النظائر هي ذرات تحتوي أنويتها على نفس العدد من البروتونات ولكنها تختلف في عدد النيوترونات التي تحتويها . ويعني ذلك أن العدد الذري للعنصر الواحد لايتغير في حين يتغير عدده الكتلي . ويوصف العنصر في تلك الحالة بأن له عدة نظائر . وعموماً فإن لكل عنصر عدداً من النظائر قد يصل الى خمسين نظير بالنسبة للعناصر الثقيلة . والنظائر هي ترجمة لكلمة مشتقة من اللغة اليونانية ( isotopes ) أي نفس الموضع , ويدل ذلك المعنى على أن النظائر تقع في نفس المكان من الجدول الدوري للعناصر .
ولنظائر العنصر نفس الخواص الكيميائية , وعادة ما توجد العناصر الكيميائية في الطبيعة على هيئة مخاليط من نظائرها المتنوعة . وبعض النظائر لا توجد في الطبيعة بصفة عامة ولكنها تنتج صناعياً باستخدام المفاعلات والمعجلات النووية .
أنواع النظائر
تنقسم النظائر الى نوعين , يعرف النوع الأول بالنظائر المستقرة , بينما يعرف النوع الثاني بالنظائر غير المستقرة أو النظائر المشعة .
ويبلغ عدد النظائر المستقرة حوالي 300 في حين أنه قد تم الإنتاج الصناعي لما يزيد عن 1500 نظير مشع حتى الآن , وهناك 21 عنصراً متواجد طبيعياً في صورة نقية أي بدون أية نظائر . وتنقسم النظائر المشعة الى نظائر طبيعية موجودة في الطبيعة منذ خلقها الله سبحانه وتعالى وأخرى صناعية تمكن الإنسان من إنتاجها ليستخدمها في الأغراض المختلفة .
إنتاج النظائر المشع
يتم إنتاج النظائر المشعة المختلفة عن طريق تعريض ( أي تشعيع ) النظائر المستقرة لسيل من الجسيمات النووية كالنيوترونات أو البروتونات
أو الديوترونات ( الديوترون عبارة عن نواة تتكون من بروتون ونيوترون ) أو جسيمات ألفا أو غيرها . وتستخدم لهذا الغرض المفاعلات النووية أو مولدات النيوترونات كمصدر للنيوترونات في حين تستخدم المعجلات النووية كمصدر للجسيمات المشحونة كالبروتونات والديوترونات وجسيمات ألفا وغيرها .
يتم إنتاج النظائر المشعة بواسطة مايلي :
المفاعلات ومولدات النيوترونات
تتكون النظائر المشعة عند التشعيع بالنيوترونات من خلال التفاعل المعروف باسم تفاعل الأسر النيوتروني حيث تأسر النواة المستقرة ( النواة الهدف ) أحد النيوترونات الساقطة عليها فتتكون نواة النظير الجديد .
ومن امثلة هذا التفاعل أسر نواة الصوديوم 23 المستقر للنيوترون وتكون الصوديوم 24 المشع , وأسر نواة الفسفور 31 المستقر للنيوترون مكونة نواة الفسفور 32 المشع , وكذلك أسر نواة الكوبلت 59 المستقرة للنيوترون وتكون الكوبلت 60 المشع .
ويتم إنتاج عدة مئات من النظائر المشعة المختلفة بالتشعيع النيوتروني لنظائر مستقرة . ومن أمثلة النظائر المنتجة بهذا الأسلوب ( الصوديوم 24 , الفسفور 32 , الكروم 51 , الكوبلت 60 , البروم 82 , الفضة 111 , اليود 125 , اليود 131 , الزئبق 197 الذهب 198 ) وغيرها .
كذلك تستخدم التفاعلات النووية المستحثة بالنيوترونات والتي تنطلق عنها جسيمات مشحونة مثل البروتونات أو جسيمات ألفا أو غيرها في الحصول على العديد من النظائر المشعة . ومن الأمثلة على ذلك تجهيز نظير الصوديوم 24 المشع نتيجة قصف المغنيسيوم 24 بالنيوترونات وأسرها وانطلاق البروتون طبقاً للتفاعل الآتي :
مغنيسيوم 24 + نيوترون -----------> صوديوم 24 + بروتون
وتنتج عشرات النظائر المشعة باستخدام التفاعلات النووية المستحثة بالنيوترونات والتي تنتج عنها انطلاق جسيمات مشحونة .
وفضلاً عن ذلك يستخدم التفاعل الإنشطاري للحصول على عدد من النظائر المشعة . فعند تعرض المواد الإنشطارية أو القابلة للإنشطار للنيوترونات تنشطر المادة الإنشطارية أو القابلة للإنشطار تحت ظروف معينة الى نواتين جديدتين متوسطتي الكتلة . ويتم إنتاج عدد من النظائر المشعة نتيجة لانشطار نوى اليورانيوم والثوريوم بالنيوترونات . ومن أمثلة النظائر المنتجة بهذا الأسلوب ( المولبيبدينيوم 99 , الفضة 111 ) وغيرها .
وتعد مفاعلات الأبحاث متوسطة القدرة والتي يتراوح الفيض النيوتروني فيها بين (100000000000 و 100000000000000 نيوترون/ سم2. ثانية) من أنسب المفاعلات لإنتاج معظم النظائر المشعة من خلال التشعيع النيوتروني .
وتعد المفاعلات من نوع البركة السابحة ( Swimming Pool Reactors )
والمفاعلات المشابهة من أكثر المفاعلات ملاءمة لإنتاج النظائر حيث تتميز تلك المفاعلات بسهولة عمليات إدخال وإخراج العينات الخاضعة للتشعيع وبالتالي سهولة التحكم في زمن التشعيع الذي يعد من العناصر الهامة في عملية إنتاج النظائر . إلا أنه في حالة انتاج النظائر المشعة ذات النشاط النوعي المرتفع اللازمة لعمليات التعقيم والعلاج وبعض الأغراض الصناعية الأخرى فإن الأمر يتطلب وجود مفاعلات يصل فيها الفيض النيوتروني الى (1000000000000000 نيوترون/ سم2. ثانية) بل وأكثر من ذلك .
وفي بعض الأحيان تستخدم مولدات النيوترونات بدلاً من المفاعلات كمصدر للنيوترونات , وتعطي المولدات عدداً من النيوترونات يصل الى حوالي ( 10000000000 – 100000000000نيوترون/ ثاتية ) لذا فإنه يمكن استخدام هذه المولدات في تشعيع النظائر المستقرة التي تتميز بمقطع عرضي كبير للتفاعل . ومعنى المقطع العرضي للتفاعل هو احتمال حدوث هذا التفاعل عند سقوط جسيم واحد على نواة هدف واحدة موجودة في وحدة المساحة .
المعجلات
تنتج العديد من النظائر المشعة بقصف النظائر المستقرة بحزمة من الجسيمات المشحونة المسرعة في المعجلات النووية لطاقة تتراوح ما بين 10 الى 40 م.أ.ف تبعاً لنوع النظير وللمقطع العرضي للتفاعل المعين .
ويعد معجل السيكلوترون متغير الطاقة من أنسب المعجلات لإنتاج أكبر عدد من النظائر المشعة باستخدام عملية قصف النظائر المستقرة بالجسيمات المشحونة . ولزيادة معدل الإنتاج ينبغي أن يتميز المعجل بتيار كبير من الجسيمات المشحونة بحيث يصل الى حوالي 100 ميكرو أمبير بل ويزيد وذلك لإمكانية الحصول على النظائر التي تتميز المقاطع العرضية المؤدية لها بقيم صغيرة .
وتجدر الإشارة الى أنه يمكن إنتاج مئات العينات من نفس النظير أو من النظائر المختلفة في آن واحد داخل المفاعل وذلك بوضع جميع العينات المراد تشعيعها داخل المفاعل في نفس الوقت . إلا أنه بالنسبة للمعجلات لا يوجد سوى حزمة واحدة من الجسيمات المعجلة يتم توجيهها للنظير المستقر المطلوب تحضير نظير مشع منه .
يندر استخدام النظائر المشعة المنتجة على المعجلات إلا في حالات الضرورة كعدم ملاءمة الخصائص النووية للنظير المنتج في المفاعل للدراسة أوعدم إمكانية أنتاج النظير المطلوب في المفاعل أو بُعد المفاعل عن المكان الذي سوف يستخدم فيه النظير المشع خاصة إذا كان النظير من النوع ذي العمر النصفي القصير .
ومن النظائر التي تنتج باستخدام المعجلات ( الصوديوم 22 , المنجنيز 52 , الكوبلت 57 , الزنك 65 , الجاليوم 67 )
مراحل إنتاج النظائر
تمر عملية إنتاج النظائر بمراحل عديدة . وتعني المرحلة الاولى بإعداد النظير المستقر المطلوب تشعيعه بحيث يكون على درجة عالية من النقاوة . ويعبأ النظير سواء كان في شكل منفرد أو في شكل مركب كيميائي داخل وعاء التشعيع الذي ينبغي أن يستوفي بعض المتطلبات , ويوفر وصول الجسيمات فيه المساهمة في التفاعل الى النظير المستقر الموجود داخله .
وتتم بعد ذلك عملية التشعيع سواء في المفاعل أو على المعجل وتستمر لفترات متفاوتة تفاوتاً كبيراً تبعاً لنوع النظير وللمقطع العرضي للتفاعل وللنشاط الإشعاعي اللازم . وقد تستمر عملية التشعيع لدقائق محدودة كما قد تمتد لعدة أيام بل لعشرات الأيام .
وبعد التشعيع داخل المفاعل أو على المعجل تبدأ مرحلة المعالجات المختلفة للنظير المشع . وتتضمن هذه المرحلة عمليات فصل النظير المشع عن النظير المستقر الذي تبقى بعد التشعيع أو عن النظائر الأخرى التي تتكون كعمليات جانبية . ويتم في نهاية هذه المرحلة الحصول على النظير المشع المطلوب في الصورة الكيميائية المناسبة للإستخدام للغرض المعين وبالنقاوة المطلوبة . وقد يتطلب الأمر إجراء بعض عمليات التعقيم للنظير المشع في الحالات التي يستخدم فيها النظير داخلياً للأغراض الطبية . وفي نهاية المرحلة تجرى العمليات الخاصة باختيار جودة المنتج وتحديد مدى صلاحيته للإستخدام وتحديد الشدة الإشعاعية النوعية له وتعبئته في العبوات الملائمة ووضعه داخل الدروع الإشعاعية الواقية وغير ذلك من الأعمال الأخرى .
وهكذا فإنه لتنفيذ برنامج متكامل لإنتاج النظائر المشعة يتطلب الأمر توفر قاعدة تقنية تقوم على مفاعل أبحاث متوسط القدره ومعجل متغير الطاقة للجسيمات المشحونة تصل طاقته الى حوالي ( 30 – 40 م .إ.ف ) ويصل تيار حزمة الجسيمات فيه الى حوالي 100 ميكرو أمبير .
وفضلاً عن ذلك يتطلب الأمر توفر بعض الوحدات الرئيسة الأخرى التي تعني بإعداد المادة المطلوب تشعيعها وتنفيذ عمليات الفصل والمعالجات الكيميائية والتقنية وإجراء اختبارات الجودة والصلاحية وإجراء القياسات الإشعاعية وتنفيذ الدروع وغير ذلك من الأعمال المرتبطة بالإنتاج .
ولنظائر العنصر نفس الخواص الكيميائية , وعادة ما توجد العناصر الكيميائية في الطبيعة على هيئة مخاليط من نظائرها المتنوعة . وبعض النظائر لا توجد في الطبيعة بصفة عامة ولكنها تنتج صناعياً باستخدام المفاعلات والمعجلات النووية .
أنواع النظائر
تنقسم النظائر الى نوعين , يعرف النوع الأول بالنظائر المستقرة , بينما يعرف النوع الثاني بالنظائر غير المستقرة أو النظائر المشعة .
ويبلغ عدد النظائر المستقرة حوالي 300 في حين أنه قد تم الإنتاج الصناعي لما يزيد عن 1500 نظير مشع حتى الآن , وهناك 21 عنصراً متواجد طبيعياً في صورة نقية أي بدون أية نظائر . وتنقسم النظائر المشعة الى نظائر طبيعية موجودة في الطبيعة منذ خلقها الله سبحانه وتعالى وأخرى صناعية تمكن الإنسان من إنتاجها ليستخدمها في الأغراض المختلفة .
إنتاج النظائر المشع
يتم إنتاج النظائر المشعة المختلفة عن طريق تعريض ( أي تشعيع ) النظائر المستقرة لسيل من الجسيمات النووية كالنيوترونات أو البروتونات
أو الديوترونات ( الديوترون عبارة عن نواة تتكون من بروتون ونيوترون ) أو جسيمات ألفا أو غيرها . وتستخدم لهذا الغرض المفاعلات النووية أو مولدات النيوترونات كمصدر للنيوترونات في حين تستخدم المعجلات النووية كمصدر للجسيمات المشحونة كالبروتونات والديوترونات وجسيمات ألفا وغيرها .
يتم إنتاج النظائر المشعة بواسطة مايلي :
المفاعلات ومولدات النيوترونات
تتكون النظائر المشعة عند التشعيع بالنيوترونات من خلال التفاعل المعروف باسم تفاعل الأسر النيوتروني حيث تأسر النواة المستقرة ( النواة الهدف ) أحد النيوترونات الساقطة عليها فتتكون نواة النظير الجديد .
ومن امثلة هذا التفاعل أسر نواة الصوديوم 23 المستقر للنيوترون وتكون الصوديوم 24 المشع , وأسر نواة الفسفور 31 المستقر للنيوترون مكونة نواة الفسفور 32 المشع , وكذلك أسر نواة الكوبلت 59 المستقرة للنيوترون وتكون الكوبلت 60 المشع .
ويتم إنتاج عدة مئات من النظائر المشعة المختلفة بالتشعيع النيوتروني لنظائر مستقرة . ومن أمثلة النظائر المنتجة بهذا الأسلوب ( الصوديوم 24 , الفسفور 32 , الكروم 51 , الكوبلت 60 , البروم 82 , الفضة 111 , اليود 125 , اليود 131 , الزئبق 197 الذهب 198 ) وغيرها .
كذلك تستخدم التفاعلات النووية المستحثة بالنيوترونات والتي تنطلق عنها جسيمات مشحونة مثل البروتونات أو جسيمات ألفا أو غيرها في الحصول على العديد من النظائر المشعة . ومن الأمثلة على ذلك تجهيز نظير الصوديوم 24 المشع نتيجة قصف المغنيسيوم 24 بالنيوترونات وأسرها وانطلاق البروتون طبقاً للتفاعل الآتي :
مغنيسيوم 24 + نيوترون -----------> صوديوم 24 + بروتون
وتنتج عشرات النظائر المشعة باستخدام التفاعلات النووية المستحثة بالنيوترونات والتي تنتج عنها انطلاق جسيمات مشحونة .
وفضلاً عن ذلك يستخدم التفاعل الإنشطاري للحصول على عدد من النظائر المشعة . فعند تعرض المواد الإنشطارية أو القابلة للإنشطار للنيوترونات تنشطر المادة الإنشطارية أو القابلة للإنشطار تحت ظروف معينة الى نواتين جديدتين متوسطتي الكتلة . ويتم إنتاج عدد من النظائر المشعة نتيجة لانشطار نوى اليورانيوم والثوريوم بالنيوترونات . ومن أمثلة النظائر المنتجة بهذا الأسلوب ( المولبيبدينيوم 99 , الفضة 111 ) وغيرها .
وتعد مفاعلات الأبحاث متوسطة القدرة والتي يتراوح الفيض النيوتروني فيها بين (100000000000 و 100000000000000 نيوترون/ سم2. ثانية) من أنسب المفاعلات لإنتاج معظم النظائر المشعة من خلال التشعيع النيوتروني .
وتعد المفاعلات من نوع البركة السابحة ( Swimming Pool Reactors )
والمفاعلات المشابهة من أكثر المفاعلات ملاءمة لإنتاج النظائر حيث تتميز تلك المفاعلات بسهولة عمليات إدخال وإخراج العينات الخاضعة للتشعيع وبالتالي سهولة التحكم في زمن التشعيع الذي يعد من العناصر الهامة في عملية إنتاج النظائر . إلا أنه في حالة انتاج النظائر المشعة ذات النشاط النوعي المرتفع اللازمة لعمليات التعقيم والعلاج وبعض الأغراض الصناعية الأخرى فإن الأمر يتطلب وجود مفاعلات يصل فيها الفيض النيوتروني الى (1000000000000000 نيوترون/ سم2. ثانية) بل وأكثر من ذلك .
وفي بعض الأحيان تستخدم مولدات النيوترونات بدلاً من المفاعلات كمصدر للنيوترونات , وتعطي المولدات عدداً من النيوترونات يصل الى حوالي ( 10000000000 – 100000000000نيوترون/ ثاتية ) لذا فإنه يمكن استخدام هذه المولدات في تشعيع النظائر المستقرة التي تتميز بمقطع عرضي كبير للتفاعل . ومعنى المقطع العرضي للتفاعل هو احتمال حدوث هذا التفاعل عند سقوط جسيم واحد على نواة هدف واحدة موجودة في وحدة المساحة .
المعجلات
تنتج العديد من النظائر المشعة بقصف النظائر المستقرة بحزمة من الجسيمات المشحونة المسرعة في المعجلات النووية لطاقة تتراوح ما بين 10 الى 40 م.أ.ف تبعاً لنوع النظير وللمقطع العرضي للتفاعل المعين .
ويعد معجل السيكلوترون متغير الطاقة من أنسب المعجلات لإنتاج أكبر عدد من النظائر المشعة باستخدام عملية قصف النظائر المستقرة بالجسيمات المشحونة . ولزيادة معدل الإنتاج ينبغي أن يتميز المعجل بتيار كبير من الجسيمات المشحونة بحيث يصل الى حوالي 100 ميكرو أمبير بل ويزيد وذلك لإمكانية الحصول على النظائر التي تتميز المقاطع العرضية المؤدية لها بقيم صغيرة .
وتجدر الإشارة الى أنه يمكن إنتاج مئات العينات من نفس النظير أو من النظائر المختلفة في آن واحد داخل المفاعل وذلك بوضع جميع العينات المراد تشعيعها داخل المفاعل في نفس الوقت . إلا أنه بالنسبة للمعجلات لا يوجد سوى حزمة واحدة من الجسيمات المعجلة يتم توجيهها للنظير المستقر المطلوب تحضير نظير مشع منه .
يندر استخدام النظائر المشعة المنتجة على المعجلات إلا في حالات الضرورة كعدم ملاءمة الخصائص النووية للنظير المنتج في المفاعل للدراسة أوعدم إمكانية أنتاج النظير المطلوب في المفاعل أو بُعد المفاعل عن المكان الذي سوف يستخدم فيه النظير المشع خاصة إذا كان النظير من النوع ذي العمر النصفي القصير .
ومن النظائر التي تنتج باستخدام المعجلات ( الصوديوم 22 , المنجنيز 52 , الكوبلت 57 , الزنك 65 , الجاليوم 67 )
مراحل إنتاج النظائر
تمر عملية إنتاج النظائر بمراحل عديدة . وتعني المرحلة الاولى بإعداد النظير المستقر المطلوب تشعيعه بحيث يكون على درجة عالية من النقاوة . ويعبأ النظير سواء كان في شكل منفرد أو في شكل مركب كيميائي داخل وعاء التشعيع الذي ينبغي أن يستوفي بعض المتطلبات , ويوفر وصول الجسيمات فيه المساهمة في التفاعل الى النظير المستقر الموجود داخله .
وتتم بعد ذلك عملية التشعيع سواء في المفاعل أو على المعجل وتستمر لفترات متفاوتة تفاوتاً كبيراً تبعاً لنوع النظير وللمقطع العرضي للتفاعل وللنشاط الإشعاعي اللازم . وقد تستمر عملية التشعيع لدقائق محدودة كما قد تمتد لعدة أيام بل لعشرات الأيام .
وبعد التشعيع داخل المفاعل أو على المعجل تبدأ مرحلة المعالجات المختلفة للنظير المشع . وتتضمن هذه المرحلة عمليات فصل النظير المشع عن النظير المستقر الذي تبقى بعد التشعيع أو عن النظائر الأخرى التي تتكون كعمليات جانبية . ويتم في نهاية هذه المرحلة الحصول على النظير المشع المطلوب في الصورة الكيميائية المناسبة للإستخدام للغرض المعين وبالنقاوة المطلوبة . وقد يتطلب الأمر إجراء بعض عمليات التعقيم للنظير المشع في الحالات التي يستخدم فيها النظير داخلياً للأغراض الطبية . وفي نهاية المرحلة تجرى العمليات الخاصة باختيار جودة المنتج وتحديد مدى صلاحيته للإستخدام وتحديد الشدة الإشعاعية النوعية له وتعبئته في العبوات الملائمة ووضعه داخل الدروع الإشعاعية الواقية وغير ذلك من الأعمال الأخرى .
وهكذا فإنه لتنفيذ برنامج متكامل لإنتاج النظائر المشعة يتطلب الأمر توفر قاعدة تقنية تقوم على مفاعل أبحاث متوسط القدره ومعجل متغير الطاقة للجسيمات المشحونة تصل طاقته الى حوالي ( 30 – 40 م .إ.ف ) ويصل تيار حزمة الجسيمات فيه الى حوالي 100 ميكرو أمبير .
وفضلاً عن ذلك يتطلب الأمر توفر بعض الوحدات الرئيسة الأخرى التي تعني بإعداد المادة المطلوب تشعيعها وتنفيذ عمليات الفصل والمعالجات الكيميائية والتقنية وإجراء اختبارات الجودة والصلاحية وإجراء القياسات الإشعاعية وتنفيذ الدروع وغير ذلك من الأعمال المرتبطة بالإنتاج .
» معلومات مهمة أغلبكم لا يعرفها
» معلومات مهمة أغلبكم لا يعرفها
» معلومات مهمة أغلبكم لا يعرفها
» سؤال جميل جداً..لماذا لا تحترق الحجارة؟
» مهارات وذوقيات لنرتقي بمجتمعنا
» بخل وراثي جدا
» النكتة اليابانية الأمريكية
» أفكار محشش.هل تكون واقعية؟