دکتر ریموند رخشانی *
مقاله و فایل صوتی بیست و هفتم:
بیشتر اتم ها پایدار یا باثُبات هستند. بَرخی از آنها بیش از ۱۳ میلیارد سال قدمت دارند و شاید برای مُدتی طولانی تر از آن هم باقی بمانند. اما برخی دیگر از اتم ها بدلیلِ عدمِ توازن بین پروتون ها و نوترون ها در هسته ی مرکزی شان ناپایدار یا بی ثبات هستند و به نحوی خودانگیخته دچار واپاشی یا فروکاهی شده، بخش های سازنده یا تشکیل دهنده ی[۱] خود را تغییر می دهند و به عنصری پایدارتر تبدیل می شوند.
در کمتر از یک دهه پس از کشف ساختار اتم ، با بکارگیریِ روش هایِ علمی و ابزارهایِ فنی شناخت، دانشمندان پدیده های بسیاری را موردِ مشاهده قرار دادند[۲]. با اینکه بیشتر اتم ها ثابت و غیرقابل تغییر به نظر می رسیدند برخی از آنها ذراتِ با انرژی بسیار بالایی را از خود گسیل می کردند.[۳] (پینوشت ح)
- شناساییِ آن گسیل ها یا برون فرستندگی ها[۴] در ابتدا رازگونه بود.
- سه نوع از آن تشعشعات شناسایی، طبقه بندی و نامگذاری شدند: آلفا ، بتا و گاما[۵] .
- هویتِ هرسه امروزه شناخته شده تر است. آلفا گسیل شده از هسته ی مرکزی هلیوم[۶] است. بتا الکترون (یا نوعی ضدّذره یا پوزیترون[۷] ) است و گاما فوتونی با انرژی ای بسیار بالاست[۸].
در ابتدا دانشمندان تنها عناصرِ ناپایدارِ سنگین تر را یافتند اما بتدریج نمونه های ناپایدارِ عناصر سبک تر را نیز کشف کردند[۹].
- پس از آن کشف ها هم دانشمندان متوجه شدند که فقط برخی از ایزوتوپ هایِ عناصر ناپایدار یا بی ثبات اند.
- چیزی نزدیک به ۷۰ ایزوتوپ به نحوی طبیعی دچارِ واپاشی آلفایی و یا بتایی می شوند.
- هر ایزوتوپ هم ممکن است که از طریقِ برانگیختن هسته ی مرکزی اش [۱۰] (از انرژی ای بیرونی) اشعه ی گاما تولید کند.
واپاشی یا فروکاهی های آلفایی و بتایی گویی آرزوهای دیرینه ی کیمیاگران را که می خواستند ماده ای را به ماده ای دیگر تبدیل کنند برآورده می کرد.
- در فروکاهی یا واپاشی آلفایی هسته ی مرکزی اتم، دو پروتون و دو نوترون خود را از دست داده، در جدولِ شیمیاییِ عناصر به دو پله پایین تر سقوط می کند و عنصری دیگر می شود.
- در واپاشی یا فروکاهیِ بتایی سه چیز ممکن است:
- اگر در هسته ی مرکزی هر اتمی، نوترونی الکترونی را رها کند، خود به پروتون تبدیل می شود و آن عنصر در جدولِ شیمیایی عناصر یک پله صعود می کند.
- اگر در هسته ی مرکزی هر اتمی، پروتون پوزیترونی (ضدّ الکترونی) را رها سازد، خود به نوترون تبدیل شده و آن عنصر در جدول شیمیایی عناصر یک پله سقوط می کند.
- اگر هسته ی مرکزی هر اتمی (بدلیل گرانش یا جاذبه ی خود) قادر شود تا الکترونی را بدرون بکشد، یکی از پروتون های خود را به نوترون تبدیل کرده و آن عنصر در جدول شیمیایی عناصر یک پله سقوط می کند.
واپاشی یا فروکاهی گامایی بسادگی برون فرستندگی یا گسیل فوتون ها بدلیل وضعیتِ برانگیخته ی هسته ی مرکزی اتم است[۱۱].
- در واپاشی گامایی هویتِ عنصر شیمیایی دچار تغییر نمی شود.
- پس از هر واپاشی یا فروکاهیِ آلفایی و یا بتایی اغلب هسته ی مرکزی اتم در وضعیت برانگیخته قرار می گیرد و بهمین دلیل هم واپاشی یا فروکاهیِ گامایی اغلب دو فروکاهی دیگر را همراهی می کند.
- هسته ی مرکزی هر اتمی را می توان با بمبارانِ فوتونی و یا ذره ای به وضعیتِ برانگیخته درآورد و نتیجتاً اشعه ی گاما تولیدِ کرد.[۱۲]
در واقع کلید درکِ ناپایداری رادیوآکتیو ایزوتوپ ها در نسبتِ پروتون ها به نوترون ها در هسته ی مرکزی هر اتمی است.[۱۳]
- نوترون ها در هسته ی مرکزی هر اتمی به نیروی قوی خصوصیت چسب مانندی می دهند و بدین ترتیب چسب نیروی دافعه ی بارهای مثبت پروتون ها را خنثی می کند.
- هر عنصری نسبت ایده آلی از پروتون ها به نوترون ها دارد که موجب پایدارترین چیدمان اتمی آن عنصر می شود.
- ۸۲ عنصر اول جدول تناوبی عناصر بین ۱ تا ۹ ایزوتوپ ناپایدار دارند.
- ده عنصر آخر جدول هیچ ایزوتوپ پایداری ندارند اگرچه برخی طول عمر زیادی دارند.
- واپاشی یا فُروکاهی رادیوآکتیو همواره ایزوتوپ ها را بسوی چیدمان های پایدارتری از نسبت پروتون ها به نوترون ها و بسوی منحنی پایداری پروتونی نوترونی[۱۴] سوق می دهد.
واپاشی یا فروکاهی رادیوآکتیو بطورکلی و به نحوی بنیادین فرآیندی احتمالاتی است[۱۵].
- هیچ چیز در محیطِ زیست نمی تواند بر واپاشی یا فروکاهی هسته ی مرکزی اتمی ناپایدار یا بی ثبات تاثیر بگذارد.
- امکان پیش بینی زمانِ دقیق وقوعِ واپاشی هم هرگز میسر نیست. اما هر ایزوتوپی مقیاس زمانی واپاشی یا فروکاهی ویژه و مختص به خود را دارد که بر اساس آن، احتمال واپاشی قابل پیش بینی است.
- هر ایزوتوپی نیم عمری [۱۶] دارد که زمانی است که در آن هر تک هسته ی اتمی ناپایدار، ۵۰ درصد شانسِ واپاشی یا فروکاهی دارد.
- از منظری دیگر تعریفِ نیم عمر اشاره بدان زمانی دارد که در طول آن ۵۰ درصد از ایزوتوپ های هر نمونه ی موردِ مطالعه واپاشیده یا فروکاسته شده اند یا می شوند[۱۷].
- هیچ هسته ی مرکزی هیچ اتمی از خود حافظه ای ندارد. در هر نیم عمر نیمی از ایزوتوپ های هر نمونه ای ناپایدار واپاشیده یا فروکاسته می شود، و پس از دو نیم عمر ۷۵ درصد نمونه (۵۰ درصد در نیم عمر اولی بعلاوه ی ۵۰ درصد ۵۰ درصد) از آن نمونه واپاشیده یا فروکاسته شده است.
- نیم عمرها در مواردی چند ثانیه و در مواردی دیگر ده ها میلیارد سال هستند.
ایزوتوپ های رادیوآکتیو را می توان بدلیلِ پیامدهای ویژه و مختص به هر عنصر و غیرقابل تغییربودن نیم عمرهای شان به عنوانِ ساعت مورد استفاده قرار داد[۱۸].
- برای نمونه برخی از ایزوتوپ های ناپایدار پس از واپاشی یا فروکاهی ها ایزوتوپ های پایدار می سازند. با دانستنِ نیم عمر ناپایدارها و شمردنِ تعدادِ پایدارها در سنگواره ها، قدمت سنگواره ها ارزیابی می شود.
- برخی ایزوتوپ های پایدار فقط و فقط از ایزوتوپ های ناپایدار مادری ویژه بوجود می آیند. حتی اگر آن ایزوتوپ هایِ مادر کاملا ازبین رفته باشند می توان با شمارشِ ایزوتوپ های پایدار باقیمانده ی نهایی یا پایانی وفورِ ایزوتوپ های اولیه (مادر) را تخمین زد.
برای همه ی موجوداتی که زمانی زنده بوده اند (جانداران) یکی از ایزوتوپ های کربن یعنی کربن ۱۴ ابزار تاریخ گذاری یا عمرسنجی بسیار ارزشمندی است.
- کربن ۱۴ نیم عمری برابر با ۵۷۳۰ سال دارد.
- کربن ۱۴ به نحوی مستمر و دائمی در اثر برخورد اشعه های کهکشانی با اتم های نیتروژن در آتمسفر تولید می شود.
- گیاهان (و جانوران) کربن ۱۴ را مانند کربن پایدار ۱۲ به خود جذب می کنند.
- هنگامیکه گیاهان و جانوران می میرند دیگر کربنی را بخود جذب نمی کنند.
- با واپاشی یا فروکاهی یکنواخت کربن ۱۴ (پس از مرگ جانداران) نسبت کربن ۱۴ به کربن ۱۲ در باقیمانده ی نهایی (استخوان، چوب و غیره ی ) آنها کاهش می یابد و می توان با اندازه گیری آن نسبت به نحوی دقیق قدمت شان را عمرسنجی یا تخمین زد.
- برای تاریخ گذاری بر باقیمانده ی همه ی جاندارانِ گذشته، تا حدود قدمتی ۵۰۰۰۰ ساله، عمرسنجی کربنی ابزارِ علمی بسیار دقیقی است[۱۹].
constituents
Loveland, Walter, D. and Morrissey, David, J. and Seaborg, Glenn, T. Modern Nuclear Chemistry. Wiley, 2017.
Jerome, K.B. Atomic Universe: The Quest to Discover Radioactivity. Washington DC: National Geographic, 2006.
emissions
Siegbahn, K. Alpha-, Beta-, and Gamma-Ray Spectroscopy. North Holland, 2012.
helium nucleus
Antiparticle or positron
Very high energy photon
Harvey, Bernard, G. Introduction to Nuclear Physics and Chemistry. Prentice Hall, 1969.
stimulated nucleus
emission of photons due to the excited state of nucleus
bombarding with photons or with other particles
Rhodes, R. The Making of Atomic Bomb. New York: Simon and Scuster, 1986.
proton-neutron stability curve
probabilistic process
half-life
Lin, Bryan. Radiometric Dating. NY Research Press, 2015.
Gopalan, Kunchithapadam. Principles of Radiometric Dating. Cambridge University Press, 2017.
Gopalan, Kunchithapadam. Principles of Radiometric Dating. Cambridge University Press, 2017.
————————————————————–
—————–
* دکتر ریموند رخشانی در باره خودش:
من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی من مهندسی سیستمها است، و تخصص من در بکارگیری اندیشه سیستمی برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فراوردههای نوین میباشد. در این سلسله از مقالات و فایلهای صوتی کوشش میکنم که علم مدرن را از پایه به دوستان معرفی کنم.