تطبيق الفيزياء - كتاب الفيزياء - الصف 12 - الفصل 2 - المملكة العربية السعودية

تطبيق الفيزياء

العلاج بالأشعة

أشعة جاما تدمر الخلايا السرطانية والخلايا السليمة، لذلك يجب أن يوجه الإشعاع مباشرة إلى الخلايا السرطانية فقط.

يمكن إنتاج نظائر مشعة من النظائر المستقرة بقذفها بجسيمات ألفا، أو ببروتونات، أو بالنيوترونات، أو بإلكترونات أو أشعة جاما؛ حتى تطلق الأنوية غير المستقرة الناتجة إشعاعات، حتى تتحول إلى نظائر مستقرة. ويمكن للأنوية المشعة أن تبعث جسيمات ألفا، وجسيمات بيتا، وإلكترونات، أو أشعة جاما. وبالإضافة إلى النيوترون، والنيوترينو، والبيوزوترونات (البيوزوترون عبارة عن إلكترون موجب الشحنة e⁻).

النظائر المشعة المنتجة اصطناعياً تستخدم غالباً في البحوث الدوائية والطبية. ففي العديد من التطبيقات الطبية يعطى المريض نظائر مشعة ممتصة أعداداً محددة من الجسم، ويستخدم الأطباء عداد الإشعاع لمراقبة الإشعاع في العضو الذي يخضع للعلاج. وبعض النظائر المشعة تتعلق بالجزىء الذي سيُمتص في منطقة العلاج، كما يحدث في تطبيق انبعاث البوزوترون في عملية التصوير الإشعاعي المقطعي للدماغ، كما هو موضح في الشكل 5-9.

وكثيراً ما يستخدم الإشعاع لتدمر الخلايا السرطانية؛ فهذه الخلايا أكثر حساسية لتأثيرات التدمير الإشعاعي؛ لأنها تنقسم غالباً أكثر من الخلايا الطبيعية. وتستخدم أشعة جاما المنبعثة من نظير الكوبالت ⁶⁰Co لمعالجة مرضى السرطان، كما يحقن نظير اليود المشع في الغدة الدرقية المصابة بالسرطان.

وفي تطبيق ثالث، توجه الجسيمات الناتجة في مسار الجسيمات على شكل شعاع إلى داخل النسيج بطريقة معينة، بحيث تضمحل في النسيج المصاب بالسرطان، فتدمر خلاياه.

Artificial Radioactivity

Nuclear Fission

الانشطار النووي

تمت مناقشة إمكانية الحصول على أشكال مفيدة للطاقة الناتجة عن التفاعلات النووية عام 1930م، وجاءت معظم النتائج الواعدة نتيجة قذف المواد بالنيوترونات. وفي إيطاليا عام 1934م أنتج كل من العالمين أنريكو فيرمي، وأميليو سيرجي العديد من النظائر المشعة الجديدة؛ وذلك بقذف اليورانيوم بالنيوترونات. وبين كل من الكيميائي الألماني أوتوهان وفرتز سترانسمان عام 1939م أن الذرات الناتجة سلكت كيميائياً سلوك عنصر الباريوم. وبعد أسبوع آخر توقع ليز ميتنر وأوتو فرش أن قذف نواة اليورانيوم بالنيوترونات يسبب انقسامها إلى نواتين أصغر من إنتاج طاقة كبيرة جداً. ويسمى مثل هذا الانقسام إلى نواتين أو أكثر انشطاراً نووياً. وقد أدرك الكثير من العلماء على الفكرة، ولكنه أيضاً يمكن أن يكون أسلحة متفجرة.

تنشطر نواة اليورانيوم عندما تنشطر نواة اليورانيوم عندما تسقط عليها نيوترونات. فقوة انشطار نواة اليورانيوم بالنيوترونات تنشطر إلى نواتي عنصرين الباريوم والكربتون. وقذف نواة اليورانيوم بالنيوترونات، وهذه نتائج مثالية للانشطار. والمعادلة النووية التالية توضح انشطار اليورانيوم: 235U + 1n → 141Ba + 3 92Kr + 3 0 92 56 36 3 1n + 200 MeV: حيث أن الطاقة الناتجة عن الانشطار هي 200 MeV.

ويمكن إيجاد الطاقة الكلية لكتلة كل انشطار بحساب كتل الذرات في كل طرف من طرفي المعادلة. ففي تفاعل اليورانيوم 235، تكون الكتلة الكلية في الطرف الأيمن للمعادلة بمقدار u 0.215 من الكتلة الكلية في الطرف الأيسر. والطاقة المكافئة لهذه الكتلة هي 10⁻¹¹J × 3.21 أو 2.00 × 10² MeV. وهذه الطاقة تظهر على شكل طاقة حركية لناتج الانشطار.

الشكل 5-9 إجراء مسح PET

الشكل 5-9 إجراء مسح PET

يحقن الأطباء الجسم بسائل يحتوي نظائر مشعة مثل 18F وترتبط مع الجزء الذي سيُمتص بواسطة الأنسجة الخاضعة للعلاج، وعندما يضمحل 18F ينتج بوزوترونات تنتج عندها أشعة جاما. وتتحد مع الإلكترونات منتجة أشعة جاما، التي يكشف عنها بجهاز PET.

--- SECTION: تطبيق الفيزياء --- تطبيق الفيزياء --- SECTION: العلاج بالأشعة --- العلاج بالأشعة أشعة جاما تدمر الخلايا السرطانية والخلايا السليمة، لذلك يجب أن يوجه الإشعاع مباشرة إلى الخلايا السرطانية فقط. يمكن إنتاج نظائر مشعة من النظائر المستقرة بقذفها بجسيمات ألفا، أو ببروتونات، أو بالنيوترونات، أو بإلكترونات أو أشعة جاما؛ حتى تطلق الأنوية غير المستقرة الناتجة إشعاعات، حتى تتحول إلى نظائر مستقرة. ويمكن للأنوية المشعة أن تبعث جسيمات ألفا، وجسيمات بيتا، وإلكترونات، أو أشعة جاما. وبالإضافة إلى النيوترون، والنيوترينو، والبيوزوترونات (البيوزوترون عبارة عن إلكترون موجب الشحنة e⁻). النظائر المشعة المنتجة اصطناعياً تستخدم غالباً في البحوث الدوائية والطبية. ففي العديد من التطبيقات الطبية يعطى المريض نظائر مشعة ممتصة أعداداً محددة من الجسم، ويستخدم الأطباء عداد الإشعاع لمراقبة الإشعاع في العضو الذي يخضع للعلاج. وبعض النظائر المشعة تتعلق بالجزىء الذي سيُمتص في منطقة العلاج، كما يحدث في تطبيق انبعاث البوزوترون في عملية التصوير الإشعاعي المقطعي للدماغ، كما هو موضح في الشكل 5-9. وكثيراً ما يستخدم الإشعاع لتدمر الخلايا السرطانية؛ فهذه الخلايا أكثر حساسية لتأثيرات التدمير الإشعاعي؛ لأنها تنقسم غالباً أكثر من الخلايا الطبيعية. وتستخدم أشعة جاما المنبعثة من نظير الكوبالت ⁶⁰Co لمعالجة مرضى السرطان، كما يحقن نظير اليود المشع في الغدة الدرقية المصابة بالسرطان. وفي تطبيق ثالث، توجه الجسيمات الناتجة في مسار الجسيمات على شكل شعاع إلى داخل النسيج بطريقة معينة، بحيث تضمحل في النسيج المصاب بالسرطان، فتدمر خلاياه. --- SECTION: Artificial Radioactivity --- Artificial Radioactivity --- SECTION: Nuclear Fission --- Nuclear Fission --- SECTION: الانشطار النووي --- الانشطار النووي تمت مناقشة إمكانية الحصول على أشكال مفيدة للطاقة الناتجة عن التفاعلات النووية عام 1930م، وجاءت معظم النتائج الواعدة نتيجة قذف المواد بالنيوترونات. وفي إيطاليا عام 1934م أنتج كل من العالمين أنريكو فيرمي، وأميليو سيرجي العديد من النظائر المشعة الجديدة؛ وذلك بقذف اليورانيوم بالنيوترونات. وبين كل من الكيميائي الألماني أوتوهان وفرتز سترانسمان عام 1939م أن الذرات الناتجة سلكت كيميائياً سلوك عنصر الباريوم. وبعد أسبوع آخر توقع ليز ميتنر وأوتو فرش أن قذف نواة اليورانيوم بالنيوترونات يسبب انقسامها إلى نواتين أصغر من إنتاج طاقة كبيرة جداً. ويسمى مثل هذا الانقسام إلى نواتين أو أكثر انشطاراً نووياً. وقد أدرك الكثير من العلماء على الفكرة، ولكنه أيضاً يمكن أن يكون أسلحة متفجرة. تنشطر نواة اليورانيوم عندما تنشطر نواة اليورانيوم عندما تسقط عليها نيوترونات. فقوة انشطار نواة اليورانيوم بالنيوترونات تنشطر إلى نواتي عنصرين الباريوم والكربتون. وقذف نواة اليورانيوم بالنيوترونات، وهذه نتائج مثالية للانشطار. والمعادلة النووية التالية توضح انشطار اليورانيوم: 235U + 1n → 141Ba + 3 92Kr + 3 0 92 56 36 3 1n + 200 MeV: حيث أن الطاقة الناتجة عن الانشطار هي 200 MeV. ويمكن إيجاد الطاقة الكلية لكتلة كل انشطار بحساب كتل الذرات في كل طرف من طرفي المعادلة. ففي تفاعل اليورانيوم 235، تكون الكتلة الكلية في الطرف الأيمن للمعادلة بمقدار u 0.215 من الكتلة الكلية في الطرف الأيسر. والطاقة المكافئة لهذه الكتلة هي 10⁻¹¹J × 3.21 أو 2.00 × 10² MeV. وهذه الطاقة تظهر على شكل طاقة حركية لناتج الانشطار. الشكل 5-9 إجراء مسح PET الشكل 5-9 إجراء مسح PET يحقن الأطباء الجسم بسائل يحتوي نظائر مشعة مثل 18F وترتبط مع الجزء الذي سيُمتص بواسطة الأنسجة الخاضعة للعلاج، وعندما يضمحل 18F ينتج بوزوترونات تنتج عندها أشعة جاما. وتتحد مع الإلكترونات منتجة أشعة جاما، التي يكشف عنها بجهاز PET. --- VISUAL CONTEXT --- **FIGURE**: الشكل 5-9 إجراء مسح PET Description: Two PET scan images showing brain activity. The top image shows a more diffuse pattern of activity, while the bottom image shows a more localized pattern, possibly indicating different metabolic states or conditions. Context: Illustrates the application of PET scans in medical imaging, likely related to the discussion of artificial radioactivity and its medical uses.