[no1]

[align=center] و تصطدم جسيمات ألفا المنبعثة من الوسط بنوى الغاز محدثة التحول النووي المذكور
و يشاهد هذا التحول من التوهجات التي تظهر علي لوحة كبريتيد الزنك



شكل رقم ( 4 )

==========

نري في الشكل أدناه
التطورات التي تحدث في قطرة من سائل
( أو نواة ذرة )
عند إثارتها لكي تنقسم إلي قطرتين
و بعض الرذاذ الدقيق
عند إثارة القطرة تصبح بيضاوية الشكل "ب"
فإذا استمرت الإثارة تتحول القطرة ( أو النواة )* إلي كرتين صغيرتين متصلتين بعنق صغير "ج"
ثم يتم الانقسام بعد ذلك علي الصورة المبينة في " د"



شكل رقم (5) , (6(

=============

نرى في الشكلين ( 5,6)
بعض أمثلة التفاعلات النووية
التي تقذف فيها النواة بجسيمات صغيرة مختلفة
فيتغير تركيبها
و ينتج من هذا التفاعلات جسيمات مختلفة بروتونات و نيوترونات أو أشعة جاما

و هذه التفاعلات – فضلا عن استحداثها لمواد مشعة –
تمكننا من دراسة و تفهم القوي الموجودة في النواة





هوامش الدرس

================================================== ================================================== ===================

[1]

ذلك لأنه من المعروف أن تركيز الشحنات علي السطح يكون أكبر في الأماكن التي تقل عنها قيمة نصف قطر التكور ؛ آي أنه في الشكل البيضاوي تتركز الشحنات في طرفي القطرة حيث انحناء السطح كبير عند هذين الطرفين[/align]

[no1]

[align=center]الدرس الثاني

فيزياء فيرمي1

================================================== ==================================

كان العالم فيرمي ( Enrico Fermi)
في العام 1934
يقوم ببعض التجارب للحصول على نظائر العناصر عن طريق قذف النوى بالنيوترونات
وعندما وصل إلى عنصر اليورانيوم
( العنصر الأخير في الجدول الدوري في ذلك الوقت )
توقع أن قذف العنصر بالنيوترونات سيؤدي إلى وجود نواة غير مستقرة تقوم بإطلاق جسيمات بيتا
وبالتالي ازدياد العدد الذري من 92 إلى 93
و إنتاج عنصر جديد في الجدول الدوري
ولكنه لم يحصل على ما توقعه ولم يستطع التعّرف على نواتج التفاعل

واستمرت الأبحاث والدراسات من العام 1935 إلى العام 1938
حيث قام عالم كيميائي ألماني يسمى إدا نوداك Ida Noddack ) )

بالتعرف على نواتج التفاعل
وأوضح أن نواة اليورانيوم انشطرت إلى نواتين متوسطتي الكتلة
وقد أكدت الدراسات صحة ما افترضه هذا العالم

وبذلك يكون الأنشطار النووي

" انقسام نواة ثقيلة إلى نواتين متوسطتي الكتلة , وإنتاج كميات هائلة من الطاقة نتيجة تفاعل نووي "

ولإحداث الأنشطار تقذف النواة الثقيلة مثل ( يورانيوم ـ 92 /235 )
بجسيمات خفيفة نسبياً مثل النيوترونات
التي تعد أفضل القذائف لأنها لا تحمل شحنة

ويمكن تمثيل الأنشطار النووي لليورانيوم بصورة عامة بالمعادلة التالية



ولا ينتج دائماً نفس نواتج التفاعل إلا أن العدد الذري للأنوية Y , y
يتراوح بين 36 و 60

ومن الإنشطارات الشائعة الحدوث









وفي التفاعلات السابقة[/align]

[no1]

[align=center] فإن مجموع كتل المواد الناتجة من التفاعل أقل من مجموع كتل المواد الداخلة في التفاعل
مما يؤكد أن هذا التفاعل منتج للطاقة

مثال) 1 )
حدد كمية الطاقة الناتجة في التفاعل :



الحل:
كتل المواد الداخلة في التفاعل :
ك النيوترون = 1.008665 و.ك.ذ
ك اليوراينوم = 235.043933 و.ك.ذ
ـــــــــــــــــــــ
ك النيوترون + ك اليورانيوم = 236.052598 و.ك.ذ
كتل المواد الناتجة من التفاعل =
3 × ك النيوترون = 3.025995 و.ك.ذ
ك الباريوم = 140.913740 و.ك.ذ
ك الكريبتون = 91.925765 و.ك.ذ
ــــــــــــــــــــــــــــــــ
3 × ك النيوترون + ك الباريوم + ك الكريبتون = 235.865500 و.ك.ذ

ك = الفرق بين مجموع الكتل  الداخلة والناتجة
= 236.052598 ـ 235.865500
= 0.187098 و.ك.ذ
الطاقة الناتجة = 0.187098 × 931 = 174 مليون إلكترون فولت

وهذا هو مقدار الطاقة الناتجة من انشطار نواة واحدة من اليورانيوم
وهو مقدار هائل وتصل الطاقة الناتجة إلى 200 مليون إلكترون فولت
وذلك لأن النوى الناتجة هي نوى مشعة تقوم بإطلاق طاقة تصل إلى 20 مليون إلكترون فولت
للوصول إلى مرحلة الاستقرار

ولتفسير ما يحدث أثناء عملية انشطار النواة
افترض العالمان بور وويلر (Neils Bohr & John Wheeler)
نموذج " قطرة السائل "
ويفترض هذا النموذج تماثلاً بين النواة وبين قطرة سائل مشحونة
حيث تقوم نواة اليورانيوم باصطياد النيوترون وتصبح نواة مستثارة تهتز بعنف مما يؤدي إلى حدوث تغير في شكلها
وفي هذا الشكل الجديد ( كما هو موضح ) فإن القوى النووية تصبح أضعف مما هي عليه أصلاً ويبدأ تأثير قوى التنافر الكهربائية
حيث تنقسم النواة إلى قسمين
وينتج المزيد من النيوترونات والطاقة الهائلة

والنيوترونات المسببة للأنشطار هي نيوترونات بطيئة وهي تمتلك أكبر احتمال للاصطدام بالنواة وإحداث التفاعل .

التفاعل المتسلسل - Chain Reaction
لعلك لاحظت أن انشطار نواة اليورانيوم ـ 235 ينتج مجموعة من النيوترونات ) اثنين أو ثلاثة )
وأن ما سبب انشطار النواة هو نيوترونات بطيئة
وبذلك يمكن وتحت شروط معينة أن تتسبب النيوترونات الناتجة من التفاعل في مزيد من الإنشطارات المتتالية
والتي تنتج قدراً هائلاً من الطاقة [/align]

[no1]

[align=center]وهذا ما يعرف بالتفاعل المتسلسل


وفي الأسلحة النووية
يتم إحداث تفاعل متسلسل غير متحكم فيه
مما ينتج طاقة هائلة ومدمرة
وتؤدي إلى حدوث أضرار عديدة

أما إذا تم التحكم في عدد النيوترونات المشاركة في التفاعل
فإنه يكون بالإمكان التحكم في الطاقة الناتجة
والسيطرة عليها واستغلالها في العديد من الأغراض
وهذا ما يحدث فعلاً في المفاعل النووي


ومن المشاكل التي تعترض التفاعل المتسلسل

1- إذا كانت كتلة العنصر المستخدم في التفاعل أقل من كتلة معينة تسمى " الكتلة الحرجة" فإن كثير من النيوترونات ستفلت دون التفاعل مع أنوية جديدة .
2- النيوترونات الناتجة عن الأنشطار هي نيوترونات متوسطة السرعة , ولذا يلزم تقليل سرعتها حتى تستطيع القيام بعمليات انشطار جديدة .
3- يحتوي اليورانيوم الطبيعي على 99.3 % من اليورانيوم (92/238) - والذي يمتص النيوترونات المتوسطة السرعة دون حدوث انشطار, وعلى 0.7% من اليورانيوم (92/235) اللازم لعملية الأنشطار وللحصول على تفاعل متسلسل في انفجار نووي يلزم زيادة تركيز اليورانيوم (92/235) إلى 50% في حين يلزم تركيزه إلى 3.6 % في المفاعلات النووية .



القنبلة النووية - Atomic Bomb

لبناء قنبلة ذرية يلزم أن تكون كتلة اليوراينوم ـ 235 مساوية للكتلة الحرجة اللازمة لبدء التفاعل المتسلسل
وقد قامت الولايات المتحدة الأمريكية ببناء أول قنبلة ذرية انظر الشكل والتي أطلق عليها " الرجل النحيف " "Thin man "
وأسقطت على هيروشيما في ( 5 آب - أغسطس ) 1945
وهذا النوع من القنابل يتكون من قطعتين من اليورانيوم
كل منهما كتلته أقل من الكتلة الحرجة
وتُطلق أحداهما (الصغرى ) على شكل قذيفة توجه نحو الكبرى وتنتج الكتلة الحرجة اللازمة لبدء التفاعل المتسلسل الذي يقود إلى الانفجار العنيف
ومن الصعوبات التي تواجه صناعة مثل هذه القنبلة
استخلاص اليورانيوم ( 92/235 ) من اليورانيوم (92/238)

ولذلك تمت صناعة نوع آخر من القنابل

ففي المرحلة الأولى يقذف اليورانيوم ـ 238 بالنيوترونات حسب المعادلة التالية



لينتج النبتونيوم(93/239) الذي يتحلل إلى بلوتونيوم (94/239) حسب المعادلة التالية

[/align]

[no1]

[align=center]ولقد أتضح أن قابلية بلوتونيوم ـ 239 للأنشطار أكبر من قابلية اليورانيوم ـ 235
ولذلك فإنه يلزم كتلة أصغر للوصول إلى الكتلة الحرجة
ولذلك قام العلماء بتصميم نوع آخر من القنابل الذرية ( قنبلة البلوتونيوم )
وتكون هذه القنبلة على شكل قطعة كروية صغيرة من البلوتونيوم توضع في مركز كرة
وتحاط بقطع من البلوتونيوم موضوعة على بعد ثابت من الكرة
بحيث تكون سطح كرة أكبر
وكتلة كل منها أقل من الكتلة الحرجة انظر الشكل
ولإحداث الانفجار
تجري تفاعلات كيميائية تقوم بإطلاق قطع البلوتونيوم كلها في آن واحد نحو مركز الكرة
مما يؤدي إلى التحام قطع البلوتونيوم وتكوّن الكتلة الحرجة ويبدأ التفاعل المتسلسل
وقد أطلقت أول قنبلة بلوتونيوم على مدينة ناجازاكي في اليابان
وسميت " الولد السمين " " Fat Boy " في 9 آب ( أغسطس ( 1945 -


المفاعل النووي الإنشطاري

قام فيرمي ببناء أول مفاعل نووي انشطاري في جامعة شيكاغو
وبدأ العمل فيه في 2 كانون أول ( ديسمبر ( 1942 ,
وكانت هذه أول مرة يتم فيها إحداث تفاعل نووي مُسيطر عليه

ويوضح الشكل التالي التفاعل النووي داخل المفاعل النووي
حيث يحتوي المفاعل النووي على يورانيوم ـ 238 مضاف إليه 3.6 % من اليورانيوم ـ 235 ويتم إحداث التفاعل التالي



وتكون النيوترونات الناتجة عن هذا التفاعل سريعة لأنها تمتلك طاقة حركية كبيرة
ولذلك يوضع المفاعل في حوض به ماء تحت ضغط مرتفع
حيث يعمل الماء على إبطاء النيوترونات وتقليل سرعتها حتى تستطيع البدء بانشطار جديد
ولكي يحدث التفاعل المتسلسل


ولكن لا يُسمح لهذا التفاعل بأن يستمر بعشوائية كما في القنبلة الذرية
لذلك يتم السيطرة عليه باستعمال ألواح من الكادميوم
حيث تعمل هذه الألواح على امتصاص النيوترونات
وبذلك يقل عدد النيوترونات المسببة للأنشطار
ويتم السيطرة على التفاعل
ويوجد وظيفة أخرى للماء حيث تعمل على التبريد نتيجة للحرارة العالية الناتجة عن التفاعل


ومن مساوئ استخدام هذا المفاعل
المخلفات النووية الناتجة عن التفاعل
حيث ينتج نظائر عديدة مشعة يجب التخلص منها
والطريقة المتبعة حالياً هي دفن هذه المخلفات في قاع مناجم الملح
والتي تكون جافة وتبعد عن سطح الأرض مسافة تقدر بآلاف الأقدام
حيث يمكن أن تبقى هناك ولا تتسبب في تلويث البيئة[/align]

[no1]

[align=center]الدرس الثالث

النشاط الإشعاعي الطبيعي

================================================== ==================================
مقدمة

يهتم هذا الجزء بمناقشة جزء من الخواص المتغيرة مع الزمن للنوى
نقصد بذلك تلك التي تتعلق بالنشاط الإشعاعي للنوى
حيث يتميز هذا النشاط بالتحويل من نظام ابتدائي إلى نظام نهائي بصورة تلقائية
إن مسألة حدوث العملية تلقائياً إنما هو أمر يتعلق بالطاقة
فإذا كانت الطاقة الكلية للنظام النهائي أقل منها في النظام الابتدائي عندئذ يكون بالإمكان حدوث التحول التلقائي


النشاط الإشعاعي الطبيعي The Natural Radioactivity -

إن الإلكترونات المدارية للذرة
تستطيع أن تمتص طاقة وإن تغير من مستواها
وفي بعض الأحيان قد تكون الطاقة الممتصة كبيرة لدرجة تسمح للإلكترون بعمل قفزة نهائية
وبأن يتخلص من جاذبية النواة
والنتيجة هي تولد الأيون ( أي ذرة ينقصها إلكترون )
ونستطيع القول بأنه في هذه الظروف الاستثنائية
تفقد الذرة كل إلكتروناتها أو معظمها
وتبقى عبارة عن نواة معزولة
ولذلك فإن الذرات
ليست غير قابلة للانقسام
بعكس الاعتقاد الذي ظل سائداً لفترة طويلة
مهما يكن من أمر فإن التأين ليس مجرد ظاهرة عرضية
فكل ذرة متأينة متصلة بالمادة
لن تلبث أن تستعيد إلكتروناتها وتقوم بامتصاصها من الوسط المحيط بها فتعود إلى تكوينها الأصلي
ولتقسيم ذرة بصفة نهائية يحتاج الأمر لأجراء إضافي
ذلك هو تفتيت نواتها
ذلك ما يمكن أن نتوقعه بالنظر إلى تعقد تكوين النوى
وليس فقط يمكن تفتيت النوى
ولكن بعضها يتفتت تلقائياً
وتنبعث منها إشعاعات ثم تتحول بعد ذلك إلى نوى مختلفة

أنواع الأشعة المنبعثة من المواد المشعة طبيعياً

قام راذرفورد بدراسة خواص الإشعاعات المنبعثة من العناصر المشعة
وذلك بوضع مصدر الراديوم ( مادة مشعة (
داخل حافظة من الرصاص
ذات ثقب اسطواني صغير القطر
يمكننا من الحصول على حزمة ضيقة من الإشعاعات
وذلك باستخدام مجال مغناطيسي قوى كمحلل

فلاحظ أن الحزمة بعد اختراقها للمجال تنقسم إلى ثلاثة أقسام

1-
تنحرف أحدها في الاتجاه العمودي على المجال المغناطيسي ، ويدل اتجاه انحرافها على أنها مكونة من جسيمات مشحونة بشحنة موجبة . كما يدل مقدار الانحراف على ثقل هذه الجسيمات وباستعمال مجال مغناطيسي قوي ومجال كهربي قوي تمكن راذرفورد من إثبات أن هذه الجسيمات التي سميت جسيمات ألفا مشحونة بشحنة موجبة تساوي ضعف شحنة الإلكترون . وهي عبارة عن نواة ذرة الهليوم وكذلك اثبت راذرفورد أن جسيمات ألفا أقل أنوع الإشعاعات نفاذاً في الأجسام وتنطلق بسرعة تتراوح ما بين10/1 إلى 100/1 من سرعة الأمواج الكهرومغناطيسية . ولها قدرة على تأيين الغازات .
2-
أشعة بيتا وهي تنحرف كذلك في الاتجاه العمودي على المجال المغناطيسي ويدل اتجاه انحرافها على أنها مكونة من جسيمات مشحونة بشحنة سالبة ، كما يدل مقدار الانحراف على أنها جسيمات خفيفة سالبة الشحنة وهي أكثر نفاذاً في الأجسام من جسيمات ألفا . وهي في الواقع إلكترونات ذات سرعات فائقة تصل في بعض الأحيان إلى ما يقارب من .998 من سرعة الضوء ، كما أن لها قدرة على تأيين الغازات ولكن بدرجة أقل من جسيمات ألفا .
3-
أشعة جاما :- وتتميز أشعة جاما بميزات الأشعة السينية فهي ذات طبعة موجيه وليس لها وزن أو شحنة ، وطول موجتها صغير جداً يتراوح بين . 10-8 إلى 10-10 وهي شديدة النفاذية إذا ما قورنت بغيرها من الإشعاعات الطبيعية أو حتى الأشعة السينية
ولأشعة جاما القدرة على تأيين الغازات ولكن بدرجة أقل من تأيين جسيمات ألفا أو بيتا . ويمكن القول أن ذلك مرجعة إلى قوة نفاذيتها التي تفوق كل من أشعة بيتا وألفا حيث تتناسب قوة النفاذية للإشعاعات الثلاثة عكسياً مع قوة تأينها .[/align]

[no1]

[align=center]المصادر الطبيعية للإشعاع الذري
الإشعاع الذري موجود قبل خلق الأرض بزمن طويل . وله ثلاث مصادر رئيسية على الأرض
هي

- الأشعة الكونية - Cosmic rays
المصدر الرئيسي لهذه الأشعة ناتج عن الحوادث النجمية في الفضاء الكوني البعيد ومنها ما يصدر عن الشمس خاصة خلال التوهجات الشمسية التي تحدث مرة أو مرتين كل 11سنة ، مولدة جرعة إشعاعية كبيرة إلى الغلاف الغازي للأرض . وتتكون هذه الأشعة الكونية من 87% من البروتونات و 11 من جسيمات ألفا ، وحوالي 1% من النوى ذات العدد الذري ما بين 4 و 26 وحوالي 1% من الإلكترونات ذات طاقة عالية جداً وهذا ما تمتاز به الأشعة الكونية ، لذلك فإن لها قدرة كبيرة على الاختراق . كما أنها تتفاعل مع نوى ذرات الغلاف الجوي مولدة بذلك إلكترونات سريعة وأشعة جاما ونيوترونات وميزونات .ولا يستطيع أحد تجنب الأشعة الكونية ولكن شدتها على سطح الأرض تتباين من مكان لأخر .

- النشاط الإشعاعي الطبيعي في القشرة الأرضية Natura radioactivity in The earth Sheff -
إن من أهم العناصر المشعة في صخور القشرة الأرضية هي ( البوتاسيوم 4-0- ) و(الروبيدوم 87- ) وسلسلتا العناصر المشعة المتولدة من تحلل ( اليورانيوم -238 ) و(الثوريوم -232 ) . وهناك ما يقارب الأربعين من النظائر المشعة . وأعمار النصف للعناصر المشعة الأساسية في صخور القشرة الأرضية طويلة جداً ، لهذا بقيت في الأرض إلى الآن منذ خلقها ، فعمر النصف ( للبوتاسيوم -40 ) يزيد على ألف مليون سنة وعمر النصف ( الروبيدوم -87) يزيد على أربعين ألف مليون سنة وهذه النظائر المشعة تبعث أنواعاً مختلفة من الإشعاع الذري كجسيمات بيتا وألفا وأشعة جاما .

ومستوى النشاط الإشعاعي الطبيعي في القشرة الأرضية متقارب جداً في معظم الأماكن ، حيث لا يوجد اختلاف يذكر عن مكان وآخر بصفة عامة . إلا أن هناك أماكن على الأرض يزداد فيها الإشعاع الطبيعي بشكل كبير نتيجة وجود تركيزات عالية من العناصر المشعة طبيعياً في صخور القشرة الأرضية .

- النشاط الطبيعي داخل جسم الإنسان
يشع جسم الإنسان من الداخل عن طريق كل من الهواء الذي يتنفسه والغذاء والماء الذي يصل إلى جوفه ، فالهواء هو المصدر الرئيسي للجرعة الإشعاعية الطبيعية التي تصل إلى داخل جسم الإنسان ومصدرها الأساسي غاز الرادون الموجود في جو الأرض والمتولد عن التحلل التلقائي لنظير « اليورانيوم -238 » الموجود طبيعياً في صخور قشرة الأرض.

وكذلك فإن كلا من الغذاء الذي يتناوله الإنسان والماء الرئيسي لتلك المواد المشعة في النبات هو التربة التي تمتص منها النباتات تلك المواد مع غيرها من المواد الطبيعية فتدخل في بنائها . كما أن بعض الغبار الذي يتساقط على النبات يحوي آثاراً من تلك المواد المشعة ، وتصل المواد المشعة إلى داخل جسم الإنسان عن طريق تناوله النباتات أو لحوم ال#$##$##$##$##$#ات التي تتغذي على النباتات وتدخل المواد المشعة أيضاً مع الماء الذي نشربه حيث تحتوى المياه على آثار قليلة جداً منها .

لذلك تكون أجسامنا مشعة قليلاً من الداخل نظراً لوجود بعض العناصر المشعة فيها مثل البوتاسيوم - 40 ) و ( الكربون 14 ) .

وتسلك المواد المشعة - عادة - طرقاً معقدة قبل دخولها جسم الإنسان


قانون التفكك الإشعاعي - Radioactiue decag law

تعتبر ظاهر التفكك الإشعاعي ظاهرة إحصائية ، أي أنه لا يمكن التكهن بزمن
تنحل عند نواة بعينها ، ولكن عند وجود عدد كبير جداً من أنوية النظير المشع ، فإنه بمتابعة معدل تغير كمية الأشعة المنبعثة يمكن معرفة الكثير عن نوعية التحول .

هناك احتمال محدد للتفكك في وحدة الزمن لأي نظير مشع ، وهذا الاحتمال يعرف بثابت مميز لكل نظير مشع بغض النظر عن حالته . الكيميائية أو الفيزيائية ( من سائله أو صلبه أو غازية )


فإذا كان N عدد الأنوية المشعة الموجودة في عينة ما عند زمن ( T ) فإن معدل التفكك يعطي المعادلة

حين تسمى λ بثابت التفكك ( decay Constant ) وهو يعد مقياساً لاحتمال تفكك نواة معينة .



وبمكاملة المعادلة السابقة في الفترة الزمنية من t = o إلى t = t فإن عدد الأنوية N التي تبقى بعد مضي زمن t يمكن حسابه بدلالة عدد الأنوية N__o عند البدء أي عند t = o ويعطي التكامل

ومنها

N = No e- λt
وتعرف هذه المعادلة بقانون التفكك الإشعاعي وهي تعطي العلاقة بين عدد الأنوية المتبقية N والزمن t .


أنواع التفكك الإشعاعي

تفكك الفا
في هذه العملية تفقد النواة المشعة ( حيث X رمز النظير ) جسيم الفا المكون من بروتونين ونيوترونين وهو عبارة عن نواة ذرة الهيلوم . وهذا يعني نقصان العدد الكتلي بمقدار أربع وحدات والعدد الذري بوحدتين وبذلك تكون النواة الناتجة مختلفة تماماً عن النواة الأم .

تفكك بيتا B-Decay-

تصدر نوبات بعض النظائر جسيمات تعرف بجسيمات بيتا ( B-Particles) وهذه الجسيمات عبارة عن إلكترون أو بوزيترونات والبوزيترون ( Positron) عبارة عن جسم كتلة مساوية لكتلة الإلكترون ولكن شحنته موجبة . ويحدث هذا النوع من التفكك للأنوية ( المعروف باسم تفكك بتيا ) في كثير من النظائر سواء كانت ثقيلة أم خفيفة .[/align]