التحولات النووية. الاجابة عن أهم الأسئلة

في هذا الدرس، نقدم التحولات النووية، وهي العمليات التي تحدث في نوى الذرات، حيث تتغير النواة سواء بتفاعل داخلي أو من خلال تأثيرات خارجية. ما هي التحولات النووية؟ التحولات النووية هي التغيرات التي تحدث في نواة الذرة نتيجة لتفاعلات مثل التحلل الإشعاعي، الانشطار النووي، والاندماج النووي. نشرح كيف يمكن للذرات أن تتحلل بشكل طبيعي أو صناعي لتصبح نظائر مشعة تُطلق إشعاعات، مثل الأشعة ألفا، بيتا، وجاما.

ملاحظة:

1/ توجد محاكاة حول التفكك الاشعاعي داخل الدرس. 

2/ توجد وثيقة التلميذ بصيغة الـ PDF في نهاية الدرس.

I ـ تذكير:

1 ـ مكونات نواة عنصر كيميائي ومميزاتها:

نشاط ـ 1 ـ

1 ـ أذكر مكونات الذرة ؟

2 ـ أذكر مكونات النواة ؟

3 ـ أين تتموقع النواة بالنسبة للذرة ؟

4 ـ كم يساوي حجم النواة مقارنة بحجم الذرة ؟

5 ـ من هو العالم الذي توصل إلى العلاقة التي تربط بين حجم النواة وحجم الذرة وفي أي سنة حدث ذلك؟

6 ـ ما هي رتبة قياس أبعاد كل من الذرة أو النواة ؟

7 ـ ماذا تساوي كتلة النواة مقارنة بكتلة الذرة ؟

8 ـ ضع رسما تخطيطيا توضح من خلاله مكونات الذرة ؟

9 ـ ما هو عدد الأنوية الطبيعية ؟

10 ـ ما هو عدد الأنوية الاصطناعية ؟

11 ـ نرمز للنواة بالرمز:

$${}_Z^{A}X$$

ماذا يمثل كل من A وZ ؟

12 ـ يحقق A العلاقة التالية A = Z + N ماذا يمثل العدد N ؟

13 ـ أعط بعض الأمثلة عن الأنوية ؟

الاجابة:

1 ـ تتكون الذرة من نواة تطوف حولها الكترونات.

2 ـ تتكون النواة من بروتونات ونيترونات تسمى نوكليونات أو نويات.  

3 ـ تتموقع النواة في مركز الذرة.  

4 ـ حجم النواة صغير جدًا مقارنة بحجم الذرة. بشكل تقريبي، يمكن القول إن قطر النواة يتراوح بين 1 إلى 10 فيمتومتر (1 فيمتومتر = 10⁻¹⁵ متر)، في حين أن قطر الذرة يكون في حدود 0.1 إلى 0.5 نانومتر (1 نانومتر = 10⁻⁹ متر).

بالمقارنة، إذا كانت الذرة بحجم ملعب كرة قدم، فإن النواة ستكون بحجم حبة صغيرة داخل منتصف الملعب. بمعنى آخر، النواة تشغل جزءًا صغيرًا جدًا من حجم الذرة، حوالي 1 من 100,000 من حجم الذرة.

5 ـ العالم الذي توصل إلى العلاقة التي تربط بين حجم النواة وحجم الذرة هو العالم رذرفورد وذلك سنة 1911/1912.

6 ـ رتبة قياس أبعاد الذرة هي 10^-10(m) ورتبة قياس أبعاد النواة هي 10^-15(m)

7 ـ كتلة الذرة تساوي تقريبا كتلة نواتها.

8 ـ رسم تخطيطي يوضح مكونات الذرة:

9 ـ عدد الأنوية الطبيعية 286 نواة.

10 ـ عدد الأنوية الاصطناعية أكثر من 3000 نواة.

11 ـ يمثل A: ـ العدد الكتلي.

             ـ عدد النوكليونات.

             ـ مجموع البروتونات والنيترونات.

يمثل Z: ـ العدد الذري.

            ـ العدد الشحني.

            ـ عدد البروتونات.

            ـ عدد الالكترونات في الذرة.

12 ـ يمثل N عدد النيترونات.

13 ـ أمثلة عن بعض الأنوية:

2 ـ النظائر:

نشاط ـ 2 ـ

نظائر الكربون هي:

$${}_6^{12}\text{C},{}_6^{13}\text{C},{}_6^{14}\text{C}$$

من خلال نظائر الكربون:

1 ـ عرف النظائر بصفة عامة ؟

2 ـ هل النظائر تتفق في الخواص الكيميائية أم في الخواص الفيزيائية ؟

3 ـ أعط بعض الأمثلة عن النظائر؟

الاجابة:

1 ـ النظائر هي نوكليدات لنفس العنصر تتفق في العدد الذري Z وتختلف في العدد الكتلي A وعدد النيترونات N 

2 ـ تتفق النظائر في الخواص الكيميائية لأنها تنتمي الى نفس النوع.

3 ـ أمثلة عن بعض النظائر:

نظائر البوتاسيوم:

$${}_{19}^{39}\text{K}, \quad {}_{19}^{40}\text{K}, \quad {}_{19}^{41}\text{K}$$

نظائر اليورانيوم:

$${}_{92}^{234}\text{U}, \quad {}_{92}^{235}\text{U}, \quad {}_{92}^{238}\text{U}$$

نظائر الهيدروجين:

$${}_{1}^{1}\text{H}, \quad {}_{1}^{2}\text{H}, \quad {}_{1}^{3}\text{H}$$

3 ـ القوة النووية القوية:

نشاط ـ 3 ـ

* تحتوي النواة على مجموعة من البروتونات لكل منها شحنة موجبة.
1 ـ هل يوجد تنافر بين البروتونات في النواة ؟

2 ـ كيف تفسر استقرار النواة ؟

3 ـ تكون النواة مستقرة تحت تأثير قوة. ما هو اسم هذه القوة ؟

4 ـ أذكر بعض مميزات هذه القوة ؟

5 ـ هل عدد النيترونات في النواة يساعد على استقرارها ؟ علل إجابتك ؟
    يمكن الاستعانة بالوثيقة التالية:

الاجابة:

1 ـ نعم يوجد تنافر بين البروتونات في النواة.
2 ـ نفسر استقرار النواة بوجود قوة تحافظ على تماسكها تكون شدتها أكبر من شدة قوة التنافر بين البروتونات.
3 ـ تسمى هذه القوة: القوة النووية القوية.
4 ـ تتميز القوة النووية القوية بأن شدتها كبيرة جدا ومدى تأثيرها قصير جدا لا يتعدى حدود النواة.

II ـ النشاط الإشعاعي:

1 ـ استقرار وعدم استقرارالأنوية:

نشاط ـ 4 ـ

تنقسم الأنوية إلى قسمين: أنويه مشعة، وأنويه غير مشعة.
1 ـ عرف النواة الغير مشعة ؟

2 ـ عرف النواة المشعة ؟

3 ـ هل يمكن للنواة المشعة أن تتحول إلى  نواة غير مشعة ؟

4 ـ إذا كان الجواب نعم. كيف نسمي آلية التحول وماذا يصاحبها ؟

الاجابة:
1 ـ النواة الغير مشعة: هي نواة تحافظ على تركيبها، ولا يحدث لها تفكك (نواة مستقرة).
2 ـ النواة المشعة: هي نواة لا تحافظ على تركيبها، ويحدث لها تفكك (نواة غير مستقرة).  
3 ـ نعم يمكن للنواة المشعة أن تتحول إلى نواة غير مشعة.

4 ـ يمكن للنواة المشعة أن تتحول إلى  نواة غير مشعة عن طريق الية تدعى التفكك الاشعاعي، يحدث ذلك بانبعاث احد الاشعاعات الممكنة α ، β، γ

2 ـ أنماط التفكك الاشعاعي (معادلات التفكك):

نشاط ـ 5 ـ

1 ـ عرف أشعة α؟

2 ـ أكتب معادلة التحول النووي الذي يؤدي إلى تحويل النواة الأب إلى النواة الابن بواسطة التحول α ؟

3 ـ اعط مثال حول التحول α مع توضيح قانونا الانحفاظ لصودي ؟

4 ـ ارسم مخطط سيقري الموضح لمجالات الاستقرار للأنوية ؟

5 ـ عرف أشعة^-β ؟

6 ـ أكتب المعادلة التي توضح كيفية تحول النيترون إلى بروتون بواسطة التحول^-β ؟

7 ـ أكتب معادلة التحول النووي الذي يؤدي إلى تحويل النواة الأب إلى النواة الابن بواسطة التحول^-β ؟

8 ـ اعط مثال حول التحول^-β مع توضيح قانونا الانحفاظ لصودي ؟

9 ـ ارسم مخطط سيقري الموضح لمجالات الاستقرار للأنوية ؟

10 ـ عرف أشعة⁺β ؟

11 ـ أكتب المعادلة التي توضح كيفية تحول البروتون إلى نيترون بواسطة التحول⁺β ؟

12 ـ أكتب معادلة التحول النووي الذي يؤدي إلى تحويل النواة الأب إلى النواة الابن بواسطة التحول⁺β ؟

13 ـ اعط مثال حول التحول⁺β مع توضيح قانونا الانحفاظ لصودي ؟

14 ـ ارسم مخطط سيقري الموضح لمجالات الاستقرار للأنوية ؟

15 ـ عرف أشعة γ ؟

16 ـ إلى ماذا يؤدي التفكك γ ؟

17 ـ اعط مثال عن التفكك γ ؟

الاجابة:

1 ـ أشعةα  هي عبارة عن أنوية الهيليوم.

$${}_2^4\text{He}$$

2 ـ كتابة معادلة التحول النووي الذي يؤدي إلى تحويل النواة الأب إلى النواة الابن بواسطة التحول (α)

$${}_Z^A\text{X}\to {}_{Z-2}^{A-4}\text{Y}+{}_2^4\text{He}$$

3 ـ مثال حول التحول (α):

$${}_{95}^{241}\text{Am}\to {}_{93}^{237}\text{Np}+{}_2^4\text{He}$$

4 ـ رسم مخطط سيقري الموضح لمجالات الاستقرار للأنوية:

5 ـ أشعة ^-β هي عبارة عن الكترونات منبعثة من النواة ناتجة عن تحول النيترون الى بروتون. 
6 ـ المعادلة التي توضح كيفية تحول النيترون إلى بروتون بواسطة التحول ^-β:

$${}_0^1\text{n}\to {}_1^1\text{p}+{}_{-1}^0{\text{e}}^{-}+\bar{\nu }$$

7 ـ معادلة التحول النووي الذي يؤدي إلى تحويل النواة الأب إلى النواة الابن بواسطة التحول ^-β:

$${}_{Z}^{A}\text{X} \rightarrow {}_{Z+1}^{A}\text{Y} + {}_{-1}^{0}\text{e}^- + \overline{\nu}$$

8 ـ مثال حول التحول ^-β

$${}_{38}^{90}\text{Sr}\to {}_{39}^{90}\text{Y}+{}_{-1}^0{\text{e}}^{-}+\bar{\nu }$$

ملاحظة:

نسمي ($\overline{\nu}$) النيترينو المضاد، وهو دقيقة عنصرية عديمة الشحنة والكتلة، يمكن تجاهله عند كتابة معادلة التفاعل النووي.

9 ـ رسم مخطط سيقري الموضح لمجالات الاستقرار للأنوية:

10 ـ أشعة (⁺β) هي عبارة عن بوزيتونات تنطلق من النواة، وتتميز بان لها نفس كتلة الالكترون، ونفس الشحنة، ولكن بإشارة موجبة.

11 ـ المعادلة التي توضح كيفية تحول البروتون إلى نيترون بواسطة التحول ⁺β:

$${}_1^1\text{p}\to {}_0^1\text{n}+{}_{+1}^0{\text{e}}^{+}+\nu$$

12 ـ معادلة التحول النووي الذي يؤدي إلى تحويل النواة الأب إلى النواة الابن بواسطة التحول ⁺β:

$${}_{Z}^{A}\text{X} \rightarrow {}_{Z-1}^{A}\text{Y} + {}_{+1}^{0}\text{e}^+ + V$$

13 ـ مثال حول التحول ⁺β:

$${}_6^{11}\text{C}\to {}_5^{11}\text{B}+{}_{+1}^0{\text{e}}^{+}+V$$

ملاحظة:

نسميV  نيترينو، وهو دقيقة عنصرية عديمة الشحنة، والكتلة، يمكن تجاهله عند كتابة معادلة التفاعل النووي.

14 ـ رسم مخطط سيقري الموضح لمجالات الاستقرار للأنوية:

15 ـ أشعة γ هي عبارة عن أمواج كهرومغناطيسية تطلقها النواة الابن اذا كانت مثارة لتتحول الى نواة أقل اثارة.

$${}_Z^A{\text{X}}^{\ast }\to {}_Z^A\text{X}+{}_0^0\gamma$$

17 ـ مثال عن التفكك γ:

لاحظ الوثيقة التالية:

محاكاة حول التفكك الاشعاعي

محاكاة تعليمية: التفكك الإشعاعي

نمط التفكك: α (ألفا) β (بيتا) γ (غاما)    N₀₁: T½₁:

N₀₂: T½₂:

III ـ التناقص في النشاط الإشعاعي:

1 ـ تعريف النشاط الاشعاعي:

النشاط الإشعاعي هو تحول نووي تلقائي يحدث على مستوى الأنوية ويكون مرفوقا بانبعاثات إشعاعية.

2 ـ المعادلات التفاضلية للتطور وحلولها:

نشاط ـ 1 ـ

يحمل التناقص الإشعاعي طابعا عشوائيا لأننا لا نستطيع تحديد عدد الأنوية المشعة في كل لحظة.
نفرض أنه في اللحظة t = 0 لدينا N₀ نواة سوف تبدأ بالإشعاع، ونفرض أنه عند اللحظةt  تصبح لدينا N نواة سوف تبدأ بالإشعاع، أي أنه خلال المدة Δt كانت لدينا ΔN نواة سوف تبدأ بالإشعاع.
 1ـ إذا علمت أن ΔN متناسبة طردا مع Δt وN مما سبق برهن أن dN/dt + λN = 0
حيث λ ثابت الإشعاع.

2 ـ بين أن N(t) = N₀e^-λt حل للمعادلة التفاضلية dN/dt + λN = 0 ؟

3 ـ استنتج وحدة ثابت الإشعاع λ ؟

يتميز التناقص الإشعاعي بمقدارين زمنيين مهمين هما: ثابت الزمن τ وزمن نصف العمر T = t_1/2 حيث τ = 1/λ  و t_1/2 يمثل الزمن اللازم لتفكك أو إشعاع نصف عدد الأنوية الابتدائية.

• 4 ـ اوجد $N(\tau)$ بدلالة $N_0$.

• 5 ـ اوجد العلاقة التي تربط بين $t_{1/2}$ و $\tau$.

• 6 ـ مثل بيان الدالة:

$$N(t)=N_0{e}^{-\lambda t}\mathrm{.}$$

• 7 ـ بين كيفية استنتاج كلٍّ من $\tau$ و $t_{1/2}$ انطلاقًا من منحنى $N(t)$.

الاجابة:

1 ـ البرهنة على أن:

$$\frac{dN}{dt}+\lambda N=0$$

انطلاقًا من كون التغير $\Delta N$ متناسبًا طرديًا مع كلٍّ من $\Delta t$ و $N$، حيث يُعبَّر عن ذلك بالعلاقة:

$$\Delta N=-\lambda N\,\Delta t$$

مما يؤدي إلى كتابة:

$$\Delta N+\lambda N\,\Delta t=0.$$

ومنه:

$$\frac{\Delta N}{\Delta t} + \lambda N = 0$$

• عندما $\Delta t \to 0$ ، نجد:

$$\frac{dN}{dt} + \lambda N = 0 \quad \text{(1)}$$

2 ـ الاثبات بأن N(t) = N₀e^-λt  حل للمعادلة التفاضلية dN/dt + λN = 0

لدينا: N(t) = N₀e^-λt  

ومنه:

$$\frac{dN}{dt} = - \lambda N_0 e^{-\lambda t}$$

بالتعويض في المعادلة التفاضلية  (1)نجد:

-λ .N₀e^- λt + λ .N₀e^-λt  = 0

ومنه: 0 = 0 (محققة)

ومنه: N(t) = N₀e^-λt حل للمعادلة التفاضلية dN/dt + λN = 0 

3 ـ استنتاج وحدة ثابت الإشعاع λ

لدينا المقدار e^-λt ليس له وحدة ومنه المقدارλt ليس له وحدة، وحيث أن وحدة t هي الثانية (s) فان وحدةλ هي s ^-1

4 ـ ايجاد N(τ) بدلالة N₀

لدينا:

$$N(t)=N_0{e}^{-\lambda t}$$

ولدينا:

$$\lambda =\frac{1}{\tau }$$

ومنه:

$$N(t)=N_0{e}^{-\frac{t}{\tau }}$$

من أجل $t = \tau$نجد:

$$N(\tau) = N_0 e^{-\frac{\tau}{\tau}} = N_0 e^{-1}$$

ومنه:

$$N(\tau) = \frac{N_0}{e} \approx 0.37 N_0$$

5 ـ ايجاد العلاقة بين t_1/2 وτ

لدينا:

$$N(t)=N_0{e}^{-\frac{t}{\tau }}$$

عند زمن نصف العمر $t_{1/2}$، يصبح عدد الأنوية نصف العدد الأصلي، أي:

$$N(t_{1/2}) = \frac{N_0}{2}$$

بالتعويض في المعادلة نجد:

$$\frac{N_0}{2} = N_0 e^{-\frac{t_{1/2}}{\tau}}$$

ومنه:

$$\frac{1}{2}=e^{-\frac{t_{1\mathrm{/}2}}{\tau }}$$

لنأخذ اللوغاريتم الطبيعي (ln) للطرفين:

$$\ln \left( e^{-\frac{t_{1/2}}{\tau}} \right) = \ln \left( \frac{1}{2} \right)$$

ومنه:

$$-\frac{t_{1\mathrm{/}2}}{\tau }=\ln \left(\frac{1}{2}\right)$$

نحن نعلم أن:

$$\ln \left( \frac{1}{2} \right) = -\ln 2$$

ومنه نجد:

$$-\frac{t_{1/2}}{\tau} = -\ln 2$$

ومنه:

$$\frac{t_{1/2}}{\tau} = \ln 2$$

ومنه:

$$t_{1/2} = \tau \ln 2$$

وكذلك:

$$\tau = \frac{t_{1/2}}{\ln 2}$$

6 ـ رسم بيان الدالة N(t) = N₀e^-λt 

7 ـ كيفية استنتاج كل من τ وt_1/2 بيانيا:

أنظر البيان السابق. 

3 ـ مفهوم النشاط الإشعاعي:

نشاط ـ 2 ـ

1 ـ عرف النشاط الإشعاعي ؟

2 ـ نرمز للنشاط الإشعاعي بالرمز A عبر عن A بدلالة  dNو dt ؟

3 ـ كيف يمكن حسابA  وما هي وحدة قياسه ؟

4 ـ أرسم البيان الموضح للنشاط الإشعاعي ؟

5 ـ كيف يمكن تطبيق النشاط الإشعاعي للتأريخ ؟

الاجابة:

1 ـ النشاط الإشعاعي هو عدد التفككات التي تحدث في الثانية الواحدة، ونرمز له بالرمز A

2 ـ العلاقة هي:

$$A=-\frac{dN}{dt}$$

3 ـ كيفية حساب A  ووحدة قياسه:

لدينا N(t) = N₀e^-λt 

ولدينا:

$$A=-\frac{dN}{dt}$$

ومنه: A(t) = λ.N₀e^-λt نضع:  A₀ = λN₀

ومنه: A(t) = A₀e^-λt

ويقاس بالبكريل (Bq)
4 ـ رسم البيان الموضح للنشاط الإشعاعي:

5 ـ كيفية تطبيق النشاط الإشعاعي للتأريخ:

لدينا:

$$A(t)=A_0{e}^{-\lambda t}$$

حيث:

• $A(t)$: النشاط الإشعاعي عند الزمن $t$.
• $A_0$: النشاط الإشعاعي الابتدائي عند $t = 0$.
• $\lambda$: ثابت النشاط الإشعاعي.
• $t$: الزمن.

بأخذ اللوغاريتم الطبيعي للطرفين نجد:

$$\ln \left(\frac{A(t)}{A_0}\right)=-\lambda t$$

ومنه:

$$t=\frac{1}{\lambda }\ln \left(\frac{A_0}{A(t)}\right)$$

ولدينا:

$$\tau =\frac{1}{\mathrm{\lambda }}$$

ومنه:

$$t=\tau \ln \left(\frac{A_0}{A(t)}\right)$$

باستخدام عدد الأنوية $N(t)$:
نظرًا لأن النشاط الإشعاعي يتناسب طرديًا مع عدد الأنوية المشعة المتبقية $N(t)$، فإن نفس العلاقة تنطبق على عدد الأنوية:

$$t=\frac{1}{\lambda }\ln \left(\frac{N_0}{N(t)}\right)$$

أو:

$$t=\tau \ln \left(\frac{N_0}{N(t)}\right)$$

وباستخدام كتلة العينة $m(t)$ :
بما أن عدد الأنوية يتناسب مع الكتلة، فإن نفس العلاقة تنطبق على الكتلة:

$$t=\frac{1}{\lambda }\ln \left(\frac{m_0}{m(t)}\right)$$

أو:

$$t=\tau \ln \left(\frac{m_0}{m(t)}\right)$$

IV ـ التفاعلات النووية المفتعلة:

1 ـ التفاعلات التلقائية والتفاعلات المفتعلة:

نشاط ـ 1 ـ
1 ـ متى نقول عن تفاعل انه تلقائي ؟
2 ـ متى نقول عن تفاعل انه مفتعل ؟
3 ـ كيف نقوم بالتفاعلات المفتعلة ؟
4 ـ ماذا تسمى التفاعلات المفتعلة ؟
5 ـ من هو أول عالم قام بأول تفاعل نووي مفتعل وفي أي سنة حدث ذلك وما هو التفاعل الذي قام به؟

الاجابة:

1 ـ نقول عن التفاعل أنه تلقائي، اذا أصدر الجسم المتفاعل اشعاعات نووية مختلفة α،  β،γ  تلقائيا دون تدخل الانسان.
2 ـ نقول عن التفاعل أنه مفتعل، اذا تدخل فيه الانسان بتهيئة ظروف، وشروط معينة.
3 ـ نقوم بالتفاعلات المفتعلة، بقذف النواة بجسيمα  أو أي نواة أخرى، فيتم التقاط القذيفة من طرف النواة المستهدفة في مرحلة أولى لتتشكل نواة مركبة غير مستقرة، ويرافق ذلك اصدار جسيم اخر. 
4 ـ تسمى التفاعلات المفتعلة، التحولات النووية الاصطناعية.
5 ـ أول عالم قام بأول تحول نووي اصطناعي هو رذرفورد سنة 1919 حيث قام بالتفاعل التالي:

$${}_7^{14}N+{}_2^{4}He\to {}_8^{17}O+{}_1^{1}p$$

2 ـ المظهر الطاقوي للتفاعلات النووية:

وحدة الكتلة الموحدة:

نشاط ـ 2 ـ

1 ـ عرف وحدة الكتلة الموحدة ؟

2 ـ ما هو رمز وحدة الكتلة الموحدة ؟

3 ـ أوجد قيمة وحدة الكتلة الموحدة بالكيلوغرام ؟

الاجابة:

1 ـ وحدة الكتلة الموحدة هي كتلة جزء من اثنى عشرة جزء من ذرة الكربون 12.
2 ـ رمز وحدة الكتلة الموحدة هو: u

3 ـ ايجاد قيمة وحدة الكتلة الموحدة بالكيلوغرام:

لدينا:

$$1u = \frac{1}{12} \times \frac{12}{N_A} = 1.66 \times 10^{-24} \, g$$

ومنه:

$$1u = 1.66 \times 10^{-27} \, kg$$

حيث:  N_A = 6,02 ×10²³

علاقة الكتلة بالطاقة:(التكافؤ كتلة طاقة).

نشاط ـ 3 ـ

بالاعتماد على الوثيقتين 1 ، 2

مخطط يوضح تغير الطاقة بدلالة تغير الكتلة.

1 ـ ما هي العلاقة بين مجموع كتل النويات منعزلة وكتلة النواة ؟

2 ـ ما هي العلاقة بين طاقة النوكليونات وطاقة النواة وكيف نسمي الطاقة التي تمثل الفرق بينهما وما هو رمزها وكيف يمكن حسابها ؟

الاجابة:

1 ـ من الوثيقة (1) نستنتج ان مجموع كتل النويات منعزلة أكبر من كتلة النواة.
2 ـ العلاقة بين طاقة النوكليونات وطاقة النواة هي علاقة تكافؤ بين الكتلة والطاقة. 

E_{نوكليونات}  = E_نواة  + E_ℓ

حيث نسمي E_ℓ: طاقة الربط ومنه:

 E_ℓ = E_{نوكليونات} – E_نواة

ومنه:

E_ℓ = (Zm_p+ (A – Z)m_n – m)C²

حيث:              C: سرعة الضوء.

        N = A - Z: عدد النيترونات.
                     
                     Z: عدد البروتونات.

V ـ الانشطار والاندماج:

1 ـ طاقة الربط لكل نوية:

نشاط ـ 4 ـ

1 ـ كيف يمكن حساب طاقة الربط لكل نوية  وما هو رمزها ؟

2 ـ كيف نحدد النواة الأكثر استقرارا ؟

3 ـ بالاعتماد على الوثيقة التالية:

ـ اشرح منحنى أستون باختصار ؟

الاجابة:

1 ـ يمكن حساب طاقة الربط لكل نوية بقسمة طاقة الربط للنواة على عدد النويات (A) ونرمز لها بالرمز:

$$E_l\left(\frac{{(}_Z^A)X}{A}\right)$$

2 ـ النواة الأكثر استقرارا هي النواة التي تكون طاقة الربط لكل نوية من نوياتها أكبر.

3 ـ شرح منحنى أستون:
يمثل منحنى أستون سالب طاقة الربط لكل نوية (-E_ℓ/A) بدلالة العدد الكتلي A
ـ حسب أستون تكون الأنوية ذات عدد كتلي أقل من 20 غير مستقرة ويمكن أن تحدث لها تفاعلات اندماج من أجل دخولها الى منطقة الاستقرار.
ـ أما الأنوية ذات عدد كتلي أكبر من 20 وأقل من 50 فهي تكون أقل استقرارا.
ـ و الأنوية ذات عدد كتلي أكبر من 50 وأقل من 75 تكون أكثر استقرارا.
ـ وفي المجال حيث العدد الكتلي أكبر من 75 وأقل من 100 نلاحظ نقصان في نسبة الاستقرار.
ـ وفي المجال حيث العدد الكتلي أكبر من 100 وأقل من 190 تكون الأنوية أقل استقرارا. 
ـ ومن أجل عدد كتلي أكبر من 190 تكون الأنوية غير مستقرة ويمكن أن تحدث لها  تفاعلات انشطار.

1 ـ الانشطار:

مبدأ الانشطار:

نشاط ـ 1 ـ

1 ـ وضح آلية انشطار نواة اليورانيوم 235 ؟

2 ـ بالاعتماد على الوثيقة التالية:

ـ أوجد مقدار الطاقة المحررة عند انشطار نواة اليورانيوم 235 إلى نواتي السيزيوم Cs والروبيديوم Rb

الاجابة:

1 ـ توضيح آلية انشطار نواة اليورانيوم 235:

عند قذف نواة اليورانيوم 235 بنيترونات تتحرك ببطء، تمتص نواة اليورانيوم 235 نيترون، وتتحول الى نواة مثارة تحتوي على 236 نوية، تنشطر خلال مدة زمنية لا تتجاوز 10^-12 ثانية، وتعطي نواتين بنصف حجم نواة اليورانيوم تقريبا، وتنطلق نيترونات، تكون 2 أو 3 عموما وفق المعادلة النووية التالية:

$${}_0^{1}n+{}_{92}^{235}U\to {}_{92}^{236}{U}^{\ast }\to N_1+N_2+\text{neutrons}$$

2 ـ بالاعتماد على البيان نلاحظ ان طاقة الربط لكل نوية بالنسبة لنواة الروبيديوم هي 8,6 MeV/n وبالنسبة للسيزيوم هي 8,3 MeV/n ومنه متوسط طاقة الربط لكل نوية هو 8,45 MeV/n 

ولدينا:

$$E_l\left(\frac{{(}_{92}^{235}U)}{A}\right)=7.6\text{MeV/n}$$

ومنه:

E_ℓ = (8,45 – 7,6)× 236 = 200,6 MeV

حصيلة الطاقة لتفاعل انشطار:

نشاط ـ 2 ـ

اليورانيوم 235 نواة انشطارية يستعمل أحيانا كوقود في المراكز النووية، عندما نقذف نواة اليورانيوم 235 بنيترونات بطيئة تنشطر إلى نواتين ونيترونات ، إحدى التفاعلات الممكنة التفاعل التالي:

$${}_{92}^{235}U+{}_0^{1}n\to {}_{38}^{94}Sr+{}_{54}^{139}Xe+3{}_0^{1}n$$

نعطي:

$$m({}_{92}^{235}U)=234.9942\text{u}$$$$m({}_{38}^{94}Sr)=93.8945\text{u}$$$$m({}_{54}^{139}Xe)=138.8892\text{u}$$$$m(n)=1.008665\text{u}$$

1 ـ أحسب الضياع في الكتلة خلال هذا التحول ؟

2 ـ أحسب قيمة الطاقة المحررة خلال هذا التحول ؟

3 ـ استنتج قيمة الطاقة التي يمكن الحصول عليها عند استعمال1kg من اليورانيوم 235

الاجابة:

1 ـ حساب الضياع في الكتلة خلال هذا التحول:

  لدينا:
  Δm = m_f - m_i
ومنه:
  Δm = m_f - m_i
ومنه:

$$\Delta m = m(^{94}_{38}Sr) + m(^{139}_{54}Xe) + 2m(^{1}_{0}n) - m(^{235}_{92}U)$$

تطبيق عددي:
Δm = 93,8945 + 138,8892 + 2×1,008665 – 234,9942
ومنه: Δm = - 0,19317 u
اشارة (-) دلالة على أن الكتلة تتناقص
2 ـ حساب قيمة الطاقة المحررة خلال هذا التحول:
E_lib = Δm.C² ومنه: E_lib = -0,19317×931,5  
ومنه: E_lib = -179,94 MeV
اشارة (-) دلالة على أن الطاقة محررة
3 ـ استنتاج قيمة الطاقة التي يمكن الحصول عليها عند استعمال 1Kg من اليورانيوم 235
* حساب عدد أنوية اليورانيوم الموجودة في 1 kg منه:
ـ حساب عدد المولات:

n = m/M = 1000/235 
ومنه: n = 4,25 mol
ـ حساب عدد الأنوية:
N = n.NA = 4,25×6,023×10²³   
ومنه: N = 2,56×10²⁴ noyaux
ـ استنتاج قيمة الطاقة:
E_T = E_lib.N = 179,94×2,56×10²⁴ = 4,60×10²⁶ MeV
ولدينا: 1 MeV = 1,6×10^-13 J
ومنه: E_T = 4,60×10²⁶×1,6×10^-13 = 7,36×10¹³ J

عموما:E_T = n.E_lib.N_A

2 ـ الاندماج:

مبدأ الاندماج:

مبدأ الاندماج (أو الاندماج النووي) هو عملية فيزيائية تُدمج فيها نواتان خفيفتان (مثل نظائر الهيدروجين) لتكوين نواة أثقل، وينتج عن هذه العملية كمية هائلة من الطاقة. ويحدث في الشمس والنجوم.

نشاط ـ 3 ـ
1 ـ ما هو التفاعل الأكثر توقعا في مفاعلات الاندماج ؟

2 ـ هل تفاعلات الاندماج تحرر طاقة أم تمتص طاقة ؟ علل ؟

3 ـ ما هي الشروط الواجب توفرها  لحدوث تفاعلات الاندماج ؟

الاجابة:
1 ـ التفاعل الأكثر توقعا في مفاعلات الاندماج هو:

$${}_1^{2}H+{}_1^{3}H\to {}_2^{4}He+{}_0^{1}n$$

2 ـ تفاعلات الاندماج تحرر طاقة وذلك لأن طاقة الربط لكل نوية في النواتج أكبر من طاقة الربط لكل نوية في المتفاعلات. 

3 ـ الشروط الواجب توفرها  لحدوث تفاعلات الاندماج:

أ ـ درجة حرارة عالية جدا.
ب ـ أن تكون الأنوية بكثافة كبيرة.
جـ ـ توفر مبدأ الاحتواء العطالي أو مبدأ الاحتواء المغناطيسي.

حصيلة الطاقة لتفاعل الاندماج:

نشاط ـ 4 ـ

لتكن معادلة الاندماج التالية:

$${}_1^{2}H+{}_1^{3}H\to {}_2^{4}He+{}_0^{1}n$$

1 ـ أحسب النقصان في الكتلة خلال هذا التفاعل ؟
2 ـ أحسب الطاقة المحررة عن هذا التفاعل ؟
3 ـ أحسب الطاقة المحررة عن تشكل 1 مول من الهليوم ؟

نعطي: m_T = 3,01550 u  ،m_D = 2,01355 u  ،m_n = 1,00866 u ،

$$m({}_2^{4}He)=4.00150\text{u}$$

الاجابة:

1 ـ حساب النقصان في الكتلة خلال هذا التفاعل:

 Δm = m_f  - m_i   

تطبيق عددي:

Δm = 4,00150 + 1,00866 - 2,01355 – 3,01550

ومنه:  Δm = - 0,01889 u

اشارة (-) دلالة على أن الكتلة تتناقص.
2 ـ حساب الطاقة المحررة عن هذا التفاعل:

لدينا:  E_lib = Δm.C ²

ومنه:

 E_lib  = - 0,01889×931,5 = -17,596 MeV

اشارة (-) دلالة على أن الطاقة محررة.

3 ـ حساب الطاقة المحررة عن تشكل 1 مول من الهليوم:

E_T  = E_lib.N_A  

E_T  = 17,596×6,023 ×10²³

ومنه:

  E_T = 1,695 ×10¹² J

VI ـ العالم بين منافع ومخاطر النشاط الاشعاعي (بحث)

وثيقة التلميذ بصيغة الـ  PDF