بحث حول النظائر

المقدمة:


النظائر هي ذرات تحتوي أنويتها على
نفس العدد من البروتونات ولكنها تختلف في عددالنيوترونات التي تحتويها . ويعني ذلك
أن العدد الذري للعنصر الواحد لايتغير في حينيتغير عدده الكتلي . ويوصف العنصر في
تلك الحالة بأن له عدة نظائر . وعموماً فإنلكل 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 فيالطبيعة على هيئة مخاليط من
نظائرها المتنوعة . وبعض النظائر لا توجد في الطبيعةبصفة عامة ولكنها تنتج صناعياً
باستخدام المفاعلات والمعجلات النووية .


أنواع النظائر

تنقسم النظائرالى نوعين , يعرف النوع
الأول بالنظائر المستقرة , بينما يعرف النوع الثانيبالنظائر 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 نقيةأي بدون أية نظائر . وتنقسم النظائر المشعةالى
نظائر طبيعية موجودة في الطبيعة منذ خلقها الله سبحانه وتعالى وأخرى صناعيةتمكن
الإنسان من إنتاجها ليستخدمها في الأغراض المختلفة .


إنتاج النظائر المشعة

يتم إنتاج النظائر المشعة المختلفة
عن طريق تعريض ( أي تشعيع ) النظائر المستقرة لسيل من الجسيمات النووية
كالنيوترونات أو البروتونات

أوالديوترونات ( الديوترون عبارة عن
نواة تتكون من بروتون ونيوترون ) أو جسيمات ألفاأو غيرها . وتستخدم لهذا الغرض
المفاعلات النووية أو مولدات النيوترونات كمصدرللنيوترونات في حين تستخدم المعجلات
النووية كمصدر للجسيمات المشحونة كالبروتوناتوالديوترونات وجسيمات ألفا وغيرها .


يتم إنتاج النظائر المشعة بواسطة
مايلي :

المفاعلات ومولداتالنيوترونات

تتكون النظائر المشعة عند التشعيع
بالنيوتروناتمن خلال التفاعل المعروف باسم تفاعل الأسر النيوتروني حيث تأسر النواة
المستقرة ( النواة الهدف ) أحد النيوترونات الساقطة عليها فتتكون نواة النظير
الجديد .

ومنامثلة هذا التفاعل أسر نواة
الصوديوم 23 المستقر للنيوترون وتكون الصوديوم 24 المشع , وأسر نواة الفسفور 31
المستقر للنيوترون مكونة نواة الفسفور 32 المشع , وكذلك أسرنواة الكوبلت 59
المستقرة للنيوترون وتكون الكوبلت 60 المشع .


ويتم إنتاج عدةمئات من النظائر
المشعة المختلفة بالتشعيع النيوتروني لنظائر مستقرة . ومن أمثلةالنظائر 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 جسيماتمشحونة مثل البروتونات أو جسيمات
ألفا أو غيرها في الحصول على العديد من النظائرالمشعة . 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 المشعةباستخدام
التفاعلات النووية المستحثة بالنيوترونات والتي تنتج عنها انطلاق جسيماتمشحونة .

وفضلاً عن ذلك يستخدم التفاعل
الإنشطاري للحصول على عدد من النظائرالمشعة . فعند تعرض المواد الإنشطارية أو
القابلة للإنشطار للنيوترونات تنشطرالمادة الإنشطارية أو القابلة للإنشطار تحت
ظروف معينة الى نواتين جديدتين متوسطتيالكتلة . ويتم إنتاج عدد من النظائر المشعة
نتيجة لانشطار نوى اليورانيوم والثوريومبالنيوترونات . ومن أمثلة النظائر المنتجة
بهذا الأسلوب ( المولبيبدينيوم 99 , الفضة 111 ) وغيرها .


وتعد مفاعلات الأبحاث متوسطة القدرة
والتي يتراوح الفيضالنيوتروني فيها بين (100000000000 و 100000000000000 نيوترون/ سم2.
ثانية) من أنسبالمفاعلات لإنتاج معظم النظائر المشعة من خلال التشعيع النيوتروني .


وتعدالمفاعلات من نوع البركة السابحة
( Swimming Pool Reactors )


والمفاعلاتالمشابهة من أكثر
المفاعلات ملاءمة لإنتاج النظائر حيث تتميز تلك المفاعلات بسهولةعمليات إدخال
وإخراج العينات الخاضعة للتشعيع وبالتالي سهولة التحكم في زمن التشعيعالذي يعد من
العناصر الهامة في عملية إنتاج النظائر . إلا أنه في حالة انتاجالنظائر المشعة ذات
النشاط النوعي المرتفع اللازمة لعمليات التعقيم والعلاج وبعضالأغراض الصناعية
الأخرى فإن الأمر يتطلب وجود مفاعلات يصل فيها الفيض النيوترونيالى (1000000000000000
نيوترون/ سم2. ثانية) بل وأكثر من ذلك .


وفي بعض الأحيانتستخدم مولدات
النيوترونات بدلاً من المفاعلات كمصدر للنيوترونات , وتعطي المولداتعدداً من
النيوترونات يصل الى حوالي ( 10000000000 – 100000000000نيوترون/ ثاتية ) لذا فإنه
يمكن استخدام هذه المولدات في تشعيع النظائر المستقرة التي تتميز بمقطععرضي كبير
للتفاعل . ومعنى المقطع العرضي للتفاعل هو احتمال حدوث هذا التفاعل عندسقوط جسيم
واحد على نواة هدف واحدة موجودة في وحدة المساحة .

المعجلات

تنتج العديد من النظائر المشعةبقصف
النظائر المستقرة بحزمة من الجسيمات المشحونة المسرعة في المعجلات النوويةلطاقة
تتراوح ما بين 10 الى 40 م.أ.ف تبعاً لنوع النظير وللمقطع العرضي للتفاعلالمعين .


ويعد معجل السيكلوترون متغير الطاقة
من أنسب المعجلات لإنتاج أكبر عددمن النظائر المشعة باستخدام عملية قصف النظائر
المستقرة بالجسيمات المشحونة . ولزيادة معدل الإنتاج ينبغي أن يتميز المعجل بتيار
كبير من الجسيمات المشحونة بحيثيصل الى حوالي 100 ميكرو أمبير بل ويزيد وذلك
لإمكانية الحصول على النظائر التيتتميز المقاطع العرضية المؤدية لها بقيم صغيرة .


وتجدر الإشارة الى أنه يمكنإنتاج
مئات العينات من نفس النظير أو من النظائر المختلفة في آن واحد داخل المفاعلوذلك
بوضع جميع العينات المراد تشعيعها داخل المفاعل في نفس الوقت . إلا أنهبالنسبة
للمعجلات لا يوجد سوى حزمة واحدة من الجسيمات المعجلة يتم توجيهها للنظيرالمستقر
المطلوب تحضير نظير مشع منه .


يندر استخدام النظائر المشعة المنتجة
علىالمعجلات إلا في حالات الضرورة كعدم ملاءمة الخصائص النووية للنظير المنتج
فيالمفاعل للدراسة أوعدم إمكانية أنتاج النظير المطلوب في المفاعل أو بُعد المفاعل
عنالمكان الذي سوف يستخدم فيه النظير المشع خاصة إذا كان النظير من النوع ذي
العمرالنصفي القصير .


ومن النظائر التي تنتج باستخدام
المعجلات ( الصوديوم 22 , المنجنيز 52 , الكوبلت 57 , الزنك 65 , الجاليوم 67 )


مراحل إنتاج النظائر

تمر عملية إنتاج النظائربمراحل عديدة
. وتعني المرحلة الاولى بإعداد النظير المستقر المطلوب تشعيعه بحيثيكون على درجة
عالية من النقاوة . ويعبأ النظير سواء كان في شكل منفرد أو في شكلمركب كيميائي
داخل وعاء التشعيع الذي ينبغي أن يستوفي بعض المتطلبات , ويوفر وصولالجسيمات فيه
المساهمة في التفاعل الى النظير المستقر الموجود داخله .


وتتم بعدذلك عملية التشعيع سواء في
المفاعل أو على المعجل وتستمر لفترات متفاوتة تفاوتاًكبيراً تبعاً لنوع النظير
وللمقطع العرضي للتفاعل وللنشاط الإشعاعي اللازم . وقدتستمر عملية التشعيع لدقائق
محدودة كما قد تمتد لعدة أيام بل لعشرات الأيام .


وبعد التشعيع داخل المفاعل أو على
المعجل تبدأ مرحلة المعالجات المختلفةللنظير المشع . وتتضمن هذه المرحلة عمليات
فصل النظير المشع عن النظير المستقر الذيتبقى بعد التشعيع أو عن النظائر الأخرى
التي تتكون كعمليات جانبية . ويتم في نهايةهذه المرحلة الحصول على النظير المشع
المطلوب في الصورة الكيميائية المناسبةللإستخدام للغرض المعين وبالنقاوة المطلوبة .
وقد يتطلب الأمر إجراء بعض عملياتالتعقيم للنظير المشع في الحالات التي يستخدم
فيها النظير داخلياً للأغراض الطبية . وفي نهاية المرحلة تجرى العمليات الخاصة
باختيار جودة المنتج وتحديد مدى صلاحيتهللإستخدام وتحديد الشدة الإشعاعية النوعية
له وتعبئته في العبوات الملائمة ووضعهداخل الدروع الإشعاعية الواقية وغير ذلك من
الأعمال الأخرى .


وهكذا فإنه لتنفيذبرنامج متكامل
لإنتاج النظائر المشعة يتطلب الأمر توفر قاعدة تقنية تقوم على مفاعلأبحاث 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 .


وفضلاًعن ذلك يتطلب الأمر توفر بعض
الوحدات الرئيسة الأخرى التي تعني بإعداد المادةالمطلوب تشعيعها وتنفيذ عمليات
الفصل والمعالجات الكيميائية والتقنية وإجراءاختبارات الجودة والصلاحية وإجراء
القياسات الإشعاعية وتنفيذ الدروع وغير ذلك منالأعمال المرتبطة بالإنتاج .


استخدامات النظائرالمشعة

تستخدم النظائر المشعة في المجالات
الصناعية والعلميةوالطبية والزراعية . فهي تستخدم في حل مشكلات القياس وفي ضبط
جودة الإنتاج الصناعيوتحويل المواد وفي دراسة التفاعلات الكيميائية . كما تشمل
مجالات استخدام الإشعاعاتالنووية والنظائر المشعة نواح أخرى كالكشف عن الجريمة
ودراسة البيئة وتحديد أعمارالأثريات .


وفي وقتنا الحالي تستخدم النظائر
المشعة في عدة مجالات زراعية تستهدفزيادة الدخل الزراعي وتنمية المحاصيل وحفظها , وزيادة
إنتاجية الأرض الزراعيةواستنباط أنواع جديدة من المحاصيل الزراعية المحتوية على
نسب أكبر من البروتينات . وتساهم تقنيات التشعيع باستخدام النظائر المشعة في إنتاج
محاصيل لها القدرة علىمقاومة الآفات الزراعية وتحمل التقلبات الجوية . كما تستخدم
تلك التقنيات في زيادةإنتاجية اللحوم والألبان في الطيور والحيوانات الداجنة , وفي
منع وتقليل التلفالناتج عن تخزين المحاصيل .


وتفيد التقنيات الإشعاعية كذلك في
تحديد مصادرالمياه الصالحة للري واستخدامها بكفاءة عالية , وفي تحديد كيفية امتصاص
النباتاتللأسمدة , مما يساعد على التوصل الى أفضل الظروف الملائمة للتنمية
الزراعية . وتضافبعض النظائر المشعة القابلة للذوبان في الماء الى السماد ثم يتتبع
النشاط الإشعاعيلتلك النظائر بعد أن يمتصها النبات وبذلك يمكن تحديد كمية السماد
اللازمة للنباتبالإضافة الى أفضل المواضع التي يوضع فيها تحقيقاً لأكبر قدر من
الإمتصاص وتقليلاًلتكلفة الإنتاج الزراعي .

وقد ثبت أن تشعيع المواد الغذائية
الزراعية يساهم فيحفظها من التلف , فإذا تعرضت تلك المنتجات الى جرعات إشعاعية
معينة فإنها تصبحقادرة على البقاء صالحة لمدة أطول دون أن تتسبب في أية أضرار صحية
للبشر أوالحيوانات بعد تناول تلك الأغذية .

ويساعد التشعيع في حفظ وإطالة مدة
تخزين البصل والبطاطس والبقولياتوالحبوب والفاكهة والأسماك واللحوم والدواجن

إستخدام التشعيع لمنع تزريع البصل

وتتمثل عمليةاستخدام النظائر المشعة
لتتبع الأثر في إضافة قدر ضئيل من نظير مشع ثم متابعة طريقةإنتشاره وتوزعه بتتبع
أثره .

وتستخدم تلك العملية في العديد من
المجالاتالصناعية كالتهوية ودراسة معدل التدفق والكشف عن تسرب السوائل والغازات من
خطوطهاوخزاناتها , وفي تحديد نوعية اللحام والكشف عن وجود أية فقاعات غازية بها .


تستخدم الإشعاعات المنبعثة من
النظائر المشعة في التصوير الإشعاعي بإشعاعاتجاما , التي حلت محل الأشعة السينية
حيث يمكن عمل مصدر من الكوبلت أو السيزيومالمشع , واستخدامه بكفاءة أعلى كثيراً من
كفاءة الأشعة السينية لاختبار الأنابيبالطويلة حيث أصبحت تلك الطريقة هي المعتمدة
لاختبار أنابيب خطوط الغاز والزيت . وبتعرض المطاط لأشعة جاما فإنه يكتسب خصائص
جديدة ويصبح أفضل مرونة وأكثر سهولة فيعمليات التشكل . وتستخدم إشعاعات جاما
حالياً في صناعة الكابلات المعزولة بالمطاطوفي لحام شرائح المطاط مع بعضها . ويتميز
المطاط المعرض لأشعة جاما بمقاومة أكبرللكهرباء مما أدى الى صغر سمك عازلات
الأسلاك .


وقد ثبت أن إشعاعات جاما تساعدعلى
إتمام بعض التفاعلات الكيميائية الصناعية مثل تفاعلات إنتاج الطلاءات
المعدنيةوطلاءات السيارات وفي إنتاج البلاستيك وفي المواصفات الخاصة بالأسمنت
المسلح لإنتاجمواد شديدة الصلابة . تستخدم النظائر المشعة ايضاً في التأكد من ملء
العبواتوالمعلبات كمعلبات المشروبات والسوائل . وتستخدم أشعة جاما كذلك في تحسين
خواصالأخشاب وإكسابها قساوة أكبر وقدرة أعظم في مقاومة الخدش والإحتراق . وتستخدمالإشعاعات
في الوقت الحالي أيضاً في عمليات اكتشاف آبار البترول ومناجم الحديدوالنحاس
والنيكل والرصاص والزنك والفحم . كما تستخدم النظائر المشعة حالياً فيتصنيع
البطاريات الكهربية عالية القدرة وطويلة العمر الذي قد يصل الى عشرات السنيندون
الحاجة لأية عمليات صيانة . وأساس عمل تلك البطاريات هو تحويل الطاقة
الحراريةالناتجة عن تفكك النظير المشع الى طاقة كهربية . ولهذا الغرض تستخدم
النظائر المشعةذات العمر النصفي الطويل مثل ( البلوتونيوم 238 والكوبلت 60 ) . وتستخدم
تلكالبطاريات في الأقمار الصناعية ومحطات الأرصاد الجوية . وفي الوقت الحالي
تستخدمبطارية لاتزيد عن 30 جم في الوزن كمصدر تغذية لجهاز تنظيم ضربات القلب .


الإستخدامات الطبية للنظائرالمشعة

التشخيص

التشخيص بحقن المواد المشعه

يتم تشخيص العديد منالأمراض والقصور
في وظائف الأعضاء عن طريق حقن نظائر مشعة معينة الى داخل الجسمالبشري أو لعضو معين
, ويتم بعد ذلك متابعة سلوك وانتشار المادة المشعة في الجسموتركيزها في الأعضاء
المختلفة , وعادة ما تكون النظائر المشعة المستخدمة للحقن هيالتي تصدر إشعاعات
جاما التي تتميز بقدرة كبيرة على اختراق المواد وبالتالي اختراقالأنسجة والأعضاء
البشرية , ويتم متابعة سلوك النظير المشع المحقون وانتشاره فيالجسم البشري عموماً
وفي الأعضاء المختلفة عن طريق رصد الإشعاعات الصادرة عن النظيرفي الأعضاء والأنسجة
البشرية المختلفة وذلك باستخدام مجس أو كاشف مخصص للكشف عن هذهالإشعاعات يمكن
توجيهه الى نقاط الجسم المختلفة وتصوير الإشعاعات الصادرة في لحظاتمعينة .


يسمى الجهاز المستخدم للكشف عن
الإشعاعات الصادرة عن النظائر المشعة فيأعضاء الجسم المختلفة بآلة تصوير جاما .

يوجد حالياً ما يقرب من ثلاثمائة من
المواد الصيدليةالمشعة التي تستخدم في تشخيص مختلف الأمراض , وهي في معظمها مركبات
عضوية وتتوفر فيالأسواق ويمكن الحصول عليها بسهولة , ولتقليل الجرعة الإشعاعية
المستخدمة فيالتشخيص تستخدم نظائر مشعة ذات عمر نصفي قصير بحيث تكون لها القدرة
على التفكك الىعناصر مستقرة خلال دقائق أو ساعات محددة , ويستخدم هذا النوع من
المركبات في تشخيصوتحليل وظائف الكبد والدماغ والرئة والقلب والكلى وغيرها , فمثلاً
يستخدم اليودالمشع في الكشف عن عيوب الغدة الدرقية .


قياس حجم الدم

تستخدم النظائر المشعة في قياس أحجام
السوائل التي لا يمكن قياس أحجامها بالطرق العادية , فمثلاً يمكن قياس حجم
البلازما أو الخلايا الحمراء اللذين يمثلان أهمية للطبيب حسب الحالة المرضية , ولقياس
حجم البلازما تستعمل عينة من زلال آدمي موسوم باليود 131 المشع , أما في حالة قياس
الخلايا الحمراء فتستعمل عينة من هذه الخلايا مضافاً اليها الكروم 51 المشع , وتوضع
المادة الموسومة في العينة ويستخدم كاشف مناسب لتقدير كمية الإشعاع المحتواة , وبعد
ذلك يتم حقن العينة بما فيها من المادة الموسومة في أحد الأوردة , ثم ينتظر بعض
الوقت حتى يتم الإتزان باختلاط العينة التي حقنت اختلاطاً جيداً مع سائر الدم ,بعدها
تؤخذ عينة من الدم , ويتم مقارنة كمية الإشعاع في عينة الدم الذي تم أخذها بعد
فترة الإتزان مع كمية الإشعاع المضافة اولاً , وبذلك يمكن حساب الحجم الكلي للدم ,
اما خلايا الدم الحمراء أو البلازما فتوجد أجهزة آلية مبرمجة تقوم بقياس الإشعاع
وإجراء الحسابات وعرض النتائج , ويتميز هذا النوع من الأجهزة بسهولة استعماله مما
يجعله مفيداً في حالة الطوارئ والعمليات .


التصوير بالإنبعاث البوزيتروني

تعتمد نظرية هذا النوع من التصوير
على استعمال ظاهرة فناء البوزيترون عند تفاعله مع الإلكترون بعدما يفقد طاقته مما
يؤدي الى إنبعاث فوتونين ينطلقان في اتجاهين مختلفين , وتبلغ طاقة كل فوتون 511
كيلو الكترون فولت , ويوضع حول المريض كاشف للإشعاعات عبارة عن كاشف ومضي , وعند
حدوث تحول نووي عند نقطة ما داخل المريض ينبعث فوتونان يسجلان في نفس الوقت , وكنتيجة
لتسجيل الجسيمات المختلفة يتم إعاة رسم صورة لتوزيع النشاط الإشعاعي داخل المريض ,
وتتطلب آلة التصوير البوزيترونية ( بوزيترون كاميرا ) توفير النظائر المشعة
المصدرة للبوزيترونات التي عادة ما يتم إنتاجها باستخدام معجل السكليترون .


ولما كان عمر النصف لمعظم هذه
النظائر المستخدمة في التصوير البوزيتروني قصير فإن هذا يتطلب وجود السيكليترون
داخل المستشفى .

cyclotrons

العلاج

تستخدم الإشعاعات والنظائر
المشعةاستخداماً واسعاً في علاج بعض الأمراض مثل علاج السرطان والأورام الأخرى , فمنالمعلوم
أن الإشعاع يتلف الخلايا الحية ويقتلها مما يساعد على استخدامه لقتلالخلايا
السرطانية ووقف نموها , غير أن الجرعات الإشعاعية التي تؤدي الى قتلالخلايا
السرطانية يمكنها أن تؤدي في نفس الوقت الى قتل الخلايا السليمة فتتأثربالإشعاع
إلا أن هذه الخلايا تشفى بعد ذلك .

التعقيم والحفظ

أصبح تعقيم الأدوات الطبية والصيدلية
والعقاقير بالإشعاعات أمراًواسع الإنتشار , وقد تفوقت الطرق النووية للتعقيم على
نظائرها التقليدية لما لهذهالطرق من مزايا عديدة فضلاً عن أنها الطريقة الوحيدة
بالنسبة لأنواع معينة منالعقاقير والأدوات الطبية لعدم ملاءمة طرق التعقيم
التقليدية لها .


يجرى التعقيمفي الوقت الحالي
باستخدام مصادر مشعة عالية الشدة ( كالسيزيوم 137 و الكوبلت 60 ) وتبلغ الشدة
الإشعاعية للمصادر المستخدمة عدة آلاف من الكيوري .


الخاتمة :

لا يعني انتهاء التقرير سدل الستار
على وظائف النظائر المشعة ، فالعلم قي تقدم مستمر ، و ما زال العديد العديد من
الوظائف لم يكتشف لحد الآن .



المراجع والمصادر


مجلة العلوم والتقنية .... العدد 21

د/ حلمي معوضسيد أحمد

مجلة العلوم والتقنية .... العدد22

علي عمر باغازي

كتابالإنسان والكيمياء

نعمة الله عنيسي