ماجد طه
25-02-2007, 06:03
.
تأثير الأشـــــــــــعة على الـــــــــــــــذرة
لقد رأينا في الموضوع السابق الذي شاركت به في هذاالمنتدى الكريم والذي كان بعنوان الأشعة النووية أن المواد المشعة تعطي جسيمات ألفا وبيتا .
فماذا يحدث للذرة إذا سلّطنا عليها هذه الجسيمات ؟
تبدو الذرة كما لو كانت محمية بدرع مزدوجة , فالغلاف الإلكتروني يحميها من نفاذ الإلكترونات إلى داخلها , والنواة بشحنتها الموجبة تملك قوة تنافر تدفع عنها الأيونات ( ذرة فقدت بعامل ما إلكتروناتها ) والتي قد تنفذ عبر الغلاف الإلكتروني . لكن قذف الذرة بجسيم من أشعة ألفا أو بيتا يؤدي إلى نتائج تختلف باختلاف سرعة وكتلة الجسيم .
لقد استطاع العالم الإنكليزي رذرفورد عام 1919من إجراء أول تفاعل نووي معملي في هذا المجال وتوصل إلى نتيجة باهرة , حيث قذف نواة ذرة النيتروجين العادي بجزيئات ألفا المنبعثة من مصدر قوي وتبين له تكوين الأكسجين من هذا التفاعل , فكتب التفاعل على الشكل التالي :
1 N 14 + He 4 ---------------------> O17 + H
ويعني ذلك أنه عندما اصطدمت بعض جزيئات ألفا , التي هي أنوية الهليوم مع أنوية النيتروجين التحمت معها ولكن هذا الإلتحام لايمكن أن يستقر لحظة , فانطلق منه نيوترون وتبقى أحد نظائر الأكسجين النادرة وهو الأكسجين 17 .
ثم تتالت التفاعلات النووية العديدة لعلماء آخرون , وكان من نتائجها إنتاج نظائر عديدة لم تكن معروفة في الطبيعة من قبل وذلك باستخدام أشعة ألفا وباستخدام النيوترونات لقذف أنوية العناصر المختلفة . ولقد بينت القياسات الدقيقة لطاقة البروتون عند خروجه من النواة بفعل أشعة ألفا أن هذه الطاقة تفوق طاقة الجسيم الذي تسبب في خروج البروتون من النواة و, وقد أدت هذه الملاحظة إلى نتيجة هامة وهي إن نواة ذرة مادة ما , حتى ولو لم تكن مشعة تشكل مصدراً هاماً للطاقة إذا أخضعناها لظروف ملائمة .
فمثلاً : إن تحطيم نواة ذرة الألمنيوم وفصل بروتون عنها بواسطة أشــعة يتطلب بذل طاقة مقدارها 7.7 مليـــــون إلكترون فولت ( واحدات طاقة كهربائية ) أما الطاقة التي تصاحب هذا التحطم فتبلغ 10.7 مليون إلكترون فولت أي أن عملية قذف نواة ذرة الألمنيوم بالأشعة قد ولّد طاقة صافية مقدارها ثلاثة ملايين إلكترون فولت وبمقارنة هذه الطاقة بتلك الناتجة عن إحراق الفحم , نجد أنها تفوق طاقة الفحم بـ 700 ألف مرة .
لكن هذه النتيجة الباهرة بقيت ذات قيمة نظرية بحتة لمدة طويلة من الزمن , والسبب في ذلك أن العلماء في تلك الفترة لم يحسنوا استخدام الأشعة في عملية قذف الذرة , فقد كانوا يعمدون إلى توجيه مليون جسيم من الأشعة لكي يتوصل 20 جسيماً فقط لإصابة الهدف , وكانت هذه الصعوبة ناتجة عن ضعف احتمال إصابة نواة العنصر التي تُجرى عليها التجربة إصابة مباشرة بإحدى القذائف النووية حتى تنغرس في النواة وتحدث فيها التأثير المطلوب .
فالذرة معظمها فراغ وذلك نظراً للبعد الشاسع بين النواة والسحابة الإلكترونية , كما أن هذه السحابة تعوق وصول القذائف إلى النواة وخاصة إذا كانت القذيفة تحمل شحنة كهربائية موجبة مثل جزيئات ألفا , لذلك كانت النيترونات هي أفضل المقذوفات في هذه التجارب , ذلك أن النيترون ينفذ أولاً عبر الغلاف الإلكتروني للذرة بسهولة , لأنه لا يتأثر إطلاقاً بالإلكترونات , وعندما يقترب النيترون من النواة يدخل في مجال تأثير قوى مختلفة عن القوى المعروفة تسمى القوى الداخلية للنواة أو( القوى النيوكليونية ) وهي القوى التي تربط البروتونات وتحفظ للنواة شكلها وتماسكها , حيث ينجذب النيترون إلى داخل النواة بفضل هذه القوى ويؤدي هذا الدخول إلى اختلال التوازن داخل النواة وإلى حالة هياج ترتفع أثناءها درجة الحرارة إلى مليار درجة مئوية , مما يؤدي إلى انسلاخ الجسيمات عن النواة .
المسرّعات النووية
لقد ساعد اختراع المسرعات النووية على إجراء هذه التجارب بدقة وفعالية أكبر , والمسرّعات هي أجهزة ضخمة وظيفتها زيادة سرعة المقذوفات النووية قبل إطلاقها على ذرة العنصر الذي تجرى عليه التجربة حيث أن زيادة طاقة وسرعة المقذوف تزيد من احتمال اصطدامها بنواة العنصر وهذه المسرّعات تعتمد في عملها على المجال الكهربائي أو المجال المغناطيسي أو( فرق الكمون الكهربائي المتبدل ) , وتأتي المسرّعات الجزيئية في نوعين أساسيين :
أ ـ المسرّعات الخطية ( linear accelerators )
وهي أجهزة تعمل على تسريع الجزيئات النووية بشكل خطي مستقيم وهي تعتمد على الحقل الكهربائي وذلك لتسريع الجزيئات النووية المشحونة وإنتاج حزمة مركزة من هذه الأشعة لقذف نواة الذرة الهدف بها , وأكثر المسرّعات النووية المستخدمة هو نظام المسرّع الخطي الذي يتألف من أنبوبة مستقيمة يقارب طولها 100 متر فارغة تماماً حتى من الهواء , داخلها أنابيب قصيرة من النحاس مختلفة الأطوال تعطي أيونات موجبة .
ب ـ المسرّعات الدائروية أو الحلزونية ( Circular accelerators)
وهي تعتمد على الحقل المغناطيسي لتسريع الجزيئات النووية المشحونة في دائرة , حيث يمكن لهذه الجزيئات النووية أن تدور عدة مرات في المسرع الدائري وفي كل مرة تتعاظم طاقتها حتى تصل إلى مستويات طاقية عالية جداً , ومن ثم قصف الذرة الهدف في هذه التجارب , كما ويمكن استخدام المسرّعات الدائروية أيضاً لتسريع نوعين من الأشعة بشكل متعاكس لاستخدامها في تجارب عديدة لإنتاج أنواع جديدة من الجزيئات النووية من خلال الاصطدام العنيف لهذه الجزيئات المسرّعة حيث تتحول الطاقة الناتجة عن الإصطدام إلى مادة عن طريق تشكيل جسيمات نووية جديدة .
ويقع أكبر مسرّع دائري على الحدود الفرنسية السويسرية وهو تابع لمختبرات علماء الفيزياء النووية الأوربية في مدينة سيرن , حيث يتم تسريع الجزيئات النووية في نفق تحت الأرض بطول 100 متر ومن ثم في دائرة كبيرة يبلغ محيطها حوالي 27 كم , ودائرة أخرى صغيرة هي المكان الذي يتم فيه اصطدام حزم الأشعة الجزيئية المسرّعة .
من خلال ما سبق يتبين لنا أن الطاقة المنطلقة من التفاعلات النووية تزيد ملايين المرات عن الطاقة المنطلقة من التفاعلات الكيميائية العادية , ولكن حتى أواخر الثلاثينيات من القرن الماضي لم يفكر أحد في استخدام التفاعلات النووية كمصدر للطاقة , لأنها كانت تجري على نطاق معملي ولا تتعدى المواد المستخدمة فيها بضعة غرامات والأهم من ذلك أنه لم يكن من الممكن جعل هذه التفاعلات متسلسلة بحيث يغذي التفاعل نفسه , بمعنى آخر لم تكن هناك مادة تصلح كوقود نووي , مثلما كان الفحم مثلا ً.
.
تأثير الأشـــــــــــعة على الـــــــــــــــذرة
لقد رأينا في الموضوع السابق الذي شاركت به في هذاالمنتدى الكريم والذي كان بعنوان الأشعة النووية أن المواد المشعة تعطي جسيمات ألفا وبيتا .
فماذا يحدث للذرة إذا سلّطنا عليها هذه الجسيمات ؟
تبدو الذرة كما لو كانت محمية بدرع مزدوجة , فالغلاف الإلكتروني يحميها من نفاذ الإلكترونات إلى داخلها , والنواة بشحنتها الموجبة تملك قوة تنافر تدفع عنها الأيونات ( ذرة فقدت بعامل ما إلكتروناتها ) والتي قد تنفذ عبر الغلاف الإلكتروني . لكن قذف الذرة بجسيم من أشعة ألفا أو بيتا يؤدي إلى نتائج تختلف باختلاف سرعة وكتلة الجسيم .
لقد استطاع العالم الإنكليزي رذرفورد عام 1919من إجراء أول تفاعل نووي معملي في هذا المجال وتوصل إلى نتيجة باهرة , حيث قذف نواة ذرة النيتروجين العادي بجزيئات ألفا المنبعثة من مصدر قوي وتبين له تكوين الأكسجين من هذا التفاعل , فكتب التفاعل على الشكل التالي :
1 N 14 + He 4 ---------------------> O17 + H
ويعني ذلك أنه عندما اصطدمت بعض جزيئات ألفا , التي هي أنوية الهليوم مع أنوية النيتروجين التحمت معها ولكن هذا الإلتحام لايمكن أن يستقر لحظة , فانطلق منه نيوترون وتبقى أحد نظائر الأكسجين النادرة وهو الأكسجين 17 .
ثم تتالت التفاعلات النووية العديدة لعلماء آخرون , وكان من نتائجها إنتاج نظائر عديدة لم تكن معروفة في الطبيعة من قبل وذلك باستخدام أشعة ألفا وباستخدام النيوترونات لقذف أنوية العناصر المختلفة . ولقد بينت القياسات الدقيقة لطاقة البروتون عند خروجه من النواة بفعل أشعة ألفا أن هذه الطاقة تفوق طاقة الجسيم الذي تسبب في خروج البروتون من النواة و, وقد أدت هذه الملاحظة إلى نتيجة هامة وهي إن نواة ذرة مادة ما , حتى ولو لم تكن مشعة تشكل مصدراً هاماً للطاقة إذا أخضعناها لظروف ملائمة .
فمثلاً : إن تحطيم نواة ذرة الألمنيوم وفصل بروتون عنها بواسطة أشــعة يتطلب بذل طاقة مقدارها 7.7 مليـــــون إلكترون فولت ( واحدات طاقة كهربائية ) أما الطاقة التي تصاحب هذا التحطم فتبلغ 10.7 مليون إلكترون فولت أي أن عملية قذف نواة ذرة الألمنيوم بالأشعة قد ولّد طاقة صافية مقدارها ثلاثة ملايين إلكترون فولت وبمقارنة هذه الطاقة بتلك الناتجة عن إحراق الفحم , نجد أنها تفوق طاقة الفحم بـ 700 ألف مرة .
لكن هذه النتيجة الباهرة بقيت ذات قيمة نظرية بحتة لمدة طويلة من الزمن , والسبب في ذلك أن العلماء في تلك الفترة لم يحسنوا استخدام الأشعة في عملية قذف الذرة , فقد كانوا يعمدون إلى توجيه مليون جسيم من الأشعة لكي يتوصل 20 جسيماً فقط لإصابة الهدف , وكانت هذه الصعوبة ناتجة عن ضعف احتمال إصابة نواة العنصر التي تُجرى عليها التجربة إصابة مباشرة بإحدى القذائف النووية حتى تنغرس في النواة وتحدث فيها التأثير المطلوب .
فالذرة معظمها فراغ وذلك نظراً للبعد الشاسع بين النواة والسحابة الإلكترونية , كما أن هذه السحابة تعوق وصول القذائف إلى النواة وخاصة إذا كانت القذيفة تحمل شحنة كهربائية موجبة مثل جزيئات ألفا , لذلك كانت النيترونات هي أفضل المقذوفات في هذه التجارب , ذلك أن النيترون ينفذ أولاً عبر الغلاف الإلكتروني للذرة بسهولة , لأنه لا يتأثر إطلاقاً بالإلكترونات , وعندما يقترب النيترون من النواة يدخل في مجال تأثير قوى مختلفة عن القوى المعروفة تسمى القوى الداخلية للنواة أو( القوى النيوكليونية ) وهي القوى التي تربط البروتونات وتحفظ للنواة شكلها وتماسكها , حيث ينجذب النيترون إلى داخل النواة بفضل هذه القوى ويؤدي هذا الدخول إلى اختلال التوازن داخل النواة وإلى حالة هياج ترتفع أثناءها درجة الحرارة إلى مليار درجة مئوية , مما يؤدي إلى انسلاخ الجسيمات عن النواة .
المسرّعات النووية
لقد ساعد اختراع المسرعات النووية على إجراء هذه التجارب بدقة وفعالية أكبر , والمسرّعات هي أجهزة ضخمة وظيفتها زيادة سرعة المقذوفات النووية قبل إطلاقها على ذرة العنصر الذي تجرى عليه التجربة حيث أن زيادة طاقة وسرعة المقذوف تزيد من احتمال اصطدامها بنواة العنصر وهذه المسرّعات تعتمد في عملها على المجال الكهربائي أو المجال المغناطيسي أو( فرق الكمون الكهربائي المتبدل ) , وتأتي المسرّعات الجزيئية في نوعين أساسيين :
أ ـ المسرّعات الخطية ( linear accelerators )
وهي أجهزة تعمل على تسريع الجزيئات النووية بشكل خطي مستقيم وهي تعتمد على الحقل الكهربائي وذلك لتسريع الجزيئات النووية المشحونة وإنتاج حزمة مركزة من هذه الأشعة لقذف نواة الذرة الهدف بها , وأكثر المسرّعات النووية المستخدمة هو نظام المسرّع الخطي الذي يتألف من أنبوبة مستقيمة يقارب طولها 100 متر فارغة تماماً حتى من الهواء , داخلها أنابيب قصيرة من النحاس مختلفة الأطوال تعطي أيونات موجبة .
ب ـ المسرّعات الدائروية أو الحلزونية ( Circular accelerators)
وهي تعتمد على الحقل المغناطيسي لتسريع الجزيئات النووية المشحونة في دائرة , حيث يمكن لهذه الجزيئات النووية أن تدور عدة مرات في المسرع الدائري وفي كل مرة تتعاظم طاقتها حتى تصل إلى مستويات طاقية عالية جداً , ومن ثم قصف الذرة الهدف في هذه التجارب , كما ويمكن استخدام المسرّعات الدائروية أيضاً لتسريع نوعين من الأشعة بشكل متعاكس لاستخدامها في تجارب عديدة لإنتاج أنواع جديدة من الجزيئات النووية من خلال الاصطدام العنيف لهذه الجزيئات المسرّعة حيث تتحول الطاقة الناتجة عن الإصطدام إلى مادة عن طريق تشكيل جسيمات نووية جديدة .
ويقع أكبر مسرّع دائري على الحدود الفرنسية السويسرية وهو تابع لمختبرات علماء الفيزياء النووية الأوربية في مدينة سيرن , حيث يتم تسريع الجزيئات النووية في نفق تحت الأرض بطول 100 متر ومن ثم في دائرة كبيرة يبلغ محيطها حوالي 27 كم , ودائرة أخرى صغيرة هي المكان الذي يتم فيه اصطدام حزم الأشعة الجزيئية المسرّعة .
من خلال ما سبق يتبين لنا أن الطاقة المنطلقة من التفاعلات النووية تزيد ملايين المرات عن الطاقة المنطلقة من التفاعلات الكيميائية العادية , ولكن حتى أواخر الثلاثينيات من القرن الماضي لم يفكر أحد في استخدام التفاعلات النووية كمصدر للطاقة , لأنها كانت تجري على نطاق معملي ولا تتعدى المواد المستخدمة فيها بضعة غرامات والأهم من ذلك أنه لم يكن من الممكن جعل هذه التفاعلات متسلسلة بحيث يغذي التفاعل نفسه , بمعنى آخر لم تكن هناك مادة تصلح كوقود نووي , مثلما كان الفحم مثلا ً.
.