الأنوية غير المستقرة والتحلل الإشعاعي

3-4 الأنوية غير المستقرة والتحلل الإشعاعي

Unstable Nuclei and Radioactivity

الفكرة الرئيسة:
الذرات غير المستقرة تصدر إشعاعات للوصول إلى حالة الاستقرار.

الربط مع الحياة

إذا أسقطت حجرًا من ارتفاع في مستوى خصرك فإن الحجر ينتقل من حالة تكون فيها طاقة وضعه عالية عند الخصم، إلى حالة تكون طاقة وضعه أقل عند وصوله سطح الأرض. إن عملية مشابهة تحدث عندما تكون النواة في حالة غير مستقرة.

الأهداف

• تفسر العلاقة بين الأنوية غير المستقرة والتحلل الإشعاعي.
• تصف أشعة ألفا، وأشعة بيتا، وأشعة جاما بدلالة الكتلة والشحنة.

مراجعة المفردات

العنصر: مادة نقية لا يمكن تجزئتها إلى مواد أبسط بالطرائق الفيزيائية والكيميائية.

المفردات الجديدة

• النشاط الإشعاعي.
• الإشعاع.
• التفاعل النووي.
• التحلل الإشعاعي.
• أشعة ألفا.
• جسيم ألفا.
• المعادلة النووية.
• أشعة بيتا.
• جسيم بيتا.
• أشعة جاما.

النشاط الإشعاعي

Radioactivity

تعلم أن التفاعل الكيميائي هو تغير يحدث لمادة أو أكثر ينتج عنه مواد جديدة، وتشارك فيه إلكترونات الذرة فقط. ورغم أن الذرات قد يعاد ترتيبها في التفاعلات الكيميائية إلا أن هويتها تبقى ثابتة. وهناك نوع آخر من التفاعلات يسمى التفاعل النووي، يستطيع أن يحول عنصرًا إلى عنصر آخر.

التفاعلات النووية

في عام 1890م لاحظ العلماء أن بعض المواد تصدر إشعاعات من خلال عملية سميت النشاط الإشعاعي. تسمى الطاقة والجسيمات المنبعثة من المواد المشعة بالإشعاعات. اكتشف العلماء أن الذرة المشعة تتعرض لتغيرات قد تغير من هويتها، وأن التفاعل الذي يؤدي إلى تغير في نواة الذرة يسمى التفاعل النووي.

إن اكتشاف التفاعلات النووية يعد اكتشافًا مهمًّا؛ فلم يسبق أن أدى تفاعل كيميائي إلى تكوين نوعين جديدين من الذرات. تصدر الذرات المشعة إشعاعات لأن أنويتها غير مستقرة. الأنظمة غير المستقرة سواء أكانت ذرات، أو أشخاصًا يقفون على أيديهم، كما هو موضح بالشكل 3-20، يتحقق لهم الثبات عندما يفقدون الطاقة.

التحلل الإشعاعي

تفقد الأنوية غير المستقرة الطاقة بإصدار إشعاعات في عملية تلقائية تسمى التحلل الإشعاعي. تتحلل الذرات غير المستقرة إشعاعيًّا، وتتحول إلى ذرات مستقرة، وهي في الغالب ذرات عنصر آخر. وكما يفقد الحجر طاقة الوضع الموجودة فيه ويصل إلى حالة مستقرة عند سقوطه إلى الأرض، فإن الذرة تفقد طاقة بإطلاق إشعاعات، وتصل إلى حالة من الاستقرار.

صور الصفحة

[01_الشكل_3-20_النشاط_الإشعاعي_وفقد_الذرات_غير_المستقرة_للطاقة.png](sandbox:/mnt/data/صور_درس_الأنوية_غير_المستقرة_والتحلل_الإشعاعي/01_الشكل_3-20_النشاط_الإشعاعي_وفقد_الذرات_غير_المستقرة_للطاقة.png)

الشكل 3-20:
إذا وقفت على يديك فإنك تكون في حالة غير مستقرة، ولكي تصل إلى حالة الاستقرار فإن عليك أن تتخلى عن وضعك وتقف على قدميك. وكذلك هناك بعض الذرات غير المستقرة التي تصل إلى حالة الاستقرار عن طريق فقد بعض الطاقة.

#

مهن في الكيمياء

معلم الكيمياء:
يعمل معلمو الكيمياء في المدارس والجامعات، ويقومون بإعطاء المحاضرات، وإجراء التجارب والإشراف على المختبرات، وترؤس المناقشات، والقيام بزيارات ميدانية، والقيام بأبحاث ونشرها.

أنواع الإشعاعات

Types of Radiation

بدأ العلماء البحث حول النشاط الإشعاعي في أواخر القرن التاسع عشر، فقد بحثوا في تأثير المجالات الكهربائية في عملية الإشعاع، فتمكنوا من خلال إمرار أشعة صادرة من مصدر مشع بين صفيحتين مشحونتين كهربائيًّا من التعرف على ثلاثة أنواع من الأشعة، معتمدين على شحناتها الكهربائية. ويبين الشكل 3-21 إشعاعًا انحرف نحو الصفيحة السالبة الشحنة، وآخر نحو الصفيحة الموجبة الشحنة، وثالثًا لم ينحرف أبدًا.

أشعة ألفا

سميت الأشعة التي انحرفت في اتجاه الصفيحة السالبة الشحنة أشعة ألفا، وهي مكونة من جسيمات ألفا. وجسيم ألفا يحتوي على بروتونين ونيوترونين، وتحمل هذه الجسيمات شحنة موجبة ثنائية. ويفسر هذا سبب انحراف جسيمات ألفا نحو الصفيحة السالبة الشحنة، كما هو مبين في الشكل 3-21.

يعادل جسيم ألفا نواة هيليوم-4، ويمكن التعبير عنه بـ:

α أو ⁴₂He²⁺

ينتج جسيم ألفا عن تحلل مادة الراديوم-226 إلى الرادون-222، كما هو موضح في المعادلة الآتية:

²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂α

الراديوم-226 → الرادون-222 + جسيم ألفا

لاحظ أنه تم الحصول على عنصر جديد، وهو عنصر الرادون-222، نتيجة تحلل أشعة ألفا من نواة الراديوم-226 غير المستقرة. وتعرف المعادلة المبينة أعلاه بالمعادلة النووية، وهي تبين العدد الذري والعدد الكتلي للجسيمات المتضمنة في التفاعل.

أشعة بيتا

سميت الأشعة التي انحرفت في اتجاه الصفيحة الموجبة الشحنة أشعة بيتا. تتكون هذه الأشعة من جسيمات بيتا السريعة الحركة، وجسيم بيتا عبارة عن إلكترون له شحنة سالبة أحادية، ومصدر هذا الإلكترون هو النواة وليس السحابة الإلكترونية. ويتكون عندما يتفكك النيوترون غير المستقر إلى البروتون والإلكترون.

تفسر الشحنة السالبة لجسيمات بيتا انجذابها نحو الصفيحة الموجبة الشحنة، كما هو مبين في الشكل 3-21. ويرمز إليها بالرمز β أو e⁻. وتبين المعادلة أدناه تحلل عنصر الكربون-14 إلى عنصر النيتروجين-14، وانبعاث جسيمات بيتا:

¹⁴₆C → ¹⁴₇N + β

كربون-14 → نيتروجين-14 + جسيم بيتا

صور الصفحة

[02_مهن_في_الكيمياء_معلم_الكيمياء.png](sandbox:/mnt/data/صور_درس_الأنوية_غير_المستقرة_والتحلل_الإشعاعي/02_مهن_في_الكيمياء_معلم_الكيمياء.png)

[03_الشكل_3-21_أنواع_الإشعاعات_وانحرافها_في_المجال_الكهربائي.png](sandbox:/mnt/data/صور_درس_الأنوية_غير_المستقرة_والتحلل_الإشعاعي/03_الشكل_3-21_أنواع_الإشعاعات_وانحرافها_في_المجال_الكهربائي.png)

الشكل 3-21:
يحرف المجال الكهربائي الأشعة في اتجاهات مختلفة، اعتمادًا على الشحنة الكهربائية لهذه الإشعاعات.
فسر: لماذا انحرفت جسيمات بيتا نحو الصفيحة الموجبة، وجسيمات ألفا نحو الصفيحة السالبة، ولم تنحرف أشعة جاما؟

#

الجدول 3-5

خواص الإشعاعات

| الخاصية | ألفا | بيتا | جاما |
| ---------- | ------------ | ------------ | ---- |
| الرمز | α أو ⁴₂He | β أو e⁻ | γ |
| الكتلة amu | 4 | 1/1840 | 0 |
| الكتلة kg | 6.65 × 10⁻²⁷ | 9.11 × 10⁻³¹ | 0 |
| الشحنة | +2 | -1 | 0 |

أشعة جاما

لأشعة جاما طاقة عالية، ولا كتلة لها، ويرمز إليها بالرمز γ. ولأن أشعة جاما متعادلة الشحنة فإنها لا تنحرف في المجال المغناطيسي أو المجال الكهربائي، وترافق عادة أشعة ألفا وأشعة بيتا، وهي مسؤولة عن معظم الطاقة التي تفقد خلال التحلل الإشعاعي.

فعلى سبيل المثال ترافق أشعة جاما انبعاث جسيمات ألفا عند تحلل عنصر اليورانيوم-238:

²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + α + 2γ

يورانيوم-238 → ثوريوم-234 + جسيم ألفا + أشعة جاما

ولأن أشعة جاما ليس لها كتلة فإن إشعاعها لا يؤدي إلى تكوين ذرة جديدة. ويلخص الجدول 3-5 أعلاه الخواص الرئيسة لجسيمات ألفا وبيتا وأشعة جاما.

استقرار النواة

إن العامل الرئيس في تحديد استقرار الذرة هو نسبة النيوترونات إلى البروتونات. فالذرات التي تحتوي على عدد كبير أو عدد قليل من النيوترونات غير مستقرة وتفقد طاقة من خلال التحلل الإشعاعي لتكوين أنوية مستقرة، وتطلق جسيمات ألفا وبيتا. وهذه الإشعاعات تؤثر في نسبة النيوترونات إلى البروتونات في الأنوية الجديدة.

التقويم 3-4

الخلاصة

• تتضمن التفاعلات الكيميائية تغيرات في عدد الإلكترونات المحيطة بالذرة، في حين تتضمن التفاعلات النووية تغيرات في أنوية الذرات.
• هناك ثلاثة أنواع من الإشعاعات، هي: ألفا، وبيتا، وجاما.
• يتحدد استقرار نواة الذرة بنسبة النيوترونات إلى البروتونات فيها.

الأسئلة

• الفكرة الرئيسة: فسر كيف يتحقق الاستقرار في الذرات غير المستقرة؟

• اذكر ما الكميات التي تحافظ عليها عند موازنة تفاعل نووي؟

• صنف كلًّا مما يأتي إلى: تفاعل كيميائي، تفاعل نووي، لا شيء منهما:

• a. الثوريوم يصدر أشعة بيتا.
• b. تشارك ذرتين في الإلكترونات لتكوين رابطة.
• c. عينة من الكبريت النقي تصدر طاقة حرارية عندما تبرد ببطء.
• d. صدأ قطعة من الحديد.

• احسب كم مرة يساوي ثقل جسيم ألفا ثقل الإلكترون؟

• كوّن جدولًا يبين كيف يؤثر كل نوع من الإشعاعات في العدد الذري والعدد الكتلي للذرة؟

صور الصفحة

[04_الجدول_3-5_خواص_الإشعاعات_ألفا_بيتا_جاما.png](sandbox:/mnt/data/صور_درس_الأنوية_غير_المستقرة_والتحلل_الإشعاعي/04_الجدول_3-5_خواص_الإشعاعات_ألفا_بيتا_جاما.png)