الطاقة النووية - طاقة الترابط في النوى .. الفيزياء
الطاقة النووية
كان الاعتقاد السائد قبل عام ۱۹۱۱ ان الذرة مؤلفة من خليط متجانس من البروتونات والالكترونات . الا ان الفيزيائي ارنست رذرفورد أكد بعد ذلك ان البروتونات التي تحمل شحنات موجبة موجودة في وسط الذرة داخل قطب صغير يدعى النواة ويدور في فلكه الكترونات محملة بشحنات سالبة والمعروف ان شحنة الالكترون مساوية لشحنة البروتون ومضادة لها في الوقت نفسه ، وان كون الذرة متعادلة كهربائيا يجعل فيها عددا من الالكترونات مساويا لعدد البروتونات في النواة . ويسمى هذا العدد العدد الذري ي . والمعروف أيضا أن البروتون أثقل من الالكترون بـ ١٨٣٦ مرة ، الامر الذي يجعل كتلة الذرة محصورة في نواتها التي تتميز بصغر حجمها بالنسبة لحجم الذرة بكاملها .
واذا استثنينا ذرة الهدروجين ، فان نوى جميع الذرات تحتوي على جسیم آخر اسمه نوترون اكتشف عام ١٩٣٢ وتبين ان كتلته تساوي كتلة البروتون نفسه . وتعرف كل من البروتونات والنوترونات بالنويات ، وهي مكبلة ببعضها البعض داخل نواة الذرة . والنظائر هي عبارة عن ذرات لها عدد مماثل من البروتونات وعدد مختلف من النوترونات . فالهدروجين مثلا عنصر في نواته بروتون واحد فقط . وله نظيران هما الدتريوم ( بروتون ونوترون ) والتريتيوم ( بروتون ونوترونان ) .
وبما ان خصائص العنصر الكيميائية مرتبطة بعدد الكتروناته وبالتالي بعدد بروتوناته ، فليس لزيادة عدد النوترونات في النواة أي أثر على هذه الخصائص .
ويكون النوترون داخل النواة مقيدا ، أي بمعنى آخر ، مستقرا . أما في خارجها ، فانه يفقد هذا الاستقرار ويصبح عرضة للتحلل في غضون ۱۲ دقيقة يتحول بعدها الى بروتون والكترون وجسيم اخر اسمه النوترينو . ويحدث هذا التحلل نفسه داخل ذرة مشعة غير مستقرة . وليس للنوترينو اية شحنة على الاطلاق ، كما انه لا يحتوي على أية كتلة في حالة الركود .
ويتراوح طول شعاع نواة الذرة بين ۲ × ۱۰-۱۵ و ۱۹ × ۱۰-۱۲ مترا ، وتكون فيها النويات محشورة بشيء من الاحكام . ورغم وجود قوى تنافر بين البروتونات ، ناجمة عن شحناتها المماثلة ، فان هناك قوة اكبر منها لا تفعل الا في مدى قريب وتسمى قوة التبادل بين النويات ، ومهمتها ربط النويات بعضها ببعض ويعتقد أن النويات تتبادل فيما بينها جسيما آخر اسمه میزون ضمن فترة وجيزة لا تتعدى ٣٤١٠ ثانية . ويكون هذا التبادل مسؤولا عن وجود القوى النووية والجدير بالذكر ان الميزون m او البيون هو جسيم ذو شحنة اما موجبة او سالبة واما معدومة . وهو عديم الاستقرار أما الميزون او الميون فانه ناتج عن تحلل البهون نفسه . وقد تم اكتشاف هذين النوعين من الجسيمات في الاشعة الكونية .
طاقة الترابط في النوى
بالرغم من صغر الجسيمات النووية ، فانه من الممكن معرفة كتلتها بدقة فائقة . فالكتلة الذرية النسبية ( او الوزن الذري ) ، و ، لعنصر ما هي مقدار كتلة ذرته بالمقارنة مع نظير من نظائر الكربون يحتوي على اثنتي عشرة نوية ويسمى كربون - ١٢ ، وتعرف كتلته بأنها مساوية لـ ١٢ وحدة كتلة ذرية ( و . ك . ذ ) وبما أن لكل عنصر عددا معينا من النظائر ، وأن الكتلة الذرية هي متوسط كتل النظائر وفقا لنسبة وجودها في المادة ، فمن المؤكد أن الكتلة الذرية لا يمكنها ان تكون عددا صحيحا واذا اعتبرنا أن كلا من البروتون او النوترون متشابهان ويمثل كل منهما وحدة من وحدات الكتلة الذرية . فان العدد الكتلي لنظير ما هو أقرب عدد صحيح الى وزنه الذري . والنظير يكتب عادة ي س حيث تمثل ي عدد الذري وتمثل و - ي عدد النوترونات فيه . وتبعا لذلك يمكن كتابة الكربون - ١٢ على النحو التالي ١٢/٦ك او ١٢ك .
وتعادل كتلة البروتون حوالي ۱,۰۰۷۸۲ و . ك . ذ وكتلة النوترون ١,٠٠٨٦٧ وحدة . ومع ذلك ليست كتلة النواة مساوية لمجموع كتل محتوياتها ، بل انها أقل منها بكمية بسيطة . وتساوي الكتلة الذرية لذرة الدوتريوم ٢،٠١٤١٠ و ٠ ك .ذ . بالرغم من أنها تحتوي على بروتون ونوترون فقط . وهذا معناه فقدان ما يعادل ٠،۰۰۲۷۹ وحدة .
والجدير بالذكر أن تفسير هذا الفقدان الكتلة يتم بواسطة مبدأ أنشتين المتعلق بتكافؤ الكتلة والطاقة . وهو ينص على أن كل كتلة ك تمثا ، وفيما عدا طاقة تساوي ق = ك حـ٢ ، حيث تمثل ح سرعة الضوء نواة ذرة الهدروجين ، فان الفقدان الظاهري الملاحظ في كافة النوى يمثل جميع الطاقة التي تتولد من جراء اتحاد النويات بعضها مع بعض أثناء تشكيل النواة الكاملة ، وتسمى طاقة الترابط ق ر ، التي تساوي الفرق بين مجموع كتل النويات منفصلة والكتلة الذرية . ولا بد من
الاشارة الى أنه سبيل شطر النواة ، لا بد من تزويدها بهذا المقدار من الطاقة ( الا في حالة التحلل الاشعاعي الطبيعي ) .
( طاقة الربط لكل نواة بالنسبة للعدد الكتلي للعناصر )
الطاقة النووية
كان الاعتقاد السائد قبل عام ۱۹۱۱ ان الذرة مؤلفة من خليط متجانس من البروتونات والالكترونات . الا ان الفيزيائي ارنست رذرفورد أكد بعد ذلك ان البروتونات التي تحمل شحنات موجبة موجودة في وسط الذرة داخل قطب صغير يدعى النواة ويدور في فلكه الكترونات محملة بشحنات سالبة والمعروف ان شحنة الالكترون مساوية لشحنة البروتون ومضادة لها في الوقت نفسه ، وان كون الذرة متعادلة كهربائيا يجعل فيها عددا من الالكترونات مساويا لعدد البروتونات في النواة . ويسمى هذا العدد العدد الذري ي . والمعروف أيضا أن البروتون أثقل من الالكترون بـ ١٨٣٦ مرة ، الامر الذي يجعل كتلة الذرة محصورة في نواتها التي تتميز بصغر حجمها بالنسبة لحجم الذرة بكاملها .
واذا استثنينا ذرة الهدروجين ، فان نوى جميع الذرات تحتوي على جسیم آخر اسمه نوترون اكتشف عام ١٩٣٢ وتبين ان كتلته تساوي كتلة البروتون نفسه . وتعرف كل من البروتونات والنوترونات بالنويات ، وهي مكبلة ببعضها البعض داخل نواة الذرة . والنظائر هي عبارة عن ذرات لها عدد مماثل من البروتونات وعدد مختلف من النوترونات . فالهدروجين مثلا عنصر في نواته بروتون واحد فقط . وله نظيران هما الدتريوم ( بروتون ونوترون ) والتريتيوم ( بروتون ونوترونان ) .
وبما ان خصائص العنصر الكيميائية مرتبطة بعدد الكتروناته وبالتالي بعدد بروتوناته ، فليس لزيادة عدد النوترونات في النواة أي أثر على هذه الخصائص .
ويكون النوترون داخل النواة مقيدا ، أي بمعنى آخر ، مستقرا . أما في خارجها ، فانه يفقد هذا الاستقرار ويصبح عرضة للتحلل في غضون ۱۲ دقيقة يتحول بعدها الى بروتون والكترون وجسيم اخر اسمه النوترينو . ويحدث هذا التحلل نفسه داخل ذرة مشعة غير مستقرة . وليس للنوترينو اية شحنة على الاطلاق ، كما انه لا يحتوي على أية كتلة في حالة الركود .
ويتراوح طول شعاع نواة الذرة بين ۲ × ۱۰-۱۵ و ۱۹ × ۱۰-۱۲ مترا ، وتكون فيها النويات محشورة بشيء من الاحكام . ورغم وجود قوى تنافر بين البروتونات ، ناجمة عن شحناتها المماثلة ، فان هناك قوة اكبر منها لا تفعل الا في مدى قريب وتسمى قوة التبادل بين النويات ، ومهمتها ربط النويات بعضها ببعض ويعتقد أن النويات تتبادل فيما بينها جسيما آخر اسمه میزون ضمن فترة وجيزة لا تتعدى ٣٤١٠ ثانية . ويكون هذا التبادل مسؤولا عن وجود القوى النووية والجدير بالذكر ان الميزون m او البيون هو جسيم ذو شحنة اما موجبة او سالبة واما معدومة . وهو عديم الاستقرار أما الميزون او الميون فانه ناتج عن تحلل البهون نفسه . وقد تم اكتشاف هذين النوعين من الجسيمات في الاشعة الكونية .
طاقة الترابط في النوى
بالرغم من صغر الجسيمات النووية ، فانه من الممكن معرفة كتلتها بدقة فائقة . فالكتلة الذرية النسبية ( او الوزن الذري ) ، و ، لعنصر ما هي مقدار كتلة ذرته بالمقارنة مع نظير من نظائر الكربون يحتوي على اثنتي عشرة نوية ويسمى كربون - ١٢ ، وتعرف كتلته بأنها مساوية لـ ١٢ وحدة كتلة ذرية ( و . ك . ذ ) وبما أن لكل عنصر عددا معينا من النظائر ، وأن الكتلة الذرية هي متوسط كتل النظائر وفقا لنسبة وجودها في المادة ، فمن المؤكد أن الكتلة الذرية لا يمكنها ان تكون عددا صحيحا واذا اعتبرنا أن كلا من البروتون او النوترون متشابهان ويمثل كل منهما وحدة من وحدات الكتلة الذرية . فان العدد الكتلي لنظير ما هو أقرب عدد صحيح الى وزنه الذري . والنظير يكتب عادة ي س حيث تمثل ي عدد الذري وتمثل و - ي عدد النوترونات فيه . وتبعا لذلك يمكن كتابة الكربون - ١٢ على النحو التالي ١٢/٦ك او ١٢ك .
وتعادل كتلة البروتون حوالي ۱,۰۰۷۸۲ و . ك . ذ وكتلة النوترون ١,٠٠٨٦٧ وحدة . ومع ذلك ليست كتلة النواة مساوية لمجموع كتل محتوياتها ، بل انها أقل منها بكمية بسيطة . وتساوي الكتلة الذرية لذرة الدوتريوم ٢،٠١٤١٠ و ٠ ك .ذ . بالرغم من أنها تحتوي على بروتون ونوترون فقط . وهذا معناه فقدان ما يعادل ٠،۰۰۲۷۹ وحدة .
والجدير بالذكر أن تفسير هذا الفقدان الكتلة يتم بواسطة مبدأ أنشتين المتعلق بتكافؤ الكتلة والطاقة . وهو ينص على أن كل كتلة ك تمثا ، وفيما عدا طاقة تساوي ق = ك حـ٢ ، حيث تمثل ح سرعة الضوء نواة ذرة الهدروجين ، فان الفقدان الظاهري الملاحظ في كافة النوى يمثل جميع الطاقة التي تتولد من جراء اتحاد النويات بعضها مع بعض أثناء تشكيل النواة الكاملة ، وتسمى طاقة الترابط ق ر ، التي تساوي الفرق بين مجموع كتل النويات منفصلة والكتلة الذرية . ولا بد من
الاشارة الى أنه سبيل شطر النواة ، لا بد من تزويدها بهذا المقدار من الطاقة ( الا في حالة التحلل الاشعاعي الطبيعي ) .
( طاقة الربط لكل نواة بالنسبة للعدد الكتلي للعناصر )
تعليق