چرا همه ی عناصر یک نمونه پرتوزا به یک دفعه پرتوزایی انجام نمی دهند؟
پاسخ سوال اینکه چرا همه ی عناصر یک نمونه پرتوزا به یک دفعه پرتوزایی انجام نمی دهند؟ یعنی مقداری پرتوازیی کرده و مقداری دیگر در نیمه ی عمر بعدی عمل پرتوزایی انجامی دهند، شیمی به این سوال پاسخ می دهد. در ادامه به پاسخ جامع این سوال از پروفسور محمد کوتی استاد شیمی معدنی دانشگاه شهید چمران اهواز در جم شیمی می پردازیم.
به طور کلی، پدیده پرتوزایی به هسته اتم ها مربوط می شود و اطلاعات ما شمیست ها در مورد هسته و اینکه در درون آن چه می گذرد کم است. ما با الکترون سروکار داریم و هسته در حیطه مطالعات فیزیکدانان است و به جز موارد معدود، فروپاشی هسته ها به اثرات شیمیایی و محیطی بستگی ندارد. بنابراین، برای این سوال که: چرا تمام اتم های یک ایزوتوپ رادیو اکتیو همزمان فروپاشی انجام نمی دهند؟ ممکن است نتوانیم جواب کاملی بدهیم.
من خودم مقداری جستجو در این رابطه انجام دادم، همچنین تقریبا عین این سوال را در یک سایت علمی جهانی به نام Researchgate مطرح کردم و چند نفر پاسخ هایی هم ارائه داده اند. سوال را به این صورت در این سایت مطرح کرده ام:
If all atoms in a radioactive isotope are identical, why don’t they all decay
با توجه به اطلاعات جمع آوری شده، از جمله نظرات برخی از عزیزان، توضیحات زیر را در ارتباط با این سوال تقدیم می کنم.
- 1- در یک نمونه از یک عنصر رادیواکتیو نمی توان همزمان دو اتم یافت که کاملا یکسان باشند. اگر آرایش الکترونی آن ها یکسان باشد و انرژی مربوط به جنبش این اتم ها نیز یکسان، هسته های آنها ممکن است با هم تفاوت داشته باشند.
علت این است که هسته ها نیز ساکن نیستند و خود پروتون ها و نوترون های هسته هم از ذرات ریزتری به نام کوارک تشکیل شده اند و برهمکنش این ذرات می تواند در دو هسته تفاوت داشته باشد. پس اگر این را قبول داشته باشیم که در هر آن نمی توان دو اتم یکسان داشت، متلاشی شدن چند اتم پرتوزا بطور همزمان منتفی است.
- 2- چون اتم های یک رادیوایزوتوپ با هم متفاوت هستند و ما نمی دانیم کدام اتم در چه زمانی و در چه شرایطی متلاشی می شود، فروپاشی اتم ها یک موضوع کاملا احتمالی است و با قطعیت نمی توان در مورد آن نظر داد. ما فقط می توانیم پیش بینی کنیم که غلظت یا تعداد اتم های یک ایزوتوپ پرتوزا بعد از مدت معینی، که به آن نیمه عمر گفته می شود، نصف خواهد شد.
یکی از جواب هایی که برای این سوال دیدم جالب بود. گفته شده برای این که اتم ها فروپاشی انجام دهند تاس می اندازند و هر کدام تاس مناسب آورد متلاشی می شود. این بیان ساده همان موضوع احتمالات است.
- 3- در واقع فروپاشی یک ایزوتوپ پرتوزا یا Radioactive decay، به این صورت نیست که نصف اتم های آن متلاشی شوند و بقیه اتم ها دست نخورده بمانند و صبر می کنند که بعد از گذشت یک نیمه عمر یک چهارم آنها متلاشی شود. در اصل فروپاشی یک فرآیند پیوسته ای است و در هر مقطع زمانی، بسته به نیمه عمر ایزوتوپ و جمعیت اتم ها، تعدادی از آنها متلاشی می شوند. به عنوان مثال، اورانیم- 238 که نیمه عمر 4.5 بیلیون سال دارد در عرض این مقطع زمانی تعداد اتم های آن نصف خواهد شد زیرا نصف آنها به مرور زمان و به تدریج متلاشی می شوند.
بنابراين، فرآیند متلاشی شدن ایزوتوپ‌های پرتوزا تابع قوانين آمار و احتمالات است و توضیح کامل آن فقط با بکارگیری دانش کوانتوم مکانیک امکان پذیر است. مسایلی مثل تونل زنی بین دو چاه پتانسیل هسته پرتوزا و هسته های پایدار ناشی از آن و نیز ذرات ریز تشکیل دهنده پروتون‌ها و نوترون ها و برهمکنش بین آنها، موضوعات کوانتوم مکانیکی هستند. شاید برخی متوجه این داستان چاه های پتانسیل و تونل زنی بین آنها نشوند، من هم البته زیاد از این موضوع سر در نمی آورم و فقط به دو سه جمله زیر اکتفا می کنم.
در واقع، درست است که هسته پرتوزا ناپایدار است اما به هرحال بین ذرات آن، یعنی پروتون ها و نوترون ها، نیروی اتصالی هست و می توان آن را در یک چاه پتانسیل با انرژی معین در نظر گرفت. انرژی این چاه پتانسیل از انرژی چاه پتانسیل ذرات حاصل از پرتوزایی بیشتر است. از دید فیزیک کلاسیک این هسته پرتوزا نمی تواند فروپاشی انجام دهد چون باید از چاه خود خارج شود و وارد چاه با سطح انرژی کمتر شود، اما از نگاه کوانتم مکانیک این کار قابل انجام است چون هسته می تواند بین دو چاه پتانسیل با سطح انرژی بالا و چاه پتانسیل با انرژی پائین تر تونل بزند.
امیدوارم این توضیحات جواب قابل قبولی برای سوال مطرح شده باشند.
موفق باشید
محمد کوتی
