سالروز ولادت امام هادی سلام الله علیه مبارک باد.

ایزوتوپ پرتوزا (رادیوایزوتوپ) چیست: ویژگی‌ها و کاربردها

ایزوتوپ پرتوزا (رادیوایزوتوپ) چیست

ایزوتوپ پرتوزا (رادیوایزوتوپ) چیست: به ایزوتوپ‌های ناپایدار چون پرتوافشانی می‌کنند، «ایزوتوپ پرتوزا» یا «رادیوایزوتوپ» می‌گوییم. همه ایزوتوپ‌های ناپایدار، پرتوزا یا رادیواکتیو هستند. ایزوتوپ‌های پرتوزا (رادیوایزوتوپ‌ها) در حوزه‌های مختلف از جمله در کشاورزی، پزشکی و در پژوهش‌های علمی کاربرد دارند. در ادامه با جزییات بیشتری توضیح می‌دهیم که ایزوتوپ پرتوزا (رادیوایزوتوپ) چیست، علت پرتوافشانی و کاربرد رادیوایزوتوپ چیست و ایزوتوپ‌های پرتوزا چه ویژگی‌هایی دارند.

 

پیش‌تر در مطلب مجزایی گفتیم ایزوتوپ‌ها انواع اتم‌های یک عنصر هستند که تعداد پروتون‌های برابر اما تعداد نوترون‌های متفاوتی دارند. به عبارت دیگر، عدد اتمی ایزوتوپ‌های یک عنصر یکسان اما عدد نوترونی آن‌ها متفاوت است. همچنین گفتیم که بعضی از عناصر فقط یک نوع اتم دارند و در واقع، تک‌ایزوتوپ هستند. اکنون می‌خواهیم بدانیم که ایزوتوپ پرتوزا یا رادیو ایزوتوپ چیست، چرا ناپایدار است و رادیوایزوتوپ‌ها چه کاربردی دارند. اما پیش از آن، بهتر است چند نکته را با هم مرور کنیم و به یاد داشته باشیم:

  • ایزوتوپ‌ها در کل دو نوع هستند: ایزوتوپ پایدار (stable isptope) و ایزوتوپ ناپایدار (unstable isoptope)
  • همه ایزوتوپ‌های ناپایدار، پرتوزا یا رادیواکتیو هستند (radioisotope)
  • بعضی از ایزوتوپ‌ها طبیعی و بعضی دیگر از آن‌ها مصنوعی هستند.
  • ایزوتوپ‌های طبیعی ممکن است پایدار یا ناپایدار باشند اما همه ایزوتوپ‌های مصنوعی، ناپایدار و درنتیجه پرتوزا (رادیواکتیو) هستند.
  • بعضی از عناصر شیمیایی فقط به‌شکل ایزوتوپ‌های ناپایدار در طبیعت مشاهده می‌شوند که اورانیوم از آن جمله است.

 

ایزوتوپ‌های طبیعی هیدروژن

تصویر ۱. ایزوتوپ‌های طبیعی هیدروژن: «پروتیوم» فراوان‌ترین ایزوتوپ هیدروژن در طبیعت است. لذا وقتی از اتم هیدروژن سخن می‌گوییم معمولا منظورمان همان پروتیوم است مگر این‌که صراحتاً خلاف آن‌را ذکر کنیم.


ایزوتوپ پرتوزا (رادیوایزوتوپ) چیست؟

به ایزوتوپ‌های ناپایدار چون پرتوافشانی می‌کنند، «ایزوتوپ پرتوزا» یا «رادیو ایزوتوپ» یا «ایزوتوپ رادیواکتیو» می‌گوییم. ایزوتوپ‌های پرتوزا در واقع، اتم‌هایی هستند که معمولا تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های‌شان یکسان نیست و به همین علت هسته‌ی نامتعادل و ناپایداری دارند و چون می‌خواهند به پایداری برسند، از هسته خود انرژی و ذرات ساطع می‌کنند. اما علت ناپایداری بعضی از ایزوتوپ‌ها چیست؟ ایزوتوپ پرتوزا چگونه تشکیل می‌شود و چرا پرتوافشانی می‌کند؟


ایزوتوپ پرتوزا چگونه تشکیل می‌شود؟

گفتیم که ایزوتوپ‌ها یا طبیعی و یا مصنوعی هستند. همچنین گفتیم که بعضی از ایزوتوپ‌های پرتوزا طبیعی هستند، یعنی در طبیعت وجود دارند، اما برخی دیگر را با ‌روش‌های مصنوعی در آزمایشگاه‌ها یا درون راکتورها یا تاسیسات مخصوص صنعتی تولید می‌کنند. ایزوتوپ‌های طبیعی در اثر واپاشی پرتوزا (یعنی انتشار انرژی به شکل ذرات آلفا، بتا، نوترون و پروتون) تشکیل می‌شوند.

ذره آلفا

تصویر ۲. ذره آلفا: یکی از ذراتی که بعضی از ایزوتوپ‌های ناپایدار طی پرتوزایی خود، منتشر می‌کنند (تصویر ۳ را هم ببینید). 


 

برای ساخت ایزوتوپ‌های مصنوعی، هسته‌ی ایزوتوپ پایدار را درون راکتورهای هسته‌ای با ذرات باردار اصطلاحا بمباران می‌کنند. رادیوایزوتوپ‌ها هسته ناپایدار دارند. دو عامل در پایداری یا ناپایداری ایزوتوپ‌ها نقش مهمی دارد: یکی بود و نبودِ توازن بین پروتون‌ها و نوترون‌های هسته‌ی اتم و دیگری تعداد کلِ پروتون‌ها و یا نوترون‌های درون هسته. پس برای تولید رادیوایزوتوپ‌های مصنوعی باید هسته اتم را طوری تغییر داد که شکل پایدار خود را از دست بدهد و ناپایدار شود. بعضی از رادیو ایزوتوپ‌ها را در راکتورهای هسته‌ای می‌سازند. گاهی نیز برای ساخت رادیو ایزوتوپ‌های مصنوعی از شتاب‌دهنده‌های حلقوی یا اصطلاحا سیکلوترون (cyclotron) بهره می‌برند.

واپاشی ایزوتوپ ناپایدار و انتشار ذره آلفا

تصویر ۳. واپاشی ایزوتوپ ناپایدار و انتشار ذره آلفا؛ در انواع دیگری از واپاشی ممکن است ذره بتا، پرتو ایکس و گاما و یا نوترون نیز آزاد شود. 


واکنشگرها یا راکتورهای هسته‌ای برای تولید رادیو ایزوتوپ‌های غنی از نوترون مثل «مولیبدنیوم‌۹۹» مناسب هستند. شتاب‌دهنده‌های حلقوی نیز برای تولید رادیو ایزوتوپ‌های غنی از پروتون مثل فولرین۱۸ مناسبند.

اورانیوم بهترین نمونه از ایزوتوپ‌های پرتوزای طبیعی است. فقط ۰.۷ درصد اورانیوم‌ موجود در طبیعت ایزوتوپ پایدار U-238 است و مابقی یا ایزوتوپ‌های ناپایدار و یا ایزوتوپ U-235 هستند. اورانیوم۲۳۵ رادیواکتیوتر است و در هسته خود، ۳ نوترون کمتر دارد.


علت ناپایداری ایزوتوپ: چرا بعضی از ایزوتوپ‌ها ناپایدار هستند؟

اگر نیروهای موجود بین ذراتِ درون هسته‌‌ متوازن باشند، اتم پایدار خواهدبود. اما اگر نیروهای موجود بین ذراتِ هسته توازن نداشته باشند، هسته بخشی از انرژی درونی خود را بیرون می‌پاشد تا پایدار شود. بیشی گرفتنِ محسوسِ تعداد پروتون‌ بر نوترون‌ یا بالعکس عامل مهمی است که به ناپایدار شدن ایزوتوپ می‌انجامد.


چرا ایزوتوپ‌های ناپایدار، پرتوزا هستند؟

ایزوتوپ‌های ناپایدار معمولا دوست ندارند ناپایدار بمانند، لذا با بیرون راندن تعدادی از پروتون‌ها یا نوترون‌ها و دیگر ذرات بنیادیِ اضافیِ خود، و همچنین با آزاد کردن بخشی از انرژی درونی‌شان می‌کوشند به پایداری برسند. یادآوری می‌کنیم که همه ایزوتوپ‌های ناپایدار، پرتوزا یا رادیواکتیو هستند.

واپاشی پرتوزا چیست؟

اتم‌هایی که هسته ناپایدار دارند، با تابش بخشی از ذرات و انرژی خود به پایداری می‌رسند؛ فرآیندی که به آن «واپاشی پرتوزا» یا «واپاشی رادیواکتیو» (radioactive decay) می‌گوییم. «واپاشی پرتوزا» بسته به نوعِ ایزوتوپِ پرتوزا فرق می‌کند. میزان پرتودهی به رادیوایزوتوپ‌ها را برحسب زمان می‌سنجیم و به آن نیمه عمر (half-life) می‌گوییم. منظور از «نیمه عمر» مدت زمانی است که طی آن، نیمی از هسته‌ی ناپایدار وامی‌پاشد.


کاربرد ایزوتوپ پرتوزا (رادیوایزوتوپ)‌ چیست؟

اکنون می‌خواهیم بدانیم که کاربرد رادیوایزوتوپ‌ چیست. ایزوتوپ‌های پرتوزا یا رادیوایزوتوپ‌ها کاربردهای مختلف و متعددی دارند. برای مثال، در پزشکی از چندین نوع ایزوتوپ پرتوزای مصنوعی استفاده می‌شود و برای مثال، با کمک ایزوتوپ تکنتیوم (۹۹mTc) می‌توان محل انسداد رگ‌های خونی را شناسایی کرد. برخی از رادیوایزوتوپ‌های طبیعی مثل کربن۱۴ نیز در قدمت‌سنجیِ آثار باستانی به کار می‌روند.

رادیوایزوتوپ‌ها در تهیه رادیوداروها کاربرد دارند. بعضی از ایزوتوپ‌های پرتوزا که در پزشکی هسته‌ای به کار می‌روند، نیمه عمرشان کوتاه است، یعنی سریع وامی‌پاشند و لذا آن‌ها را در تشخیص بیماری‌ها به کار می‌برند. سایر ایزوتوپ‌های پرتوزا که نیمه عمر طولانی‌تری دارند، یعنی دیرتر وامی‌پاشند، برای درمان بیماری‌ها استفاده می‌شوند.

ایزوتوپ‌های پرتوزا کاربردهای صنعتی هم دارند و برای بهبود تولید و دریافت اطلاعاتی که به طرق دیگر ممکن نیست به کار می‌روند. کاربرد دیگر رادیوایزوتوپ‌ها در حوزه رادیوگرافی صنعتی است که طی آن، برای هدایت آزمون فشار یا بررسی یکپارچگی جوش‌ها در نقاط اتصال، از منبع پرتو گاما استفاده می‌شود. از دیگر کاربردهای رادیوایزوتوپ در صنعت، آزمایش توربین‌های موتور جت هواپیما است تا از یکپارچگی ساختاری آن‌ها اطمینان حاصل شود.

ایزوتوپ‌های پرتوزا در سنجش سطح مایعات درون مخازن یا اندازه‌گیری ضخامت مواد نیز به کار می‌روند. همچنین در پژوهش‌های علمی نیز کاربرد گسترده‌ای دارند و در حوزه‌های مختلف از ردیابی جریان آلاینده‌ها در سامانه‌های زیستی تا تعیین فرآیند‌های متابولیک در جانوران کوچک از آن‌ها استفاده می‌شود. امروزه همچنین برای کشف فعالیت‌های هسته‌ای مخفیانه، رادیوایزوتوپ‌های خاصی را که معمولا در حوزه ساخت سلاح‌های هسته‌ای کاربرد دارند، بررسی می‌کنند. پس به‌طور خلاصه:

 

چند کاربرد ایزوتوپ‌ پرتوزا (رادیوایزوتوپ)

  • تشخیص بعضی از بیماری‌ها
  • تهیه رادیوداروها جهت درمان بعضی از بیماری‌ها صعب‌العلاج
  • پزشکی: برای تشخیص و درمان بیماری‌ها، استریلیزه کردن پیاپیِ ابزارهای کلینیکی و جراحی و…
  • رادیوگرافی صنعتی (آزمون فشار و اطمینان از نقاط اتصال در جوشکاری‌های صنعتی)
  • آزمایش توربین‌ موتورهای جت هواپیما (اطمینان از یکپارچگی ساختاریِ آن‌ها)
  • سنجش سطح مایعات درون مخازن
  • اندازه‌گیری دقیق ضخامت مواد
  • پژوهش‌های علمی: در دانشگاه‌، صنعت، پزشکی و…
  • ردیابی جریان آلاینده‌ها در محیط زیست
  • بررسی نوعِ فعالیت‌های هسته‌ای در تاسیسات هسته‌ای مختلف
  • باستان‌شناسی: قدمت‌سنجیِ رویدادهای زمین‌شناختی
  • هنر: مرمت آثار هنری، اعتبارسنجی و تایید اشیای هنری یا تاریخی و…
  • کشاورزی: کنترل آفت‌ها، و کنسرو و نگهداری مواد غذایی و…

 

ایزوتوپ‌های پرتوزا چه ذرات و پرتوهایی منتشر می‌کنند؟

وقتی ایزوتوپ پرتوزا بطور طبیعی وامی‌پاشد، ذرات و انرژی خود را در محیط از جمله در آب و هوا و حتی سمتِ مردم می‌تاباند. آن ذرات و پرتوها در اشیای پیرامون‌شان نفوذ می‌کنند و لذا برای سلامتی انسان و بسیاری از موجودات دیگر مضر هستند. ایزوتوپ‌های ناپایدار بسته به نوع‌شان ذرات و پرتوهای مختلفی منتشر می‌کنند که عبارتند از:

  • ذره آلفا
  • ذره بتا
  • پرتو ایکس
  • پرتو گاما
  • نوترون

 

خطر ایزوتوپ‌ پرتوزا (رادیوایزوتوپ) چیست؟

«ذرات آلفا» بُرد کمتری دارند و بنابراین راحت‌تر متوقف می‌شود. «ذرات بتا» برد نسبتا بیشتری دارند، پس باید بیشتر مراقب‌شان بود. فوتون‌ها (پروتهای گاما و ایکس) به سپرهای محافظ بسیار قوی‌تری نیاز دارند، زیرا برد و قدرت نفوذشان بیشتر است و برای انسان بسیار خطرناک هستند.

خطرناک‌ترین نوع تابش برای انسان «تابش نوترونی» است، زیرا انرژی جنبشی بیشتری دارد. به‌همین علت برای مصون ماندن از آن معمولا از سپرهای بسیار قدرتمندی استفاده می‌شود. موادی که عدد اتمی کمتری دارند (مثل آب، کربن، لیتیوم و…) معمولا می‌توانند سرعت پیش‌رویِ نوترون‌ها را کاهش دهند و لذا سپرهای محافظتی خوبی محسوب می‌شوند. برای مثال، همانطور که در تصویر می‌بینیم، حتی یک برگ کاغذ هم می‌تواند جلوی نفوذ ذرات آلفا را بگیرد اما برای متوقف کردن ذرات بتا حفاظی از جنس آلومینیوم یا مواد مشابه لازم است. پرتو ایکس و پرتو گاما را با سپر سربی می‌توان متوقف کرد اما نوترون حتی از سرب هم می‌گذرد و برای جلوگیری از تابش نوترونی سپر بتنی لازم است.

 

نوع تشعشات ایزوتوپ‌ پرتوزا (رادیوایزوتوپ) چیست

تصویر ۴. نوع تشعشات ایزوتوپ‌ پرتوزا (رادیوایزوتوپ) و قدرت نفوذ آن‌ها در مواد مختلف


جمع‌بندی و سخن پایانی

هسته ایزوتوپ ناپایدار وقتی می‌خواهد به پایداری برسد، پرتوافشانی می‌کند، یعنی ایزوتوپ‌های ناپایدار، پرتوزا یا رادیواکتیو هستند و به همین سبب به آن‌ها ایزوتوپ پرتوزا (رادیوایزوتوپ) می‌گوییم. نبود تعادل بین پروتون‌ها و نوترون‌های هسته به ناپایداری ایزوتوپ و پرتوزایی آن منجر می‌شود. ایزوتوپ‌های پرتوزا در پژوهش، کشاورزی، پزشکی، باستان‌شناسی و صنعت کاربردهای گوناگونی دارند و در عین حال چون رادیواکتیو هستند باید در مواجهه با آن‌ها بسیار محتاط بود.