طاقة ربط النواة

طاقة ربط النواة

إذا كان العدد الذري للنواة هو Z  ورقم كتلتها هو A  فإن كتلة البروتونات الموجودة في النواة هي ( mp.z ) وكتلة النيوترونات هي mn(A-Z) ويكون مجموع كتلة النويات الموجودة في النواة هي

mp.z + (A-Z)mn

واذا استخدم مطياف الكتلة لقياس كتلة النواة الحقيقية mn  تكون كتلة النواة المقيسة دائما أصغر من مجموع كتل النويات ويكون الفرق في الكتلة بينهما m∆

M=Z.mp + (A-Z )mn -mN∆

وفي الحقيقة فإن النقص في الكتلة (   m∆) قد تحول لطاقة تربط مكونات النواة معا وتعرف هذه الطاقة بطاقة ربط (ارتباط) النواة وتكون الطاقة هي

E.B= ∆mc² =[ Z.mp +(A-Z) mn –mN]C²

ويمكن حساب طاقة الربط لكل نوية بقسمة الطاقة السابقة على عدد النويات A حيث يكون

Ēn = E.B/A =[ Z.mp +(A-Z) mn –mN]C²/A

ويمكن استخدام هذه العلاقة لحساب متوسط الطاقة لكل  نوية Ēn لجميع العاصر ويمثل الشكل العلاقة البيانية بين En، A  لمختلف العناصر ويلاحظ من الشكل أن Ēn تزداد بصورة سريعة جدا مع زيادة A  للعناصر الخفيفة ( أي العناصر التي لا يزيد رقم كتلتها عن حوالي 20)

وتبلغ حوالي (8 مليون الكترون فولت ) في حالة (A=20) ثم تزداد طاقة الربط لكل نوية بصورة بطيئة وتتناقص بعد ذلك ببطء شديد مع زيادة العدد الذري لتصل حوالي (7.6) مليون الكترون فولت   A=60

وتتناقص بعد ذلك ببطء شديد مع زيادة العد الذري لتصل لحوالي (7.6 ) مليون الكترون فولت عندما A=240 ويلاحظ أن طاقة الربط لكل نوية لبعض العناصر مثل ( الهيليوم والكربون والأكسجين الخ ) تكون كبيرة بالمقارنة مع القيمة المتوقعة من الخط البياني .

ان طاقة ربط النواة هي بالتعريف طاقة سالبة وذلك لأنه يجب بذل عمل لفصل مكونات النواة بعضها عن بعض وتساوي طاقة ربط النواة العمل ( الشغل ) اللازم بذله لفصل مكوناتها .

القوى النووية:-

يوجد نوع واحد من الشحنات الكهربائية داخل النواة هي شحنه البروتونات الموجبة وبالتالي فأن القوى الكهربائية الموجودة داخل النواة قوه تنافر ومع ذلك طاقه ربط النواة كبيره فتبلغ طاقه ربط البروتون والنيترون في الديترون D deuteron (نواه نظير الهيدروجين المعروف بالديتيريوم)حوالي (2,23)مليون إلكترون فولت وهي طاقه كبيره جدا بالمقارنة مع طاقه ربط إلكترون ذره الهيدروجين والتي تساوي (13,6)إلكترون فولت .ويمكن الاستنتاج من ذلك أنه لابد من وجود قوى أخرى داخل النواة لتتغلب على قوى التنافر الكهربائي وتحافظ على تماسك وترابط نواه الذرة. وتعرف هذه القوى بالقوى النوويه(قوى النيوكلونات)ويعرف تفاعلها بالتفاعل النوى.أن نظريه القوى النوويه (التفاعل النووي)غير معروفه بصوره مفصله ورفيعة كما هو الحال في حاله القوى معروفه بصوره تجريبية وأهم خصائص القوى النووية المعروفة هي:

(1)-القوى النووية هي قوى تجاذب وتفاعلها هو أقوى وأشد التفاعلات الأربعة المعروفة في الطبيعة وكما ذكرنا سابقا فأن طاقه ربط الديوترون والناتجه عن القوى النووية بين البروتون والنيترون اكبر كثيرا من طاقه ربط إلكترون ذره الهيدروجين والناتجه عن  القوى الكهربائية بين البروتون والإلكترون.

(2)-القوى النووية ذات مدى قصير جدا تكون هذه القوى ذات فعاليه كبيره جدا عندما تكون المسافة الفاصلة بين النويات صغيره جدا (لاتزيد  3أو2فيرمى)   1F=10-15cmفقوه الجذب النووي بين زوج من البروتونات تفصل بينهما مسافة 3,12 فيرمى أكبر بمائه مره من قوه التنافر الكهربائي بينهما . ولكن تتناقص القوى النووية بصوره سريعة جدا مع زيادة المسافة التي تفصل بين النويات بينما تتناقص القوى الكهربائية بصوره بطيئة نسبيا . وتنعدم القوى النووية بين البروتونين عندما تكون المسافة بينهما حوالي 10 فيرمى وتصبح القوى المؤثرة عليها على هذه المسافة هي قوى التنافر الكهربائية فقط وتسبب هذه الخاصية عدم استقرار بعض النوى الثقيلة مثل اليورانيوم والتي تحتوي على كبير من البروتونات إن زيادة عدد البروتونات داخل النواة بعد حد  معين يؤدي لزيادة  قوى التنافر الكهربائية أكثر مما يزيد من  قوى التجاذب النووي وذلك لان البروتونات البعيدة عن مركز  النواة تتجاذب من خلال القوى النووية مع عدد قليل من  النويات المجاورة بينما تتنافر كهربائيا مع جميع بروتونات النواة لا تعتمد القوى النووية على الشحنة الكهربائية ولا وجد بالتالي فرق بين البروتونات والنيوترون من ناحية القوى النووية إن جميع التفاعلات بروتون - بروتون2بروتون نيوترون متشابه ولا يوجد فرق بينهما عند تساوي المسافات .

التفاعلات النووية :

تسمى عملية إنتاج انويه أو جسيمات أولية جديدة أثناء تصادم الجسيمات والنوى تفاعلا نوويا أما إذا بقيت النوى بعد التصادم وكذلك الجسيمات الأصلية بدون تغير أي في هذه الحالة لم تتولد نوى أو جسيمات جديدة فإن هذه العملية تسمى تشتت

ويمكن تمثيل التفاعل النووي ( التحول النووي ) بمعادلة كالأتي :

                                          Y +y              X + x

                                               أو X(x.y)Y

حيث

 X نواة الهدف.

 xالقذيفة الساقطة (الجسم الساقط).

 Yالنواه المتبقية   (الناتجة).

yالجسيم المتطاير .

وفي معظم التحولات يتم الحصول على نوى أو جسيمات جديدة أو يتم الحصول على النوى والجسيمات الأصلية لكل بطاقات مختلفة , وتحضر أنواع التفاعل النووي في الأشكال التالية:

1*تشتت مرن X+x           

2*تشتت غير مرن      X+x                 

3*تفاعل نووي           Y+y                      X+x

4*تفاعل نووي           Z+z

التفاعل الأول عبارة عن تشتت النويات والجسيمات الداخلة في التفاعل هي نفسها النويات والجسيمات الناتجة بعد التفاعل ويسمى بالتشتت المرن , وفيه مجموع الطاقات قبل التفاعل تساوي مجموع الطاقات بعد التفاعل .

التفاعل الثاني تشتت غير مرن حيث أن نواه الهدف رفعت أي حالة من حالات    

والتفاعل الثالث والرابع يميلان تحولات نووية.

وتتحكم عدة عوامل في التفاعل  النووي أهمها:

1-طاقة ونوع القذيفة ,فإذا كانت القذيفة المتفاعلة (الساقطة) مع نواه الهدف بروتونات مثلاً فإن ناتج التفاعل يختلف  عما  إذا كانت القذيفة نيوترونات أو جسيمات الألفا أو اشعاعات الجاما    .

كما إن طاقة القذيفة كذلك يتحكم في نوع التفاعل,وقد امكن تقسيم   طاقة القذيفة إلى خمس مجموعات هي :

*قذيفة طاقتها منخفضة (قذائف بطيئة)                      0<E<1000ev             

2*قذيفة طاقتها متوسطة                         1kev <E<10kev                                                    

3*قذيفة طاقتها عالية                                             0.5mev<E<10mev                           

4*قذيفة طاقتها عاليه جدا                                10mev<E<50mev       

5*قذيفة طاقتها فوق عالية                  E>50mev                    

2-كتلة الهدف حيث ان تفاعل النوى الحقيقية تختلف بكل تأكيد عن تفاعل النوى الثقيلة او المتوسطة , وقد حصرت هذة الثلاثة الانواع لكتلة الهدف كما يأتي

1*نوى خفيفية                                                    1<A<25                       

2*نوى متوسطة                                                 25<A<80               

3*نوى ثقيلة                                                      80<A<250

1-المقاطع العرضية للتفاعلات النووية:حيث يقاس إحتمال حدوث تفاعل بين نواة هدف ما وبين قذيفة مصوبة نحوة يتناسب هذا الاحتمال مع مساحة قطاع نواة الهف , أي ان احتمال حدوث تفاعل نووي يمكن التعبير عنه بالقطاع النووي ويرمز له بالرمز σ  ,وحيث ان المساحة الهندسية للقطاع    

2Π R  في النواة حيث  R)نصف قطر النواة )  (10-24   cm2)وبذلك فأن وحدة المقطع المستعرض هي وحدة مساحات وتسمى بوحدة البارن  Barn وتساوي هذة الوحدة  (10-24  cm2)

ويمكن التعبير عن المقطع المستعرض او احتمال حدوث تفاعل نووي لجسيمات ساقطة نحو هدف رقيق بالمعادلة:

R=φσNX                                                  

أذن σ=R/φNX                                           

حيث

 R     معدل التفاعل النووي

     φ فيض الجسيمات الساقطة لكل وحدة زمينة

     σ المقطع المستعرض للتفاعل (احتمال حدوث التفاعل ) بالســــــــــم²

N    عدد النويات الموجودة في الهدف لكل ســــــــم

X    سمك الهدف بالســــــــم

ويعبر عادة عن الاحتمال الكلي للتفاعل النووي بالمقطع المستعرض الكلي والذي يساوي المقاطع المستعرضة للتفاعلات النووية المختلفة والمحتملة بالصورة التالية

 t=σe+σin+σa+σf                              σ

حيث:

                        σe المقطع المستعرض للتشتت المرن

                       σin المقطع المستعرض للتشتت  الغير المرن               

                       σa المقطع المستعرض للإمتصاص

                       σf المقطع المستعرض للإنشطار

خواص النواة :

1-     الكتلة : تساوي مجموع الكتل للجسيمات المكونة للنواة ( البرتونات + النيوترونات ) وقد وجد من قياس النتائج العملية أن كتلة النواة أقل من مجموع كتل مكوناتها وهي حرة

وقد وجد مثلا أن ذرة الهيليوم تحتوي على بروتونين ونيوترونين أي أن كتلة نواة الهيليوم مساوية

كتلة البروتون × 2 + كتلة النيوترون ×2

2 x 1.0078 + 2 x 1.0090 =4.0337 a.m.u

a.m.u)  هي وحدة كتل نووية atomic mass unit  وهي تساوي  1a.m.u= 1.6604 x10 gramme )

وقد وجد أن نواة ذرة الهيليوم المقاسة عمليا تساوي ( 4.0028 a.m.u ) وعليه فإن الفرق في الكتلة النظرية والكتلة العملية هو

m= 4.5337 -4.0028 =0.0309 a.m.u∆

والفرق (   m∆  ) يساوي كمية الطاقة المنطلقة أثناء التفاعل النووي ويمكن حساب هذه الطاقة بالعلاقة التالية

E =∆mC²∆

حيث     ∆E  مقدار الطاقة المنطلقة أثناء التفاعل

2-     الشحنة : تحمل النواة الشحنة الموجبة للذرة حيث أن البروتونات الموجبة الشحنة أحدى مكوناتها بينما النيوترونات متعادلة الشحنة

3-     حجم النواة : يمكن قياس حجم النواة عن طريق قذفها بجسيمات ذات طاقة عالية وقد دلت هذه القياسات انه يمكن اعتبار النواة كرة تقريبا لها نصف قطر يعطى بالعلاقة :

R= Ro (A)

حيث Ro ثابت له قيمة تساوي 1.2 x10 m

وتحسب كثافة النواة من العلاقة

= A/(4/3)π R³

=A / (4/3 ) π AR³o

                      πR³o ¾ =

ومن هذه العلاقة يمكن استنتاج أن كثافة النواة لا تعتمد على حجمها أي على عدد الجسيمات المكونة لها بينما حجم النواة يتناسب مع عدد هذه الجسيمات .

  ديناميكة التفاعلات النووية

تتم التفاعلات النووية في مرحلتين هما :

 المرحلة الأولى.

تتخلص هذه المرحلة في إمتصاص نواة الهدف للجسيم الساقط (القذيفة) وتتكون مرحلة تسمى بالنواة المركبة.

هذه النواة شديدة الأستثاره دائما لأن الجسيم الممتص يعطي للنواة المتكونة طاقته الحركية بالأضافة إلى طاقه ربط النيوكليونات الممتصة

المرحلة الثانية           

       تبدأ بانحلال هذه النواة المركبة من خلال انبعاث جسيمات تاركه خلفها نواه جديدة

ويمكن تمثيل هاتين المرحلتين كالتالي :

1-     النواة الأصلية(الهدف)+الجسيم الساقط ــــــــــ   نواة  مركبه

2-     النواة المركبة ـــــــــــــ نواه ناتجة+جسيم متطاير(له طاقه حركه)

عمر النواة المركبة حوالي    10-14s   ( من الثانية )وهو زمن قصير جدا لذلك فأن مرحله تكوين النواة المركزيه تسمى بالمرحلة الشبه انتقاليه (مرحله تخيليه ،وطريقه اضمحلال هذه النواة لا يعتمد على طريقه تكوينها بل تعتمد على توزيع الطاقة داخل النواة المركبة والدليل على ذلك أن إضمحلال النواه المركبه يمكن أن يؤدي إلي عده احتمالات كما يتضح من المثال الأتي :

مثال آخر

ويجب أن تخضع التفاعلات النووية إلى قوانين البقاء وهي:

1-قانون حفظ الطاقة النسبية :يكون مجموع كتل المواد الناتجة في العادة أقل من مجموع كتل المواد المتفاعلة ولكن الطاقة النسبية (مجموع الطاقة الكتلة ) للمواد الناتجة تساوي الطاقة النسبية للمواد المتفاعلة

فإذا كانت  E هي طاقه الحركة  MC2 طاقه الوضع فأن :

M1C2+E1+M2C2+E2=M3C2+E3+M4C2+E4

C2{M1+M2-M3-M4}={E3+E4-(E1+E2)}                             

ويمكن أن يسمى الطرف الأيمن أو الأيسر بالكمية Qوتعرف بأنها الفرق بين الطاقه قبل التفاعل والطاقه بعد التفاعل

Q=(E3+E4)-(E1+E2)                                           

وحيث أن النواة الهدف تكون عاده ساكنه فأن  E2=0:

Q=(E3+E4)- E1                                           

وكما سبق فأن Q  تكون لها القيمة الموجبة ويسمى تفاعل طارد للطاقة (اكسوتيرمى) أي أن مجموع الطاقات الناتجة    ˂مجموع الطاقات الداخلة

وعندما تكون قيمه Q  سالبه فيسمى تفاعل ماص للطاقة ( اندوتيرمى)أي أن مجموع الكتل الداخلة في التفاعل  مجموع الكتل الناتجة من التفاعل

وهنا يعني أن  التفاعل النووي يمكن أن يعطى أي معلومات عن كتل النويات أو عن طاقتها أو عن قيمه Q للتفاعل .

2-قانون الشحنة الكهربائية : أن مجموع الشحنات الكهربائية للمواد الناتجة يساوي مجموعها للمواد المتفاعلة وقد يحدث أعاده في توزيع الشحنات الكهربائية ولكن لا يمكن خلق أو فناء الشحنة الكهربائية .

3-مجموع عدد النوبات (البروتونات +النيترونات)للمواد المتفاعلة يساوي مجموعها للمواد الناتجة .

4-كميه الحركة الخطية للمواد الناتجة والمواد المتفاعلة متساوية وكذلك الحال بالنسبة لكميه الحركة الزاوية.