Table of Contents
مقدمة: فيزياء ألفا ديكي وما يتصل بها من أهمية هندسية
إنّ التحلل ألفا هو وسيلة أساسية للتفكك الإشعاعي، حيث إنّ النواة الذرية غير مستقرة تلقائياً تُظهر وجود نواة من الجسيمات ألفا، 4، تُكوّن من بروتونين واثنين من النيوترونات، وهذه العملية تُحدّد الرقم الذرّي الأصلي برقمين ورقمها الإجمالي بأربعة، وتُحوّل إلى عنصر جديد من عناصر الأشعة.
وقد بدأت دراسة الأيلجة الفموية بعمق مع عمل إرنست روثرفورد الذي حدد جزيئات ألفا ثم استخدمها في اختبار هيكل الذرة، واليوم، يُفهم التحلل الألفائي كنتيجة مباشرة للتنافس بين القوى النووية القوية التي تربط بين قوة نووية قوية وقوة الكولومبي الزاحفة بين البروتونات.
فبعد أن يكون للديجة دور في الطاقة والسلامة، فإن التحلل الألفائي مركزي في مجموعة من الميادين التطبيقية، وفي الظواهر المهجورة، فإن وجود مادة مسببة للخلايا الألفية القصيرة العمر مثل المادة 211 أو المادة 213 من نوع البسكويت المثبتة، يُلحق بجزيء من النسيج المركب على أساس التحلل الكيميائي، ويُعدّ الجرعات الجيولوجية الثابتة إلى خلايا السرطانية(38).
The Fundamentals of Alpha Decay: Forces, Stability, and the Decay Condition
إن الازدراء الحاد في أعلى المستويات، يحدث عندما لا تستطيع القوى النووية الملزمة التغلب على التأثير المضطرب لبروز كولومب بين البروتونات، ويحتفظ النواة الذرية بقوة نووية قوية، وهي تعمل على مسافات قصيرة جداً (المقياسانثوي) وتصبح جذابة بين جميع النواة، ومع ذلك فإن نطاق القوة القوية محدود، وحجمها
ويمكن التعبير عن حالة الفدائي من حيث التوازن بين الأم والإبنة النواة والجسيم ألفا، ولا يمكن إلا إذا تجاوزت الكتلة النواة الأم مجموع كتلة النواة التي تُعطى للبنة النواة (M parent) وقاعدة ألفا (M alpha) بالإضافة إلى الطاقة الحركية التي تُطلق.
Q = (M parent – M daughter – M alpha) × c2]
]
وإذا كان المقياس ٠,٢ يسمح به بقوة، وتتراوح قيمة الألف بالنسبة لمسببات الألف المألوفة من ٤ إلى ٩ مي في المائة، مع ارتفاع قيمه تتناسب مع نصف العمر القصير، مثل التحلل من الفول ال ٢١٢ الذي يبلغ طوله نحو ٨,٩٥ ميلي ونصف العمر الذي يبلغ ٤,٣ من الاثبات الدقيقة، بينما يبلغ طوله ٢٤,٨ من اليوغا.
كما أن الأنسجة التي تعمل مع مصادر ألفا يجب أن تكون على علم بأن كمية الطاقة العالية تقسم بين جزيئات ألفا ونواة البنت المعادة للزخم وفقاً لحفظ الزخم، وبالنسبة لنواة الأم في البداية، فإن المادة ألفا تحمل الغالبية العظمى من الطاقة الحركية (حوالي 98 في المائة من الكمية) بينما تُعاد تشكيل البنت الثقيلة بنسبة 2 في المائة من الطاقة الصلبة.
Quantum Tunneling: The Mechanism that Governs Decay Rates
إن الغامض المركزي للألفا - لماذا الجسيمات المتجهة داخل بئر محتمل يمكن أن تفلت من معبر محدود - وهى حلت من قبل جورج جامو وإدوارد كوندون ورونالد غورني في عام 1928، وطبقت على الموجات الميكانيكية المتطورة حديثاً لتوضح أن الجسيمات ألفا لا تحتاج إلى تسلق حاجز كولوم؛
يوجد جزيئات ألفا داخل النواة الأم في دولة شبه متجهة، وهي تعمل باستمرار، وتقفز على الجدار الداخلي للإمكانيات النووية، وفي كل عملية اصطدام، هناك احتمال ضئيل بأن أنفاق الجسيمات تخترق الحاجز، والثبات المستمر للديون (احتمال الإضمحلال في كل وقت) هو نتاج تواتر الاصطدامات واحتمالات النفق:
والتواتر(و) هو تقريبا سرعة جزيئات ألفا داخل النواة التي يقسمها قطر نووي، عادة على نحو ١٠٢١ اصطداما في الثانية، واحتمال النفق " ب " هو ما يملي على التباين الهائل في نصف العمر، وباستخدام المقياس الذي يتراوح بين وينتزل وكرامرز - برايلوين، فإن احتمال النفق هو:
P œ(2-غاما)، حيث غاما = (1/) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ [2ميك (V(r) - E)] Dr]
]
هنا، ميكرو هو الكتلة المخفضة من النظام، V(r) هو الإمكانية النووية والكولومبية مجتمعة، E هو طاقة جزيئات ألفا، وجزء لا يتجزأ من المنطقة المحرمة فصليا من السطح النووي إلى نقطة التحول الخارجية.
غاما = (Z d Z AA e2)/ (2 01:5)]
حيث (زد) هو الرقم الذري للبنة (زى ألفا) = 2، وهى الشحنة الأولية، و(إى) هي القدرة على الرخصة للفضاء الحر، و(في) سرعة الجسيمات ألفا هذه التركيبة تبين أن احتمال النفق يعتمد بشكل كبير على شحنة النواة
وبالنسبة للمهندس الممارس، يوفر عامل القامو أداة شبه تجريبية قوية، حيث يمكن للمرء، بقياس طاقة الجسيمات ألفا، أن يقدر مدى الحياة الثابتة والنصفية باستخدام قانون الجيغر - النتال، الذي هو نتيجة مباشرة لنظرية القمار، وينص قانون الجيغر - النتال على أن جذور اللوغاريتمية للثبات الدهني ترتبط ارتباطاً وثيقاً بقاعدة الطاقة الرجعية:
log10(وط) = - b/ √(E A)]
]
حيث يكون هناك ثابتان يعتمدان على العدد الذري لنواة الابنة هذا القانون دقيقا بشكل ملحوظ في سلسلة من النظائر ويستخدم بصورة روتينية للتحقق من البيانات التجريبية والتنبؤ بخواص التحلل من النظائر غير المكتشفة، وفي الهندسة النووية، يستخدم قانون جيجر - نوتال في تصميم مطياف الجسيمات ألفا وفي رصد أجهزة الكشف البيئية.
عزلة الحواجز ودور القدرة النووية
ولئن كان عامل القمار يستوعب أثر حاجز كولومب، فإن عمليات حساب التحلل الألفاوي الواقعية يجب أن تشكل أيضا شكل البئر النووي، والحواجز الطاردية المركزية التي تنجم عن الزخم المتكرر في المادة ألفا، حيث يؤدي العديد من التحللات الأبجدية إلى تغيير في معدلات الازدهار الكمية الحادية، مما يزيد من قوة الدفع التراكمية المحتملة البالغ عددها 100 ألفا.
وكثيرا ما تستخدم النهج الحاسوبية الحديثة لنموذج الأيل ألفا إمكانية وجود مجموعة واحدة تجمع بين إمكانات نووية من نوع وودز - ساكسون وبين إمكانية كولومب ومصطلح طاردي سنتيمالي، وتُحل معادلة شرويندرينغية بشكل رقمي للحصول على الدول المتردية من جزيئات ألفا في البئر المحتمل، ودرجة الحرارة المتحللة (التي تتصل بالتطبيقات الثابتة من النفايات النووية).
ومن الجدير بالذكر أيضا أن طاقة جزيئات ألفا المنبعثة ليست قيمة ثابتة واحدة ولكنها يمكن أن تظهر هيكلا دقيقا، وفي كثير من النواة يمكن ترك نواة الابنة في حالة متحمسة، مما يؤدي إلى طاقة أقل قليلا من الجسيمات ألفا، وبالتالي فإن طيف الجسيمات ألفا يتألف من عدة خطوط متفرقة، كل منها يقابل حالة نهائية مختلفة من النواة، والهيكل النسبي لهذه الخطوط يقدم معلومات عن الذروة.
Energy and Kinematics of Alpha Decay: Q‐Values, Recoil, and Thermal Effects
الطاقة التي تم إطلاقها في (ألفا ديساي) (الكلوفين) هي المحرك الرئيسي لجميع العواقب العملية من الطاقة الحركية ألفا للجسيم ألفا إلى الحرارة التي يمكن حصادها في مصدر طاقة النظائر المشعة (الكلوفين) كما هو ملاحظ، (كيو-لويف) تحدد بالفرق الجسيمي بين الأبوين والمنتجات
T A = Q × (M daughter)/ (M daughter + M alpha)]
]
ونظراً لأن البنت أثقل بكثير من المادة ألفا، فإن T A حفز الطاقة المتجددة T recoil INF × (M alpha / M daughter) هي عادة في نطاق 70 إلى 200 كيلو فولت بالنسبة لمسببات حرارة ألفا المشتركة، وهذه الطاقة التكريرية صغيرة ولكنها غير قابلة للذوبان.
ومن الجوانب الهندسية الهامة الأخرى الناتج الحراري لدغة ألفا، حيث يتم وقف جسيمات ألفا تماما في غضون عشرات من الميكرومترات في الصلب والسائل، وتتحول طاقتها الحركية إلى حرارة، وتعطى الطاقة المحددة لمركبة ألفا بواسطة:
P = (ln 2 / t1/2) × (N A /A) × Q]
]
"الثانية الثانية هي نصف العمر، "إن أي" هي رقم "أفوغادرو" و "ك" هو الرقم الذري، و "كيو" هو طاقة التحلل
وفي التطبيقات الطبية، فإن الطاقة الحركية للجسيمات ألفا هي مصدر تأثيرها العلاجي، إذ أن جزيئات ألفا ذات المقياس التراكمي للطاقة يتراوح بين ٥ و٩ ميكروغرام فقط من النسيج، ويضعون مقياساً للخلايا الخافضة للأشعة، ويستخدمون في ذلك مواد التخصيب، ويستخدمون في ذلك في إحداث آثار منخفضة من حيث التأثيرات الإشعاعية، مما يؤدي إلى إحداث نقل طاقة عالية المدى )لتر(
النماذج الهندسية والأدوات الحاسوبية لألفا
ومن منظور هندسي، فإن القدرة على التنبؤ بمعدلات التحلل الألفي والطاقات ضرورية لمجموعة واسعة من التطبيقات، وهناك ثلاث فئات رئيسية من النماذج المستخدمة بصورة مشتركة: (1) العلاقات شبه العملية مثل قانون غيغر - نيوتال وصيغة فيولا - سايبورغ؛ (2) نماذج محتملة للجسيمات يمكن أن تحل معادلة شرويندر للمادة ألفا في نماذج نووية واقعية؛ (3)
صيغة فيولا - سيبورغ هي نسخة محسنة من قانون غيغر - نيوتال الذي يتضمن مصطلحا للعدد الذري للبنة النواة:
log10(t1/2) = (a Z d + b) / √(E A) + (c Z d + d)]
]
)أ( ب و ج و د( يتوقف على التكافؤ والزخم العازل لهذه الصيغة المستخدمة على نطاق واسع في الطب الشرعي النووي وفي تصميم مطياف ألفا لأنها تسمح بالتقدير السريع لنصف العمر من الطاقات الألفا المقيسة، وبالنسبة للعديد من التطبيقات، فإن معادلة فيولا - سابورغ دقيقة في إطار عامل اثنين، وهو ما يكفي للتقييمات الأولية.
بالنسبة للدقة العالية، يتحول المهندسون إلى نماذج محتملة من مجموعة واحدة مُنفذة في رموز حسابية، وهذه الرموز تسمح للمستعمل بتحديد البارامترات النووية المحتملة (العمق، الانتشار، الإشعاع)، وإمكانية كولومب، وحاجز الطاردة المركزي، ونموذج الأشعة شبه المُحدّدة في البئر المحتمل هو حلّ نموذج مقياس التشفير الإشعاعي، الذي يستخدم عادة طريقة إطلاق النار أو مصفوفة
ومن أكثر الجوانب تحدياً في نموذج الزينة ألفا معالجة النواة المهزومة، وهناك العديد من المسببات للضوء الثقيل (مثل اليورانيوم، والبلوتونيوم، والنظائر المشعة الفضية) التي تُقيَّم على أساسها فقط، وهي عوامل تُعتبر من قبيل التحلل المركب، كما أن الحاجز المكوني للوزنات المحتوية على التحلل الحراري يختلف عن متوسط النسيج المحتوي على الأنفاق.
تطبيقات ألفا ديكي في العلوم والهندسة
إن الفيا ديساي يلمسك تقريبا كل فرع من فروع الهندسة النووية والعلوم النووية التطبيقية، وفيما يلي موجز لأهم التطبيقات والاعتبارات الهندسية المرتبطة بكل منها.
الطاقة النووية وسلامة المفاعلات
وفي المفاعلات النووية، يشكل التحلل الألفوي في المقام الأول شاغلا لدورة الوقود وإدارة النفايات، ويعاني اليورانيوم والبلوتونيوم من تآكل في مفاعلات الطاقة، حيث يتراوح طول العمر بين عقود وبلايين من السنوات، على الرغم من أن معدل التحلل الفيزيائي خلال عملية المفاعلات منخفض بالمقارنة مع الانهيار، فإن حرارة التحلل التراكمي من مسببات الوقود المستهلك يجب أن تدار على مدى آلاف السنين.
مولدات كهربائية تعمل بالنظائر المشعة ومصدرات الحرارة
كما ذكر سابقاً، فإن كثافة الطاقة العالية والنصف العمري الطويل لحاملي الألفا يجعلهم مثاليين لأجهزة التفجير الشعاعية، وقود الغاز المحتوي على الغازات المضغوطة، التي لا بد أن تكون مصممة على أساسها،
العلاج المستهدف من ألفا في الطب
العلاج بالأشعة المقطعية المتجهة إلى أكثر المناطق إثارة في علاج السرطان، حيث أن نطاقها القصير وارتفاعها يجعلها مثالية لمعالجة الميكروميتات وأمراضها المتبقية بعد الجراحة، وهناك عدة أنواع من النظائر المشعة التي تُستخدم في إطار المادة 229 من المادة 21
التدافئة الراديوية والجيكروناولوجيا
أما نسبة التحلل الفموي في هذه البلدان فهي أساس عدة أساليب مصممة على أساس الاستدلال الإشعاعي طويل المدى، بما في ذلك اليورانيوم - الرأسي (U-Pb) التي تواعدها أجهزة التحلل الحراري (Th-P) وهي أفضل أنواع التحلل المميّز التي تُستخدم في أجهزة التفكك الحراري (Gi) والتي تُحدّد نسبة التحلل الحراري للغاز إلى العينة.
درع الإشعاع وكشفه
لأن الجسيمات ألفا ثقيلة ومحملة بشكل مزدوج، فهي تفقد الطاقة بسرعة من خلال التألق والإشعاع، وهناك بضع سنتيمترات من الهواء أو ورقة تكفي لوقف معظم الجسيمات ألفا، وهذا يجعل من السهل نسبياً القيام بأنشطة الكشف عن الفستق، ولكن أيضاً يعني أن المواد الألفية لا تكون خطرة إلا إذا ابتلعت أو استنشاقت الإشعاعات الألفاية أو أدخلت في الجسم
التحديات الحالية والاتجاهات المستقبلية
وعلى الرغم من أكثر من قرن من الدراسة، لا يزال التحلل الأبوي مجالا نشطا من مجالات البحث التي لم تحل بعد والتطبيقات الناشئة، ويتمثل أحد التحديات في التنبؤ الدقيق لنصف الألفا من النواة الفوقية، حيث أن العلماء يتوليفون عناصر جديدة ذات أرقام نووية تتجاوز 118، فإن استقرار هذه النواة ضد الزينة ألفا يحدد ما إذا كان يمكن اكتشافها ودراسة نماذج التفاؤل التي تتضمن آثارا نووية.
وفي مجال الهندسة، بدأت تظهر مواد جديدة ومفاهيم للأجهزة الحديثة التي تستغل التحلل الفمائي، فعلى سبيل المثال، يقوم الباحثون بتطوير خلايا فولطية ألفا تحول الطاقة الحركية لجسيمات ألفا مباشرة إلى كهرباء باستخدام مصفوفة نصف موصلية، مماثلة لمفهوم الفولطية الفوقية، ولكن بكثافة أعلى في الطاقة، ويتمثل التحدي في تصميم موصل شبه قادر على تحمل الضرر الحاد الناجم عن الجسيمات.
وأخيرا، أدى الاهتمام المتزايد بالأمن النووي وعدم الانتشار إلى تطوير نظم للكشف عن الجسيمات فوق الألفية الحساسة بالنسبة للطب الشرعي والضمانات، كما أن الجسيمات ألفا هي توقيعات فريدة من نوعها على نظائر معينة، وقدرة على قياس المطياف الألفائي ذات التحلل العالي والخلفية المنخفضة أمر حاسم لتحديد المواد النووية غير المعروفة.
خاتمة
إن التحلل ألفا ظاهرة غنية ومتعددة الأوجه، وهي ظاهرة تتداخل بين الميكانيكيات الكمية والفيزياء النووية والهندسة التطبيقية، ومن الآليات الأساسية للفحص الكمي للنفقات - أولاً، وهي آلية تفسرها " غامو " وكوندون " و " غورني " منذ قرن تقريباً، وهي نماذج قياسية حديثة تتوقّع معدلات الارتطام بصيغ كمية، فإن الفيزياء من مادة " ألفا " تتيح إطاراً قوياً للاستقرار النووي.
كما أن المنظور الهندسي بشأن فك الأيلجة يبرز أهمية المحاسبة المتعلقة بالتعقيدات في العالم الحقيقي: التشوه، والعقبة في الزخم المتوازي، والضرر في إعادة الترميز، والتفاعل بين أساليب فك الأيل المتعددة، حيث أن وقود المفاعلات يمكن أن تظل متاحة على نطاق أوسع، ومع أن البعثات الفضائية العميقة تدفع حدود توليد الطاقة، فإن القدرة على وضع النماذج وقياس الأحرف ألفا ستظل حجر الزاوية في الهندسة النووية.