغذ یا لایه سطحی نازک پوست (اپیدرم) متوقف کرد. با این وجود، اگر مواد ساطع کننده آلفا با تنفس، غذا خوردن یا نوشیدن به بدن وارد شوند، می توانند بافت های داخلی را مستقیماً در معرض تشعشع قرار دهند و بنابراین ممکن است آسیب بیولوژیکی ایجاد کنند.
• تابش بتا از الکترون تشکیل شده است. نفوذ آنها از ذرات آلفا بیشتر است و می توانند از 1-2 سانتی متر آب عبور کنند. به طور کلی، یک ورق آلومینیوم با ضخامت چند میلی متر، تابش بتا را متوقف می کند.
• اشعه گاما تابش الکترومغناطیسی مشابه اشعه ایکس، نور و امواج رادیویی است. اشعه گاما، بسته به انرژی خود، می تواند از بدن انسان عبور کند، اما می تواند توسط دیواره های ضخیم بتن یا سرب متوقف شود.

نوترون ها:
ذرات بدون بار هستند و مستقیماً یونیزاسیون تولید نمی کنند. اما فعل و انفعالات آنها با اتمهای ماده می تواند باعث ایجاد پرتوهای آلفا، بتا، گاما یا X شود که سپس یونیزاسیون تولید می کنند. نوترون ها نفوذپذیر هستند و فقط با توده های ضخیم بتن، آب یا پارافین می توان جلوی آنها را گرفت.

اگرچه ما نمی توانیم حضور تابش را ببینیم یا احساس کنیم، اما می توان آن را با کمترین مقدار اندازه گیری تشعشع شناسایی و اندازه گیری کرد.

مواد پرتوزا طبیعی هستند، بیشتر مردم تصور می کنند که مواد پرتوزا مضر و ساخته دست بشر هستند، اما کاملاً برعکس این امر صادق است. در حقیقت، بیشتر مواد پرتوزا به طور طبیعی در محیط وجود دارند و عمر آنها بسیار بیشتر از انسان بوده است!

کاربرد مواد پرتوزا چیست؟
هر آنچه در زندگی روزمره با آن روبرو می شویم حاوی برخی از مواد پرتوزا است، برخی از آنها به طور طبیعی و برخی دیگر نیز ساخته شده توسط بشر هستند. در گذشته، در درجه اول 1920 تا 1950، طیف گسترده ای از محصولات پرتوزا به عنوان داروهای درمان کننده به فروش می رسید، به عنوان مثال قرص های حاوی رادیوم، محلول ها و دستگاه هایی که برای افزودن رادون به آب آشامیدنی طراحی شده اند استفاده بسیاری داشت. در مبحث کاربرد مواد پرتوزا چیست علوم هشتم به این موارد اشاره شده است.

ردیاب های دود:
بیشتر ردیاب های دود مسکونی حاوی منبع کم فعالیت آمریسیم 241 هستند. ذرات آلفا ساطع شده توسط آمریسیم، هوا را یونیزه می کنند و باعث هدایت دود در هوا می شود. هر ذره دود که وارد واحد شود جریان را کاهش می دهد و زنگ هشدار را روشن می کند.

ساعت ها:
ساعت های مدرن بعضی اوقات از مقدار کمی هیدروژن -3 (تریتیوم) یا پرومتیم -147 به عنوان منبع نور استفاده می کنند. ساعت های قدیمی (به عنوان مثال، قبل از 1970) از رادیوم -226 به عنوان منبع نور استفاده می کردند. اگر این ساعت های قدیمی باز شده و عقربه های آن با دست تماس داشته باشد، می توان مقداری از رادیوم را برداشته و احتمالاً بلعید. به همین ترتیب، هنگام دست زدن به این موارد باید احتیاط کرد.

سرامیک:
مواد سرامیکی (به عنوان مثال کاشی، ظروف سفالی) اغلب حاوی مقادیر بالایی از اورانیوم، توریم و یا پتاسیم هستند که به طور طبیعی وجود دارند. در بسیاری از موارد، فعالیت در لعاب متمرکز می شود. برخی از کاشی ها و ظروف سفالی قدیمی (به عنوان مثال، قبل از 1960)، به ویژه آنهایی که دارای لعاب قرمز نارنجی هستند به عنوان مثال ظروف (Fiesta®) می توانند کاملا پرتوزا باشند.

استفاده از مواد پرتوزا در صنعت شیشه:
ظروف شیشه ای، به خصوص ظروف شیشه ای عتیقه با رنگ زرد یا مایل به سبز می توانند حاوی مقادیر اورانیوم باشند. از چنین شیشه های حاوی اورانیوم غالباً به عنوان شیشه قناری یا وازلین یاد می شود. جمع کنندگان شیشه اورانیوم را برای درخشش جذابی که هنگام قرار گرفتن شیشه در معرض نور سیاه تولید می شود، دوست دارند.

حتی شیشه های معمولی می توانند حاوی مقادیر کافی پتاسیم -40 یا توریم -232 باشند که با یک ابزار نظرسنجی قابل تشخیص است. لنزهای دوربین قدیمی (دهه های 1950 تا 1970) اغلب از پوشش های توریم 232 استفاده می کنند تا شاخص شکست نور را تغییر دهند.

استفاده از مواد پرتوزا در کشاورزی:
کودهای تجاری برای تأمین سطوح مختلف پتاسیم، فسفر و نیتروژن طراحی شده اند. چنین کودهایی به دو دلیل می توانند حاوی مواد پرتوزا قابل اندازه گیری باشند. پتاسیم به طور طبیعی پرتوزا است و فسفر را می توان از سنگ فسفات که حاوی مقادیر بالای اورانیوم است، به دست آورد.

مواد پرتوزا در مواد غذایی:
غذاها حاوی انواع مختلفی مواد پرتوزا طبیعی است. اگرچه مقادیر پرتوزایی مواد غذایی بسیار کم است، اما هنگام حمل و نقل به صورت عمده، مواد غذایی باعث ایجاد زنگ هشدارهای مانیتور تابش در گذرگاه های مرزی می شود که دلیل آن وجود نمک کم سدیم می باشد که اغلب حاوی پتاسیم -40 است.

ما چگونه در معرض مواد پرتوزا قرار می گیریم؟
به طور متوسط ما سالانه در معرض حدود 2.4 میلی ثانیه تابش مواد پرتوزا هستیم هر چند این رقم بسته به موقعیت جغرافیایی چند صد درصدی می تواند متفاوت باشد.

این عناصر پرتوزا عبارتند از رادون (Radon 222)، تورون (Radon 220) و توسط محصولاتی که در اثر فروپاشی رادیوم (Radium 226) و توریم موجود در انواع سنگ ها، مصالح ساختمانی و خاک. در واقع بزرگ ترین منبع تابش طبیعی از مقادیر مختلف اورانیوم و توریم در خاک سراسر جهان حاصل می شود.

قرار گرفتن در معرض تشعشعات ناشی از پرتوهای کیهانی به ارتفاع و تاحدودی به عرض جغرافیایی بستگی دارد. ما به دو روش در معرض تابش یونیزان از منابع طبیعی هستیم: ما توسط عناصر پرتوزا طبیعی موجود در خاک و سنگ احاطه شده و با پرتوهای کیهانی که از فضای خارج وارد جو زمین می شوند محاصره شده ایم.

ما از طریق عناصر پرتوزا که از طریق غذا و آب و هوای تنفسی به بدن می رسانیم، در معرض تماس داخلی قرار می گیریم. علاوه بر این، ما در خون یا استخوان های خود عناصر پرتوزا (پتاسیم 40، کربن 14، رادیوم 226) داریم.

علاوه بر این، ما در معرض مقادیر مختلف تابش از منابع مانند اشعه ایکس دندانپزشکی و موارد دیگر پزشکی، استفاده های صنعتی از تکنیک های هسته ای و سایر محصولات مصرفی مانند ساعت مچی لومینه، آشکار سازهای دود یونیزاسیون و غیره هستیم.

همچنین ما در معرض تابش ناشی از عناصر پرتوزا موجود در آزمایش مواد منفجره هسته ای و تخلیه زباله های نیروگاه های هسته ای و ذغال سنگ هستیم.