آثار دیررس تابش در اندامهای بدن

تابش پرتوها بر موجودات زنده دارای دو اثر است: آثار تصادفی ، آثار غیر تصادفی آثاری هستند که برای آنها یک آستانه دوز (مقدار تابش) وجود دارد. از آثار غیر تصادفی ، آثار دیررس پرتوی تابشها را بر روی بافتها و اندامهای مختلف بدن را می‌توان نام برد.

اطلاعات اولیه

آثاری که برای آنها به نظر می‌رسد رابطه دوز - پاسخ دادن یک آستانه دوز است. هر شخص دریافت کننده ، اگر از این دوز آستانه تجاوز کند، احتمالا بزودی تاثیر گذاشته می شود. با در نظر گرفتن تغییر پذیری بیولوژیکی ، به عنوان آثار غیر تصادفی پرتوها ، تعریف می‌شود. یکی دیگر از مشخصه‌های این طبقه از آثار غیر تصادفی از این قرار است که معمولا یک مقیاسی شدت همراه با دوز وجود دارد و افزایش دادن دوز دریافتی توسط شخصی که هدف تابش است، انتظار می‌رود که شدت نتیجه را برای آن شخص افزایش دهد.

آثار غیر تصادفی تابش بر بافتها و اندامها ، پاسخهای بافتهایی هستند که چندین هفته تا چندین ماه پس از تابش گیری ، مشاهده آنها آغاز می‌شود. دوزهای لازم برای ظاهر شدن این پاسخهای تاخیری غالبا ممکن است پردامنه از دوزهای مربوط به اکثر پاسخهای حاد و زودرس باشند و به همین دلیل اغلب با تابش منطقه‌ای در نوع آینه پرتو درمانی برای بیماریهای بدخیم تجویز می‌کنند، مشاهده می‌شوند. بیماران اغلب با دوزهای تابشی تمام بدن در ترازهای دوزی که معمولا با شروع آثار در این پاسخ تاخیری بافتها توام است، دوام نمی‌‌آورند.

دستگاه معدی - روده‌ای

مری

مری ساختاری لوله‌ای با عضله مخطط و بافت درونی آن به صورت فلس‌دار ، چند لایه و دارای بافت پیوندی شل است. فعالیت مری انقباض است. آستر بافت درونی نسبتا سریع تجدید شده است و به تابش حساس می‌باشد و در نتیجه پس از دریافت دوزهای بالای پرتو ، از بین می‌رود. این پاسخ نسبتا فوری آستر را می‌توان به عنوان پاسخ حاد یا زودرس در نظر گرفت.

معده

پاسخهای زودرس آستر معده به پرتوها ، تا حد زیادی بستگی به تغییراتی دارد که در نتیجه آثار کشش یاخته‌ها روی سلولهایی که فعالانه تقسیم می‌شوند، رخ می‌دهد. معده پس از دوزهای متوسط پرتو گیری به سرعت به حالت عادی باز می‌گردد. هر چند که کاهش فعالیت ترشحی ممکن است، ماهها و سالها پس از پرتو تابی ، آشکار شود. آثار دیررس در معده بیشتر آثاری هستند که می‌تواند از نارسایی عروقی ناشی شوند. پیشرفتی از تصلب بافتهای بینابینی سرخرگهای موئینه تا فیبرو آتروفی گسترده وجود دارد. نشانگان دیررس برای معده به صورت فیبروآترفی مخاط معدی - کاهش تحرک معده - از دست رفتن توان اتساع و تنگی آشکار توصیف شده است.

روده کوچک و بزرگ

روده‌های کوچک و بزرگ از نظر کالبد شناختی به هم شبیه هستند جز در مورد پرزها که روده بزرگ فاقد پرز است. تغییرات بافت عروقی و همبند در پاسخهای دیررس تمام اجزای روده ، غالب هستند. نخستین پیشگام مرئی آثار دیررس در روده عبارت از تغییر یاخته‌های درون پوش در روده کوچک ، همراه با لخته‌های گسترده است. این تغییرات ضخیم شدن لیفی بافتهای زیر مخاطی ، نارسایی عروقی و فیبروآتروفی عمومی هستند. در اینجا هم ممکن است تنگی یا انسداد کامل رود با پیش آید.

راست روده یا رکتوم

راست روده عبارت است از امتداد تخصص یافته روده بزرگ که کار آن ذخیره و دفع مدفوعهای تشکیل شده است. این اندام در پرتو درمانی از اهمیت خاصی برخوردار است، زیرا غالبا برای تومورهای قسمت تحتانی شکم ، مانند مثانه ، رحم ، پروستات در میدان تابش قرار می‌گیرد. آسیب شدید و دیررس راست روده نیز به صورت تغییرات لیفی شدگی گسترده است و به تنگی یا انسداد کامل می‌انجامد. به علاوه به علت ویژگیهای قسمت زیر مخاطی این عضو ، نازک شدن و سرانجام سوراخ شدن راست روده یکی از عواقب احتمالی پرتو تابی ، به شمار می‌آید.

پوست

بخشی از پوست به سرعت جایگزین و نوسازی می‌شود، در پوست یا اپیدروم است که از یک لایه یاخته پایه‌ای تشکیل می‌شود و در حکم مخزن پایه برای یاخته‌های در پوست که دائما پیر می‌شوند، عمل می‌کند. سرنوشت نهایی این یاخته‌ها از این قرار است که شاخی شده ، پوسته پوسته شده می‌ریزند.

قسمت باقیمانده پوست به عنوان اندام بشره است که لایه بافتهای همبند سست به شمار می‌آید که دارای عروق خونی فراوانی است. پایه‌های مو و غده‌های چربی به بشره نفوذ می‌کنند. آثار دیررس پرتودهی پوست ، بی‌گمان به علت تغییرات ساختار ریز عروقی لایه پوستی زیر بشره است. ضایعات دیررس تابش ناشی از تغییرات گسترده شبکه عروقی پوستی به نازک شدن و حتی بافت مردگی بشره پوست در دوزهای بالاتر منجر می‌شود.

در بعضی موارد تغییرات لیفی گسترده لایه بشره به تشکیل زخم در میدان تابش می‌انجامد. در بین تغییرات ، التهاب چرخه‌ای و تصلب غشا و نارسایی عروقی شناسایی می‌شود که به تغییرات غیر قابل بر گشت نهایی منجر می‌شود.

کبد

کبد را از دیر باز اندامی مقاوم در برابر تابش دانسته‌اند. مشاهدات انجام شده روی بیماران نشان داده است که آثار دیررس پرتو دهی کبد می‌تواند مهم و تهدید کننده حیات باشد. واکنش از طریق وارد آمدن آسیب بر عروق ریز کبد ، بروز می‌کند. این که آیا این آسیب بر ساختار ریز عروقی عامل تسریع کننده به شمار می‌آید یا اینکه ، به نوبه خود ، پیامد وارد آمدن آسیب در سطح دیگری است. نمی‌توان نشان داد، اما منطقی که گمان کنیم الگوی کلی تخریب یاخته‌های درون پوش ساختار ریز عروقی در اینجا نیز دخالت دارند.

هپاتیت ناشی از تابش واقعیتی متمایز است که معمولا از قرار گرفتن غیر قابل اجتناب کبد در میدان تابش در حین بسیاری از پرتو درمانی‌ها پیش می‌آید. تغییرات آسیب شناختی بافتی مشاهده شده در این مورد عبارتند از ، انسداد سیاه رگهای کوچک کبدی که به پرخونی کبدی می‌انجامد. پس از زمانهای خیلی زیاد پس از پرتو دهی ، تغییرات شدید لیفی شدن کبد می‌تواند با دوزهای چشمگر تابش از لحاظ بالینی مشاهده شود. نارسایی کبد و هپاتیت و آب آوردن شکم در مورد بیمارانی که کبدشان بر اثر پرتو درمانی دوزهای بالا دریافت کرده ، گزارش شده است.

کلیه‌ها

حساسیت کلیه نسبت به دریافت تابش شناخته شده است در بیمارانی با تغییرات تباه کننده پیشرفته در کلیه ناشی از پرتو تابی ، به ایجاد بیماریی می‌انجامد که به آن تصلب سرخرگی کلیه می‌گویند. این حالت بیماری تغییر لیفی و تصلبی پیشرفته سرخرگهای کوچک و مویرگهای تامین کننده خون برای گلومرول کلیه است که به تغییرات تصلبی گلومرول و از دست دادن ظرفیت کارکرد آن در تصفیه پلاسمای خون می‌انجامد که در حکم نخستین مرحله فرایند تشکیل او را ضروری است. تغییرات تصلبی به بروز اختلال در کار کلیه ، منجر به افزایش فشار خون و کم خونی ناشی از نارسایی کلیه می‌شود.

حتی قبل از اینکه تغییرات تصلبی چشمگیری رخ دهد، بطوری که از آسیب شناسی میکروسکوپیکی بر می‌آید، تغییرات بسیار زیادی هم در کارکرد گلومرولی و نیز جذب مجدد لوله‌ها پدید می‌آید. پر ادراری گزارش شده از سوی دانشمندان ، نشانه اختلال چشمگیری در لوله‌هاست که به اختلالات عروقی ربطی ندارد. این پر ادراری در همان زمانی رخ می‌دهد که سرعت صاف کردن لوله‌ای سریعا کاهش یافته است. بنابراین علی رغم حجم کوچکتر پالایش پلاسما که برای عمل ‌آوری در لوله‌ها بروز یافته است، مقدار ادرار خروجی نهایی روزانه افزایش می‌یابد.

ریه

ریه از اندامهای پیچیده و بسیار پر عروق است که به علت کارکرد خاص‌اش ، در یک محیط مخلوط هوا - مایع ، عمل می‌کند. ریه بطور کلی ، بافتی است تجدید نشونده با استثناهایی که در یاخته‌های تخصص یافته ریه، یافت می‌شود. یکی از آثار دیررس پرتو‌ گیری ریه‌ها عبارت است از ورم ریه ناشی از تابش. پس از بهبود ورم ریه ناشی از تابش ، اگر این امر در دوز مصرف شده ممکن باشد، بسیار متفاوت در زمانی به مراتب دیرتر بروز می‌کند.

در صورتی که آغاز ورم ریه در مدت زمانی 3 - 6 ماه است و در موش بهبودی یا مرگ در ظرف حدود 6 ماه اتفاق می‌افتد، پس از حدود یک سال ، مرحله دومی از آسیب ظاهر می‌شود. بافت بحرانی درگیر در این آسیب دیررس ریه شناخته نشده است. این آسیب مرحله اخیر با سایر آثار دیررس در دیگر اندامها ، یعنی در عوارض تصلب بافتها ، التهاب ، شاخی شدن و از دست رفتن خاصیت ارتجاعی مشترک است.

دستگاه اعصاب مرکزی

مغز اندامی شگفت انگیز است که اطلاعات درباره واکنش دیررس و تاخیری مغز به پرتو دهی بسیار محدود است. درباره وجود آثار تاخیری حاصل از پرتودهی به مغز ، تردیدی وجود ندارد. بافت مردگی مغز ناشی از تابش به عنوان پیامدی به درمان بیماریهای بدخیم در مغز به نحو پردامنه‌ای گزارش شده است. بعضی گمان می‌کنند که بافت مردگی حاصل تغییرات عروق ریز ، خیلی شبیه به آنچه در اندامهای دیگر پیش می‌آید، است. ظاهرا مدت کوتاهی پس از پرتو دهی ، یک اختلاف درصد ما‌بین خون و مغز ظاهر می‌شود که به ضایعه ورم مغز می‌انجامد. این اثر بطور کلی قابل برگشت است، در صورتی که دوز تابش خیلی بالا نباشد.

چشم

آب مروارید زایی

از جمله اجزای کالبد شناختی چشم ، فقط عدسی از لحاظ حساسیت به تابش مهم است. انواع آب مروارید که به صورت تغییرات قابل آشکار سازی در قالب سرشت نیمه شفاف عدسی تعریف می‌شود، به عنوان حاصل تابش پرتوهای یونساز در سال 1946 گزارش شد. این نخستین رویداد گزارش شده از بروز آب مروارید زایی ناشی از قرار گرفتن در معرض پرتوها بود. عدسی ساختاری دارد که در آن ذخیره خونی وجود ندارد که مواد مغزی و اکسیژن را برای فرآیندهای اکسایشی عادی سوخت و سازی تامین کند و مواد غذایی و اکسیژن بایستی از طریق انتشار وارد آن شوند. عدسی از جمعیت یاخته‌های دودمان زایی برخوردار است که به آهستگی تجدید می‌شوند، و به هر طرف عدسی مهاجرت می‌کنند تا الیاف عدسی را تشکیل دهند.

وقتی در معرض تابش قرار گیرد، محصولات تقسیم یاخته‌ای آسیب دیده در حین مهاجرت تحت تاثیر تمایز غیر موثر واقع می‌شوند و نمی‌توانند به تراز نیمه شفافی ضروری برای عمل عدسی به صورت یک وسیله اپتیکی دست یابند و نقایصی رادر انتقال نور باعث می‌شوند که در هنگام معاینه به صورت آب مروارید دیده می‌شود. آب مروارید یکی از تغییرات دیررس تابش است که به روشنی مربوط به تغییرات تباه کننده در آدوتلیم عروقی نیست، زیرا هیچ بافت عروقی در این اقدام وجود ندارد. تقریبا با اطمینان می‌توان گفت که این باید از وارد آمدن آسیب به یاخته‌های اپی‌تلیال دودمان زایی عدسی چشم حاصل نشود که به تغییر ناقص در یاخته‌های نسل بعدی می‌انجامد.

شیمی تابش

اطلاعات اولیه

فوتونی پرانرژی که به یک سیستم جذب کننده وارد می‌شود، در یک تک مرحله به مولکولهای زیستی مهم ، آسیب ناشی از یونش وارد نمی‌آورد. در هر حالت ، فوتون ، دستخوش رویدادهای پراکندگی قرار می‌گیرد که به تولید الکترونهای پرانرژی می‌انجامد که سرانجام در گونه‌های مولکولی انرژی را رسوب می‌دهد. انرژی جنبشی این الکترونها عموما در گستره کیلو و مگا الکترون ولت است و برای اینکه آسیب ناشی از یونش در مولکولهای زیستی مهم موثر باشد، این الکترونها باید از رویدادهای انتقال انرژی ، حدود دهها الکترون ولت متاثر شوند.

برهمکنش تابش با مولکولها در محیط جذب کننده از طریق فوتون اولیه صورت نمی‌گیرد، بلکه بیشتر از طریق انتقال از ذرات باردار با انرژی جنبشی زیاد است که بر اثر فرآیندهای پراکندگی بوجود آمده‌اند. انرژی جذب شده در مولکول محیط ، می‌تواند به پرتاب یک یا چند الکترون از مولکول بیانجامد که به ایجاد یک زوج یون یا یونش مولکول هدف منجر شود. انرژی جذب شده ممکن است به بالا بردن الکترونها از حالت پایه به حالت برانگیخته بیانجامد، فرآیندی که برانگیزش نام دارد. مولکولها در حالت برانگیخته بسیار ناپایدارند.

فرآورده‌های اولیه رادیولیز آب

آب ، بخش بزرگی از محیط موجودات زنده را تشکیل می‌دهد و عجیب نیست که برای موجودات زنده ، مقدار چشمگیری از انتقال انرژی با این مولکول انجام می‌شود. اثر مستقیم برانگیزشها و یونشهای ناشی از الکترون ثانویه ، واکنش غالب در موجودات زنده برای تابش با LET (انتقال خطی انرژی) پایین به شمار می‌آید. نتیجه نهایی این شیمی تابش اولیه برانگیزش و یونش در یک آبدار که در یک مقیاس زمانی^12-10 _ ^16-10 ثانیه روی می‌دهد، عبارتند از: فرآورده‌های شامل H₂O و فرآورده‌های ناشی از تجزیه آن⁰₂O و ⁰OH و الکترون.

واکنش رادیکالهای آب با گیرنده آن

واکنش رادیکالهای آب یا آب ، به خودی خود ، فرآیند جالبی است، اما برای بدست آوردن یک نتیجه زیست شناختی ناشی از رویداد تابش ، باید یک برهمکنش شیمیایی از گونه واکنشی یا مولکولهای زیستی موجود باشد تا سرانجام به تداخلی در عملکرد یاخته‌ای طبیعی منجر شود. شیمیدانهای تابش ، عبارت رباینده را برای انواع مواد شیمیایی بکار می‌برند که با رادیکالها و سایر صورتهای فعال موجود در آب پرتو گرفته ، بر همکنش برقرار کنند.

رباینده که می‌تواند هر نوع مولکول قادر به بر همکنش باشد، با رادیکالها واکنش انجام می‌دهد تا شیمی آب را به سرانجامی برساند. نکته جالب این است که برای غلظتهای پایین هر مولکول رباینده ، کسری از رادیکالها که با رباینده برهمکنش انجام می‌دهد. تقریبا در گستره وسیعی از غلظت رباینده‌ها ، ثابت است.

کنش مستقیم و غیر مستقیم

آب با آثار ممکن بر سیستمهای زیستی ، رابطه دارد. علاوه بر واکنش پذیری فرآورده‌های رادیولیز آب که سبب می‌شود با مولکولهای زیستی مهم موجود در یاخته برهمکنش انجام دهند، این امکان هم وجود دارد که انرژی ذخیره شده توسط الکترون با انرژی جنبشی بالا مستقیما در مولکول زیستی مورد نظر ، ذخیره شود. در آن مورد واکنشهای فیزیکی - شیمیایی بیشتر در مولکولهای اجزای تشکیل دهنده مهم مانند DNA صورت می‌گیرد تا در آب ، نتیجه یونش و یا برانگیزش در اتمهای این مولکولها و تشکیل رادیکال از این مولکول زیستی حائز اهمیت است.

کنش مستقیم

برای این فرآیند ، انرژی مستقیما در مولکول هدف که دارای اهمیت زیستی است، بدون دخالت انواع رادیکالی حاصل از رادیولیز آب انباشته می‌شود. رابطه دوز - پاخ عموما لگاریتمی - خطی است، بطوری که در قالب رابطه زیر بیان می‌شود. که در آن تعداد آغازگر مولکولهای دست نخورده بوده ، تعداد باقیمانده پس از دوز مقداری ثابت است.

این رابطه بر این فرض استوار است که یک تک رویداد یونش یا برانگیزش در مولکولهای زیستی به تغییری خواهد انجامید که منجر به اتلاف فعالیت زیستی در مولکول می‌انجامد.

کنش غیر مستقیم

کنش غیر مستقیم ، عبارت است از حاصل کنش فرآورده‌های رادیولیتی آب بر هدف که از اهمیت زیستی ناشی می‌شود. مشخصه مهم کنش مستقیم از این قرار است که آسیب وارده از جانب این سازوکار ، عبارت است از آسیبی که تنها وقتی می‌تواند حادث شود که انواع رادیکال تولید شده از طریق رادیولیز آب به مولکولهای مهم زیستی ، برسند و با آنها برهمکنش برقرار نمایند.

بنابراین فرآیند ، معمولا از لحاظ پخش یا انتشار محدود می‌شود و غالبا رابطه دوز - پاسخ پیچیده خواهد بود. اثر غیر مستقیم به صراحت به صورت برهمکنش مولکولهای جسم حل شده و انواع واکنش پذیر مولکولهای حلال تعریف می‌شود که از طریق کنش مستقیم تابش بر حلال تشکیل خواهد شد. چون آب ، حلال عمده سیستمهای حیاتی است، اکثر کنشهای غیر مستقیم نتیجه انواع واکنش پذیر تشکیل شده از مولکولهای آب خواهد بود.

بازترکیب ، استرداد و ترمیم

بازگرداندن مولکولها به حالت قبل از پرتو گیری از طریق سه ساز و کار ممکن است: بازترکیب ، استرداد و ترمیم.

بازترکیب

بازترکیب می‌تواند در مراحل بسیار اولیه پس از رویداد پرتو گیری تحقق پذیرد، ضمن اینکه گونه‌های ناشی از رادیولیز آب تولید شده هنوز بسیار به یکدیگر نزدیک هستند. مقیاس زمانی برای بازترکیب کوتاهتر از ^11- 10 ثانیه است. بازترکیب به سادگی به هم نزدیک شدن زوج یونها یا زوج رادیکالها برای تشکیل شدن مولکولی است که از آنها ناشی شده‌اند.

استرداد

عبارت است از بازگشت شیمیایی مولکول تغییر یافته به حالت اولیه‌اش بدون دخالت مراحل آنزیمی یا مراحل کاتالیستی زیستی دیگر. مقیاس زمانی برای استرداد ، یک چهارم ثانیه یا کمتر است. استرداد شیمیایی می‌تواند به چندین طریق پیشروی کند که بعضی از آنها به خوبی فهمیده نشده است. مثالی برای فهم این فرآیند مفید خواهد بود.

• مثالی در مورد استرداد: فرض کنید که در نتیجه کنش مستقیم و غیر مستقیم ، DNA دستخوش یک رویداد شیمیایی شده است که یک رادیکال را در محلی از مولکول باقی می‌گذارد. این رادیکال به نوبه خود می‌تواند دستخوش واکنشی شود که آسیب را به نحوی کم و بیش دائم تثبیت کند (مثلا واکنش با اکسیژن) ، یا ممکن است با یک مولکول دیگر در واکنش مبادله رادیکال ، واکنشی را برقرار کند که مولکول DNA را به حالت قبل از پرتو گیری بازگرداند و یک رادیکال دیگر ، تولید شود. یک مثال نوعی از فرآیند اخیر می‌تواند برهمکنش رادیکال DNA با مولکولی که دارای سولفیدریل باشد، انجام گیرد که منجر به بازگشت مولکول DNA و تبدیل مولکول سولفیدریل به یک ترکیب رادیکالی باشد.

ترمیم

در یک مقیاس زمانی طولانیتر ، ممکن است ترمیم آنزیمی روی دهد. مقیاس زمانی برای این فر‌‌‌آیند چند دقیقه تا چند ساعت می‌باشد.

هدف بزرگ مولکولی در یاخته

هدف اساسی برای تبدیل شیمیایی ناشی از القای تابش یونساز که این تغییرات می‌توانند از لحاظ زیستی برای زنده ماندن سلول مهم باشد، هم اکنون فهمیده شده است که DNA است. این مولکول اطلاعات ژنومی لازم برای خود تکثیری و نوسازی زیست شیمیایی در یاخته و تقسیم یاخته‌ای را با خود حمل می‌کند. قسمتی از آسیب القا شده توسط تابش ، نتیجه کنش غیر مستقیم فرآورده‌های رادیولیز آب است. قسمتی از آن حاصل کنش مستقیم روی مولکول DNA است. ضمن اینکه DNA هدف عمده به شمار می‌آید.

روشن است که مولکولهای فعال زیستی دیگر موجود در یاخته نیز دستخوش غیر فعال سازی ناشی از آسیب تابشی مستقیم و غیر مستقیم می‌شوند. یاخته می‌تواند از دست دادنهای بسیار بزرگ را در فعالیت زیستی اکثر بیومولکولها ، جز DNA را بدون وارد آوردن نقص جدی به کارهایش ، تحمل کند. مثلا آنزیمها پیوسته ساخته می‌شوند و مولکولهای آسیب دیده مرتبا جایگزین می‌شوند.

شواهد موجود برای DNA به عنوان مولکول هدف

• برای موجودات زنده ساده‌تر مانند باکتری خوار و ویروسها ، می‌توان یک رابطه کمی بین آسیب وارد به DNA و کارکرد زیستی برقرار کرد.
  
  
• برای موجودات زنده عالیتر ، از دست رفتن کارکرد باگمستت تک‌رشته‌ای و یا دو رشته‌ای ، همبستگی دارد.
  
  
• ترمیم آسیب وارد بر DNA در بسیاری از موجودات زنده رابطه تنگاتنگی با زنده ماندن یاخته دارد که از طریق توانایی یاخته برای تقسیم شدن ، سنجیده می‌شود.
  
  
• یاخته‌هایی که فاقد توانایی ترمیم DNA ناشی از تغییر ژنتیکی هستند، به مراتب نسبت به پرتو گیری حساستر از یاخته‌های طبیعی هستند.
  
  
• عوامل شیمیایی که معلوم شده است، مانع ترمیم آسیب وارد بر DNA می‌شوند، حساسیت یاخته‌ها را نسبت به پرتو گیری ، افزایش می‌دهند.
  
  
• کنشهای مستقیم تابش یوننده بر DNA و سایر مولکولهای زیستی فعال در یاخته به سهولت به صورت گسیختگی پیوند یا تشکیل رادیکال در محل نهشت انرژی تجسم می‌یابد، که به غیر فعال شدن مولکول هدف می‌انجامد. کنشهای غیر مستقیم از طریق فرآورده‌های تجزیه تابشی پیچیده‌تر هستند.

دستگاه مخصوص مطالعات شیمی تابش

آسیبهای وارده بر DNA در اثر رادیکالها

• گروههای کارکردی در پورینها ممکن است بطور برگشت ناپذیری تغییر کنند تا به حضور یک نوکلئوتید نادرست منجر شود.
  
  
• آسیب وارد آمده به پورینها و پریمیدینها ممکن است چنان زیاد باشد که به از دست رفتن آنها در مولکول DNA منجر شود.
  
  
• یکی از ساز و کارهای انتقال رادیکال معلوم است که تشکیل شده در مکان بازها به ستون قند - فسفات منتقل شده و منجر به اتلاف باز و قطع زنجیره شود.
  
  
• وارد آمدن آسیب به محور اصلی دی اکسی ریبوز - فسفات DNA ممکن است سبب قطع این محور اصی و منجر به گسست یک تک رشته شود. وارد آمدن این آسیب بسیار مهم را گسست تک رشته‌ای (SSB) می‌نامند.
  
  
• وارد آمدن آسیب به محور اصلی دی‌اکسی ریبوز - فسفات در دو یا چند نقطه مجاور ممکن است به گسیختگی مولکول منجر شود و این آسیب را گسست دو رشته (DSB) می‌نامند.

گسیختگی زنجیره در DNA

گسیختگی زنجیره تک رشته‌ای از مولکول DNA برای یاخته ، رویداد چندان خطرناکی نیست زیرا فرآیندهای ترمیم در سلولهای بازده بالایی هستند. عقیده همگان بر این است که گسستهای تک رشته‌ای در یک یاخته رویداد شایع است، خواه با تابش و خواه بدون تابش و ترمیم آن بسیار کارآمد است. گسستهای دو رشته ای DSB) DNA) برای یاخته دارای عواقب جدی تری هستند. DSB ، یک فرآیند مستعد خطا هستند که اغلب به جهش در ژنوم موثرند

آثار ژنتیکی تابش یوننده

یکی از آثار تابش پرتوها به سلولها ، بافتها و اندامها ، آثار ژنتیکی است، یعنی اثری که تابشها بر کروموزومها و ژنها می‌گذارند. این آثار از جمله آثار تصادفی هستند، یعنی آثاری که برای آنها دوز آستانه معلومی وجود ندارد.

اطلاعات اولیه

یکی از پاسخها یا واکنشها که تحت تاثیر برخورد پرتوها به بافتها یا اندامها ، ایجاد می‌شود، تغییرات ژنتیکی است که برای آنها مفهوم آستانه کمتر کاربرد دارد، یا به عبارت دیگر ، تصادفی هستند. آثار تصادفی عبارتند از: آثاری که برای آنها ، آستانه پاسخ وجود ندارد و برای آنها شدت پاسخ به شدت تابش ، بستگی دارد. آثار تصادفی فرایندی را توصیف می‌کنند که شامل عنصری شانسی در نتیجه است و یا به بیان دیگر ، پیش بینی این فرایند بر پایه تصادف و یا احتمالات صورت می‌گیرد.

جهش در یاخته‌های زایشی را معمولا جهشهای ژنتیکی می‌نامند، در حالی که جهش در یاخته‌های پیکری را جهشهای بدنی گویند. این دسته تغییرات اخیر به فرزندان منتقل نمی‌شوند، اما می‌توانند حضور خود را به صورت تغییر عملکرد یا نمود اعقاب یاخته‌ای این یاخته تغییر شکل یافته ، نشان دهند. یکی از گروههای مهم این جهشهای پیکری تولید سرطان ، احتمالا از طریق تغییرات در ماده توارثی یاخته‌های پیکری است. تغییرات در DNA یاخته‌های جنسی که به عنوان جهشهای ژنتیکی طبقه بندی می‌شوند، در واقع در گروه آثار تصادفی تابش پرتوها ، قرار می‌گیرند. این تغییرات بر مبنای احتمالاتی رخ می‌دهند و دارای آستانه وقوع نیستند و شدت تغییر نمودی حاصل از آنها ، ربطی به دوز تابش ندارد.

تغییرات ساختاری در کروموزومها

وارد آمدن آسیب شدید به مولکولهای DNA در یاخته را می‌توان با بررسی میکروسکوپی آن یاخته در زمان تقسیم مشاهده کرد. در خلال تقسیم ، می‌توان با یاخته‌ها چنان برخورد کرد که کروموزومها در وضعیت متافاز باشند، تا بتوان تک تک کروموزومها را از بابت نقصهای ساختاری بررسی کرد. نخستین مراحل مطالعات کمی این انحرافات کروموزومی در اولین چرخه میتوزی پس از پرتودهی ساکس در سال 1938 انجام داد.

تکوین روشهای سالهای 1960 برای بررسی پس از پرتودهی کروموزومهای پستانداران و لنفوسیتهای انسان در واقع گامی بزرگ به پیش بود، اما باید به یاد داشت که بدون توجه به گروه یاخته‌هایی که بررسی می‌شوند، متافاز کروموزوم فقط بخش کوتاهی از چرخه حیات کروموزوم را نشان می‌دهد و بقیه چرخه حیات کروموزوم را نمی‌توان ، جز با روشهای جدید ، بررسی کرد.

در خلال این دوره نامرئی ، قسمت اعظم وقایع حائز اهمیت رخ می‌دهد: مولکول دوپار می‌شود و زوجهای کروماتید را که در متافاز مشاهده می‌شوند، تشکیل می‌دهد. به همین ترتیب ، بخش اعظم فعالیت مربوط به تغییرات ساختاری شامل تشکیل مولکول DNA و تنظیم رابطه آن با کنترل پروتئین صورت می‌گیرد. بررسی کروموزوم متافاز برای تغییرات ساختاری مفید بوده و اطلاعات گرانبهایی درباره تغییرات ساختاری ناشی از تابش در کروموزومها ، می‌دهد.

شکستن کروموزوم

شکستن کروموزوم یکی از پیامدهای مهمتر پرتوگیری تابش یوننده یاخته‌هاست و در واقع تابش یوننده در ایجاد این دسته تغییرات ساختاری موثرترین عامل است. شکستن کروموزم می‌تواند قبل از همانندسازی DNA یاخته رخ دهد که در این صورت در هنگام همانندسازی ، نقص ساختاری نیز همانندسازی می‌شود و این نقص در کروموزوم متافاز در هر کروماتید ، مشاهده می‌گردد. اگر شکستن پس از همانندسازی DNA رخ دهد، آسیب معمولا به صورت یک تغییر بی‌تقارن در یکی از دو کروماتید ، مشاهده می‌شود.

نیروی محرکه شدیدی ناشی از پیوند شیمیایی باعث می‌شود که پاره‌های DNA به یکدیگر متصل شوند. بسیاری از شکستگیهای بوجود آمده و احتمالا اغلب آنها ، به وضعیت عادی برمی‌گردند و در هنگام بررسی ، هیچ نقصی مشاهده نمی‌شود. در بعضی موارد اتصال مجدد معمولا در محل نادرست صورت می‌گیرد و یا انتهای نادرست قطعه شکسته شده به نقطه آسیب اولیه متصل شده و سبب جابجایی ترتیب نوکلئوتیدها در فرآورده نهایی می‌شود. چون تابش یوننده شکستگیهای بسیاری در ماده توارثی ایجاد می‌کند، وقوع شکستگی چندگانه در یک کروموزوم یا کروماتید امکان‌پذیر است و به همین ترتیب شکستگی در کروموزومها یا کروماتیدهای نزدیک به یکدیگر می‌تواند سبب برهمکنشهای بین این موجودات شود.

جهشهای ژنی

تغییرات ظریف بسیاری می‌توانند در یاخته رخ دهند که ظاهرا در کروموزوم قابل مشاهده نیستند، ولی حضور خود را در بعضی عملیات یاخته که بطور ژنتیکی کنترل می‌شوند، نمایان می‌کنند. این تغییرات را معمولا جهشهای ژنی می‌نامند و معمولا تغییراتی دانسته می‌شوند که از تغییرات موجود در ساختار کروموزومها ، کوچکتر هستند. کوچکترین یا ساده‌ترین این تغییرات عبارتند از: تغییر یک نوکلئوتید در زنجیره نوکلئوتید DNA. این تغییر ممکن است ناشی از تغییر شیمیایی حاصل از آسیب تابش در زنجیره یا در نتیجه وارد شدن نادرست نوکلئوتید در ترمیم یا همانندسازی باشد. این تغییرات مختصر را جهشهای نقطه‌ای می‌نامند که باعث تغییر در یک رمز یا کدون می‌شود.

جهش مهم دیگر می‌تواند بر اثر یک حذف ، اضافه شدن و یا جایگرینی مختصر رخ دهد، این نوع جهش را جابجایی چارچوب می‌نامند. جهشهای ناشی از تابش به هیچ وجه تفاوتی با جهشهای ناشی از سایر عوامل ندارند. تفاوت اساسی در فراوانی است. در غیاب تابش ، آهنگ جهش برای یک تک ژن ممکن است از مرتبه یک جهش یا کمتر به ازای جایگاه ژن در یک میلیون یاخته ، تشکیل شده باشد. تابش پرتو به راحتی می‌تواند این آهنگ را تا هزار مرتبه افزایش دهد.

استفاده از موجودات ذره بینی یا یاخته‌های کشت شده به عنوان سیستمهایی برای اندازه گیری فراوانی جهش پس از تابش یوننده ، نسبتا راحت است. اغلب از جهشهای زیست شیمیایی استفاده می‌شود. می‌توان ناتوانی رشد یک عنصر جهش یافته را آشکارسازی کرد، مگر اینکه متابولیتی به عنوان ماده مغذی به محیط افزده شود. یاخته عادی جهش نیافته می‌تواند یک جهش یافته خاص را سنتز کند. رشد یاخته در محیط ناکامل ، آشکارسازی جهش یافته را امکان‌پذیر می‌سازد.

نتایج آزمون نهفته وابسته به جنس مولر

در سال 1927 ، مولر یک سیستم آزمون برای آشکارسازی حضور جهشهای مهلک در هر کجای کروموزوم X را در مگس سرکه دروزوفیلا ملانوگاستر بوجود آورد. چون این جهشها تقریبا به صورت نهفته هستند، آزمایشهای ساده مربوط به تغییرات سیمای نمودی ، آنها را نشان نمی‌دهد. نتایج کارهای مولر که بوسیله آنها جایزه نوبل را دریافت کرد، به صورت زیر است:

• از 25 تا 4000 واحد تابش ، آهنگ تولید کشنده‌های نهفته وابسته به جنس به ازای واحد دوز ، ثابت است. یعنی نمودار فراوانی جهش اضافی برحسب دوز ، خطی است.
  
  
• به نظر می‌رسد، آستانه‌ای وجود ندارد که در کمتر از آن هیچ اثری را نتوان پیش بینی کرد. بلکه حتی پایین‌ترین دوز بکار رفته با معیارهای حفاظت در برابر تابش بالاست.
  
  
• حساسیت یاخته جنسی نر ، با مرحله‌ای که در آن پرتوگیری انجام شده است، به شدت تغییر می‌کند.
  
  
• ایجاد جهشها در دروزوفیلا ، توسط تابش یوننده با آهنگ تا به ازای هر واحد تابش ، رخ می‌دهد. این گزارشها درباره آهنگهای جهش در دروزوفیلا ، در تدوین راه کارهای قرار گرفتن انسان در معرض تابش بسیار موثر بوده‌اند. برای انسان هیچ گونه آستانه‌ای وجود ندارد و چگونگی انباشت دوز ، تاثیر آن را کاهش نمی‌دهد. نگرانیها درباره قابل اعتماد بودن داده‌های درزوفیلا برای پیش بینی درباره انسانها به برقراری طرحی در آزمایشگاه ملی اوک ریج برای تعیین حساسیت پستانداران به جهش زایی تابش انجامید. موش به عنوان حیوان آزمایشگاهی برگزیده شد.

نتایج آزمون بر روی موشها

برای یاخته جنسی نر

• فراوانی جهش برای محلهای مختلف مورد بررسی به صورت گسترده‌ای تغییر می‌کند.
  
  
• میانگین آهنگ جهش در موشها ، نسبت به دروزوفیلا 10 تا 15 برابر بود.
  
  
• هیچ دلیل وجود ندارد که یاخته‌های موجد تخم حاوی این جهشها کمتر از یاخته‌های عادی دوام بیاورند. هیچ گونه تغییر فراوانی جهش برای جفت گیریهای تا دو سال پس از پرتوگیری مشاهده نشد. بنابراین این جهشها در طول حیات تولید مثلی ادامه خواهد داشت.
  
  
• فراوانی جهش به صورت گسترده‌ای برحسب مرحله رشد یاخته جنسی در هنگام پرتوگیری تغییر می‌کرد.
  
  
• آهنگ دوز ، یک متغیر مستقل مهم است.

برای یاخته جنسی ماده

• برای یاخته‌های جنسی ماده در مراحل مختلف ، فولیکولهای بالغ یا تقریبا بالغ دارای بیشترین فراوانی جهش هستند.
  
  
• به نظر می‌رسد که تخمکهای نارس یا نابالغ به جهشهای ناشی از پرتوگیری بسیار مقاوم باشند.
  
  
• وابستگی به دوز نیز در تخمکهای نارس مشاهده می‌شود و تا آهنگهای دوز بسیار پایین‌تر از مقدار مربوط به نر قبل از رسیدن به اشباع ترمیم ادامه دارد.
  
  
• بطور کلی حساسیت یاخته جنسی ماده بسیار کمتر از یاخته جنسی نر است.

جهشهای ژنی اندازه گیری شده در یاخته‌های پستانداران

دانشمندان بسیاری در زمینه اندازه گیری آهنگهای جهش در یک موجود زنده قارچی ، نوروسپورا کراسا ، انجام داده‌اند. در دو دهه گذشته همین نوع مطالعات در مورد یاخته‌های کشت شده پستانداران انجام شده است. بدیهی است که آهنگهای جهش استنتاج شده به یاخته‌های جنسی پستانداران مربوط نیست، بلکه به یاخته‌های پیکری مربوط می‌شود که در این کشت رشد کرده‌اند و جمعیت آنها پیوسته افزایش می‌یابد.

سه نوع مطالعه انجام شده است: یکی از آنها مربوط به عناصر جهش یافته اگزوتروفیک است. یک گروه بررسی دیگر از عناصر جهش یافته حساس به دمای تیره‌های یاخته‌ای پستانداران بهره گرفته است که به بهترین وجه در دماهای خاصی رشد می‌کنند که با دمای عادی اتاقک رشد تفاوت دارد. گروهی از عناصر جهش یافته با پرتودهی رشد کرده‌اند که به بعضی داروها مانند بازدارنده‌های متابولیزم ، مقاوم هستند.

سوزوکی و اوکادا فراوانی جهش را بر روی یک نژاد اگزوتروفیک موش L5178y بررسی کردند که برای رشد عادی نیازمند آلانین بود. نقطه پایان جهش ، از میان رفتن وابستگی به آلانین برای رشد بود (تبدیل شدن به پروتوتروفی). فراوانی جهش اندازه گیری شده با پرتوهای x برابر بود با به ازای واحد تابش.

در میان محققان بسیاری که مقاومت در برابر داروی اکتسابی را به عنوان ابزار گزینش برای شناسایی جهشها بکار می‌برند، ناپت و سایمونز مقاومت اکتسابی به داروی 6- تیوگوانین در موش L5178y بکار بردند. آنها همان فراوانی جهش به ازای هر واحد تابش را بدست آورند.

این فراوانی‌های جهش برای یاخته‌های پیکری کشت شده پستانداران را باید با فراوانی جهش جایگاه ویژه موش ، مقایسه کرد. به عنوان مثال ، برای یاخته موجد تخم موش این فراوانی است که اساسا همان مقدار مربوط به پستاندارن است.

راههای ورود مواد پرتوزا به بدن

مواد یا هسته‌های پرتوزا از چند راه مختلف وارد بدن شده و در آنجا ته‌نشین می‌شوند و در بدن فرآیندهایی را موجب می‌شوند.

علامت مشخصه رادیواکتیویته

دید کلی

هسته‌های پرتوزایی که بر اثر فرآیندهای سوخت و سازی یا به راههای دیگر وارد یاخته زنده می‌شوند، دوز جایگزین شده‌ای را بوجود می‌آورند که ممکن است بسیار بالا و از لحاظ کیفی با دوز دریافتی از چشمهای خارجی متفاوت باشد. چون اغلب این هسته‌های پرتوزای ته‌نشین شده ، چشمه‌های تابش با LET (انتقال خطی انرژی) بالایی هستند، فقط در شرایط نسبتا غیر عادی سیستمهای زنده ، مخصوصا انسانها در معرض تابش با LET بالا از چشمه‌های خارجی قرار می‌گیرند.

چنین شرایطی می‌تواند شامل پرتو گیری شغلی در حوالی شتابگرهای بزرگ تجربی ، یا پرتو گیری شغلی فضانوردان از ذرات باردار سنگین پُرانرژی موجود در فضای ماورای زمین باشد. وقتی هسته‌های پرتوزا وارد سیستم زنده می‌شوند، تابشهای LET بالای ناشی از واپاشی آنها ، اهمیت پیدا می‌کند. مثلا وقتی ذرات آلفا از سیستمهای زنده خارج هستند، نمی‌توانند دوز قابل ملاحظه‌ای را به یاخته‌هایی تحویل دهند که پس از جذب در بدن در آنها جایگزین می‌شوند.

مسیرهای ورود هسته‌های پرتوزا

سرنوشت سوخت و ساز هر هسته پرتوزا ، این حقیقت را تغییر نمی‌دهد که این هسته می‌تواند واپاشیده و انرژی آزاد کند. مسیر آن در هر سیستم فعال سوخت و سازی یاخته اندام یا انسان را واکنش پذیری عنصر مادر و واکنش پذیری شکل شیمیایی و فیزیکی آن تعیین می‌کند. منظور از حالت اخیر ، انحلال ‌پذیری ، حالت والانس ، شکل نمکی و محیط شیمیایی که جسم در آن قرار دارد، مانندPH محیط است.

برای یادآوری پیچیدگی مسیرهای منتهی به جایگزینی پرتوها در اندامی از بدن انسان ، مثال مسیرهای زیست شناختی ید و ایزوتوپهای آن به اختصار بیان می‌شود.

• عنصر ید موجود در محیط می‌تواند از ساده‌ترین راه موجود ، یعنی از راه استنشاق نوکلوئید وارد بدن شود. نوکلوئید ضمن حرکت در سطح حفره‌دار ریه ، به جریان خون وارد می‌شود، طبق مسیرهای سوخت و سازی متداول ، ید یا یدید موجود در خون توزیع می‌شوند. مسیر استنشاق ورودی ، جز در شرایط غیر عادی و محدود ، از کمترین اهمیت برخوردار است.
  
  
• مسیر دیگر ، بلعیدن است. ید موجود در افشانه‌ها یا ید آزاد در حالت بخار را گیاهان سبز ، با رسوب در سطح برگها یا انتقال سوخت و سازی به داخل محتویات یاخته‌ای جذب می‌کنند. انسان می‌تواند این سبزی‌ها را بخورد که به جذب آن از طریق فرآیندهای عادی معدی - روده‌ای می‌انجامد. آنچه اهمیت بسیار بیشتری دارد، خوردن شیر حیوانات اهلی است. گاو مقدار زیادی علف سبز می‌خورد و ید جذب شده از این مواد غذایی در شیر ظاهر می‌شود.
  
  آیا گوشت حیوانات اصلی هم چشمه مهمی از نوکلوئیدهای ید به شمار می‌آید؟ پاسخ منفی است، زیرا تمام رادیو نوکلوئیدهای ید ، کوتاه عمر هستند. قبل از اینکه گوشت وارد زنجیره مصرف شود، بر اثر پرتوزا ، از بین می‌روند.
  
  
• مسیر سومی نیز وجود دارد اما این مسیر ، معمولا خالی از اهمیت است. این مسیر تزریق است. ورود مستقیم نوکلوئید به جریان خون وقتی صورت می‌گیرد که در پزشکی هسته‌ای برای مقاصد تشخیصی یا درمانی از هسته‌های پرتوزا ، بهره می‌گیرند. دیگر از صورتهای تزریق با نفوذ تصادفی مواد دارای آلودگی سطحی با هسته‌های پرتوزا در پوست است. این امکان معمولا به کاربردهای مواد پرتوزا ، در حوزه کارهای شغلی مربوط است.

بخشهای تبادل مواد پرتوزای ورودی به بدن

چهار بخش اساسی بدن وجود دارد که در آنجا تبادل مواد پرتوزای ورودی به بدن صورت می‌گیرد:

1. ریه‌ها و دستگاه تنفسی فوقانی
2. دهان و دستگاه معدی - روده‌ای
3. دستگاه جریان خون شامل قلب و کلیه
4. دستگاه جریان لنفاوی همراه با گره‌های لنفاوی وابسته
   
   

مسیر تزریق که ذکر شد، جز در موارد خاص ، اهمیت چندانی به عنوان مسیر روده‌ای هسته‌های پرتوزا ندارد. تزریق ، بسادگی ، هسته‌های پرتوزا را وارد جریان خون می‌کند. سایر مسیرهای ورودی ، بلعیدن و استنشاق ، اساسا عامل ورود ناآگاهانه هسته‌های پرتوزا به بدن بشمار می‌آیند.

بلعیدن

• موادی که به صورت محلول یا نامحلول به حفره دهانی راه می‌یابند، پس از ورود از طریق دهان ، خارج نمی‌شوند. علاوه بر آنچه مستقیما وارد حفره دهان می‌شود، بخش ناشی از فعالیت پاکسازی بخشهای فوقانی درخت نای - نایژه‌ای نیز به آن افزوده می‌شود. ذراتی که از طریق بینی یا دهان وارد دستگاه تنفسی می‌شوند، بر حسب اندازه ، در دیواره‌های ناحیه نای - نایژه فوقانی رسوب می‌کنند یا به ریه وارد می‌شوند.
  
  
• ذراتی که در ناحیه نای - نایژه فوقانی ته‌نشین شده‌اند، بر اثر عمل مُژکی که در سطوح مجرایی بخش فوقانی این اندام به وقوع می‌پیوندند، به طرف بالا رانده می‌شوند. این مواد وارد دهان و پس از ورود به ماده مخاطی معمولا قدرت داده می‌شوند. این مواد قسمت عمده ای از بار بلعیدنی را تشکیل می‌دهند، به خصوص هنگامی که پرتودهی در محیط شدیدا غبار آلود یا در هوای مرطوب صورت گیرد.
  
  
• مواد پرتوزا پس از بلعیدن همان مسیر عادی سایر موادی را که از دستگاه نای - نایژه می‌گذرند، دنبال می‌کنند. مهمترین نکته در تعیین مقدار هسته‌های پرتوزای جذب شده از بلعیدن ، انحلال پذیری آنها در محیط شیمیایی دستگاه گوارش است که در معده شدیدا" اسیدی و در روده کوچک فوقانی ، قلیایی است. هر چیزی که در سطوح معده - روده‌ای منتقل نشود، سرانجام از طریق فضولات دفع می‌شود.
  
  
• جذب از دستگاه معدی - روده‌ای می‌تواند مستقیما به دستگاه گردش خون یا با احتمال کمتر به جریان لنفاوی صورت گیرد. یکی از مشکلات مسیر معدی - روده‌ای عبارت است از احتمال ترشح صفراوی حاوی هسته‌های پرتوزای گردآوری شده از یکی از مسیرهای گردش یا هر دوی آنها در کبد به داخل دستگاه معدی - روده‌ای.

استنشاق

• برای ملاحظه ترابرد و جایگزینی هسته‌های پرتوزا در بدن انسان می‌توانیم دستگاه تنفس را به سه ناحیه تقسیم کنیم که دارای ویژگیهای کاملا متمایزی برای نگهداری مواد ورودی به آن ، بدون توجه به پرتوزا بودن یا نبودن آنها هستند. این نواحی عبارتند از:
  
  مجراهای بینی (Nasal Passages) ، درخت نای - نایژه‌ای (tracheobrancheal tree) و پارانشیم عمق ریه. نفوذ مواد موجود در هوا به این نواحی را خواص آئرودینامیکی ذرات استنشاق شده ، تعیین می‌کند.
  
  
• پس از نفوذ ذرات هوابرد کوچکتر به ریه و ته‌نشینی در سطوح مجاور هوای ریه ، سرنوشت نهایی ماده پرتوزایی که مثلا پس از خوردن به ذره ملحق شده است، به حالت شیمی فیزیکی ماده ، بستگی دارد. موادی که در PH اساسا خنثی سطوح ریه محلول هستند، به سرعت در محیط آبی آن حل می‌شوند و با انتقال در دیواره خانه‌خانه‌ای آن به سیستم آوندی می‌روند. فراوانی کاهنده‌های فشار سطحی موجود در سطح ریه ، این فرآیند را عملا آسان می‌کند.
  
  
• اگر ماده پرتوزا نامحلول یا به صورت اندکی محلول و به صورتی باشد که محیط سطح ریه نتواند آن را تغییر دهد، بیگانه‌خواری ریه آن را از بین می‌برند. این ذرات بیگانه‌خواری شده سرانجام در گره‌های لنفاوی مجاور مستقر می‌شوند. ذره برای مدتی در این مکان باقی می‌ماند. اگر رادیو نوکلوئید ته‌نشین شده در گره لنفی اندکی محلول باشد، بخش محلول آن در هنگام عبور از گره به لنف منتقل می‌شود.
  
  سرانجام لنف گرد آوری شده ، در جریان آوندی تخلیه و ماده محلول ، طوری توزیع می‌شود که گویی مستقیما به جریان خون وارد شده است. سوخت و ساز هسته‌های پرتوزایی که از طریق تنفس به بدن وارد شده اند، وقتی وارد سیستم آوندی شوند، به صورت هسته‌های پرتوزایی است که از طریق مجرای معدی - روده‌ای جذب شده‌اند.

پزشکی هسته‌ای و رادیو داروها

دید کلی

پزشکی هسته‌ای ، شاخه‌ای از پزشکی است که در آن تشعشع و خواص هسته‌ای نوکلوئیدهای رادیواکتیو و نوکلیدهای پایدار هم برای تشخیص و هم برای درمان امراض بکار می‌روند. این امر می‌تواند یا با پرتو دهی مستقیم مریض با یک چشمه تشعشع خارجی یا با تزریق داروهای نشاندار با رادیواکتیویته به مریض تحقق یابد. زمینه پزشکی هسته‌ای و رادیو دارو در 20 سال گذشته رشد فوق العاده‌ای داشته است. پیشرفتهایی در توانایی پیش بینی‌ها ، تکنولوژی آشکارسازی و توسعه رادیو داروهای متناسب ، همه در این توسعه سهیم بوده‌اند. داروهای نشاندار رادیواکتیو که به مریض تزریق یا خورانده می‌شوند، به نام رادیو داروها هستند.

داروی هسته‌ای

داروی هسته‌ای یا رادیو فارماکولوژی روش دارویی خاصی است که با ترکیبات ، آزمایش یا تزریق مناسب رادیو داروها ارتباط دارد. زمینه داروی هسته‌ای مخصوصا بوسیله انجمن داروسازان آمریکا شناخته شده است.

کاربرد رادیو داروها

همانند دیگر روشهای ردیابی ، طرز عمل هسته‌ای غالبا قادر به تأمین اطلاعات مهمی است که نمی‌توانند به طریق دیگری حاصل شوند. این قضاوتی است برای پرتوگیری مریض در مقابل تشعشع. حدود خاصی در بکار بردن تشعشع برای پزشکی وجود ندارد. در این حالت ، در پرسش ، خطر - نفع بوسیله متخصص و مریض تصمیم گیری می‌شود.

طریق عمل پزشکی هسته‌ای یا برای تشخیص است و یا برای درمان و ممکن است تشعشع از چشمه‌های داخلی یا خارجی حاصل گردد. چشمه‌های خارجی تشعشع شامل چشمه‌های الکترونهای با انرژی یا گاما است. تشعشع داخلی از تزریق رادیو داروها حاصل می‌شود.

تزریق رادیو دارو

رادیو دارویی که به مریض تزریق می‌شود، باید برای مدت طولانی کافی در عنصر هدف بماند، ولی نه طولانی‌تر از حد ، تا جذب در تشعشع در حداقل باشد. مدت زمانی که در آن دارو مفید است، بستگی به نیم عمر رادیولوژیکی و نیم عمر بیولوژیکی دارد، یعنی مدت زمانی که دارو در بدن می‌ماند، قبل از آنکه بوسیله فرآیندهای متابولیکی از فعالیت افتاده یا از سیستم بدن خارج شود.

نیم عمرهای رادیولوژیکی نوکلوئیدها که معمولا در پزشکی هسته‌ای بکار می‌روند، به خوبی شناخته شده‌اند، ولی رفتار بیولوژیکی و زمان ماندن مولکول که در آن ردیاب وجود دارد، به خوبی مشخص نشده است. این امر یکی از کارهایی است که لازم است داروساز مقادیر این پارمترها را در هنگام آزمایشهای اولیه دارو تشخیص دهد.

نوع تشعشع

نوع تشعشع نشر شده بوسیله رادیونوکلوئید نیز یک فاکتور مهم است که لازم است بررسی گردد. قرار گرفتن نوکلید در محل خاص ، نوع تشعشع مناسب را تعیین می‌کند. در تشخیص بیشترین استفاده از رادیو داروها در عکسبرداری ساختار بیولوژیکی است. برای عکسها ، جهت تشکیل آنها ، لازم است تشعشع به اندازه کافی برای عبور از میان ماده و رسیدن به آشکارساز با نفوذ باشد. بهتر است تشعشع هنگام عبور حداقل برهمکنش را با ماده بدهد، لذا در تشعشع در حداقل خواهد بود.

بنابراین بهترین رادیونوکلیدها برای روشهای تشخیصی ، آنهایی هستند که تنها اشعه گاما یا اشعه ایکس بدون همراه با تشعشع دیگری منتشر کنند. اینها در ابتدا شامل نوکلوئیدهایی هستند که از طریق جذب الکترون یا گذارهای ایزومری ، فروپاشی می‌نمایند.

رفتار رادیونوکلوئیدی که آن را برای عکسبرداری ، مفید می‌کند، متفاوت از رادیونوکلوئیدی است که برای درمان بکار می‌رود. در درمانهای تشعشعی ، نکته این است که نسوج مریض نابود شوند.

نابودی نسوج از طریق یونیزاسیون و تولید رادیکال آزاد ایجاد شده بوسیله تشعشع انجام می‌پذیرد. بنابراین ، تشعشعاتی که دارای یونیزاسیون مخصوص بالا بوده و نیز بردهای کوتاه دارند، برای این عمل مفید هستند، چرا که این رفتار منجر به مقدار زیاد نابودی نسوج در یک منطقه کوچک و محدود می‌گردد. بهترین نوکلوئیدها برای مقاصد درمانی ، آنهایی هستند که آلفا ، بتاهای با انرژی پایین یا الکترونهای اوژه (Auger) منتشر می‌کنند.

خواص هسته‌ای نوکلوئیدهای شناساگر

قسمت عمده روشهای پزشکی هسته‌ای با بکار بردن چند رادیو نوکلوئید معدود انجام می‌پذیرد. مثلا بالاتر از 90% ، روشهای تشخیص در مریض ، Tc^99m یا ایزوتوپ ید را به عنوان نشان رادیواکتیو مورد استفاده قرار می‌دهند. عناصری با خواص خوب برای عکسبرداری یا درمان ، لزوما در بیومولکولهای طبیعی رخ نمی‌دهند، لذا تلاشهای تحقیقاتی زیادی در همراه نمودن این نوکلوئیدها که در ردیابهای مناسبی در مولکولهای آلی حمل کننده هستند، انجام می‌گیرد. رادیو داروها در شکلهای گوناگون شیمیایی بکار می‌روند. بعضی از این رادیو داروها به صورت خالص مورد استفاده قرار می‌گیرند، مانند ¹³³Xe و بعضی به صورت یونی ، ¹³¹I ، بسیاری از رادیو نوکلوئیدهای دیگر در داخل مولکولها قرار دارند. این مولکولها از گونه‌های معدنی کوچک مانند Na₃³²PO₄ تا پروتئینهای بزرگ ، مانند آلبومین سرم ¹²⁵I تشکیل می‌شوند. حتی در مقیاس بزرگ ، سلولها ممکن است با ردیابهایی چون ⁵¹Cr نشان داده شوند.

ید

Tellurium - Iodine - Xenon

Br
I
At

جدول کامل

عمومی

نام , علامت اختصاری , شماره

Iodine, I, 53

گروه شیمیایی

هالوژنها

گروه , تناوب , بلوک

p , 5 , 17VIIA

جرم حجمی , سختی

4940 kg/m³ , نامشخص

رنگ

خاکستری تیره مایل به بنفش
درخشان

خواص اتمی

وزن اتمی

126.90447 amu

شعاع اتمی (calc.)

140 (115) pm

شعاع کووالانسی

133 pm

شعاع وندروالس

198 pm

ساختار الکترونی

krypton]4 d¹⁰ 5 s² 5p⁵]

^-e بازای هر سطح انرژی

2, 8, 18, 18, 7

درجه اکسیداسیون (اکسید)

±1,5,7 (اسید قوی)

ساختار کریستالی

اورتورومبیک

خواص فیزیکی

حالت ماده

جامد (غیر مغناطیس)

نقطه ذوب

386.85 K (236.66 °F)

نقطه جوش

457.4 K (363.7 °F)

حجم مولی

25.72 scientific notationש10^-6 m³/mol

گرمای تبخیر

20.752 kJ/mol

گرمای هم‌جوشی

7.824 kJ/mol

فشار بخار

Pa at K

سرعت صوت

m/s at K

متفرقه

الکترونگاتیویته

2.66 (درجه پاولینگ)

ظرفیت گرمایی ویژه

145 J/kg*K

رسانائی الکتریکی

8.0 10^-8/m اهم

رسانائی گرمایی

0.449 W/m*K

1^st پتانسیل یونیزاسیون

1008.4 kJ/mol

2^nd پتانسیل یونیزاسیون

1845.9 kJ/mol

3^rd پتانسیل یونیزاسیون

3180 kJ/mol

پایدارترین ایزوتوپها

iso	NA	نیم عمر	DM	DEMeV	DP
^127I	100%	I با 74 نوترون پایدار است
^129I	{syn.}	1.57E^7y	Beta^-	0.194	^129Xe
^131I	{syn.}	8.02070 d))	Beta^-	0.971	^131Xe

واحدهای SI & STP استفاده شده ، مگر آنکه ذکر شده باشد.

اطلاعات اولیه

ید ، عنصر شیمیایی است که در جدول تناوبی دارای نشان I و عدد اتمی 53 می باشد. عنصری است حل نشدنی که مقدار بسیار کم آن برای موجودات زنده لازم است. واکنش پذیری ید از تمامی هالوژنها کمتراست و الکترون دهنده ترین هالوژن شبه فلز می باشد. از ید عمدتا" در پزشکی ، عکاسی و رنگ استفاده می‌شود.

تاریخچــــه

ید ( واژه یونانِ iodes به معنی بنفش) در سال 1811 توسط Barnard Courtois کشف شد.

پیدایــــش

ید بسیار خالص را می توان از واکنش یدید پتاسیم با سولفات مس تهیه کرد.البته روشهای دیگری نیز برای جداسازی این عنصر وجود دارد.

خصوصیات قابل توجه

ید عنصر جامد درخشانی است به رنگ آبی مایل به سیاه که در دماهای استاندارد به بخاری بنفش رنگ و بد بو تبدیل می گردد.این هالوژن همچنین با بسیاری از عناصر، ترکیباتی را می سازد اما از سایر عناصر گروه هالوژنها فعالیت کمتری داشته و دارای خصوصیاتی شبیه فلزات است.ید به راحتی در کلروفرم، تتراکلرید کربن یا دی سولفید کربن حل شده و محلولهای ارغوانی رنگی بوجود می آورد( تنها به مقدار کمی در آب قابل حل است) .رنگ آبی سیر با محلول نشاسته ویژگی ید آزاد می باشد.

کاربردهــــــا

در مناطقی که غذای آنها حاوی مقدار کم ید می باشد – مثلا" مناطق دور افتاده از دریا که هیچگونه غذای دریایی مصرف نمی شود- کمبود ید ابتلا به بیماری گواتر اصطلاحا" گواتر محلی را افزایش می دهد.در بیشتر ( نه تمامی) این مناطق با افزودن مقدار کم یدید سدیم به نمک طعام از ابتلا به این بیماری جلوگیری شده است.این محصول به نام نمک ید دار نیز معروف است.کاربردهای دیگر این عنصر:

• یکی از هالوژنها است که وجود آن به مقدار کم برای موجودات زنده حیاتی است ؛ هورمون تیروئید تیروکسین و تری یدوتیرونین حاوی اتمهای ید می باشد.
• تنتور ید ( 3% ید عنصری در پایه آب / اتانول) از اجزاء مهم تمامی وسایل کمکهای اولیه می باشد که هم برای ضد عفونی کردن زخمها و هم برای پاکسازی آبهای شرب سطحی مورد استفاده قرار می گیرد( 3 قطره در هر لیتر ، پس از 30 دقیقه تاثیر می کند).
• ترکیبات ید در رشته شیمی آلی مهم و در پزشکی بسیار سودمند هستند.
• از یدیدها و تیروکسین که حاوی ید هستند در پزشکی داخلی و در ترکیب با الکل ( بعنوان تنتور ید) برای ضد عفونی نمودن زخمهای بیرونی استفاده می شود.
• یدید پتاسیم در عکاسی کاربرد دارد.
• یدید تنگستن برای تقویت افروزه لامپها مورد استفاده قرار می گیرد.
• تری یدید نیتروژن برای کاربردهای تجاری بسیار انفجاری و ناپایدار است اما جزو شوخیهای معمول دانشگاهی به حساب می آید.

ایزوتوپهـــــــا

برای ید 30 ایزوتوپ وجود دارد که تنها یکی از آنها I-127 پایدار است.از ایزوتوپ رادیواکتیو مصنوعی I-131 ( ساطع کننده بتا) که دارای نیمه عمر 8 روز است برای درمان سرطان و دیگر بیماریهای غده تیروئید استفاده می گردد.معمول ترین ترکیبات ید عبارتند از یدیدهای سدیم و پتاسیم ( KI) و یدیتها ( KIO3).
ید فقط یک ایزوتوپ پایدار I-127 دارد.با این همه ایزوتوپهای رادیواکتیو ید کاربردهای وسیعی دارند.I-129 با نیمه عمر 17 میلیون سال محصولی از پراش Xe-129 در اتمسفر است اما نتیجه فروپاشی U-238 نیز می باشد.چون U-238در خلال فعالیتهای مربوط به انرژی هسته ای تولید می شود، وجود آن ( به نسبت I-129/I) می تواند فعالیتهای در حال انجام در هر مکان را مشخص کند.به همین علت از I-129 در مطالعات آب باران بعد از حادثه چرنوبیل استفاده شد.از آن همچنین بعنوان ردیاب آبهای زیر زمینی و نشان دهنده پراکندگی فضولات در محیط زیست استفاده می گردد.سایر کاربردها ممکن است بوسیله تولید I-129 در پوسته زمین ازطریق تعدادی مکانیسم فروپاشی مختل شود.

I-129 از جهات زیادی شبیه Cl-36|chlorine است. این ایزوتوپ ، هالوژنی قابل حل و نسبتا" واکنش ناپذیر است که بیشتر بصورت آنیونی non-sorbing یافت شده و بوسیله واکنشهای کیهانزاد ، حرارت اتمی و ثابت تولید می شود. درمطالعات آب شناسی چگاله های I-129 معمولا" به نسبت I-129 به مقدار کلی I گزارش می شود( که عملا" I-127 است).چون نسبتهـــــــــای Cl-36/Cl,I-129/I در طبیعت تقریبا" کم می باشد ( 14-10تا 10-10) اوج حرارت اتمی I-129/I در طول دهه 70 و 80 تقریبا" به 7-10رسید.I-129 با Cl-36 در بعضی موارد فرق دارد ؛ نیمه عمر آن طولانی تر است ( vs6/1 ، 3/0 میلیون سال)، به شدت biophilic است و به اشکال یونی چندگانه وجود دارد ( معمولا" I- و یودیت) که دارای رفتار شیمیایی متفاوتی هستند.

هشدارهـــــــــا

تماس مستقیم آن با پوست ممکن است آسیبهایی را به همراه داشته باشد پس هنگام کار با ید باید بسیار احتیاط نمود.بخار ید باعث دردناک شدن چشم و غشاء مخاطی می شود.حداکثر مقدار مجاز ید در هوا نباید از 1 میلی گرم در هر متر مکعب فراتر رود.

منابع

• Los

اتصالات خارجی

• http://www.webelements.com/webelements/elements/text/I/index.html WebElements.com - Iodine
• http://environmentalchemistry.com/yogi/periodic/I.html EnvironmentalChemistry.com - Iodine

شیمی اتم داغ

دید کلی

در هنگام اجرای یک واکنش هسته‌ای القایی یا فروپاشی خود به خودی رادیواکتیو ، پدیده‌های شیمیایی وجود دارند که به موازات فرآیندهای هسته‌ای رخ می‌دهند. واکنشهای هسته‌ای منجر به تشکیل گونه‌های شیمیایی بسیار فعال می‌شوند که دارای بار و انرژی‌های جنبشی بالا هستند.

با توجه به اینکه انرژی‌های این گونه بسیار بزرگتر از انرژی حرارتی اتم‌ها و مولکولهای محیط هستند، آنها به نام اتمهای داغ بوده و مطالعه پدیده‌های شیمیایی آنها به نام شیمی داغ معروف است.

تفاوت شیمی اتم داغ با شیمی تشعشع

شیمی داغ نباید با شیمی تشعشع یا فوتوشیمی که اثرات تشعشع الکترومغناطیسی روی مولکولهای کمپلکس را مطالعه می‌کنند، اشتباه گردد. در آن مطالعات ، واکنشهای هسته‌ای یا فروپاشیها رخ نمی‌دهند. تشعشع از خارج سیستم تحت مطالعه ، برای ایجاد تغییرات شیمیایی بکار رفته و این گونه‌های فعال شیمیایی تولید شده بوسیله برهمکنش تشعشع با الکترونهای اوربیتال است تا مورد توجه قرار می‌گیرد. انرژی در این رابطه بسیار کمتر از حالت شیمی اتم داغ است.

تولید اتمهای داغ

اتمهای داغ می‌توانند بوسیله واکنشهای هسته‌ای القایی یا بوسیله فروپاشی رادیواکتیو تولید ‌شوند. هر دوی این فرآیندها منجر به پس‌زنی هسته متاثر ، بدلیل بقای ممنتوم است. با توجه به اینکه مقادیر زیاد انرژی در فرآیندهای هسته‌ای تولید می‌شود، هسته پس‌زن ، تقریبا همیشه دارای انرژی کافی برای شکستن پیوند شیمیایی که اتم‌ها را در مولکول نگهداری می‌کند، است.

هنگامی که اتم داغ از مولکول جدا شد، هنوز دارای انرژی جنبشی کافی و بار کافی برای انجام برهمکنشهای گوناگون شیمیایی با مولکولهای مجاور جهت تشکیل رادیکالها ، یون‌ها و حالات برانگیخته است. توضیح این برهکنشها یک زمینه تحقیقاتی در شیمی اتم داغ است. واکنشهای هسته‌ای که بیشتر از همه در شیمی اتم داغ مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، واکنشهایی هستند که در آنها گونه‌های محصول ، ایزوتوپی از اتم هدف هستند.

واکنشهای هسته‌ای ، در حال حاضر توجه خاصی را با توجه به کاربرد افزایشی رادیو داروهای تولید شده بوسیله سیکلوترون برای استفاده در پزشکی به خود جلب نموده است. فرآیندهای فروپاشی رادیواکتیو همچنین می‌توانند گونه برانگیخته شیمیایی تشکیل دهند. فروپاشی آلفا ، گذارهای ایزومری ، فروپاشی بتا ، واکنشهای جذب الکترون ، همه قادر به تشکیل اتمهای داغ هستند.

انرژی

انرژی رها شده در فرآیندهای هسته‌ای ، بسیار بزرگتر از حالت فرآیندهای شیمیایی است. انرژی که در یک واکنش هسته‌ای یا فروپاشی آزاد می‌شود، بین ذره منتشر شده و هسته ‌ای که پس از نشر ذره می‌ماند، تقسیم می‌گردد. تقسیم انرژی براساس قانون بقای ممنتوم کنترل می‌گردد، در نتیجه لازم است ممنتوم اشعه گاما یا ذره نشر شده از یک هسته با ممنتوم هسته مانده ، پس از فروپاشی برابر باشد.

کاربردهای واکنشهای اتم داغ

شیمی اتم داغ هم دارای کاربردهای عملی و هم بنیادی است. مطالعه شیمی اتم داغ روشنایی جدیدی را هم به سنیتیکهای واکنش و هم به مکانیسمهایی که واکنشهای شیمیایی بوسیله آنها رخ می‌دهند، بخشیده است. دانستن پدیده‌های اتم داغ برای بسیاری از زمینه‌هایی که در آنها رادیوایزوتوپها بکار می‌روند، مهم هستند. مثلا ، اثرات بیولوژیکی اتمهای داغ حاصل از رادیو داروها ، فاکتور مهمی در بررسی سلامتی مریض است. در مطالعات مواد برای راکتورهای هسته‌ای ، خواص اجزاء ساختاری تحت شرایط پرتو دهی بالا در راکتور باید معلوم باشد.

فرآیندهای اتم داغ برای تولید ایزوتوپهایی با اکتیویته مخصوص بالا و نشاندار کردن مولکول‌ها با اتمهای رادیواکتیو بکار می‌روند. شاید مشهورترین کاربرد شیمی اتم داغ ، برای تولید و جداسازی ایزوتوپ‌های با اکتیویته مخصوص بالا است. این ایزوتوپها برای بسیاری از کاربردهای ردیابی مطلوب هستند، چرا که مقدار ایزوتوپی غیر اکتیو کمتری از ردیاب حاضر وجود دارد که مثلا منجر به مشکلات سمیت در سیستمهای زنده می‌گردد.

فرآیند تشکیل ایزوتوپهای با اکتیویته مخصوص بالا از طریق واکنشهای اتم داغ ابتدا بوسیله T.A. Chalmers و L. Szilard در سال 1934 توضیح داده شد و غالبا به نام پدیده Szilard - Chalmers مشهور است. در آزمایش اولیه ، یدید اتیل برای تولید اتمهای داغ ¹²⁸I^* با نوترون‌ها مورد پرتودهی قرار گرفت:

n^* + CH₃ CH₂ ¹²⁷I → ¹²⁸I

در کنار محصولات مقداری اشعه گاما و پاره‌های آلی بدست می‌آید.

دو دانشمند ذکر شده دریافتند که ید معدنی استخراج شده از یدید آلی پرتو دیده ،‌اساسا همه ¹²⁸I بود (یعنی ، رادیو ایزوتوپ دارای اکتیویته مخصوص بالا بود). بنابراین جداسازی ایزوتوپی ، بوسیله فرآیندهای اتم داغ که متعاقب پرتودهی انجام پذیرفت، متاثر شده بود. این اثر جداسازی ، همچنین بوسیله هالوژنها نیز می‌تواند توضیح داده شود.

کاربرد دیگر شیمی اتم داغ نشان دار کردن ترکیبات آلی بکار رفته به عنوان ردیابها در بسیاری از بررسی‌ها در شیمی آلی و بیوشیمی است. یک روش برای انجام این امر ، نشان دار کردن تصادفی ساده است. ترکیبی که مشابه ترکیب مورد نظر است، پرتودهی می‌گردد. محصولات متعددی تشکیل می‌گردد که یکی از آنها احتمالا ترکیب مورد نظر است. چنانچه جداسازی میسر باشد، ترکیب مورد نظر می‌تواند از مخلوط جدا گردد

10مورد از زیباترین آزمایش‌های تاریخ!

گر چه دانشمندان تاکنون توانسته اند اجزای تشکیل دهنده ذره های زیر اتمی را در شتاب دهنده ها از یک دیگر جدا کنند، توالی ژنوم انسان را کشف و فعالیت ستارگان دور دست را تجزیه و تحلیل کنند، اما هنوز هم آزمایش هایی توجه دانشمندان را به خود جلب می‌کند که میلیون ها دلار هزینه را در برداشته و جریان بزرگی از اطلاعات ایجاد می‌کند؛ آزمایش هایی که پردازش آن ها توسط ابررایانه ها ماه ها به طول می انجامد. بسیاری از این گروه های پژوهشی توسعه پیدا کرده اند و برای انجام فعالیت با هم مشارکت می‌کنند.

اما باید اذعان کرد که مفاهیم علمی به ذهن های منحصر به فردی که خود را درگیر کشف رازو رمزهای جهان کرده اند، راه می‌یابد. هنگامی که رابرت پی.کریس، از گروه فلسفه دانشگاه ایالتی نیویورک واقع در استونی بروک ومورخ آزمایشگاه ملی بروکهان از فیزیکدانان خواست که زیباترین آزمایش های کل تاریخ را نام ببرند، مشخص شد که ده نفر نخست بیش تر به طور انفرادی کار کرده اند و دستیاری نداشتند.

اغلب آزمایش هایی که درشماره ی September 2002 مجله ی دنیای فیزیک (Physics World) فهرست شده اند را می‌توان روی یک میزکار معمولی انجام داد و به ابزارهای محاسبه ای پیشرفته تر ازخط کش و ماشین حساب نیاز ندارند. چیزی که در همه ی این آزمایش ها مشترک است، همان چیزی است که دانشمندان از آن به عنوان "زیبایی" نام می‌برند؛ یعنی، سادگی منطقی دستگاه های مورد استفاده و سادگی منطقی تجزیه و تحلیل. به عبارت دیگر، پیچیدگی ودشواری پدیده ها، به طور موقت به کناری گذاشته می‌شود و نکته تازه ای از راز ورمزهای طبیعت کشف می‌شود.

فهرست چاپ شده در این مجله به ترتیب عمومیت آن رتبه بندی شده است. در رتبه ی نخست، آزمایشی قرار دارد که به وضوح ماهیت کوانتومی جهان فیزیکی را نشان می‌دهد. این موارد باردیگر به ترتیب دوره زمانی مرتب شده اند که نتیجه آن هم اکنون پیش روی شماست. این فهرست نگرش جالبی از تاریخ دو هزارساله ی اکتشاف را پیش روی ما می گذارد:

 

 1) اراتوستن: اندازه گیری محیط زمین

در ظهر انقلاب تابستانی در یکی از شهرهای مصر ،که امروزه آسوان نامیده می‌شود، خورشیدمستقیم می‌تابد: اجسام هیچ سایه ای ندارند و نور خورشید تا انتهای یک چاه عمیق نفوذ می‌کند.

اراتوستن که کتابدار کتابخانه ی اسکندریه در قرن سوم پیش از میلاد بود، هنگامی که این مطلب را خواند، دریافت که اطلاعات لازم برای محاسبه ی محیط زمین را در اختیار دارد. وی همان روز و همان ساعتی که در بالا گفته شد، آزمایشی ترتیب داد و مشاهده کرد که پرتوهای خورشید در اسکندریه تا حدودی مایل بوده و حدود هفت درجه از خط عمود انحراف دارد.

حالا دیگر فقط محاسبه های هندسی باقی مانده بود. فرض کنید زمین گرد است، در این صورت محیط دایره آن 360 درجه است. با این تفسیر اگر دو شهر از یکدیگر 7 درجه دور باشند، می‌توان گفت به اندازه هفت سیصد و شصتم یا یک پنجاهم یک دایره کامل از هم فاصله دارند. با اندازه گیری فاصله دو شهر، مشخص شد که این دو 5 هزار استادیوم (واحد طول برابر با حدود185 متر) از یکدیگر دورند. اراتوستن نتیجه گرفت که محیط زمین 50 برابر این فاصله یعنی 250 هزار استا دیوم است. از آن جا که دانشمندان در مورد طول واقعی یک استادیوم یونانی اختلاف نظر دارند، غیر ممکن است بتوانیم دقت این اندازه گیری را تعیین کنیم. اما بر پایه ی برخی از محاسبه ها گفته می‌شود خطای این اندازه گیری حدود 5 درصد است (رتبه ی7)

 

 2) گالیله : آزمایش چیزهای در حال سقوط

تا حدود سال های 1500 میلادی، مردم فکر می‌کردند چیزهای سنگین سریع تر از اجسام سبک سقوط می‌کنند. هر چه باشد، این سخن ارسطو است. این که یک دانشمند یونان باستان توانسته بود، همچنان سلطه خود را حفظ کند، بیانگر این است که علم طی قرون وسطی چقدر تنزل کرده بود.

گالیلئو گالیله که استاد کرسی ریاضیات در دانشگاه پیزا بود، آن قدر جسارت داشت که دانش پذیرفته شده را با چالش روبه رو کند. این داستان از جمله ماجراهای معروف تاریخ علم است: گفته می شود وی دو چیز با وزن های مختلف را از بالای برج کج (پیزا در ایتالیا) شهر رها کرد و نشان داد که آن چیزها در یک زمان به زمین می‌رسند. به چالش طلبیدن باورهای ارسطو ممکن بود برای گالیله به قیمت از دست دادن شغلش تمام شود، اما وی با این کار نشان داد که داور نهایی در موضوع های علمی، رویدادهای طبیعی است نه اعتبارافراد. (رتبه ی 2)

 

 3) گالیله:آزمایش سقوط توپ ها از سطح شیبدار

گالیله به بازپیرایی باورهای خود در مورد چیزهای در حال حرکت ادامه داد. وی یک تخته که حدود 6 متر طول و 25 سانتی متر عرض داشت را انتخاب کرد و شیاری را در مرکز آن طوری حفر کرد که تا جایی که امکان دارد، صاف و مستقیم باشد. وی سطح را شیبدار کرد وتوپ های برنجی را درون این شیارها غلتاند وزمان سقوط را با یک ساعت آبی اندازه گیری کرد. ساعت آبی یک مخزن بزرگ آب بود که آبش از لوله های نازک به یک ظرف منتقل می‌شد. وی پس از هر بار آزمایش ورها کردن توپ میزان آب تخلیه شده را وزن می‌کرد.

گالیله به وزن کردن مقدار آب تخلیه شده، زمان را اندازه گرفت و آن را با مسافتی که گلوله طی کرده بود، مقایسه می‌کرد. ارسطو پیش بینی کرده بود که سرعت گلوله های غلتان ثابت است: اگرمدت زمان حرکت را دو برابر کنید، مسافت طی شده دو برابر می‌شود. اما گالیله نشان داد که مسافت طی شده با مجذور زمان متناسب است: اگر مدت زمان حرکت را دو برابر کنید، مسافت طی شده چهار برابر می شود. علت آن نیز این است که توپ در اثر جاذبه گرانشی مرتبا شتاب می‌گیرد. (رتبه ی 8)

 

 4) نیوتون : تجزیه ی نور خورشید با منشور

اسحاق نیوتن در همان سالی که گالیله در گذشت، متولد شد. وی در سال 1665 میلادی از ترینیتی کالج کمبریج فارغ التحصیل شد. سپس، دو سال خانه نشین شد تا بیماری طاعون را که همه گیر شده بود، از سر بگذراند. وی از این که خانه نشین بود، چندان ناراضی نبود؛ چرا که مشغول فعالیت های علمی بود.

در آن سال ها این تفکر رایج بود که نور سفید خالص ترین نوع نور است (باز هم باورهای ارسطو) و بنابراین نورهای رنگی، تغییر شکل یافته ی نورهای سفید هستند. نیوتن برای آزمایش این نظریه، دسته ای از پرتو های خورشید را به منشور تاباند و نشان داد که خورشید به طیفی از رنگ ها تجزیه می‌شود.

البته مردم ، رنگین کمان را در آسمان مشاهده می‌کردند اما از تفسیر صحیح آن ناتوان بودند. نیوتن توانست به درستی نتیجه گیری کند که رنگ های قرمز، نارنجی ،زرد ،سبز، آبی، نیلی، بنفش و رنگ های بین این ها، تشکیل دهنده نور سفید هستند. نور سفید در نگاه اول بسیار ساده به نظر می‌رسید، اما پس از نگاه دقیق تر مشخص شد که نور سفید تلفیقی زیبا از نور های گوناگون است. (رتبه ی 4)

 

 5) کاوندیش :آزمایش ترازوی پیچشی

یکی دیگر از فعالیت های نیوتن پیشنهاد نظریه ی گرانشی بود که بیان می‌کرد قدرت نیروی گرانش بین دو جسم با مجذور جرم هایش افزایش و به نسبت مجذور فاصله ی بین آن دو کاهش می یابد(F= G.m1.m2 / R2). اما این پرسش باقی بود که قدرت این نیروی گرانشی چقدر است؟

در پایان دهه ی اول قرن هجدهم، هنری کاوندیش تصمیم گرفت به این پرسش پاسخ دهد. وی یک میله ی چوبی را که حدود دو متر طول داشت، انتخاب کرد و سپس یک گلوله ی کوچک فلزی به هر طرف این میله ی چوبی وصل کرد تا شبیه یک دمبل شود. سپس آن را با سیمی آویزان کرد. پس از آن دو گلوله سربی را که حدود 160 کیلوگرم جرم داشتند، به توپ های کوچک دو سر میله ی چوبی نزدیک کرد تا نیروی گرانشی لازم برای جذب کردن آن ها ایجاد شود. گلوله ها حرکت کردند و در نتیجه سیم تاب برداشت.

کاوندیش با وصل کردن یک قلم کوچک در دو طرف میله توانست میزان جابه جایی ناچیز گلوله ها را اندازه بگیرد. وی برای محافظت دستگاه، از جریان هوا، آن را ، که ترازوی پیچشی نامیده می شود ، درون اتاقکی قرار داد و با یک تلسکوپ میزان جابه جایی را خواند. وی با این دستگاه توانست مقداری را که به ثابت گرانشی معروف است، با دقت بسیار زیادی اندازه گیری کند و با استفاده از ثابت گرانشی، چگالی و جرم زمین را به دست آورد. اراستوتن توانست محیط زمین را اندازه بگیرد اما کاوندیش جرم زمین را به دست آورد: x6/10240 . (رتبه ی6)

 

 6) یانگ: آزمایش تداخل نور

باورهای نیوتن همواره درست نبود. پس از استدلال مختلف به این نتیجه رسید که نور تنها از ذره هایی تشکیل شده است و نه از موج.

در سال 1803 توماس یانگ پزشک و فیزیک دان انگلیسی تصمیم گرفت این نظریه را بیازماید. وی سوراخی را در پرده ی پنجره ایجاد کرد و آن را با یک مقوا که به وسیله سوزن شکاف کوچکی در آن ایجاد کرده بود، پوشاند. سپس، نوری را که از این شکاف می گذشت، با استفاده از یک آینه منحرف کرد. در مرحله ی بعد، ورقه ی نازکی از کاغذ انتخاب کرد که فقط یک سی ام اینچ (حدود یک میلی متر) ضخامت داشت و آن را به طور دقیق در مسیر عبور نور قرار داد تا پرتو نور را به دو قسمت تقسیم کند. نتیجه ی این آزمایش طرحی از نوارهای متناوب روشن و تاریک بود

این پدیده را فقط با فرض این که پرتوهای نور همانند موج رفتار می کنند، می‌توان تفسیر کرد. نوارهای روشن وقتی مشاهده می‌شوند که دو قله موج با یک دیگر هم پوشانی و یکدیگر را تقویت کنند، اما نوارهای سیاه وقتی ایجاد می‌شوند که یک قله موج با موج مخالف آن ترکیب شود و یک دیگر را خنثی کنند.

این آزمایش سال های بعد با استفاده از یک مقوا که در آن دو شکاف برای تقسیم نور به دو پرتو ایجاد شده بود، تکرار شد و به همین دلیل به آزمایش شکاف دوگانه نیز مشهور است. این آزمایش بعدها به معیاری برای تعیین حرکت شبه موجی تبدیل شد: حقیقتی که یک قرن بعد، هنگامی که نظریه ی کوانتوم آغاز شد اهمیت بیش از اندازه ای یافت.(رتبه ی 5)

 

 7) فوکو: چرخش کره زمین

فوکو در سال 1851 در پاریس آزمایش بسیار مشهوری را به انجام رساند که پس از گذشت سالیان متمادی، چند سال گذشته در قطب جنوب دوباره تکرارشد. این دانشمندان آونگی را در قطب جنوب نصب کرد و به تماشای حرکت این آونگ پرداختند. جین برنارد فوکو دانشمند فرانسوی یک گلوله آهنی 30 کیلوگرمی را به انتهای یک مفتول متصل و از سقف کلیسایی آویزان کرد و آن را به حرکت درآورد تا به سمت عقب وجلو حرکت کند. سپس برای آن که نحوه ی حرکت این آونگ به خوبی مشخص شود، قلمی را به انتهای گلوله ای که روی بستری از شن های نرم و مرطوب در حال نوسان بود، قرار داد.

تماشاچیان در کمال شگفتی مشاهده کردندکه آونگ به طرز غیر قابل توجیهی در حال چرخش است یعنی مسیر حرکت رفت و برگشتی آن در هر تناوب با تناوب قبلی متفاوت است. اما واقعیت امر این است که این کف کلیسا بود که به آرامی حرکت می کرد و به این ترتیب فوکو توانست با قانع کننده ترین روش ممکن نشان دهد که زمین حول محور خود در حال گردش است.

در عرض جغرافیایی پاریس، آونگ طی هر 30 ساعت یک چرخش کامل را در جهت عقربه های ساعت انجام می‌دهد؛ در نیمکره جنوبی همین آونگ خلاف جهت عقربه های ساعت به حرکت درمی آید و در نهایت روی خط استوا حرکت در اصل چرخشی نبود. همان طور که دانشمندان عصر جدید نشان دادند زمان تناوب حرکت چرخشی پاندول در قطب جنوب برابر 24 ساعت است. (رتبه ی 10)

 

 8) میلیکان: آزمایش قطره ی روغن

از دوران باستان دانشمندان الکتریسیته را مورد بررسی قرار داده بودند؛ پدیده پیچیده ای که هنگام رعد و برق از آسمان نازل می شد، یا با کشیدن شانه به موها می‌توانستند به راحتی آن را ایجاد کنند. در سال 1897 فیزیک دان انگلیسی جی.جی.تامسون اثبات کرد که الکتریسیته از ذره هایی که دارای بار منفی هستند، یعنی الکترون ها، به وجود می آید. ( آزمایشی که در واقع بایستی یکی از موردهای این فهرست باشد) و کار اندازه گیری بار این ذره ها در سال 1909 به رابرت میلیکان، دانشمند آمریکایی، محول شد.

وی با استفاده از یک عطرپاش، قطره های ریز روغن را به درون اتاق کوچک شفافی اسپری کرد. در بالا و پایین این اتاق کوچک صفحه ‍ های فلزی قرار داشتند که به باتری متصل بودند و در نتیجه یکی از صفحه ها مثبت و صفحه دیگر منفی بود. از آن جا که این قطره ها هنگام عبور در هوا دارای مقدار جزیی بار الکتریکی می‌شد، می‌توان سرعت سقوط این قطره ها را با تغییر ولتاژ صفحه های فلزی تنظیم کرد.

هنگامی که نیروی الکتریکی به طور دقیق با نیروی گرانشی برابر شود، قطره های روغن همانند ستارگان درخشان در پس زمینه تاریک به نظر می رسند و در هوا معلق می‌مانند. میلیکان این قطره ها را یکی پس از دیگری مورد ملاحظه قرار داد، ولتاژ صفحه را تغییر داد و به مشاهده ی تأثیر آن پرداخت. وی پس از انجام آزمایش های متعدد به این نتیجه رسید که بار الکتریکی یک مقدار مشخص و ثابت دارد. کوچک ترین بار این قطره ها چیزی نیست به جز بار یک الکترون منفرد.( رتبه 3)

 

 9) رادرفورد: کشف هسته

در سال 1911 که ارنست رادرفورد در دانشگاه منچستر سرگرم آزمایش در مورد رادیواکتیویته بود، گمان می رفت که اتم ها از گلوله های نرم و باردار مثبتی تشکیل شده اند که توسط ذره هایی با بار منفی احاطه می‌شوند؛ مدل کیک کشمشی. اما هنگامی که وی و دستیارانش ذره های باردار مثبت کوچکی را که ذره ی آلفا نامیده می شدند، به صفحه نازکی از طلا تاباندند، در شگفتی تمام مشاهده کردند که درصد اندکی از این پرتوها به سمت عقب برگشتند. به عبارت دیگر این ذره ها پس از برخورد با اتم ها کمانه کرده اند.

رادرفورد نتیجه گرفت اتم های واقعی چندان هم نرم نیستند. قسمت اصلی جرم این اتم ها باید در مرکز اتم ها، که امروزه هسته اتم می نامیم، قرارداشته باشد و الکترون ها این هسته ها را احاطه کرده اند. با وجود تغییرهایی که نظریه ی کوانتوم در آن ایجاد کرد، این تصویر از اتم ها هنوز هم به قوت خود باقی است. (رتبه ی 9)

 

10) کلاوس جانسون: تداخل یک الکترون منفرد

نه گفته های نیوتن و نه یانگ هیچ کدام در مورد ماهیت نور به طور کامل صحیح نبود. هر چند که به سادگی نمی‌توان گفت نور از ذره تشکیل شده است. خاصیت های آن را فقط با استفاده از ماهیت موجی نیز نمی توان به طور کامل تشریح کرد.

طی 5 سال اول قرن بیستم ماکس پلانک و آلبرت اینشتین نشان دادند که نور در بسته هایی که فوتون نام دارد، جذب و نشر می‌شود. اما آزمایش هایی برای تعیین ماهیت دقیق نور هم چنان ادامه داشت. بعدها تئوری کوانتوم متولد شد و طی چند دهه توسعه یافت و توانست دو نظریه ی پیشین را با یک دیگر آشتی داده و نشان دهد که هر دو می‌توانند صحیح باشند: فوتون ها و سایر ذره های زیراتمی (همانند الکترون ها، پروتون هاو ...) دو چهره از خود بروز می‌دهند که مکمل یکدیگرند؛ بنابراین به گفته ی یک فیزیک دان در دسته Wavices قرار می‌گیرند.

فیزیک دانان برای شرح دادن این مطلب اغلب از یک آزمایش نظری شناخته شده استفاده می‌کنند . آن ها ابزارهای آزمایش شکاف دوگانه یانگ را به کار می‌برند، اما به جای آن که نور معمولی به کار ببرند از پرتو الکترون استفاده می‌کنند. براساس قانون های مکانیک کوانتوم، جریان ذره ها به دو پرتو تفکیک می‌شوند، پرتوهای کوچک تر با یکدیگر تداخل می کنند و همان الگوی آشنای نوارهای متناوب تاریک و روشن را که توسط نور ایجاد شده بود، از خود نشان می‌دهند. یعنی ذره ها همانند موج عمل می‌کنند.

براساس مقاله ای که در فیزیکس ورلد منتشر شد و توسط پیتر راجرز سردبیر مجله نگاشته شده است تا سال 1961 هیچ کس این آزمایش را در عمل به انجام نرساند تا این که کلاوس جانسون در این سال موفق به انجام این آزمایش شد . در آن هنگام هیچ کس از نتایج به دست آمده چندان شگفت زده نشد و نتیجه های به دست آمده همانند بسیاری از موردهای دیگر بدون آن که نامی از کسی در میان باشد به دنیای علم وارد شد.(رتبه ا)

آزمایشهای جادویی

شما می‌خواهید دوستانتان را به یک سری آزمایشهای جادویی از شیمی سرگرم سازید. بهتر است این کار را با یک سلام آتشین شروع کنید:

روی میز یک صفحه کاغذ قرار دارد. شما آن را به دست گرفته در حالیکه فندکی در دست دارید، به تماشاچیان تعظیم کرده و در ضمن ، فندک روشن را به کنار کاغذ می‌زنید. یک مرتبه کلمه سلام به خط درشت روی کاغذ ظاهر می‌گردد در حالیکه این نوشته شعله می‌کشد و تماشاچیان را غرق در شگفتی می‌سازد.


اجرای این آزمایش بسیار ساده است، اما شما ابتدا به وسایل زیر نیازمندید:





10 گرم نیترات پتاسیم (کاربران ثبت نام کرده قادر به مشاهده لینک می باشند) که در 25 سانتی متر مکعب آب حل کرده اید.
یک قلم نقاشی کوچک
یک صفحه تقریبا بزرگ کاغذ ضخیم که در ضمن کمی قابل نفوذ باشد.

بعد از تهیه این وسایل ، ساعتها قبل از اجرای نمایش و دور از چشم تماشاچیان کلمه سلام را با محلول غلیظ نیترات به وسیله قلم نقاشی روی کاغذ مزبور بنویسید. پس از خشک شدن آن دوباره همین کلمه را روی آن مجددا بنویسید و این کار را چند بار تکرار کنید تا ضخامت این نوشته به حد کافی باشد. ضمنا باید تمام حروف این کلمه را به هم متصل کنید. به محض تماس فندک با یک نقطه از نوشته، قسمت‌هایی از کاغذ که به وسیله نیترات پتاسیم اکسید شده است می‌سوزد و ایجاد روشنایی می‌کند. به جای کلمه سلام می‌توانید کلمات مناسب دیگری به همین شیوه روی کاغذ بنویسید و آتش بزنید. آزمایش جالب لطف بیشتری به محفل شما خواهد بخشید.

۲

شعله در گودی دست

این بار به آزمایشی دست می‌زنید که هیچ تماشاچی با دیدن آن نمی‌تواند از تعجب خودداری می‌کند و آن اینکه در حضور تماشاچیان ، مایعی را در گودی دستتان می‌ریزید و چند لحظه بعد شعله‌های آتش زبانه می‌کشد، بدون اینکه دست شما احساس گرمای غیر قابل تحملی بکند.

وسایل لازم برای این کار عبارتند از:



12 سانتیمتر مکعب سولفور کربن
8 سانتیمتر مکعب تتراکلرور کربن

حال ابتدا آنها را خوب باهم مخلوط کنید. سپ بدون اینکه کسی متوجه بشود دستتان را روی بخاری نیم گرم یا آجری که روی اجاق برقی قرار دارد و نظایر آن گرم کنید و آن گاه مخلوط را در گودی دستتان بریزید. در مدتی خیلی کوتاه مایع شروع به شعله کشیدن می‌کند. این سوختن توام با بوی خیلی زننده نیست و می‌توان حتی در داخل ساختمان نیز به اجرای آن اقدام کرد.

در صورتی که موقعیت مناسب نباشد تا شما قبلا دستتان را تا آن اندازه گرم کنید، می‌توانید نظیر آزمایش فوق ، به کمک یک لوله شیشه‌ای گرم ، مایع را مشتعل سازید. اگر مواد تازه و موثر باشند، این طریق برای مشتعل کردن آن کافی خواهد بود. در غیر این صورت کبریت بکشید و به فاصله کمی از آن نگهدارید. مایع شعله ور خواهد شد. اما دست شما آنقدر گرم نمی‌شود که غیر قابل تحمل باشد.

۳

آب شعله آفرین!

ظرف شیشه‌ای را از روی میز بر می‌دارید و از مایع بی‌رنگی که دارد کمی به دهان پر کرده و تظاهر به خوردن آن می‌کنید. سپس آن را بیرون تف می‌کنید. روی میز می‌ریزد و بلافاصله شعله می‌کشد. علاقه مندان سرگرمیهای شیمی می‌توانند جهت اجرای این آزمایش ابتدا وسایل زیر را تهیه کنید:


یک ظرف شیشه‌ای محتوی الکل اتیلیک (کاربران ثبت نام کرده قادر به مشاهده لینک می باشند)
چند گرم ایندرید کرومیک (کاربران ثبت نام کرده قادر به مشاهده لینک می باشند) قرمز کاملا خشک
یک صفحه مسطح سوز

سپس باید به ترتیب زیر عمل کرد:


صفحه مسطح نسوز را در محل دلخواهی روی میز قرار داده و روی آن کریستالهای ایندرید کرومیک را بپاشید. وقتی الکل اتیلیک را که به عنوان آب به تماشاچیان معرفی کرده‌اید در دهان گرفته و روی کریستالهای ایندرید کرومیک بریزید، فعل انفعالات شدیدی انجام یافته و حرارت زیادی تولید می‌گردد تا انجا که الکل اتیلیک مشتعل می‌شود و ارتفاع شعله حتی به 15 الی 20 سانتیمتر هم می‌رسد.

شما اگر حاضر به ریختن الکل در دهان خود و تف کردن آن روی میز نیستید (زیرا این عمل در حضور دوستان ، کمی زشت است) ، می‌توانید در یک ظرف حلبی ، چند گرم ایندرید کرومیک بریزید و الکل اتیلیک را که آب معرفی کرده‌اید روی آن اضافه کنید. بلافاصله شعله‌ها از درون ظرف حلبی زبانه خواهد کشید. یاد آوری می‌کنیم که در تمام آزمایشهای شیمی که با شعله همراه است، باید دقت زیاد کرد تا لباس شما آتش نگیرد و دستتان نسوزد و همچنین این آزمایشان حتما باید چند بار قبلا آزمایش شده و سپس تماشاچیان اجرا گردد.

۴

تصویری که قرمز می‌شود!

به دوستانتان بگویید که آیا می‌توانند بدون استفاده از رنگ ، یک عکس را قرمز سازند و بلافاصله آن را به حالت معمولی در بیاورند؟ مسلما کسی قادر به این کار نخواهد بود. حالا شما تصویری را که قبلا تهیه کرده و صورت آن را با فنل فتالئین پوشانیده‌اید، از جیبتان بیرون بیاورید. این مایع که به صورت تصویر مالیده شده ، ابتدا رنگی ندارد. ولی اگر شما انگشتانشان را در آمونیاک (کاربران ثبت نام کرده قادر به مشاهده لینک می باشند) خیس کنید (که حتما قبلا این کار را کرده‌اید) و جلوی تصویر بگیرید، صورت ان قرمز کمرنگ می‌گردد! اگر انگشتانتان را کنار بکشید، رنگ صورت دوباره معمولی می‌شود!

شیمی رنگ

رنگها را معمولا براساس خواص آنها و ساختمان ماده اصلی (ساختمان شیمیایی مواد) طبقه بندی می‌کنند. روش دیگر طبقه بندی رنگها براساس روش مصرف آنها در رنگرزی می‌باشد. روش و تکنیک رنگرزی به ساختمان ، طبیعت الیاف یا شئ مورد رنگرزی بستگی دارد. به عبارت دیگر رنگرزی پشم و ابریشم و دیگر الیاف به دست آمده از حیوانات با رنگرزی پنبه و الیاف به دست آمده از گیاهان تفاوت دارد.

نقش ساختمان شیمیایی الیاف در تعیین رنگ مورد نیاز در رنگرزی همیشه ساختمان شیمیایی الیاف تعیین کننده نوع رنگ مورد نیاز و تکنیک رنگرزی می‌باشد. به عنوان مثال الیاف حیوان مانند پشم و ابریشم از پروتئین تشکیل شده‌اند و دارای گروههای اسیدی و بازی می‌باشند. این گروهها نقاطی هستند که در آنها مولکول رنگ خود را به الیاف متصل می‌کند. پس برای رنگرزی این گونه الیاف باید از رنگهایی که دارای بنیان اسیدی و بازی هستند استفاده کرد.

پنبه یک کربوهیدرات می‌باشد و تنها محتوی پیوندهای خنثای اتری و گروههای هیدروکسیل است. در این نقاط پیوندهای هیدروژنی بین الیاف و رنگ ایجاد می‌شود. پس باید از رنگهای متناسب با خصوصیات الیاف پنبه‌ای استفاده کرد. متصل کردن رنگ به الیاف مصنوعی و سنتزی مانند پلی اولفین‌ها و هیدروکربنها که کاملا عاری از گروههای قطبی هستند، تکنیک و روش دیگری را می‌طلبد. بر اساس روش رنگرزی به صورت زیر دسته‌بندی می‌شود.

رنگهای مستقیم یا رنگهای جوهری
این دسته از رنگها دارای گروهها و عوامل قطبی مانند عوامل اسیدی و بازی هستند و با استفاده از این گروهها ، رنگ با الیاف ترکیب می‌شود. برای رنگرزی پارچه با اینگونه رنگها فقط کافی است که پارچه را در محلول آبی و داغ رنگ فرو ببریم. اسید پیکریک و ماریتوس زرد از جمله این رنگها هستند. هر دو رنگ ، اسیدی بوده و با گروههای آمینه الیاف پروتئینی ترکیب می‌شوند. نایلون نیز که یک پلی‌آمید است، با این رنگها قابل رنگرزی است.

رنگ دانه‌ای
این دسته از رنگها شامل ترکیباتی هستند که می‌توانند با برخی از اکسیدهای فلزی ترکیب شده و نمکهای نامحلول و رنگی که لاک نامیده می‌شوند، تشکیل دهند. روش رنگرزی با این رنگها از کهن‌ترین روشهای تثبیت رنگ روی الیاف بوده است. این رنگها بیشتر برای رنگرزی ابریشم و پنبه بکار می‌رود. در رنگرزی با رنگهای دانه‌ای پارچه یا الیاف ، رنگی به نظر می‌رسند. چون الیاف توسط لایه‌ای از رسوب رنگین پوشانده می‌شود. برای ایجاد دندانه روی رنگها معمولا از اکسیدهای آلومینیوم ، کروم و آهن استفاده می‌شود. آلیزارین نمونه‌ای از این رنگها می‌باشد.

رنگ خمیری رنگ خمیری ماده‌ای است که در شکل کاهش یافته ، محلول در آب بوده و ممکن است بی‌رنگ هم باشد. در این حالت الیاف به این رنگ آغشته شده و پس از جذب رنگ توسط الیاف ، آنها را از خمره خارج کرده و در معرض هوا با یک ماده شیمیایی اکسید کننده قرار می‌دهند. در این مرحله رنگ اکسید شده و به صورت رنگین و نامحلول در می‌آید. رنگهای باستانی ایندیگو و تیریان از این جمله‌اند.

رنگ واکنشی
این رنگها که تحت عنوان رنگهای ظاهر شونده هم شناخته می‌شوند، در درون خود پارچه ، تشکیل شده و ظاهر می‌گردند. مثال مهمی از این گروه رنگها ، رنگهای آزو می‌باشند. رنگرزی با این رنگها به این صورت است که پارچه را در محلول قلیایی ترکیبی که باید رنگ در آن مشتق شود (فنل یا نفتول) فرو می‌بریم. سپس پارچه را در محلول سرد آمین دی ازت دار شده در داخل خود الیاف انجام شده و رنگ تشکیل می‌گردد. به رنگی که به این صورت حاصل می‌شود رنگ یخی نیز می‌گویند، زیرا برای پایداری و جلوگیری از تجزیه نمک دی آزونیوم دمای پائین ضرورت دارد.

رنگ پخش شونده
این دسته از رنگها در خود الیاف محلول هستند، اما در آب نامحلول می‌باشند. رنگهای پخش شونده در رنگرزی بسیاری از الیاف سنتزی بکار می‌روند. به این الیاف گاهی اوقات الیاف آبگریز نیز گفته می‌شود. معمولا ساختمان شیمیایی آنها فاقد گروههای قطبی است. روش رنگرزی به اینگونه است که رنگ به صورت پودر نرم در بعضی از ترکیبات آلی مناسب (معمولا ترکیبات فنل) حل می‌شود و در دما و فشار بالا در حمام‌های ویژه به الیاف منتقل می‌شود.