تطبيقات التفاعلات النووية Applications of Nuclear Reactions

تطبيقات التفاعلات النووية Applications of Nuclear Reactions

أولا ً : توليد الطاقة الكهربائية

تطبيقات التفاعلات النووية Applications of Nuclear Reactions 1

تطبيقات التفاعلات النووية Applications of Nuclear Reactions 1

المفاعل النووي

تمثل التفاعلات النووية مصدرا ً مهما ً للطاقة ، ففي الولايات المتحدة الأمريكية ، فمثلا ً تشكل الطاقة الكهربائية التي يتم الحصول عليها من الطاقة النووية 20% من مجمل الطاقة الكهربائية في البلاد.

ثانيا ً : تسيير الغواصات والسفن والصواريخ

تحتوي الغواصات والسفن النووية على مفاعل نووي يستعمل فيه مصهور الصوديوم كمبرد وناقل للحرارة .

أول غواصة في العالم تعمل بالوقود النووي الغواصة اللأمريكية نوتيلوس Nautilus سنة 1955 وقد دارت حول العلم مستهلكة ً قطعة يورانيوم لا تزيد كتلتها عن 1 كغ .

ويمتاز الوقود النووي المستخدم في السفن والغواصات بعدم حاجته للأكسجين ، وعدم الحاجة للتزود بالوقود باستمرار ، كما أن الوقود النووي يشغل حيزاً قليلاً مقارنة بالوقود العادي.

ثالثا ً : الطب

العديد من أعضاء جسم الإنسان تمتص عناصر بعينها كالغدة الدرقية التي تمتص اليود والعظام تمتص الفسفور ، وعليه يمكن استخدام أحد النظائر المشعة الذي يمتص من العضو المريض فيعمل على علاج الأورام في ذلك العضو .

من الأمثلة على ذلك استخدام اليود – 131 لتتبع أورام الغدة الدرقية ، ولأجل ذلك يشرب المرضى محلول يحتوي على كميات بسيطة من يوديد الصوديوم NaI131 ويتم بعد ذلك تتبع أثر اليود الممتص من الغدة الدرقية بوساطة شاشة كشاشة التلفاز .

يمكن استخدام الثاليوم – 201 لمتابعة أمراض القلب وبخاصة للأشخاص اللذين يعانون من الأزمة القلبية ، وذلك بسبب تركز الثاليوم في عضلة القلب السليمة ، وبنفس الطريقة يمكن استخدام التكنيتيوم – 99 لمتابعة أنسجة عضلات القلب .
وتستخدم النظائر المشعة أيضا ً في الوقت الحاضر في الكشف عن الحمل مبكرا ً .

بعض النظائر التي تستخدم في المجال الطبي وأعمار النصف ويشترط عند استخدامها في هذه الطريقة في العلاج أن يكون عمر النصف للنظير المستخدم قصيراً وينتهي نشاطه الإشعاعي بمجرد انتهائه من علاج الورم .

ولا يشترط في العلاج أن تكون الأشعة صادرة من داخل الجسم ، بل يمكن استخدام أشعة من خارج الجسم لمعالجة الأورام الداخلية كاستخدام أشعة غاما الصادرة عن نظير الكوبالت 60 لعلاج الأورام السرطانية .
رابعا ً : التعقيم

يمكن تعقيم المواد الغذائية باستعمال الأشعة ، حيث يمكن إبادة الكائنات الحية الدقيقة في المنتجات الغذائية بوساطة تيار من جسيمات بيتا أو أشعة غاما ، وبنفس الطريقة يتم تعقيم الأدوية والمستحضرات الطبية والمنتوجات الزراعية .

خامسا ً : الكشف عن تسرب النفط

يمكن الكشف عن حدوث أي تسرب للنفط داخل أنابيب النفط المدفونة تحت سطح الأرض دون الإضطرار للحفر ومحاولة تتبع أنبوب النفط لمعرفة مكان التسرب وذلك باستخدام النظائر المشعة وبتكلفة بسيطة .

تطلق مادة مشعة داخل أنابيب النفط حيث تجري مجراه ، فإذا حدث انتشار للنشاط الإشعاعي في منطقة ما دل ذلك على حدوث التسرب في تلك المنطقة .

سادسا ً : متابعة التفاعلات الكيميائية

تستخدم النظائر لمتابعة آلية (ميكانيكية) التفاعل mechanism of chemical reactions .

فعلى سبيل المثال يتفاعل الكحول مع الحمض العضوي ليعطي استرا ً وماءً .

تطبيقات التفاعلات النووية Applications of Nuclear Reactions 2

تطبيقات التفاعلات النووية Applications of Nuclear Reactions 2

هنالك احتمالان لحدوث التفاعل :

الاحتمال الأول سحب OH من الكحول و H من الحمض العضوي ويتكون استر وماء .

تطبيقات التفاعلات النووية Applications of Nuclear Reactions 3

تطبيقات التفاعلات النووية Applications of Nuclear Reactions 3

الاحتمال الثاني سحب OH من الحمض العضوي و H من الكحول ويتكون استر وماء .
الاحتمال الثاني سحب OH من الحمض العضوي و H من الكحول ويتكون استر وماء . تطبيقات التفاعلات النووية Applications of Nuclear Reactions 4

تطبيقات التفاعلات النووية Applications of Nuclear Reactions 4

وفي الحقيقة يحدث فعلياً الاحتمال لالثاني ، ولمعرفة الآلية الصحيحة يمكن اجراء التفاعل باستخدام نظير الأكسجين 18 في الكحول أو الحمض العضوي ، ومتابعة مكان ظهور النظير .

وعلى هذا الأساس :

إذا استخدم نظير الأكسجين في الكحول فإنه سيظهر في الإستر .

تطبيقات التفاعلات النووية Applications of Nuclear Reactions 5

تطبيقات التفاعلات النووية Applications of Nuclear Reactions 5

وإذا استخدم نظير الأكسجين في الحمض العضوي فإنه سيظهر في الماء

تطبيقات التفاعلات النووية Applications of Nuclear Reactions 6

وبنفس الطريقة يمكن متابعة أي تفاعل كيميائي كمتابعة حركة الماء في الأنظمة الحيوية كالنباتات ، كأن يضاف الماء H2O18 المستخدم فيه نظير الأكسجين إلى التربة ومتابعة حركة الماء خلال النباتات التي تحوله في عملية البناء الضوئي إلى سكر .

سابعا ً : تقدير الأعمار

أ. تقدير أعمار الصخور

تعتبر طريقة تقدير أعمار الصخور من أفضل التطبيقات على ظاهرة النشاط الإشعاعي ، فالصخور التي تحتوي على يورانيوم يمكن تقدير أعمارها بمعرفة النسبة بين اليورانيوم 238 والرصاص 206 ( تذكر أن الرصاص 206 هو النظير المستقر الذي ينتج من تحلل اليورانيوم 238 – انظر إلى سلسلة النشاط الإشعاعي - ) .

ومن المعروف أن عمر النصف لليورانيوم هو 4.5 بليون سنة ( 4.5 × 910 سنة ) ، فإذا كانت النسبة بين

206Pb / i238U هي 1 : صفر فهذا يعني أن الصخرة حديثة التكون والدليل عدم تحول اليورانيوم إلى رصاص .

وإذا كانت النسبة بين 206Pb / 238U هي 1 : 1 فهذا يعني أن الصخرة قد مرت بفترة عمر النصف لليورانيوم وتحولت نصف كمية اليورانيوم إلى رصاص ، وهذا يعني أن عمر الصخرة 4.5 بليون سنة .

ومن خلال النسبة بين كمية اليورانيوم والرصاص في الصخرة يمكن تقدير عمرها التقريبي ، وفي الحقيقة فإن أقدم صخرة قد تم قياس عمرها بهذه الطريقة عمرها 3.9 × 910 سنة أي أقل من عمر النصف لليورانيوم .

أما الصخور التي لا تحتوي على يورانيوم يقدر عمرها باستخدام طريقة بوتاسيوم – آرغون .
يتحلل البوتاسيوم وفق المعادلة التالية :

تطبيقات التفاعلات النووية Applications of Nuclear Reactions 7

تطبيقات التفاعلات النووية Applications of Nuclear Reactions 7

ويبلغ عمر النصف للبوتاسيوم 1.3 × 910 سنة .

وبحساب النسبة بين i40Ar / 40K يمكن تقدير عمر الصخرة بنفس الطريقة التي اتبعت عند تقدير عمر الصخور الحاوية على اليورانيوم .

ب. تقدير أعمار الأشياء التي كانت حية

تمكننا هذه الطريقة من تقدير أعمار أشياء تزيد أعمارها عن 70.000 سنة .

تقدر عمر الأشياء التي كانت يوما ما حية ، مثل العظام والخشب بقياس النسبة بين نظيري الكربون 14 والكربون 12

يتكون نظير الكربون 14 في طبقات الجو العليا من التحام النيوترونات مع أنوية النتروجين وفق المعادلة النووية التالية:

تطبيقات التفاعلات النووية Applications of Nuclear Reactions 8

تطبيقات التفاعلات النووية Applications of Nuclear Reactions 8

وبمجرد تكون نظير الكربون يبدأ بالتحلل وفق المعادلة :

تطبيقات التفاعلات النووية Applications of Nuclear Reactions 9

عمر النصف لنظير الكربون 14 يساوي 5770 سنة .

وعند تفاعل الكربون مع ألكسجين يتكون غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يحتوي على نظيري الكربون 14 و 12 .

وعندما تقوم النباتات بعملية البناء الضوئي فإنها تأخذ غاز ثاني أكسيد الكربون الحاوي على نظيري الكربون وتحوله إلى مركبات عضوية تكون نسبة الكربون 14 و 12 فيها ثابتة .

وعند موت الكائن الحي يستمر الكربون 14 بالتحلل دون أن يتحلل نظير الكربون 12 ، وبحساب النسبة بين النظيرين يمكن تقدير عمر الكائن الحي .

ج. تقدير عمر الجليد

يتكون نظير الهيدروجين – 3 ( التريتيوم ) في الجو نتيجة ً لالتحام النيوترون بالبروتون أو بفعل التحام النيتروجين بالنيوترون بفعل الأشعة الكونية .

تطبيقات التفاعلات النووية Applications of Nuclear Reactions 10

تطبيقات التفاعلات النووية Applications of Nuclear Reactions 10

ويحتوي ماء المطر على كمية ضئيلة من هذا النظير المشع ( عمر النصف = 12.26 عام ) ، وبقياس نسبة وجوده في الجليد على قمم الجبال يمكن تقدير عمر الجليد ، وبنفس الطريقة يمكن تقدير عمر النبيذ .