الكيمياء الإشعاعية

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة
صندوق القفازات

الكيمياء الإشعاعية هي فرع من الكيمياء يدرس المواد المشعة ، حيث تُستخدم النظائر المشعة للعناصر لدراسة خصائص وتفاعلات النظائر غير المشعة (غالباً ما يُوصف غياب النشاط الإشعاعي في الكيمياء الإشعاعية بأنه مادة غير نشطة لأن نظائرها مستقرة ). ويركز جزء كبير من الكيمياء الإشعاعية على استخدام النشاط الإشعاعي لدراسة التفاعلات الكيميائية العادية . وهذا يختلف تماماً عن كيمياء الإشعاع، حيث تُحفظ مستويات الإشعاع منخفضة جداً بحيث لا تؤثر على التفاعلات الكيميائية.

يشمل علم الكيمياء الإشعاعية دراسة النظائر المشعة الطبيعية والمصنعة.

أنماط التحلل الرئيسية

جميع النظائر المشعة هي نظائر غير مستقرة للعناصر ، تخضع للتحلل النووي وتُصدر شكلاً من أشكال الإشعاع . يمكن أن يكون الإشعاع المنبعث من أنواع عديدة، بما في ذلك إشعاع ألفا، وبيتا، وجاما ، وانبعاث البروتونات والنيوترونات ، بالإضافة إلى مسارات تحلل النيوترينو والجسيمات المضادة .

1. إشعاع ألفا (α) - انبعاث جسيم ألفا (الذي يحتوي على بروتونين ونيوترونين) من نواة الذرة . عند حدوث ذلك، تنخفض الكتلة الذرية للذرة بمقدار 4 وحدات، وينخفض ​​العدد الذري بمقدار 2.

2. إشعاع بيتا (β) - وهو تحول النيوترون إلى إلكترون وبروتون . بعد حدوث ذلك، ينبعث الإلكترون من النواة إلى السحابة الإلكترونية .

3. إشعاع غاما (γ) - انبعاث الطاقة الكهرومغناطيسية (مثل أشعة غاما ) من نواة الذرة. يحدث هذا عادةً أثناء التحلل الإشعاعي ألفا أو بيتا .

يمكن تمييز هذه الأنواع الثلاثة من الإشعاع من خلال اختلاف قدرتها على الاختراق.

يمكن إيقاف جسيمات ألفا بسهولة تامة بواسطة بضعة سنتيمترات من الهواء أو قطعة من الورق، وهي تعادل نواة ذرة الهيليوم. أما جسيمات بيتا، فيمكن حجبها بواسطة صفيحة من الألومنيوم لا يتجاوز سمكها بضعة ملليمترات، وهي عبارة عن إلكترونات. بينما تُعد جسيمات غاما الأكثر اختراقًا بين هذه الجسيمات الثلاثة، وهي عبارة عن فوتون عديم الكتلة والشحنة وعالي الطاقة. ويتطلب إشعاع غاما استخدام كمية كبيرة من التدريع الإشعاعي المصنوع من المعادن الثقيلة (عادةً الرصاص أو الباريوم ) لتقليل شدته.

تحليل التنشيط

من خلال تشعيع الأجسام بالنيوترونات ، يُمكن إحداث النشاط الإشعاعي؛ ويُعدّ تنشيط النظائر المستقرة لإنتاج النظائر المشعة أساس تحليل التنشيط النيوتروني . ومن أكثر الأجسام إثارة للاهتمام التي دُرست بهذه الطريقة شعر رأس نابليون ، الذي تم فحصه لتحديد محتواه من الزرنيخ . [ 1 ]

توجد سلسلة من الطرق التجريبية المختلفة، صُممت لتمكين قياس مجموعة متنوعة من العناصر في مواد مختلفة. وللحد من تأثير المادة، يُستخدم عادةً الاستخلاص الكيميائي للعنصر المطلوب ، أو يُترك النشاط الإشعاعي الناتج عن عناصر المادة ليتلاشى قبل قياسه. وبما أنه يمكن تصحيح تأثير المادة بمراقبة طيف التلاشي، فإن بعض العينات لا تتطلب تحضيرًا يُذكر، مما يجعل تحليل التنشيط النيوتروني أقل عرضة للتلوث.

يمكن ملاحظة تأثيرات سلسلة من فترات التبريد المختلفة إذا ما تم تعريض عينة افتراضية تحتوي على الصوديوم واليورانيوم والكوبالت بنسبة 100:10:1 لنبضة قصيرة جدًا من النيوترونات الحرارية . ستكون النشاطات الإشعاعية الأولية مهيمنةً بفعل نشاط الصوديوم -24 ( نصف عمره 15 ساعة)، ولكن مع مرور الوقت، سيسود نشاط النبتونيوم -239 (نصف عمره 2.4 يوم بعد تكوينه من اليورانيوم -239 الأصلي الذي يبلغ نصف عمره 24 دقيقة)، وأخيرًا نشاط الكوبالت -60 (5.3 سنة).

التطبيقات البيولوجية والطبية

أحد التطبيقات البيولوجية هو دراسة الحمض النووي باستخدام الفوسفور المشع -32. في هذه التجارب، يتم استبدال الفوسفور المستقر بالفوسفور المشع 32 المتطابق كيميائياً ، ويتم استخدام النشاط الإشعاعي الناتج في تحليل الجزيئات وسلوكها.

مثال آخر هو العمل الذي أُجري على مثيلة عناصر مثل الكبريت والسيلينيوم والتيلوريوم والبولونيوم بواسطة الكائنات الحية. فقد ثبت أن البكتيريا قادرة على تحويل هذه العناصر إلى مركبات متطايرة، [ 2 ] ويُعتقد أن ميثيل كوبالامين ( فيتامين ب 12 ) يُؤلكل هذه العناصر لتكوين ثنائي الميثيل. كما ثبت أن مزيج الكوبالوكسيم والبولونيوم غير العضوي في الماء المعقم يُنتج مركب بولونيوم متطاير، بينما لم تُنتج تجربة تحكم لم تحتوي على مركب الكوبالت هذا المركب المتطاير. [ 3 ] في تجربة الكبريت ، استُخدم النظير 35S ، بينما استُخدم النظير 207Po للبولونيوم. في بعض الأعمال ذات الصلة، من خلال إضافة 57 Co إلى المزرعة البكتيرية، متبوعًا بعزل الكوبالامين من البكتيريا (وقياس النشاط الإشعاعي للكوبالامين المعزول)، تبين أن البكتيريا تحول الكوبالت المتاح إلى ميثيل كوبالامين.

في الطب النووي، تُستخدم فحوصات التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني ( PET ) بشكل شائع لأغراض التشخيص، وخاصة في علم الأورام وعلم الأعصاب. يتم حقن المريض وريديًا بمادة مشعة، مثل فلوروديوكسي جلوكوز (FDG)، والتي تُستخدم في أكثر من 90% من فحوصات PET السريرية، ثم يُنقل إلى جهاز التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني. [ 4 ] تُطلق المادة المشعة إشعاعًا من جسم المريض، وتقوم كاميرات الجهاز بتحليل هذا الإشعاع. تستخدم أجهزة التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني تقنية الكشف الوميضي ذي الحالة الصلبة نظرًا لكفاءتها العالية في الكشف، حيث تمتص بلورات يوديد الصوديوم المنشط بالثاليوم (NaI(Tl)) إشعاع المادة المشعة وتُنتج فوتونات تُحوّل إلى إشارة كهربائية للجهاز، ثم يقوم الفريق الطبي بتحليلها. [ 5 ]

البيئة

يشمل علم الكيمياء الإشعاعية أيضاً دراسة سلوك النظائر المشعة في البيئة؛ فعلى سبيل المثال، يمكن أن يؤدي حريق في غابة أو عشب إلى تحريك النظائر المشعة مرة أخرى. [ 6 ] في هذه التجارب، أُشعلت حرائق في المنطقة المحظورة حول تشيرنوبيل، وقُيس النشاط الإشعاعي في الهواء في اتجاه الريح.

يمكن لعدد كبير من العمليات أن تُطلق مواد مشعة في البيئة. على سبيل المثال، يُعدّ تأثير الأشعة الكونية على الهواء مسؤولاً عن تكوين النظائر المشعة (مثل الكربون -14 والفوسفور -32 )، ويؤدي تحلل الراديوم -226 إلى تكوين الرادون -222 ، وهو غاز قادر على الانتشار عبر الصخور قبل دخوله المباني [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] ، كما يذوب في الماء ويتسرب بالتالي إلى مياه الشرب [ 10 ]. إضافةً إلى ذلك، تُسهم الأنشطة البشرية، مثل التجارب النووية والحوادث [ 11 ] والانبعاثات الطبيعية من الصناعة، في إطلاق مواد مشعة.

الشكل الكيميائي للأكتينيدات

تُعدّ الكيمياء البيئية لبعض العناصر المشعة، كالبلوتونيوم، معقدةً نظرًا لقدرة محاليل هذا العنصر على الخضوع لتفاعل عدم التناسب [ 12 ] ، مما يؤدي إلى وجود حالات أكسدة متعددة في آنٍ واحد. وقد أُجريت بعض الدراسات لتحديد حالة الأكسدة وعدد التناسق للبلوتونيوم والأكتينيدات الأخرى في ظل ظروف مختلفة.يشمل ذلك العمل على كل من حلول المركبات البسيطة نسبيًا [ 13 ] [ 14 ] والعمل على الغرويات [ 15 ]. ومن بين المصفوفات الرئيسية التربة / الصخور والخرسانة ، حيث دُرست الخصائص الكيميائية للبلوتونيوم في هذه الأنظمة باستخدام طرق مثل EXAFS و XANES . [ 16 ]

حركة الغرويات

على الرغم من أن ارتباط المعدن بأسطح جزيئات التربة قد يمنع حركته عبر طبقة التربة، إلا أنه من الممكن أن تهاجر جزيئات التربة الحاملة للمعدن المشع كجسيمات غروانية عبر التربة. وقد ثبت حدوث ذلك باستخدام جزيئات تربة موسومة بالسيزيوم -134 ، حيث استطاعت هذه الجزيئات المرور عبر الشقوق في التربة. [ 17 ]

خلفية عادية

تتواجد المواد المشعة في كل مكان على سطح الأرض منذ نشأتها. ووفقًا للوكالة الدولية للطاقة الذرية ، يحتوي كيلوغرام واحد من التربة عادةً على الكميات التالية من النظائر المشعة الطبيعية الثلاثة: 370 بيكريل من البوتاسيوم -40 (يتراوح عادةً بين 100 و700 بيكريل)، و25 بيكريل من الراديوم -226 (يتراوح عادةً بين 10 و50 بيكريل)، و25 بيكريل من اليورانيوم -238 (يتراوح عادةً بين 10 و50 بيكريل)، و25 بيكريل من الثوريوم -232 (يتراوح عادةً بين 7 و50 بيكريل). [ 18 ]

عمل الكائنات الدقيقة

يمكن للكائنات الدقيقة تثبيت اليورانيوم؛ إذ تستخدم بكتيريا Thermoanaerobacter الكروم (VI) والحديد (III) والكوبالت (III) والمنغنيز ( IV ) واليورانيوم (VI) كمستقبلات للإلكترونات، بينما تعمل الأسيتات والجلوكوز والهيدروجين واللاكتات والبيروفات والساكسينات والزيلوز كمانحات للإلكترونات في عملية التمثيل الغذائي للبكتيريا . وبهذه الطريقة ، يمكن اختزال المعادن لتكوين الماغنيتيت (Fe₃O₄ ) والسيديريت ( FeCO₃ ) والرودوكروسيت ( MnCO₃ ) واليورانينيت ( UO₂ ) . [ 19 ] وقد عمل باحثون آخرون أيضًا على تثبيت اليورانيوم باستخدام البكتيريا .اقترح فرانسيس ر. ليفنز وآخرون (العاملون في مانشستر) أن سبب قدرة بكتيريا جيوباكتر سلفوريدوسينز على اختزال كاتيونات UO₂²⁺² إلى ثاني أكسيد اليورانيوم هو اختزالها لكاتيونات اليورانيل إلى UO₂⁺² ، والتي تخضع بدورها لتفاعل عدم تناسب لتكوين UO₂²⁺² و UO₂ . وقد استند هذا الاستنتاج ( جزئيًا على الأقل) إلى ملاحظة أن NpO₂⁺² لا يتحول إلى أكسيد نبتونيوم غير قابل للذوبان بواسطة هذه البكتيريا . [ 20 ]

تعليم

على الرغم من تزايد استخدام الطب النووي، والتوسع المحتمل لمحطات الطاقة النووية، والمخاوف بشأن الحماية من التهديدات النووية وإدارة النفايات النووية المتولدة في العقود الماضية، فقد انخفض عدد الطلاب الذين يختارون التخصص في الكيمياء النووية والإشعاعية انخفاضًا ملحوظًا خلال العقود القليلة الماضية. والآن، مع اقتراب العديد من الخبراء في هذه المجالات من سن التقاعد، بات من الضروري اتخاذ إجراءات لتجنب نقص الكوادر في هذه المجالات الحيوية، وذلك على سبيل المثال من خلال تعزيز اهتمام الطلاب بهذه المهن، وتوسيع القدرات التعليمية للجامعات والكليات، وتوفير تدريب عملي أكثر تخصصًا. [ 21 ]

يُدرَّس علم الكيمياء النووية والإشعاعية في الغالب على مستوى الجامعات، وعادةً ما يبدأ تدريسه في مرحلتي الماجستير والدكتوراه. وفي أوروبا، تُبذل جهودٌ حثيثةٌ لتنسيق وتطوير مناهج تعليم الكيمياء النووية والإشعاعية بما يلبي احتياجات الصناعة والمجتمع في المستقبل. ويجري تنسيق هذه الجهود من خلال مشاريع ممولة من خلال العمل المنسق المدعوم من البرنامج الإطاري السابع للجماعة الأوروبية للطاقة الذرية: مشروع CINCH-II - التعاون في التعليم والتدريب في الكيمياء النووية.

مراجع

  1. ^ H. سميث، S. Forshufvud وA. Wassén، طبيعة ، 1962؛ 194(26 مايو)، 725-726
  2. ↑ موموشيما ن.، لي-إكس سونغ، أوساكي س.، مايدا ي. (2002). "انبعاث البولونيوم الناتج بيولوجيًا من المياه العذبة". مجلة النشاط الإشعاعي البيئي . 63 (2): 187-197 . doi : 10.1016/S0265-931X(02)00028-0 . PMID 12363270 . {{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  3. ↑ موموشيما ن.، لي-إكس سونغ، أوساكي س.، مايدا ي. (2001). "تكوين وانبعاث مركبات البولونيوم المتطايرة بفعل النشاط الميكروبي ومثيلة البولونيوم بواسطة ميثيل كوبالامين". العلوم والتكنولوجيا البيئية . 35 (14): 2956-2960 . doi : 10.1021/es001730+ . PMID 11478248 . {{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  4. ↑ "إحصاءات مسح الطب النووي 2021/22" . الوكالة الأسترالية للحماية من الإشعاع والسلامة النووية . 6 نوفمبر 2025.
  5. ↑ ساها، جوبال ب. (2010). "أنظمة المسح الضوئي PET". أساسيات التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني . سبرينغر، نيويورك، نيويورك. ص 19-39 . doi : 10.1007/978-1-4419-0805-6_2 . ISBN  9781441908049.
  6. ↑ يوشينكو وآخرون (2006). "إعادة تعليق وتوزيع النويدات المشعة أثناء حرائق المراعي والغابات في منطقة تشيرنوبيل المحظورة: الجزء الأول. تجارب الحريق". مجلة النشاط الإشعاعي البيئي . 86 (2): 143-163 . Bibcode : 2006JEnvR..86..143Y . doi : 10.1016/j.jenvrad.2005.08.003 . PMID 16213067 .  
  7. ↑ فاوبوتيتش يانجا، كوبال إيفان (2006). "الجرعات الفعالة في المدارس بناءً على الهباء الجوي الناتج عن غاز الرادون النانوي". البيئة الجوية . 40 (39): 7494-7507 . Bibcode : 2006AtmEn..40.7494V . doi : 10.1016/j.atmosenv.2006.07.006 .
  8. ↑ دوراند مايكل (2006). "تلوث الهواء الداخلي الناتج عن الغازات الحرارية الأرضية". البناء والبيئة . 41 (11): 1607-1610 . Bibcode : 2006BuEnv..41.1607D . doi : 10.1016/j.buildenv.2005.06.001 .
  9. ↑ بوفيتا باولو (2006). "سرطان الإنسان الناتج عن الملوثات البيئية: الأدلة الوبائية". بحوث الطفرات/علم السموم الوراثية والطفرات البيئية . 608 (2): 157-162 . Bibcode : 2006MRGTE.608..157B . doi : 10.1016/j.mrgentox.2006.02.015 . PMID 16843042 . 
  10. ↑ فورتي م.، روسكوني ر.، كازانيغا م.ت.، سغورباتي ج. (2007). "قياس النشاط الإشعاعي في مياه الشرب الإيطالية". مجلة الكيمياء الدقيقة . 85 (1): 98-102 . Bibcode : 2007MiccJ..85...98F . doi : 10.1016/j.microc.2006.03.004 .{{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  11. ^ Pöllänen R.، Ketterer ME، Lehto S.، Hokkanen M.، Ikäheimonen TK، Siiskonen T.، Moring M.، Montero MP Rubio، Sánchez A. Martín (2006). “توصيف متعدد التقنيات لجسيم قنبلة نووية من حادث بالوماريس”. مجلة النشاط الإشعاعي البيئي . 90 (1): 15– 28. بيب كود : 2006JEnvR..90...15P . دوى : 10.1016/j.jenvrad.2006.06.007 . بميد 16870315 . {{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  12. ↑ رابيدو، إس دبليو، مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية ، 1957؛ 79، 6350-6353
  13. ↑ ألين، بي. جي.، بوخر، جيه. جيه.، شوه، دي. كيه.، إيدلشتاين، إن. إم.، رايش، تي. (1997). "دراسة معقدات الماء والكلورو لأيونات UO₂²⁺ ، NpO₂²⁺ ، Np⁴⁺ ، وPu³⁺ باستخدام مطيافية البنية الدقيقة لامتصاص الأشعة السينية". الكيمياء اللاعضوية . 36 (21): 4676-4683 . Bibcode : 1997InCh...36.4676A . doi : 10.1021/ic970502m . PMID: 11670143 . {{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  14. ↑ كلارك ديفيد ل.، كونرادسون ستيفن د.، ويبستر كيو فيليب د. بالمر، سكوت برايان ل.، تايت سي. درو (1998). "تحديد الأنواع المحددة في نظام كربونات البلوتونيوم (IV). البنية الجزيئية في الحالة الصلبة والمحلول لأيون [Pu(CO3 ) 5 ] 6− " . الكيمياء اللاعضوية . 37 (12): 2893-2899 . doi : 10.1021/ic971190q .{{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  15. ↑ روث يورغ، والتر كليمنس، دينيك ميليسا أ.، ث (2004). "دراسة تكوين وبنية نواتج التحلل المائي الغروية للبلوتونيوم (IV) باستخدام تقنيتي XAFS وLIBD". الكيمياء اللاعضوية . 43 (15): 4708-4718 . Bibcode : 2004InCh...43.4708R . doi : 10.1021/ic049861p . PMID 15257600 . {{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  16. ↑ داف إم سي، هنتر دي بي، ترياي آي آر، بيرتش بي إم، ريد دي تي، ساتون إس آر، شيا-مكارثي جي، كيتن جي، إنج بي، تشيبرا إس جي، فانيمان دي تي (1999). "التجمعات المعدنية ومتوسط ​​حالات الأكسدة للبلوتونيوم الممتص على التوف". مجلة العلوم والتكنولوجيا البيئية . 33 (13): 2163-2169 . Bibcode : 1999EnST...33.2163D . doi : 10.1021/es9810686 .{{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  17. ↑ ويكر، آر. دي.، وإبراهيم، إس. إيه. (2006). "الهجرة الرأسية لجزيئات التربة الحاملة للسيزيوم -134 في التربة القاحلة: آثارها على إعادة توزيع البلوتونيوم". مجلة النشاط الإشعاعي البيئي . 88 (2): 171-188 . doi : 10.1016/j.jenvrad.2006.01.010 . PMID 16564117 . 
  18. ↑ "الإجراءات العامة للتقييم والاستجابة أثناء حالة الطوارئ الإشعاعية"، الوكالة الدولية للطاقة الذرية، سلسلة TECDOC رقم 1162، نُشرت عام 2000
  19. ↑ روه يول، ليو شي ف.، لي غوانغشان، هوانغ هيشو، فيلبس تومي ج.، تشو جيتشونغ (2002). " عزل وتوصيف سلالات البكتيريا اللاهوائية الحرارية المختزلة للمعادن من بيئات باطن الأرض العميقة في حوض بيسانس، كولورادو" . علم الأحياء الدقيقة التطبيقي والبيئي . 68 (12): 6013-6020 . Bibcode : 2002ApEnM..68.6013R . doi : 10.1128/AEM.68.12.6013-6020.2002 . PMC 134454. PMID 12450823 .  {{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  20. ↑ رينشو جوانا سي، بوتشينز لورا جيه سي، ليفنز فرانسيس آر، ماي إيان، تشارنوك جون إم، لويد جوناثان آر (2005). "الاختزال الحيوي لليورانيوم: الآثار البيئية لوسيط خماسي التكافؤ". مجلة العلوم والتكنولوجيا البيئية ، 39 (15): 5657-5660 . Bibcode : 2005EnST...39.5657R . doi : 10.1021/es048232b . PMID 16124300 . {{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  21. ↑ ضمان مستقبل الخبرة النووية والكيميائية الإشعاعية في الولايات المتحدة . مجلس العلوم والتكنولوجيا الكيميائية. 2012. ISBN 978-0-309-22534-2.