خصائص النواة وطاقة الربط النووي – الفيزياء النووية

خصائص النواة وطاقة الربط النووي – شرح شامل

أولًا: النواة الذرية (Atomic Nucleus)

النواة هي الجزء المركزي من الذرة، وتتركز فيها معظم كتلة الذرة، وتتكون من:

• بروتونات (جسيمات موجبة الشحنة)
• نيوترونات (جسيمات متعادلة كهربائيًا)

وتعرف البروتونات والنيوترونات معًا باسم النيكلونات (Nucleons).

ثانيًا: خصائص النواة

1. العدد الذري (Z):

هو عدد البروتونات في النواة، ويحدد هوية العنصر.

2. العدد الكتلي (A):

هو مجموع عدد البروتونات والنيوترونات:

$$A = Z + N$$

حيث $N$ هو عدد النيوترونات.

3. نصف القطر النووي:

يعتمد على عدد الكتلة ويعطى بالعلاقة التقريبية:

$$R = R_0 \cdot A^{1/3}$$

حيث:

• $R_0 ≈ 1.2 \times 10^{-15} \, \text{m}$

4. الكثافة النووية:

النوى لها كثافة عالية جدًا، وتكاد تكون ثابتة لكل العناصر، وتبلغ نحو:

$$\rho \approx 2.3 \times 10^{17} \, \text{kg/m}^3$$

5. الشحنة النووية:

تساوي شحنة البروتونات:

$$q = Z \cdot e$$

حيث $e$ هو شحنة الإلكترون.

6. الطاقة الكامنة في النواة:

الطاقة التي تُبقي النواة مترابطة رغم التنافر الكهربائي بين البروتونات، وتُعرف بـ طاقة الربط.

ثالثًا: طاقة الربط النووي (Binding Energy)

هي الطاقة اللازمة لتفكيك النواة إلى مكوناتها من البروتونات والنيوترونات، أو هي الطاقة الناتجة عند تكوين النواة من مكوناتها.

العلاقة الأساسية:

$$E_b = \Delta m \cdot c^2$$

حيث:

• $E_b$: طاقة الربط
• $\Delta m$: فرق الكتلة بين مجموع كتل النيكلونات منفردة وكتلة النواة الفعلية
• $c$: سرعة الضوء في الفراغ

فرق الكتلة:

$$\Delta m = \left( Z m_p + N m_n \right) – m_{\text{nucleus}}$$

لاحظ: كتلة النواة أقل من مجموع كتل مكوناتها بسبب تحول هذا الفرق إلى طاقة ربط وفق معادلة آينشتاين.

رابعًا: طاقة الربط لكل نيوكلون

لحساب متوسط طاقة الربط لكل نيوكلون (وهي مقياس لاستقرار النواة):

$$E_b/A = \frac{\text{طاقة الربط الكلية}}{\text{عدد النيكلونات (A)}}$$

أمثلة تقريبية:

خامسًا: استقرار النوى

• النوى ذات أعلى طاقة ربط لكل نيوكلون تكون أكثر استقرارًا.
• الحديد-56 هو أكثر النوى استقرارًا، لذلك:
  • تنطلق طاقة عند اندماج نوى خفيفة لتكوين نواة حديد.
  • وتنطلق طاقة عند انشطار نوى ثقيلة لتصل إلى نوى أقرب للحديد.

سادسًا: التطبيقات المرتبطة بطاقة الربط

1. الاندماج النووي:

دمج نواتين خفيفتين لتكوين نواة أثقل (مثل الشمس). تطلق طاقة هائلة إذا كانت طاقة الربط للنواة الناتجة أكبر.

2. الانشطار النووي:

انقسام نواة ثقيلة إلى نواتين متوسطتي الكتلة. تنتج طاقة لأن طاقة الربط لكل نيوكلون في النواتج أكبر.

3. الطاقة النووية:

تعتمد محطات الطاقة النووية على الانشطار النووي لتحرير الطاقة.

4. الأسلحة النووية:

تستغل كلاً من الانشطار والاندماج لإنتاج انفجارات مدمرة بطاقة هائلة.

سابعًا: خلاصة

• النواة هي الجزء المركزي من الذرة وتحتوي البروتونات والنيوترونات.
• طاقة الربط هي مؤشر على مدى تماسك النواة.
• كلما زادت طاقة الربط لكل نيوكلون، زادت استقرارية النواة.
• يمكن حساب طاقة الربط باستخدام فرق الكتلة وتحويله إلى طاقة باستخدام معادلة آينشتاين.
• طاقة الربط النووي هي مصدر الطاقة في التفاعلات النووية مثل الانشطار والاندماج.

هل تحب أن أضيف مخططًا بيانيًا لطاقة الربط لكل نيوكلون مقابل عدد الكتلة؟