logo

logo

logo

logo

logo

الأشعة الكونية

اشعه كونيه

Cosmic rays - Rayons cosmiques

 الأشعة الكونية

الأشعة الكونية

تصنيف الأشعة الكونية و منشؤها

النشاط الإشعاعي في الغلاف الجوي

تأثير الأشعة الكونية في البشر

توزع الأشعة الكونية وتأثيراتها

قياسات التعرض للأشعة الكونية في رحلات الطائرات النفاثة

 

 

الأشعة الكونية

تتعرض الكرة الأرضية لسيلٍ مستمر من الأشعة الكونية cosmic rays من الفضاء الخارجي، تتفاعل باستمرار مع الغلاف الجوي الذي يقلل من قدرتها مع الاقتراب من سطح الأرض. وتعد الجسيمات المشحونة من أهم نواتج هذه التفاعلات، وللحقل المغنطيسي الأرضي دور مهم في جعل التعرض لهذه الأشعة مرتفعاً نسبياً في المنطقة القطبية، ومنخفضاً نسبياً عند خط الاستواء.

الأشعة الكونية هي جسيمات نووية، ترد الأرض بطاقات هائلة تمكّنها من اختراق ثخانات كبيرة من المادة. وهي تسمى أوليةً عند دخولها جو الأرض، وثانويةً بعد أن تقوم بالتفاعل معه. اكتُشِفَتِ الأشعة الكونية مطلع القرن العشرين من جراء دراسةِ سبب انفراغ مكشافٍ كهربائيelectroscope مشحون. فقد لوحظ زوال الانفراج بين وريقتي الذهب في المكشاف نتيجة ضياعِ شحنتهِ الكهربائية، على الرغم من اتخاذ الاحتياطات المعروفة آنذاك لمنع انفراغ الشحنة. وبدا منطقيّاً منذ ذلك الحين أن تُعزى هذه الظاهرة إلى وجود نوعٍ من الإشعاع يؤين الغاز الذي يملأ المكشاف الكهربائي، ذلك أن الإشعاع الصادر عن المواد المشعة أو الأشعة السينية كان يولِّد الأثر ذاته في وريقتي الذهب. وعندما أظهرت التجارب أن معدل انفراغ المكشاف الكهربائي المشحون يزداد مع الارتفاع عن سطح البحر تأكد أن منشأ هذا الإشعاع المجهول ليس أرضيًا بل سماويًا أو كونياً ، مما دعا العلماء عام 1926 إلى تسميته بالإشعاع الكوني. وتأكد تجريبيًا أن بالإمكان تقليل معدل انفراغ المكشاف الكهربائي المشحون عند وضعه في نفقٍ تحت سطح الأرض، أو في أعماق البحر، وأمكن في ذلك الحين التفريق بين صنفين من الأشعة الكونية التي تبلغ سطح الأرض، صنف أطلق عليه اسم المركِّبة الليِّنة soft component ، وهو صنف يكفي لامتصاصهِ عشرة سنتيمترات من الرصاص، وصنف أطلق عليه اسم المركِّبة القاسية hard component، وهو قادرٌ على اختراق ثخانات من الرصاص تزيد على المتر.

تصنيف الأشعة الكونية و منشؤها

يوجد في الأشعة الكونية نوعا الإشعاع الأساسيان هما: المؤيّن بأنواعه، وينشأ من النوى وتفاعلاتها ويُحدث التأينات في المادة، وغير المؤيّن بأصنافه الكهرطيسية الضعيفةِ الطاقة أقل من (12 (eV، والتي تمتد من الأشعة فوق البنفسجية حتى الراديوية الطويلةِ الموجة، ولا تُحدث تأيّناتٍ في المادة. وهي تأتي من الفضاء الخارجي البعيد مثل المجرّات بأنواعها ونجومها، أو القريب مثل ما يأتي من الشمس في أثناء التوهجات الشمسية. وقد تكون جسيمية أو كهرطيسية، وكلاهما يتفاعل مع الغلاف الجوي لينتج أنواعاً أخرى من الإشعاع، والمواد المشعة المختلفة. تسمى الأشعة قبل تفاعلها مع الغلاف الجوي «بالأشعة الكونية الأولية»، وتسمى نواتج تفاعلاتها « بالأشعة الثانوية». وإن مستويات شدة الأشعة الكونية غير مستقرة على الإطلاق، إذ تشير القياسات المستمرة منذ أكثر من خمسين عاماً إلى أن للأشعة الكونية المَجرّية دورة تقارب 11 عاماً. وهي تتأثر بنشاط الشمس، الذي يمكن أن يرافقه ارتفاع الشواظات الشمسية، وأن تتكرر هذه النشاطات بضع مرات خلال الدورة المجرّية الواحدة مشكلةً ما يطلق عليه اسم الذروة الشمسية solar maximum.

الأشعة الكونية الأولية

هي أشعة آتية أساساً من النجوم ومن المجرّات الفضائية خارج النظام الشمسي، وعلى وجه الخصوص من أغلفة النجوم الغازية والهالات المحيطة بها. وهي تملأ الفضاء الكوني، وتدخل في عِداد مصادر الإشعاع الطبيعية. وعندما يدخل إشعاع كوني عالي الطاقة المجال الجوي ينتج شلالاً من الجسيمات تدعى الوابل الهوائي الممتد (التيهور). وتتوزع طاقة الجسيم البدئي على العدد الضخم من الجسيمات الثانوية التي يولدها التفاعل الأول الذي يحدث عادة على ارتفاع يقارب 20 كم. وتتفاعل الجسيمات الثانوية بدورها في أعماق الجو متابعة توزيع الطاقة، وهي تتكون تقريبًا مما يلي:

أ- 87 % بروتونات مختلفة الطاقة قد تصل الطاقة التي يحملها أحدها 1020eV وأعلى من ذلك .و يتساءل العلماء عن الشيء الذي يمكن أن يسرّعها حتى هذه الطاقات العالية. فهي أكبر كثيرًا مما يمكن أن يَنتجَ من أي مسرع، كما يتساءلون عن إمكان احتفاظها بهذه الطاقات الخارقة بعد مخرها عباب الفضاء الكوني، وعبور خلفية الأمواج المكروية الكونية. وبروتونات الطاقات العالية نادرة، إذ لا تحدث وسطيًا أكثر من مرة واحدة في كل قرنٍ، في مساحةِ كيلو متر مربعٍ من صفيف المكاشيف المترابطة ، وذلك على الرغم من مشاهدة حادثتين متعاقبتين مختلفتين في العامين 1991 و1993.

ب- 21% جسيمات ألفا مختلفةِ الطاقات، تنجم عن انشطار النكليدات الثقيلة، وعن مختلف التفاعلات النووية في النجوم والمجرات.

ج-1% نَوى ثقيلة، مثل الكربون والنتروجين والأكسجين والكلسيوم والحديد، وهي مختلفة الطاقات، وتماثل في منشئها العناصر السابقة.

و تتفاعل كلها مع طبقات الجو العليا مولدةً نَوى (نكليدات) مشعةً جديدة بأعمار أنصاف مختلفة.

الأشعة الكونية الثانوية

وهي تتألف من:

- مكونات خفيفة، مثل الإلكترونات والميزونات والفوتونات ذوات الطاقات العالية.

- مكونات ثقيلة، مثل النترونات والبروتونات والميونات ومختلف الإيونات.

وعموماً، تتناقص كثافة الأشعة الكونية الأولية مع الاقتراب من سطحِ الأرض، فعلى ارتفاع 50 كم فأكثر، تكون الأشعة كونية أوليةً فقط، في حين تتزايد كثافة الأشعة الكونية الثانوية على ارتفاع 20 كم فأقل حيث تصبح ثانوية فقط. وتكون المركبات السائدة بين هذين الارتفاعين خليطاً من الأشعة الأولية والثانوية.

يبين الجدول (1) أسماء وخصائص عدد من النكليدات الكونية البارزة، وتضاف إليها النكليدات المشعة الكونية الأخرى المعروفة: Be 10 و 26 Al و 36 Cl و 80 Kr و32 Si و39 Ar و 22 Na و 35 S و 37 Ar و 33 P و 32 P و 28 Mg و31 Si و18 F و39 Cl و 38 Cl.

الجدول (1) أسماء عدد من النكليدات المشعة الكونية البارزة، ورموزها، وبعض المعلومات المفيدة عنها.

النظير

الرمز

عمر النصف

المصدر

النشاط الإشعاعي الطبيعي

الكربون 14 الوصف: الوصف: الوصف: 18794.jpg

الوصف: الوصف: الوصف: 18785.jpg

5.73x103 y

التفاعل الوصف: الوصف: الوصف: 18773.jpg

6pCi/g (220Bq/kg) في المواد العضوية

التريتيوم 3 الوصف: الوصف: الوصف: 18765.jpg

الوصف: الوصف: الوصف: 18756.jpg

12.3 y

التفاعل

الوصف: الوصف: الوصف: 18747.jpgوتفاعلات الأشعة الكونية مع N و O

0.032pCi/kg (0.001Bq/kg)

7البريليوم الوصف: الوصف: الوصف: 18738.jpg

الوصف: الوصف: الوصف: 18729.jpg

53.28 d

تفاعلات الأشعة الكونية مع N وO

0.27pCi/kg (0.01Bq/kg)

النشاط الإشعاعي في الغلاف الجوي:

يمكن إجمال مصادر النكليدات المشعة - التي يمكن أن توصف بأنها بيئية - في ثلاثة مصادر هي:

أ- مصادر أزلية نشأت مع الأرضِ والمجموعةِ الشمسية منذ نحو 4.5X109 سنة وعاشت جزئياً حتى هذه الأيام نتيجةً لطول أعمار أنصافها، ومنها النكليدان الأزليان الوصف: الوصف: الوصف: 18459.jpgوالوصف: الوصف: الوصف: 18447.jpg اللذان يتوفران في الطبقة السطحية للأرض، ويتفككان وفق السلاسل المعروفة التي تشمل الرادون الوصف: الوصف: الوصف: 18439.jpgوالثورون الوصف: الوصف: الوصف: 18429.jpgبعمري النصف 3.8 يوم و 56 ثانية على الترتيب، ويتركزان في طبقات الجو المنخفضة.

ب- مصادر تأتي من الطبقات العليا من الغلاف الجوي أو تتولد فيها بفعل الجسيمات الكونية (المجرّية والشمسية)، وقد يصعب فصلها عن المصادر الصنعية.

جـ- مصادر تنجم عن التقانات النووية ( صنعية )، وخاصة خلال برامج تجارب الأسلحة النووية للولايات المتحدة والاتحاد السوڤييتي السابق في نهاية الخمسينيات وبداية الستينيات من القرن العشرين، وخصوصًا في العام 1962 الذي أعقبه في آب/أغسطس عام 1963 اتفاق إيقاف التجارب النووية السطحية التي خلفت آثارًا ما تزال موجودة في رواسب البحيرات والبحار وفي المقاطع الجليدية.

تأثير الأشعة الكونية في البشر

تساهم الأشعة الكونية في الجرعة التي يتلقاها البشر التي تقدر بالمكروسيفرت (µSv) وفعالية هذه الجرعة في الأوساط الحية المختلفة وتقدر بالملي رم(mrem) وتظهر في الجدول (2) المساهمات المختلفة:

الجدول (2) متوسط إسهامات أنواع الإشعاع في متوسط مكافئ الجرعة الكلية السنوية ( في البيئة الأمريكية)

المصدر

متوسط مكافيء الجرعة السنوية الفعالة/مكروسيفرت µSv))

متوسط مكافيء الجرعة السنوية الفعالة/ملي ريم (mrem)

الرادون المستنشق ونواتج تفككه

2000

200

المواد المشعة الأخرى المترسبة داخل الجسم، وأولها البوتاسيوم -40

390

39

الأشعة المنبعثة من الأرض (Terrestrial)

280

28

الأشعة الكونية (Cosmic Radiation)

270

27

الهطولات النووية ومحطات القدرة النووية

10

1

الجرعة الكلية من المصادر الإشعاعية الطبيعية

2950

295

الجرعة من المصادر الإشعاعية المولدة صناعياً

600

60

الجرعة الإجمالية من مختلف المصادر

3550

355

يتضح من الجدول (2) أن نحو 82% من الجرعة السنوية الفعالة ينجم عن الإشعاع الطبيعي، وأن معظم هذه الجرعة ناشئ من الرادون، وأن مساهمة الأشعة الكونية قرابة 31%. يعود السبب في استعمال الواحدتين السيفرت والرم إلى اختلاف التأثيرات البيولوجية للإشعاع وفق نوع الإشعاع. إذ تتأين بعض مكونات الخلية الحية من جراء سقوط الإشعاعات المؤينة عليها، وخاصة جزيئات الماء التي تمثل الجزء الأكبر من مكوناتها. وهذا يؤدي إلى حدوث تغيرات كيميائية قد تؤدي إلى إحداث تغيرات في تركيب الخلية، يمكن أن تؤدي إلى تحول الخلية إلى خلية سرطانية وربما إلى موتها؛ لذلك يجب معرفة قيمة هذا التعرض، أي معرفة ما يسمى بالجرعة الإشعاعية التي تعبر عن طاقة الإشعاع الممتصة داخل الجسم فعليًّا، وهذه تتعلق بطاقة الإشعاع، ونوعه الذي يجعل تأثيره يتضاعف بمقدار عاملٍ نوعي يسمى عامل التثقيل.

تقاس هذه الجرعات بالسيفرت Sv وأجزائه ومضاعفاته: مكرو وملي وكيلو سيفرت، والسيفرت هو الواحدة الدولية المعتمدة لقياس الجرعة المكافئة الفاعلة في الخلايا الحية، التي تأخذ في الحسبان نوع الأشعة وعوامل تثقيلها. ويضاف إليه الغراي Gy الذي هو واحدة قياس الجرعة الممتصة بالجملة الدولية SI ، ويعبر عن امتصاص طاقةٍ إشعاعية قدرها جول واحد في الكيلو غرام، من دون النظر إلى نوع الإشعاع وتأثيراته الحيوية. والرم rem واحدة قديمة لقياس الجرعة الفعالة، ويساوي 0.01 سيفرت .

توزع الأشعة الكونية وتأثيراتها

يتغير توزع الأشعة الكونية مع الموقع على الأرض ومع الزمن؛ إذ يتغير معدل الجرعة الناشئة من الأشعة الكونية مع تغير خطوط العرض، ومع تغير الارتفاع عن سطح البحر. فمثلاً عند خط عرض 40 درجة شمالاً وعند مستوى سطح البحر حيث الارتفاع صفر، يكون معدل الجرعة الكونية نحو 0.33 ملي سيفرت /سنة، ويتضاعف على ارتفاع 2000 متر، ليصبح مقارباً 0.64 ملي سيفرت/سنة، وليبلغ على ارتفاع 10.000 قدم القيمة
1 مللي سيفرت/سنة. ويعد عامل الارتفاع عن سطح البحر العامل الأكبر في معدل الجرعة، إضافةً إلى طاقةِ الأشعة الكونية ونوعها. ويعود تأثير الارتفاع إلى أن التفاعلات بين جزئيات الهواء الجوي ومكونات الأشعة الكونية تُضعف من طاقتها وتُغير من نوعها. يبين الجدول (3) اختلاف الجرعات تبعاً للارتفاع عن سطح البحر عند بعض خطوط العرض المختارة. يعود سبب تأثر معدل الجرعة بخطوط العرض إلى تأثير الحقل المغنطيسي للأرض في الجسيمات المشحونة القادمة من خارج الأرض، إذ يحرفها في الاتجاه المعامد لخطوط الحقل
(باتجاه جنوب شمال). وبذلك تحوي المنطقة الاستوائية أقل تراكيز الجسيمات الإشعاعية الكونية . ويزداد التعرض للإشعاع مع ازدياد خطوط العرض شمالاً أو جنوباً (الجدول 3).

الجدول (3) تأثير الارتفاع وعيناتٍ من خطوط العرض في الجرعة من الأشعة الكونية.

الارتفاع

(كم)

الجرعة الإشعاعية (ملي سيفرت)

خط الاستواء 0 درجة

30درجة

50 درجة

0

0.35

0.40

0.50

2

1.00

1.30

1.70

4

2.60

3.60

5.00

10*

14.00

23.00

45.00

20

35.00

60.00

140.00

(*) ارتفاع الطيران المعتاد

ويبين الجدول (4) تأثيرات الإشعاعات المختلفة في عدد من بلدان العالم مما يوجب أخذ تأثيرات الأشعة الكونية في الحسبان.

الجدول (4) الجرعة الإشعاعية في بعض المدن على سطح الأرض، وتغير إسهام الأشعة الكونية تبعاً لخطوط العرض والارتفاع.

المكان

الارتفاع (كم)

خط العرض

الجرعة (ملي سيفرت/سنة)

لاباز (بوليفيا)

3.630

16 شمالاً

2.70

كيتو (إكوادور)

2.850

صفر

1.60

بوجوتا (كولومبيا)

2.640

4 شمالاً

1.50

سيرودوباسكو (بيرو)

4.259

110 جنوباً

3.30

إيهاسا (الهيمالايا)

3.648

30 شمالاً

3.10

قياسات التعرض للأشعة الكونية في رحلات الطائرات النفاثة

تتعرض الأطقم الجوية مهنياً - في أثناء تحليقها خلال ما يقرب من 800 ساعة في السنة على ارتفاعات الطيران المعتادة - للأشعة الكونية بكثافةٍ قد تكون أكبر مرتين من كثافة الأشعة المؤينة الطبيعية على سطح الأرض، وذلك نتيجةَ الارتفاع والطاقات العالية نسبياً للأشعة الكونية الثانوية. وحتى وقت قريب لم يلقَ الطاقم الجوي - الذي يتعرض للإشعاع مهنيًا - الاهتمام الكافي، ونظراً لكون مستويات الأشعة الكونية غير مستقرة على الإطلاق، ولأنها تتأثر بنشاط الشمس، وبناءً على توصيات ( ICR (60 عام 1990، فقد أصدر الاتحاد الأوربي عام 1996 “ التوجيهات المعيارية لأساسيات الأمان Basic Safety Standards Directive ، التي تدعو الدول الأعضاء فيه إلى تعديل قوانين الوقاية الإشعاعية المحلية الخاصة بها قبل أيار/مايو عام 2000 ، بحيث تتضمن قواعد الأمان، وحدود الالتزامات الجديدة المتنوعة. وأهمها أن يعامل تعرض الأطقم الجوية الزائد للأشعة الكونية معاملة التعرضات المهنية الخطرة، ويترتب على أصحاب العمل أن يقيسوا ويسجلوا تَعَرُّضَ الأطقم الجوية في حالات تجاوز الجرعة الفعالة السنوية للأطقم الجوية حد تعرض عموم الناس y/1 mSv.

ولذلك رعى الاتحاد الأوربي بين كانون الثاني/يناير 1997 وحزيران/يونيو 1999 مشروع بحث دولي بعنوان مشروع مراقبة التعرض الإشعاعي للأطقم الجوية
(
ACREM) Air Crew Radiation Exposure Monitoring بوصفه مشروع بحثٍ مشترك لكل من Austrian Research Center (ARC)، وفي سيبرسدورف Physikalisch-Technisch Bundesanstalt (PTB) في براونشفايغ، و(DLH) Deutsche Lufthansa AG في كولن بألمانيا، لتقييم الجرعة الإشعاعية للأطقم الجوية عمليًا بوساطة مقاييس جرعة فعالة، وللتحقق من حسابات جرعات الأشعة الكونية في مستويات الطيران.

أُنجز برنامج القياسات، وتضمن البرنامج عشرَ سفراتِ طيران رئيسية شملت 39 سفرة فرعية، وكان الزمن الكلي للقياسات على ارتفاعاتِ الطيران المختلفة 195 ساعة. ركزت القياسات عموماً على نصف الكرة الشمالي، وخصوصاً على مناطق شمال المحيط الأطلسي والقطب الشمالي. ذلك أن هذه المناطق تجمع بين الكثافة العالية للرحلات الجوية، وبين معدلات التعرض الإشعاعية العالية، في حين اقتصرت الدراسات في نصف الكرة الجنوبي وقرب خط الاستواء على جنوب المحيط الأطلسي وعلى الساحل الشرقي لأمريكا الجنوبية (وشملت مجالاً من خطوط العرض يقل كثيرًا عنه في نصف الكرة الشمالي)، وذلك من خلال رحلةٍ جوية واحدة إلى هونغ كونغ، واثنتين إلى بيونس آيرس.

وكان أبرز نتائج هذا العمل:

1 - أن أعلى قيم قراءات معدل الجرعة من المكونات المؤيّنة والنترونية هي عند منطقة القطب الشمالي، وأخفضها حول خط الاستواء.

2 - يمكن أن توصف تابعية كثافة الأشعة الكونية للارتفاع في مجال الارتفاعات المنخفضة من الغلاف الجوي (أقل من ارتفاع فوتزر الأعظمي photzer وهو 25 كم) بتابعٍ أسي. وفي حال الارتفاعات الأكثر أهمية في الطيران المدني - وهي الواقعة بين 8.5 و 11.9 كم - تكون العلاقة بين معدل الجرعة والارتفاع خطيةً بتقريب جيد.

3 - يقع معدل الجرعة الناجمة عن الأشعة المؤينة على ارتفاعات الطيران المعتادة بين المستويين FL280– FL390، أي ما بين 28000 و 39000 قدم في منطقة القطب الشمالي، يقع في المجال 1.2– 3.7 μSv\h)). وفي منطقة الاستواء تقع معدلات الجرعة في المجال 0.79 – 1.6 (μSv\h)، لذا تقع نسبة الجرعة في منطقة القطب الشمالي إلى الجرعة في منطقة الاستواء بين 1.5 و 2.5.

4 - معدل الجرعة الناجمة عن المكونات النترونية في منطقة القطب الشمالي أعلى من معدل الجرعة الناجمة عن المكونات المؤينة. في حين يكون معدل الجرعة الناجمة عن المكونات المؤينة حول خط الاستواء الأعلى.

5 - معدل الجرعة الكلية على ارتفاعات الطيران المعتادة بين FL280 – FL390 في منطقة القطب الشمالي يقع بين 2.7– 7.8 (μSv\h) ، وفي منطقة خط الاستواء يقع بين( 1.3 – 2.5 μSv\h) . ونسبة معدل الجرعة في منطقة القطب الشمالي إلى معدل الجرعة في منطقة الاستواء تقع في المجال: 2.0 – 3.5 .

ويذكر أخيراً أن فريدبرغ W. Friedberg ابتكر برنامجاً حاسوبياً يُمَكِّن من تقدير الجرعة الكونية المجريّة أثناء الطيران بين أي مطارين في العالم . ويمكنه تحديد هوية الجسيمات المسؤولة عن جرعة الأشعة الكونية المجريّة التي تتعرض لها طائرة تحلق على ارتفاعات نموذجية تراوح بين 20.000 و 40.000 قدم. وعند هذه الارتفاعات - وطوال فترةِ دراستهِ التي استمرت أكثر من أربعين عاماً - وجد أن نسبة 88-97 % من معدل الجرعة الفعالة يعود إلى المعدلات التالية: النترونات (33-52 %)، البروتونات (21-28 %)، الإلكترونات مع الفوتونات (17 – 41 %)، وتساهم الميونات بنسبة 2-11 %، وأن نسبة إسهام البيونات المشحونة أقل من 1 %.

 

مصطفى حموليلا

 

 

مراجع للاستزادة:

- سجل محاضرات الدورة التدريبية الإقليمية حول البرنامج المهني الأساسي للوقاية من الإشعاع التي نظمتها هيئة الطاقة الذرية السورية بالاشتراك مع الوكالة الدولية للطاقة الذرية في دمشق من 3/10 إلى 2/12/1999 ( كتاب من ثلاثة أجزاء).

- سيرز وزيمانسكي، كتاب الفيزياء الحديثة للجامعات، المترجم بجامعة دمشق عام 1973.

-International Atomic Energy Agency (IAEA), International Basic Safety Standards for Protection against Ionizing Radiation and the Safety of Radiation Sources, Safety Series No. 115, Vienna, 1996.

-U. J. Schrewe, Air Crew Radiation Exposure Monitoring (ACREM), Results from the in-flight measurement program of PTB: Summary of the Radiation Monitoring Data, Physikalisch Technische Bundesanstalt, PTB-6.31-99-1, Braunschweig, 1999.

 

 


التصنيف : الفيزياء النووية
النوع : الفيزياء النووية
المجلد: المجلد الثاني
رقم الصفحة ضمن المجلد :
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 38
الكل : 13785450
اليوم : 7951