النشاط الإشعاعي في فيزياء الكم

النشاط الإشعاعي، كما يوحي اسمه، هو فعل يصدر إشعاعًا تلقائيًا، ويتم ذلك عن طريق نواة ذرية غير مستقرة لسبب ما، حيث إنها “تريد” التخلي عن بعض الطاقة من أجل التحول إلى تكوين أكثر استقرارًا.

النشاط الاشعاعي في فيزياء الكم

خلال النصف الأول من القرن العشرين، تم تكريس الكثير من الفيزياء الحديثة لاستكشاف سبب حدوث النشاط الإشعاعي، وكانت النتيجة أن التفكك النووي كان مفهومًا جيدًا إلى حد ما بحلول عام 1960، حيث يؤدي وجود عدد كبير جدًا من النيوترونات في النواة إلى إصدار جسيم بيتا سالب، والذي يغير أحد النيوترونات إلى بروتون.

تؤدي العديد من البروتونات في النواة إلى إصدار بوزيترون (إلكترون موجب الشحنة)، مما يؤدي إلى تحويل البروتون إلى نيوترون، وتؤدي الطاقة الزائدة إلى حد كبير إلى قيام النواة بإصدار جاما شعاع، الذي يستبعد طاقة كبيرة دون تغيير أي من الجسيمات في النواة، وتؤدي الكتلة الزائدة إلى أن تصدر النواة جسيم ألفا، وتتخلص من أربعة جسيمات ثقيلة (بروتونان ونيوترونان).

قياس النشاط الإشعاعي

النشاط الإشعاعي ظاهرة فيزيائية وليست بيولوجية، وببساطة يمكن قياس النشاط الإشعاعي لعينة ما عن طريق حساب عدد الذرات التي تتحلل تلقائيًا في كل ثانية، حيث يمكن القيام بذلك باستخدام أدوات مصممة لاكتشاف نوع معين من الإشعاع المنبعث مع كل “اضمحلال” أو تفكك.

قد يكون العدد الفعلي للتفكك في الثانية كبيرًا جدًا، حيث اتفق العلماء على وحدات مشتركة لاستخدامها كشكل من أشكال الاختزال، وهكذا فإن كوري (اختصار “Ci” وسميت على اسم بيير وماري كوري، مكتشفو الراديوم.

إن معدل التفكك الذي يحدث في 1 جرام من الراديوم، حيث أن وحدة النظام الدولي للقياسات (SI) الأكثر حداثة لنفس النوع من القياس هي وحدة بيكريل؛ والتي يُشار إليها باختصار “Bq” وتسمى على اسم هنري بيكريل، مكتشف النشاط الإشعاعي)، وهي ببساطة اختصار لعبارة “تفكك واحد في الثانية”.

ميكانيكا الموجة والتفكك الإشعاعي

من المعروف أن فشل الميكانيكا الكلاسيكية في الأحداث الجزيئية يرجع إلى حقيقة أن طول الموجة المرتبط بالجسيمات ليس صغيرًا مقارنة بالأبعاد الجزيئية، ويبلغ الطول الموجي المرتبط بالجسيمات a حوالي 105 أصغر، ولكن نظرًا لأن الأبعاد النووية أصغر من الذري بنفس النسبة تقريبًا، يبدو أن قابلية تطبيق ميكانيكا الموجة مضمونة.

نصف العمر المشع

لا يؤدي عدم الاستقرار إلى إطلاق نواة الذرة للإشعاع على الفور، وبدلاً من ذلك، يكون احتمال تفكك الذرة ثابتًا، كما لو أن النوى غير المستقرة تشارك باستمرار في نوع من اليانصيب، مع رسومات عشوائية لتحديد الذرة التي ستصدر إشعاعًا بعد ذلك وتتفكك إلى حالة أكثر استقرارًا.

ويُطلق على الوقت الذي يستغرقه نصف الذرات في كتلة معينة، أي إصدار الإشعاع والتغيير إلى حالة أكثر استقرارًا، فترة نصف العمر.

وتختلف فترات نصف العمر اختلافًا كبيرًا بين أنواع الذرات من أقل من ثانية إلى مليارات السنين، على سبيل المثال سيستغرق الأمر حوالي 4.5 مليار سنة حتى تتفكك نصف الذرات الموجودة في كتلة من اليورانيوم 238 تلقائيًا، ولكن فقط 24000 عام لنصف الذرات الموجودة في كتلة من البلوتونيوم 239 تتفكك تلقائيًا، واليود 131 الذي يشيع استخدامه في الطب، له عمر نصف ثمانية أيام فقط.

سلسلة النشاط الإشعاعي

يمكن تحقيق الاستقرار في انحلال واحد، أو قد تتحلل النواة عبر سلسلة من الحالات قبل أن تصل إلى تكوين مستقر حقًا، مثل لعبة (Slinky) التي تنزل عن مجموعة من السلالم، وسيكون لكل حالة أو خطوة خصائصها الفريدة الخاصة بنصف العمر ونوع الإشعاع الذي سيتم إصداره أثناء الانتقال إلى الحالة التالية.

تم تكريس الكثير من الجهود العلمية لكشف سلاسل الاضمحلال هذه، ليس فقط لتحقيق فهم أساسي للطبيعة، ولكن أيضًا لتصميم أسلحة نووية ومفاعلات نووية، حيث أن التحلل المعقد بشكل غير عادي لليورانيوم 238.

 وقت النشاط الاشعاعي للنواة الغير مستقرة

في التأريخ الإشعاعي الذي هو أسلوب رائع لتحديد عمر الأشياء، حيث يتم استخدامه في علم الآثار، حتى في القطع الأثرية البشرية، وفي الجيولوجيا؛ لتحديد تأريخ الأحجار والطبقات، وفي الفيزياء الفلكية حتى الآن النجوم البعيدة وغيوم الغاز، ولا جدال في دقة التأريخ الإشعاعي، لكن المبدأ الكامن وراءها غريب للغاية.

تحتوي العديد من الكائنات على بعض النوى غير المستقرة، مما يعني أنها ستتحلل في النهاية، وتتحول إلى نظير مختلف وتنبعث منها طاقة في هذه العملية، وفي كل فترة زمنية متساوية، تتحلل نسبة ثابتة من النوى غير المستقرة في العينة، ويُعرف مقدار الوقت الذي يستغرقه نصفها لتتحلل باسم نصف عمر النظير.

إن ما يجعل النوى المشعة مثل هذه الساعات المثالية هو أنها لا يمكن الاعتماد عليها بشكل موثوق، ويمكن تحديد عمر النصف للنظير بدقة من خلال ملاحظة الكثير من الاضمحلال، مثلا يبلغ عمر النصف للكربون المشع، المستخدم حتى تاريخ المواد العضوية حوالي 5700 عام، لكن من المستحيل التنبؤ بموعد تفكك أي نواة فردية.

النشاط الإشعاعي في التفسير السببي لنظرية الكم

إن تأكيد مبدأ السببية في بعض الحالات وإنكاره في حالات أخرى يبدو غير متماسك بالمثل، وباختصار أي شخص يدعي أن ميكانيكا الكم تقوض الادعاءات الميتافيزيقية المدرسية حول السببية يدين بصورة ميتافيزيقية بديلة قبل أن تأخذ على محمل الجد.

الآن، لا يتوقع أن يبدأ المنطق في أطروحة مصغرة حول ميكانيكا الكم قبل تقديم عرض كتابي للمنطق الكلاسيكي وقانون الوسط المستبعد وكل شيء، والسبب هو أنه من المفهوم على نطاق واسع أنه من الخطأ القول بشكل قاطع أن ميكانيكا الكم قوضت المنطق الكلاسيكي.

لم تفعل ميكانيكا الكم مثل هذا الشيء وبدلاً من ذلك، تم توجيه بعض الناس من خلال تكهناتهم الميتافيزيقية حول ميكانيكا الكم إلى التساؤل عما إذا كان المنطق يمكن إعادة كتابته بدون قانون الوسط المستبعد، والمنطقيون الذين لديهم أسباب مستقلة للاعتقاد بأن قانون الوسط المستبعد لا يمكن أن يكون خاطئًا ليس لديهم سبب لأخذ هذه التخمينات على محمل الجد أو الرد بالتفصيل عليها عند القيام بعملهم العادي.

وبالمثل، لا يوجد سبب يجعل من المتوقع أن يبدأ عالم الميتافيزيقيا السكولاستي في مناقشة تفصيلية لميكانيكا الكم قبل نشر مبدأ السببية في سياق ميتافيزيقي عام، لأنه من الخطأ أيضًا القول إن “ميكانيكا الكم قوضت مبدأ السببية.

في الفيزياء الكلاسيكية، لا يمكن للجسيم أبدًا التغلب على إمكانات أكبر من طاقته الحركية، وهذا ليس هو الحال في نظرية الكم، وبالنسبة للنظائر غير المستقرة، هناك احتمال محدود لجسيم كمي، لحفر نفق عبر الحاجز المحتمل في النواة، وتسمى هذه النظائر بالنظائر المشعة، حيث يمكن وصف سلوك هذه النظائر بواسطة حزمة موجة مربعة تمثل حلًا لمعادلة شرودنغر مع المصطلح المحتمل.