هذا الموضوع يغلق وحدة الفيزياء النووية: يبدأ بتطبيقات التعقب والعلاج والتحليل وحفظ الغذاء، ثم يحول مراجعة الدرس إلى طريقة حل واضحة للانشطار والاندماج وحساب طاقة التفاعل، وينتهي بشروط مفاعل الاندماج النووي والبلازما وتوكاماك.
آخر تحديث:
يبدأ هذا الدرس بتطبيقات تعرفها من الإشعاع النووي: التعقب، العلاج، تحليل المواد، وحفظ الغذاء. قبل الامتحان، لا تحفظ أسماء التطبيقات فقط؛ احفظ وظيفة كل تطبيق وكيف يستخدم الإشعاع أو النظير المشع بطريقة محسوبة.
التعقب: المتعقبات نظائر مشعة تدخل الجسم للكشف عن خلل وظيفي. مثال: اليود-131 لفحص الغدة الدرقية، حيث يشرب المريض محلول يوديد الصوديوم المشع وتتابع كمية اليود المتبقية في الغدة مع الزمن.
من التطبيقات الطبية الأخرى: يحقن وريد في القدم بسائل يحتوي الصوديوم المشع، ثم يقاس الزمن اللازم لوصول السائل إلى عضو معين بجهاز كشف إشعاع. إذا اختلف الزمن عما ينبغي، فقد يدل ذلك على تضيق أو انسداد في الأوردة أو الشرايين، مع التأكيد أن الجرعات الطبية متدنية ومحسوبة بدقة.
العلاج بالإشعاع: يستخدم لقتل الخلايا السرطانية. قد توضع مادة مشعة داخل الورم بحبيبات صغيرة، أو توجه حزمة إشعاعية من بعد نحو الخلايا السرطانية مع حماية الأنسجة الطبيعية المجاورة.
في تحليل المواد، تقذف كمية قليلة من العينة بالنيوترونات، فتتحول العناصر التي تمتص النيوترونات إلى عناصر مشعة، ثم تحدد هوية العناصر من نوع الإشعاع الصادر وطاقته. أما في حفظ الغذاء، فتعرض المواد لأشعة غاما أو حزم إلكترونات ذات طاقة مرتفعة لقتل البكتيريا ثم تحفظ في علب مغلقة.
عدسة الامتحان: نمط الفيزياء في الأوراق السابقة يغلب عليه الاختيار من متعدد والمقارنات السريعة. في تطبيقات الإشعاع، اربط كل تطبيق بكلمة مفتاحية: اليود-131 للغدة، إشعاع موجه للعلاج، نيوترونات لتحليل المواد، وغاما أو إلكترونات عالية الطاقة لحفظ الغذاء.
| التطبيق | ما الذي يستخدم؟ | الغرض |
|---|---|---|
| التعقب | نظائر مشعة مثل اليود-131 أو الصوديوم المشع | كشف خلل وظيفي أو تضيق/انسداد |
| العلاج بالإشعاع | مادة مشعة موضعية أو حزمة إشعاعية | قتل الخلايا السرطانية |
| تحليل المواد | قذف عينة قليلة بالنيوترونات | تحديد العناصر من إشعاعها وطاقته |
| حفظ الغذاء | غاما أو إلكترونات عالية الطاقة | قتل البكتيريا ومنع فساد الغذاء |
انتقال: في مراجعة الدرس تتحول المعرفة إلى أسئلة حساب وتصنيف: اندماج أم انشطار؟ وما قيمة Q؟
أسئلة مراجعة الدرس تقيس التعريف والتصنيف والحساب؛ لذلك ابدأ من التعريفين: الانشطار انقسام نواة ثقيلة إلى نوى أصغر، والاندماج اتحاد نواتين خفيفتين لتكوين نواة كتلتها أقل من مجموع كتلتيهما.
تمييز سريع: إذا رأيت نواتين خفيفتين في الطرف الأيسر تتحدان في نواة أثقل، فهذا اندماج. وإذا رأيت نواة ثقيلة مثل اليورانيوم-235 تنقسم إلى باريوم وكريبتون ونيوترونات، فهذا انشطار.
تفاعل الاندماج في المراجعة هو:
وتفاعل الانشطار هو:
الجدول يعطي الكتل بوحدة ، لذلك الحساب كله يبدأ من فرق الكتلة.
خطوات Q: اكتب ثلاث سطور ثابتة: مجموع كتل المتفاعلات، مجموع كتل النواتج، ثم . لا تنتقل إلى الطاقة لكل نيوكليون قبل حساب الطاقة الكلية.
من الجدول: في اندماج الديتيريوم والتريتيوم يكون فرق الكتلة تقريبا، فتكون الطاقة . وفي انشطار اليورانيوم-235 حسب كتل المراجعة يكون فرق الكتلة ، فتكون الطاقة تقريبا .
الطاقة لكل نيوكليون: قد تكون الطاقة الكلية في مثال الانشطار أكبر، لكن سؤال 2ج يطلب الطاقة لكل نيوكليون. عند القسمة، يكون مثال الاندماج أكبر: لكل نيوكليون، مقابل في الانشطار.
تسأل المراجعة أيضا عن قضبان الكادميوم ومهدئات النيوترونات. قضبان الكادميوم تمتص نيوترونات فتساعد على التحكم في التفاعل المتسلسل، أما المهدئات فتبطئ النيوترونات حتى تزداد قدرتها على إحداث انشطارات جديدة؛ وتظهر صيغة السؤال نفسها في مراجعة الوحدة عندما يذكر الماء الثقيل.
انتقال: أمثلة هذا الموضوع في آخر المقال تحل تفاعلي المراجعة خطوة بخطوة، ثم تحل سؤال الطاقة لكل نيوكليون وسؤال فرق الكتلة من مراجعة الوحدة.
إثراء وتوسع: المفاعل النووي الاندماجي. الفكرة الأساسية: طاقة الاندماج الكبيرة جعلت العلماء يحاولون تطوير مفاعل اندماجي مستدام يمكن التحكم فيه.
لماذا الاندماج جذاب؟: من مزايا مفاعل الاندماج: توافر وقود الديتيريوم والتريتيوم، وإنتاج طاقة كبيرة مقارنة بالانشطار، وتكوين عدد قليل نسبيا من المنتجات الثانوية المشعة مقارنة بمفاعلات الانشطار.
تنتج النجوم طاقتها من تفاعلات اندماج تسمى دورة البروتون-بروتون، وتحتاج إلى درجة حرارة عالية جدا وكثافة عالية جدا للبروتونات. أما التفاعل الأنسب لمفاعلات الاندماج فهو:
التريتيوم: التريتيوم مشع، وعمر نصفه ، ويخضع لاضمحلال بيتا السالبة لينتج الهيليوم-3؛ لذلك لا يوجد طبيعيا بكميات كبيرة ويجب إنتاجه صناعيا.
للحصول على الطاقة من الاندماج يجب توافر حرارة تقارب ، فتتأين الذرات وتتكون بلازما من الإلكترونات والأيونات الموجبة. ويلزم أيضا ضغط كبير للحصول على كثافة عالية من الأيونات، لكن ارتفاع الحرارة يقلل كثافة الأيونات، وهذا من المشكلات الرئيسة في إنتاج الطاقة من الاندماج.
توكاماك: حقق العلماء اندماج الديتيريوم والتريتيوم مدة قصيرة جدا باستخدام مفاعل اندماجي يعرف باسم توكاماك، حيث تحفظ البلازما داخل مجال مغناطيسي.
السؤال النقدي في نهاية الدرس عن كون الاندماج أقل خطرا بيئيا يستند إلى هذه الفقرة: منتجات مشعة أقل نسبيا، ولا توجد إجراءات نقل اليورانيوم المخصب نفسها، بينما وقود اليورانيوم بعد الانشطار يحتوي نسبة عالية من مواد مشعة يجب التخلص منها.
لا تضف من خارج الدرس: لا تشرح هنا تفاصيل مفاعلات اندماج حديثة أو أرقاما خارجية. المطلوب هنا: D-T، ، التريتيوم، ، البلازما، الضغط، وتوكاماك.
أسئلة مراجعة الوحدة تشمل الوحدة كلها، وليست كلها لهذا الموضوع. ما يخص الانشطار والاندماج مباشرة هو: تخصيب اليورانيوم، تبطيء النيوترونات بالماء الثقيل، دورة البروتون-بروتون، حفظ الغذاء بالإشعاع، وحساب Q من فرق كتلة معطى.
فلترة أسئلة الوحدة: إذا كان السؤال عن نصف العمر أو منحنى الاستقرار أو سلاسل الاضمحلال، فهو مراجعة لموضوعات سابقة. اربطه بهذا الموضوع فقط إذا طلب Q أو الاندماج أو الانشطار أو التطبيقات النووية مباشرة.
من أسئلة الاختيار: تخصيب اليورانيوم يعني زيادة نسبة اليورانيوم-235. والماء الثقيل يعمل مهدئا للنيوترونات في المفاعل النووي. والنجوم تنتج طاقتها من دورة البروتون-بروتون عند درجات حرارة عالية وكثافة عالية للبروتونات.
فرق كتلة مباشر: إذا كان مجموع كتل المتفاعلات ومجموع كتل النواتج ، فإن ، ولذلك تقريبا.
هذه المصطلحات يجب أن تظهر في الإجابات القصيرة: اندماج نووي، انشطار نووي، تخصيب اليورانيوم، تفاعل متسلسل، وتفاعل نووي. اجعل تعريفاتك دقيقة، ثم أضف المثال أو الحساب حسب صيغة السؤال.
| وجه المقارنة | الانشطار النووي | الاندماج النووي |
|---|---|---|
| الفكرة | نواة ثقيلة تنقسم | نواتان خفيفتان تتحدان |
| مثال المراجعة | مع نيوترون | ديتيريوم + تريتيوم |
| نواتج المثال | باريوم + كريبتون + نيوترونات | هيليوم + نيوترون |
| الطاقة الكلية من جدول المراجعة | ||
| الطاقة لكل نيوكليون | ||
| شرط بارز | نيوترونات ومهدئات وتحكم | حرارة وبلازما وضغط |
أمثلة ومراجعة: بعد هذا القسم تظهر أمثلة الحساب وأسئلة التسميع. حلها من الذاكرة لأن هذا الموضوع يأتي غالبا في صورة تصنيف أو MCQ أو حساب قصير.
انقسام نواة ثقيلة لنواتين أو أكثر، أصغر منها في الكتلة.
عملية مستمرة بشكل متتابع، حيث تؤدي النيوترونات الناتجة عن انشطار نواة إلى انشطار نوى أخرى.
اليورانيوم الذي تمت معالجته لزيادة نسبة نظير اليورانيوم (235) المستخدم في الوقود النووي.
عملية زيادة نسبة اليورانيوم (235) في عينة من اليورانيوم لتستخدم في الوقود النووي.
أقل كتلة من الوقود النووي تضمن استمرار حدوث التفاعل المتسلسل.
تفاعل تندمج فيه نواتان خفيفتان لتكوين نواة كتلتها أقل من مجموع كتلتي النواتين المندمجتين، ولها طاقة ربط نووية لكل نيوكليون أكبر مما لهما.
تفاعلات اندماج نووي تحتاج إلى درجات حرارة عالية جداً لتزويد النواتين بطاقة حركية كافية للتغلب على قوة التنافر الكهربائية.
النظام الذي يهيئ الظروف المناسبة لاستمرار حدوث التفاعل المتسلسل والسيطرة عليه.
مادة (على الغالب من اليورانيوم المخصب) توضع على هيئة أقراص في أنابيب طويلة لتشكل قضبان الوقود النووي.
قضبان تصنع من مواد لديها مقدرة عالية على امتصاص النيوترونات (مثل الكادميوم والبورون) للتحكم في الطاقة الناتجة من المفاعل.
مواد ذات أعداد كتلية صغيرة (مثل الماء الثقيل، الماء العادي، الغرافيت) وظيفتها إبطاء النيوترونات الناتجة من الانشطار.
نظام يستخدم أبراج تبريد لتزويد المفاعل والمكثف بالماء البارد باستمرار لتبريد المفاعل النووي.
اشرح كيف يستخدم التعقب الإشعاعي في فحص الغدة الدرقية، ولماذا تكون الجرعة الطبية محسوبة بدقة.
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.
كيف يختلف تحليل المواد بالنيوترونات عن حفظ الغذاء بالإشعاع؟
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.
صف خطوات تحليل المواد بالنيوترونات كما يشرحها النص.
تؤخذ عينة قليلة من المادة وتقذف بالنيوترونات، فتتحول بعض نوى عناصرها إلى نوى مشعة. بعد ذلك تقاس الإشعاعات المنبعثة وطاقاتها؛ لأن طاقة الإشعاع ونوعه تساعدان على تحديد العناصر الموجودة في العينة.
ما الهدف من حفظ المواد الغذائية بالإشعاع، وما نوع الإشعاع المذكور؟
الهدف قتل البكتيريا أو تعطيل عملها لإطالة مدة حفظ الغذاء. يذكر النص استخدام أشعة غاما أو إلكترونات عالية الطاقة، ثم حفظ المواد الغذائية في علب مغلقة.
اذكر ميزتين لمفاعل الاندماج كما يعرضهما النص، ثم اذكر مشكلة رئيسة أمام تحقيقه.
من الميزات: توافر وقود الديوتيريوم، وإنتاج طاقة كبيرة مقارنة بتفاعلات الانشطار، وتكوين عدد قليل نسبيا من المنتجات الثانوية المشعة. من المشكلات: الحاجة إلى درجات حرارة تقارب وضغط كبير وكثافة عالية من الأيونات، مع صعوبة حفظ البلازما.
بطاقات مهمة
استخدام نظائر مشعة تدخل الجسم أو النظام للكشف عن خلل أو تتبع مسار مادة، مثل اليود-131 للغدة الدرقية.
لأن كمية اليود المشع المتبقية في الغدة مع مرور الزمن تساعد على تشخيص خلل في عملها.
استخدام مادة مشعة موضعية أو حزمة إشعاعية موجهة لقتل الخلايا السرطانية مع حماية الأنسجة الطبيعية المجاورة.
تحول العناصر التي تمتص النيوترونات إلى عناصر مشعة، ثم تحدد هويتها من نوع الإشعاع الصادر وطاقته.
تعرض لأشعة غاما أو حزم إلكترونات عالية الطاقة لتعطيل عمل البكتيريا وقتلها، ثم تحفظ في علب مغلقة.
تفاعل تنقسم فيه نواة ثقيلة إلى نواتين أو أكثر أصغر منها في الكتلة.
تفاعل تندمج فيه نواتان خفيفتان لتكوين نواة كتلتها أقل من مجموع كتلتي النواتين.
نيوترونات ناتجة من انشطار نواة تمتصها نوى أخرى فتنشطر وتنتج نيوترونات جديدة تؤدي إلى انشطارات أخرى.
احسب ثم .
وتكون .