مواد رادیواکتیو از اتم های ناپایداری تشکیل می شوند که تجزیه می شوند و انرژی سطح بالایی به نام تابش رادیواکتیو را آزاد می کنند این اتمها نهایتا عناصر جدیدی را تشکیل می دهند. سه نوع تابش رادیواکتیو وجود دارد که ذرات آلفا ، ذرات بتا ، و پرتوهای گاما خوانده می شوند.
اطلاعات اولیه:
پرتو آلفا (دو پروتون و دو نوترون): جرم چهار واحد اتمی (a.m.u) و بارالکتریکی مثبت در پرتو بتا (الکترونهای سریع): جرم ناچیز و بارالکتریکی منفی یک و پرتو گاما (موج الکترومغناطیسی): بدون جرم و بدون بار (مثلا انرژی خالص)
تاریخچه: حدود اواخر قرن نوزدهم اکثر دانشمندان بر این عقیده بودند که تمام مسائل عمده فیزیک حل شده اند ، به غیر از چند مورد جزئی برای قطعیت دادن به برخی نظریه های ضروری بود. در سال 1895 ، رزتگن اشعه ایکس را کشف کرد. این اشعه نخست در معاینات پزشکی به کار رفت و بعدها برای بررسی ساختمان اساسی مواد مورد استفاده قرار گرفت چند ماه بعد ماری کوری این پدیده جدید را رادیو اکتیو نامید. او و شورش پی یر کوری ، همچنین پولونیم (po ، فلز ضعیف) و رادیم (Ra ، فلز قلیایی خاکی) را کشف کردند. ماری کوری نخستین کسی بود که از اصطلاح «رادیواکتیو» برای موادی که فعالیت الکترومغناطی قابل توجه دارند استفاده کرد. خاصیت رادیواکتیویته این دو عنصر جدید از اورانیم بیشتر بود.
سیر تحولی و رشد:
ماری کوری تحقیق خود را با جستجوی کاربردهای پزشکی رادیواکتیو ادامه داد. و قدرت تشعشع ترکیبات اورانیم را اندازه گرفت و تحقیق خود را به عناصر دیگر از جمله توریم ، گسترش داد.
در سال 1934 میلادی زوج ژولیو- کوری رادیواکتیویته مصنوعی را کشف کرد.
ماری کوری پی یر کوری همراه با فیزیکدان فرانسوی هانری بکرل (1908-1852 م) مدل دیوی انجمن سلطنتی انگلستان و جایزه نوبل را در فیزیک برای کشف رادیواکتیو دریافت دریافت می کنند. پی یر کوری کشف می کند که رادیم Ra خود بخود حرارت آزاد می کند. این خاصیت نمود ثبت شده از انرژی اتمی به شکل گرماست.
در سال 1910 میلادی در کنفرانس بروکسل در مورد رادیواکتیویته ، واحد رادیواکتیویته به افتخار او کوری نامیده شد. در مورد کشف رادیواکتیویته توسط هانری بکرل باید بگوییم که در سال 1896 میلادی ، بکرل در جستجوی شواهدی بود که ثابت کند مواد شیمیایی که نور طبیعی فلوئورسان هستند از خود پرتو ساطع می کنند.
او یک نمونه سولفات پتاسیم اورانیم را برداشت و آن را همراه با یک صفحه عکاسی در کاغذ سیاه پیچید. از آنجا که روزی ابری بود. نمونه بکرل خاصیت فلوئورسانی را از خود نشان نمی داد. او آن را درکشویی در آزمایشگاه خود گذاشت و به آزمایشهای خود در مورد لامپهای اشعه کاتدی ادامه داد. چند روز بعد ، دریافت که نمونه تصویری را بر روی صفحه عکاسی ایجاد کرده است. این نشان می داد که ماده مذکور شکلی از تشعشع را که بعدا ماری کوری آن را رادیواکتیویته نامید ، از خود ساطع کرده است.1922 میلادی نیلز بور نظریه طیفهای ساختار اتمی را منتشر کرد و در 1927 میلادی اصل مکمل بودن را تنظیم می کند که رفتار پیچیده رادیواکتیویته را توصیف می کند.
ارنست رادرفورد فیزیکدان بریتانی نیوزلندی الاصل (1871-1937) بر روی رادیواکتیویته و ماهیت ذرات آلفا (دارای بار مثبت) تحقیق کرد و متوجه شد که بار مثبت اتم در مرکز آن و در هسته ای ریز و متراکم متمرکز است. در سال 1930 میلادی رادرفورد تشعشعات مواد رادیواکتیو را منتشر کرد.
تابش های رادیواکتیو:
چنان که گفته شد سه نوع تابش رادیواکتیو وجود دارد که ذرات آلفا از چهار ذره اتمی ، یعنی دو پروتون و دو نوترون تشکیل می شوند. این ذرات ضعیفترین نوع تابش رادیواکتیو هستند. و بار الکتریکی مثبت دارند. مسیر آنها را می توان با صفحه کاغذ مسدود کرد. ذرات بتا قدرتمند و از ذرات اتمی که الکترون خوانده می شوند و بار منفی دارند تشکیل می شوند. این کاغذ عبور می کند ولی آلومینیوم آن را مسدود می کند. پرتوهای گاما از همه قدرتمند ترند. آنها امواج الکترومغناطیسی اند و فاقد بارالکتریکی می باشند. اما پرتوهای گاما را فقط لایه ضخیمی از سرب متوقف می سازد. خروجی یا تابش رادیواکتیو می تواند وارد بافتهای زنده شود و به آنها صدمه بزند. بنابراین اطراف آن باید کنترل شود. این تابش را با وسیله ای به نام شمارنده گایگر – مولر ، که نام آن از مخترعانش اقتباس شده است ، می توان اندازه گرفت. وقتی تابش رادیواکتیو وارد این شمارنده می شود ، گاز موجود در آن حامل الکتریسیته می شود. مقدار بار را می توان روی صفحه ای قرائت کرد یا از طریق یک بلند گو به صورت صداهای تیک تیک خاصی شنید.
نیمه عمر:
نیمه عمر یک ماده زمانی است که طول می کشد تا خاصیت رادیواکتیویته آن به نصف کاهش یابد. مثلا نیمه عمر کربن 14 (شکل خاصی از عنصر کربن) 5600 سال است. یعنی 5600 سال طول می کشد تا نصف اتم های رادیواکتیو کربن دچار فروپاشی شوند ، یا یک گرم از اتم های رادیواکتیو به نیم گرم تقلیل یابد. 5600 سال دیگر طول می کشد که همین مقدار نیز به نصف برسد و به همین ترتیب.
نیمه عمر عناصر مختلف از چند ثانیه تا میلیونها سال متغیر است. فروپاشی شبکه ای زباله های اتمی زیان بخش حاصل از نیروگاههای هسته ای میلیونها سال طول می کشد. و همه موجودات زنده روی زمین حاوی مقدار معینی کربن 14 (کربن رادیواکتیو) هستند که با تبادل مداوم گازهای اکسیژن و دی اکسید کربن بین موجودات زنده و جو زمین تشکیل می شود. وقتی یک گیاه یا حیوان می میرد ، این تبادل متوقف می شود و کربن 14 شروع به فروپاشی می کند.
دانشمندان می دانند که نیمه عمر این کربن 5600 سال است. بنابراین پس از این مدت جسم مرده دقیقا نصف تشعشع رادیواکتیو زمان زندگی خود را ساطع می کند. این فروپاشی با آهنگ ثابتی انجام می شود و در نتیجه این امکان وجود دارد که با اندازه گیری میزان تابش زمان مرگ موجود مورد نظر را دریافت. باستانشناسان از عمر بعضی کربن برای یافتن تاریخ مومیایی های مصر باستان استفاده کرده اند.
از دیدگاه نظری ، همه مواد رادیواکتیو نهایتا به سرب تبدیل می شوند ، هسته اتم سرب پایدار است و بنابراین خاصیت رادیواکتیو ندارد.اما این امر به طور تجربی اثبات نشده است. زیرا نیمه عمر بعضی از عناصر بیش از عمر انسانهاست. کاربردها:
بسیاری از ایزوتوپها رادیواکتیو هستند یعنی ذرات با فرکانس بالا را از هسته (مرکز) اتمهای خود ساطع می کنند. از آنها می توان برای دنبال کردن مسیر مواد متحرکی که از دید پنهان هستند ، مانند جریان خون در بدن یک بیمار در بیمارستان ، استفاده کرد.
در جریان خون:
مقدار کمی از یک ایزوتوپ رادیواکتیو به درون جریان خون بیمار تزریق می شود. سپس مسیر آن توسط آشکار سازهای خاصی که فعالیت رادیواکتیویته را مشخص می کنند دنبال می شود. این اطلاعات به یک کامپیوتر داده می شود که صفحه آن هرگونه اختلالی مانند انعقاد خون در رگها را نشان می دهد. با استفاده از روشی مشابه ، می توان از ایزوتوپها برای مطالعه جریان مایعات در تاسیسات شیمیایی نیز استفاده کرد.
در فرسودگی ماشین آلات:
آهنگ فرسودگی ماشین آلات صنعتی را نیز می توان با استفاده از ایزوتوپها اندازه گرفت. مقادیر اندکی از ایزوتوپها رادیواکتیو به بخشهای فلزی ماشین آلات ، مانند یاتاقانها و رینگ پیسونها اضافه می شود. سپس سرعت فرسودگی با اندازه گرفتن رادیواکتیویته روغنی که برای روغنکاری این بخشها به کار رفته است محاسبه می شود.
اندازه گیری رادیو اکتیویته
خروجی یا تابش رادیواکتیو می تواند وارد بافتهای زنده شود و به آنها صدمه بند ، بنابراین اطراف آن باید کنترل شود . این تابش را با وسیله ای به نام شمارنده گایگر مولر ، که نام آن از مخترعانش اقتباس شده است ، می توان اندازه گرفت وقتی تابش رادیو اکتیو وارد این شمارنده می شود ، گاز موجود در آن حامل الکتریسیته می شود . مقدار بار را می توان روی صفحه ای قرائت کرد ، یا از طریق یک بلندگو به صورت صداهای تیک تیک خاصی شنید.
پزشکی هسته ای
احتمالاً در بیمارستان یا حداقل در فیلم های تلویزیون بیمارانی را دیده اید که برای درمان سرطانشان تحت پرتو درمانی قرار می‌گیرند و یا اینکه پزشکان برای تشخیص بیماریها دستور عکس برداری PET را صادر می‌کنند. همه اینها قسمتی از علم پزشکی هستند که به طور خاص به آن پزشکی هسته ای می‌گویند. در پزشکی هسته ای برای مشاهده اعضای بدن و درمان بیماریها از مواد رادیواکتیو استفاده میشود. در پزشکی هسته ای برای تشخیص و درمان بیماریها، هم فیزیولوژی ( بررسی عملکرد ) و هم آناتومی بدن بررسی میشود.
خوب، حالا می‌خواهیم برخی از تکنیک هایی را که در پزشکی هسته ای استفاده میشود توضیح دهیم. و ببینیم که پرتوها چطوری به پزشکان کمک می‌کنند تا اعماق بدن انسان را ببینند.
تصویر برداری در پزشکی هسته ای
مشکل تصویر برداری از بدن انسان این است که ماده ای کدر و غیر شفاف است، نگاه کردن درون بدن انسان نیز بطور کلی دردناک است. در گذشته روش معمول دیدن درون بدن انسان جراحی بود! اما امروزه با استفاده از انبوهی از روشهای جدید دیگر نیازی به این روشهای وحشتناک نیست. تصویر برداری اشعه X، MRI، تصویر برداری CAT و مافوق صوت برخی از این تکنیک‌ها هستند. هر کدام از این تکنیک‌ها مزایا و معایبی دارند که باعث میشود برای شرایط مختلف واعضای مختلف بدن مفید باشند.
تکنیک های تصویر برداری پزشکی هسته ای روشهای جدیدی را برای نگاه کردن به درون بدن انسان برای پزشکان فراهم می‌کند. این تکنیک‌ها ترکیبی از استفاده از کامپیوتر، حسگرها و مواد رادیواکتیو است. این روشها عبارتند از:
• توموگرافی با استفاده از تابش پوزیترون (PET)
• SPECT
• تصویر برداری قلبی - عروقی
• اسکن استخوان
هر کدام ازاین روشها از یکی از خصوصیات عناصر رادیواکتیو برای تولید یک تصویر استفاده می‌کنند.
تصویر برداری در پزشکی هسته ای برای شناسایی موارد زیر بسیار مفید است:
• تومورها
• Aneurysms آنوریسم
• نارسایی سلول های خونی و اختلال در عملکرد دستگاههای بدن مثل غده تیروئید و ریه
استفاده از هر کدام از این روشهای خاص یا مجموعه ای از آنها بستگی به علائم بیمار و نوع بیماری دارد.
توموگرافی تابش پوزیترون (PET)
PET با استفاده از تابش های ساطع شده از مواد رادیواکتیو تصاویر قسمتهای مختلف بدن را تولید می‌کند. مواد رادیواکتیو به درون بدن تزریق می‌شوند و معمولاً به دام اتمهای رادیواکتیو مثل کربن -11، فوئور -18، اکسیژن -15 و یا نیتروژن -13 که نیمه عمر کوتاهی دارند، گرفتار می‌شوند. این اتمهای رادیواکتیو ایزوتوپهای رادیواکتیو اتمهای طبیعی هستند که عمر کوتاهی دارند. با بمباران اتمهای طبیعی به وسیله نوترون می‌توان این اتمها را تولید کرد. وقتی مواد رادیواکتیو تزریق شده به بدن با الکترونهای درون سلول برخورد می‌کنند، پوزیترون اشعه گاما تولید میشود. در روش PET با دنبال کردن این اشعه های گاما تصویر برداری انجام میشود.