بررسی انرژی هسته ای و کاربردهای آن در کشاورزی

نقش و کاربرد انرژی هسته ای در کشاورزی

بخشی از فهرست مطالب پروژه بررسی انرژی هسته ای و کاربردهای آن در کشاورزی
مقدمه   
مبانی فیزیک هسته ای     
اثرات بیولوژیکی پرتوها      
اصلاح نباتات از طریق ایجاد موتاسیون      
پرتوهای موتاژنیک     
تأثیر عوامل محیطی و بیولوژیکی بر پرتوها     
اندامهای گیاهی قابل پرتوتابی     
ایجاد خسارت و کشندگی در گیاهان     
استفاده از موتاسیون در اصلاح گونه ها     
گزارش ویژگیهای قابل تغییر با موتاسیون     
سزیم ۱۳۷ به عنوان ردیاب     
تعیین کارآیی مصرف کودهای نیتروژنی     
حشره شناسی و کنترل آفات     
اثرات پرتودهی مواد غذایی     
منابع     

تحقیقات کشاورزی
تزاید روزافزون جمعیت و کمبود مواد غذایی در دنیا موجب توجه دانشمندان به ازدیاد محصولات کشاورزی و همچنین بهبود کیفیت آنها گردیده است. در این راستا مواد رادیواکتیو به کمک بررسی‎های کشاورزی شتافت و انقلاب عظیمی در کشاورزی به وجود آورد به طوری که عناصر رادیواکتیو یا نشاندار در اکثر رشته‎های کشاورزی از جمله مدیریت آب و خاک و تغذیه گیاهی، اصلاح نباتات و ژنتیک، دامپروری، کنترل آفات، صنایع غذایی و محیط زیست مورد استفاده قرار گرفته‎اند.
نیل به سوی کشاورزی پایدار بستگی به تعامل بین مواد غذایی خاک و منابع آبی موجود جهت تولید عملکرد مناسب دارد. در این خصوص با استفاده از ایزوتوپ‎ها می‎توان میزان مطلوب کاربرد کودهای شیمیایی، بهترین زمان مصرف آنها،‌ مکان و مقدار آنها در خاک، بررسی فعالیت میکروارگانیسم‎های خاکزی و همچنین نحوه‌ انتقال عناصر غذایی در خاک و گیاه را بررسی نمود.
استفاده از روش ایجاد موتاسیون به منظور تنوع بخشیدن به محتویات ژنتیکی با هدف ارتقاء صفات کمی و کیفی در گیاهان زراعی مورد توجه خاص قرار گرفته است. از طرف دیگر با توجه به اینکه مصرف مواد شیمیایی به  منظور حفظ و نگهداری مواد غذایی نه تنها برای مصرف‎کنندگان بلکه برای محیط زیست مضر می‎باشد، استفاده از پرتودهی محصولات کشاورزی به عنوان یک روش بی‎خطر استریلیزه کردن در اکثر کشورهای جهان متداول شده است. در رابطه با کنترل آفات از طریق پرتودهی و عقیم نمودن حشرات نیز گام‎های بسیار مثبتی در نقاط مختلف دنیا برداشته شده است.

مبانی فیزیک هسته‎ای
ایزوتوپ‎ها (ویژگی‎ها و کاربرد)
اتم‎های یک عنصر را که عدد اتمی یکسان و عدد جرمی متفاوت دارند، ایزوتوپ‎های آن عنصر می‎نامند (بارهای مثبت که همان تعداد پروتون‎ها می‎باشند را عدد اتمی و مجموع تعداد پروتون‎ها و نوترون‎های هسته یک اتم را عدد جرمی آن می‎گویند).
ایزوتوپ‎های یک عنصر، اتم‎هایی هستند که تعداد بارهای مثبت موجود در هسته و نیز تعداد الکترون‎هایشان یکسان ولی تعداد نوترون‎های موجود در هسته آنها با هم متفاوت است. اغلب عناصر چند ایزوتوپ دارند و چون ساختار الکترونی ایزوتوپ‎ها یکسان است، واکنش‎های شیمیایی آنها نیز مشابه می‎شود (شکل ۴-۱). برای تشخیص هویت یک ایزوتوپ، عدد اتمی آن به صورت شاخص در پایین و سمت چپ نماد شیمیایی آن، و عدد جرمی یا تعداد کل نوکلئون‎های آن به صورت شاخص در بالای نماد شیمیایی آورده می‎شود. برای مثال سه ایزوتوپ اکسین را می‎توان به صورت  ،   و    نشان داد. اما از آنجا که عدد اتمی مترادف با نماد شیمیایی است معمولاً شاخص پایین حذف می‎گردد. بنابراین به عنوان مثال ایزوتوپ اکسیژن به صورت O16 نمایش داده می‎شود. باید توجه داشت که فراوانی همه ایزوتوپ‎ها با هم برابر نیست به عنوان مثال در مورد اکسیژن، ۹۷۵/۹۹ درصد اتم‎های طبیعی از نوع ‎O16 می‎باشند. در حالی که انواع ‎O17 و ‎O18 به ترتیب ۰۳۷/۰ درصد و ۲۰۴/۰ درصد از اکسیژن طبیعی را تشکیل می‎دهند. در بین عناصر شیمیایی، تعداد محدودی از آنها در مطالعات بیولوژیک مورد استفاده قرار می‎گیرند و هر کدام از آنها حداقل دارای دو ایزوتوپ پایدار هستند.

تابش گاما ‎ )
پرتوهای گاما عبارتند از تابش‎های الکترومغناطیسی تک انرژی که از هسته‎های برانگیخته حاصل از تبدیل پرتوزا گسیل می‎شوند. به عبارت دیگر هرگاه هسته‎ای به هر علت در حالت تهییج قرار گیرد، انرژی تهییج خود را به صورت فوتون گاما ساطع می‎کند. در اغلب واپاشی‎های   و  ، هسته دختر به حالت تحریک شده قرار می‎گیرد که این انرژی تحریکی هسته به صورت فوتون‎های گاما از هسته تابش می‎شود تا هسته به تراز انرژی پایین‎تر یا پایدار برگردد. نمایش عمومی تولید گاما را می‎توان به صورت ‎  نشان داد. مانند: 
                                           
اکتیویته ویژه
یکی از مشخصه‎های مهم رادیو ایزوتوپها، اکتیویته ویژه آنها یعنی میزان اکتیویته در هر گرم از عنصر یا ماده است که برحسب واحدهای مختلفی از جمله بکرل بر گرم ‎(Bq/g)، میکروکوری بر گرم ‎ ، واپاشی بر میلی‎گرم در ثانیه ‎(dps/mg) و یا واپاشی بر میلی‎گرم در دقیقه ‎(dpm/mg) بیان می‎شود.

نیمه عمر
مدت زمان لازم برای کاهش هر ایزوتوپ پرتوزا به نصف مقدار اولیه‎اش، معیاری از سرعت تبدیل آن ایزوتوپ پرتوزا به ایزوتوپی دیگر است. این دوره زمانی را نیمه عمر می‎نامند و برای هر ایزوتوپ خاصیتی تغییرناپذیر می‎باشد. نیمه عمر ایزوتوپ‎های پرتوزای مختلف از چند ثانیه تا چند میلیارد سال متغیر است.
بنابراین با توجه به مفهوم نیمه عمر مشخص می‎شود که پس از گذشت ‎n نیمه عمر از یک ایزوتوپ پرتوزا، کسر باقی مانده آن عبارت است از:   که در این فرمول ‎0A اکتیویته اولیه و ‎A اکتیویته برجای مانده پس از ‎n نیمه عمر است.

کاربرد رادیو ایزوتوپ‎ها
برای سهولت بیشتر می‎توان کاربرد رادیو ایزوتوپ‎ها را به چند بخش اصلی تقسیم کرد که عبارتند از:
الف) تحت تابش قرار دادن یک ماده هدف به منظور ایجاد تغییراتی در خواص فیزیکی، شیمیایی یا بیولوژیکی آن که این تغییرات ممکن است خاصیت یا سودمندی ماده هدف را تقویت کنند و یا آن را از بین ببرند.
ب) تزریق مقدار اندک رادیوایزوتوپ به مواد به منظور ردیابی آنها در یک فرایند خاص که به عنوان مثال می‎توان به مطالعات مربوط به فرسایش و ردیابی جریان آب به منظور پیدا کردن منابع آب اشاره نمود.
ج) چشمه‎های ثابت پرتو را به عنوان سنجش‎گر یا وسیله‌ اندازه‎گیری برای بعضی کمیت‎ها مورد استفاده قرار می‎دهند. مثلاً در اندازه‎گیری ضخامت، چگالی و بازرسی پرتونگاری می‎توان از رادیوایزوتوپ‎ها استفاده کرد.
د) چشمه‎های ثابت پرتو را برای تولید قدرت، گرما یا روشنایی نیز مورد استفاده قرار می‎دهند.

عمرسنجی با ‎C14
بمباران زمین به وسیله پرتوهای کیهانی یک منبع ثابت نوترونی در جو تولید می‎کند. این نوترون‎ها با نیتروژن موجود در جو واکنش انجام داده و تولید ‎C14، ‎H3 و احتمالاً مقدار کمی ‎He4 با ‎Be11 می‎نمایند. ‎C14 و ‎H3 پرتوزا هستند و نیمه عمر ‎C14 برابر با ۵۷۲۰ سال است. فرض می‎شود که کربن پرتوزا برای تشکیل ۲CO با اکسیژن ایجاد واکنش می‎کند و این ۲CO14 با دی‎اکسید کربن جو مخلوط می‎شود. بنابراین می‎توان گفت که جذب نوترون‎های حاصل از پرتوهای کیهانی معادل با تولید دی‎اکسید کربن پرتوزای مخلوط با دی‎اکسید کربن جوی است. چون گیاهان از ۲CO تغذیه می‎کنند و حیوانات نیز آنها را مصرف می‎کنند، ‌پس گیاهان و حیوانات هم پرتوزا خواهند بود.
نظریه‎ها و آزمایشهای گوناگون نشان می‎دهند که بین آهنگ واپاشی کربن پرتوزا و آهنگ تولید آن در تمام موجودات زنده تعادل برقرار است. هنگامی که موجود زنده می‎میرد، جذب رادیوایزوتوپ متوقف می‎شود و ‎C14 پرتوزا در بافت‎ها وا می‎پاشد. در نتیجه این عمل شدت اکتیویته ماده رادیواکتیو به تدریج کاهش می‎یابد که این کاهش متناسب با نیمه عمر رادیواکتیو خواهد بود. با استفاده از فرمول زیر می‎توان زمان سپری شده از مرگ مواد آلی را تخمین زد.