في شهر أكتوبر من كل عام، تحتفل جوائز نوبل بمجموعة من الإنجازات العلمية الرائدة. وفي حين أن العديد من الاكتشافات الممنوحة تُحدث ثورة في مجال العلوم، إلا أن بعضها ينشأ في أماكن غير تقليدية. بالنسبة لجورج دي هيفيزي، الحائز على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1943 والذي اكتشف أدوات التتبع المشعة، كان ذلك المكان عبارة عن كافتيريا في منزل داخلي في مانشستر، المملكة المتحدة، في عام 1911.
كان لدى De Hevesey شك خفي في أن موظفي كافتيريا المنزل الداخلي حيث كان يأكل كل يوم كانوا يعيدون استخدام بقايا الطعام من أطباق العشاء – يبدو أن حساء كل يوم يحتوي على جميع مكونات اليوم السابق. لذلك توصل إلى خطة لاختبار نظريته.
في ذلك الوقت، كان دي هيفيزي يعمل على المواد المشعة. قام برش كمية صغيرة من المواد المشعة في بقايا لحمه. وبعد بضعة أيام، أخذ معه مكشافًا كهربائيًا إلى المطبخ وقام بقياس النشاط الإشعاعي في الطعام المجهز.
صرخت صاحبة المنزل، التي كانت مسؤولة عن الأغذية المعاد تدويرها، “هذا سحر” عندما أظهر لها دي هيفيزي نتائجه، ولكن في الواقع، كانت هذه مجرد أول تجربة ناجحة للتتبع الإشعاعي.
نحن فريق من الكيميائيين والفيزيائيين الذين يعملون في منشأة حزم النظائر النادرة، الموجودة في جامعة ولاية ميشيغان. لقد أحدثت الأبحاث المبكرة التي أجراها دي هيفيسي في هذا المجال ثورة في الطريقة التي يستخدم بها العلماء المعاصرون مثلنا المواد المشعة، وقد أدت إلى مجموعة متنوعة من التطورات العلمية والطبية.
إزعاج الرصاص
قبل عام من إجراء تجربته للمكونات المعاد تدويرها، سافر دي هيفيسي المولود في المجر إلى المملكة المتحدة لبدء العمل مع العالم النووي إرنست روثرفورد، الذي فاز بجائزة نوبل قبل عامين فقط.
كان رذرفورد في ذلك الوقت يعمل على مادة مشعة تسمى الراديوم د، وهو منتج ثانوي قيم للراديوم بسبب نصف عمره الطويل (22 عامًا). ومع ذلك، لم يتمكن رذرفورد من استخدام عينة الراديوم D، حيث كانت تحتوي على كميات كبيرة من الرصاص.
عندما وصل دي هيفيزي، طلب منه رذرفورد فصل الراديوم D عن الرصاص المزعج. يتكون الرصاص المزعج من مزيج من نظائر الرصاص المستقرة (Pb). كان لكل نظير نفس العدد من البروتونات (82 للرصاص)، لكن عددًا مختلفًا من النيوترونات.
عمل دي هيفيسي على فصل الراديوم D عن الرصاص الطبيعي باستخدام تقنيات الفصل الكيميائي لمدة عامين تقريبًا، دون نجاح. كان سبب فشله هو أن الراديوم D، الذي لم يكن معروفًا لأي شخص في ذلك الوقت، كان في الواقع شكلًا مختلفًا من الرصاص – وهو النظير المشع، أو النظائر المشعة Pb-210.
ومع ذلك، أدى فشل دي هيفيزي إلى اكتشاف أكبر. اكتشف العالم المبدع أنه إذا لم يتمكن من فصل الراديوم D عن الرصاص الطبيعي، فيمكنه استخدامه كأداة تتبع للرصاص.
النظائر المشعة، مثل Pb-210، هي نظائر غير مستقرة، مما يعني أنها مع مرور الوقت سوف تتحول إلى عنصر مختلف. أثناء هذا التحول، الذي يسمى الاضمحلال الإشعاعي، فإنها عادةً ما تطلق جسيمات أو ضوءًا، والتي يمكن اكتشافها على أنها نشاط إشعاعي.
يعمل هذا النشاط الإشعاعي كتوقيع يشير إلى وجود النظير المشع. تسمح هذه الخاصية المهمة للنظائر المشعة باستخدامها كأدوات تتبع.
الراديوم D كمتتبع
إن مادة التتبع هي مادة تبرز في حشد من المواد المماثلة لأنها تتمتع بصفات فريدة تجعل من السهل تتبعها.
على سبيل المثال، إذا كان لديك مجموعة من أطفال رياض الأطفال يذهبون في رحلة ميدانية وكان أحدهم يرتدي ساعة ذكية، فيمكنك معرفة ما إذا كانت المجموعة قد ذهبت إلى الملعب من خلال تتبع إشارة GPS على الساعة الذكية. في حالة دي هيفيسي، كان أطفال رياض الأطفال هم ذرات الرصاص، وكانت الساعة الذكية هي الراديوم D، وكانت إشارة GPS هي النشاط الإشعاعي المنبعث.
في العقد الأول من القرن العشرين، كان لدى معهد فيينا لأبحاث الراديوم مجموعة أكبر من الراديوم ومنتجاته الثانوية مقارنة بأي مؤسسة أخرى. لمواصلة تجاربه مع الراديوم D، انتقل دي هيفيسي إلى فيينا في عام 1912.
تعاون مع فريتز بانيث، الذي حاول أيضًا المهمة المستحيلة المتمثلة في فصل الراديوم D عن الرصاص دون نجاح. قام العالمان “برفع” عينات من مركبات كيميائية مختلفة بكميات صغيرة من مادة التتبع الإشعاعي. وبهذه الطريقة تمكنوا من دراسة العمليات الكيميائية من خلال تتبع حركة النشاط الإشعاعي عبر التفاعلات الكيميائية المختلفة
واصل دي هيفيسي عمله في دراسة العمليات الكيميائية باستخدام علامات نظائرية مختلفة لسنوات عديدة. حتى أنه كان أول من أدخل أدوات التتبع غير المشعة. أحد العناصر غير المشعة التي درسها كان نظيرًا أثقل للهيدروجين، يُسمى الديوتيريوم. الديوتيريوم أقل وفرة بـ 10.000 مرة من الهيدروجين العادي، لكنه أثقل بمرتين تقريبًا، مما يجعل فصل الاثنين أسهل.
استخدم دي هيفيزي ومؤلفه المشارك الديوتيريوم لتتبع الماء في أجسامهم. وفي تحقيقاتهم، تناوبوا على تناول العينات وقياس الديوتيريوم في بولهم لدراسة إزالة الماء من جسم الإنسان.
حصل دي هيفيسي على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1943 “لعمله على استخدام النظائر كأدوات تعقب في دراسة العمليات الكيميائية”.
التتبعات الإشعاعية اليوم
وبعد مرور أكثر من قرن على تجارب دي هيفيسي، تستخدم العديد من المجالات الآن بشكل روتيني أدوات التتبع الإشعاعي، بدءًا من الطب ووصولاً إلى علوم المواد وعلم الأحياء.
يمكن لأجهزة التتبع هذه مراقبة تطور المرض في الإجراءات الطبية، واستيعاب العناصر الغذائية في بيولوجيا النبات، وعمر وتدفق المياه في طبقات المياه الجوفية، وقياس تآكل المواد وتآكلها، من بين تطبيقات أخرى. تتيح النظائر المشعة للباحثين متابعة مسارات العناصر الغذائية والأدوية في الأنظمة الحية دون قطع الأنسجة بشكل جراحي.
في الأبحاث الحديثة، يركز العلماء على إنتاج نظائر جديدة وعلى تطوير إجراءات لاستخدام أدوات التتبع الإشعاعية بشكل أكثر كفاءة. لدى مرفق حزم النظائر النادرة، أو FRIB، حيث نعمل نحن الثلاثة، برنامج مخصص لإنتاج وحصاد النظائر المشعة الفريدة. ثم تُستخدم هذه النظائر المشعة في التطبيقات الطبية وغيرها.
تنتج FRIB حزمًا مشعة لبرنامجها العلمي الأساسي. وفي عملية الإنتاج، يتم جمع عدد كبير من النظائر غير المستخدمة في خزان ماء، حيث يمكن عزلها ودراستها لاحقًا.
تضمنت إحدى الدراسات الحديثة عزل النظائر المشعة Zn-62 من الماء المشعع. كانت هذه مهمة صعبة بالنظر إلى وجود جزيئات ماء أكثر بـ 100 كوادريليون مرة من ذرات Zn-62. يعتبر Zn-62 من العناصر المشعة الهامة المستخدمة لمتابعة عملية التمثيل الغذائي للزنك في النباتات وفي الطب النووي.
قبل ثمانين عامًا، تمكن دي هيفيسي من تنفيذ مشروع فصل مسدود وتحويله إلى اكتشاف خلق مجالًا علميًا جديدًا. لقد غيرت أدوات التتبع الإشعاعية بالفعل حياة الإنسان بعدة طرق. ومع ذلك، يواصل العلماء تطوير أدوات تعقب إشعاعية جديدة وإيجاد طرق مبتكرة لاستخدامها.
تم إعادة نشر هذه المقالة من The Conversation، وهو موقع إخباري مستقل غير ربحي مخصص لمشاركة أفكار الخبراء الأكاديميين. إذا وجدت الأمر مثيرًا للاهتمام، فيمكنك الاشتراك في نشرتنا الإخبارية الأسبوعية.
كتب بواسطة: أرتميس سبايرو، جامعة ولاية ميشيغان; كاتارينا دومنانيتش، جامعة ولاية ميشيغان، وشون ليديك، جامعة ولاية ميشيغان.
اقرأ أكثر:
يتلقى أرتميس سبايرو تمويلًا من المؤسسة الوطنية للعلوم ووزارة الطاقة.
يتلقى شون ليديك التمويل من وزارة الطاقة والإدارة الوطنية للأمن النووي. وهو تابع لمرفق حزم النظائر النادرة.
لا تعمل كاثرينا دومنانيتش لدى أي شركة أو مؤسسة أو تتشاور معها أو تمتلك أسهمًا فيها أو تتلقى تمويلًا منها قد تستفيد من هذه المقالة، ولم تكشف عن أي انتماءات ذات صلة بعد تعيينها الأكاديمي.