علم پرتوشناسی

صفحه 1:
علم پرتوشناسی توسط ویلهلم کنراد رونتگن در هشتم نوامبر ©©©0 با كشف پرتو ایکس بنا نهاده شد. یک سال بعد از آن هانری بکرل, پرتوزایی اورانیوم را کشف کرد. تا مدت زیادی کاربرد پرتوها فقط در زمینه پزشکی بود. پیشرفت تکنولوژی و شکست و پیوند اتمها باعث تحولات عظیمی در کاربرد پرتوها در صنعت و بخش انرژی و.... گردید. وسعت کاربرد پرتوهاء تماسهای وسیع و خطرناک با اين عامل را برای نسل بشر به ارمغان آورد. اثرات سوء پرتوها » مخصوصاً در حوداث و انفجارات چهره خود را نشان داد. سود ومزایای کاربرد پرتوها آنقدر زیاد بوده و هست که نمی توان از استفاده آن چشم پوشید» مضافا بر اينکه انسان بطور طبیعی نیز در معرض پرتوهای کیهانی و پرتوهای تابش شده از منابع طبیعی نیز قرار داشته ‎IM‏ سازمانهای حفاظتی شکل گرفته و در خصوص روشهای مختلف حفاظت از پرتوها به فعالیت پرداختند. 

صفحه 2:
ساختمان اتم تمام اجسام ومواد موجود در جهان از تعداد بیشماری اتم تشکیل شده اند. هراتم دارای دو قسمت زیر میباشد : هسته ( با شعاعی حدود 0069-16 سانتی متر). ابر الکترونی ( از الکترونهای متحرک و شعاع مدار الکترونی 40-0 سانتی متر). طبق مدل اتمی بوهر نحوه قرار گرفتن هسته و الکترونها مانند سیستم خورشیدی است. جرم الکترونها نسبت به هسته بسیارکم و برابر 0.07006 ( ‎Losi‏ ‏میتوان گفت تمام جرم اتم در هسته متمرکز است). بار الکتریکی الکترونها منفی و بار الکتریکی هسته مثبت ( در شرایط عادی اتم از نظر بار الکتریکی خنثی است). ذرات تشکیل دهنده یک اتم توسط نیروهای الکتروستاتیکی به هم مربوط میباشند 

صفحه 3:
ساختمان اتم (ادامه) بین هسته و الکترونها بعلت تفاوت بارالکتریکی شان نیروی جاذبه وجود دارد. نیروی گریز از مرکز ناشی از حرکت الکترونها روی مدار باعث بقاء الکترونها در مدارهای خود گشته و اجازه نمی دهد الکترونها بسمت هسته بدیهی است هرچه الکترون به هسته نزدیک تر باشد نیروی الکتروستاتیکی جذب به مرکز بیشتر خواهد بود. لذا بیستی نیروی گریز از مرکز نیز بیشتر باشد. كه اين سرعت و نهایتاً انرژی بالاتری را می طلبد که خود ایجاد کننده سطوح مختلف انرژی در اطراف هسته می گردد. بين الکترونها نیز نیروئی وجود دارد که آنها را در فواصل معینی نسبت به هم نگه می دارد ( حرکات اسپینی). به این جهت الکترونها دارای سه نوع حرکت می باشند ( انتقالی» دورانی ونوسانی). 

صفحه 4:
ساختمان اتم (ادامه) نوع اتمها از نظر ذرات تشکیل دهنده هسته و تعداد الکترونها با هم فرق میکند. هر اتم با عدد اتمی ,]> (تعداد الکترون یا پروتون) مشخص می شود. خواص شیمیائی هراتم مربوط به الکترونهای موجود در آن است. هسته اتم: در هسته دو نوع ذره اساسی و مهم به نامهای پروتون و نوترون وجود دارد. پروتون دارای بار مثبت و جرم آن 00669-072.) کیلوگرم است. نوترون از نظر بار الکتریکی خنثی است و جرم آن 09728۵664۵7 کیلوگرم است. لذا نوترون وپروتون از نظر جرم تقریباً با هم برابر و حدود 4060000 برابر جرم الکترون است. کمیت دیگری که درساختمان آتم مطرح است عدد جرمی (9)) است که مجموع پروتونها و نوترونهای هسته است. 

صفحه 5:
ذرات بنیادی در اتم * ذرات بنیادی آتم عبارتند از الکترون » پروتون » نوترون» فوتون » مزون و... که حدود 600 پارتیکول و آنتی پارتیکول جزء ذرات بنیادی اتم می باشند. ۶ مشخصات ذرات: * الف: بر حسب جرم در حال سكون : جرم ذره در جرم ذره در حال سکون سر حال حركت 222 N m= qa. CG ‏عو‎ 

صفحه 6:
مشخصات ذرات بر حسب جرم در حال سکون (ادامه) فوتونها : جرم در حال سکون آنها صفر است. لپتونها : جرم نزدیک به صفر دارند مانند نوترینو. مزونها : معروفترین آنها مزون ۲ که پیون گفته میشود و همچنین مزون 6) که کانون گفته می شود. باریونها : مانند پروتون بوده و جرمی کمی بیشتر از آن دارد. هیپرونها 

صفحه 7:
مشخصات ذرات ب: بر حسب بار الکتریکی : مثبت» منفی و خنثی 00, 12 ,)+ : ‏از لحاظ اسپینی‎ Ie د: از لحاظ عمر متوسط : پروتون و الکترونها پایدار نوترون نا پایدار ( نیمه عمر 8 دقیقه) سایر ذرات بنیادی نیمه عمر بسیار کم ( در حدود 4-0 ثانیه و یا کمتر دارند) 

صفحه 8:
مدارهای الکترونی الکترونها بر روی مدارهای مختلفی می چرخند. تعداد مدارها در اتمهای مختلف متفاوت است. لایه های الکترونی نسبت به نزدیکیشان به هسته عبارتند از: ‎Q,P,0,0,0,L,«‏ الکترونها بر روی مدارهای مختلف دارای انرژی معینی هستند (انرزى همبستكى ريج 2) بدلد:8) ). هر چه الکترون در مدارهای داخلی تر قرار گیرد انرژی همبستگی بیشتری خواهد داشت. تعداد الکترون در هرمدار از اصل پاولی تبعیت میکند و تعداد آن 6 6 ۰6 06 و... می باشد. 

صفحه 9:
هسته و ساختار آن هسته متشکل از پروتونها و نوترونها است که آنها را نوکللونها می نامند؛ که خود از ذرات بنیادی به نام کوارک تشکیل شده اند. نیروی هسته ای : وجود پروتونها در داخل هسته به معنی وجود یک نیروی الکتروستاتیک دافعه می باشد. علت قرار گیری این ذرات کنار همدیگر » علیرغم وجود نیروی دافعه فوق ۰ وجود یک نیروی قوی بین نوکلئونها می باشد که به لن نیروی هسته ای یند نیروی هسته ای از کاهش جرم ذرات موجود در هسته (تبدیل جرم به انرژی) ایجاد می گردد. بعبارتی همواره مجموع جرم نوکلئونهای تشکیل دهنده هسته از جرم هسته است. اين کاهش جرم (انرژبی معادل این جرم) تأمین کننده نیروی هسته ای می باشد. نیروی هسته ای از نوع بار الکتریکی می باشد. به با برد کوتاه ( در حدود ابعاد هسته ) و مستقل از نیروی بین نوکلوئونها یعنی مسج » م7 و م۲ 

صفحه 10:
ترازهای انرژی ذرات یکی از مدلهای ساده و مفید جهت ارائه ساختار هسته» ساختاری است شبیه به آرایش الکترونها در لایه های مختلف انرژی. در اين مدل نوکلوئونها در لایه های مختلف انرژی قرار دارند (لازم به ذکر است که حرکت الکترونها در مدار در مدل اتمى را به مدل هسته ای نمیتوان تعمیم داد) در مدل هسته ای بایستی ترازهای انرژی را با حداکثر تعداد در هر تراز انتخاب نمود. در مورد هسته ها می توان آرایش به ترتیب ۰۵8 ۰6 ۰600 600 + © و... را در نظر گرفت. در برخی تئوریها محل قرارگیری نوترونها و پروتونها را در لایه های مجزا می دانند. 

صفحه 11:
ترازهای انرژی ذرات (ادامه) اگر هسته ای دارای لایه های پر باشد» پایداری آن افزایش می یابد. مانند هسته هلیوم که دو پروتون و دو نوترون دارد ( علت اينکه در فروپاشی عناصر آلفا دهنده هسته هلیوم بصورت یک ذره خارج ميشود همین پایداری می باشد) بر طبق اين مدل هر ذره در هسته دارای جایگاه انرژتیک خاص است. در حالت ‎gale‏ معمولاً همه هسته ها در حالت پایه قرار دارند در صورتی که به دلیلی جایگاه انرژئیک ذرات موجود در هسته تغییر کند» هسته به حالت بر انگيخته در می آید. 

صفحه 12:
* معمولاً هسته را با نماد اتم یعنی 226 نشان میدهند. ‎BP Su.‏ ی نشاتگردو هسته عنصر فسفر میباشد. ‏الف: طبقه بندی بر اساس تساوی اعداد پروتونی» نوترونی و جرمی : - ایزوتوپها : هسته هانی هستند که تعداد پروتونهای آنها یکسان است مثل : يز تويهاى هيدروزن ‎7H, 2۳ jH‏ ‏ایزوتوپهای اورانیوم 234 ‎aT‏ ‏هو موه اوه ‎2U,‏ 

صفحه 13:
طبقه بندی هسته ها (ادامه) - ایزوتونها:هسته هائی هستند که تعداد نوترونهای آنها یکسان است. مثل : 4 3 32 14 13 ا اام - ايزوبارها: هسته هائى هستند كه عدد جرمى آنها برابر ولى مقدار يروتونها و نوترونهاى متفاوتى دارند. (خواص شيميائى متفاوتى دارند) مثل : 3 3 if, 9 

صفحه 14:
طبقه بندی هسته ها (ادامه) - ایزومرهای آینه ای: تعداد پروتونهای یک هسته با تعداد نوترونهای هسته دیگر مساوی است. مثل: ‎2H‏ وب 3 ‎As N BC‏ - ایزومرهای هسته ای: ۰ عدد جرمی و عدد اتمی یکسان ولی خواص هسته ای (از نظر نیمه عمر و ترازهای انرژی )متفاوت است. ۰ ایزومر با انرژیی بالاتر در یک حالت عارادبسس بوده و با نوشتن رب پس از عدد جرمی مشخص مشود. مثلاً تکنسیم ( مهس 99۳7 وو ‎IC‏ 43 (بانیمه عمر 9 ساعت) و . 0و( با نیمه عمر 9.069 سال) ایزومرهسته ای یکدیگر هستند. 

صفحه 15:
طبقه بندی هسته ها (ادامه) ب: طبقه بندی بر اساس پایداری (ناپایداری) هسته "هسته هایی که بدلیل ترکیب ناپایدار پروتونها و نوترونها و یا ایزومرهای با انرژی بالاتر پایدار نیست. دستخوش واپاشی میشوند. اینگونه هسته ها ذاناً ناپایدار بوده و با گذشت زمان تغییر نموده و به هسته های جدیدی تبدیل می شوند. ۷هسته های پایدار آن دسته از هسته هایی هستند که برای هميشه ثلبت هستند ( حداقل برای 06000 ) بدون توجه به اینکه الکترونهای اتم آنها ممکن است تغییر وتحول پیدا کنند. 

صفحه 16:
Geyre Sia pd ‏از رسم تعداد نوترونها بر حسب تعداد پروتونها نمودار زیر که به نمودار‎ * سگره معروف است؛ حاصل می شود. تعداد نوترونها (۷) تعداد پروتونها (2) le ak Aft JE 

صفحه 17:
.0 مواد راديواكتيو راديواكتيويته خاصيت هسته بعضى از اتمهايى است كه خود بخود از آنها انرزى ساطع مى شود. هسته اتمهای رادیواکتیو دائماً در حال دگرگونی و تجزیه هستند. ایزوتوپهای ناپایدارو ایزومرهای هسته ای » مواد رادیواکتیو را تشکیل می دهند. انواع مواد رادیواکتیو: مواد رادیو اکتیو طبیعی ع۷() اسه() ©. مواد راديو اکتیو مصنوعی لاس( علمسبو() 

صفحه 18:
ad) مواد رادیو اکتیو طبیعی رادیو نوکلونیدهای موجود در محيط را از نظر منشأ آنها ميتوان به دو كروه كلى نقسيم نمود : راديونوكلوئيدهاى مصنوعى سلسم ‎Reto‏ 00 رادیو توکلوئیدهای طبیعی سس ع سم گروه اول به خواست و اراده انسان تولید می شوند ( همچون محصولات شکافت هسته ‎if‏ مانند : ار ل 0 ل و5 و239 ‎220m Am‏ 

صفحه 19:
رادیو نوکلوئیدهای طبیعی موادی هستند که از بدو خلقت کره خاکی در طبیعت وجود داشته و یا حاصل پدیده های طبیعی در عالم می باشند. اين رادیونوکلوئیدها را به دو دسته تقسیم بندی می کنند. رادیو نوکلونیدهای اولیه رسد حسم : رادیونوکلوئیدهای دارای منشاً كيهانىس سمه سمسسی : حاصل برخورد پرتوهای کیهانی مس با هسته اتم عناصر موجود و در اتمسفر زمین بوده و بطور مستمر تولید می شوند. مهمترین این رادیو نوکلونیدها ترتیوم و کرین 16۴) می باشد. 

صفحه 20:
رادیو نوکلونیدهای اولیه اين را ديونوكلوئيدها داراى منشأ تحت الارضی بوده و به آنها رادیونوکلونیدهای تحت الارضی ‎(Terrestridl)‏ 38 می گویند و بدو شکل وجود دارند: Gio pocorn (Redigcuclide ‏انفرادی‎ . . زنجیره ای ( مهمترین آنها زنجیره اورانیوم 0600 و توریوم 058 است) 

صفحه 21:
رادیو نوکلوئیدهای طبیعی کلیات رادیو نوکلونیدهای طبیعی در غلظتهای کم و بیش یکسان در سطح کره زمین منتشر می با ۶ برخی نقاط جهان دارای غلظتهای بیشتر از نرمال می باشند. ‎٠‏ انسان نیز نقش مزثری در افزایش رادیونوکلوئیدهای مناطق مختلف دارد. ‏۰ _ علاوه بر فعالیت های هسته ای از جمله مواردی که در آلایندگی محیط زیست به راديو نوكلوئيدها مؤثر است عبارتند از ‏). نیروگاههای سوختهای فسیلی (عمدتاً ذغال سنگ) که در بسیاری موارد ذغال ستگها حاوی این رادیو نوکلولیدها بوده و خاکستر منتشره محیط را آلوده به این رادیونوکلونیدها می نماید. ‏0 کودهای فسفر دار ( دارای غلظت قابل اهمیتی از اورانیوم می باشند). ‏©. كاز طبیعی (به ویژه در منازل) بدلیل انتقال گاز رادن 660 از اعماق زمين به سطح. ‏مصالح ساختمانى ( برخى از آنها غنى از راديونوكلوئيد ها مى باشند). ‎ ‎ ‎ 

صفحه 22:
Ad رادیو توکلوئیدهای طبیعی رادیونوکلوئیدهای انفرادی دو عنصر شناخته شده بطور انفرادی در طبیعت یافت می شوند : پتاسیم (۳0) که یک ماده رادیو اکتیو است و بطور متوسط در بدن انسان 6000 پیکو کوری به ازاء هر کیلوگرم وجود دارد. در صخره و خاک بین تا 00 پیکوکوری بر گرم وجود دارد. نیمه عمر اين ماده 06.) میلیارد سال است که دربین رادیونوکلونیدهای اولیه موجود کمترین میزان نیمه عمر را دارا میباشد. 96960 پتاسیم (۳0) در اثر و تابش بتای منفی به کلسیم 00 پایدار و بقیه با تابش آلفا و گاما ( با انرژیی 0.0 ‎oS) 4 (Or‏ (0© تبديل می شود. روبیدیوم 00 نیز یک ماده رادیو اکتیو است که بطور انفرادی در طبیعت وجود دارد. نیمه عمر آن 6۳0 میلیارد سال است. در صخره و خاک بمیزان 5 پیکوکوری بر گرم و در بدن انسان به میزان 0000 پیکو کوری بر کیلوگرم جود است. این عنصر از نظر تشعشعات اهمیت زیادی ندارد؛ زیرا هنگام تجزیه» بتلی ضعیفی تابش نموده و سرانجام به استرانسیوم 08 تبدیل میشود. 

صفحه 23:
رادیو نوکلوئیدهای طبیعی رادیونوکلونیدهای زنجیره ای ء در حال حاضر سه سری از این مواد در طبیعت وجود دارند که به زنجیره های : 0 00000 (سریاورلنیوم) (معروفبه سری۵+:) ©. 656600 (سریکتینیوم) ( معروفبه سری‌۲۵+:) 8 606 (سروتوریرم) (معرونببه سری.6) معروف می باشند. البته یک سری زنجیره ای دیگر نیز متصور است که در حال حاضر در طبیعت موجود نمی باشد : (Pots Avis res) ‏(سرینپتونیوم)‎ 00 

صفحه 24:
سری نپتونیوم 00060 که سر سلسله لین‌گروم لستدارای‌نیمه عمری‌معادل 9) سال(لستکه طبیعتاً لگر در لبتدلیپ یدلیش کره زمین‌وجود دلشته تاکنون‌از بین‌رفته لسب البته اين ماده را از بمباران نوترونی 000660 می توان تولید کرد. دراز عمرترین ایزوتوپ در سری نپتونیوم ایزوتوپ 0 است که نیمه عمری معادل 6.0 میلیون سال است که از عمر زمین بسیار کمتر است و این ماده نیز تا کنون از بین رفته است. 

صفحه 25:
سری اورانیوم ‎Coe‏ (ot) RBs (a) RK —~, (Cosy) 0 

صفحه 26:


صفحه 27:
Nuclide 0 سری 66/۷ 8 Ra ‏(سری توریوم)‎ ‘i 1 فراوانترین ماده رادیواکتیو طبیعی 0 ‎24Ra‏ ‏220 وطموو مس 0۵ (تورون6) ) ‏ی ۲۷۵(تورون‎ au Rb ‎ar ۳‏ — (تورون6) ‏ود ‏7 

صفحه 28:
عمده مواد رادیو اکتیو طبیعی موجود (از سه سری زنجیره ‎(os)‏ خصوصیات مشترک سه سری زنجیره ای موجود : همگی از یک عنصر سنگین با نیمه عمر بالا و تابش کننده آلفا شروع می شوند ( که این در خصوص سری نپتونیوم که تابش کننده بتاست و نیمه عمر پائینی دارد» صادق نیست) یکی از عناصر و اولادهای هر یک از سه سری یک گاز است (رادن» اکتینیوم و تورون). سری نیتونیوم هیچ گازی ندارد. هر سه سری نهایتاً به عنصر سرب (۰09 ‎BOP?‏ ‏)ایدار میرسند( عدد اتمی سرب 60 است) (سری نپتونیوم به عنصر پایدار بیسموت 008 با عدد اتمی 69 می رسد). 

صفحه 29:
رادیونوکلوئیدهای 5 اا دارای منشاء 

صفحه 30:
مواد رادیو اکتیو مصدو عی رادرفورد در سال 4908 از طریق بمباران ازت با ذرات آلفاء اتم دیگری (اکسیژن) را تولید کرد. 17 4 14 م +0 و دنم +12۷ عنصر حاصل ایزوتوپ پایدار اکسیژن بود. اما بعد ها با تابش آلفا به آلومینیوم ماده ای ایجاد شد که رادیو اکتیو بود. 30 4 27 + جرد م ر+لصیه فسفر 000 رادیواکتیو بوده و نیمه عمر آن 0.00 دقيقه است. مواد راديو اكتيو مصنوعی را رادیوایزوتوپ نیز می نامند. 

صفحه 31:
طرق تهیه رادیو ایزوتوپها ۰ الف: واکنشهای هسته ای: - اثر فوتون: * برخورد فوتونهای قوی به هسته عناصرگاهی سبب خروج نوترون و يا افزایش سطح انرژی هسته شده و تولید ایزوتوپ ناپایدار و يا ایزومر هسته ای عنصر را می نماید. بازده لین واکنش خیلی کم و از لحاظ عملی قابل استفاده نمی باشد. - ذرات باردار: * ازذرات سریع باردار مثل آلفاه پروتون و دوترون استفاده کرده و آنها را در شتاب دهنده سرعت داده و بعد عنصر هدف را بمباران می کنند. ۰ امروزه دستگاه هایی وجود دارد که انرژی ذرات را تا چندین میلیارد الکترون ولت بالا می برد. 2C+ p13 N+ 7 6 D>? 0 23 2 24 1, Nat; H- 7, Nat p 25 4 28 111/102 ‏جح ينه‎ 15 Al+ p 

صفحه 32:
طرق تهیه رادیو ایزوتوپها واکنشهای هسته ای (ادامه) + واکنشهای هسته ای با نوترون : استفاده از نوترون رایجترین طریقه برای تولید رادیوایزوتوپهاست. بازده عمل با نوترونهای حرارتی اف خر اند علي ايا بيطاي ۳ ‎p‏ بط 32 بير +325 Tet n> I+ B +y 49 Aut n— 18° Aut y * فسفر 50 اشعه بتای پرانرژی تابش کرده» ید ‎IO‏ و طلای 60 هردو رادیوا و اما دارند. ب: واکنشهای انشقاق: از انشقاق اورانیوم و استحاله های متوالی بعدی ‎OOD Gis‏ رادیوایزوتوپ تولید می شود. از عناصر مهم می توان ایزوتوپهای ید» استرانسیوم وباریم» سزیم وگازهای رادیواکتیو نام برد. 

مقدمه • • • • • • • علم پرتوشناسی توسط ویلهلم کنراد رونتگن در هشتم نوامبر 1895با کش!!ف پرتو ایکس بنا نهاده شد. یک سال بعد از آن هانری بکرل ،پرتوزایی اورانیوم را کشف کرد. تا مدت زیادی کاربرد پرتوها فقط در زمینه پزشکی بود. پیشرفت تکنولوژی و شکست و پیوند اتمه!!ا ب!!اعث تح!!والت عظیمی در ک!!اربرد پرتوها در صنعت و بخش انرژی و ....گردید. وسعت کاربرد پرتوها ،تماسهای وسیع و خطرناک ب!!ا این عام!!ل را ب!!رای نس!!ل بشر به ارمغان آورد. اثرات سوء پرتوها ،مخصوصًا در حوداث و انفجارات چهره خود را نشان داد. سود ومزایای کاربرد پرتوها آنقدر زیاد بوده و هس!!ت ک!!ه نمی ت!!وان از اس!!تفاده آن چشم پوشید ،مضافًا بر اینکه انسان بطور ط!!بیعی ن!!یز در مع!!رض پرتوه!!ای کیهانی و پرتوهای تابش شده از منابع طبیعی ن!!یز ق!!رار داش!!ته ،ل!!ذا س!!ازمانهای حفاظتی ش!!کل گرفت!!ه و در خص!!وص روش!!های مختل!!ف حف!!اظت از پرتوه!!ا ب!!ه فعالیت پرداختند. ساختمان اتم • • • • • • • • تمام اجسام ومواد موجود در جهان از تعداد بیشماری اتم تشکیل شده اند. هراتم دارای دو قسمت زیر میباشد : هسته ( با شعاعی حدود 10E-12سانتی متر). اب!!ر الک!!ترونی ( از الکترونه!!ای متح!!رک و ش!!عاع م!!دار الک!!ترونی 10E-8 سانتی متر). طب!!ق م!!دل اتمی ب!!وهر نح!!وه ق!!رار گ!!رفتن هس!!ته و الکترونه!!ا مانن!!د سیس!!تم خورشیدی است. ج!!رم الکترونه!!ا نس!!بت ب!!ه هس!!ته بس!!یارکم و براب!!ر ( 9.1x10E-31تقریب!ًا میتوان گفت تمام جرم اتم در هسته متمرکز است). بار الکتریکی الکترونها منفی و بار الک!!تریکی هس!!ته مثبت ( در ش!!رایط ع!!ادی اتم از نظر بار الکتریکی خنثی است). ذرات تش!!کیل دهن!!ده ی!!ک اتم توس!!ط نیروه!!ای الکتروس!!تاتیکی ب!!ه هم مرب!!وط میباشند. ساختمان اتم (ادامه) • • • • • بین هسته و الکترونها بعلت تفاوت بارالکتریکی شان نیروی جاذبه وجود دارد. ن!!یروی گری!!ز از مرک!!ز ناش!!ی از ح!!رکت الکترونه!!ا روی م!!دار ب!!اعث بق!!اء الکترونه!!ا در م!!دارهای خ!!ود گش!!ته و اج!!ازه نمی ده!!د الکترونه!!ا بس!!مت هس!!ته حرکت کنند. بدیهی است هرچه الکترون ب!!ه هس!!ته نزدی!!ک ت!!ر باش!!د ن!!یروی الکتروس!!تاتیکی جذب به مرکز بیشتر خواهد بود ،لذا بایستی نیروی گری!!ز از مرک!!ز ن!!یز بیش!!تر باشد .که این سرعت و نهایتًا انرژی باالتری را می طلب!!د ک!!ه خ!!ود ایج!!اد کنن!!ده سطوح مختلف انرژی در اطراف هسته می گردد. بین الکترونها نیز نیروئی وجود دارد که آنها را در فواصل معینی نس!!بت ب!!ه هم نگه می دارد ( حرکات اسپینی). ب!!ه این جهت الکترونه!!ا دارای س!!ه ن!!وع ح!!رکت می باش!!ند ( انتق!!الی ،دورانی ونوسانی). ساختمان اتم (ادامه) • • • • • • • • • نوع اتمها از نظر ذرات تشکیل دهنده هسته و تعداد الکترونها با هم فرق میکند. هر اتم با عدد اتمی ( Zتعداد الکترون یا پروتون) مشخص می شود. خواص شیمیائی هراتم مربوط به الکترونهای موجود در آن است. هسته اتم: در هسته دو نوع ذره اساسی و مهم به نامهای پروتون و نوترون وجود دارد. پروتون دارای بار مثبت و جرم آن 1.6725E-27کیلوگرم است. ن!!وترون از نظ!!ر ب!!ار الک!!تریکی خن!!ثی اس!!ت و ج!!رم آن 1.6748E-27 کیلوگرم است. لذا نوترون وپروتون از نظر جرم تقریبًا ب!!ا هم براب!!ر و ح!!دود 1900براب!!ر جرم الکترون است. کمیت دیگری که درساختمان اتم مطرح است عدد جرمی ( )Aاست که مجم!!وع پروتونها و نوترونهای هسته است. ذرات بنیادی دراتم • ذرات بنیادی اتم عبارتند از الک!!ترون ،پروت!!ون ،ن!!وترون ،فوت!!ون ، مزون و ...ک!!ه ح!!دود 20پ!!ارتیکول و آن!!تی پ!!ارتیکول ج!!زء ذرات بنیادی اتم می باشند. • مشخصات ذرات: • الف :بر حسب جرم در حال سکون : جرم ذره در حال سکون سرعت ذره سرعت نور ‏m0 ‏m ‏v2 1 2 ‏c جرم ذره در حال حرکت مشخصات ذرات بر حسب جرم در حال سکون (ادامه) • • • • • فوتونها :جرم در حال سکون آنها صفر است. لپتونها :جرم نزدیک به صفر دارند مانند نوترینو. مزونها :معروفترین آنها مزون πکه پی!!ون گفت!!ه میش!!ود و همچنین مزون Kکه کائون گفته می شود. باریونه!!ا :مانن!!د پروت!!ون ب!!وده و ج!!رمی کمی بیش!!تر از آن دارد. هیپرونها مشخصات ذرات ب :بر حسب بار الکتریکی :مثبت ،منفی و خنثی ج :از لحاظ اسپینی 0, ½ ,1+ : د :از لحاظ عمر متوسط : پروتون و الکترونها پایدار نوترون نا پایدار ( نیمه عمر 12دقیقه) سایر ذرات بنیادی نیمه عمر بسیار کم ( در حدود 1E-6 ثانیه و یا کمتر دارند) مدارهای الکترونی • • • • • • الکترونها بر روی مدارهای مختلفی می چرخند. تعداد مدارها در اتمهای مختلف متفاوت است. الی!!ه ه!!ای الک!!ترونی نس!!بت ب!!ه نزدیکیش!!ان ب!!ه هس!!ته عبارتن!!د از: .Q,P,O,N,M,L,K الکترونه!!ا ب!!ر روی م!!دارهای مختل!!ف دارای ان!!رژی معی!!نی هس!!تند (انرژی همبستگی .) Binding Energy هر چه الکترون در مدارهای داخلی تر قرار گیرد انرژی همبس!!تگی بیشتری خواهد داشت. تعداد الکترون در هرم!!دار از اص!!ل پ!!اولی تبعیت میکن!!د و تع!!داد آن 32 ،18 ،8 ،2و ...می باشد. هسته و ساختار آن • • • • • • هسته متشکل از پروتونها و نوترونها است که آنه!!ا را نوکلئونه!!ا می نامن!!د؛ ک!!ه خود از ذرات بنیادی به نام کوارک تشکیل شده اند. نیروی هسته ای : وجود پروتونها در داخل هسته به معنی وجود یک نیروی الکتروس!!تاتیک دافع!!ه می باشد. علت قرار گیری این ذرات کنار همدیگر ،علیرغم وج!!ود ن!!یروی دافع!!ه ف!!وق ، وج!!ود ی!!ک ن!!یروی ق!!وی بین نوکلئونه!!ا می باش!!د ک!!ه ب!!ه آن ن!!یروی هس!!ته ای میگویند. نیروی هسته ای از کاهش جرم ذرات موجود در هسته (تبدیل ج!!رم ب!!ه ان!!رژی) ایجاد می گردد .بعبارتی همواره مجموع ج!!رم نوکلئونه!!ای تش!!کیل دهن!!ده هس!!ته بیش از جرم هسته است .این کاهش جرم (انرژی معادل این ج!!رم) ت!!أمین کنن!!ده نیروی هسته ای می باشد. نیروی هسته ای از نوع جاذبه با برد کوتاه ( در حدود ابعاد هسته ) و مستقل از ب!!ار الک!!تریکی می باش!!د .ل!!ذا ن!!یروی بین نوکلوئونه!!ا یع!!نی p-p ، n-nو p-n یکسان می باشد. ترازهای انرژی ذرات • • • • • یکی از مدلهای س!!اده و مفی!!د جهت ارائ!!ه س!!اختار هس!!ته ،س!!اختاری است شبیه به آرایش الکترونها در الیه های مختلف انرژی. در این مدل نوکلوئونها در الیه های مختلف انرژی قرار دارند (الزم به ذکر است که حرکت الکترونها در مدار در م!!دل اتمی را ب!!ه م!!دل هسته ای نمیتوان تعمیم داد) در مدل هسته ای بایستی ترازهای انرژی را با حداکثر تعداد در ه!!ر تراز انتخاب نمود. در مورد هسته ها می توان آرایش به ترتیب 50 ، 20 ، 8 ،2 82 ،و ...را در نظر گرفت. در برخی تئوریها محل قرارگیری نوترونه!!ا و پروتونه!!ا را در الی!!ه های مجزا می دانند. ترازهای انرژی ذرات (ادامه) • • • • اگر هسته ای دارای الیه های پر باشد ،پایداری آن افزایش می یاب!!د. مانند هسته هلیوم که دو پروتون و دو نوترون دارد ( علت اینک!!ه در فروپاشی عناصر آلفا دهن!!ده هس!!ته هلی!!وم بص!!ورت ی!!ک ذره خ!!ارج میشود همین پایداری می باشد) بر طبق این مدل ه!!ر ذره در هس!!ته دارای جایگ!!اه انرژتی!!ک خ!!اص است. در حالت عادی معموًال همه هسته ها در حالت پایه قرار دارند در صورتی ک!!ه ب!!ه دلیلی جایگ!!اه انرژتی!!ک ذرات موج!!ود در هس!!ته تغییر کند ،هسته به حالت بر انگیخته در می آید. طبقه بندی هسته ها • معموًال هسته را با نماد اتم یعنی Xنشان میدهند. 31 32 • مثًال ‏P , 15نشانگر دو هسته عنصر فسفر میباشد. 15P ‏A ‏Z الف :طبقه بندی بر اساس تساوی اعداد پروتونی ،نوترونی و جرمی : – ایزوتوپها :هسته هائی هستند که تعداد پروتونهای آنها یکسان است مثل : 1 1 ‏H, H ایزوتوپهای هیدروژن ایزوتوپهای اورانیوم 238 92 ‏U 235 92 ‏U, 2 1 234 92 ‏U, ‏H, 3 1 233 92 ‏U, طبقه بندی هسته ها (ادامه) – ایزوتونها:هسته هائی هستند که تعداد نوترونهای آنها یکسان است .مثل : 4 2 ‏H, He 14 7 ‏N 3 1 13 6 ‏C, – ایزوبارها :هسته هائی هستند که عدد جرمی آنها برابر ولی مقدار پروتونه!!ا و نوترونهای متفاوتی دارند( .خواص شیمیائی متفاوتی دارند) مثل : 3 2 ‏H, He 24 11 ‏Na 3 1 24 12 ‏Mg, طبقه بندی هسته ها (ادامه) – ایزومرهای آینه ای :تعداد پروتونهای یک هسته ب!ا تع!داد نوترونه!ای هس!ته دیگ!ر مساوی است .مثل: 3 3 ‏H – ایزومرهای هسته ای: 1 ‏He, ‏N, 13 6C 2 14 7 • ع!!دد ج!!رمی و ع!!دد اتمی یکس!!ان ولی خ!!واص هس!!ته ای (از نظ!!ر نیم!!ه عم!!ر و ترازه!!ای انرژی )متفاوت است. • ایزومر با انرژی باالتر در یک حالت metastableب!!وده و ب!!ا نوش!!تن mپس از ع!!دد ج!!رمی مشخص میشود .مثًال تکنسیم ( )Technetium 99m 99 43ب!!ا نیم!!ه عم!!ر 2.1E5س!!ال) ( Tc ( 43 Tcب!!ا نیم!!ه عم!!ر 6س!!اعت) و ایزومرهسته ای یکدیگر هستند. طبقه بندی هسته ها (ادامه) ب :طبقه بندی بر اساس پایداری (ناپایداری) هسته ‏هسته هایی که ب!!دلیل ت!!رکیب ناپای!!دار پروتونه!!ا و نوترونه!!ا و ی!!ا ایزومره!!ای ب!!ا ان!!رژی ب!!االتر پای!!دار نیس!!ت ،دس!!تخوش واپاش!!ی میشوند .اینگونه هس!!ته ه!!ا ذات!ًا ناپای!!دار ب!!وده و ب!!ا گذش!!ت زم!!ان تغییر نموده و به هسته های جدیدی تبدیل می شوند. ‏هسته های پایدار آن دسته از هسته هایی هستند ک!!ه ب!!رای همیش!!ه ث!!ابت هس!!تند ( ح!!داقل ب!!رای ) 1E21ب!!دون توج!!ه ب!!ه اینک!!ه الکترونهای اتم آنها ممکن است تغییر وتحول پیدا کنند. نمودار Segre • از رسم تعداد نوترونها بر حس!!ب تع!!داد پروتونه!!ا نم!!ودار زی!!ر ک!!ه ب!!ه نم!!ودار سگره معروف است ،حاصل می شود. مواد رادیواکتیو • رادیواکتیویته خاصیت هسته بعضی از اتمهایی است که خود بخ!!ود از آنها انرژی ساطع می شود. هسته اتمهای رادیواکتیو دائمًا در حال دگرگونی و تجزیه هستند. ایزوتوپهای ناپای!!دارو ایزومره!!ای هس!!ته ای ،م!!واد رادیواک!!تیو را تشکیل می دهند. • انواع مواد رادیواکتیو: • • .1مواد رادیو اکتیو طبیعی Natural Radionuclide .2مواد رادیو اکتیو مصنوعی Man-made Radionuclide مواد رادیو اکتیو طبیعی • رادیو نوکلوئیدهای موجود در محیط را از نظر منشأ آنه!!ا میت!!وان به دو گروه کلی نقسیم نمود : .1رادیونوکلوئیدهای مصنوعی Man-Made Radio nuclides .2رادیو نوکلوئیدهای طبیعی Natural Radio nuclides گ!!روه اول ب!!ه خواس!!ت و اراده انس!!ان تولی!!د می ش!!وند ( همچ!!ون محصوالت شکافت هسته ) .مانند : 137 ‏Cs, 131I , 85Kr, 106RU, 95Zr 239 ‏Pu, 90Sr, 144Ce 242 ‏Cm, 241Am, رادیو نوکلوئیدهای طبیعی • موادی هستند که از بدو خلقت کره خاکی در طبیعت وج!!ود داش!!ته و یا حاصل پدیده های طبیعی در عالم می باشند. • این رادیونوکلوئیدها را به دو دسته تقسیم بندی می کنند. رادیو نوکلوئیدهای اولیه (: )Primordial radionuclide .1 .2رادیونوکلوئی!!!!دهای دارای منش!!!!أ کیه!!!!انی(: )Cosmogenic Radionuclide حاصل برخورد پرتوهای کیهانی ( )Cosmic raysب!!ا هس!!ته اتم عناص!!ر موجود و در اتمسفر زمین بوده و بط!!ور مس!!تمر تولی!!د می ش!!وند. مهمترین این رادیو نوکلوئیدها ترتیوم و کربن 14می باشد. رادیو نوکلوئیدهای اولیه • این را دیونوکلوئیدها دارای منشأ تحت االرضی بوده و به آنها رادیونوکلوئیدهای تحت االرضی ( )Terrestrialنیز می گویند و بدو شکل وجود دارند: .1انفرادی Singly occurring Radionuclide .2زنج!!یره ای ( مهم!!ترین آنه!!ا زنج!!یره اورانی!!وم 238و توریوم 232است) رادیو نوکلوئیدهای طبیعی کلیات • • • • .1 .2 .3 .4 رادیو نوکلوئیدهای طبیعی در غلظتهای کم و بیش یکسان در سطح ک!!ره زمین منتشر می باشند. برخی نقاط جهان دارای غلظتهای بیشتر از نرمال می باشند. انسان نیز نقش مؤثری در افزایش رادیونوکلوئیدهای مناطق مختلف دارد. عالوه بر فعالیت های هسته ای از جمله مواردی که در آالیندگی محیط زیس!!ت به رادیو نوکلوئیدها مؤثر است عبارتند از: نیروگاههای سوختهای فسیلی (عمدتًا ذغال سنگ) که در بسیاری موارد ذغ!!ال سنگها حاوی این رادیو نوکلوئیدها بوده و خاکس!!تر منتش!!ره محی!!ط را آل!!وده ب!!ه این رادیونوکلوئیدها می نماید. کودهای فسفر دار ( دارای غلظت قابل اهمیتی از اورانیوم می باشند). گاز طبیعی (به ویژه در منازل) بدلیل انتقال گاز رادن 222از اعماق زمین به سطح. مصالح ساختمانی ( برخی از آنها غنی از رادیونوکلوئید ها می باشند). رادیو نوکلوئیدهای طبیعی رادیونوکلوئیدهای انفرادی • دو عنصر شناخته شده بطور انفرادی در طبیعت یافت می شوند : .1پتاسیم 40که یک م!!اده رادی!و اک!تیو اس!!ت و بط!ور متوس!ط در ب!دن انس!ان 1600پیکو کوری به ازاء ه!!ر کیل!!وگرم وج!!ود دارد .در ص!!خره و خ!!اک بین 2تا 30پیکوکوری بر گرم وج!!ود دارد .نیم!!ه عم!!ر این م!!اده 1.26 میلیارد سال است ک!!ه دربین رادیونوکلوئی!!دهای اولی!!ه موج!!ود کم!!ترین م!!یزان نیمه عم!!ر را دارا میباش!!د %90.پتاس!یم 40در اث!!ر تجزی!!ه و ت!ابش بت!ای منفی به کلسیم 40پای!!دار و بقی!!ه ب!!ا ت!!ابش آلف!!ا و گام!!ا ( ب!!ا ان!!رژی 1.46 )Mevبه آرگون 40تبدیل می شود. .2روبیدیوم 87نیز یک ماده رادیو اکتیو است ک!!ه بط!!ور انف!!رادی در ط!!بیعت وجود دارد .نیمه عمر آن 48میلیارد سال است .در صخره و خاک بم!!یزان 3پیکوکوری بر گ!!رم و در ب!!دن انس!!ان ب!!ه م!!یزان 230پیک!!و ک!!وری ب!!ر کیلوگرم موجود اس!ت .این عنص!ر از نظ!ر تشعش!عات اهمیت زی!ادی ن!دارد؛ زیرا هنگام تجزیه ،بتای ضعیفی تابش نموده و سرانجام ب!!ه استرانس!!یوم 87 تبدیل میشود. رادیو نوکلوئیدهای طبیعی رادیونوکلوئیدهای زنجیره ای • در حال حاضر سه سری از این مواد در طبیعت وج!!ود دارن!!د ک!!ه به زنجیره های : ( 238U .1سری اورانیوم) (معروف به سری )4n+2 ( 235U .2سری اکتینیوم) ( معروف به سری )4n+3 ( 232T .3سری توریوم) (معروف به سری )4n معروف می باشند .البته یک سری زنجیره ای دیگ!!ر ن!!یز متص!!ور است که در حال حاضر در طبیعت موجود نمی باشد : (سری نپتونیوم) ( معروف به سری )4n+1 241PU سری نپتونیوم • 241PUک!!ه س!!ر سلس!!له این گ!!روه اس!!ت دارای نیم!!ه عم!!ری مع!!ادل 13س!!ال اس!!ت ک!!ه طبیعت !ًا اگ!!ر در ابت!!دای پیدایش کره زمین وجود داشته تاکنون از بین رفته است. البته این ماده را از بمباران نوترونی 239PUمی توان تولید کرد. • دراز عمرت!!!رین ایزوت!!!وپ در س!!!ری نپتونی!!!وم ایزوت!!!وپ 237NPاس!!ت ک!!ه نیم!!ه عم!!ری مع!!ادل 2.2میلی!!ون سال است که از عمر زمین بسیار کمتر است و این ماده نیز تا کنون از بین رفته است. سری اورانیوم 238 ( RaAرادن )A ( RaBرادن )B ( RaCرادن )C سری 235U (سری اکتینیوم) سری 232Th (سری توریوم) فراوانترین ماده رادیواکتیو طبیعی ( ThAتورون )A (ThBتورون )B ( ThCتورون )C عمده مواد رادیو اکتیو طبیعی موجود (از سه سری زنجیره ای) • • • • خصوصیات مشترک سه سری زنجیره ای موجود : همگی از یک عنصر س!!نگین ب!!ا نیم!!ه عم!!ر ب!!اال و ت!!ابش کنن!!ده آلف!!ا شروع می شوند ( که این در خصوص سری نپتونیوم که تابش کننده بتاست و نیمه عمر پائینی دارد ،صادق نیست) یکی از عناصر و اوالدهای ه!!ر ی!!ک از س!!ه س!!ری ی!!ک گ!!از اس!!ت (رادن ،اکتینیوم و تورون) .سری نپتونیوم هیچ گازی ندارد. ه!!!ر س!!!ه س!!!ری نهایت!!!ًا ب!!!ه عنص!!!ر س!!!رب (،207 ،206 )208پایدار میرسند( عدد اتمی سرب 82است) (سری نپتونیوم به عنصر پایدار بیسموت 209با عدد اتمی 83می رسد). نوکلوئید رادیونوکلوئیدهای دارای منشاء کیهانی هیدروژن 3 بریلیوم 7 کربن 14 سدیم 22 نیمه عمر 12.3سال 53.6روز 5730سال 2.62سال تعداد اتمهای تولید شده در واحد زمان (ثانیه) در واحد سطح کره زمین(سانتی متر مربع) 0.25 0.08 2.5 0.00009 میزان وفور جهانی (مگا کوری) 34 1 300 0.01 استراتوسفر و تروپوسفر 8 72 2 27 سطح زمین و بیوسفر 27 8 4 21 اقیانوسها 65 20 94 52 توزیع درصد وفور مواد رادیو اکتیو مصنوعی • رادرفورد در س!!ال 1919از طری!!ق بمب!!اران ازت ب!!ا ذرات آلف!!ا ،اتم دیگ!!ری (اکسیژن) را تولید کرد. 4 2 17 8 ‏N   O  p 14 7 • عنصر حاصل ایزوتوپ پایدار اکسیژن بود. • اما بعد ها با تابش آلفا به آلومینیوم ماده ای ایجاد شد که رادیو اکتیو بود. ‏Pn 30 15 4 2 ‏Al    27 13 • فسفر 30رادیواکتیو بوده و نیمه عمر آن 2.55دقیقه است. • مواد رادیو اکتیو مصنوعی را رادیوایزوتوپ نیز می نامند. طرق تهیه رادیو ایزوتوپها • الف :واکنشهای هسته ای: – اثر فوتون: • برخورد فوتونهای قوی به هسته عناصرگاهی سبب خروج نوترون و یا افزایش سطح انرژی هسته شده و تولید ایزوتوپ ناپایدار و یا ایزومر هسته ای عنصر را می نماید. بازده این واکنش خیلی کم و از لحاظ عملی قابل استفاده نمی باشد. – ذرات باردار: • ازذرات سریع باردار مثل آلفا ،پروتون و دوت!!رون اس!!تفاده ک!!رده و آنه!!ا را در ش!!تاب دهنده سرعت داده و بعد عنصر هدف را بمباران می کنند. • امروزه دستگاه هایی وجود دارد که انرژی ذرات را تا چن!!دین میلی!!ارد الک!!ترون ولت باال می برد. 12 6 ‏C  p  13 7 N  23 11 24 ‏Na12 H  11 ‏Na p ‏Al  p 28 13 4 2 25 12 ‏Mg   طرق تهیه رادیو ایزوتوپها واکنشهای هسته ای (ادامه) • واکنشهای هسته ای با نوترون :استفاده از نوترون رایجترین طریقه برای تولید رادیوایزوتوپهاست .ب!!ازده عم!!ل ب!!ا نوترونه!!ای ح!!رارتی بمراتب بیشتر است. 32 32 16 S  n  15 P  p 130 52 ‏ ‏Te n  131 ‏I ‏ ‏ ‏ 53 197 79 ‏Au n  198 79 Au  • فس!!فر 32اش!!عه بت!!ای پران!!رژی ت!!ابش ک!!رده ،ی!!د 131و طالی 198هردو رادیواکتیویته بتا و گاما دارند. ب :واکنشهای انشقاق :از انشقاق اورانیوم و استحاله های متوالی بع!!دی ق!!ریب 200رادیوایزوت!!وپ تولی!!د می ش!!ود .از عناص!!ر مهم می توان ایزوتوپهای ید ،استرانسیوم وباریم ،سزیم وگازهای رادیواک!!تیو نام برد.