اثر کامپتون

اطلاعات اولیه

زمانی که یک پرتو نور بر روی ماده‌ای می‌تابد، انواع برهمکنشهای مختلف بین فوتون و ماده متصور است (اثر تابش بر ماده). از جمله این برهمکنشها ، می‌توان به اثر کامپتون اشاره کرد. می‌توان گفت که این اثر مستقیم‌ترین گواه برخاصیت ذره ای نور می‌باشد. در زندگی روزمره خود بارها این اثر را مشاهده می‌کنیم. به عنوان مثال ، نور خورشید بعد از تابش با عناصر موجود در جو زمین اندرکنش انجام می‌دهد.

تاریخچه

پایه محکم دیگر برایفرضیه کوانتومی نور ، توسط فیزیکدان آمریکایی ،آرتور کامپتون (Compton) ، در سال 1992 فراهم شد. کامپتون نوازنده گیتار ، قهرمان تنیس و محقق نامداری در بررسی پرتوی کیهانی بود. کامپتون دانشمند تجربی‌کار متعصبی بود که میل داشت برخورد کوانتومهای نور و الکترون ها را ، عینا مانند برخورد گلوله‌های عاج بر روی میز بیلیارد ، تصور و تجسم کند. اثر کامپتون مستقیم‌ترین گواه بر طبیعت ذره‌ای تابش است.

نظریه کلاسیک پراکندگی امواج الکترومغناطیسی

وقتی امواج الکترومغناطیسی تکفام به ذره بارداری که اندازه آن از طول موج تابش خیلی کمتر است برخورد کند، اصولا میدان الکتریکی متغیر سینوسی موج ، بر روی این ذره باردار اثر می‌گذارد. این ذره تحت تاثیر نیروی الکتریکی متغیر ، با همان فرکانس تابشی ، حرکت نوسانی هماهنگ انجام می‌دهد و چون بطور پیوسته شتاب می‌گیرد، در تمام جهات با همان فرکانس تابش الکترومغناطیسی گسیل می‌کند.

بنابراین نظریه کلاسیک پیشگویی می‌کند که تابش پراکنده دارای همان فرکانس تابش فرودی خواهد بود. ذره باردار نقش یک عامل انتقال را بازی می‌کند، زیرا انرژی را از پرتو فرودی می‌گیرد و مجددا آن را با همان فرکانس ، ولی در تمام جهات پراکنده می‌کند. نظریه کلاسیک پراکندگی برای تابش با طول موجهای مرئی و همه طول موجهای بلندتر با تجربه توافق دارد.

نظریه کوانتومی ‌پراکندگی امواج الکترومغناطیسی

در نظریه کوانتومی ، تابش الکترومغناطیسی شامل فوتونهایی است که انرژی هر یک با E = hv بیان می‌شود. چون یک فوتون را می‌توان به عنوان یک ذره با جرم سکون صفر ، که با سرعت نور حرکت می‌کند، در نظر گرفت. بزرگی اندازه حرکت خطی متناظر با این فوتون بر اساس رابطه دوبروی برابر E/c است، که با نتیجه نظریه کلاسیک توافق دارد.

هر فوتون در باریکه‌ای از تابش الکترومغناطیسی تکفام با طول موج λ دارای اندازه حرکتی برابر با h/λ می‌باشد که در آن h ثابت پلانک و λ طول موج منتسب به فوتون است. وقتی که یک باریکه الکترومغناطیسی تکفام را به عنوان مجموعه‌ای متشکل از فوتونهای ذره‌گونه ، که هر یک دارای انرژی و اندازه حرکت دقیقا معلوم هستند، در نظر بگیریم عملا پراکندگی تابش الکترومغناطیسی به صورت برخورد فوتون با یک ذره باردار درمی‌آید.

این مسئله صرفا با بکار بردن قوانین بقای اندازه حرکت و انرژی حل می‌شود. البته لازم به ذکر است که در کاربرد قوانین بقا ، به جزئیات برهمکنش توجه نمی‌شود، بلکه فقط به انرژی کل و اندازه حرکت کل قبل و بعد از برخورد پرداخته می‌شود.

مشخصات اثر کامپتون

• بررسی برخورد کامپتون بین یک فوتون و یک الکترون مبتنی بر این فرض است که الکترون پراکنده باید تقریبا آزاد و ساکن باشد. البته ، هر الکترون موجود در ماده در حرکت است و تا حدی به اتم مادر خویش مقید است، ولی الکترونهای لایه‌های بیرونی اتم را می‌توان عملا آزاد در نظر گرفت (الکترون آزاد) ، چون انرژی بستگی آنها خیلی کمتر از انرژی یک فوتون اشعه ایکس است.
  
  
• طول موج فوتونها باید در حد و اندازه ذره پراکننده باشد. بنابراین اثر کامپتونی که در آن فوتون توسط الکترونهای نسبتا آزاد اتم پراکنده می‌شود، توسط پرتوهای ایکس امکان پذیر است.
  
  
• در اثر کامپتون ، برخلاف اثر فوتوالکتریک ، فوتون نابود نمی‌شود، بلکه فوتون بوسیله الکترون پراکنده می‌شود. در اینصورت مقداری از اندازه حرکت فوتون به الکترونی که در ابتدا ساکن است، منتقل می‌شود. بنابراین اندازه حرکت و در نتیجه انرژی فوتون پراکنده کمتر از اندازه حرکت و انرژی فوتون فرودی بوده و الکترون نیز دیگر ساکن نخواهد بود.
  
  
• تغییر در طول موج فوتونهای پراکنده شده به وسیله الکترونها از رابطه زیر تبعیت می‌کند:
  
  

(Δλ = λَ - λ = hm₀ (1 - CosӨ

در رابطه فوق m₀ جرم سکون الکترون ، C سرعت نور ، h ثابت پلانک ، θ زاویه پراکندگی ، λ طول موج فوتون تابشی و λَ طول موج فوتون پراکنده است.

• بر اساس رابطه فوق ، فوتونهایی که تحت زاویه 180 درجه پراکنده می‌شوند، تغییر طول موجی پیدا نمی‌کنند. (برخورد شاخ به شاخ)
  
  
• رابطه فوق زمانی‌که ثابت پلانک به سمت صفر و جرم سکون الکترون به سمت بینهایت میل می‌کند، به نظریه کلاسیک پراکندگی تحویل می‌گردد.

فوتون

این تعارض جوهر مانای ذره گونه که با انتشار موج - ذره رخ می‌دهد، نظریه کوانتوم توصیف عینی یابد، آنگاه می‌توانیم موقعیتهای آن را در لحظات پی در پی مشخص و مسیر آن را معین کنیم. اما ذراتی که مسیرهای مشخصی را طی می‌کنند، مشخصه نقش تداخلی موج گونه آنها را برای هر نوع ماده‌ای که واقعا قابل مشاهده باشد، ایجاد نمی‌کند. در آزمایشگاه ، این نقشها همچون نقشی از تیک تاکهای آرایه‌ای از آشکار سازها مشاهده می‌شود. تمهیدات مستند نظریه کوانتومی این نقشها را بوسیله یک تابع موج در فرمالیزم ریاضی آن نظریه بوجود می‌آورد.

این تابع موج احتمال آشکار سازی یک تیک تاک را توصیف می‌کند و چشم به راه یک شیء "حقیقی" نیست. بنابراین ، نظریه کوانتومی با نفی اینکه "موج" یا "ذره" "حقیقی" هستند، مسأله موج - ذره را حل می‌کند. به علاوه ، نظریه کوانتومی با آنچه که از معانی متعارف و رسمی آنها برداشت می‌شود. مفهوم ماده گاهی موج و گاهی ذره است را ندارد.

بر اساس اصل دوبروی ، در مورد ذرات دو حالت ذره‌ای و موجی در نظر گرفته می‌شود، که البته این خاصیت در دنیای میکروسکوپی بیشتر مورد مطالعه است. به عنوان مثال ، اگر ذره‌ای به جرم یک گرم که با سرعت معمولی در حال حرکت است، در نظر بگیریم طول موج منتسب به این ذره ، چنان کوچک خواهد بود که اصلا قابل ملاحظه نیست. اما در مورد ذراتی مانند الکترون ، این طول موج قابل توجه است. بنابراین با توسل به این اصل می‌توان تابش الکترومغناطیسی را نیز متشکل از ذراتی دانست که این ذرات را فوتون می‌گویند.

واقعیت کوانتومهای نور

نظریه پلانک در ارتباط با بسته‌های انرژی تابشی ، تا اندازه‌ای مبهم بود و فقط به عنوان مبنایی برای توزیع آماری انرژی میان طول موجهای مختلف در طیف الکترومغناطیسی بکار می‌رفت. پنج سال بعد از "پلانک" ، "آلبرت انیشتین" توانست این مفهوم را به صورت مشخص‌تری بیان کند. انیشتین مفهوم کوانتومی نور را برای توجیه اثر فوتوالکتریک بکار برد. بر این اساس ، فوتون‌ها که دارای انرژی معینی هستند، بعد از برخورد با الکترون‌های اتم ، انرژی خود را به آنها داده ، خود از بین می‌روند. این امر می‌تواند به عنوان یک مسئله برخورد میان دو ذره با استفاده از نظریه برخورد توضیح داده شود.

بعد از برخورد ، فوتون از بین می‌رود و الکترون با انرژیی که از فوتون می‌گیرد، از ماده جدا می‌شود و سبب ایجاد یک جریان فوتوالکترونی در مدار خارجی می‌گردد. مقدار جریان در مدار خارجی ، بسته به تعداد فوتونهایی که بر سطح ماده موجود در کاتد تابیده می‌شود، متفاوت خواهد بود.

تأییدی دیگر بر وجود فوتون

آزمایش دیگری که توانست وجود فوتونها را بصورت تجربی به اثبات رساند، مربوط به آزمایش است که توسط "کامپتون" انجام شد. این آزمایش که بعدها نام اثر کامپتون را بر خود گرفت، به این صورت بود که تابش الکترومغناطیسی یا فوتون‌ها توسط مواد مختلف پراکنده می‌شود. به بیان دیگر ، در این آزمایش فوتون بعد از تابش مقداری از انرژی خود را به یک الکترون تقریبا آزاد منتقل می‌کرد و خود با انرژی کمتر در راستای دیگر منحرف می‌شد. نتایج این آزمایش که با استفاده از مفهوم کوانتومی نور صورت می‌گرفت، با نتایج تجربی کاملا تطابق داشت.

جرم فوتون

واقعیت جرم فوتون ، به خاصیت عکس مجذوری قانون کولن بر می‌گردد. بر اساس قانون کولن ، نیروی الکتریکی که دو ذره باردار به یکدیگر وارد می‌کنند، نیرویی است که با مجذور فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد. اما این مطالب در تمام شرایط دقیقا درست نیستند، یعنی در فواصل خیلی کوچکتر انحرافاتی وجود دارد و این نیرو دقیقا عکس مجذوری نیست. در این حالت باید فوتونها را ذراتی دارای جرم بدانیم. اما در موارد دیگر که تقریبا بیشتر موارد را شامل می‌شود، این نیرو دقیقا عکس مجذوری است. بنابراین در این حالت باید فوتونها را ذراتی بدون جرم تصور کنیم.

اتم

این کلمه ، از کلمه یوانانی atomos ، غیر قابل تقسیم ، که از a- ، بمعنی غیر و tomos، بمعنی برش ، ساخته شده است. معمولا به معنای اتم‌های شیمیایی یعنی اساسی‌ترین اجزاء مولکول‌ها و مواد ساده می‌باشد.

تاریخچه شناسایی اتم

مواد متنوعی که روزانه در آزمایش و تجربه با آن روبه رو هستیم، متشکل از اتم‌های گسسته است. وجود چنین ذراتی برای اولین بار توسط فیلسوفان یونانی مانند دموکریتوس (Democritus) ، لئوسیپوس (Leucippus) و اپیکورینز (Epicureanism) ولی بدون ارائه یک راه حل واقعی برای اثبات آن ، پیشنهاد شد. سپس این مفهوم مسکوت ماند تا زمانیکه در قرن 18 راجر بسکوویچ (Rudjer Boscovich) آنرا احیاء نمود و بعد از آن توسط جان دالتون (John Dalton) در شیمی بکار برده شد.


راجر بوسویچ نظریه خود را بر مبنای مکانیک نیوتنی قرارداد و آنرا در سال 1758 تحت عنوان:

Theoria philosophiae naturalis redacta ad unicam legem virium in natura existentium

چاپ نمود.


براساس نظریه بوسویچ ، اتمها نقاط بی‌اسکلتی هستند که بسته به فاصله آنها از یکدیگر ، نیروهای جذب کننده و دفع کننده بر یکدیگر وارد می‌کنند. جان دالتون از نظریه اتمی برای توضیح چگونگی ترکیب گازها در نسبتهای ساده ، استفاده نمود. در اثر تلاش آمندو آواگادرو (Amendo Avogadro) در قرن 19، دانشمندان توانستند تفاوت میان اتم‌ها و مولکول‌ها را درک نمایند. در عصر مدرن ، اتم‌ها ، بصورت تجربی مشاهده شدند.

اندازه اتم

اتم‌ها ، از طرق ساده ، قابل تفکیک نیستند، اما باور امروزه بر این است که اتم از ذرات کوچکتری تشکیل شده است. قطر یک اتم ، معمولا میان 10pm تا 100pm متفاوت است.

ذرات درونی اتم

در آزمایش‌ها مشخص گردید که اتم‌ها نیز خود از ذرات کوچکتری ساخته شده‌اند. در مرکز یک هسته کوچک مرکزی مثبت متشکل از ذرات هسته‌ای ( پروتون‌ها و نوترون‌ها ) و بقیه اتم فقط از پوسته‌های متموج الکترون تشکیل شده است. معمولا اتم‌های با تعداد مساوی الکترون و پروتون ، از نظر الکتریکی خنثی هستند.

طبقه‌بندی اتم‌ها

اتم‌ها عموما برحسب عدد اتمی که متناسب با تعداد پروتون‌های آن اتم می‌باشد، طبقه‌بندی می‌شوند. برای مثال ، اتم های کربن اتم‌هایی هستند که دارای شش پروتون می‌باشند. تمام اتم‌های با عدد اتمی مشابه ، دارای خصوصیات فیزیکی متنوع یکسان بوده و واکنش شیمیایی یکسان از خود نشان می‌دهند. انواع گوناگون اتم‌ها در جدول تناوبی لیست شده‌اند.

اتم‌های دارای عدد اتمی یکسان اما با جرم اتمی متفاوت (بعلت تعداد متفاوت نوترون‌های آنها) ، ایزوتوپ نامیده می‌شوند.

ساده‌ترین اتم

ساده‌ترین اتم ، اتم هیدروژن است که عدد اتمی یک دارد و دارای یک پروتون و یک الکترون می‌باشد. این اتم در بررسی موضوعات علمی ، خصوصا در اوایل شکل‌گیری نظریه کوانتوم ، بسیار مورد علاقه بوده است.

واکنش شیمیایی اتم‌ها

واکنش شیمیایی اتم‌ها بطور عمده‌ای وابسته به اثرات متقابل میان الکترون‌های آن می‌باشد. خصوصا الکترون‌هایی که در خارجی‌ترین لایه اتمی قرار دارند، به نام الکترون‌های ظرفیتی ، بیشترین اثر را در واکنش‌های شیمیایی نشان می‌دهند. الکترون‌های مرکزی (یعنی آنهایی که در لایه خارجی نیستند) نیز موثر می‌باشند، ولی بعلت وجود بار مثبت هسته اتمی ، نقش ثانوی دارند.

 

پیوند میان اتم‌ها

اتم‌ها تمایل زیادی به تکمیل لایه الکترونی خارجی خود و (یا تخلیه کامل آن) دارند. لایه خارجی هیدروژن و هلیم جای دو الکترون و در همه اتمهای دیگر طرفیت هشت الکترون را دارند. این عمل با استفاده مشترک از الکترونهای اتم‌های مجاور و یا با جدا کردن کامل الکترون‌ها از اتمهای دیگر فراهم می‌شود. هنگامیکه الکترونها در مشارکت اتمها قرار می گیرند، یک پیوند کووالانسی میان دو اتم تشکیل می‌گردد. پیوندهای کووالانسی قویترین نوع پیوندهای اتمی می‌باشند.

یون

هنگامیکه بوسیله اتم ، یک یا چند الکترون از یک اتم دیگر جدا می‌گردد، یون‌ها ایجاد می‌شوند. یون‌ها اتم‌هایی هستند که بعلت عدم تساوی تعداد پروتو ن‌ها و الکترون‌ها ، دارای بار الکتریکی ویژه می‌شوند. یون‌هایی که الکترون‌ها را برمی‌دارند، آنیون (anion) نامیده شده و بار منفی دارند. اتمی که الکترون‌ها را از دست می‌دهد کاتیون (cation) نامیده شده و بار مثبت دارد.

پیوند یونی

کاتیون‌ها و آنیون‌ها بعلت نیروی کولمبیک (coulombic) میان بارهای مثبت و منفی ، یکدیگر را جذب می‌نمایند. این جذب پیوند یونی نامیده می‌شود و از پیوند کووالانسی ضعیفتر است.

مرز مابین انواع پیوندها

همانطور که بیان گردید، پیوند کوالانسی در حالتی ایجاد میشود که در آن الکترون‌ها بطور یکسان میان اتمها به اشتراک گذارده می‌شوند، درحالیکه پیوند یونی در حالی ایجاد می‌گردد که الکترون‌ها کاملا در انحصار آنیون قرار می‌گیرند. بجز در موارد محدودی از حالتهای خیلی نادر ، هیچکدام از این توصیف‌ها کاملا دقیق نیست. در بیشتر موارد پیوندهای کووالانسی ، الکترون‌ها بطور نامساوی به اشتراک گذارده میشوند، بطوریکه زمان بیشتری را صرف گردش بدور اتم‌های با بار الکتریکی منفی‌تر می‌کنند که منجر به ایجاد پیوند کووالانسی با بعضی از خواص یونی می‌گردد.

بطور مشابهی ، در پیوندهای یونی ، الکترون‌ها اغلب در مقاطع کوچکی از زمان بدور اتم با بار الکتریکی مثبت‌تر می‌چرخند که باعث ایجاد بعضی از خواص کووالانسی در پیوند یونی می‌گردد.

طیف اتمی

همانطور که می‌دانیم نیوتون برای نخستین بار با گذراندن نور خورشید از منشور ، طیف نور سفید را تشکیل داد. نیوتون نشان داد که نور سفید آمیزه‌ای از رنگهای مختلف است و گسترده طول موجی این رنگها از 0.4 میکرومتر (بنفش) تا 0.7 میکرومتر (قرمز) است. طیف نور سفید یک طیف پیوسته است. به همین ترتیب می‌توان طیف هر نوری را توسط پاشندگی در منشور شناسایی کرد. اما علت اینکه در طیف اتمی خطوط مختلفی دیده می‌شود، چیست؟

خطوط طیفی

طیف اتمی مستقیما به ترازهای انرژی اتم نسبت داده می‌شود. هر خط طیفی متناظر یک گذار خاص بین دو تراز انرژی یک اتم است. پس آنچه در طیف نمایی دارای اهمیت است، تعیین ترازهای انرژی یک اتم به کمک اندازه گیری طول موجهای طیف خطی گسیل شده از اتمها است. پایین ترین تراز انرژی ، حالت پایه و همه ترازهای بالاتر حالتهای برانگیخته نامیده می‌شوند. موقعی که یک اتم از حالت برانگیخته بالاتر به یک حالت برانگیخته پایین تر گذاری را انجام می‌دهد. یک فوتون متناظر به یک خط طیفی گسیل می‌شود.

طیف نشری

اگر جسمی بتواند نور تولید کند و نور تولید شده را از منشوری عبور دهیم، طیفی بدست می‌آید که طیف نشری نامیده می‌شود. اگر رنگهای طیف حاصل بهم متصل باشند، طیف نشری اتصالی و اگر فاصله‌ای بین آنها باشد، طیف نشری انفصالی یا خطی می‌نامند. به عنوان مثال لامپ حاوی بخار بسیار رقیق را در نظر بگیرید. این لامپ بصورت لوله باریک شیشه‌ای است که درون آن یک گاز رقیق در فشار کم وجود دارد. دو الکترود به نامهای کاتد و آند در دو انتهای لوله قرار دارند. اگر بین این دو الکترود ، ولتاژ بالایی برقرار شود، اتمهای گاز درون لامپ شروع به گسیل نور می‌کنند. اگر این بخار مربوط به بخار جیوه باشد، این گسیل به رنگ نیلی - آبی است. اگر این نور را از منشور بگذرانیم و طیف آن را تشکیل دهیم می‌ینیم که این طیف پیوسته نیست. بلکه تنها از چند خط رنگی جدا از هم با طول موجهای معین تشکیل شده است.

طیف جذبی

در سال 1814 میلادی فرانهوفر فیزیکدان آلمانی کشف کرد که اگر به دقت به طیف خورشید بنگریم، خطهای تاریکی در طیف پیوسته آن مشاهده خواهیم کرد. این مطلب نشان می‌دهد که بعضی از طول موجها در نوری که از خورشید به زمین می‌رسد، وجود ندارد و به جای آنها ، در طیف پیوسته نور خورشید خطهای تاریک (سیاه) دیده می‌شود. اکنون می‌دانیم که گازهای عنصرهای موجود در جو خورشید ، بعضی از طول موجهای گسیل شده از خورشید را جذب می‌کنند و نبود آنها در طیف پیوسته خورشید به صورت خطهای تاریک ظاهر می‌شود. در اواسط سده نوزدهم معلوم شد که اگر نور سفید از داخل بخار عنصری عبور کند و سپس طیف آن تشکیل شود، در طیف حاصل خطوط تاریکی ظاهر می‌شود. این خطوط توسط اتمهای بخار جذب شده‌اند.

طیف اتمی از دیدگاه فیزیک کلاسیک

درک ساز و کار جذب و گسیل نور بوسیله اتمها از دیدگاه فیزیک کلاسیک آسان است. زیرا بنابر نظریه‌های کلاسیکی یک اتم در صورتی نور گسیل می‌کند که به طریقی مانند برخورد با سایر اتمها یا توسط میدان الکتریکی به الکترونهای آن انرژی داده شود، در نتیجه الکترونها با بدست آوردن انرژی ارتعاش می‌کنند و امواج الکترومغناطیس بوجود می‌آورند، یعنی نور گسیل می‌کنند. اما این که چرا اتمهای همه عنصرها موج الکترومغناطیسی با طول موجهای یکسان نمی‌کنند و این که چرا هر عنصر طول موج خاص خود را دارد، ا ز دیدگاه فیزیک کلاسیک قابل توجیه نیست.

در مورد جذب نور هم ، از دیدگاه فیزیک کلاسیک ، می‌توان گفت که وقتی نور به یک اتم می‌تابد، نوسان میدان الکتریکی ناشی از نور فروری باعث می‌شود که الکترونهای اتم شروع به ارتعاش کنند و نور فرودی را جذب کنند. ولی باز هم در این دیدگاه هیچ توجیه قانع کننده‌ای برای این که چرا هر عنصر تنها طول موجهای خاصی را که مشخصه آن عنصر است جذب می‌کند و بقیه طول موجها را جذب نمی‌کند؟ وجود ندارد.

رابطه ریدبرگ - بالمر

طیف اتمی هیدروژن ، اولین طیفی بود که بطور کامل مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. آنگستروم تا سال 1885 میلادی طول موجهای چهار خط از طیف اتم هیدروژن را با دقت زیاد اندازه گرفت. بالمر که یک معلم سوئیسی بود، وی این اندازه گیریها را مطالعه کرد و نشان داد که طول موج خطهای این طیف را می‌توان با دقت بسیار زیاد بدست آورد. توفیق بالمر در خصوص یافتن رابطه‌ای برای خطهای طیف اتم هیدروژن در ناحیه مرئی موجب شد، که تلاشهای بیشتری در جهت یافتن خطوط دیگر طیف اتم هیدروژن صورت گیرد. کار عمده در زمینه جستجو برای طیف کامل اتم هیدروژن توسط ریدبرگ در حدود سال 1850 میلادی انجام شد.

نتیجه

1. هم در طیف گسیلی و هم در طیف جذبی هر عنصر ، طول موجهای معینی وجود دارد که از ویژگیهای مشخصه آن عنصر است. یعنی طیفهای گسیلی و جذبی هیچ دو عنصری مثل هم نیست.
   
   
2. اتم هر عنصر دقیقا همان طول موجهایی از نور سفید را جذب می‌کند که اگر دمای آن به اندازه کافی بالا رود و یا به هر صورت دیگر بر انگیخته شود، آنها را تابش می‌کند.

بررسی میزان آفلاتوکسین M1 شیر در استان قم

۱ - محمد دخیلی عضو هیئت علمی دانشگاه آزاد اسلامی قم

۲ - علیرضا خسروی ۲ - تقی زهرایی ۳ - علیرضا باهنر ۳ - اصغر زارعی

۳ - عضو هیئت علمی دانشگاه تهران ۳ - کارشناس مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی

افلاتوکسین ها متابولیت های ثانویه قارچی هستند که دارای اثرات بالقوه سرطان زایی ناقص الخلقه زایی و موتوژنی می باشد . در بین افلاتوکسین های شناخته شده افلاتوکسین B1 از همه قوی تر می باشد و دارای اثرات سمی بیشتری است . مشتق هیدروکسیله شده آن به نام آفلاتوکسین M1 می باشد که می تواند در شیر گاوهایی که از جیره غذایی آلوده به افلاتوکسین B1 استفاده کرده اند وجود داشته باشد میزان تبدیل افلاتوکسین B1 به آفلاتوکسین M1 و ترشح آن ۶/۱ درصد از کل آفلاتوکسین B1 است . بنابراین لازم و ضروری است که این متابولیت خطرناک را در شیر ردیابی نمود و حد مجاز قابل قبول برای آن تعیین کرد ُ در این ارتباط با استفاده از روش الیزا که دارای سرعت تشخیص سم و دقت زیاد و همچنین دارای حساسیت جستجوی بسیار بالایی است تعداد ۳۲ نمونه از شیر تولیدی در گاوداریهای مناطف مختلف استان قم را به طور تصادفی مورد آزمایش قرار دادیم . نتایج نشان داد همه نمونه ها آلوده به آفلاتوکسین M1 بودند و تمامی موارد آلوده غلظت آفلاتوکسین M1 بالاتر از حد مجاز استاندارد 50 ng/L در کشور های اروپایی بود . میانگین آلودگی ۲۲۹ نانوگرم در لیتر با حدود تغییرات ۳۵۰-۱۵۸ نانو گرم در لیتر مشاهده گردید . بر اساس تحقیق انجام شده اولا پیشگیری از آلودگی غذای دام شیرده به آفلاتوکسین B1 یکی از اقدامات اساسی است که می بایستی مورد توجه مسئولان دامپزشکی کشور قرار گیرد . ثانیا ضرورت تدوین برنامه های آموزشی جهت بالابردن کیفیت شیر تولیدی و انجام تحقیقات به نظور کاهش آفلاتوکسین M1 پس از تولید می باشد و آموزش کارکنان آزمایشگاه شیر جهت استفاده از روش های پیشرفته می باشد .

آفلاتوکسین ها

آفلاتوکسین‌ها

آفلاتوکسین‌ها متابولیت‌های بسیار سمی و سرطان‌زای قارچ‌های جنس آسپرژیلوس و پنیسیلیوم

 هستند. سه قارچ عمده تولید کننده این سموم قارچی عبارتند از آسپرژیلوس‌فلیووس، آسپرژیلوس‌پارازیتیکوس و پنیسیلیوم‌پابرولوم. این قارچ‌ها روی انواع غلات، بادام زمینی و پنبه دانه رشد کرده و در نواحی گرمسیری و تحت‌گرمسیری بسیار متداول هستند. تحت شرایط ایده‌آل از نظر رطوبت، دما، اکسیژن/دی‌اکسیدکربن و تعادل اسیدباز، این قارچ‌ها چهار سم قارچی عمده به اسامی آفلاتوکسین B1 ، آفلاتوکسین G1، آفلاتوکسین B2، و آفلاتوکسین G2 تولید می‌کنند که در فهرست سموم قارچی فراوان و قدرتمند قرار  دارند.

            آفلاتوکسیکوز اولین بار در سال 1952 در سگ گزارش شد. دامپزشکان در حال بررسی یک بیماری کبدی به اسم هپاتیت ایکس در جنوب شرقی ایالات متحده بودند؛ که در سگ‌های تغذیه شده با غذای آلوده به کپک  این بیماری را مشاهده کردند. مجدداً در سال 1955 تغذیه آزمایشی سگ‌ها با یک غذای تجاری مخصوص سگ‌ها باعث ایجاد بیماری شد. در سال 1966 برای اولین بار با استفاده از آفلاتوکسین تخلیص شده دوباره بیماری ایجاد شد. از آن زمان، تحقیقات وسیعی انجام گرفته که منجر به شناخت اثرات آفلاتوکسین‌ها در حیوانات، پرندگان و انسان شده است.

            تمام حیوانات، پرندگان و ماهی‌ها نسبت به آفلاتوکسین حساس هستند، اما پرندگان و ماهی‌ها بیشترین حساسیت را در برابر این سم دارند. در حیوانات خانگی(شامل سگ، گربه، پرندگان و ماهی) ارگان هدف اولیه آفلاتوکسین کبد است. به اضافه آفلاتوکسین‌ها سرکوب‌کننده سیستم ایمنی بدن و نفروتوکسیک بوده و به کلیه‌ها صدمه می‌زنند.

سگ‌ها و گربه‌ها بسیار حساس هستند

سگ‌ها و گربه‌ها بی‌نهایت به آفلاتوکسین‌ها حساس هستند. LD50(دُز کشنده که بواسطه آن 50% از گروه آلوده به سم می‌میرند) آفلاتوکسین B1 در سگ‌ها و گربه‌ها به ترتیب mg/kg1-5/0 و mg/kg6/0 – 3/0 است. با توجه به این مسئله، سگ‌ها و گربه‌ها هم مثل اردک‌ها و خرگوش‌ها(که به‌صورت مرسوم به عنوان حساس‌ترین گونه در نظر گرفته می‌شوند) در برابر آفلاتوکسین‌ها بسیار حساسند. مشخص شده که غذای آلوده به آفلاتوکسین B1 با غلظت بیشتر از ppb60 باعث شیوع بیماری آفلاتوکسیکوز در حیوانات خانگی می‌شود.

            همانند دیگر ترکیبات سمی، حساسیت حیوانات خانگی به آفلاتوکسین به حساسیت فردی بستگی دارد و حساسیت فردی هم از بین کلیه عوامل به سن، وضعیت هورمونی(آبستنی) و وضعیت تغذیه‌ای بستگی دارد. برای مثال سگ‌های جوان نسبت به بالغین حساسیت بیشتری به آفلاتوکسین دارند. در بین گونه‌های حیوانات خانگی پرندگان و ماهی‌ها بیشتر از سایرین نسبت به آفلاتوکسین حساس هستند. در پرندگان و ماهی‌ها غذاهای حاوی مقدار کمتر از ppb5 آفلاتوکسین B1 می‌توانند باعث مرگ و میر آنها شوند.

کاربرد چندین عامل ترکیبی شامل روش‌های آنالیزی پیشرفته و غربالگری دانه‌ها برای تشخیص آفلاتوکسین‌ها به‌صورت قابل توجهی وقوع آفلاتوکسیکوز در حیوانات خانگی را کاهش داده است. در سال‌های 1990 تنها یک مورد ثبت شده آفلاتوکسیکوز در ایالات متحده وجود داشت. در این مورد خاص، سگ‌ها غذای حاوی ppb300-100 آفلاتوکسین B1 را به مدت 3 تا 4 ماه مصرف کرده بودند. همچنین در سال‌های 1980 هم فقط یک مورد آفلاتوکسیکوز در سگ‌ها ثبت شده بود. در این مورد، در آفریقای جنوبی تعدادی سگ به‌صورت ناگهانی یا به دنبال یک دوره بالینی کوتاه مرده بودند. آنالیز غذاهای مختلف مصرف شده توسط این سگ‌ها نشانگر وجود ppb300-100 آفلاتوکسین B1 بود.

            در مقابل در سال‌های قبل از 1970 چندین مورد بیماری آفلاتوکسیکوز در سگ‌ها گزارش شده بود. از جمله یک مورد در نیویورک که چند سگ پس از خوردن یک غذای تجاری حاوی ppb60 آفلاتوکسین B1 مرده بودند.

آفلاتوکسیکوز بالینی

سندرم بالینی آفلاتوکسیکوز سگ‌سانان را می‌توان تحت عناوین حاد، تحت حاد یا مزمن طبقه‌بندی نمود. آفلاتوکسیکوز حاد زمانی اتفاق می‌افتد که به سگ‌ها غذای حاوی مقادیر زیاد آفلاتوکسین B1(بیشتر از ppm1 در جیره) داده شود. علائم بالینی آفلاتوکسیکوز حاد در سگ‌ها شامل مرگ ناگهانی است. با این‌حال معمولاً حیوانات مبتلا در عرض چند ساعت پس از مصرف غذای آلوده استفراغ خواهند کرد. سپس این سگ‌ها بی‌اشتها و شدیداً افسرده شده و مکرراً مقادیر زیادی آب می‌نوشند و میزان خروج ادرار از بدن آنها هم زیاد می‌شود. مرگ در عرض 3 روز پس از شروع علائم بالینی ایجاد خواهد شود.

پس از اینکه در طول یک دوره چند هفته‌ای(2 تا 3 هفته) حیوان در معرض مقادیر متوسط آفلاتوکسین قرار گیرد، آفلاتوکسیکوز تحت حاد اتفاق می‌افتد. در سگ‌ها یا گربه‌های مبتلا همان نشانه‌های نوع حاد اما با شدت کمتر دیده می‌شود و معمولاً پس از آن مرگ اتفاق می‌افتد. در صورتی که میزان آفلاتوکسین B1 در جیره ppb1000-500 باشد ممکن است این علائم مشاهده گردد. آفلاتوکسیکوز مزمن با مصرف غذای حاوی مقادیر کم تا متوسط آفلاتوکسین به‌صورت مداوم و یا متناوب اتفاق می‌افتد. مصرف غذای حاوی ppb300-50 آفلاتوکسین B1 در طول یک دوره 6 تا 8 هفته‌ای ممکن است باعث بروز آفلاتوکسیکوز مزمن شود. همچنین دریافت مقادیر کم آفلاتوکسینB1 از طریق غذا(ppb100-20) ممکن است به‌صورت مزمن باعث سرکوب سیستم ایمنی بدن گردد. بنابراین به‌دنبال آن علائم بالینی غیر اختصاصی شامل افزایش حساسیت نسبت به عفونت‌های ویروسی، باکتریایی، قارچی یا انگلی ایجاد خواهد شد. حیوانات خانگی که سیستم ایمنی بدن آنها سرکوب شده، به ایمن‌سازی منظم(واکسیناسیون) پاسخ نخواهند داد.

سرطان اثر طولانی‌مدت دیگر آفلاتوکسین هاست. قرار گرفتن در معرض مقدار زیاد آفلاتوکسین باعث ایجاد پتانسیل ابتلا به سرطان کبدی در حیواناتی که از اثرات علائم حاد، تحت حاد یا مزمن آفلاتوکسیکوز بهبودی یافته‌اند می‌شود. بنابراین آفلاتوکسین می‌تواند باعث مخاطرات طولانی‌مدتی برای سلامتی حیوان شود.

            توجه به این نکته مهم است که در صورتی که ماده غذایی در شرایط ایده‌آل ذخیره نشده باشد آفلاتوکسین‌ها می‌توانند در هنگام نگهداری ماده غذایی در خانه دامدار هم تولید شوند. بنابراین بهترین کار احتیاطی  این است که اگر شرایط نگهداری نامناسب و یا مشکوک است مقادیر متوسط ماده غذایی برای حیوانات خانگی خریداری شود تا غذا برای چندین ماه باقی نماند.

دِاُکسی نیوالنول

دِاُکسی نیوالنول یا DON عضوی از گروه تری‌کوتسن از سموم قارچی تولید شده بوسیله قارچ‌های فیوزاریوم است. قارچ‌های فیوزاریوم شایع‌ترین نوع در نواحی معتدل جهان هستند. این سم قارچی اولین بار در سال 1972 از ذرتی که باعث استفرق و خودداری از خوردن غذا در خوک‌ها شده بود، جدا شد. نام دیگر DON وُمی‌توکسین است. علائم بالینی مسمومیت حاد با DON در اکثر گونه‌ها از جمله حیوانات و پرندگان خانگی شامل تحریک پوستی، خودداری از غذا خوردن، استفراغ/بازگشت غذا، اسهال، خونریزی، سقط(در حیوانات) و مرگ است. از نظر بیوشیمیایی، DON باعث مهار سنتز پروتئین و DNA می‌شود. با توجه به این موضوع، DON باعث سرکوب سیستم ایمنی بدن شده(که ممکن است باعت مستعد شدن حیوانات درگیر به بیماری‌های عفونی شود) و باعث کاهش میزان رشد می‌شود. در جیره غذایی خوک‌ها غلظت بیشتر از ppm2 سمی است. اطلاعات در مورد سمیت DON در حیوانات خانگی بسیار کم است.

فرآیند اکستروژن باعث تخریب DON نمی‌شود، بنابراین استفاده از ذرت آلوده به DON منجر به حضور وُمی‌توکسین در غذا خواهد شد.

            محققین گروه‌هایی از سگ‌ها را در معرض غذای تولیدی حاوی DON با غلظت‌هایی بین ppm10-0 قرار دادند. معنی‌دارترین یافته خودداری از خوردن غذا توسط سگ‌هایی بود که به آنها غذای حاوی بیش از ppm5/4 DON داده شده بود. در مورد DON حساسیت گربه‌ها از سگ‌ها کمتر بوده و خودداری از خوردن غذا در غلظت بیش از ppm7/7 DON مشاهده شده بود.

            بر اساس این نتایج و با توجه به خودداری از خوردن غذا پیشنهاد شده که ممکن است سگ‌ها هم به اندازه خوک‌ها(حساس‌ترین حیوان) نسبت به DON حساس باشند. یافته دیگر در سگ‌ها و گربه‌هایی که به آنها غذای آلوده به DON داده شده بود استفراغ بود. اثر ویژه این پاسخ‌های بالینی به وُمی‌توکسین در سگ‌ها کاهش دریافت غذا و کاهش وزن بدن بود.

            اگر در حیوانات خانگی هنگام مصرف غذای حاوی غلات، علائمی مثل التهاب معده و روده همراه با خونریزی و کاهش وزن بدن مشاهده شد، مسمومیت با DON در فهرست موارد غیر محتمل قرار می‌گیرد. همانطور که قبلاً اشاره شد، کپک‌های فیوزاریوم دارای گرایشی جهت تولید سموم چندتایی شامل T-2، HT-2 و زئارلنون هستند. T2 و HT-2(که سموم قارچی بسیار تحریک‌کننده‌ای هستند) به‌صورت سینرژیسم دارای پتانسیل تداخل اثر با DON  هستند.

اُکراتوکسین‌ آ

اُکراتوکسین‌ها گروهی از سموم قارچی هستند که توسط کپک‌های پنیسیلیوم و آسپرژیلوس تولید می‌شوند. تولیدکنندگان عمده این گروه پنیسیلیوم‌وروکوزوم و آسپرژیلوس اُکراسیوس هستند، که گونه‌هایی از قارچ‌های انباری می‌باشند؛ اما می‌توانند در مزرعه هم رشد کنند. بنابراین پس از خرید غذا و در صورتی‌که غذا به صورت مناسب در منزل صاحب حیوان نگهداری نشده باشد این قارچ‌ها می‌توانند به صورت بالقوه اُکراتوکسین تولید کنند. این قارچ‌ها در اروپا شایع‌ترین نوع می‌باشند.

            اُکراتوکسین‌آ(OA) از غلات خصوصاً ذرت، بلوط، گندم و جو جدا شده است. با ارزیابی آلودگی دانه‌های طبیعی در آمریکای شمالی و اروپا آشکار شد که غلظت اُکراتوکسین‌آ در آنها ppb27000-5 است. در اروپا، اُکراتوکسین‌آ در بروز نفروپاتی آندمیک در بالکان شرکت داشت. همچنین این سم یک عامل بالقوه سرطان‌زا در جوندگان است. همانند دیگر سموم قارچی در مورد مسمومیت با اُکراتوکسین‌آ در سگ‌ها هم ارگان هدف اولیه کلیه است.

سیترینین

سیترینین یک متابولیت گونه‌های قارچی از جنس‌های پنیسیلیوم و آسپرژیلوس است. ممکن است سیترینین همزمان با اُکراتوکسین‌آ دیده شود زیرا انواع مشابهی از قارچ‌ها آنها را تولید می‌کنند. ارگان هدف اولیه در مسمومیت با سیترینین کلیه است. با اینحال سمیت کلیوی سیترینین نسبت به اُکراتوکسین‌آ10 برابر کمتر است.

            سیترینین باعث استفراغ شدید در سگ‌ها می‌شود که یک مکانیسم دفاعی در این گونه به حساب می‌آید. به صورت طبیعی بسیار غیرمحتمل است که سگ‌ها فقط دچار مسمومیت با سیترینین شوند زیرا مقادیر زیاد این سم باعث ایجاد استفراغ و خودداری از خوردن غذا می‌شود.

سموم قارچی ایجاد کننده رعشه

پنیترم‌آ و روک‌فورتین دو سم قارچی مهم ایجاد کننده رعشه در حیوانات خانگی هستند. قارچ‌های جنس پنیسیلیوم خصوصاً پنیسلیوم کراستوزوم سم پنیترم‌آ را تولید می‌کنند. این قارچ‌ها روی دانه‌های غلات و مواد آلی فاسد شده رشد می‌کنند. همچنین روک‌فورتین بوسیله قارچ‌های جنس پنیسیلیوم تولید می‌شود.

در ابتدا مشخص شده بود که این سم بوسیله پنیسیلیوم رکفورتی(یک قارچ که در تولید پنیرهای آبی مورد استفاده قرار می‌گیرد) تولید می‌شود، اما اخیراً نشان داده شده که چند گونه دیگر پنیسیلیوم هم این سم قارچی را بر روی سوبستراهای مختلف از جمله دانه‌ها، سوپ‌های فاسد شده و زباله تولید می‌کنند. بنابراین می‌توان آنها را به‌عنوان قارچ‌های انباری در نظر گرفت زیرا بر روی هر نوع ماده غذایی حیوانات خانگی که به‌صورت نامناسب انبار شده باشد رشد می‌کنند.

تقریباً در تمام موارد پنیترم‌آ و روک‌فورتین به‌صورت هم‌زمان تولید می‌شوند. زیرا قارچ‌هایی که هر دو نوع سم قارچی را تولید می‌کنند بر روی غلات مورد استفاده در تولید غذا برای حیوانات خانگی رشد می‌کنند. این مسئله مهم است که تولیدکنندگان مواد غذایی از خطرات این سموم قارچی مطلع باشند.

علائم بالینی مربوط به مسمومیت‌های قارچی ایجادکننده رعشه در سگ‌ها شامل لرزش عضلانی، عدم‌تعادل(اختلالات عصبی)، تشنج و مرگ است. اغلب در هنگام تشخیص این بیماری با مسمومیت با استریکنین یا مسمومیت با آفت‌کش‌ها و دیگر ترکیبات که باعث لرزش و تشنج در سگ‌ها می‌شوند، اشتباه می‌شود. مکانیسم فعالیت این سموم قارچی ایجادکننده رعشه مورد بررسی قرار نگرفته و این مایه تاسف است زیرا در حال حاضر مسمومیت با پنیترم‌آ و روک‌فورتین متداول‌ترین مسمومیت قارچی در حیوانات خانگی است که در کار کلینیکی با آن برخورد می‌شود.