نگین علوم

ماده، عناصر و اتم­ها

  همة مواد از تعداد محدودي عنصر (تا كنون 112 عنصر نام گذاري شده اند) كه متشكل از اتم­هاست، ساخته شده‌‌اند. اتم كوچكترين بخش يك عنصر با حفظ  كلية خواص شيميايي آن عنصر است. به‌طور كلي، اتم­ها از نظر الكتريكي خنثي مي‌باشند و از ذرات الكترون‌، پروتون‌ و نوترون‌، تشكيل شده‌اند. الكترون ذره­اي با بار ^19-10× 6/1- كولمب و جرم ^27-10 × 91/0 گرم است. پروتون داراي بار مثبت و مساوي الكترون است. نوترون فاقد بار الكتريكي و قدري سنگين­تر از پروتون است. جرم پروتون و نوترو‌‌‌‌‌‌ن به ترتيب ^24-10 ×6726/1 و   ^24-10 × 6747/1 گرم و تقريباً دوهزار مرتبه سنگين‌تر از الكترون هستند.

ساختمان سادة يك اتم

‌‌‌عدد اتمي(z) يعني تعداد پروتون­هاي يك اتم، جايگاه عنصر در جدول تناوبي و خواص شيميايي آن‌را مشخص مي‌سازد. طبق نظريه بوهر، الكترون­ها، پروتون­ها و نوترون­ها آرايشي مشابة سيارات دارند كه پروتون­ها و نوترون­ها شبيه خورشيد در وسط و الكترون­ها بر روي سطوح كروي در شعاع­هاي مختلف نظير سيارات  به دور آن­ها در گردشند. نوترون­ها و پروتون­ها در مركزي به نام هسته، شبيه كره‌‌اي  فشرده قرار دارند. قطر اتم عناصر مختلف از يك تا دو آنگستروم متغير است. قطر هسته‌ بسيار كوچكتر از اتم است( حدود 10⁵ مرتبه كوچكتر). نيروي جاذبة الكتريكي بار مثبت هسته‌ها و بار منفي‌الكترون­ها سبب چرخش پايدار الكترون­ها در لايه‌هاي كروي مي‌شود.  اولين لايه (كوچكترين شعاع) لاية K و لايه­هاي بعدي L ، M  و … ناميده‌ مي‌شود. در هر لايه تعدادي محدود الكترون وجود دارد. لايةK  حداكثر 2، لاية L  8 ، لاية M  18 و لاية N  32 الكترون مي‌تواند داشته باشد؛ با اين وجود لاية خارجي هر اتم نمي‌تواند بيش از 8 الكترون داشته باشد. در اتم هيدروژن، در شرايط طبيعي الكترون در لاية  K قرار دارد. آرايش الكترون­هاي اتم يد با 53 الكترون در لايه‌هاي K، L ، M ،N و O به ترتيب 2 ، 8 ، 18 ، 18 و 7 الكترون است.

مولكول­ها

  مولكول­ها تركيبي از دو اتم يا بيشتر است مثلا مولكول آب، تركيبي از دو اتم هيدروژن و يك اتم اكسيژن است. تركيب اتم­ها ناشي از برهمكنش الكترون­هاي لاية آخر ( الكترون­هاي ظرفيت ) است. الكترون­هاي ظرفيت در شكل‌گيري مولكول­ها به چند روش مشاركت دارند؛ براي مثال، اتصال يوني، اشتراكي و هيدروژني. به‌طور نظري، بيشتر واكنش­هاي شيميايي و خواص فيزيكي اتم­ها و مولكول­ها براساس برهمكنش الكترون­هاي ظرفيت، قابل تفسير است.

انرژي بستگي، يونسازي و برانگيختگي

  هر الكترون در يك لايه با انرژي ثابتي به هسته متصل است. بنابراين براي خروج الكترون از لاية خود و رهايي از قيد هسته، احتياج به انرژي دارد. حداقل انرژي لازم براي رهايي الكترون، انرژي بستگي الكترون ناميده مي‌شود. واحد انرژي در مقياس اتمي، الكترون ولت(ev) و آن انرژي الكتروني است كه تحت اختلاف پتانسل يك ولت شتاب مي‌گيرد. الكترون لاية K محكم­ترين الكترون در اتم  و براي خروج از اتم به بيشترين انرژي نياز دارد ( رهايي الكترون از اتم، يونسازي ناميده مي‌شود). الكترون­هاي لاية آخر كمترين وابستگي به اتم و براي خروج ازآن نيازمند كمترين انرژي است. انرژي بستگي الكترون در لايه‌هاي مختلف با عدد اتمي افزايش مي‌يابد. جدول 1-1 متوسط انرژي بستگي الكترون در اتم عناصر مختلف را نشان مي‌دهد. به‌طور طبيعي الكترون­ها نزديكترين لايه‌هاي اتم را اشغال مي‌كنند و با جذب انرژي، موقتاً به‌ لايه‌هاي بالاتر (لايه هاي خالي) تحريك مي‌شوند. جذب انرژي به‌روش­هاي مختلف صورت مي‌گيرد؛ براي مثال، گرم كردن ماده، قرار دادن در ميدان الكتريكي قوي، عبور ذرة باردار از ميان ماده و ضربة مكانيكي. با جذب انرژي لازم براي خروج الكترون از اتم، فرآيند يونسازي اتفاق و اتم باقي‌مانده يون ‌ناميده مي­شود. اگر مقدار انرژي جذب شده فقط براي انتقال الكترون به لاية خالي بالاتر كافي باشد، فرآيند را برانگيختگي و اتم را برانگيخته مي‌نامند. اتم­هاي برانگيخته به‌طور كلي ناپايدار بوده، با انتشار تابش الكترومغناطيس  ( نورمرئي، نور فرابنفش يا پرتوي x ) عموماً در ^9-10 ثانيه به حالت طبيعي باز ‌مي‌گردند. براي مثال، اتم سديم با عدد اتمي 11، در لايه‌هاي  K ،L  و M ‏‌‌ به‌ترتيب داراي 2، 8 و 1 الكترون با انرژي­هاي 1072- ، 63- و 1- الكترون ولت هستند. براي خروج الكترون از لايةK  اتم سديم eV1072 و خروج از لاية M فقط eV1 انرژي نياز است. با جذب eV 62 الكترون از لاية  L بهM  برانگيخته مي‌شود و در بازگشت پرتوي الكترومغناطيسeV 62 منتشر مي‌كند. طبق تعريف، الكترون آزاد، انرژي صفر و الكترون محصور در اتم، انرژي منفي و الكترون آزاد و متحرك انرژي مثبت دارد.

نيروهاي الكترومغناطيس

  نيروي الكترومغناطيس توسط ذرات باردار توليد مي‌شود. در برخورد بين ذرات باردار، اغلب انرژي به صورت تابش الكترومغناطيس خارج مي‌شود. اين پرتوها  به صورت موج يا ذره منتشر مي‌شوند. اگرتابش الكترومغناطيس رفتار ذره‌اي داشته باشد، فوتون مي‌نامند كه جرم و بار در حال سكون ندارد. فوتون بسته‌اي از انرژي است كه براساس قوانين نيروهاي الكترومغناطيس با ماده رفتار مي‌كند. طبيعت دوگانة تابش الكترومغناطيس ( خاصيت موجي و ذره­اي) كه به عنوان يك حقيقت پذيرفته شده، در مورد ذر‌ات (مثلاً الكترون متحرك) نيز صادق است. تابش الكترومغناطيس فقط به‌وسيلة انرژي يا طول موج آن مشخص مي‌شود. تابش الكترومغناطيس به ترتيب با كاهش انرژي داراي اسامي پرتوي ايكس يا گاما، فرابنفش، مرئي، فروسرخ و راديويي دارند. انرژي تابش الكترومغناطيس با معادلة   با طول موج رابطه دارد كه h ثابت پلانك، c  سرعت نور و l طول موج است. اگر انرژي و طول موج به ترتيب برحسبkeV و آنگستروم(m ^10-10= ^° A) اندازه بگيريم رابطة به صورت   ساده مي‌شود.

الكترون اوژه و پرتوي ايكس مشخصه

خالي لاية K  توسط الكتروني از لايةL  ياM  پر مي‌شود، ولي اختلاف انرژي كه مي‌بايستي به‌صورت پرتوX  خارج شود به الكتروني از لايةL  ياM  منتقل و درنتيجه الكترون به بيرون از اتم پرتاب مي‌شود. در اين­صورت، دو الكترون از لايةL  ياM  كم مي‌شود يكي جاي خالي الكترون لاية K  را پر مي‌كند و ديگري الكترون اوژه است كه از اتم به‌بيرون پرتاب مي‌شود، بنابراين اتم دو بار يونيزه شده است. در صورتي كه خلأ در لاية L  ياM  اتفاق افتد، فرآيندي مشابه رخ مي‌دهد. فرآيند اوژه اغلب در عناصر با عدد اتمي كم (  Z  < 24 . مثلاً Ca ، Al ، O ، N يا C)، و انتشار پرتوX  در عناصر با عدد اتمي بالا (45 Z > . مثلاً Pb ، W ، Cs يا I) رخ مي­دهد.

در سال 1905 انشتين به‌طور نظري قابليت تبديل جرم وانرژي را نشان داد و با پيشرفت فيزيك هسته‌اي و اتمي‌، نظرية او به اثبات رسيد. رابطة جرم و انرژي با معادلة سادة  ² mc E  = بيان مي‌شود، كهE  انرژي، m  جرم وC  سرعت نور است. واحد جرم در مقياس اتمي يا هسته‌ايamu) ) واحد جرم اتمي نام دارد، كه  جرم اتم كربن است. با استفاده از معادلة انشتين انرژي هرamu  برابر با MeV  931 است. جرم الكترون، پروتون و نوترون به ترتيب برابر است با amu (00055/0، 0073/1 و 0087/1) و انرژي معادل آن به ترتيب مساوي MeV (511/0، 938 و 939) است.

نوكلوئيدها

  انواع مختلف اتم، عنصر و انواع مختلف هسته، نوكلوئيد‌ ‌ناميده مي‌شود. يك عنصر به‌تنهايي با عدد اتمي (Z  ) ولي يك نوكلوئيد با عدد جرمي (A) و عدد اتمي (Z) آن شناخته مي‌شود. عدد جرمي يك نوكلوئيد، مجموع تعداد پروتون‌ (Z ) و نوترون(N ) است A = Z + N . براي مثال نوكلوئيد   مركب از 53 پروتون و 78 نوترون و 131 عدد جرمي است. علامت گذاري براي نوكلوئيدها به صورت  است كهA  وZ  به‌ترتيب عدد جرمي و عدداتمي نوكلوئيد وX  عنصري است كه نوكلوئيد به‌آن متعلق است. نوكلوئيد‌ها براساس عددجرمي، عدداتمي و تعداد نوترون­ تقسيم‌بندي مي‌شوند. نوكلوئيد‌هاي با عدد جرمي يكسان را ايزوبار مي‌نامند، (مثلاً  و  ). نوكلوئيد‌هاي با عدد‌اتمي يكسان را ايزوتوپ مي‌نامند ( مثلاً   و  ). ايزوتوپ­ها متعلق به يك عنصرند. نوكلوئيد‌هاي با تعداد نوترون مساوي را ايزوتون مي‌نامند ( مثلاً   و  هريك با 6 نوترون).

ساختمان و حالت برانگيختگي هسته

دانش ما از ساختمان هسته در مقايسه با اتم ( يعني، آرايش الكترون­ها در لايه‌هاي مختلف) بسيار محدود است. با حمايت از داده‌هاي تجربي، فرض شده است نوكلئون­ها مشابه الكترون­ها در اتم، درون لايه‌هاي كروي در هسته قرار دارند، البته از چگونگي تجمع نوكلئون­ها در لايه‌ها و يا عبور از لايه‌هاي مختلف اطلاع زيادي نداريم. اين نكته حائز اهميت است كه نوكلئون­ها نظير الكترون­ها در اتم با جذب انرژي، برانگيخته شده، به لايه‌هاي اشغال نشدة بالاتر مي‌روند.  پايين‌ترين آرايش ممكن نوكلئون­ها را حالت پاية هسته[1] مي‌نامند. معمولاً لايه‌هاي بالا‌تر به‌عنوان تراز انرژي يا حالت برانگيخته ناميده مي‌شوند. نوكلئون­ها نظير الكترون­ها انرژي بستگي متفاوتي دارند. انرژي بستگي نوكلئون (مقدار انرژي لازم براي بيرون كشيدن نوكلئون ازهسته ) در هسته‌هاي مختلف متفاوت است. متوسط انرژي بستگي نوكلئون­ها در بيشتر هسته‌ها در محدودة MeV ( 5 تا 8 ) كه 1000 برابر متوسط انرژي بستگي الكترون در اتم­هاست، بنابراين خروج پروتون يا نوترون از هسته، مشكل‌تر از الكترون از اتم است. يعني به مقدار زيادي انرژي احتياج است كه در رآكتورهاي هسته‌اي، شتاب‌دهنده‌ها و يا سيكلوترون­ها قابل تأمين است.

شبه‌پايدار[1] مي‌نامند.   و  مثال­هاي معروف هسته‌هاي شبه پايدارند، حرفm  بعد از عددجرمي نشانة حالت شبه پايدار هسته و وجه افتراق آن از حالت پايدار هسته است.

راديونوكلوئيد‌ها و پايداري هسته‌ها

 بسياري از هسته‌ها در حالت پايه نيز ناپايدارند، اين هسته‌هاي ناپايدار را راديونوكلوئيد‌ مي‌نامند. راديونوكلوئيد‌ها با انتشار تابش­گاما يا ذرات باردار به‌سمت پايداري، پيش مي‌روند. انتشار گاما يا ذرات باردار را واپاشي راديواكتيو مي‌نامند.

دو نيروي الكترومغناطيس و نيروي قوي سبب پايداري هسته مي‌گردند، نيروي قوي بين‌جفت نوكلئون­ها (يعني، پروتون و پروتون، پروتون و نوترون يا نوترون و نوترون ) عمل مي‌كند. اين نيرو از نوع جاذب است و در فواصل بسيار كم نوكلئون­ها، عمل مي‌كند. نيروي الكترومغناطيس سبب دافعة پروتون­ها مي‌گردد ( بارهاي همنام يكديگر را دفع مي‌كنند) تعادل اين دو نيرو ( جاذبه و دافعه) در پايداري هسته، نقش تعيين كننده دارند. هر زمان تعادل اين دو نيرو برهم خورد، هسته ناپايدار و راديواكتيو مي‌شود. تقريباً 259 هستة پايدار در طبيعت كشف شده‌ است. در هسته‌هاي پايدار اگر تعداد نوترون­ها به‌صورت تابعي از پروتون­ها رسم شود، منحني نظير شكل 2-1 به دست مي‌آيد. ابتداي  اين منحني به‌صورت خط راست است ولي در هسته‌هاي با عدد اتمي بالاتر به تدريج به سمت محور نوترون­ها  متمايل مي‌شود. مطابق اين منحني، در هسته‌هاي سبك (50 A < )  تعداد پروتون­ها و نوترون­هاي هستة پايدار برابرند. مثلاٌ هستة اكسيژن پايدار  داراي 8 پروتون و 8 نوترون است ولي هسته‌هاي سنگين‌ (100 A  >  ) به تعداد نوترون‌ بيشتري براي پايداري نياز دارند، براي مثال هستة يد پايدار (  )، 53 پروتون و74 نوترون دارد. نواحي‌دو طرف منحني شكل 2-1 منطقة راديونوكلوئيد‌ها ست، اگر راديونوكلوئيدي در ناحية بالاي منحني قرار‌ ‌گيرد، داراي نوترون‌ اضافي و درنتيجه ناپايدار است و اگر در ناحية پايين منحني قرار گيرد به‌واسطة پروتون‌ اضافي ناپايدار است.

زنجيره­هاي راديواكتيو 

  راديونوكلوئيد از طريق واپاشي راديواكتيو سعي در رسيدن به پايداري مي‌كند. پايداري ممكن است به‌طور مستقيم و در يك مرحله و يا درچند مرحله واز طريق واپاشي به راديونوكلوئيد‌هاي متعدد انجام شود. براي مثال،  مستقيماً واپاشي كرده تبديل به هستة پايدار   مي‌شود، ولي   ابتدا به واپاشي نموده  كه خود به   تبديل مي‌شود و واپاشي ادامه مي‌يابد تا به هستة پايدار  ختم مي‌شود. سري كامل اين واپاشي به شرح زير است:

 →  →  →  →

اين فرآيند را معمولاً سري يا زنجيرة راديواكتيو مي‌نامند. در پزشكي هسته‌اي، واپاشيMo ⁹⁹ وSn ¹¹³ از سري­هاي راديواكتيو بسيار معروفند:

        (پايدار )

     ( پايدار )

فرآيند‌هاي راديواكتيو و قوانين بقا

عدد‌ جرمي نوترون و پروتون مساوي يك و عدد‌ جرمي الكترون، صفر فرض مي‌شود، همچنين براساس قانون بقاي بار، در تبديلات هسته‌اي مجموع بار الكتريكي بدون تغيير مي‌ماند.

واپاشي آلفا

  يك راديونوكلوئيد در واپاشي آلفا،  ذرة سنگين و بارداري به‌نام آلفا از خود منتشر مي‌سازد. هر ذرة آلفا چهار مرتبه سنگين‌تر از يك پروتون يا نوترون و دو برابر پروتون بار الكتريكي دارد. در واقع ذرة آلفا، هسته‌اي پايدار با عدد‌جرمي 4A =  و عدد اتمي2 Z =   يعني هستة اتم هليم است. طبق قانون بقاي عدد‌جرمي و بار الكتريكي، در جريان واپاشي آلفا، عدد‌جرمي و عدد‌اتمي هستة جديد (معروف به هستة دختر) به‌ترتيب چهار و دو واحد كاهش مي‌يابد. واپاشي آلفا طبق رابطة زير بيان مي‌شود:

(  ذرة

عدد‌جرمي و بار الكتريكي دو طرف معادله برابرند.

 يك مثال از واپاشي آلفا، تبديل راديوم- 226 به رادون- 222 است. رادون –222 گازي است راديواكتيو و از سنگ‌ و خاك حاوي راديوم –226 خارج مي‌شود.

مقدار كمي راديوم در هر‌جايي وجود دارد كه سبب افزايش مقدار ناچيزي پرتوي زمينه مي‌شود كه البته جاي نگراني نيست. در صورت  وجود مقدار نسبتاً زياد راديوم در سنگ يا خاك و عدم جريان كافي هوا، گاهي اوقات، غلظت خطرناكي رادون در ساختمان توليد مي‌شود كه براي حفظ سلامت ساكنان آن، بايد كار مؤثري انجام داد. در مورد واپاشي آلفا دو ويژگي مشخص وجود دارد، اولاً به‌طور عمده در راديونوكلوئيد‌هايي با عدد‌جرمي بيش از 150 رخ مي­دهد، ثانياً انرژي جنبشي پرتوي آلفا درهر واپاشي مقدار ثابتي‌است. در مثال  انرژي‌جنبشي پرتو آلفا MeV 78 /4 است.

واپاشي بتا

  در جريان اين تبديل هسته‌اي، نوترون يا پروتون درون هستة به‌ترتيب به پروتون و نوترون تبديل مي‌شود. با تبديل پروتون به نوترون يك واحد از بار مثبت هسته كم شده، نيروي دافعة پروتون­ها كاهش مي‌يابد و برعكس، وقتي نوترون تبديل به پروتون شود يك واحد به‌بار مثبت هسته اضافه شده،  نيروي دافعة پروتون­ها افزايش مي‌يابد. نتيجة اين افزايش يا كاهش نيروي دافعه، ايجاد تعادل در دو نيروي الكترومغناطيس و نيروي قوي هسته­اي و پايداري راديونوكلوئيد است. تبديل نوترون به پروتون يا پروتون به نوترون به‌وسيلة نيروهاي ضعيف هسته­اي كنترل مي‌شود. ماهيت دقيق نيروهاي ضعيف كاملاً معلوم نيست و البته به بحث ما در مورد واپاشي بتا نيز مربوط نمي‌شود. واپاشي بتا در يكي از فرآيند‌هاي انتشار  يا الكترون، انتشار  يا پوزيترون و گيراندازي الكترون اتلاق مي­شود.

انتشار

  در اين فرآيند نوترون داخل هسته تبديل به پروتون ‌شده، انرژي مازاد به‌صورت يك جفت ذرة  الكترون و آنتي‌نوترينو(  ) آزاد مي‌شود. البته الكترون و آنتي‌نوترينو درون هسته وجود ندارد بلكه از انرژي مازاد در هنگام واپاشي راديونوكلوئيد توليد مي‌شود. آنتي‌نوترينو ذره‌اي است بدون بار و جرم درحال سكون آن صفر. اين ذرات به‌ندرت با ماده برهمكنش نموده بنابراين اثر بيولوژيكي مهمي ندارد. البته وجودش قطعي‌است، زيرا در صورت عدم آن، قانون بقاي انرژي نقض مي‌شود. امروزه وجود آن در آزمايشگاه ثابت شده است. رابطة واپاشي بتا را مي‌توان به‌صورت زير نوشت:

  توجه داشته باشيد در اين فرآيند قانون بقاي بار و عدد جرمي صادق است. چند مثال از راديونوكلوئيد‌هايي كه اشعة بتا‌منفي منتشر مي­كنند عبارتند‌از:     

مشاهده مي‌شود، در واپاشي ^- β عدد‌جرمي (A) بدون تغيير مي‌ماند ولي يك واحد به عدد‌اتمي  ( Z) هسته اضافه مي‌گردد.‌ انرژي جنبشي پرتوي بتا، ثابت نيست، زيرا  كل انرژي ( اختلاف جرم راديونوكلوئيد مادر و دختر ) بين الكترون و آنتي نوترينو به تصادف تقسيم مي‌شود. مثلاٌ اختلاف جرم  و   در جريان واپاشي به صورت انرژي بين الكترون وآنتي‌نوترينو تقسيم مي‌شود. تقسيم انرژي بين اين دو به‌صورت تصادفي است،  بنابراين الكترون با انرژي جنبشي‌ از صفر تا يك مقدار ماكزيمم،  منتشر مي‌شود( به‌صورت طيف ^- β ). انرژي ماكزيمم، حداكثر انرژي آزاد شده در يك واپاشي بتاست. در مثال بالا حداكثر انرژي واپاشي تريتيوم، كربن14و فسفر32 به ترتيبMeV  018/0,  156/0 و  71/1 است. احتمال انتشار الكترون با يك انرژي خاص   P (E _β)تابع مقدار انرژي الكترون است. رابطة احتمال وجود الكترون P (E _β) با مقدار انرژي الكترون E _β براي يك هستة بتا دهنده در شكل 1-1 نشان شده است. در دُزيمتري بيماراني كه راديونوكلوئيد بتا دهنده دريافت مي‌كنند، متوسط انرژي الكترون اهميت دارد.   محاسبة مقدار متوسط انرژي الكترون (  ) تابع شكل طيف پرتوي بتا است، ولي مقدار آن با يك محاسبة تقريبي يك سوم ماكزيمم انرژي الكترون است (  ).

انتشار پوزيترون يا  β⁺

  در اين فرآيند يك پروتون به نوترون تبديل و انرژي مازاد به‌صورت يك جفت ذره پوزيترون(e⁺) و نوترينو(ν) منتشر مي‌شود. پوزيترون الكتروني است كه بار الكتريكي مثبت دارد. جرم پوزيترون  مساوي الكترون و برخوردش با ماده  مشابه الكترون است. واپاشي پوزيترون طبق رابطة زير است :   

  در اين معادله قانون بقاي عدد‌جرمي و بارالكتريكي صادق است. ولي براي حفظ بقاي كل انرژي، لازم است جرم هستة (X) حداقلMeV   02/1(دو برابر جرم الكترون) بيشتراز جرم هستة ( (Yباشد؛ زيرا جرم يك اتم، شامل جرم نوكلئون­ها و الكترون­هاست. بنابراين جرم اتم X  حاوي جرمZ  الكترون است؛ درحالي‌كه جرم اتمY  شامل جرمZ-1  الكترون است. همچنين يك e⁺ از تبديل انرژي هسته‌ايX  به جرم توليد مي‌شود، بنابراين جرم هستةX   ‌بايد از دو برابر جرم الكترون به اضافة جرم هستةY  بيشتر باشد. چند مثال از هسته­هاي انتشار دهنده‌هاي پوزيترون:

  توجه داشته باشيد در جريان انتشار⁺ β ، عدد اتمي يك واحد كاهش ولي عدد جرمي تغيير نمي­كند. در انتشار⁺ β نيز انرژي پوزيترون از صفر تا يك مقدار حداكثر (طيف ⁺ β) تغيير مي‌كند. در اين‌مورد نيز  محاسبة مقدار متوسط انرژي، پيچيده است ولي به‌طور تقريب متوسط انرژي پوزيترون يك سوم حداكثر انرژي⁺ β در نظر گرفته مي‌شود.

گيراندازي الكترون

  در اين فرآيند، پروتون هسته با شكار الكتروني از لايه‌هاي اتمي (مثلاً K  ،L   يا M ) تبديل به نوترون شده، فقط نوترينو منتشر مي‌شود. اگر الكترون از لايةK  و يا L شكار شود پديده را به‌ترتيب گيراندازي الكترونK   ياL   مي‌نامند. شكار الكترون يكي از چند مثالي است كه هسته مستقيماً با الكترون­هاي مدار اتم (لايه‌هايK ، L  و… ) برهمكنش مي‌كند( در واپاشي گاما نيز نظير اين اتفاق رخ مي­دهد). وقتي الكترون از لايه‌هايK ، L  ياM  شكار شود در لايه‌هاي داخلي اتم خلأ ايجاد مي‌شود. اين خلأ  توسط الكتروني از لاية بالاتر پُر و هم‌زمان پرتويX  مشخصه يا الكترون اوژه منتشر مي‌شود. احتمال شكارالكترون از لاية K   معمولاً بيشتر از لايه‌هايL  يا M  است. گيراندازي الكترون با رابطة زير بيان مي‌شود:

اين رابطه با قوانين بقاي عدد جرمي و بار الكتريكي سازگار است. چند مثال معروف شكار الكترون:

مشابه انتشار پوزيترون، در گيراندازي الكترون نيز عدد جرمي تغيير نمي‌كند بلكه عدد اتمي يك واحد كاهش مي‌يابد. در تمام فرآيند‌هاي واپاشي بتا، عدد‌ جرمي بدون تغيير مي‌ماند؛ بنابراين، واپاشي بتا، نوعي تبديل ايزوبار است.

واپاشي گاما يا گذر ايزومريك

قبلاً اشاره شد، يك هسته مي‌تواند با جذب انرژي برانگيخته شود ( ايزومر) . معمولاً ايزومر‌ها به‌غير از حالت شبه پايدار، عمري كوتاه دارند. بازگشت هسته از حالت برانگيخته به سطح انرژي كمتر يا حالت پايه يك تبديل ايزومر شناخته مي‌شود (برخلاف گذر ايزوبار در واپاشي بتا). اين تحول از طريق دو فرآيند انتشار فوتون پر انرژي و تبديل داخلي صورت مي‌گيرد. 

انتشار فوتون پرانرژي

  در اين فرآيند انرژي مازاد يك ايزومر به‌صورت فوتون پرانرژي به‌نام پرتوي گاما (γ )، منتشر مي‌شود. پرتو γ  يك تابش الكترومغناطيس پرانرژي است (eV 100 > ). پرتوي X   وγ   با ‌انرژي مساوي از يكديگر قابل تفكيك‌ نيستند؛ زيرا با ماده به‌طور مشابه برخورد مي‌كنند  و فقط در منشأ توليد، اختلاف دارند. انرژي خروجي از هسته به‌صورت فوتون پرانرژي را پرتو γ و انرژي خروجي از اتم ( يعني گذر الكترون از لايه‌هاي اتم ) به‌صورت فوتون پرانرژي را پرتوX  مي‌نامند. در پزشكي هسته‌اي، اختلاف موجود در نحوة توليد فوتون پر انرژي، سبب هيچ‌گونه اختلاف عملي نمي‌گردد.

تبديل داخلي

  گاهي هستة برانگيخته، به‌جاي انتشار پرتو γ  انرژي خود را مستقيماً به الكترون (از لاية K، L  يا M )  مي‌دهد. اين فرآيند تبديل‌داخلي ناميده مي‌شود كه مثال ديگري از برخورد مستقيم هسته با الكترون­هاي اطراف آن است. (اولين مثال، گيراندازي الكترون در واپاشي بتا بود). تبديل‌داخلي يك فرآيند جانشين، براي انتشار پرتوγ  است. يك هستة منفرد، پرتويγ   يا الكترون منتشر مي‌كند، درحالي‌كه در مجموعه‌اي از هسته‌ها، تعدادي از هسته‌ها پرتوγ   و تعدادي، الكترون تبديل‌داخلي منتشر مي‌كنند. نسبت تعداد الكترونها به پرتو‌هاي  γ منتشره از هسته‌هاي برانگيخته، ضريب تبديل‌داخلي ( ic ) ناميده مي‌شود.

اگر برهمكنش با الكترون لاية K انجام شود، ضريب تبديل K (  ) و اگر با الكترون لاية L ، ضريب تبديلL ناميده مي‌شود و ضريب تبديل كل از مجموع ضرايب تبديل به‌دست مي‌آيد

به‌عنوان مثال اگر  باشد، انتشار پرتو γ پنج مرتبه بيش‌از الكترون تبديل‌داخلي است، ويا در شش واپاشي، پنج پرتو γ يا فوتون منتشر مي‌شود و فقط يك فرآيند تبديل داخلي اتفاق مي‌افتد. در تشخيص پزشكي هسته­اي،  راديونوكلوئيدي مطلوب خوانده مي‌شود كه تابش ذره‌اي نداشته باشد، از اين‌رو حتي در تابش گاما، به‌خاطر تبديل داخلي و انتشار الكترون، اين نكته مورد توجه قرار مي‌گيرد كه ضريب تبديل داخلي تاحد ممكن كم باشد.

  احتمال تبديل‌داخلي K  عموماً در مقايسه با تبديلL و M بيشتراست، زيرا الكترونهاي لاية  K به هسته نزديكترند. همچنين اگر حالت برانگيخته با دوام ( حالت شبه پايدار) و انرژي حالت برانگيخته كم باشد (KeV 100 < ) احتمال بروز تبديل داخلي بيشتر خواهد بود.

  در تبديل‌داخلي، الكتروني از لايه‌هاي ‌داخلي ( K، L  يا  M ) به بيرون پرتاب مي‌شود، درنتيجه درآن لايه خلأ به‌وجود مي‌آيد كه با الكتروني ازلاية بالاتر پُر مي‌شود، بنابراين پرتو  X  يا الكترون اوژه منتشر مي‌شود. فرآيند پُرشدن خلأ  لايه‌هاي اتمي مشابه گيراندازي الكترون K  در واپاشي بتاست. از آن‌ جا كه الكترون­ها در هر لايه ( K، L، … ) با انرژي خاصي به‌نام انرژي پيوند به هسته متصلند، الكترون تبديل‌داخلي حامل انرژي جنبشي خاصي برابر با اختلاف انرژي حالت برانگيختة هسته و انرژي بستگي الكترون است. براي مثال،   يك حالت شبه پايدار با انرژيKeV 393 است كه پرتو γ با انرژيKeV 393 يا الكترون تبديل‌داخلي با انرژي‌جنبشي KeV 3/363  منتشر مي‌كند.

KeV 3/363=  ( انرژي بستگي الكترون­هاي K در اتم اينديوم )  7/29  - 393

چگونه مي‌توان فهميد يك راديونوكلوئيد با انتشار ذرة آلفا، بتا، پرتوي گاما و يا تركيبي از آن­ها منتشر مي‌شود؟ درواقع يك قانون نظري براي كسب اين اطلاعات وجود ندارد، بلكه براي هر راديونوكلوئيد به‌طور تجربي اين اطلاعات به‌دست مي‌آيد و به‌طور شماتيك نشان داده مي‌شود. شماتيك واپاشي مجموعه‌اي ازاطلاعات تجربي مربوط به چگونگي و تعداد فرآيند واپاشي، انرژي پرتوها، نيمة عمر و ديگر اطلاعات راديونوكلوئيد است.

جدول 1-1 پرتوهاي منتشره در واپاشي Mo⁹⁹