تفاعل نووي
التفاعل النووي في الفيزياء النووية هو تفاعل يحدث عندما تصتدم نواتي ذرتين ببعضهما أو عندما يصتدم جسيم أولي مثل البروتون أو النيوترون بنواة ذرة ، وينشأ عن هذا الإصتدام مكونات جديدة تختلف عن المكونات الداخلة في التفاعل . وبصفة عامة هذا التفاعل قد يتضمن عدد أكبر من إثنين من المكونات الداخلة في التفاعل ، ولكن إصتدام أكثر من جسيمين في نفس اللحظة هو إحتمال ضعيف جدا ، لذلك يندر هذا النوع من التفاعل . ومن خلال اصتدام الجسيم الأولي بالنواة تتكون أولا ما يسمي النواة المركبة ، التي تتحلل في وقت قصير جدا ، وينتج عن ذلك نواة جديدة مصحوبة بانطلاق جسيم أو جسيمات أخرى وربما حرارة . أما إذا افترق الجسيمان الداخلان في التفاعل من دون أن تختلف المكونات الناتجة عن المكونات الداخلة في التفاعل ، فلا يسمي هذا تفاعل نووي بل يسمي فقط اصتدام مرن .
نري في الشكل اصتدام الديوتيريوم (وهو نواة ذرة الإيدروجين الثقيل) بنواة ذرة الليثيوم-6 وتفاعلهما لتكوين النواة مركبة (هي نواة البريليوم-8 ) والتي تتحلل في الحال وينتج عنها نواتي هيليوم ( أي إثنتين من جسيمات ألفا ) . وفي ذلك الرسم مثلنا البروتون باللون الأحمر ومثلنا النيوترون باللون الأزرق .
Li-6 + H-2 --> 2He-4
كما يمكن أختصار هذه المعادلة بالصيغة التالية:
Li-6(d,α)α
وعلى وجه العموم فأحيانا يرمز الفيزيائيون التفاعل النووي بالرمز A(b,c)D
حيث A النواة الداخلة في التفاعل ، b الجسيم الذي يصتدم بالنواة ،وقد يكون بروتون أو نيوترون أو ديوتيرون أو جسيم ألفا أو غيرها ، و D النواة الناتجة من التفاعل ، و c الجسيم الناتج من التفاعل . وقد ينشأ عن التفاعل حرارة تحملها الجسيمات الناتجة على هيئة حركة ذات سرعة معينة . والآن نبدا في حساب تلك الطاقة النووية الناشئة أثناء هذا التفاعل .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
حساب الطاقة الناتجة عن التفاعل
قد ينتج عن التفاعل طاقة حرارية تظهر على هيئة طاقة حركة تحملها مكونات التفاعل الناتجة . وهذه الطاقة يمكن حسابها بواسطة معادلة أينشتاين E = mc² التي تعطي العلاقة بين الكتلة و الطاقة ، حيث m الكتلة ووحدتها الكيلوجرام و c هي سرعة الضوء في الفراغ و E هي الطاقة المعادلة لكتلة الجسيم . وبمعرفة الكتلة الساكنة لجميع الجسيمات الداخلة في التفاعل وطرح منها مجموع الكتل الناتجة من التفاعل ، نستطيع حساب الطاقة الناتجة . و توجد لكتل الجسيمات الساكنة جداول يمكن الاستعانة بها في ذلك .
- تعطينا الجداول كتلة نواة الليثيوم-6 =6.015 [u] (وحدة الكتلة الذرية وهي أختصار للوحدة amu )
- وتعطينا الجداول كتلة نواة الديوتيريوم =2.014 [u]
- و كتلة نواة الهيليوم =4.0026 [u]
- فنحصل على كتلة الجسيمات الداخلة في التفاعل = 6.015 + 2.014 = 8.029 [u]
- وكتلة الجسيمات الناتجة من التفاعل = 2 × 4.0026 = 8.0052 u
- الكتلة المفقودة = 8.029 - 8.0052 = 0.0238 [u]
وبمعرفة طاقة 1 MeV 931.49= u
- يمكن حساب الطاقة الناتجة عن الكتلة المفقودة :0.0238 MeV 22.4 = MeV 931 x
وإذا أردنا حسابها الطاقة بالجول فيمكننا إجراء ذلك بالرجوع إلى جدول الوحدات(Conversion of units ) لتحويل وحدة MeVإلى جول.
- نلاحظ أنه نتج عن التفاعل المذكور فقد في الكتلة ظهر في هيئة طاقة حركة تندفع بها الجسيمات الناتجة عن التفاعل وهذه ما هي إلا طاقة حرارية يمكن قياسها أيضاً بالجول . وقد حدث هذا النقص في الكتلة ومقداره 0.0238 [u] بسبب أن نواة ذرة الهيليوم هي أقوى النوايات الذرية على الإطلاق من جهة تماسكها ، فهي مكونة من بروتونين ونيوترونين ، ويتميزون هؤلاء الأربعة بأعلى قوة رابطة نووية بين جميع العناصر . ولهذا نجد أن نواة ذرة الهيليوم (جسيم ألفا) تظهر كثيرا كناتج في التفاعلات النووية لأنها تحتفظ على كيانها.
- في تفاعلنا السابق وهو اصتدام الديترون بنواة ذرة الليثيوم-6 نلاحظ أن كلا الجسمين له شحنة كهربائية موجبة مما تعمل على تنافر الجسمين عند اقترابهما من بعض ، لذلك لا بد أن يكون الديوترون على سرعة عالية حتى يستطيع التغلب على قوى التنافر وأن يصل إلى النواة ويصتدم بها . وهذا هو الحال دائما في حالة أن يحمل الجسيم المصتدم بالنواة شحنة موجبة مثل البروتون والديوترون وجسيم ألفا ، أما بالنسبة للنيوترون وهو متعادل وليست له شحنة كهربائية فتكون تفاعلاته مع النواة أسهل بكثير ، ولا يحتاج إلى سرعات عالية لكي يصل إلى النواة ويتفاعل معها .
حساب معادلة أينشتين بالجول
E = mc²
- نقوم الآن بحساب كتلة 1 [ u] (وهي وحدة الكتلة الذرية) بوحدة الطاقة الجول:
u .c2=(1.66054 x 10−27;kg) . (2.99792&108(m/s))2
=1.49292 × 10−10 kg . (m/s)2
= 1.49242 × 10−10 جول
- ويمكن تحويل وحدة الجول إلى وحدة MeV المستخدمة في الفيزياء النووية ، بالعلاقة الآتية:
- جول 1MeV= 1.60218 × 10-13
وكما نرى الكتلة والطاقة ما هما سوى وجهين لأصل واحد ، كما نرى أن الطاقة يمكن التعبير عنها ب MeV أو الجول (Joule) أو في صيغة [كيلوجرام.(متر مربع/ثانية مربع)] وغير ذلك وهي موجودة في جداول لهذه التحويلات . ويفضل الفيزائيون استخدام الإلكترون فولت للتعبير عن الطاقة في نطاق الذرة والجسيمات الأولية لتفادي استعمال الجول الذي يكون في هيئة كسر صغير جدا .
وبناء على ما سبق يمكن كتابة معادلة التفاعل كالآتي :
Li-6 + H-2 --> 2He-4 + 22.4 MeV
حيث 22.4 MeV الطاقة الناتجة من التفاعل .
تفاعلات بين النيوترون والنواة
| → T | → 7Li | → 14C | |||
|---|---|---|---|---|---|
| (n,α) | 6Li + n → T + α | 10B + n → 7Li + α | 17O + n → 14C + α | 21Ne + n → 18O + α | 37Ar + n → 34S + α |
| (n,p) | 3He + n → T + p | 7Be + n → 7Li + p | 14N + n → 14C + p | 22Na + n → 22Ne + p |
يهتم العلماء بتفاعلات النيوترون مع النواة حيث تستخدم تلك النتائج في تشغيل المفاعلات النووية التي تنتج الطاقة الكهربائية وكذلك لتحسين القنابل النووية . ونعطي هنا بعض الأمثلة للتفاعلات التي تدخل فيها النيوترونات البطيئة:
6Li + n → T + α
10B + n → 7Li + α
37Ar + n → 34S + α
في كل من هذه التفاعلات مع النيوترون نري أن التفاعل مصحوب بأصدار جسيم ألفا وتغير العنصر الداخل في التفاعل إلى عنصر آخر أقل منه وزنا ، حيث فقد كل منهم بروتونين بالإضافة إلى نيوترونين (جسيم ألفا).
وأمثلة تفاعلات نووية للنيوترونات ينتج عنها بروتونات :
14N + n → 14C + p
22Na + n → 22Ne + p
وفي هذه التفاعلات أيضا نلاحظ أن العنصر الداخل في التفاعل مع النيوترون قد تغير إلى العنصر الذي يسبقه مباشرة في الجدول الدوري حيث فقد النيتروجين-14 بروتونا وتحول إلى كربون-14 في التفاعل الأول . وفي التفاعل الثاني تحول الصوديوم-22 إلى النيون-22 لفقده بروتونا واحدا أثناء التفاعل.