Table of Contents
إن خلفية الأرض من الإشعاع الطبيعي هي مزيج معقد من أنواع مختلفة من الإشعاعات الناشئة عن مصادر مختلفة، ومن بين هذه العوامل، يؤدي التحلل البيتا دورا هاما في الإسهام في بيئة الإشعاع الطبيعي التي تحيط بنا يوميا، وفي حين أن الإشعاع ألفا وغاما كثيرا ما يحظى بمزيد من الاهتمام، وجسيمات بيتا - أي الإلكترونات أو البساتين التي تُنبثق من نواة نووية غير مستقرة - هي عنصر ثابت يمكن قياسه من عناصر الخلفية.
Beta Decay Fundamentals
إن التحلل الطبيعي هو نوع من التحلل الإشعاعي الذي يتحول فيه النواة الذرية غير المستقرة عن طريق وضع جزيئات من البيتا، إما إلكترون (بيتا) أو أي جهاز من أجهزة التخدير النووي (بيتا +) أو في الطيف النيوتن إلى بروتون، أو إلكترون، أو أي رقم إلكتروني مضاد للتخثر.
فالطاقة التي تُطلق في خضم البيتا تتقاسم بين جزيئات بيتا ومضادات النيترون أو النيوترينو، لأن النيوترينو يتفاعل بشكل ضعيف للغاية مع المسألة، ويهرب من العينة ويحمل جزءا متغيرا من الطاقة، ويسفر عن طيف الطاقة المستمر من الجسيمات البيتا، وهو سمة مميزة من التحلل الفوقي - خلافا لطاقات الجسيمات المتناة المتنافرية.
طبيعية: Occurring Beta-Emitting Radionuclides
وكثير من النظائر التي تحدث طبيعياً تخضع لطبيعتها، مما يسهم في إشعاع الأرض الخلفي، وهذه النظائر نابعة من مصادر أساسية - تلك الموجودة منذ تكوين الأرض - وكذلك من العمليات المتجانسة وسلاسل التحلل، وتشمل أهم مسببات البيتا في البيئة الطبيعية ما يلي:
- ()Potassium-40 (40K)]: نظيفة من البوتاسيوم تبلغ نصف العمر 1.25 بليون سنة، وهي تتدهور من قبل مساهمين في مادة بيتا - ديتي (89.3 في المائة) إلى 40Ca، والقبض الإلكتروني (10.7 في المائة) إلى 40Ar، وتظهر أيضاً شعاعاً من عناصر غاما في 1.46
- Uranium-238 (238U) and its decay products]: 238U decays via alpha emission to 234Th, which itself undergoes beta decay to 234Pa, and so on down the chain. Many middle daughters (e.g. 210Pb, 210Bi, 210Po) emit beta particles stable.
- Thorium-232 (232Th) and its decay products]: Similar to the uranium series, the thorium series includes several beta-emitting daughters such as 228Ra, 228Ac, 212Pb, 212Bi, and 208Tl. The chain endeds at stable 208Pb.
- Uranium-235 series]: تسهم هذه السلسلة بجزء أصغر من النشاط الإشعاعي الطبيعي بسبب انخفاض وفرة، ولكنها تشمل مرسات بيتا مثل 231Th و227Ac.
- Cosmogenic radionuclides]: High-energy cosmic rays interact with nuclei in the atmosphere to produce short-lived radioisotopes, some of which decay by beta emission. Examples include carbon-14 (14C)
- Rubidium-87 (87Rb)]: A primordial beta emitter with a very half-life (49 billion years). It decays to 87Sr and is used in rubidium-strontium dating.
- Lutetium-176 (176Lu)]: مُنَطِّرة أخرى طويلة الأمد تستخدم في علم الأرض، تُرفع إلى 176Hf.
وهذه البذور الطبيعية موجودة في قشرة الأرض وفي مواد البناء وفي الهواء )مثلاً، بروغن الرادون(، وفي أجسادنا، ينتج نشاطها المشترك تدفقاً ثابتاً من الجسيمات البيتا التي تسهم في الجرعة الفعالة الإجمالية التي يتلقاها السكان العالميون، والتي عادة ما تكون حوالي ٢,٤ متراً يومياً من مصادر طبيعية، يكون إشعاع البيتا جزءاً منها.
"دِقَدْ قِصَرَةَ "الثَقَطَرَة و مُجَرِّثَيْنَتَهم
وسلسلة التحلل من اليورانيوم والثوريوم هامة بوجه خاص في سياق خلفية الإشعاع الطبيعي، وتبدأ كل سلسلة من هذه السلسلة بوالدين طويلي العمر وتحصل على سلسلة من الأنهار والفولطية، وغالبا ما تكون لمجموعات البيتا من الأيتام إلى الألف من أيام إلى آلاف السنين، مما يسمح لها بالهجر عبر البيئة، وعلى سبيل المثال، فإن المادة 210 من المادة 226 من مادة التراكمية (وهو سلائف إلى الرادون).
Bta Radiation in the Environment
ويصل إشعاع البيتا الطبيعي إلى سطح الأرض من المصادر البرية والكوميكية، ويأتي إشعاع البيتا الأرضي من النويدات المشعة في الصخور والتربة، ويختلف تركيز 40 كيلو غراما، على سبيل المثال، مع الجيولوجيا؛ وتحتوي الصخور الرمادية على مستويات أعلى من الصخور البصلية أو الرسوبية.
ويصل الإشعاع الكوني من مصدرين: الجسيمات المشحونة مباشرة (مثلاً، الجوز والكهرباء) من دشات الأشعة الكونية، وجسيمات بيتا من النويدات المشعة المسببة للكونيات التي تشكل في الغلاف الجوي وتوضع فيما بعد على السطح، وتشمل التدفق الكوني للأشعة نفسها عنصراً كبيراً من عناصر البيتا، ولا سيما في ارتفاعات جوية أعلى.
وتخترق الجسيمات البيتا أكثر من الجسيمات ألفا، ولكنها أقل من أشعة غاما، وفي الهواء، يمكن أن تقطع الجسيمات البيتا مسافات تصل إلى عدة أمتار، تبعاً لطاقتها، مثلاً، يبلغ الحد الأقصى لجسيمات من الفول الميثان في الهواء حوالي 3.7 متر، وفي الأنسجة، يبلغ النطاق بضعة مليمترات، وهذا يعني أن الإشعاع الخارجي يؤثر أساساً على الجلد والعيون.
قياس الإشعاع الأساسي
ويُكتشف إشعاع بيتا باستخدام أدوات مثل مضادات غيغر - مولر (التي تتسم بالحساسية بالنسبة لبيتا وغاما)، وأجهزة الكشف عن الترميم (الأجهزة الرمية البلاستيكية أو السائلة التي تُستخدم في شكل أفضل من البيتا)، وأجهزة قياس التدفق التناسبي للغاز.
الآثار الصحية للترسب الطبيعي
ويمكن أن تخترق الجسيمات البيتا من المصادر الطبيعية الجلد وتُشكل خطراً صغيراً ومعقولاً على الكائنات الحية، غير أن مستويات الإشعاع البيتا في البيئة منخفضة عموماً وتُعتبر آمنة بالنسبة للبشر في ظروف طبيعية، وينشأ القلق الصحي الرئيسي من التعرض للخسائر من المركّبات الداخلية، فعلى سبيل المثال، يوزع 40 كيلو متراً بصورة موحدة في الجسم ويسهم حوالي 0.17 ملغم/سنة في الجرعة الفعالة السنوية 210 ب.
ولم تجد الدراسات الوبائية للسكان الذين يعيشون في مناطق إشعاعية عالية السطح أدلة ثابتة على زيادة خطر الإصابة بالسرطان من الارتفاعات المعتدلة في الإشعاع الطبيعي، ويفترض نموذج " عدم التعرض " المستخدم لحماية الإشعاع، أن أي جرعة قد تنطوي على بعض المخاطر، ولكن الخطر الفعلي في الجرعات المنخفضة قد يناقش، وأشعة بيتا الطبيعية جزء من الخلفية التي تساعد على تقييمها صناعات السلامة على مدى التطور.
مقارنة مع تراث ألفا وغما
ومن المفيد مقارنة دور التحلل البيتا في الخلفية الطبيعية مع الإشعاع ألفا وغاما.
- Alpha particles] are heavy, doubleubly charged helium nuclei with very short ranges (a few centimeters in air, micrometers in curriculum) and they are the most damaging when ingested or inhaled, but external alpha radiation is stopped by the outer dead layer of skin. Alpha emitters like 222Rn, 210Pose
- Beta particles] are lighter, singly charged, and have medium penetration, they can reach the living skin layer and the lens of the eye. Internal beta emitters can deliverse to internal organs. Beta radiation is a significant component of the external and internal background.
- Gamma rays] are high-energy photons that are highly penetrating. They contribute the largest fraction of the external terrestrial background dose (about 0.5 mSv/year from 40K and the uranium/thorium series). Gamma radiation can pass through the body and deliver whole-body dose.
إن الجرعة الإشعاعية للخلفية الطبيعية هي مجموع المساهمات من جميع الأنواع الثلاثة، حيث أن غاما وبيتا هما المساهمان الرئيسيان في التعرض الخارجي، والأألفا والبيتا في التعرض الداخلي، ويختلف المزيج الدقيق حسب الموقع وأسلوب الحياة.
Shielding and Protection from Beta Radiation
وعلى الرغم من أن مستويات الإشعاع الطبيعي من البيتا منخفضة، فإن التدفئة يمكن أن تكون ضرورية في بعض البيئات المهنية (مثل معالجة النظائر التي تستخدم البيوتا في المختبرات أو الألغام التي تحتوي على بروجينات عالية من الرادون) حيث يمكن حماية الجسيمات البيتا من المواد المنخفضة الكثافة مثل البلاستيك أو الزجاج أو الألمونيوم، وخلافاً لأشعة غاما التي تتطلب مواد كثيفة من مواد الإشعاع، فإن المادة البلاستيكية البلاستيكية تنتج
تطبيقات بيتا ديكاي الطبيعية
إن مسببات البيتا الطبيعية ليست مجرد خلفية يجب قياسها - بل هي أيضا أدوات قوية في العلم والتكنولوجيا.
- Radiocarbon dating (14C)]: This beta-emitting isotope is continuously produced in the atmosphere by cosmic ray interactions with nitrogen. Living organisms incorporate 14C; after death, the 14C decays by beta emission with a half-life of 5,730 years. Measuring the beta activity or the ratio of 14C.
- Potassium-argon dating (40K ⁇ 40Ar): Although this method primarily uses the argon produced by electron capture (a form of beta decay), it relies on the radioactive decay of 40K to date rocks and minerals.
- Rubidium-strontium and lutetium-havenium dating]: These use beta decay of 87Rb and 176Lu to date geological samples over billions of years.
- ]Environmental trace: يستخدم تلفيق البيتا البالغ 210Pb حتى الآن الرواسب ولباقات الجليد حتى حوالي 150 عاما.
- Medical and industrial uses]: على الرغم من أن هذه التطبيقات ليست طبيعية، فإن العديد من هذه التطبيقات مستمدة من نفس الفيزياء النووية، وعادة ما تستخدم مرسات بيتا مثل 40K في معايرة أجهزة الكشف الإشعاعي وكمصادر مرجعية.
خاتمة
(ب) إن الديوكسينات (الثانية) هي عملية أساسية تسهم في الخلفية الإشعاعية الطبيعية للأرض، ومن البخار البدائي وسلاسل التحلل الحرارية للكربون المسبب للتآكل (الثانية عشرة) فإن مسببات الارتداد (الثانية) تُعمق في البيئة، وتُعزز مصادرها وآثارها فهمنا للإشعاع البيئي والمعونات في حماية الصحة العامة.