135

تفاعل األشعة مع المادة

Reaction between Rays and mater

مقدمة

في المحاضرة السابقة عمليات التهيج والتأين في ااذرة وتفاعل النترونات مع المادة، ونتابع في هذه الفصل نتناول

تفاعالت أشعة ألف وبيتا وغاما مع المادة.

تفاعالت جسيمات ألفا مع المادة .12.1

Reaction Between Alpha Particles and Material Medium

حيث الكتلة والشحنة، إذا ما قورنت مع غيرها من أنواع اإلشعاع، إذ تعتبر جسيمات ألفا جسيمات ضخمة من

أن جسيم ألفا يتكون من بروتونين ونترونين ويحمل بذلك كتلة تساوي أربعة أضعاف واحدة الكتل النووية،

وشحنة كهربائية موجبة تعادل ضعفي شحنة اإللكترون. تؤثر جسيمات ألفا لدى مرورها عبر وسط مادي على

كترونات المدارية لذرات الوسط بقوى كهربائية شديدة تدفع بتلك اإللكترونات إلى الطبقات الخارجية ذات اإلل

السويات الطاقية األعلى، أو تقوم بنزعها كليا من الذرات مخلفة وراءها أزواجا من األيونات الموجبة والسالبة.

في المادة وغالبا ما تخسر جسيمات ألفا كامل طاقتها ألفا قدرا كبيرا من الطاقة خالل مسافة قصيرة يخسر جسيم

3.5خالل مسافات صغيرة نسبيا في األوساط المادية. وعلى سبيل المثال فإن جسيم ألفا الذي يحمل طاقة قدرها

ا مم ويولد على امتداد مساره ما يقارب مئة ألف زوجا أيونيا، بينم 20ميغا إلكترون فولط يقطع في الهواء حوالي

مايكرومتر(. 30مم ) 0.03تبلغ المسافة التي يقطعها الجسيم ذاته بالطاقة ذاتها في النسيج البيولوجي حوالي

تعتبر جسيمات ألفا أقل أنواع اإلشعاع قدرة على االختراق.

الثاني عشرالفصل

136

تفاعالت جسيمات بيتا مع االوساط المادية .12.2

Reaction Between Beta Particles and Material Medium

تتفاعل جسيمات بيت مع األوساط المادية عبر آليتين هما:

Direct Ionizationsآ( تأيين مباشر

بائية األولية جسيمات بيتا صغيرة جدا إذا ما قورنت بجسيمات ألفا، وهي تحمل شحنة سالبة تساوي الشحنة الكهر

سيمات بيتا لها. وفي الحقيقة فإن ج)شحنة اإللكترون(. أما كتلة جسيمات بيتا فهي صغيرة إلى حد يسمح بإهما

لإللكترونات المدارية في ذرات الوسط الماص، وبسبب تماثلها مع تلك اإللكترونات في شحنتها مماثلة تماما

ونات المدارية لذرات الوسط عبر دفعها بعض اإللكتر مباشرالكهربائية فإن جسيمات بيتا قادرة على إحداث تأيين

بقوة بعيدا عن ذراتها.

ألمر اإن قدرة جسيمات بيتا على إحداث تأيين مباشر في ذرات الوسط أصغر بوضوح من قدرة جسيمات ألفا،

فا المماثلة الذي يسمح لجسيمات بيتا بعبور مسافات أطول في األوساط المادية من تلك التي تقطعها جسيمات أل

مم 17وحوالي م في الهواء 11فولط يقطع حوالي ميغا إلكترون 3.5لها في الطاقة. وهكذا فإن جسيم بيتا بطاقة

مله هذه الجسيمات في النسيج البيولوجي. ولما كانت المسافة التي تقطعها جسيمات بيتا في المادة تتوقف على ما تح

المادية )ال من طاقة، فإن جسيمات بيتا ذات الطاقات المنخفضة ال تقطع إال مسافات قصيرة نسبيا في األوساط

14-الكربون ميغا إلكترون فولط الذي ينبعث من نواة 0.157المسافة التي يقطعها جسيم بيتا ذو الطاقة تتعدى

مم في النسيج البيولوجي(. 0.8مم في الهواء و 300

Generation of arrest Raysب( توليد إشعاع الكبح

اشر للنواة بيا، عبر الجوار المبقد يحدث أن يمر بعض جسيمات بيتا، السيما تلك التي تحمل طاقات عالية نس

أثير قوة )المشحونة إيجابا( في إحدى ذرات الوسط الماص. عندئذ تتعرن جسيمات بيتا )المشحونة سلبا( لت

ءا جذب شديدة تجبرها على االنحراف عن مسارها األصلي، األمر الذي يقتضي أن تخسر هذه الجسيمات جز

إشعاع الكبح. كس. يعرف هذا النوع من اإلشعاع باسممن طاقتها يتم إصداره على شكل أشعة إ

عة إكس ( وأش74( انحراف جسيم بيتا لدى مروره بالقرب من نواة التنغستين )العدد الذري 1)الشكل يبين

المتولدة أثناء العملية.

137

(. توليد إشعاع الكبح1)الشكل

همية فيما يتعلق مع المادة آثارا سلبية بالغة األإن النبعاث إشعاع الكبح كواحد من نواتج تفاعل جسيمات بيتا

دام أشعة بالوقاية من اإلشعاع. ومن المعلوم من خالل التجارب العلمية في مجال التصوير اإلشعاعي باستخ

ث لدى امتصاص إكس، أن هذه األشعة قادرة على اختراق كمية كبيرة من المادة. هذا يعني أن إشعاع الكبح المنبع

شعاع بمزيد من ا قد يحمل عن تفاعل جسيمات بيتا مع المادة علينا أوال أن نفهم آلية توليد هذا اإلجسيمات بيت

الدقة والتفصيل.

كبح الناتج تجدر اإلشارة معه أخطارا إشعاعية تفوق بوضوح خطر إشعاع بيتا األصلي. وللحد من خطر إشعاع ال

ية بكثير من النوى ألكبر أي الشحنة الموجبة األكبر( أكثر فعالأوال إلى أن النوى األثقل )ذات األعداد الذرية ا

قيلة على جسيم األخف فيما يخص توليد إشعاع الكبح. والسبب في ذلك يعود إلى أن القوة التي تطبقها النواة الث

ار النواة وره بجوبيتا أكبر بكثير من تلك التي تطبقها النواة األخف، ونتيجة لذلك فإن انحراف جسيم بيتا لدى مر

ن يؤدي إلى األثقل يكون أشد بكثير من حالة النواة األخف. ومن ناحية أخرى فإن توليد إشعاع الكبح يمكنه أ

كن ما لتحول كلي للطاقة الحركية التي يحملها جسيم بيتا إلى طاقة كهرطيسية تنبعث على شكل أشعة إكس،

)اشعة المتحول إلى طاقة كهرطيسية Fractionءيحدث عادة هو تحول جزئي فقط. وفي الواقع فإن نسبة الجز

لماص من إكس ( تتناسب طردا مع الطاقة األعظمية لجسيمات بيتا من جهة، ومع العدد الذري لذرات الوسط ا

جهة ثانية. ويمكن التعبير عن هذه العالقة وفق المعادلة اآلتية:

F = 3.3 x 104. Z. Emax

138

اصالعدد الذري للوسط الم Zالجزء من الطاقة المتحولة إلى إشعاع كبح )أشعة إكس( و Fحيث تمثل

Emax )الطاقة األعظمى لجسيمات بيتا )بواحدة ميغا إلكترون فولط

لماء أو ا يتضح بسهولة من هذه المعادلة أن تفاعل جسيمات بيتا مع المواد ذات العدد الذري المنخفض )مثل

د ذات العدد الزجاج العضوي أو األلمنيوم( يعطي الحد األدنى من إشعاع الكبح، بينما يعطي التفاعل مع الموا

إشعاع بيتا الذري المرتفع نسبيا )كالرصاص مثال( الحد األعظم من هذا اإلشعاع. وكمثال على ذلك نأخذ هنا

maxE) 32-المنبعث من ذرة الفوسفور = 1.7 MeV( لدى عبوره في الرصاص وفي الزجاج العضوي الذي

كس، % من الطاقة إلى أشعة إ5( ما يقارب Z = 82يعرف باسم زجاج بليكسي، إذ يتحول في حالة الرصاص )

س ال يتجاوز ( فإن الجزء الذي يتحول إلى أشعة إك7أما في حالة الزجاج العضوي )العدد الذري المكاف يساوي

ة أشعة بيتا الوارده.% من طاق0.5

تفاعالت أشعة غاما مع األوساط المادية .12.3

Reaction Between Gama and Material Medium

ي تعرفنا عليها في تختلف آليات تفاعل أشعة غاما مع األوساط المادية التي تمر عبرها اختالفا جذريا عن تلك الت

طعها هذه الجسيمات ألفا أو بيتا يمكن الحديث عن المسافات التي تقتفاعالت إشعاع ألفا أو بيتا. ففي حالة جسيمات

لتي تستمر افي المادة حيث أن الجسيمات المشحونة تعطي طاقتها إلى الوسط بشكل تدريجي عبر عمليات التأيين

تفاعل حتى تؤول الطاقة بأكملها إلى الوسط الماص. أما أشعة غاما تقطع مسافات طويلة وغير منتظمة بين

وآخر، وال يمكن للوسط أن يمتص كامل طاقتها وإنما أن يضعف فقط من شدتها.

تتفاعل أشعة غاما مع المادة عبر آليات ثالث رئيسة هي التالية:

Photoelectric Effectالمفعول الكهرضوئي -1

Compton Effectمفعول كومبتون -2

Pair Production Effectبوزيترون –توليد أزواج إلكترون -3

يحدث كل من هذه التفاعالت تأيينا في ذرات الوسط يشار إليه باسم التأيين األولي. بعد ذلك تقوم اإللكترونات

المتولدة في حوادث التأيين األولية )والتي تحمل قدرا كافيا من الطاقة( بمتابعة تأيين ذرات أخرى في الوسط

ث تأيين ثانوية. إن حادثة تأيين أولية وحيدة من شأنها الماص عبر سلسلة من حوادث التأيين يشار إليها كحواد

أن تطلق عددا كبيرا جدا من حوادث التأيين والتهييج الثانوية. ومن المهم أن نذكر هنا أن التفاعالت الثانوية هي

139

لنسيج المسؤول األول عن نقل الجزء األكبر من الطاقة إلى مادة الوسط الماص، وآلية حدوث هذه التفاعالت في ا

البيولوجي في جسم االنسان هي المعيار األساسي للقدرة التخريبية التي تحملها األشعة الكهرطيسية.

رطيسي، تصنف تفاعالت أشعة غاما مع المادة ضمن الظواهر التي ترجع إلى الطبيعة الجسيمية لإلشعاع الكه

يعة الجسيمية للفوتونات.ولذلك فإننا سنعمد هنا إلى تفسير هذه التفاعالت استنادا على الطب

Photoelectric Effect آ( المفعول الكهرضوئي

ميغا إلكترون فولط( أن يعطي طاقته كلها دفعة واحدة إلى 1يمكن للفوتون ذي الطاقة المنخفضة نسبيا )أقل من

لكترون من مداره واحد من إلكترونات المدارات الداخلية القريبة من النواة، األمر الذي يؤدي إلى نزع هذا اإل

ليغادر الذرة وينبعث في الوسط حامال فائض الطاقة

ℎ. 𝑓 = 𝑊𝑒 + 𝐸𝑘 طاقة الفوتون

( المفعول الكهرضوئي2)الشكل

وتهييجا لذرات وبطبيعة الحال فإن هذا اإللكترون، والذي يشار إليه باسم اإللكترون الضوئي، سوف يحدث تأيينا

الوسط على امتداد مساره.

يمثل المصدر الرئيس Kبالنسبة للطاقات العادية للفوتونات فإن المدار الداخلي األول أو ما يعرف بالطبقة

لإللكترونات الضوئية في ظاهرة المفعول الكهرضوئي. يترك المفعول الكهرضوئي الذرة في حالة مثارة نتيجة

أيون موجب

إلكترون ضوئي

فوتون

140

اتها الداخلية، لكنها سرعان ما تعمد إلى سد هذه الثغرة عبر أسر واحد من اإللكترونات إحداث ثغرة في أحد مدار

الحرة، أو عبر إعادة ترتيب باقي إلكتروناتها المدارية. في الحالة األخيرة ينتقل أحد إلكترونات الطبقات الخارجية

األدنى( ليسد الثغرة التي خلفها اإل ذات السويات الطاقية األعلى إلى الطبقة الداخلية )ذات السويات الطاقية

الكترون الضوئي. ويرافق ذلك إصدار فارق الطاقة على شكل أشعة إكس المميزة للذرة.

ك فإن عنصرا تجدر اإلشارة إلى رجحان المفعول الكهرضوئي لدى ذرات المواد ذات األعداد الذرية الكبيرة، لذل

ي حالة غران التدريع ضد الفوتونات منخفضة الطاقة. أما ف( يمثل مادة فعالة ألZ = 82ثقيال كالرصاص )

كون هامشيا يالمواد ذات األعداد الذرية الصغيرة كاأللمنيوم على سبيل المثال، فإن دور المفعول الكهرضوئي

إذا ما قورن مع آليات االتفاعل األخرى.

Compton Effect ب( مفعول كومبتون

الذي يحدث لدى اصطدام الفوتون بواحد من إلكترونات الطبقات الخارجية في يقصد بتبعثر كومبتون التفاعل

الذرة، حيث يعطي الفوتون في حادثة الصدم هذه جزءا فقط من طاقته إلى الذرة. أما اإللكترون فيترك مداره

الشكل امتداد مساره. ويغادر الذرة )تأيين أولي( ليشق طريقه في الوسط الماص محدثا تأيينا / تهييجا ثانويا على

(. ومن جهته فإن الفوتون الذي يرتد عن الذرة حامال الجزء المتبقي من طاقته قد يعاود التفاعل من جديد مع 3)

رسما توضيحيا لتبعثر كومبتون يظهر فيه أن الفوتون الوارد الشكل واحدة أخرى من ذرات الوسط الماص. يقدم

الخارجية في الذرة فينتزعه من مداره ويرتد عنه حامال الجزء المتبقي من يصطدم بواحد من إلكترونات الطبقة

طاقته.

(. مفعول كومبتون3)الشكل

إلكترون منزوع من مداره

رتد فوتون م بطاقة مخفضة

د فوتون وار

أيون موجب

141

ن من جهة أخرى. تتعلق زاوية ارتداد الفوتون بكل من طاقته األصلية من جهة، والطاقة التي يعطيها إلى اإللكترو

دا، بينما تأخذ المنقولة إلى اإللكترون المنزوع صغيرة ج في حالة الفوتونات ذات الطاقة المنخفضة تكون الطاقة

ولط( فتعطي جزءا ميغا إلكترون ف 100إلى 10زاوية االرتداد قيما كبيرة نسبيا. أما الفوتونات عالية الطاقة )

محافظة إلى حد م ما ترتد بزوايا صغيرة نسبيا جاهها ا على اتكبيرا من طاقتها إلى اإللكترون، لكنها غالبا

0.2لمجال من األصلي. يعتبر مفعول كومبتون التفاعل األكثر أهمية بالنسبة للفوتونات التي تقع طاقاتها في ا

ع ارتفاع مميغا إلكترون فولط. ومن جهة أخرى فإن احتمال مفعول كومبتون يكبر 5.0ميغا إلكترون فولط إلى

العدد الذري لمادة الوسط.

Pair Production Effect بوزيترون –توليد أزواج إلكترون (ج

ئي الشديد الذي ميغا إلكترون فولط بالحقل الكهربا 1.02يحدث هذا النوع من التفاعل لدى تآثر فوتون تفوق طاقته

ن موجب( على يسود الجوار المباشر للنوى الثقيلة في مادة الوسط، حيث يتم توليد إلكترون وبوزيترون )إلكترو

وع كتلتي ميغا إلكترون فولط( الطاقة المكافئة لمجم 1.02. تمثل هذه العتبة الطاقية )حساب طاقة الفوتون

اإللكترون والبوزيترون

(E = mC2) أما ما يزيد على ذلك من طاقة الفوتون فتوزع على كال الجسيمين الوليدين كطاقة حركية، وقد

الوسط. يذهب جزء من فائض الطاقة هذا إلى النواة مسببا ارتدادها داخل

بوزيترون -( توليد زوج إلكترون 4)الشكل

إلكترون

ترون بوزي

رصاص واة ال ن

فوتون ميغا إ ف(1.02) طاقة أكبر من

إلكترون ذري في الوسط

فوتون فناء إ ف ميغا0.51

فوتون فناء إ ف ميغا0.51

E

142

ا الحركية بعد ذلك ينطلق اإللكترون والبوزيترون عبر مادة الوسط مبتعدين عن بعضهما البعض ليعطيا طاقتهم

تدريجيا إلى ذرات الوسط الماص عبر سلسلة من حوادث التأيين الثانوية.

ي ذرات من طاقته حتى يلتحم مع واحد من اإللكترونات المدارية فوما أن يخسر البوزيترون الجزء األكبر

الوسط الماص في عملية تعرف باسم اإلفناء.

في اتجاه االنتشار في هذه العملية يفني كال الجسيمين بعضهما البعض ويتحوالن كليا إلى فوتونين متعاكسين تماما

ين الفوتونين اسم فوتونا الفناء.ميغا إلكترون فولط. يطلق على هذ 0.51طاقة كل منهما

محيط بنواة ذرة بوزيترون في الحقل الكهربائي ال –( مخططا تمثيليا لعملية توليد زوج إلكترون 4)الشكل يبين

الرصاص وعملية إفناء البوزيترون مع واحد من اإللكترونات المدارية في الوسط.

وزيترون ب –فإن احتمال حدوث تفاعل توليد زوج إلكترون بالنسبة للفوتونات التي تفوق طاقتها طاقة العتبة

يزداد بازدياد طاقة الفوتون.

رون فولط ثم تزداد ميغا إلكت 5إلى حوالي 1.02إن عملية توليد األزواج تبدأ بازدياد بطيء نسبيا في المجال من

ات عالية الطاقة قة بالنسبة للفوتونبعد ذلك بشكل متسارع، األمر الذي يعطي تفاعل توليد األزواج سيادة شبه مطل

السيما في حالة المواد ذات األعداد الذرية الكبيرة.

Review Of the Interaction betweenملخص تفاعالت الفوتونات مع المادة .12.4

Photons with Mater

ن تفاعال أو ثالثي عند تفاعل الفوتون مع مادة الوسط الماص تحدث في الواقع سلسلة معقدة من العمليات قد تضم

أكثر قبل أن تنتقل طاقة الفوتون بأكملها إلى مادة الوسط.

143

المادة. ( ملخصا ألهم ما يميز العمليات الثالث الرئيسة التي تحكم تفاعل الفوتونات مع1يقدم الجدول )

( تفاعالت الفوتون1جدول )

توليد األزواج مفعول كومبتون المفعول الكهرضوئي

أجزاء الذرة الداخلة

في التفاعل

النواة إلكترون من طبقة خارجية إلكترون من طبقة داخلية

طاقة الفوتون

منخفضة

(𝐸 ≤ 1 𝑀𝑒𝑉)

MeV متوسطة

0.2 ≤ 𝐸 ≤ 5

عالية

𝐸 ≥ 1.02 𝑀𝑒𝑉

لمادة Zالعدد الذري

الوسط

احتمال التفاعل يزداد

Zبازدياد

احتمال التفاعل يزداد بازدياد

Z

احتمال التفاعل يزداد

Zبازدياد

نواتج التفاعل

نزع إلكترون من إحدى

الطبقات الداخلية )توليد

إلكترون ضؤي(.

انبعاث أشعة إكس

المميزة.

نزع إلكترون من إحدى

الطبقات الخارجية.

ارتداد الفوتون بطاقة أصغر

من طاقته األصلية.

توليد زوج

بوزيترون. –إلكترون

فناء البوزيترون بعد

التحامه مع أحد إلكترونات

الوسط، وانبعاث فوتوني

0.51فناء بطاقة تساوي

ميغا إ ف.

144

ملخص تفاعل اإلشعاع مع المادة .12.5

Review Of the Interaction between Radiation with Mater

ملخصا للعمليات التي تلعب دورا رئيسا في تفاعل اإلشعاع مع المادة.( 2يقدم الجدول )

( تفاعل اإلشعاع مع المادة2جدول )

مالحظات العملية اإلشعاع

تهييج وتأيين لذرات الوسط تصادمات المرنة مع اإللكترونات المدارية ألفا

الوسط تهييج وتأيين لذرات تصادمات المرنة مع اإللكترونات الذر ية بيتا

تبطيء بسبب الحقل الكهربائي الشديد

المحيط بالنواة

انبعاث إشعاع الكبح

أشعة غاما

إكس /

المفعول الكهرضوئي امتصاص الفوتون

تبعثر كومبتون تبعثر الفوتونات

بوزيترون –توليد أزواج إلكترون انبعاث فوتوني فناء طاقة كل منهما

ميغا إ ف 0.51

المعلومات:لمزيد من

Physics for Sientists and Engineers 9th edi. 2015,

سخة ( النRobert T. Morrisson and Robert N. Boydتأليف ) –اإلطالع على مرجع الفيزياء الطبية

2008الثانية عام

اإلطالع على الدورية Journal of medical physics .

145

إضافات مدرس المقرر

146