Physics Tawjihi questions: answers & practice

Q: ما المقصود بالزخم الخطي؟ وما العلاقة بين الدفع المؤثر في جسم والتغيّر في زخمه الخطي؟ (مراجعة ١)

A: الزخم p=mv كمية متجهة (كمية التحرك). مبرهنة الزخم–الدفع: I=Δ p — الدفع يساوي التغير في الزخم.

Q: متى يُحفظ الزخم الخطي؟ ولماذا يُطبَّق الحفظ أفقياً في تصادم بلياردو رغم الجاذبية؟ (مراجعة ٣)

A: يُحفظ عندما Fخارجية ≈ 0 (نظام معزول). البلياردو: تلامس قصير ⇒ القوة الخارجية الأفقية مهملة ⇒ Σ pأفقي قبل = بعد.

Q: فسر سبب وجود حزام مطاطي يحيط بجسم السيارة. (مراجعة ٤)

A: يمدّد زمن التصادم عند الاصطدام ⇒ Favg=Δ p/Δ t أصغر ⇒ قوة أقل على الراكب.

Q: ما نوعا التصادم بحسب حفظ الطاقة الحركية؟ وما الفرق بينهما؟

A: النوعان هما: تصادم مرن وتصادم غير مرن. في المرن تُحفظ الطاقة الحركية الكلية إضافة إلى حفظ الزخم. في غير المرن لا تُحفظ الطاقة الحركية الكلية، إذ يتحول جزء منها إلى حرارة أو صوت أو تشوه، مع بقاء الزخم محفوظاً إذا كان النظام معزولاً.

Q: هل تصادم سيارتين دون التحام يعني بالضرورة تصادماً مرناً؟ وضّح.

A: لا. عدم التحام الجسمين يعني فقط أن التصادم ليس عديم المرونة، لكنه قد يكون غير مرن إذا نقصت الطاقة الحركية الكلية بعد التصادم. الحكم يكون بمقارنة KE_i وKE_f لا بمجرد ملاحظة التحام أو عدم التحام.

Q: في تصادم مرن: (أ) هل يتساوى p لكل جسم قبل وبعد؟ (ب) هل تتساوى KE لكل جسم؟

A: لا يلزم أن يبقى زخم كل جسم منفرداً كما هو؛ الذي يُحفظ هو مجموع الزخم للنظام. ولا يلزم أن تبقى الطاقة الحركية لكل جسم منفرداً كما هي؛ الذي يُحفظ في التصادم المرن هو مجموع الطاقة الحركية للنظام.

Q: ما المقصود بالعزم؟ وما العوامل التي يعتمد عليها؟

A: العزم هو مقياس لمقدرة القوة على إحداث دوران حول محور. يعتمد على مقدار القوة، وبعد نقطة تأثيرها عن المحور، والزاوية بين متجه الموقع واتجاه القوة: =rF. ويمكن كتابته أيضا =FL حيث L ذراع القوة العمودي.

Q: عرف ذراع القوة، ووضح علاقته بمقدار العزم.

A: ذراع القوة هو البعد العمودي بين محور الدوران وخط عمل القوة. كلما كبر ذراع القوة كبر العزم عند ثبات القوة، حسب العلاقة =FL. إذا مر خط عمل القوة بمحور الدوران كان L=0 فلا تنتج القوة عزما.

Q: ما الفرق بين الاتزان الانتقالي والاتزان الدوراني؟

A: الاتزان الانتقالي يعني أن محصلة القوى تساوي صفرا: Σ F=0، فلا يوجد تسارع خطي. الاتزان الدوراني يعني أن محصلة العزوم تساوي صفرا: Σ=0، فلا يوجد تسارع دوراني. الاتزان السكوني يحتاج الشرطين معا.

Q: وضح اتفاقية الإشارة المستخدمة في الدرس للحركة الدورانية، ثم أعط مثالا لاتجاه موجب وآخر سالب.

A: يعد الدوران عكس عقارب الساعة موجبا، والدوران مع عقارب الساعة سالبا. لذلك إذا تحرك جسم من موقع زاوي إلى موقع أكبر بعكس عقارب الساعة تكون Δ موجبة، أما الحركة مع عقارب الساعة فتكون سالبة.

Q: ما العلاقة بين السرعة الزاوية والتسارع الزاوي؟

A: السرعة الزاوية تصف معدل تغير الموقع الزاوي: =Δ/Δ t. أما التسارع الزاوي فيصف معدل تغير السرعة الزاوية: =Δ/Δ t.

Q: اشرح قاعدة قبضة اليد اليمنى لتحديد اتجاه متجه السرعة الزاوية.

A: نلف أصابع اليد اليمنى مع اتجاه دوران الجسم، فيشير الإبهام إلى اتجاه متجه السرعة الزاوية. إذا انعكس اتجاه الدوران انعكس اتجاه المتجه.

Q: قارن اتجاه متجه الزخم الزاوي لقرص يدور حول محور z في حالتين: مع عقارب الساعة، وعكس عقارب الساعة.

A: اتجاه L هو اتجاه . مع عقارب الساعة يكون المتجه داخلا إلى الصفحة باتجاه -z. أما عكس عقارب الساعة فيكون خارجا من الصفحة باتجاه +z.

Q: اشرح معنى العلاقة Σ=Δ L/Δ t، واربطها بنظيرها في الحركة الخطية.

A: العزم المحصل هو المعدل الزمني لتغير الزخم الزاوي؛ فإذا كان العزم أكبر أو استمر زمنا أطول تغير L أكثر. وهي تناظر العلاقة الخطية التي تربط القوة المحصلة بمعدل تغير الزخم الخطي.

Q: كيف يفسر الكتاب اختلاف حركة أجنحة الطائر الطنان والنسر باستخدام عزم القصور الذاتي؟

A: أجنحة الطائر الطنان صغيرة وعزم قصورها الذاتي صغير، لذلك يسهل تغيير زخمه الزاوي وتحريكها بسرعة عالية. أما أجنحة النسر فضخمة وعزم قصورها أكبر، فتحتاج عزما أكبر لتغيير حركتها بالمعدل نفسه.

Q: عرف التدفق الكهربائي، واذكر معنى الزاوية في العلاقة.

A: التدفق الكهربائي هو الضرب النقطي بين المجال الكهربائي ومتجه المساحة: = E× A=EA. الزاوية هي الزاوية بين اتجاه المجال الكهربائي ومتجه المساحة.

Q: ما الفرق بين اختيار متجه المساحة لسطح مستوٍ واختياره لسطح مغلق؟

A: في السطح المستوي يحدد اتجاه متجه المساحة حسب اتجاه العمود على السطح الذي تحتاجه المسألة. أما في السطح المغلق فيكون متجه المساحة عند كل نقطة موجها إلى خارج الحجم، وهذا يجعل التدفق الخارج موجبا والداخل سالبا.

Q: فسر لماذا يكون التدفق الكلي عبر مكعب في مجال كهربائي منتظم صفرا.

A: يدخل المجال من وجه ويخرج من الوجه المقابل بمقدار مساوٍ ومعاكس في الإشارة، أما الأوجه التي يكون المجال موازيا لها فتدفقها صفر. لذلك يكون مجموع التدفق عبر السطح المغلق صفرا، وهو ما يوافق قانون غاوس عندما لا توجد شحنة محصورة.

Q: ما المقصود بالجهد الكهربائي؟ وما الفرق بينه وبين طاقة الوضع الكهربائية؟

A: الجهد الكهربائي عند نقطة هو طاقة الوضع الكهربائية لكل وحدة شحنة: V=PE/q. أما طاقة الوضع فهي الطاقة نفسها لشحنة محددة عند النقطة، وتحسب من PE=qV، لذلك تتغير بتغير مقدار الشحنة وإشارتها.

Q: اكتب علاقة الشغل الخارجي وشغل المجال بفرق الجهد عند نقل شحنة من A إلى B.

A: عند النقل البطيء: Wext=q(V_B-V_A)=qΔ V. أما شغل قوة المجال فهو عكس ذلك: Wfield=-qΔ V.

Q: إذا نقلت شحنة موجبة من جهد أقل إلى جهد أعلى، فما إشارة الشغل الخارجي وشغل المجال؟

A: لشحنة موجبة مع Δ V>0 يكون Wext=qΔ V موجبا؛ أي إن القوة الخارجية تزيد طاقة الوضع. ويكون شغل المجال Wfield=-qΔ V سالبا.

Q: اشرح كيف تشحن البطارية مواسعا ذا صفيحتين متوازيتين، ومتى تتوقف عملية الشحن، وما شكل الطاقة المختزنة فيه.

A: تنقل البطارية الإلكترونات من إحدى صفيحتي المواسع إلى الصفيحة الأخرى، فتشحن صفيحة بشحنة سالبة والأخرى بشحنة موجبة. ومع تراكم الشحنات يزداد فرق الجهد بين الصفيحتين. تستمر العملية حتى يصبح جهد المواسع مساويا لجهد البطارية. الشغل المبذول في نقل الشحنات يختزن على شكل طاقة وضع كهربائية.

Q: في تجربة قياس مواسعة مواسع عمليا، ترسم العلاقة بين جهد المواسع على المحور الأفقي وشحنته على المحور الرأسي. ما الكمية التي يمثلها الميل؟ ولماذا قد تختلف عن القيمة المكتوبة على المواسع؟

A: الميل يساوي Δ Q/Δ V، وهو مواسعة المواسع المقيسة عمليا. قد تختلف النتيجة عن القيمة المكتوبة بسبب أخطاء قراءة الأجهزة، أو عدم تفريغ المواسع تماما بين القياسات، أو حدود دقة مقياس الشحنة والفولتميتر.

Q: مواسع مشحون ومعزول وصل طرفاه بمصباح. ماذا يحدث لمواسعته وجهده وشحنته وطاقته المختزنة؟

A: مواسعته تبقى ثابتة لأنها تعتمد على تركيب المواسع وأبعاده. أما الجهد والشحنة والطاقة المختزنة فتتناقص أثناء التفريغ، لأن الإلكترونات تنتقل من الصفيحة السالبة إلى الصفيحة الموجبة عبر الدارة حتى تصبح الشحنة النهائية صفرا في النموذج المدرسي.

Q: ماذا يحدث عند وصل مواسع مشحون بجهاز كهربائي أو مصباح؟

A: تنتقل الإلكترونات من الصفيحة السالبة إلى الصفيحة الموجبة عبر الدارة، فيظهر تيار لفترة قصيرة، وتتحول الطاقة الكهربائية المختزنة في المواسع إلى شكل آخر من الطاقة مثل الضوء أو الحرارة حتى تتلاشى الشحنة تدريجيا.

Q: اشتق قاعدة المواسعة المكافئة لمواسعات متصلة على التوازي.

A: في التوازي يكون فرق الجهد نفسه على كل مواسع: V . لذلك Q_1=C_1V ، و Q_2=C_2V ، و Q_3=C_3V . وبما أن الشحنة الكلية Q=Q_1+Q_2+Q_3 ، وأن Q=CV ، نحصل على CV=C_1V+C_2V+C_3V ، ثم C=C_1+C_2+C_3 .

Q: اشتق قاعدة المواسعة المكافئة لمواسعات متصلة على التوالي.

A: في التوالي تكون الشحنة نفسها Q على المواسعات، بينما الجهد الكلي V=V_1+V_2+V_3 . وبما أن V_i=Q/C_i ، فإن Q/C=Q/C_1+Q/C_2+Q/C_3 . بالقسمة على Q : 1/C=1/C_1+1/C_2+1/C_3 .

Q: عرف التيار الكهربائي، واكتب علاقته بتدفق الشحنة ووحدته.

A: التيار الكهربائي هو معدل تدفق الشحنة عبر مقطع الموصل. رياضيا: I=Δ Q/Δ t. وحدة التيار هي الأمبير، ويكافئ كولوم واحدا في الثانية.

Q: اكتب قانون أوم كما يستخدمه الدرس، ووضح معنى المقاومة الكهربائية.

A: قانون أوم وتعريف المقاومة في هذا السياق: R=V/I أو V=IR. المقاومة الكهربائية هي ممانعة الموصل لمرور التيار، وتقاس بالأوم . عند ثبات درجة الحرارة في موصل أومي تبقى النسبة V/I ثابتة.

Q: كيف تميز من الرسم بين موصل أومي وموصل غير أومي؟

A: الموصل الأومي يعطي علاقة خطية بين التيار وفرق الجهد عند درجة حرارة ثابتة، فتكون المقاومة ثابتة. أما غير الأومي فيكون منحنى I-V غير خطي أو تتغير نسبة V/I مع الجهد أو الحرارة، لذلك لا نستطيع استعمال مقاومة ثابتة واحدة لكل مدى القياس.

Q: ما المقصود بالدارة الكهربائية البسيطة في هذا الدرس؟

A: هي مسار مغلق واحد يحتوي على بطارية ومقاومة ومفتاح وأسلاك توصيل، ويكون التيار نفسه في جميع عناصر العروة.

Q: اكتب معادلة التيار في دارة بسيطة، وبيّن معنى كل حد في المقام.

A: I=Σ/Σ(R+r) . المقام هو مجموع المقاومات الخارجية R والداخلية r في العروة.

Q: عرّف القدرة الكهربائية، واذكر وحدة قياسها بطريقتين.

A: القدرة هي معدل تحويل الطاقة: P=Δ E/Δ t . وحدتها واط، أي J/s ، وتساوي أيضاً A× V .

Q: قارن بين توصيل المقاومات على التوالي والتوازي من حيث الكمية المتساوية وقانون المقاومة المكافئة.

A: في التوالي يكون التيار نفسه في جميع المقاومات، وتكون المقاومة المكافئة Req=R_1+R_2+R_3+. في التوازي يكون فرق الجهد نفسه على جميع الفروع، وتكون العلاقة 1/Req=1/R_1+1/R_2+1/R_3+.

Q: اكتب قاعدة كيرشوف الأولى، واذكر المبدأ الفيزيائي الذي تعتمد عليه.

A: قاعدة كيرشوف الأولى: مجموع التيارات الداخلة إلى نقطة تفرع يساوي مجموع التيارات الخارجة منها، أي Σ Iin=Σ Iout. وهي تطبيق لحفظ الشحنة؛ لا تتراكم الشحنة عند الوصلة في الحالة المستقرة.

Q: اكتب قاعدة كيرشوف الثانية، ووضح إشارة عبور المقاومة مع اتجاه التيار.

A: قاعدة كيرشوف الثانية: المجموع الجبري لتغيرات الجهد حول أي عروة مغلقة يساوي صفرا، ΣΔ V=0، وهي تطبيق لحفظ الطاقة. عند عبور مقاومة في اتجاه التيار يكون تغير الجهد -IR لأنه هبوط في الجهد، وعند عبورها عكس اتجاه التيار يكون +IR.

Q: عرّف المجال المغناطيسي عند نقطة، واذكر وحدة قياسه.

A: المجال المغناطيسي كمية متجهة تصف أثر المغناطيس في الفضاء عند نقطة. وحدته في النظام الدولي التسلا T ، ويكافئ N/(A× m) .

Q: اذكر ثلاث خصائص لخطوط المجال المغناطيسي.

A: خطوط المجال المغناطيسي مقفلة، ولا تتقاطع، وكثافة الخطوط تدل على شدة المجال. خارج المغناطيس تتجه من القطب الشمالي إلى الجنوبي.

Q: إلكترون يتحرك باتجاه +x ويدخل مجالاً مغناطيسياً باتجاه -z . ما اتجاه القوة لحظة الدخول؟

A: لشحنة موجبة: +x× -z=+y . ولأن الإلكترون سالب، ينعكس الاتجاه، فتكون القوة باتجاه -y .

Q: ما نتيجة تجربة أورستد، وكيف ترتبط باتجاه المجال حول سلك مستقيم؟

A: أظهرت تجربة أورستد أن التيار الكهربائي يولد مجالاً مغناطيسياً حول السلك. اتجاه المجال يحدد بقاعدة اليد اليمنى: الإبهام مع التيار، والتفاف الأصابع مع خطوط المجال.

Q: متى يتجاذب سلكان متوازيان ومتى يتنافران؟

A: إذا كان التياران في الاتجاه نفسه يتجاذب السلكان، وإذا كانا في اتجاهين متعاكسين يتنافران.

Q: كيف يفسر الدرس مغناطيسية المواد على المستوى المجهري؟

A: تفسر مغناطيسية المواد بوصفها ناتجة من حلقات تيار مجهرية وعزوم مغناطيسية داخل الذرات. في المواد المغناطيسية تتجمع عزوم كثيرة في مناطق مغناطيسية يمكن أن تصطف لتظهر مغنطة كلية.

Q: ملف يزداد التدفق المغناطيسي الداخل إلى صفحته. ما اتجاه المجال الذي يولده التيار الحثي؟ وكيف تستنتج اتجاه التيار؟

A: حسب قانون لنز، التيار الحثي يولد مجالا يعاكس الزيادة في التدفق. فإذا كان التدفق الداخل إلى الصفحة يزداد، فالمجال الحثي يكون خارج الصفحة. بعد تحديد اتجاه المجال الحثي نستخدم قاعدة اليد اليمنى للملف لتحديد اتجاه التيار الذي يعطي مجالا خارج الصفحة.

Q: اكتب علاقة المحول المثالي بين الجهد وعدد اللفات، وبيّن متى يكون رافعا أو خافضا للجهد.

A: في المحول المثالي: (V_s)/(V_p)=(N_s)/(N_p). إذا كان N_s>N_p يكون المحول رافعا للجهد، وإذا كان N_s<N_p يكون خافضا للجهد. ومع إهمال الفقد تكون القدرة الداخلة مساوية تقريبا للقدرة الخارجة: V_pI_p=V_sI_s.

Q: لماذا لا يعمل المحول مع تيار مستمر ثابت؟

A: المحول يعتمد على تدفق مغناطيسي متغير في القلب الحديدي. التيار المستمر الثابت يعطي مجالا ثابتا بعد لحظة الوصل، أي لا يوجد تغير مستمر في التدفق عبر الملف الثانوي، لذلك لا تتولد فيه قوة دافعة حثية مستمرة.

Q: قارن بين التيار المتردد والتيار المستمر، ثم وضح لماذا يستعمل الكتاب القيم الفعالة Vrms وIrms عند حساب القدرة في المقاومة.

A: التيار المستمر يحافظ على اتجاه واحد ومقدار ثابت تقريبا، أما التيار المتردد فيتغير مقداره واتجاهه دوريا وفق اقتران جيبي. تستعمل القيم الفعالة لأنها تعطي الأثر الحراري نفسه لتيار مستمر مكافئ؛ لذلك نحسب قدرة المقاومة من P=Irms2R أو P=Vrms2/R.

Q: قارن بين X_L وX_C من حيث العلاقة الرياضية وأثر زيادة التردد، ثم فسر حالة الترددات المتطرفة في دارة محث فقط ودارة مواسع فقط.

A: X_L= L فتزداد بزيادة التردد، أما X_C=1/( C) فتقل بزيادة التردد. عند تردد منخفض جدا يكون X_C كبيرا فيصغر تيار المواسع. وعند تردد عال جدا يكون X_L كبيرا فيكاد ينعدم تيار المحث.

Q: في دارة RLC على التوالي ضوعف تردد المصدر. ماذا يحدث لكل من R وX_L وX_C؟ وما الأثر العام المتوقع في المعاوقة إذا كانت الدارة في الأصل يغلب عليها أثر المحث؟

A: R تبقى ثابتة لأنها لا تعتمد على التردد. X_L= L تتضاعف لأن تضاعفت، أما X_C=1/( C) فتنخفض إلى النصف. إذا كانت الدارة يغلب عليها أثر المحث أصلا، فإن زيادة X_L تجعل الفرق |X_L-X_C| أكبر غالبا، فتزداد المعاوقة ويقل التيار الفعال.

Q: قارن بين المواد العازلة والموصلة وشبه الموصلة كما يصنفها الكتاب، ثم أعط مثالين لأشباه الموصلات.

A: العوازل عدد إلكترونات التكافؤ لها أكثر من أربعة وترتبط الإلكترونات فيها بقوى كبيرة، مثل المطاط والزجاج. الموصلات عدد إلكترونات التكافؤ لها أقل من أربعة ولديها إلكترونات حرة كثيرة، مثل النحاس والفضة. أشباه الموصلات عدد إلكترونات التكافؤ لها أربعة، وتوصيلها بين الموصل والعازل؛ من أمثلتها السليكون والجرمانيوم.

Q: اشرح كيف يتكون زوج إلكترون-فجوة في بلورة السليكون عند درجة الغرفة، ولماذا تبدو الفجوة كأنها شحنة موجبة متحركة.

A: تمتص بعض الإلكترونات طاقة حرارية فتكسر روابط تساهمية وتصبح إلكترونات توصيل. يترك الإلكترون فراغا يسمى فجوة. عندما ينتقل إلكترون تكافؤ من ذرة مجاورة إلى الفجوة يترك خلفه فجوة جديدة، فتبدو الفجوة كأنها تتحرك بعكس اتجاه الإلكترونات وكأنها حامل موجب.

Q: قارن بين إشابة السليكون بعنصر خماسي التكافؤ وإشابته بعنصر ثلاثي التكافؤ من حيث نوع البلورة وناقلات الأغلبية والأقلية.

A: العنصر الخماسي مثل الأنتيمون أو الفسفور يضيف إلكترونا خامسا حرا، فتتكون بلورة n؛ الإلكترونات أغلبية والفجوات أقلية. العنصر الثلاثي مثل البورون أو الغاليوم يترك رابطة ناقصة إلكترونا، فتتكون فجوة وتصبح البلورة p؛ الفجوات أغلبية والإلكترونات أقلية.

Q: إذا عكس الثنائي في دارة مقوم نصف الموجة، فسر كيف يتغير شكل Vout.

A: عند عكس الثنائي تتبدل فترات الانحياز: الفترات التي كانت أمامية تصبح عكسية، والفترة التي كانت عكسية تصبح أمامية. لذلك يظهر النصف الآخر من الإشارة على المقاومة، بينما يصبح الخرج صفرا في الفترات التي كانت ممررة قبل العكس.

Q: في سؤال مراجعة الوحدة، إذا استبدلت المقاومة في دارة مقوم نصف الموجة بمصباح، فما الفكرة التي تحدد عدد مرات إضاءته في الثانية؟

A: المصباح يضيء فقط في الفترات التي يكون فيها الثنائي أماميا ويمر التيار. لذلك عدد مرات الإضاءة يرتبط بعدد النبضات الممررة في الثانية، لا بعدد الفترات العكسية التي يكون فيها الخرج صفرا.

Q: ضع خطوات تحليل دارة تحتوي أكثر من ثنائي ومقاومات وبطارية، مع إهمال فرق الجهد على الثنائي الأمامي.

A: 1. أحدد قطبي البطارية واتجاه التيار الاصطلاحي المتوقع. 2. أحدد حالة كل ثنائي: أمامي أو عكسي. 3. أستبدل الثنائي الأمامي بوصلة مغلقة، والثنائي العكسي بفرع مفتوح. 4. أحسب التيارات في الفروع المتبقية بقانون أوم وقواعد كيرشوف.

Q: اشرح لماذا مثل إشعاع الجسم الأسود مشكلة للفيزياء الكلاسيكية، وما المقصود بكارثة الأشعة فوق البنفسجية.

A: النموذج الكلاسيكي لرايلي-جينز وافق التجربة عند الأطوال الموجية الكبيرة، لكنه توقع أن تزداد شدة الإشعاع بلا حد عندما يقل الطول الموجي نحو الصفر. التجربة أظهرت أن الشدة تؤول إلى الصفر عند الأطوال القصيرة. هذا الفشل سمي كارثة الأشعة فوق البنفسجية.

Q: ماذا تعني العلاقة E_n=nhf؟ ولماذا تخالف فكرة الطاقة المتصلة في الفيزياء الكلاسيكية؟

A: تعني أن طاقة الإشعاع عند تردد معين لا تأخذ أي قيمة، بل مضاعفات صحيحة لطاقة الكمة الواحدة hf. لذلك القيم الممكنة هي hf,2hf,3hf,... وليست قيما متصلة عشوائية.

Q: في تجربة صفيحة الخارصين والكشاف الكهربائي، لماذا لا يقل انفراج ورقتي الكشاف عند زيادة شدة الضوء الأحمر، بينما يقل عند استخدام الأشعة فوق البنفسجية؟

A: الضوء الأحمر تردده أقل من تردد العتبة للخارصين، لذلك لا تمتلك فوتوناته طاقة كافية لتحرير الإلكترونات مهما زادت شدته. أما الأشعة فوق البنفسجية فترددها مناسب، فتتحرر إلكترونات من الخارصين وينقص انفراج ورقتي الكشاف.

Q: فسر لماذا احتاج نموذج رذرفورد إلى تعديل، وكيف عالج بور مشكلة استقرار ذرة الهيدروجين.

A: في نموذج رذرفورد يدور الإلكترون المشحون حول النواة، أي يتسارع مركزيا. الفيزياء الكلاسيكية تتوقع أن الشحنة المتسارعة تشع طاقة بشكل متصل، فيفقد الإلكترون طاقته ويسقط في النواة. بور افترض وجود مستويات طاقة مسموحة لا يشع فيها الإلكترون ما دام باقيا في المستوى نفسه، وأن الإشعاع أو الامتصاص يحدث فقط عند الانتقال بين مستويين.

Q: اكتب فرضيات بور الأربع بصياغة مختصرة، مع ذكر شرط الزخم الزاوي.

A: 1. يدور الإلكترون حول البروتون في مسارات دائرية بفعل قوة التجاذب الكهربائي. 2. توجد مدارات أو مستويات طاقة مسموحة، ولا يشع الإلكترون وهو باق فيها. 3. يشع أو يمتص الإلكترون طاقة فقط عند الانتقال بين مستويين، بحيث E=|E_f-E_i|=hf. 4. المدارات المسموحة تحقق شرط الزخم الزاوي: L=n=m_evr.

Q: قارن بين طيف الانبعاث الخطي وطيف الامتصاص الخطي من حيث شكل الطيف وسبب تكونه.

A: طيف الانبعاث الخطي خطوط مضيئة منفصلة على خلفية سوداء، وينتج عندما تنتقل الإلكترونات من مستويات أعلى إلى أقل فتشع فوتونات محددة الطاقة. طيف الامتصاص الخطي خطوط معتمة منفصلة على خلفية مضيئة، وينتج عندما تمتص ذرات الغاز أطوالا موجية محددة من الضوء المار فيها.

Q: نواة Y عددها الكتلي ثمانية أضعاف نواة X . أوجد نسبة نصف قطر X إلى Y ، ونسبة الحجم، ونسبة الكثافة.

A: نسبة أنصاف الأقطار r_X/r_Y=1/2 . الحجم يتناسب مع A ، لذلك V_X/V_Y=1/8 . الكثافة لا تعتمد على A ، لذلك النسبة 1 .

Q: للنوى 8^16O و8^17O و82^206Pb و82^208Pb، احسب عدد النيوترونات، وحدد زوجين من النظائر.

A: الأكسجين-16: N=16-8=8، والأكسجين-17: N=17-8=9. الرصاص-206: N=206-82=124، والرصاص-208: N=208-82=126. النظائر هي نوى لها Z نفسه وتختلف في N، لذلك زوجا النظائر هما الأكسجينان والرصاصان.

Q: فسر لماذا لا يمكن لنواة تحتوي على بروتونات فقط أن تكون مستقرة، باستثناء الهيدروجين.

A: البروتونات موجبة فتتنافر كهربائيا داخل حيز نووي صغير. النيوترونات متعادلة لكنها تسهم في قوة التجاذب النووية القوية، لذلك تزيد الاستقرار من غير زيادة تنافر كهربائي.

Q: قارن بين ألفا وبيتا وغاما من حيث الطبيعة والشحنة والقدرة على التأيين والنفاذ.

A: ألفا نواة هيليوم ^42He^2+ وشحنتها +2e، وهي الأكبر قدرة على التأيين والأقل نفاذا. بيتا إلكترون أو بوزيترون وشحنتها -e أو +e، ولها تأيين ونفاذ متوسطان. غاما فوتونات كهرمغناطيسية لا كتلة لها ولا شحنة، وهي الأقل تأيينا والأكبر نفاذا.

Q: اكتب المعادلة العامة لاضمحلال ألفا، ثم طبقها على اضمحلال اليورانيوم-238 إلى الثوريوم.

A: المعادلة العامة: ^AZX→^A-4Z-2Y+^42He. لليورانيوم-238: ^23892U→^23490Th+^42He. ينقص العدد الكتلي 4 والعدد الذري 2.

Q: فسر كيف تنبعث بيتا السالبة أو بيتا الموجبة من النواة رغم أن النواة لا تحتوي إلكترونات أو بوزيترونات.

A: في بيتا السالبة يتحول نيوترون داخل النواة إلى بروتون وإلكترون وضديد نيوترينو، فينشأ الإلكترون لحظة التحول ويغادر النواة. في بيتا الموجبة يتحول بروتون إلى نيوترون وبوزيترون ونيوترينو، فينشأ البوزيترون لحظة التحول كذلك.

Q: فرق بين التفاعل النووي والاضمحلال الإشعاعي.

A: التفاعل النووي ينتج من اصطدام قذيفة مثل نيوترون أو جسيم ألفا بنواة هدف، وقد تتكون نواة مركبة ثم نواتج جديدة. أما الاضمحلال الإشعاعي فهو تحول تلقائي لنواة غير مستقرة دون قذيفة خارجية.

Q: اشرح الصورة العامة: a+X→[C]^*→ Y+b.

A: a هي القذيفة، وX هي النواة الهدف. بعد امتصاص القذيفة تتكون نواة مركبة مثارة مؤقتة [C]^*، ثم تتحلل إلى نواة ناتجة Y وجسيم أو قذيفة خارجة b.

Q: لماذا تستخدم النيوترونات قذائف مناسبة في تفاعلات نووية كثيرة؟

A: النيوترون متعادل كهربائيا، لذلك لا يتنافر مع النواة الموجبة كما يتنافر البروتون أو جسيم ألفا. هذا يجعله قادرا على الاقتراب من النواة والدخول في التفاعل بطاقة أقل نسبيا.

Q: اشرح كيف يستخدم التعقب الإشعاعي في فحص الغدة الدرقية، ولماذا تكون الجرعة الطبية محسوبة بدقة.

A: يشرب المريض كمية قليلة من محلول يوديد الصوديوم المشع المحتوي على اليود-131، ثم تقاس كمية اليود المشع المتبقية في الغدة مع الزمن لتشخيص خلل عملها. تكون الجرعة متدنية ومحسوبة بدقة حتى لا تؤثر سلبا في المريض.

Q: قارن بين طريقتي العلاج بالإشعاع المذكورتين في النص.

A: الأولى إدخال مادة مشعة إلى الورم مباشرة، مثل حبيبات صغيرة تطلق الأشعة في مكان الورم مدة تعتمد على عمر النصف. والثانية علاج عن بعد بتوجيه حزمة من الأشعة نحو الخلايا السرطانية، مع حماية الأنسجة الطبيعية المجاورة.

Q: كيف يختلف تحليل المواد بالنيوترونات عن حفظ الغذاء بالإشعاع؟

A: في تحليل المواد تقذف عينة قليلة بالنيوترونات فتحول بعض عناصرها إلى عناصر مشعة، ثم تحدد العناصر من الإشعاع الصادر وطاقته. في حفظ الغذاء تستخدم أشعة غاما أو إلكترونات عالية الطاقة لتعطيل البكتيريا وقتلها، ثم تحفظ المواد في علب مغلقة.