يتناول هذا الدرس مفهوم التفاعل النووي وكيفية التعبير عنه، مع التركيز على حساب الطاقة الناتجة (Q) والتمييز بين تفاعلات الانشطار والاندماج النووي وتطبيقاتهما.
آخر تحديث:
تبدأ القصة النووية عندما يقترب جسيم من نواة لمسافة كافية تسمح للقوة النووية بالتأثير، مما يؤدي إلى إعادة تشكيل المكونات النووية.
التفاعل النووي: هو اصطدام نواتي ذرتين أو جسيم نووي بنواة أخرى لإنتاج نوى جديدة.
يمكن التعبير عن التفاعل بالصيغة العامة: حيث:
في تجربة رذرفورد الشهيرة عام 1919، قذفت نواة النيتروجين بجسيم ألفا، فتكونت نواة مركبة من الفلور المثار قبل أن تضمحل إلى أكسجين وبروتون.
عند كتابة معادلة التفاعل النووي، تذكر دائماً أن مجموع الأعداد الذرية ومجموع أعداد الكتلة يجب أن يكون متساوياً في طرفي المعادلة (قوانين الحفظ).
تستخدم البروتونات والنيوترونات والدويتيريوم كقذائف. النيوترونات تعد قذائف ممتازة لأنها متعادلة كهربائياً، فلا تواجه قوة تنافر مع النواة الهدف، بعكس البروتونات وألفا التي تحتاج لتسريع عالٍ للتغلب على التنافر الكهربائي.
في العالم النووي، الكتلة لا تضيع بل تتحول إلى طاقة. الفرق بين كتل المواد الداخلة والناتجة هو مصدر طاقة التفاعل. يركز الموضوع على بنية التفاعل النووي: القذيفة والهدف والنواة المركبة، ثم يربط قو
طاقة التفاعل (Q): هي الطاقة الممتصة أو المتحررة في التفاعل النووي، وتحسب من الفرق في الكتلة بين المتفاعلات والنواتج.
يتم حساب باستخدام العلاقة: حيث:
حالات قيمة Q:
يخطئ الطلاب أحياناً في ترتيب الكتل؛ تذكر دائماً: (كتلة المتفاعلات - كتلة النواتج). إذا كانت النتيجة سالبة، فهذا يعني أن التفاعل يحتاج لتزويده بطاقة ليحدث.
عندما تمتص نواة ثقيلة مثل اليورانيوم-235 نيوتروناً بطيئاً، تصبح غير مستقرة وتنقسم إلى نواتين أصغر مع تحرر نيوترونات وطاقة كبيرة.
| النواة | طاقة الربط لكل نيوكليون (MeV) |
|---|---|
| 7.5909 | |
| 8.3261 | |
| 8.5127 |
انشطار 1kg من اليورانيوم ينتج طاقة هائلة تساوي جول، وهي كافية لتزويد 45 ألف منزل بالكهرباء لمدة شهر.
لكي يستمر التفاعل، نحتاج إلى الكتلة الحرجة واليورانيوم المخصب (الذي يحتوي على نسبة أعلى من U-235). النيوترونات الناتجة تسبب انشطارات إضافية فيما يعرف بالتفاعل المتسلسل.
على عكس الانشطار، الاندماج هو دمج نواتين خفيفتين لتكوين نواة أثقل، وهو المصدر الأساسي لطاقة الشمس.
الاندماج النووي: تفاعل تندمج فيه نواتان خفيفتان لتكوين نواة كتلتها أقل من مجموع كتلتي النواتين، مما يحرر طاقة.
مثال على تفاعل الاندماج:
لماذا يسمى تفاعلاً حرارياً؟ لأن النوى تحتاج إلى طاقة حركية هائلة (درجات حرارة ملايين الدرجات) للتغلب على قوة التنافر الكهربائي الكبيرة بينها لتقترب لمسافة تسمح للقوة النووية بالعمل.
| النواة | (MeV) |
|---|---|
| (ديتيريوم) | 1.11 |
| (تريتيوم) | 2.83 |
| (هيليوم) | 7.07 |
تخيل الاندماج مثل محاولة ضغط نابضين قويين جداً؛ تحتاج لقوة هائلة لتقريبهما، لكن بمجرد تلامسهما يلتصقان بقوة ويحرران طاقة مخزنة.
المفاعل النووي هو نظام مصمم للسيطرة على التفاعل المتسلسل وتحويل الطاقة النووية إلى طاقة كهربائية.
يوجد في الأردن مفاعل للبحوث والتدريب في جامعة العلوم والتكنولوجيا (إربد) بقدرة 5 ميجاواط، يستخدم لإنتاج النظائر المشعة والبحث العلمي.
تدريب مهم: بعد هذا القسم، راجع مثال 12 وأسئلة مراجعة الدرس في آخر بطاقة.
أسئلة تقييمية لمفاهيم التفاعلات النووية وطاقة الربط.
يحدث تفاعل نووي عند اصطدام نواتي ذرتين، أو اصطدام جسيم نووي مثل، البروتون أو النيوترون بنواة ذرة أخرى، وقد ينتج من ذلك نواة جديدة أو أكثر.
الجسيم (a) الذي يقذف به النواة الهدف لإحداث التفاعل النووي.
النواة (X) التي تتعرض للقذف بواسطة الجسيم (a) في التفاعل النووي.
نواة (CN) تتشكل نتيجة امتصاص النواة الهدف للقذيفة، والتي لا تلبث أن تضمحل لتعطي نوى وجسيمات من الممكن أن تختلف عن تلك الداخلة في التفاعل.
التفاعل الذي تكون فيه قيمة (Q) موجبة.
التفاعل الذي تكون فيه قيمة (Q) سالبة.
طاقة منطلقة (موجبة) أو ممتصة (سالبة) من فرق كتلة المتفاعلات والنواتج.
عملية تتابع فيها النيوترونات الناتجة من انشطار نوى اليورانيوم لتسبب انشطارات جديدة في نوى أخرى بشكل مستمر.
أقل كتلة من الوقود النووي تضمن استمرار حدوث التفاعل المتسلسل.
عملية زيادة نسبة النظير يورانيوم-235 في عينة من اليورانيوم الخام لاستخدامه كوقود نووي.
انقسام نواة ثقيلة مثل اليورانيوم-235 بعد امتصاص نيوترون بطيء إلى نواتين أصغر مع تحرر نيوترونات وطاقة كبيرة.
تفاعل تندمج فيه نواتان خفيفتان لتكوين نواة أثقل كتلتها أقل من مجموع كتلتي النواتين، مما يحرر طاقة.
فرق بين التفاعل النووي والاضمحلال الإشعاعي.
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.
اشرح الصورة العامة: .
هي القذيفة، و هي النواة الهدف. بعد امتصاص القذيفة تتكون نواة مركبة مثارة مؤقتة ، ثم تتحلل إلى نواة ناتجة وجسيم أو قذيفة خارجة .
لماذا تستخدم النيوترونات قذائف مناسبة في تفاعلات نووية كثيرة؟
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.
ما المقصود بالنواة المركبة ؟ ولماذا توصف بأنها مثارة ومؤقتة؟
النواة المركبة هي نواة تتكون لحظيا عندما تمتص النواة الهدف القذيفة. الرمز النجمي يدل على أنها في حالة مثارة ذات طاقة زائدة، وهي مؤقتة لأنها لا تبقى مستقرة بل تعطي النواتج بعد زمن قصير.
في تفاعل رذرفورد ، حدد القذيفة والهدف والنواتج.
القذيفة هي جسيم ألفا ، والهدف هو نواة النيتروجين . النواتج هي نواة الأكسجين وبروتون . ويمكن تصور نواة مركبة وسيطة قبل خروج النواتج.
بطاقات مهمة
اصطدام قذيفة بنواة هدف ينتج نواتج جديدة — محفّز وليس تلقائياً.
نواة مثارة مؤقتة بعد امتصاص القذيفة قبل انفصال النواتج.
طاقة منطلقة (موجبة) أو ممتصة (سالبة) من فرق كتلة المتفاعلات والنواتج.
Exoergic: — كتلة النواتج أقل؛ الطاقة تخرج حركياً.
Endoergic: — يحتاج طاقة حركية أولية للقذيفة (عتبة).
وازن العدد الكتلي أولاً ثم العدد الذري . اجمع القيم قبل التفاعل وبعده، والفرق يعطي أو للجسيم المجهول.
يوضح ترتيب القذيفة والهدف والنواة المركبة والنواتج: جسيم يصطدم بنيتروجين-14، تتكون نواة فلور مثارة، ثم ينتج أكسجين-17 وبروتون.
إذا كان فكتلة المتفاعلات أكبر وتتحرر طاقة، فيكون التفاعل منتجاً. إذا كان فكتلة النواتج أكبر ويحتاج التفاعل طاقة داخلة، فيكون ماصاً.
التفاعل النووي يبدأ بقذيفة أو تصادم مع نواة هدف. أما الاضمحلال الإشعاعي فهو تغير تلقائي في نواة غير مستقرة دون قذيفة خارجية.
يشير إلى نواة مركبة مثارة وقصيرة العمر تكونت بعد امتصاص القذيفة. هي مرحلة وسيطة وليست الناتج النهائي المستقر.