[@سعوديه@]

اسس الفيزياء النووية


الفيزياء النووية أصبحت في هذه الأيام ضرورة للعالم المتطور ، فقد أصبحت إحدى الأسس الكبرى لبناء المستقبل ، نظراً لما توفره من امكانيات جبارة وطرق سهلة للتحكم بالطاقة الكامنة ..

ولكن للأسف اشتهر عند العامة أن الفيزياء النووية ليست سوى قنابل وتدمير

يظن الكثير أن فكرة الفيزياء النووية بدأت مع بداية الفيزياء الحديثة ، وهي في الحقيقة بدأت منذ أن تم اكتشاف الذرة ، ولكنها بدأت تتضح أكثر مع بداية ظهور عصر الفيزياء الحديثة ، التي أنجبت لنا ما يسمى بالفيزياء النووية، التي هي بدورها أنجبت طفلاً صغيراً أسميناه فيما بعد بـ(فيزياء الجسيمات الأولية) ،

ولكن هناك سؤال في بداية تعلمنا للفيزياء النووية وهو :

ماذا تعرف عن النواة nucleus؟

النواة وهي المحور الذي تدور حوله الفيزياء النووية ،هذا الجسيم المنتاهي بالصغر ، يشكل عالم متكامل منظم من القوى عجزت عن وصفه اعظم النظريات العريقة ، لذلك يجب علينا أن نعرف خواص هذا الجسيم قبل البدء في الكلام عن النشاط الإشعاعي والتطبيقات النووية ، دلت التجارب و الأبحاث على أن النواة هي عبارة عن جسيم مشحون كتلته أكبر بكثير من كتلة الإلكترونات التي هي عبارة جسيمات صغيرة تدور حول النواة بسرعة كبيرة ، وقد أثبتت التجارب على أن النواة تتكون من نوعين من الجسيمات هما : البروتونات والنيوترونات ، ولأن هذين النوعين من الجسيمات يتشابهان بشكل كبير فيطلق عليهما لفظ (النيوكلونات) ، ولنبدأ باسم الله في خواص النواة :

1- رقم الكتلة (A) MASS NUMBER

وهو عدد النيوكلونات في النواة ، أي عدد النيوترونات + عدد البروتونات ، ومن الجدير بالذكر أن عدد الكتلة يبقى ثابتاً في أي عملية نووية من النوع العادي (أي بدون تكون أضداد الجسيمات) ويسمىذلك بـ(قانون حفظ رقم الكتلة Conservation of mass number) ، ويكون رقم الكتلة مقدراً بوحدة الكتلة الذرية العالمية ..

2- رقم شحنة النواة (Z) nucleus charge number

يتحدد رقم شحنة النواة بعدد البروتونات في النواة ، كما أن رقم الشحنة يحدد عدد الإلكترونات ، الذي يحدد ترتيب العنصر في جدول العناصر ، كما أن رقم الشحنة يحدد الخصائص الكيميائية للعنصر ، وإذا علمنا رقم الكتلة لنواة عنصر معين ورقم الشحنة فإننا نستطيع أن نستنتج عدد النيوترونات (N) عن طريق المعادلة التالية :

N=A-Z

ويطلق على العناصر التي أنويتها متساوية في عدد الشحنة(Z) بالنظائر أو الأيزوتوبات ، كما يطلق على العناصر التي أنويتها متساوية في عدد الكتلة(A) بالمتكاتلات أو الأيزوبارات ، كما يطلق على العناصر التي أنويتها متساوية في عدد النيوترونات(N) بالأيزوتونات ..

[blink]مسائل :[/blink]
إذا علمت أن نواة النيتروجين تحتوي على 7 بروتونات و7 نيوترونات ، فأوجد عدد الشحنة وعدد الكتلة.

[blink]الجواب:[/blink]
عدد الكتلة = عد البرتونات + عدد النيوترونات = 14
عدد الشحنة = عدد البروتونات = 7

3- الطاقة النسبية للنواة

قد علمنا من النظرية النسبية أن أي جسم له كتلة ثابتة فطاقته تساوي كتلته مضروبة في تربيع سرعة الضوء ، فالطاقة النسبية للنواة هي كتلتها بالكيلوجرامات في تربيع سرعة الضوء .

[blink]مسائل :[/blink]
أوجد الطاقة النسبية لنواة ، إذا علمت أن كتلتها تساوي 1جرام .
[blink]الحل :[/blink]
من معادلة النظرية النسبية : {الطاقة=الكتلة × مربع سرعة الضوء}
= 9×10^20

4- نصف قطر النواة ® Nuclear radius

أثبت العالم رذرفورد أن النواة ليست نقطية ، وكان أول من أعطى نتائج مبدئية عن نصف قطر نواة الذهب ، وذلك بدراسة تشتت جسيمات ألفا عند اصطدامها برقائق الذهب ، وقد أثبتت التجارب الحديثة أن نصف قطر النواة يعطى من خلال العلاقة التالية :

R = r0 X A^1/3

حيث أن :

A= عدد الكتلة
r0= هو عدد ثابت ويساوي تقريباً (1.37×10^-15 متر)

5-اللف المغزلي SPIN

كما عرفنا أن النواة تحتوي على بروتونات ونيوترونات بداخلها ، ويوجد فراغات صغيرة فيما بين هذه الجسيمات ، لذلك فإن هذه الجسيمات تكون في حركة دائمة داخل النواة ، وحيث أن البروتونات والنيترونات تمتلك عزماً ميكانيكياً يقدر بـ2/1h ، ويكون هذا العزم الميكانيكي على شكل لف مغزلي ، وهو دوران الجسيمات بطريقة مغزلية حول نفسها ويجمع هذا اللف المغزلي ليكون اللف المغزلي للنواة ، ولكن نريد أن ننبه أن اللف المغزلي للنواة يتم جمعه بطريقة خاصة حيث أنه قد تكون النواة يوجد به أكثر من 100 بروتون ونيوترون ، ويكون لفها المغزلي لا يتجاوز 1h !! فكيف يحدث هذا ؟!! ، عندما يكون بالنواة بروتونان ، فإنهما يتزاوجان ويلغي كل منهما عزم الآخر ، فإذا كان بالنواة 50 نيوترون و60 بروتون ، فإن عزم النواة يكون صفر ، فالأعداد الزوجية من البروتونات أو النيوترونات يلغي بعضهم بعضاً، أما إذا كانت الأعداد فردية فهي تجمع مع عزمها الدائري ، وهو عزم ميكانيكي تدور فيه جسيمات في مدارات في الذرة ، ويكون الناتج هو عزم النواة ..

6- العزم المغناطيسي

إذا كان هناك جسم يحمل شحنة معينة فمن الطبيعي أنه إذا فإنه بدورانه حول نفسه (العزم المغزلي) ، أو بدورانه في مدار في داخل الذرة ( العزم الدوراني) يكوّن مجال مغناطيسي ، يسمى بالعزم المغناطيسي ، وهذا العزم المغناطيسي يقاس بوحدة تسمى بمغناطيس بوهر (Mb)أو بوحدة عامة أخرى تسمى بالمغناطيس النووي(Mn) ، فالعزم المغناطيسي النابع من العزم الدوراني للإلكترون في أقل مستوى دوران في الذرة يساوي 1Mb ، والعزم المغناطيسي النابع من عزمه المغزلي يساوي 2mb ، وكذلك البروتونات والنيترونات لها عزم مغناطيسي ، ويجمع العزم المغناطيسي كما يجمع العزم الميكانيكي ، فالبروتونان يستبعد عزمهما بالتزاوج ، والنيوترونان كذلك ..

7- الزخم الزاوي

لنفترض أن هناك جسم يسير بسرعة v في مدار معين ، وهو في نفس الوقت يدور حول نفسه ، كدوران كوكب الأرض حول محوره ودورانه في مدار حول الشمس ، فإنه بدورانه في مدار حول الشمس ، ينتج زخم خطي أي كمية حركة خطية تحسب بالمعادلة التالية:

p = v x m

حيث أن :

p= الزخم الخطي
v= السرعة الخطية
m= الكتلة الثابتة

كما أنه بدورانه حول نفسه ينتج زخم مغزلي يحسب بالمعادلة السابقة



ماهي الذرة ؟

بعد أن جاء الفيلسوفان الإغريقيان ليوسيبس وديموقريطس في القرن الخامس قبل الميلاد بفكرة أن المادة تتكون من جسيمات أولية غير قابلة للتجزئة ، خالفها الفيلسوف الشهير أرسطو وأقر أن المادة رباعية التكوين (الماء،النار،التراب،الهواء)، وسيطرت هذه الفكرة على عقول العلماء ، وقلوب الفقراء الذين يفكرون في تحويل المواد الرخيصة إلى فضة وذهب وجواهر ، وبعد حوالي 2000 عام من ضياع الجهود والعقليات في المحاولة دون فائدة في تحويل العناصر ، قام الفيلسوف بيكون بمهاجمة آراء أرسطو في بنية المادة ، وأيد فكرة ليوسيبس وديموقريطس ، وطلب العلماء أن يتركوا تقليد أرسطو الأعمى وأن يبحثوا في موضوع تكون المادة من ذرات ، وكان من نتيجة ذلك أن قام عالم الغازات الإيرلندي بويل بإقتراح أن الغازات تتكون من جسيمات صغيرة جداً ، وكان ادخال مفهوم الفراغ الذي أدخلتها تجارب توريشلي الإيطالي ، دعماً لبويل في أن هذه الجسيمات يوجد بينها فراغات تقل وتزداد حسب الضغط ، ثم قام نيوتن بتوسيع هذا المفهوم ليدخل فيه السوائل والجوامد ، ثم استطاع لافوازييه الفرنسي أن يكتشف قانون حفظ المادة عن طريق التجارب المستمدة من الكيميائي بريستلي ، وأن المادة لا يمكن للإنسان أن يفنيها أو ينتجها من العدم ، وهذه القاعدة أعطت حدود للمنطقية في نظريات المادة .

ثم وفي عام 1808م طرح جون دالتون تصوره عن الذرة بأنها عبارة عن جسم مصمت ككرات البيلياردو ، فلاقى ذلك موافقة من العلماء دامت ما يقارب القرن ، إلى أن تجارب فارداي في أنبوبة التفريغ الكهربائي تؤكد أن للذرة علاقة بالكهرباء، وبأن هناك جسيمات كهربائية سالبة توجد في الذرة ، وسميت هذه الجسيمات فيما بعد بالإلكترونات، ومنذ أن بدأت الكهرباء تدخل في تكوين الذرة بدأت الشيخوخة تصيب نظرية دالتون ، وبما أنه يوجد بالذرة أجسام سالبة ، فإنها كي تتعادل الذرة ، يجب أن تكون هناك جسيمات موجبة ،فقام العالم الأمريكي ميليكان بقياس شحنة الإلكترون ، فتأكد العالم طومسون بأن جميع ذرات العناصر تحتوي على إلكترونات لها نفس الكتلة والشحنة ، وطرح في عام 1910م تصوره عن الذرة بأنها جسيم مشحون بشحنة موجبة يتواجد داخلها جسيمات سالبة ، وأن جسيمات ألفا لاتأثر في هذه الذرات ، بل تمر مرور الكرام ، ولكن هذا التصور لم يدم طويلاً ، فتجارب جايجر ومردسن ورذرفورد عام 1911م أثبتت أن عدد لا بأس به من جسيمات ألفا قد إنحرف بزوايا عالية عند مروره بذرات ثقيلة كذرات الذهب ، مما يدل على أن هناك شيء إصطدمت به جسيمات ألفا وانحرفة عن مسارها ،وهذا أثبت أن هناك جسيم عالي الكثافة موجود في داخل الذرة ، فطرح في نفس العام رذرفورد نموذجه عن الذرة وأنها تحتوي على نواة وهي جسيم مركزي تتركز فيه كتلة الذرة والشحنة الموجبة بينما تتواجد الإلكترونات على مسافات بعيدة عن النواة ، وتعمل على تنظيم ذلك الكهرومغناطيسية الكلاسيكية (القديمة) .

إلا أن هذا النموذج فشل أيضاً ، فقد كانت تفترض الكهرومغناطيسية الكلاسيكية أن أن الإلكترون عندما يبدأ بالإشعاع يقترب من النواة أكثر فأكثر فينتهي به الأمر في داخلها ، فتتعادل الشحنتان ، وتختفي المادة !! ، وهذا يخالف التجربة ، وبعد قام العالم الدناماركي بوهر بمناقشة العالمين ماكس بلانك وأينشتاين في نظريتي (المكانيك الكمي) و(النظرية النسبية) استنتج على ضوء نظرياتهم في عام 1915م أن الإكترون يدور في مدارات ثابت حول النواة و عندما ينتقل من مدار لآخر يشع أو يمتص إشعاع ،كما أنه لا يستمر في إطلاق الإشعاع إلى مالا نهاية كما إفترضت الكهرومغناطيسية الكلاسيكية ، بل يشع إلى حد معين بعدها يتوقف الإشعاع ، فبعد نموذج بوهر طوى النظرية الكهرمغناطيسية الكلاسيكية النسيان ، وحقق نموذج بوهر للذرة نجاحات كبيرة ، وظل نموذجاً أساسياً لكثر من النماذج بعده..


بعد أن تم اكتشاف أن النواة تتكون من جسيمات صغيرة ، وهي النيوترونات والبروتونات ، لاحظ العلماء أن النواة تمسك هذه الجسيمات بإحكام شديدة مع أن النظريات -وقتها- كانت تصرح بصعوبة ذلك، فسيطر على عقولهم التساؤل عن سر هذه القوة الهائلة للنواة في حفظ محتوياتها ، وأيقنوا بالفعل أن باباً جديداً من القوى قد فتح للزائرين ..










ReKaRdo
افتراضي




ولكن ، ما هذه القوة ؟

دعنا الآن نحللها سوياً، ولنبدأ بأبسط القوى ، وهي القوة التي تجمع الكواكب في المجموعة الشمسية ، يمكننا أن نستخدم في تفسيرها بكل سهولة بقانون نيوتن في الجاذبية القائل :

(قوة الجاذبية بين جسمين تتناسب طردياً مع حاصل ضرب كتلتي الجسمين وعكسياً مع تربيع المسافة بينهما)

وهكذا استطعنا أن نفسرها تفسير مقنع للغاية ، ولكن يبرز التحدي عندما نتحدث عن قوة أصعب قليلاً ، وهي القوة التي تثبت الإلكترون في مداره حول النواة ، فعندما نستعمل قانون الجاذبية ، تكون محصلة القوة ضعيفة للغاية لاتستطيع أن تحفظ الإلكترون في مساره ، وعندما استعمل العلماء قانون كولوم في أن الأجسام ذات الشحنات الكهربائية المتماثلة تتنافر والمختلفة تتجاذب ، كان مقنعاً بقوة جديدة أسموها الكهرمغناطيسية ، ولكن ماذا عن طاقة النواة في حفظ مكوناتها ؟ ، دعنا نبدأ بالجاذبية ونرى هل هي مفسرة لهذه القوة أم لا ، فإذا وضعنا كتلة النيوكلونات في معادلة الجاذبية تفاجأنا بالمحصلة الضئيلة التي تدل على أن الجاذبية لا تفسر بالطبع هذه القوة ، وإذا أخذنا القوة الكولومية كمفسر لقوة الترابط ، لوجدنا أنها ليست صالحة أبداً لهذه المهمة ، لأننا إذا أخذنا مثلاً ذرة الهيليوم المكون من نيوترونان عديمي الشحنة وبروتونان موجبي الشحنة ، نجد أن القوة الكولومية لو كانت هي المتحكمة في النواة فسوف تمزق أجزائها ، لأن البروتونان يجب أن يتنافرا حسب هذه القوة ، مما دل على أن هناك قوة جديدة أكبر من قوة التنافر الكولومية بكثير ، مما زاد العلماء حيرة على حيرتهم في غموض هذه القوة ، التي أسموها فيما بعد بالقوة النووية الشديدة ..



ما هي خصائص هذه القوة ؟

لهذه القوة الجديدة خصائص غريبة ومختلفة عن باقي القوى ، فهي قوة تجاذبية ولكن ليس كالجاذبية الثقالية ، فمداها تقريباً 2 فيرمي ، وبعدها تختفي هذه القوة ، وعندما يقترب الجسم تزيد القوة النووية لجذبه ، ولكن إذا وصلت المسافة بين النيوكلونين لأقل من 0.5 فيرمي فإن القوى الجذب تتحول إلى تنافر فجأة ، وذلك لتجنب الأندماج ، كما أن هذه القوة لا علاقة لها أبداً بالقوة الكهربائية(الكولومية) حيث أن التجاذب بين النيوترونان يساوي التجاذب بين البروتونان يساوي التجاذب بين النيوترون والبروتون ، كما أن لهذه القوة ميزة خاصة تسمى التشبع ، أي أن النيوكلون يتبادل هذه القوى مع النيوكلونات المجاورة فقط وليس له علاقة بالنيوكلونات البعيدة ..


هل القوة النووية متساوية في كل الأنوية ؟

من المفاجئ أن القوة النووية غير متساوية في كل الأنوية ، مع أن جميع الأنوية تحتوي على نفس البروتونات والنيوترونات إلا أن هناك مؤثرات تؤثر على القوة النووية في أنوية العناصر ، فمعدل القوة النووية (0.0Mev) عند الهيدروجين ذو النيوكلون الواحد و (2.5Mev)عند نواة الهيلوم ذو البروتونين والنيترون ، ويقفز المعدل إلى (7Mev) عند الهيليوم ذو البروتونين والنيوترونين ، ثم يستمر المعدل في الإرتفاع تدريجياًكلما تقدمنا في ترتيب العناصر حتى يصل إلى عنصر الحديد (8.8Mev) ثم يعود بالإنخفاض تدريجياًإلى (7.3Mev) في آخر الجدول الدوري، وهكذا يكون معدل معظم العناصر مابين(7Mev) و (8.8Mev) ، لذلك نواة الحديد الحديد هي أقوى الأنوية من ناحية طاقة الإرتباط ، قال تعالى {وأنزلنا الحديد فيه بأس شديد} ..


ما هي المؤثرات التي تؤثر على القوة النووية ؟

كما علمنا أن القوة النووية (طاقة الإرتباط) ليس متساوية في جميع العناصر ، وذلك بسبب مؤثرات منها ما يزيد في طاقة الإرتباط النووي (موجب) ومنها ماينقص منه (سالب) ، وقد أبدع نموذج قطرة السائل في وصف وتحليل طاقة الإرتباط ، فعن طريق هذا النموذج تم اكتشاف أهم المؤثرات على طاقة الإرتباط ، وهذه لمحة سريعة لأهم هذه المؤثرات :

مؤثر الحجم :

وهذا مؤثر موجب حيث أنه كلما زاد عدد النيوكلونات ، زادت القوة النووية ، وهذا المؤثر يكون فعال حتى نصل إلى ذرة الحديد ، وبعدها تغلب عليه المؤثرات الأخرى .

مؤثر التوتر السطحي :

عندما يكون النيوكلون في سطح النواة فإنه يتبادل القوى مع جهة واحدة فقط ، لذلك تقل الطاقة الرابطة بسبب هذا الموقع ، وكلما زادت مساحة السطح كلما قلت الطاقة الرابطة بسبب هذا المؤثر السالب ..

مؤثر كولوم :

لأن البروتونات لها شحنات موجبة ، فإن قوة كولوم التي تقول أن الأجسام المتشابهة الشحنة يجب أن تتنافر ، يكون لها دور بالتأكيد في تحديد طاقة النواة ، كما أن القوة الكهربائية ليست من صفاتها التشبع مثل القوة النووية ، لذلك أي بروتون في النواة يتنافر مع جميع بروتونات الذرة ، ويمكن صياغة هذا المؤثر السلبي على أنه كلما زاد عدد البروتونات قلت طاقة الإرتباط ..

مؤثر التماثل :

أثبتت التجارب أن النواة تميل إلى كون عدد النيوترونات يساوي عدد البروتونات ، لذلك يقول هذا المؤثر السالب أنه كلما زاد الفرق بين عدد النيوترونات وعدد البروتونات ، تقل الطاقة الرابطة ، وهذا المؤثر يكون غالباً في الأنوية الخفيفة (40>z) ، أما الأنوية الثقيلة فالنيوترونات فيها هي الأكثرية ..

مؤثر التزاوج :

وهو مؤثر يتفق مع المشاهدات العلمية ، وهو أن الأنوية التي عدد بروتوناتها وعدد نيوتروناتها زوجيين تكون أكثر استقراراً ، ويليها الأنوية التي عدد نيوتروناتها فردي وعدد نيوتروناتها زوجي أو العكس ، ثم في الأخير الأنوية التي عدد بروتوناتها وعدد نيوتروناتها فرديين ، وهي خمسة عناصر فقط في الطبيعة ..

مؤثر القشرة :

وهذا المؤثر أظهره نموذج القشرة ، وهو يقول أنه كلما كان عدد النيوترونات أو البروتونات مقارباً من أحد الأعداد السحرية فإن الطاقة الرابطة تزيد ..


ما هو عيب الكتلة ؟ وما علاقته بالطاقة الرابطة ؟

إذا قيل لك أوجد كتلة نواة الهيليوم ذو النيوترونين والبروتونين على الطريقة الحسابية، فإنك ستقول :


2 × كتلة البروتون + 2 × كتلة النيوترون = كتلة نواة الهيليوم

أي: 2 × 1.00727 + 2 × 1.008665 = 4.03187

ولكن التجربة تثبت بدقة أن كتلة نواة الهيليوم تساوي 4.00150 ، أي أن الفرق يساوي 0.03037 ، وهذا الفرق أكبر من أن يكون خطأ تجريبي ، فأين ذهب هذا الفائض في الكتلة ؟ ، علماً أن هذا الحال ليس في الهيليوم فقط بل هو منتشر في بقية العناصر ، فوزن النيوكلونات وهي مفردة أكبر من وزن النيوكلونات وهي تشكل نواة والفرق بين الكتلتين يسمى (عيب الكتلة)، وهذه النقطة حيرت العلماء كثيراً، حتى أنهم بدأوا يشكون في صحة قانون حفظ الكتلة ، إلى أن جاء أينشتاين بمعادلته المعروفة التي أثبت بها أن الكتلة في النواة من الممكن أن تقل في حالة واحدة ، وهي أنها تحولت إلى طاقة ، مما أكد للعلماء أن هذه الكتلة تحولت إلى طاقة مكافئة ، وسخرت هذه الطاقة العظيمة لحفظ النواة وتثبيت مكوناتها ..


هل هناك علاقة بين طاقة الترابط والإستقرار النووي ؟

نعم ، فالنواة تكون مستقرة إذا كانت طاقة الترابط فعالة

]نقاط مهمة :[

1 فيرمي = 10^-15 مليمتر
1Mev= 1.602 × 10^-13 جول
قوة كولوم = القوة الكهربائية = القوة الكهر مغناطيسية
القوة النووية = قوة الترابط = الطاقة الرابطة


ReKaRdo