التفاعل النووي والمجموعة الرابعة للمسائل – الفيزياء النووي

التفاعل النووي – شرح شامل

مقدمة

التفاعل النووي هو عملية يتم فيها تغيير نواة الذرة، ويُعد من الظواهر الفيزيائية الأساسية التي تُستخدم لفهم سلوك المادة على المستوى الذري، كما يُستفاد منها في التطبيقات التكنولوجية والعسكرية والطبية. يختلف التفاعل النووي عن التفاعل الكيميائي في أن الأول يغيّر تركيبة النواة نفسها، بينما الثاني يُغيّر ترتيب الإلكترونات دون المساس بالنواة.

أنواع التفاعلات النووية

يمكن تصنيف التفاعلات النووية إلى عدة أنواع، من أبرزها:

1. الانشطار النووي (Nuclear Fission):

هو عملية تنقسم فيها نواة ثقيلة (مثل اليورانيوم-235 أو البلوتونيوم-239) إلى نواتين أو أكثر أصغر حجمًا، بالإضافة إلى انبعاث نيوترونات وطاقة هائلة. تُستغل هذه التفاعلات في المفاعلات النووية والقنابل الذرية.

مثال:

${}^{235}_{92}\text{U} + {}^1_0\text{n} \rightarrow {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3\, {}^1_0\text{n} + \text{طاقة}$

2. الاندماج النووي (Nuclear Fusion):

فيه تندمج نواتان خفيفتان (مثل نظائر الهيدروجين) لتكوّن نواة أثقل، ويطلق هذا التفاعل طاقة هائلة أكبر من طاقة الانشطار. يحدث الاندماج في الشمس والنجوم، وتُبذل جهود حالياً لإنتاجه على الأرض في مفاعلات اندماجية.

مثال:

${}^2_1\text{H} + {}^3_1\text{H} \rightarrow {}^4_2\text{He} + {}^1_0\text{n} + \text{طاقة}$

3. التفاعلات بالتقاط النيوترون:

تحدث عندما تمتص نواة ذرة نيوتروناً وتصبح غير مستقرة، مما يؤدي إلى تحولها إلى نواة جديدة، أحيانًا بإصدار إشعاع غاما.

مثال:

${}^{59}_{27}\text{Co} + {}^1_0\text{n} \rightarrow {}^{60}_{27}\text{Co} + \gamma$

خصائص التفاعلات النووية

1. تحرر طاقة كبيرة جدًا بسبب التحول في الكتلة إلى طاقة طبقًا لمعادلة أينشتاين: $E = \Delta m \cdot c^2$ حيث $\Delta m$ هو الفرق في الكتلة و $c$ هو سرعة الضوء.
2. التغير في النواة وليس في الإلكترونات.
3. يمكن أن تنتج إشعاعات مؤينة (ألفا، بيتا، غاما) قد تكون ضارة بالكائنات الحية.
4. الاحتمالية العالية لإحداث تفاعل تسلسلي خصوصًا في تفاعلات الانشطار، حيث تُطلق النيوترونات الناتجة تفاعلات جديدة.

تطبيقات التفاعل النووي

1. توليد الطاقة الكهربائية:

تُستخدم المفاعلات النووية لتوليد الكهرباء عن طريق تسخير الطاقة الناتجة عن الانشطار النووي لتسخين الماء وتدوير التوربينات.

2. الطب النووي:

تُستخدم النظائر المشعة في التشخيص (مثل اليود-131 للكشف عن اضطرابات الغدة الدرقية) والعلاج (مثل الكوبالت-60 في علاج السرطان).

3. الأسلحة النووية:

يُستغل الانشطار والاندماج لإنتاج قنابل نووية ذات قدرة تدميرية كبيرة.

4. التقنيات الصناعية والزراعية:

تشمل التعقيم الإشعاعي، فحص المواد، وتتبع العناصر الكيميائية في التربة.

معادلات التفاعل النووي

تُكتب المعادلات النووية بشكل مشابه للمعادلات الكيميائية، لكنها تُراعي عدد البروتونات والكتلة الذرية:

• العدد الكتلي (A): مجموع عدد البروتونات والنيوترونات.
• العدد الذري (Z): عدد البروتونات (يمثل هوية العنصر).

يجب أن يتوازن الطرفان في كل من العدد الكتلي والعدد الذري.

مثال لتفاعل بيتا:

${}^{14}_6\text{C} \rightarrow {}^{14}_7\text{N} + {}^0_{-1}\text{e}$

أنواع الانحلال الإشعاعي المرتبطة بالتفاعل النووي

1. جسيمات ألفا (α): نوى الهيليوم ${}^4_2\text{He}$، تقلل الكتلة والعدد الذري.
2. جسيمات بيتا (β): إلكترونات أو بوزيترونات، تغير العنصر دون تغيير في الكتلة.
3. أشعة غاما (γ): طاقة نقية تصدر من نوى مثارة دون تغيير في تركيب النواة.

الطاقة الناتجة من التفاعلات النووية

تحصل النواة على استقرار عند فقدان جزء من كتلتها على شكل طاقة. يُحسب الفرق في الكتلة (نقص الكتلة) وتحول إلى طاقة باستخدام:

$\Delta E = (\text{الكتلة الابتدائية} – \text{الكتلة النهائية}) \times c^2$

السلامة النووية والمخاطر

رغم الفوائد الكبيرة، إلا أن التفاعلات النووية تتطلب تعاملًا حذرًا لتجنب:

• التسرب الإشعاعي.
• الحوادث النووية مثل كارثة تشيرنوبل أو فوكوشيما.
• التخزين طويل الأمد للنفايات المشعة.

لذلك، تُفرض بروتوكولات أمان صارمة جدًا على مستوى الدول والمؤسسات.

الخاتمة

التفاعل النووي يمثل ثورة في العلم والتطبيقات، إذ فتح آفاقًا كبيرة في مجال الطاقة والطب والتكنولوجيا. إلا أن الجانب الأخلاقي والأمني يفرض على البشر مسؤولية كبرى في استخدامه بعناية، لضمان السلامة العامة والحفاظ على البيئة والإنسانية.

السؤال:

أكمل التفاعل النووي التالي:

$${}^{1}_{1}p + {}^{150}_{62}Sm \rightarrow \, ؟ \rightarrow {}^{147}_{61}Pm + {}^{4}_{2}He$$

الحل:

نجمع الأعداد الكتلية (A) والعدد الذري (Z) للطرف الأيسر:

• العدد الكتلي: $1 + 150 = 151$
• العدد الذري: $1 + 62 = 63$

الطرف الأيمن:

• العدد الكتلي: $147 + 4 = 151$
• العدد الذري: $61 + 2 = 63$

إذن التفاعل النووي متزن من حيث العدد الكتلي والعدد الذري.

إذن التفاعل الكامل هو:

$${}^{1}_{1}p + {}^{150}_{62}Sm \rightarrow {}^{147}_{61}Pm + {}^{4}_{2}He$$

ملاحظات:

• التفاعل النووي أعلاه يمثل تفاعل قصف نووي بالبروتون يؤدي إلى إنتاج نواة جديدة وانبعاث جسيم ألفا.
• ناتج التفاعل هو عنصر البروميثيوم $Pm$ وعدده الكتلي 147، مع جسيم ألفا.