الاضمحلال النووي والتفاعلات النووية
9-2 الاضمحلال النووي والتفاعلات النووية
Nuclear Decay and Reactions
الأهداف
- تصف ثلاثة أنماط للاضمحلال الإشعاعي.
- تحل معادلات نووية.
- تحسب كمية المادة المشعة المتبقية ونشاطها بعد فترة زمنية محددة.
- تعرف الاندماج النووي والانشطار النووي.
- تصف عمل المفاعل النووي.
المفردات
| المفردة |
| ---------------- |
| المواد المشعة |
| اضمحلال ألفا |
| اضمحلال بيتا |
| اضمحلال جاما |
| التفاعل النووي |
| عمر النصف |
| النشاط الإشعاعي |
| الانشطار النووي |
| التفاعل المتسلسل |
| الاندماج النووي |
في عام 1896م استعمل بيكرل مركبات تحتوي على عنصر اليورانيوم. وفوجئ أن لون الصفائح الفوتوجرافية التي كانت تغطي اليورانيوم وتحجب الضوء عنه أصبح ضبابيًا، وهو ما حدث أيضًا للصفائح التي تعرضت جزئيًا لليورانيوم القريب من موقع اليورانيوم.
ودل هذا اللون الضبابي على أن نوعًا من الأشعة المنبعثة من اليورانيوم قد نفذت من الصفيحة التي تغطيه.
ووجد أن بعض المواد الأخرى غير اليورانيوم أو مركباته قادرة على أن تطلق مثل هذه الأشعة النافذة. والمواد التي تطلق مثل هذا النوع من الإشعاع تسمى المواد المشعة.
وبسبب انبعاث جسيمات من هذه المواد فإنها تضمحل، وتضمحل النواة عندما تنتقل تلقائيًا من حالة أقل استقرارًا إلى حالة أكثر استقرارًا.
الاضمحلال الإشعاعي
Radioactive Decay
في عام 1899م اكتشف العالم رذرفورد ورفاقه أن عنصر الرادون يتحول تلقائيًا إلى نواة أخف ونواة هيليوم خفيفة.
وفي العام نفسه اكتشف أيضًا أن مركبات اليورانيوم تنتج ثلاثة أنواع مختلفة من الإشعاع فصل بينها تبعًا لقدرتها على اختراق المواد.
وقد أطلق عليها اسم:
- إشعاعات ألفا α.
- إشعاعات بيتا β.
- إشعاعات جاما γ.
حيث يمكن إيقاف جسيمات ألفا عند اصطدامها بصفيحة رقيقة من الورق، بينما يلزم سمك 6 mm من الألومنيوم لإيقاف معظم جسيمات بيتا، ويلزم سمك عدة سنتمترات من الرصاص لإيقاف إشعاع جاما.
اضمحلال ألفا
جسيم ألفا عبارة عن نواة هيليوم:
⁴₂He
وعملية انبعاث جسيم ألفا من النواة تسمى اضمحلال ألفا.
العدد الكتلي لجسيم ألفا ⁴₂He هو 4، والعدد الذري له 2.
فعندما تطلق النواة جسيم ألفا فإن عددها الكتلي A ينقص بمقدار 4، بينما ينقص عددها الذري Z بمقدار 2، فيتحول العنصر إلى عنصر مختلف.
وعلى سبيل المثال يتحول اليورانيوم:
²³⁸₉₂U
إلى ثوريوم:
²³⁴₉₀Th
نتيجة اضمحلال ألفا.
اضمحلال بيتا
جسيمات بيتا عبارة عن إلكترونات تنبعث من النواة، ولكن النواة لا تحتوي على إلكترونات. فمن أين تأتي هذه الإلكترونات؟
يحدث اضمحلال بيتا عندما يتحول النيوترون إلى بروتون داخل النواة.
وفي جميع التفاعلات يجب أن تبقى الشحنة محفوظة، لذا يجب أن تساوي الشحنة قبل التفاعل الشحنة بعد التفاعل.
فعندما تحدث عملية اضمحلال بيتا يتحول النيوترون إلى بروتون وينتج أيضًا إلكترون.
وفي هذا الاضمحلال تنتهي نواة عدد نيوتروناتها N وعدد بروتوناتها Z متحولة إلى نواة جديدة عدد نيوتروناتها N - 1 وعدد بروتوناتها Z + 1، مع ظهور جسيم آخر يدعى ضديد النيوترينو مرافق لاضمحلال بيتا.
اضمحلال جاما
ينتج اضمحلال جاما نتيجة إعادة توزيع الطاقة داخل النواة.
وإشعاع γ عبارة عن فوتونات ذات طاقة عالية.
ونتيجة لذلك لا يتغير العدد الكتلي أو العدد الذري للنواة المضمحلة.
ويرافق إشعاع جاما عادة اضمحلال ألفا أو بيتا.
وقد تم تلخيص أنواع الاضمحلال الثلاثة للإشعاع في الجدول 9-1.
تمر العناصر المشعة خلال سلسلة الاضمحلالات الإشعاعية لتكون نواة مستقرة في النهاية.
مثال: يخضع اليورانيوم:
²³⁸₉₂U
إلى 14 اضمحلالًا قبل أن ينتج نظير الرصاص المستقر:
²⁰⁶₈₂Pb
كيف أحمي نفسي من النشاط الإشعاعي؟
ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
رابط_الدرس_الرقمي_وكيف_أحمي_نفسي_من_النشاط_الإشعاعي.png
الجدول 9-1
أنواع الإشعاع الثلاثة
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الجدول_9-1_أنواع_الإشعاع_الثلاثة.png
| المقارنة | جسيم ألفا | جسيم بيتا | إشعاع جاما |
| ---------------------- | ---------- | ----------- | -------------------- |
| الشحنة | شحنة +2 | شحنة -1 | متعادل |
| النفاذية | أقل نفاذًا | طاقة متوسطة | أكبر نفاذًا |
| تحولات النواة | A → A - 4 | A → A | تحولات في الطاقة فقط |
| تحولات العدد الذري | Z → Z - 2 | Z → Z + 1 | Z → Z |
| تحولات عدد النيوترونات | N → N - 2 | N → N - 1 | N → N |
التفاعلات والمعادلات النووية
Nuclear Reactions and Equations
يحدث التفاعل النووي عندما تتغير طاقة النواة أو عدد النيوترونات أو عدد البروتونات فيها.
إن بعض التفاعلات النووية ينتج عنها طاقة، كما يحدث في التفاعلات الكيميائية، بينما تحدث تفاعلات أخرى فقط عندما تزود النواة بطاقة.
وأحد أنواع التفاعل النووي هو انبعاث جسيمات بواسطة النشاط الإشعاعي للنواة المشعة.
ويطلق التفاعل طاقة زائدة على شكل طاقة حركية للجسيمات المنبعثة.
ويمكن وصف التفاعلات النووية باستخدام:
- الكلمات.
- التمثيل البياني.
- المعادلات.
والرموز المستخدمة للأنوية المشاركة في المعادلات النووية تجعل حسابات العدد الذري والعدد الكتلي في التفاعلات النووية أكثر سهولة.
مثال على اضمحلال ألفا
يمكن التعبير عن التفاعل النووي الموضح في الشكل 9-3a كما يلي:
²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He
مجموع العدد الكلي للجسيمات النووية يبقى ثابتًا خلال التفاعل.
لذلك فإن مجموع الأعداد العلوية في كل طرف يجب أن يتساوى:
238 = 234 + 4
والشحنة الكلية أيضًا محفوظة، لذلك فإن مجموع الأعداد السفلية في كل طرف يجب أن يتساوى:
92 = 90 + 2
مثال على اضمحلال بيتا
خلال اضمحلال بيتا ينتج إلكترون:
⁰₋₁e
وضديد النيوترينو:
⁰₀ν̅
رمز النيوترنيو هو
الحرف الإغريقي نيو مرفقًا بالخط الصغير اعلاه، والذي يشــري الى جسيم ضديد المادة
وعملية تحول ذرة الثوريوم بانبعاث جسيم بيتا الموضحة في الشكل 9-3b يمكن التعبير عنها كما يلي:
²³⁴₉₀Th → ²³⁴₉₁Pa + ⁰₋₁e + ⁰₀ν̅
لاحظ أن مجموع الأعداد العلوية في طرف المعادلة الأيسر يساوي مجموع الأعداد العلوية في الطرف الأيمن للمعادلة.
وهناك أيضًا مساواة بين الأعداد السفلية في طرفي المعادلة.
الشكل 9-3
انبعاث جسيم ألفا بواسطة عنصر اليورانيوم 238 ينتج عنه تكون الثوريوم 234.a
وانبعاث جسيم بيتا بواسطة عنصر الثوريوم 234 ينتج تكون البروتكتانيوم 234.b
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_9-3_انبعاث_جسيم_ألفا_وبيتا.png
مثال 2
اضمحلال ألفا واضمحلال بيتا
اكتب المعادلة النووية لكل من العمليات الإشعاعية التالية:
a
نظير الراديوم المشع:
²²⁶₈₈Ra
يشع جسيم ألفا ليتحول إلى نظير الرادون:
²²²₈₆Rn
b
نظير الرصاص المشع:
²⁰⁹₈₂Pb
يشع جسيم بيتا وضديد النيوترينو ليتحول إلى نظير البزموث:
²⁰⁹₈₃Bi
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مثال_2_اضمحلال_ألفا_واضمحلال_بيتا.png
1. تحليل المسألة ورسمها
المعلوم
a.
²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + جسيم α
جسيم α = ⁴₂He
b.
²⁰⁹₈₂Pb → ²⁰⁹₈₃Bi + جسيم β + ضديد النيوترينو
جسيم β = ⁰₋₁e
ضديد النيوترينو = ⁰₀ν̅
المجهول
هل هذا الاضمحلال ممكن؟
هل هذا الاضمحلال ممكن؟
2. إيجاد الكمية المجهولة
a. عوض ⁴₂He لجسيم α
²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂He
b. عوض ⁰₋₁e لجسيم β و ⁰₀ν̅ لضديد النيوترينو
²⁰⁹₈₂Pb → ²⁰⁹₈₃Bi + ⁰₋₁e + ⁰₀ν̅
3. تقويم الجواب
هل عدد النيوكليونات محفوظ؟
a.
226 = 222 + 4
لذلك فإن العدد الكتلي محفوظ.
b.
209 = 209 + 0 + 0
لذلك فإن العدد الكتلي محفوظ.
هل الشحنة محفوظة؟
a.
88 = 86 + 2
لذلك فإن الشحنة محفوظة.
b.
82 = 83 - 1 + 0
لذلك فإن الشحنة محفوظة.
مسائل تدريبية
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مسائل_تدريبية_15_19_المعادلات_النووية.png
15
اكتب المعادلة النووية لتحول نظير اليورانيوم المشع:
²³⁴₉₂U
إلى نظير الثوريوم:
²³⁰₉₀Th
بانبعاث جسيم ألفا.
16
اكتب المعادلة النووية لتحول نظير الثوريوم المشع:
²³⁰₉₀Th
إلى نظير الراديوم المشع:
²²⁶₈₈Ra
بانبعاث جسيم ألفا.
17
اكتب المعادلة النووية لتحول نظير الراديوم المشع:
²²⁶₈₈Ra
إلى نظير الرادون:
²²²₈₆Rn
بانبعاث جسيم α.
18
يمكن أن يتحول نظير الرصاص المشع:
²¹⁴₈₂Pb
إلى نظير البزموث المشع:
²¹⁴₈₃Bi
بانبعاث جسيم β وضديد نيوترينو.
اكتب المعادلة النووية.
19
يحدث اضمحلال لنظير الكربون المشع:
¹⁴₆C
عندما ينبعث منه جسيم β فيتحول إلى نظير النيتروجين:
¹⁴₇N
اكتب المعادلة النووية التي توضح ذلك.
عند اضمحلال جسيمات ألفا وبيتا تظهر في الطرف الأيسر من المعادلة نواة واحدة تضمحل إلى نواة أخرى، بالإضافة إلى جسيم واحد أو أكثر من الجسيمات المشعة التي تظهر في الطرف الأيمن من المعادلة.
مثال آخر على التحول، يحدث عندما يصطدم جسيم مع نواة ينتج عنه غالبًا انبعاث جسيمات أخرى، كما في المعادلة:
¹₁H + ¹²₆C → ¹³₇N
ومثل هذه التفاعلات موضحة في المثال التالي، وكذلك في مناقشة موضوع الانشطار النووي لاحقًا في هذا الفصل.
مثال 3
حل المعادلات النووية
عندما قذف غاز النيتروجين بجسيمات α انبعثت بروتونات ذات طاقة عالية.
ما النظير الجديد الناتج؟
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مثال_3_حل_المعادلات_النووية.png
1. تحليل المسألة ورسمها
المعلوم
α = ⁴₂He
نيتروجين = ¹⁴₇N
بروتون = ¹₁H
المجهول
ما النظير الذي يتولد في الطرف الأيمن للمعادلة؟
2. إيجاد الكمية المجهولة
اكتب معادلة التفاعل النووي:
⁴₂He + ¹⁴₇N → ¹₁H + ᴬ_ZX
حل المعادلة بالنسبة للعدد Z والعدد A:
A = 4 + 14 - 1 = 17
Z = 2 + 7 - 1 = 8
استخدم الجدول الدوري.
العنصر ذو العدد الذري:
Z = 8
هو الأكسجين.
إذن النظير يجب أن يكون:
¹⁷₈O
3. تقويم الجواب
هل المعادلة موزونة؟
عدد النيوكليونات محفوظ:
17 + 1 = 14 + 4
الشحنة محفوظة:
8 + 1 = 7 + 2
دليل الرياضيات
حل المعادلات.
مسائل تدريبية
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مسائل_تدريبية_20_23_إكمال_المعادلات_النووية.png
20
استخدم الجدول الدوري لإكمال المعادلتين النوويتين التاليتين:
a.
¹⁴₆C → ? + ⁰₋₁e + ⁰₀ν̅
b.
⁵⁵₂₄Cr → ? + ⁰₋₁e + ⁰₀ν̅
21
اكتب المعادلة النووية لتحول نظير السيبورجيوم:
²⁶³₁₀₆Sg
إلى نظير روثرفورديوم:
²⁵⁹₁₀₄Rf
بانبعاث جسيم ألفا.
22
اصطدم بروتون بنظير النيتروجين:
¹⁵₇N
فتكون نظير جديد وجسيم ألفا.
ما النظير الناتج؟
اكتب معادلة نووية تبين ذلك.
23
اكتب المعادلات النووية لاضمحلال بيتا للنظائر التالية:
a. ²¹⁰₈₂Pb
b. ²¹⁰₈₃Bi
c. ²³⁴₉₀Th
d. ²³⁹₉₃Np
عمر النصف
الفترة الزمنية اللازمة لاضمحلال نصف ذرات أي كمية من نظير العنصر المشع تسمى عمر النصف لذلك العنصر.
بعد مرور كل عمر نصف يقل عدد الأنوية غير المضمحلة إلى النصف، كما هو موضح في الشكل 9-4.
ولكل نظير مشع عمر نصف خاص به.
فمثلًا عمر النصف لنظير الراديوم:
²²⁶₈₈Ra
هو 1600 سنة.
وبذلك فإن كل 1600 سنة يضمحل نصف الكمية المعطاة من الراديوم إلى عنصر آخر، هو الرادون، وبعد 1600 سنة أخرى يضمحل نصف عينة الراديوم المتبقية.
أي أنه بعد مرور 3200 سنة يبقى ربع الكمية الأصلية.
وفي المقابل، تضمحل عينة من البولونيوم 210 إلى ربع الكمية الأصلية خلال 276 يومًا فقط.
الشكل 9-4
اضمحلال النواة المشعة إلى حالات أكثر استقرارًا.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_9-4_دالة_اضمحلال_الأنوية_مع_الزمن.png
من خلال أعمار النصف للنظائر المختارة الموضحة في الجدول 9-2، إذا عرفت الكمية الأصلية للمادة المشعة وعمر نصفها فإنك تستطيع حساب الكمية المتبقية بعد عدد معين من أعمار النصف.
تستخدم أعمار النصف للنظائر المشعة لتحديد عمر الأجسام.
فيمكن إيجاد عمر عينة من مادة عضوية بقياس كمية الكربون 14 المتبقية.
ويمكن حساب عمر الأرض اعتمادًا على اضمحلال اليورانيوم إلى الرصاص.
النشاط الإشعاعي
يسمى معدل الاضمحلال، أو عدد انحلالات المادة المشعة كل ثانية النشاط الإشعاعي.
ويتناسب النشاط الإشعاعي طرديًا مع عدد الذرات المشعة الموجودة.
لذلك فإن النشاط الإشعاعي لعينة يقل أيضًا بمقدار النصف خلال عمر نصف واحد.
تأمل النظير:
¹³¹₅₃I
الذي عمر النصف له 8.07 أيام.
فإذا كان النشاط الإشعاعي لعينة من اليود-131 يساوي:
4 × 10⁵ اضمحالل/ثانية
فسوف يكون نشاطها الإشعاعي بعد انقضاء 8.07 أيام أخرى:
2 × 10⁵ اضمحالل/ثانية
فالنشاط الإشعاعي لعينة يرتبط أيضًا مع عمر النصف.
فعمر النصف الأقصر يعني نشاطًا إشعاعيًا أكبر.
فإذا عرفت النشاط الإشعاعي لمادة معينة وكتلة تلك المادة فإنك تستطيع تحديد عمر النصف لها.
ووحدة اضمحلال لكل ثانية في النظام العالمي للوحدات SI هي البيكرل Bq.
الكمية المتبقية من النظير المشع
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
معادلة_الكمية_المتبقية_من_النظير_المشع.png
N = N₀(1/2)ⁿ
حيث:
| الرمز | المعنى |
| ----- | ------------------------------ |
| N | الكمية المتبقية |
| N₀ | الكمية الأولية، الأصلية |
| n | عدد فترات عمر النصف التي انقضت |
كمية النظير المشع المتبقية في عينة تساوي الكمية الأولية الأصلية مضروبة في الثابت 1/2 مرفوعًا لأس يساوي عدد فترات عمر النصف التي انقضت.
كذلك:
n = t / t₁/₂
الجدول 9-2
عمر النصف لنظائر مختارة
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الجدول_9-2_عمر_النصف_لنظائر_مختارة.png
| العنصر | النظير | عمر النصف | الإشعاع الناتج |
| --------- | ------- | -------------- | -------------- |
| هيدروجين | ³₁H | 12.3 سنة | β |
| كربون | ¹⁴₆C | 5730 سنة | β |
| كوبلت | ⁶⁰₂₇Co | 30 سنة | β, γ |
| يود | ¹³¹₅₃I | 8.07 أيام | β, γ |
| رصاص | ²¹²₈₂Pb | 10.6 ساعات | β |
| بولونيوم | ¹⁹⁴₈₄Po | 0.7 ثانية | α |
| بولونيوم | ²¹⁰₈₄Po | 138 يومًا | α, γ |
| يورانيوم | ²³⁵₉₂U | 7.1 × 10⁸ سنة | α, γ |
| يورانيوم | ²³⁸₉₂U | 4.51 × 10⁹ سنة | α, γ |
| بلوتونيوم | ²³⁶₉₄Pu | 2.85 سنة | α |
| بلوتونيوم | ²⁴²₉₄Pu | 3.79 × 10⁵ سنة | α, γ |
مسائل تدريبية
ارجع إلى الشكل 9-4 والجدول 9-2 لحل المسائل التالية.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مسائل_تدريبية_24_27_عمر_النصف_والنشاط_الإشعاعي.png
24
تولدت عينة تريتيوم:
³₁H
كتلتها 1.0 g.
ما كتلة التريتيوم التي تتبقى بعد مرور 24.6 سنة؟
25
عمر النصف لنظير النبتونيوم:
²³⁸₉₃Np
هو 2.0 يوم.
فإذا أنتجت عينة كتلتها 4.0 g من النبتونيوم يوم الإثنين، فما الكتلة التي ستبقى منه يوم الثلاثاء من الأسبوع التالي؟
26
تم شراء عينة من البولونيوم 210 بتاريخ 1/9، وكان نشاطها الإشعاعي:
2 × 10⁶ Bq
استخدمت العينة لإجراء تجربة في 1/6 من السنة التالية.
ما النشاط الإشعاعي المتوقع للعينة؟
27
استخدم التريتيوم:
³₁H
في البداية في بعض ساعات اليد لتوليد التوهج الفلوري؛ لكي تستطيع قراءة الوقت في الظلام.
إذا كان سطوع التوهج يتناسب طرديًا مع النشاط الإشعاعي للتريتيوم، فكيف يكون سطوع هذه الساعة، بالمقارنة مع سطوعها الأصلي عندما يكون عمر الساعة ست سنين؟
كيف تستطيع إيجاد عمر النصف لنظير مشع ذي فترة حياة قصيرة؟
ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية.
النشاط الإشعاعي الاصطناعي
Artificial Radioactivity
يمكن إنتاج نظائر مشعة من النظائر المستقرة بقذفها بجسيمات α، أو ببروتونات، أو إلكترونات، أو أشعة جاما؛ حيث تطلق الأنوية غير المستقرة الناتجة إشعاعات، حتى تتحول إلى نظائر مستقرة.
ويمكن للأنوية المشعة أن تبعث جسيمات ألفا، وجسيمات بيتا، وإشعاع جاما، بالإضافة إلى النيوترينو، وضديد نيوترينو، والبوزيترونات.
والبوزيترون عبارة عن إلكترون موجب الشحنة:
⁰₊₁e
النظائر المشعة المنتجة اصطناعيًا تستخدم غالبًا في البحوث الدوائية والطبية.
ففي العديد من التطبيقات الطبية يعطى المرضى نظائر مشعة تمتصها أعضاء محددة من الجسم.
ويستخدم الأطباء عداد الإشعاع لمراقبة الإشعاع في العضو الذي يخضع للعلاج.
وبعض النظائر المشعة تتعلق بالجزيء الذي سيمتص في منطقة العلاج، كما يحدث في تطبيق انبعاث البوزيترون في عملية التصوير الإشعاعي المقطعي الذي يعرف بشكل أفضل بمسح PET، التصوير الطبقي، للدماغ، كما هو موضح في الشكل 9-5.
وكثيرًا ما يستخدم الإشعاع لتدمير الخلايا السرطانية؛ فهذه الخلايا أكثر حساسية لتأثيرات التدمير الإشعاعي؛ لأنها تنقسم غالبًا أكثر من الخلايا الطبيعية.
وتستخدم أشعة جاما المنبعثة من نظير الكوبلت:
⁶⁰₂₇Co
لمعالجة مرضى السرطان، كما يحقن نظير اليود المشع في الغدة الدرقية المصابة بالسرطان.
وفي تطبيق ثالث، توجه الجسيمات الناتجة في مسارع الجسيمات على شكل شعاع إلى داخل النسيج بطريقة معينة، بحيث تضمحل في النسيج المصاب بالسرطان، فتدمر خلاياه.
تطبيق الفيزياء
العلاج بالأشعة
أشعة جاما تدمر الخلايا السرطانية والخلايا السليمة، لذلك يجب أن يوجه الإشعاع مباشرة إلى الخلايا السرطانية فقط.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
تطبيق_الفيزياء_العلاج_بالأشعة.png
الشكل 9-5
لإجراء مسح PET يحقن الأطباء الجسم بسائل يحوي نظائر مشعة مثل:
¹⁸₉F
ترتبط مع الجزيء الذي سيرتكز في الأنسجة الخاضعة للعلاج.
وعندما يضمحل:
¹⁸₉F
ينتج بوزيترونات تفنى عندما تتحد مع الإلكترونات منتجة أشعة جاما، التي يكشف عنها بجهاز مسح PET.
بعد ذلك يكون الحاسوب خريطة ثلاثية الأبعاد لتوزيع النظير.
والصورة العليا دماغ طبيعي، أما الصورة السفلى فهي لدماغ شخص يعاني من داء الخرف، وهما مختلفان.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_9-5_مسح_PET_باستخدام_النظائر_المشعة.png
الانشطار النووي
Nuclear Fission
تمت مناقشة إمكانية الحصول على أشكال مفيدة للطاقة الناتجة عن التفاعلات النووية عام 1930م، وجاءت معظم النتائج الواعدة نتيجة قذف المواد بالنيوترونات.
وفي إيطاليا عام 1934م أنتج كل من العالمين أنريكو فيرمي و أميليو سرجي العديد من النظائر المشعة الجديدة؛ وذلك بقذف اليورانيوم بالنيوترونات.
وبين كل من الكيميائي الألماني أوتو هان و فرتز ستراسمان عام 1939م أن الذرات الناتجة سلكت كيميائيًا سلوك عنصر الباريوم.
وبعد أسبوع آخر توقع ليز ميتنر و أوتو فرش أن قذف نواة اليورانيوم بالنيوترونات يسبب انقسامها إلى نواتين أصغر مع إنتاج طاقة كبيرة جدًا.
ويسمى مثل هذا الانقسام للنواة الثقيلة إلى نواتين أو أكثر الانشطار النووي.
وقد أدرك الكثير من العلماء على الفور إمكانية ألا يكون الانشطار النووي مصدرًا للطاقة فقط، ولكنه أيضًا يمكن أن يكون أسلحة متفجرة.
ويحدث الانشطار النووي لليورانيوم عندما تنشطر النواة إلى نواتين أو أكثر محررة نيوترونات وطاقة.
فنواة نظير اليورانيوم تنشطر إلى نواتي عنصري الباريوم والكربتون عند قذفها بالنيوترونات، وهذه نتائج مثالية للانشطار.
والمعادلة النووية التالية توضح هذا التفاعل:
²³⁵₉₂U + ¹₀n → ¹⁴¹₅₆Ba + ⁹²₃₆Kr + 3¹₀n + 200 MeV
ويمكن إيجاد الطاقة المحررة نتيجة كل انشطار بحساب كتل الذرات في كل من طرفي المعادلة.
ففي تفاعل اليورانيوم 235، تكون الكتلة الكلية في الطرف الأيمن للمعادلة أقل بمقدار:
0.215 u
من الكتلة الكلية في الطرف الأيسر.
والطاقة المكافئة لهذه الكتلة هي:
3.21 × 10⁻¹¹ J
أو:
2.00 × 10² MeV
وهذه الطاقة تظهر على شكل طاقة حركية لنتائج الانشطار.
التفاعل المتسلسل
النيوترونات اللازمة لإحداث الانشطارات الإضافية لنوى اليورانيوم:
²³⁵₉₂U
يمكن أن تكون هي ذاتها النيوترونات التي نتجت عند بدء عملية الانشطار.
فعندما يحدث النيوترون الواحد انشطارًا نوويًا يحرر ذلك الانشطار ثلاثة نيوترونات، كل منها يستطيع أن يحدث انشطارًا جديدًا، وهكذا.
وهذه العملية المستمرة في تفاعلات الانشطار المتكررة التي تسبب تحرير نيوترونات من تفاعلات الانشطار السابقة تسمى التفاعل المتسلسل.
ويوضحها الشكل 9-6.
الشكل 9-6
تفاعل الانشطار النووي المتسلسل لليورانيوم 235 الذي يحدث في قلب المفاعل النووي.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_9-6_تفاعل_الانشطار_النووي_المتسلسل.png
الربط مع الفيزياء وعلم الأرض والصحة
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الربط_مع_الفيزياء_وعلم_الأرض_والصحة.png
تتشابه الصواريخ ذات الرؤوس النووية / الهيدروجينية مع السموم والمؤثرات العقلية بأنها طرق ووسائل لتدمير الدول.
وانطلاقًا من مسؤوليتك وواجبك الديني ثم الوطني ساهم بالتصدي لآفة المؤثرات العقلية والسموم، وذلك بتقديم رسالة توعوية سواء من خلال وسائل التواصل الاجتماعي أو المشاركة بالحملات التوعوية التي تطلقها مديرية مكافحة المخدرات، وغير ذلك من البرامج التي تدعمها المملكة في هذا المجال.
المفاعلات النووية
Nuclear Reactors
لإحداث تفاعل متسلسل تحت السيطرة بحيث تستخدم الطاقة الناتجة عنه، تحتاج النيوترونات إلى التفاعل مع اليورانيوم المنشطر بمعدل مناسب.
فمعظم النيوترونات المحررة نتيجة انشطار ذرات اليورانيوم:
²³⁵₉₂U
تتحرك بسرعات عالية جدًا، لذا تسمى النيوترونات السريعة.
وبالإضافة إلى ذلك فاليورانيوم الذي يوجد طبيعيًا يحتوي على أقل من 1% من نظير اليورانيوم:
²³⁵₉₂U
وأكثر من 99% من نظير اليورانيوم:
²³⁸₉₂U
وعندما تمتص نواة:
²³⁸₉₂U
نيوترونًا سريعًا لا تنشطر، ولكنها تصبح نظيرًا جديدًا:
²³⁹₉₂U
إن امتصاص النيوترونات بواسطة:
²³⁸₉₂U
يمنع معظم النيوترونات من الوصول إلى ذرات:
²³⁵₉₂U
الانشطارية.
ومن ثم فمعظم النيوترونات المحررة نتيجة انشطار:
²³⁵₉₂U
غير قادرة على إحداث انشطار لذرة أخرى من:
²³⁵₉₂U
وللسيطرة على التفاعل يتفتت اليورانيوم إلى قطع صغيرة توضع في مهدئ؛ وهو مادة يمكن أن تبطئ النيوترونات السريعة.
وعندما يصدم النيوترون بذرة خفيفة ينقل زخمه وطاقته إلى تلك الذرة.
وبهذه الطريقة يخسر النيوترون طاقة.
وهكذا فإن المهدئ يبطئ الكثير من النيوترونات السريعة إلى سرعات يمكن عندها امتصاصها بسهولة أكثر بواسطة:
²³⁵₉₂U
مقارنة مع:
²³⁸₉₂U
والعدد الأكبر من النيوترونات البطيئة يزيد إلى حد كبير من احتمال انشطار نواة:
²³⁵₉₂U
وقد يحدث تفاعل آخر.
وإذا توافرت كمية كبيرة من نظير اليورانيوم:
²³⁵₉₂U
في العينة يمكن أن يحدث تفاعل متسلسل.
ولزيادة نظير اليورانيوم القابل للانشطار يمكن تخصيب اليورانيوم؛ وذلك بإضافة كمية أكبر من:
²³⁵₉₂U
علمًا بأن نوعي اليورانيوم يستخدمان في المفاعلات النووية.
مفاعل الماء المضغوط
مفاعل الماء المضغوط هو أحد أنواع المفاعلات النووية، ويحتوي على 200 طن متري:
200 × 10³ kg
من اليورانيوم مغلفة بإحكام بمئات القضبان الفلزية.
ويتم غمر القضبان في الماء، كما في الشكل 9-7.
ولا يعمل الماء مهدئًا فقط، بل ينقل أيضًا الطاقة الحرارية بعيدًا عن انشطار اليورانيوم.
وتوضع قضبان من فلز الكادميوم بين قضبان اليورانيوم، فيمتص الكادميوم النيوترونات بسهولة فيعمل مهدئًا أيضًا.
وتتحرك قضبان الكادميوم إلى داخل وخارج المفاعل للتحكم في معدل التفاعل المتسلسل؛ لذلك تسمى هذه القضبان قضبان التحكم.
وعندما يتم إدخال قضبان التحكم كليًا داخل المفاعل تمتص عددًا كافيًا من النيوترونات المتحررة نتيجة التفاعلات الانشطارية، وبذلك تمنع حدوث تفاعل متسلسل آخر.
وعند رفعها من المفاعل يزداد معدل الطاقة المحررة؛ بسبب توافر نيوترونات حرة أكثر كافية لاستمرار حدوث التفاعل المتسلسل.
وتسخن الطاقة المتحررة من الانشطار الماء المحيط بقضبان اليورانيوم، لكن الماء نفسه لا يغلي؛ لأنه تحت ضغط كبير جدًا، يزيد من درجة غليانه.
وكما هو موضح في الشكل 9-8، يضخ هذا الماء إلى مبدل الحرارة، فيسبب غليان ماء آخر منتجًا بخارًا يعمل على إدارة التوربينات.
وهذه التوربينات موصولة بمولدات لتوليد الطاقة الكهربائية.
إن انشطار نواة:
²³⁵₉₂U
ينتج ذرات كربتون Kr، وباريوم Ba، وبعض الذرات الأخرى في قضبان الوقود.
ومعظم هذه الذرات مشعة.
وبعد سنة تقريبًا يجب استبدال بعض قضبان اليورانيوم التي لا يمكن إعادة استخدامها في المفاعل، لكنها تبقى مشعة بمقدار كبير، لذا يجب أن تخزن في موقع آمن.
وحاليًا يتم تطوير أساليب دائمة لتخزين هذه المخلفات الإشعاعية الناتجة.
الشكل 9-7
يعود التوهج إلى تأثير كرينكوف، الذي يحدث عندما تدخل جسيمات إلى الماء بسرعة عالية جدًا تتجاوز سرعة الضوء في الماء.
وتبعث الإلكترونات فوتونات تسبب توهجًا للماء عندما توضع قضبان الوقود داخله.
ولا ينتج هذا التوهج عن النشاط الإشعاعي.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_9-7_تأثير_كرينكوف_في_قلب_المفاعل.png
تطبيق الفيزياء
مفاعل الأبحاث النووية منخفض الطاقة LPRR
يهدف مشروع مفاعل الأبحاث النووية منخفض الطاقة LPRR إلى إنشاء أول مفاعل نووي في المملكة العربية السعودية، وتطوير ونقل الصناعة النووية المحلية المتوافقة مع رؤية 2030.
وذلك من خلال إتاحة مشاركة الشركات الوطنية مع بيوت الخبرة العالمية في تصنيع بعض المكونات النووية المهمة، كتصنيع حوض قلب المفاعل.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
تطبيق_الفيزياء_مفاعل_الأبحاث_النووية_منخفض_الطاقة.png
الشكل 9-8
في محطة الطاقة النووية تتحول الطاقة الحرارية المتحررة من التفاعلات النووية إلى طاقة كهربائية.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_9-8_محطة_الطاقة_النووية.png
الأجزاء الموضحة في الشكل:
| الجزء |
| ----------------------- |
| الدرع الواقية للمفاعل |
| مفاعل |
| قضبان التحكم |
| مبادل حراري |
| مولد بخاري |
| مضخة |
| بخار |
| توربين بخار يولد كهرباء |
| مكثف |
| كمية كبيرة من الماء |
تجربة
نمذجة الاضمحلال الإشعاعي
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
تجربة_نمذجة_الاضمحلال_الإشعاعي.png
نحتاج إلى 50 قطعة نقدية معدنية لتمثيل 50 ذرة نظير مشع.
في هذا النموذج يمثل أحد وجهي القطعة، الشعار، عدم اضمحلال النواة.
الخطوات
1
دون 50 شعارًا في البداية.
2
ضع القطع النقدية في كأس كبيرة، ثم رج الكأس وأفرغها من القطع.
ارفع القطع النقدية التي وجه الكتابة فيها إلى أعلى وضعها جانبًا.
وعد ودون عدد القطع الباقية.
3
أعد الخطوة 2 باستخدام القطع النقدية التي كان وجهها العلوي شعارًا في الرمية الأخيرة.
بحيث تمثل كل رمية عمر نصف واحد.
التحليل والاستنتاج
4
مثل بيانيًا عدد القطع النقدية في دالة رياضية مع عدد أعمار النصف.
5
اجمع النتائج من طلبة آخرين واستخدم المجاميع لعمل تمثيل بياني جديد.
6
قارن هذا الرسم البياني مع الرسوم البيانية المفردة.
أيها أكثر تطابقًا مع الرسم البياني النظري في الشكل 9-4؟
الاندماج النووي
Nuclear Fusion
في عملية الاندماج النووي تندمج أنوية كتلها صغيرة لتكوين نواة ذات كتلة كبيرة، كما في الشكل 9-9؛ حيث تتحرر طاقة نتيجة هذه العملية.
وقد درست في هذا الفصل أن النواة الأكبر تكون طاقة ربطها أكبر، لذا تكون كتلتها أقل من مجموع كتل النيوكليونات الأصغر.
وهذا النقص في الكتلة يعتمد على مقدار الطاقة المحررة.
والعمليات التي تحدث في الشمس مثال على عملية الاندماج النووي؛ حيث تندمج أربع أنوية هيدروجين، بروتونات، خلال عدة مراحل لتكوين نواة هيليوم واحدة.
إن كتلة أربعة بروتونات أكبر من كتلة نواة الهيليوم الناتجة، والطاقة المكافئة لفرق الكتلة هذه تظهر على شكل طاقة حركية للجسيمات الناتجة.
والطاقة المتحررة نتيجة الاندماج الذي يكون نواة الهيليوم-4 تساوي:
25 MeV
وبالمقارنة مع الطاقة المتحررة من تفاعل كيميائي لجزيء واحد من الديناميت، والتي تعادل تقريبًا:
20 eV
نجد أنها أقل مليون مرة تقريبًا من طاقة الاندماج النووي.
سلسلة بروتون - بروتون
هناك عدة عمليات تحدث من خلالها عملية الاندماج النووي في الشمس، والعملية الأكثر أهمية هي سلسلة بروتون - بروتون.
¹₁H + ¹₁H → ²₁H + ⁰₊₁e + ⁰₀ν
¹₁H + ²₁H → ³₂He + γ
³₂He + ³₂He → ⁴₂He + 2¹₁H
وأول تفاعلين يجب أن يحدثا مرتين لإنتاج جسيمين:
³₂He
يلزمان لإحداث التفاعل الأخير.
والنتيجة النهائية، حذف البروتونين الناتجين في المرحلة الأخيرة، هي أن أربعة بروتونات تنتج ذرة:
⁴₂He
واحدة، وبوزيترونين، وجسيمي نيوترينو.
إن قوة التنافر بين النوى المشحونة تتطلب أن تكون طاقة النوى المندمجة عالية جدًا؛ لذلك لا تحدث تفاعلات الاندماج إلا عندما يكون للأنوية كميات هائلة من الطاقة الحرارية.
وتحتاج سلسلة بروتون - بروتون إلى درجة حرارة:
2 × 10⁷ K
كتلك التي وجدت في مركز الشمس.
وبنفس الكيفية تحدث تفاعلات الاندماج في القنبلة الهيدروجينية، أو القنبلة الحرارية النووية.
فنحصل على درجة الحرارة العالية الضرورية لإحداث التفاعل الاندماجي في هذه القنبلة من انشطار اليورانيوم أو القنبلة الذرية.
الشكل 9-9
اندماج الديوتيريوم والتريتيوم لإنتاج الهيليوم.
البروتون باللون الأحمر، والنيوترون باللون الرمادي في الشكل.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_9-9_اندماج_الديوتيريوم_والتريتيوم_لإنتاج_الهيليوم.png
9-2 مراجعة
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مراجعة_9-2_الاضمحلال_النووي_والتفاعلات_النووية.png
28. اضمحلال بيتا
كيف يمكن إطلاق إلكترون من النواة في اضمحلال بيتا إذا لم تحتو هذه النواة على الإلكترونات؟
29. التفاعلات النووية
يخضع نظير البولونيوم:
²¹⁰₈₄Po
لاضمحلال ألفا.
اكتب معادلة التفاعل.
30. عمر النصف
استخدم الشكل 9-4 والجدول 9-2 لتقدير عدد الأيام اللازمة لانخفاض نشاطية نظير اليود:
¹³¹₅₃I
إلى ثلاثة أثمان الكمية الأصلية.
31. المفاعل النووي
يستخدم الرصاص واقيًا من الإشعاع.
لماذا لا يمكن اعتباره خيارًا جيدًا ليكون مهدئًا في المفاعل النووي؟
32. الاندماج النووي
يحتوي تفاعل اندماجي واحد على نواتي ديوتيريوم:
²₁H
ويحتوي جزيء الديوتيريوم على ذرتي ديوتيريوم.
لماذا لا تتعرض الذرتان لعملية الاندماج؟
33. طاقة
احسب الطاقة المتحررة في أول تفاعل نووي اندماجي في الشمس:
¹₁H + ¹₁H → ²₁H + ⁰₊₁e + ⁰₀ν
34. التفكير الناقد
تستخدم بواعث ألفا في كواشف التدخين.
فيوضع باعث على أحد ألواح المكثف.
وتصطدم جسيمات α باللوح الآخر، ونتيجة لذلك يتولد فرق في الجهد بين اللوحين.
فسر وتوقع أي اللوحين يكون له جهد موجب أكبر.
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.