الفيزياء النووية
المقدمة الفيأزيأاء النوويأة أصبحت في هذه اليأام ضرورة للعالم المتطور ، فقد أصبحت إحدى السس الكبرى لبناء المستقبل ، نظراا لما توفره من امكانيأات جبارة وطرق سهلة للتحكم بالطاقة الكامنة .ولكن للسف اشتهر عند العامة أن الفيأزيأاء النوويأة ليأست سوى القنابل النوويأة ويأأتي الي الذهان مباشرة أحداث هيأروشيأما ونجازاكي فعموما العامة عندما يأسمعون عن الفيأزيأاء النوويأة او كلمة نووي فقط سرعان ما يأأتي الي الذهان صورا القتل والنفجارات وتحكم الدول الكبري فى مصائر وحيأاة الشعوب الخآري . و يأظن الكثيأر أن فكرة الفيأزيأاء النوويأة بدأت مع بدايأة الفيأزيأاء الحديأثة ،وهي في الحقيأقة بدأت منذ أن تم اكتشاف الذرة ،ولكنها بدأت تتضح أكثر مع بدايأة ظهور عصر الفيأزيأاء الحديأثة ،التي أنجبت لنا ما يأسمى بالفيأزيأاء النوويأة ،التي هي بدورها أنجبت طفلا صغيأراا أسميأناه فيأما بعد بـ)فيأزيأاء الجسيأمات الوليأة( والتي هي من أهم العلوم الحديأثة فى الفيأزيأاء فى عصرنا الحديأث وفي القرن الواحد والعشريأن ونحن نحاول فى هذا المقالة تعزيأز ايأصال مفهوم الطاقة النوويأة والفيأزيأاء النوويأة بشكل عام
بشكل علمي مبسط لنتمكن من ايأصال المعلومة للجميأع بل استثناء ان شاء ا.
أسماء
بعض من العلماء
العالم
هنري بيأكريأل العالم العالم رذرفورد طومسون
العالم جيأمس تشادوك
العالم البرت ايأنشتايأن
العالم فالتر بوته
تاريأخ الفيأزيأاء النوويأة يأعود تاريأخ الفيأزيأاء النوويأة كفرع منفصل عن الفيأزيأاء الذريأة بعد اكتشاف النشاط الشعاعي على يأد هنري بيأكريأل عام ،1896 أعطى اكتشاف اللكترون على يأد طومسون أول مؤشر على أن للذرة هيأكل داخآليأا .ففي مطلع القرن 20كان النموذج المقبول للذرة من طومسون الذي كانت عنده الذرة عباره عن كرة من الشحنات الموجبة مغروس بداخآلها إلكترونات سالبة .وفي مطلع القرن العشريأن اكتشف الفيأزيأائيأون أيأضا ثلثة أنواع من الشعاعات تصدر من بعض نظائر الذرات ،وهي :أشعة ألفا وأشعة بيأتا ،وأشعة غاما .في العوام 1914 - 1911أجريأت عدة تجارب من قبل ليأز مايأتنر ،وأوتو هان ،وجيأمس تشادويأك فمن خآللها تم اكتشاف أن أشعة بيأتا عبارة عن إلكترونات وترافقها أشعة إكس. ولكن مجموع طاقة اللكترون والشعة السيأنيأة لم تعادل الطاقة المفقودة من النواة الذريأة عن طريأق تحلل بيأتا .وكانت هذه مشكلة بالنسبة للفيأزيأاء النوويأة في ذلك الوقت .ثم تبييأن فيأما بعد وجود جسيأم أولي آخآر غيأر مرئي وهو نيأوتريأنو يأقوم بحمل تلك الطاقة الناقصة .صاغ ألبرت ايأنشتايأن عام 1905قانون تكافؤ المادة والطاقة عند صيأاغته للنسبيأة الخآاصة،
وتبيأن بعد ذلك أن التحاد بيأن مكونات النواة من بروتونات ونيأوترونات يأعمل على تخآفيأض كتلة النواة بسبب الترابط بيأنهم.
فريأق رذرفورد يأكتشف النواة صوب إرنست رذرفورد عام 1907فيأضا ا من أشعة ألفا وهي أنويأة هيأليأوم يأصدرها عنصر الراديأوم صوبها على شريأحة رقيأقة من الذهب وقام بقيأاس جسيأمات ألفا خآلفها ،فتبيأن أن جسيأمات ألفا تنفذ بسهولة في الشريأحة ،كما تتشتت بعضها بزوايأا بعيأدة عن امتداد الفيأض الساقط .وكان ذلك غريأبا في ذلك الوقت .ثم قام رذرفورد بتفسيأر تلك الظاهرة بأن ذرة الذهب ل بد أن يأكون فراغا كبيأرا في داخآلها وأن كتلة الذرة تتركز في النواة وتدور حولها اللكترونات على مسافات بعيأدة وهذا يأسمى بالغلف اللكتروني للذرة .وشرح رذرفورد نتائج تجربته أمام الجمعيأة الملكيأة للعلوم وما توصل إليأه من تفسيأر بأن الكتلة الذريأة تتركز في النواة وأن الذرات يأشغلها فضاء كبيأر وتدور اللكترونات حولها بعيأدا عن النواة .ذلك التفسيأر نعرفه بنموذج رذرفورد للذرة ولم يأكن النيأوترون قد اكتشف في ذلك الوقت.
جيأمس تشادويأك يأكتشف النيأوترون أدرك جيأمس تشادويأك عام 1932أن الشعاعات التي لوحظت من قبل فالتر بوته ،و هيأربرت بيأكر ،وإيأريأن وفردريأك جوليأو-كوري كانت في الواقع نتيأجة لجسيأمات متعادلة كهربيأا وأن لها نفس كتلة البروتون ،وأطلق على الجسيأم الولي الجديأد "نيأوترون" )بناء على لمثل هذا الجسيأم( .في نفس العام اقترح ديأمتري ايأفاننكو أن النيأوترونات في الواقع لها عزم مغزلي قدره 2/1وأن النواة تحوي نيأوترونات إلى جانب البروتونات لتعليأل الكتلة الذريأة .ساهم ذلك في حل مشكلة محصلة العزم المغزلي للنيأتروجيأن والذي يأتسم بمحصلة عزم مغزلي قدرها .1مع اكتشاف النيأوترون ،فتمكن العلماء من حساب نسبة ضئيألة من نقص الكتلة لكل نواة ،مقارنة بالكتلة الذريأة والتي تتألف من بروتونات ونيأوترونات شديأدة الترابط .وتم حساب الكتل الذريأة على هذا النحو .وعندما أجريأت تفاعلت نوويأة مع جسيأمات ،وجدت أنها تتفق مع حسابات أيأنشتايأن بالنسبة إلى تكافؤ الكتلة والطاقة وتطابقها بدقة عاليأة )في حدود .(% 1كان ذلك في عام .1934
الفيأزيأاء النوويأة الحديأثة وتحوي أنويأة العناصر الثقيألة )ذات كتلة ذريأة أكبر من (200 مئات من النوكليأونات ،مما يأتيأح الفرصة لن تعامل بالميأكانيأكا الكلسيأكيأة ،بدل من ميأكانيأكا الكم ،مثال على ذلك نموذج القطرة للنواة .وتعتبر النواة لديأها طاقة ناتجة جزئيأا من التوتر السطحي وجزئيأا من التنافر الكهربي للبروتونات .ويأسهل نموذج القطرة تمثيأل العديأد من المواصفات والخآواص النوويأة ،بما في ذلك طاقة الرتباط واعتماده على الكتلة الذريأة ،فضل عن ظاهرة النشطار النووي .ومع ذلك فتستخآدم ميأكانيأكا الكم في وصف البناء النووي وتمثيألها بنموذج الغلف النووي ،الذي صاغه من قبل ماريأا مايأر للنوكليأونات بالنسبة إلى تفسيأر العداد السحريأة للبروتونات والنيأوترونات )العداد السحريأة هي،20 ،8 ،2 : 50 ، 82 ،
(...، 126وافتراضه بأنها مستقرة ،لن أغلفتها تكون ممتلئة وكاملة .كما تقترح نماذج أخآرى أكثر تعقيأدا بالنسبة للنواة، مثل :نموذج بوزون التفاعل ،الذي يأتفاعل فيأه زوجا من النيأوترونات والبروتونات كما لو كانت بوزونات ،على نحو زوج كوبر بالنسبة لللكترونات في ظاهرة التوصيأل الفائق.
الندماج النووي عندما تتلمس كتلتيأن صغيأرتيأن مع بعضهما البعض فإنه من الممكن أن يأندمجا معا بفعل القوة القويأة .وإنه يأأخآذ قدرا كبيأرا من الطاقة لدفع نويأات قريأبة فيأما بيأنها بما فيأه الكفايأة من أجل القوة النوويأة أو القويأة ليأكون لها تأثيأر ،ولذا فإن عمليأة الندماج النووي ل يأمكن أن تتم إل في درجات حرارة عاليأة جدا أو كثافة عاليأة جدا. فعندما تكون النويأات قريأبة فيأما بيأنها بما فيأه الكفايأة فإنها تتغلب بالقوة القويأة على التنافر الكهرومغناطيأسي وتسحقهم إلى نواة جديأدة .وتلتحم كميأة كبيأرة جدا من الطاقة مع بعضها عندما يأتم تحريأر ضوء نويأة لن الطاقة ملزمة الزيأادات لكل نيأوكلون مع
العدد الكتلي حتى النيأكل .والنجوم مثل الشمس مدعومة النصهار بأربعة بروتونات من نواة الهيأليأوم ،وهما اثنيأن من البروتونات، واثنيأن من النيأوترونات .والندماج غيأر المنضبط للهيأدروجيأن مع الهيأليأوم يأعرف ب"الهروب الحراري" هناك أبحاث ليأجاد طريأقة مجديأة اقتصاديأا لستخآدام الطاقة من هذا الندماج جارى التعرض لها حاليأا من قبل المؤسسات البحثيأة المخآتلفة.
النشطار النووي طبقا لمنحنى طاقة الرتباط تتناقص طاقة الرتباط لكل نوكليأون للعناصر الثقل من النيأكل مع زيأادة الكتلة الذريأة .ولذلك فمن الممكن ،وهذا يأحدث لليأورانيأوم 235-حيأث تنشطر النواة إلى نصفيأن عند امتصاصها لنيأوترون من الخآارج .ويأعرف هذا
التفاعل ب انشطار نووي .في عمليأة تحلل ألفا يأمكن اعتبارها نوع خآاص من النشطار النووي التلقائى حيأث أن جسيأم ألفا الصادر عن التحلل ما هو إل نواة الهيأليأوم .4-تصدر بعض النويأة مثل اليأورانيأوم 235-عند النشطار عدد من النيأوترونات بيأن 2و 3نيأوترونات .ويأمكن لتلك النيأوترونات الصادرة أن تــتمتص من أنويأة أخآرى من اليأورانيأوم 235-فتنشطر هي الخآرى إلى قسميأن بالضافة إلى أنطلق من 2إلى 3من النيأوترونات .وقد يأستمر هذا التفاعل النشطاري بتزايأد سريأع فيأما يأسمى تفاعل تسلسلي ،وتنطلق منه خآلل ثانيأة واحدة أو أقل طاقة هائلة فظيأعة ،تلك هي فكرة القنبلة الذريأة .وقد استخآدمت قنابل النشطار النووي مثل التي استخآدمتها الوليأات المتحدة في قنبلةهيأروشيأما و نجازاكي في نهايأة الحرب العالميأة الثانيأة وكان لهما أثر فظيأع على البشر والمنشآت .وترويأض تلك الطاقة عن طريأق ضبط سيأر التفاعل المتسلسل هو مصدر الطاقة لمحطات الطاقة النوويأة. هناك مثال معروف لمفاعل انشطار نووي طبيأعي موجود في منطقتيأن من أوكلو -الجابون -أفريأقيأا -كان نشيأطا منذ أكثر من 1.5مليأار سنة مضت .تعزى نحو % 70من حرارة الرض الباطنيأة -وهي تصل من 1500إلى 5000درجة مئويأة بيأن عمق 100كيألومتر و 6000كيألومتر -تعزى إلى تحلل العناصر المشعة الموجودة في غلف الرض.
إنتاج العناصر الثقيألة وفقا لنظريأة النفجار العظيأم عندما برد الكون أنه تجسمت الجسيأمات الوليأة من بروتونات ونيأوترونات وإلكترونات، وعندما برد الكون أكثر أصبحت درجة حرارته ملئمة لن يأمتص كل بروتون إلكترونا لتتكون ذرة الهيأدروجيأن ونسبته نحو %76من المادة .كما تتفق حسابات نظريأة النفجار العظيأم بالنسبة إلى تكون العناصر الخآفيأفة الخآرى من الهيأليأوم وهو بنسبة %23والثوريأوم بنسبة نحو .%1ومع وجود الجاذبيأة بدأت تلك السحب العظيأمة الحجام بالتكاثف في بعض المناطق في الكون ،فنشأت عنها تجمعات من المجرات والنجوم الضخآمة ونجوم أخآرى صغيأرة .وتدل المشاهدة والرصد الفلكي أن تكون النجوم بدأ بعد النفجار العظيأم بنحو 600مليأون سنة ،في وقت أصبحت درجة الحرارة فيأه منخآفضة بحيأث تسمح بنشأة النجوم والمجرات .وفي النجوم بدأ التفاعل النووي المبني على الندماج النووي للهيأدروجيأن ،وبدأ الهيأدروجيأن يأتحول إلى الهيأليأوم، )وهذا هو ما يأحدث حاليأا في قلب الشمس حيأث يأتحول الهيأدروجيأن إلى الهيأليأوم وتنطلق طاقة التفاعل لمداد الرض بالحرارة اللزمة للحيأاة( .وبحسب كتلة النجم تجري فيأه عمليأات الندماج النووي المخآتلفة مكونة عناصر أثقل من الهيأليأوم مثل الكربون والكسجيأن والنيأتروجيأن والسيأليأكون.
وتسمى تلك المرحلة من عمر النجم مرحلة تخآليأق العناصر .وفي النجوم تنتهي تلك المرحلة بتخآليأق الحديأد .عندئذ يأتوقف التفاعل النووي في النجم فجأة بسبب عدم إمكانيأة الحديأد الدخآول في تفاعلت اندماجيأة لنتاج الطاقة ،وقبل ذلك يأكون النجم قد استهلك كل ما لديأه من الهيأدروجيأن والهيأليأوم .فتتغلب قوى الجاذبيأة على قوة الحرارة والضغط الداخآلي فيأتوقف التفاعل الندماجي ويأنهار النجم عل نفسه محدثا انفجارا شديأدا ويأصبح مستعر أعظم .خآلل انفجار النجم في صورة المستعر العظم تتكون العناصر الثقيألة )الثقل من الحديأد( عن طريأق امتصاص النيأوترونات التي تتناثر كثيأرا خآلل النفجار .ويأعتقد العلماء في وجود عمليأتيأن لمتصاص النيأوترونات :أحدهما امتصاص بطيء ) (slowللنيأوترونات وتسمى عمليأة s process والعمليأة الثانيأة سريأعة ) (rapid neutron captureوتسمى . r processوتحدث عمليأة المتصاص البطيأئة للنيأوترونات في أنواع النجوم بالغة الكبر ) s processأكبر من الشمس 10 مرات وأكثر( وهي نجوم حراريأة نباضة وتستغرق مئات السنيأن أو آلف السنيأن لتكويأن عناصر ثقيألة مثل البزموث )83 بروتون و 126نيأوترون( من عناصر أخآف .أما المتصاص النيأوتروني السريأع فهو يأحدث عندما يأنفجر النجم بعد استهلكة لكل الهيأدروجيأن والهيأليأوم ،وبانفجار النجم تتهيأأ الظروف المناسبة من درجة حرارة عاليأة ،وفيأض هائل من النيأوترونات
والعناصر الخآرى لتخآليأق العناصر الثقيألة .تلك التطورات في عمر النجوم هي التي تؤدي إلى تعدد امتصاص النيأوترونات مكونة أنويأة غنيأة بالنيأوترونات ،والتي تتحلل بعد ذلك عن طريأق اضمحلل بيأتا وتكون عناصر ثقيألة .ويأحدث ذلك بصفة خآاصة عند نقاط تسمى "نقاط انتظار" والتي تؤدي بمرور الزمن إلى تكون أنويأة أكثر استقرارا ،لها أغلفة ممتلئة كاملة بالنيأوترونات فيأما يأسمى )العداد السحريأة( .وتبلغ فترة العمليأة السريأعة r processفي العادة عدة ثوان.
الخاتمة
وفي الخآاتمة نحمد البارئ سبحانه وتعالى الذى وفقنا لما قدمناه فنضع قطراتنا الخآيأره بعد المشوار الذى خآضناه بيأن تفكر وتعقل لتقديأم ما قدمناه وأن تنال هذه المجلة على رضا واستحسان قارئه هذا والحمد ل رب العالميأن والصلة والسلم على خآاتم النبيأاء والمرسليأن.
عمل الطلب :
وسأام السأمري
أحمد محمد عبدالعظيم
حكمت نضال المفلح
كريم محمد أبوعيشة
خالد إبراهيم الصبياني
بإشراف: الستاذ :حيأدر الصندل قائد المدرسة :عبدالرحمن الزهراني