مقدمة عامة لتفاعل الإشعاع مع المادة

يعتمد فهمنا لطبيعة الأشعة النووية على معرفة كيفية تفاعل هذه الأشعة مع المادة. وتعتبر هذه المعرفة ضرورية في إنشاء واستخدام الكواشف الإشعاعية وأجهزة القياس وفي التطبيقات المتنوعة للأشعة في العلوم والطب والصناعة والزراعة. وتنقسم الأشعة إلى أربعة أنواع هي:

  • جسيمات مشحونة ثقيلة مثل: جسيمات ألفا والديوترونات $^{2}_{1}H$ والبروتونات ونوى الذرات الخفيفة.
  • جسيمات مشحونة خفيفة وهي الإلكترونات $e^{-}$ والبوزيترونات $e^{+}$.
  • أجسام غير مشحونة مثل النيوترونات.
  • أشعة كهرومغناطيسية مثل أشعة جاما وأشعة إكس.

وجميع هذه الأشعة لها القدرة على إحداث تأين لذرات المادة التي تمر خلالها ولذلك تسمى بالأشعة المؤينة.

أولا: تفاعل الجسيمات المشحونة الثقيلة مع المادة:

عندما يتم التصادم بين جسيم ثقيل مشحون بذرة المادة، فإنه يكسبها جزء من طاقته تكفي لإثارتها أو تأينها، وإذا كانت كمية الطاقة المكتسبة أكبر من طاقة التأين فإن الإلكترون المتحرر ينطلق بطاقة حركية تساوي الفرق بين الطاقتين.

طاقة حركة الإلكترون = الطاقة المكتسبة – طاقة التأين

ثانيا: تفاعل الجسيمات الخفيفة مع المادة: 

أ- فقد الطاقة بالتصادم: عندما تكون طاقة الإلكترونات أو البوزيترونات صغيرة تفقد هذه الإلكترونات طاقتها في إثارة أو تأين ذرات المادة. ونظراً لصغر كتلة الإلكترون تكون سرعته عالية –نسبياً- بالنسبة لسرعة جسيمات ألفا التي لها نفس الطاقة. وهذا يؤدي إلى انخفاض احتمال التأين لأن زمن تواجد الإلكترون بالقرب من الذرة صغير جداً.

ب- فقد الطاقة بالإشعاع: عندما تكون طاقة الإلكترون عالية فعند سقوطه على المادة يتعرض الإلكترون للمجال الكهربي لشحنة النواة أو الإلكترونات فينتج تغير حاد في سرعة الإلكترون أثناء سيره في المادة، أي أنه يفقد جزء من طاقته الحركية التي تتحول إلى أشعة كهرومغناطيسية. ويتم تفاعل البوزيترون مع المادة بنفس الطريقة لتفاعل الإلكترون مع المادة إلا أنه عندما يفقد البوزيترون طاقته يكون هناك احتمال لأسر البوزيترون بواسطة أحد الإلكترونات في الوسط ومن ثم فنائهما وانبعاث فوتونين طاقة كل منهما تساوي 0.511 Mev وهي عبارة عن أشعة كهرومغناطيسية تسمى أشعة الفناء Annihilation Radiation.

أشعة الفناء Annihilation Radiation

أشعة الفناء Annihilation Radiation

ثالثا: تفاعل الجسيمات غير المشحونة مع المادة:

لا يحدث التفاعل مع الإلكترونات، وفي هذا التفاعل تفقد الجسيمات غير المشحونة (النيوترونات) طاقتها بواسطة:

1- التصادم مع الأنوية الخفيفة (التصادم المرن):                                                      

تتناسب كمية فقد الطاقة عكسياً مع كتلة النواة، فكلما زادت كتلة النواة قلت الطاقة المنتقلة، لذلك يعتبر الهيدروجين أنسب المواد التي تفقد عليها النيوترونات طاقتها، ولذلك يستخدم الهيدروجين أو المواد الغنية به مثل البارافين (الشمع) في تهدئة النيوترونات في المفاعلات النووية.

2- الأسر النيوتروني:

وهو يحدث مع النيوترونات ذات الطاقة المنخفضة، حيث يتم أسر النيوترون بواسطة نواة المادة، وتتكون نواة جديدة (نظير) وتنبعث أشعة جاما (تفاعل(n,γ)).

رابعا: تفاعل الأشعة الكهرومغناطيسية مع المادة (أشعة جاما):

تتفاعل أشعة جاما مع المادة بإحدى الطرق الثلاث الآتية:

أ- تفاعل الكتروضوئي (Photoelectric Effect): وتسمى الظاهرة الالكتروضوئي، وفي هذا التفاعل يتفاعل الفوتون (أشعة جاما) مع أحد الإلكترونات المرتبطة بالذرة (أي مع أحد الإلكترونات في المستويات الداخلية للذرة) فيختفي الفوتون تماما ويظهر الإلكترون الذري منطلق ويسمى الإلكترون الضوئي ويحمل طاقة تساوي الفرق بين طاقة الفوتون الساقط وطاقة ربط الإلكترون بالذرة.

Ee (Energy of electron)  =  Eγ  – BEe

حيث أن BEe هي طاقة ربط الإلكترون بالذرة و  Eγ هي طاقة أشعة جاما.

ويملأ المكان الشاغر للإلكترون المنبعث بواسطة إلكترونات من المدارات الخارجية للذرة ويتبع ذلك انبعاث أشعة إكس المميزة للعنصر.

التفاعل الكهرضوئي

التفاعل الكهرضوئي

ب- أثر كومبتون (Compton effect):

وهو تفاعل أشعة جاما مع الإلكترونات الحرة للذرة (إلكترونات المدار الأخير). وفي هذا التفاعل يتشتت الشعاع الساقط أي يتغير اتجاهه، وتقل طاقته بمقدار ما يعطى للإلكترون من طاقة وينطلق هذا الإلكترون بطاقة E.

E =  Eγ  –  Eγ

حيث $E_{\gamma}^{-}$ طاقة أشعة جاما الساقطة و$E_{\gamma}$ هي طاقة أشعة جاما بعد التشتت (الانحراف).

أثر كومبتون

أثر كومبتون

ج- إنتاج الأزواج (Pair Production):

عندما يتفاعل الفوتون (أشعة جاما) مع النواة يختفي تماما هذا الفوتون ويظهر بدلا عنه إلكترون وبوزيترون e, -e+ ، وتحدث هذه الظاهرة عندما تكون طاقة جاما الساقطة أكبر من 1.022 Mev، وبعد ذلك يفقد كل من الإلكترون والبوزيترون طاقتهما الحركية نتيجة للتصادمات المتتابعة مع الذرات حتى يصلا إلى السكون. ويتفاعل الإلكترون مع البوزيترون ويكونا فوتونين طاقة كل منهما 0.511 Mev (أشعة الفناء).

إنتاج الأزواج

إنتاج الأزواج

المصدر: محاضرات د. ماجدة النحيلي و د. بيداء الأشقر – جامعة دمشق

تحرير: يوسف يوسف

2 thoughts on “مقدمة عامة لتفاعل الإشعاع مع المادة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *