الفيزياء النووية2 - مجلة

Page 1

‫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


Issuu converts static files into: digital portfolios, online yearbooks, online catalogs, digital photo albums and more. Sign up and create your flipbook.