اكتشاف ظاهرة الإشعاع النووي والمواد المشعة
بعد أن قدم راذرفورد تجربته الشهيرة لدراسة تأثير دقائق ألفا على صفائح المعادن، كان من أهم الاستنتاجات التي وضعها هي: أن الجسيمات موجبة الشحنة تتجمع في جزء صغير من الذرة وهو النواة، وفيها أيضا تتجمع كتلة الذرة أي أن تجربته وضعت التصور الأول للنموذج النووي لتركيب الذرة، حيث كانت هذه التجربة خطوة مهمة في تطوير هذا العلم.
جدول (1): مقارنة بين كمية الطاقة المتحلررة من التفاعلات النووية والتفاعلات الكيميائية.
كمية الطاقة المتحررة
(eV/molecule) نوعه المعادلة التفاعل
4.1 كيميائي C(s) + O2(g) CO2(g)
احتراق الكربون
9.2 كيميائي C7H5(NO2)3 explosion products
TNT(1) انفجار مادة
2.5x106 نووي 60Co Ni + β + energy
Co انحلال بيتا لـ
200x106 نووي 235U + 1n fission products+ energy
الإنشطار النووي
(1)ثلاثي نيترو طولوين Trinitro toulwene
اكتشف العالم الفرنسي هنري بيكريل H. Becquerel عام 1895م أن أملاح اليورانيوم تبعث غشعاعات تؤثر على الألواح الفوتوغرافية المغلفة، وقد ظن في البداية أنها هي نفسها الإشعاعات التي اكتشفها العالم الألماني روتنجن Rotingen والتي سميت الشعة السينية x-rays ولكنه لاحظ أن الإشعاعات التي تنطلق من أملاح اليورانيوم ذات قدرة عالية على الاختراق ( تفوق قدرة الأشعة السينية) وأن هذه الظاهرة تحدث تلقائيا دون وجود مثير أو مستحث (مؤثر) خارجي مثل: (ضوء الشمس مثلا)، كما أكد أن اشعاعات مشابهة تصدر من جميع املاح اليورانيوم بغض النظر عن التركيب الكيميائي للملح وأن مركبات الثوريوم تعطي ظاهرة مشابهة.
وفي عام 1889م بدأ الزوجان بيير وماري كوري Pierre and Marie Curie أبحاثهما في هذا المجال، والتي مبنية على أساس ملاحظة أن بعض الخامات الطبيعية لليورانيوم ( مثل البتشبلند) لها خواص إشعاعية أقوى من اليورانيوم النقي نفسه. وقد استنتجا من هذه الحقيقة أن هذه الخامات ربما تحتوي على عناصر أخرى غير اليورانيوم لها خاصية الإشعاع. حيث عملا جهود مضنية لإستخلاص الكمبات الضئيلة الموجودة في خام البتشبلند من عنصري البولونيوم 84Po والراديوم Ra88 وهما عنصران ذوي قدرة كبيرة على الإشعاع تفوق قدرة اليورانيوم، ومن هنا كانت الخاصية اإشعاعية القوية للبتشبلند وهي خامة سوداء اللون تحتوي على أكسيد اليورانيوم U3O8 بنسبة 75%.
وكان من أهم أعمال ماري كوري فصلها لمقدار 100 ملليجرام من كلوريد الراديوم بصورة نقية ( حسب أحدث ما توصلت إليه القياسات الطيفية في ذلك الوقت)، وعينت الوزن الذري له بقيمة 226.5 ( بفارق 0.2 عن القيمة المعينة في الوقت الحاضر) كما أستطاعت أن تحضر أول عينة نقية من فلز الراديوم من التحليل الكهربي لمصهور ملحه.
وفي الأعوام التي تلت عام 1909م، قدم راذرفورد Rutherford E. مساهمات مهمة في هذا المجال حين استخدم الطرق الطيفية لتعيين طبيعة الجسيمات ألفا وأكد أنها عبارة عن أنبوبة الهيليوم وأن جسيمات بيتا تتصرف على نحو مماثل لجسيمات أشعة المهبط التي عرفها طومسون Tohmson بأنها عبارة عن إلكترونات أو جسيمات تحمل شحنة سالبة في الذرات، والتي تتشابه في طبيعتها في جميع الذ رات.
وبين العامين 1911م و 1913م قدم العلمان فاجان وسودي K.Fajan and F. Soody أوراقهما البحثية الخاصة بدراسة عمليات الإنحلال الإشعاعي لعنصري اليورانيوم والثوريوم حيث أوضحا فيها أن عملية الانحلال تتضمن تحولا في النواة يؤدي إلى تكوين عنصر جديد من العنصر المنحل. وأن الانحلال بفقد جسيمات ألفا يؤدي إلى تناقص في العدد الذري بمقدار وحدتين، بينما يؤدي انحلال بيتا إلى زيادة في العدد الذري بمقدار وحدة واحدة.
وقد شهد العام 1932م حدثا مهما تمثل في اكتشاف جادويك J. Chadwick لوجود النيوترون الذي انطلق من نواة البريليوم بعد قذفها بجسيمات ألفا ذات الطاقة العالية جدا، في تفاعل من النوع:
(_^9)Be(α,n)12C
وكان لاكتشاف النيترون دور هام في تطوير امكانيات اجراء تفاعلات نووية عديدة، لأنه جسيم غير مشحون وهو قادر على اختراق النواة دون الحاجة لاكسابه طاقة عالية، وقد ساهمت هذه التفاعلات النووية في فهم الكثير عن طبيعة التركيب النووي.
وفي العام 1934م أوضحت أيرين كيوري ( إبنة بيير وماري كيوري) من خلال عملها المشترك مع زوجها فريدريك كيوري I. and F. J. Curie أن قذف البورون والألومنيوم بأشعة ألفا سوف يؤدي إلى ظهور خواص إشعاعية لهما. وكان هذا كشفا هاما لإمكانية تحويل النواة لتصبح مشعة بشكل صناعي كما نتج عن تجاربهما اكتشاف جسيم البوزترون positron : وهو جسيم له خصائص تشبه خصائص الإلكترون ولكن بشحنة موجبة. وكان قد تم اكتشاف البوزترون قبل ذلك كأحد مكونات الإشعاع الكوني.
3.1. الإشعاع
تعريفه:
الإشعاع عبارة عن إنبعاث وإنتشار للطاقة خلال الفضاء أو الوسط المحيط.
أنواعه:
ينقسم الإشعاع إلى نوعين إثنين:
1- الإشعاع الجسيمي
هو عبارة عن الإشعاع الذي تنتقل الطاقة فيه بواسطة الجسيمات الذرية.
2- الإشعاع الموجي
هو عبارة عن الإشعاع الذي تنتقل الطاقة فيه عن طريق تردد الموجات الكهرومغناطيسية.
4.1. الإشعاع النووي
هو عبارة عن إشعاع جسيمي أو موجي ينتج أثناء الإنحلال التلقائي للنواة غير المستقرة.
وهناك ثلاثة أنواع للإنحلال الإشعاعي (الإشعاع النووي) هي:
أ.أشعة ألفا α Alpha ray
من خصائص أشعة ألفا ما يلي:
* أشعة ألفا عبارة عن نواة ذرة الهيليوم كتلتها تساوي 4 وحدة كتلة ذرية (a.m.u.) وهي تحتوي على 2 بروتون و 2 نيوترون وتحمل شحنة تساوي +2 .
* تسير ببطء (سرعتها تساوي عشر(1/10) سرعة الضوء).
* لها قدرة كبيرة على تأيين ذرات الوسط الذي تسير فيه ( حيث يمكنها تكوين عشرات الألوف من الأيونات في السنتيمتر الواحد).
* مدى أشعة ألفا في الهواء قصير يصل إلى بضع سنتيمترات ( من 3-5 سم).
* يمكن إيقاف أشعة ألفا بواسطة ورقة أو رقائق الومينيوم سمكها 1/1000 من البوصة.
* أثناء مرور دقائق ألفا بالمادة فإنها تحدث تصادمات غير مرنة مع إلكترونات جزيئات المادة مسببة الإثارة والتأين لذرات تلك المادة.
* تأخذ دقائق ألفا مسارا مستقيما وتفقد جزء قليل من طاقتها بفعل تلك التصادمات.
* جميع دقائق ألفا لها نفس المدى من الطاقة وتتراوح طاقتها بين 4-9 مليون إلكترون فولت وذلك لأن دقائق ألفا الصادرة من العنصر الواحد لها نفس الطاقة.
ب. أشعة بيتا β Beta ray
من خصائصها ما يلي:
*أشعة بيتا عبارة عن الكترون ذو شحنة سالبة ينبعث من النواة غير المستقرة نتيجة لتحول النيوترونات إلى بروتونات.
* تسيربسرعة تساوي تقريبا سرعة الضوء.
* تنبعث دقائق بيتا بطاقات مختلفة تأخذ قيما تتراوح بين الصفر إلى أعلى قيمة لها وتعتبر سرعتها صفة خاصة للعنصر المشع.
* تفقد دقائق بيتا معظم طاقتها عند مرورها من خلال المادة نتيجة التصادمات غير المرنة من إلكترونات تلك المادة، ونتيجة لذلك يكون مسار دقائق بيتا أكبر بكثير من مدى (مسار) إختراق دقائق ألفا لهذه المادة.
* يختلف مدى أشعة بيتا في الهواء حسب طاقتها، حيث يبدأ من بضعة سنتيمترات إلى متر تقريبا.
* يمكن إيقاف أشعة بيتا تماما بواسطة ورق سميك أو لوح من الزجاج أو من المعدن.
* يعتمد إمتصاص أشعة بيتا على طاقتها.
* لها قدرة على تأيين الهواء ولكنها أقل بكثير من قدرة أشعة (جسيمات) ألفا على تأيين الهواء وذلك لصغر وزنها الذي يتراوح (1/1838 a.m.u.) من ذرة الهيدروجين وشحنتها تساوي الوحدة.
ج. أشعة جاما γ Gamma ray
من خصائصها ما يلي:
*هي عبارة عن موجات كهرومغناطيسية ذات أصل نووي تشبه أشعة الضوء المرئي وموجات الراديو والأشعة السينية.
* طولها الموجي قصير جدا يتراوح ( من 0.0003 إلى 0.03 نانوميتر) وهو يعادل وحدة الطاقة ( من 40 Kev كيلو الكترون فولت إلى 4.0Mev مليون الكترون فولت).
* تنبعث أشعة جاما من المادة المشعة بشكل إشعاع أحادي الطاقة أو عدد قليل من طاقات منفردة مثل نظير (_^60)Co
حيث يعطي نوعين من أشعة (طاقة) جاما γ وهي ذات الطاقة 1.332 و 1.173 مليون الكترون فولت.
* تفقد أشعة جاما معظم طاقتها خلال تداخل واحد مع المادة على عكس أشعة ألفا وبيتا اللتان تفقدان طاقتهما بصورة تدريجية.
* يمتص جزء من أشعة جاما الساقطة على المادة المحيطة إمتصاصا كاملا، أما الجزء العابر غير الممتص فيحتفظ بطاقته الابتدائية كاملة، فإذا كان I يمثل عدد فوتونات γ النافذة خلال المادة الممتصة ذات السمك x وكان ₀I يمثل عدد الفوتونات الساقطة و µ معامل الإمتصاص الكلي فإن المعادلة التي يمكن من خلالها معرفة عدد الفوتونات غير الممتصة من قبل المادة والتي تساوي (قانون بيير للإمتصاص):
I = I₀ eµx
وبما أن عدد الفوتونات يمثل النشاط الإشعاعي A فإن:
A = A₀ e-µx
وليس لأشعة جاما مدى إختراق معروف في المادة المحيطة، وتستعمل قيمة السمك النصفي (Half Thickness Value) للتعبير عن ربط عدد الفوتونات مع سمك المادة الممتصة.
ويعرف السمك النصفي: بأنه سمك المادة الممتصة اللازم لإختزال شدة جاما (عدد الفوتونات النافذة) إلى النصف، ويمكن حسابه من المعادلة السابقة، إذا كانت قيمة معامل الإمتصاص الكلي كما يلي:
ln I/I₀ = -µx
ln (I₀/2)/I₀ = -µx1/2 = ln (1/2)
X1/2 = ln 2/µ = 0.693/µ
مسألة:
ما هو سمك الرصاص اللازم لتقليل شدة الإشعاع من 160 بيكريل إلى 10 بيكريل إذا علمت أن السمك النصفي للرصاص يساوي 125 سم؟
العناصر المشعة
تعريف العنصر المشع:
يعرف العنصر المشع بأنه عنصر يحتوي على نواة غير مستقرة تضمحل بإنبعاث جسيمات نووية (ألفا – بيتا – جاما) لتصل إلى حالة الإستقرار.
يوجد نوعان من العناصر المشعة:
أ-عناصر مشعة طبيعية: وهي التي توجد في الطبيعة.
ب-عناصر مشعة صناعية: وهي التي تصنع بواسطة قذف العناصر الثابتة بواسطة إحدى القواذف ألفا أو البروتون أو النيوترون.
وتنقسم العناصر المشعة الطبيعية إلى قسمين تبعا لمصدرهما إلى:
1-عناصر مشعة طبيعية كونية:
تتكون هذه العناصر نتيجة لتفاعل الأشعة الكونية (الأشعة الناتجة من الكواكب والشمس) بالمواد الموجودة في الفضاء، وينتج عن ذلك مواد مشعة مثل:3H, 14C, 7Be, 22Na,32P, 35S ومعظمها من العناصر الخفيفة، وتنتشر هذه العناصر على سطح الأرض. ومن الأمثلة على هذه التفاعلات:
(_ 1^1)H + (_ 1^1)H (_ 1^2)H + β+ + γ
γ + (_ 2^3)He (_ 1^1)H + (_ 1^2)H
(_ 1^1)H 2 + (_ 2^4)He + (_ 2^3)He (_ 2^3)He
+ n (_ 4^6)Li (_ 2^3)He + (_ 2^4)He
+ γ (_ 5^7)Be (_ 1^1)H + (_ 4^6)Li
γ + (_ 4^7)Li e- + (_ 5^7)Be
γ+ (_6^12)C 3 (_2^4)He
γ + (_8^16)O (_2^4)He + (_6^12)C
γ + (_10^20)Ne (_2^4)He (_8^16)O +
γ + (_12^24)Mg (_2^4)He + (_10^20)Ne
γ + (_14^28)Si (_2^4)He + (_12^24)Mg
من التفاعلات السابقة نستنتج أن العناصر الخفيفة ذات الوزن الذري يقبل القسمة على أربعة تكون متوفرة في الطبيعة
2-عناصر مشعة طبيعية أرضية:
توجد هذه العناصر في القشرة الأرضية وتشمل كل المواد التي تحمل عدد ذري أكبر من 83، وتنتمي هذه المواد إلى السلاسل طويلة العمر ومن أهم هذه السلاسل سلسلة اليورانيوم 238 وسلسلة الثوريوم 232، بالإضافة إلى البوتاسيوم 40 الذي يوجد في القشرة الأرضيةبنسبة 0.0117% من البوتاسيوم المستقر 39K .
سلسلة اليورانيوم 238 :
α β β α
(_92^238)U (_90^234)Th (_91^234)Pa (_92^234)U (_90^230)Th
2.45x105y 6.75h 24.1d 4.468109y
α
α α 𝛂
(_90^230)Th (_88^226)Ra (_86^222)Rn (_84^218)Po (_82^214)Pb
3.05 m 2.8235 d 1.6x103 d 1.6x103 y 8x104 y
β α β β
(_82^214)Pb (_83^214)Bi (_84^214)Po (_82^210)Pb (_83^210)Bi
22.3 y 164 Ms 19.7 m 26.8 m
α β
(_83^210)Bi (_84^210)Po (_82^206)Pb
138.38 d 5.01 d
وتبدأ هذه السلسلة بعنصر اليورانيوم 238 وتنتهي بعنصر الرصاص 206 الثابت ويتخللها غاز الرادون 22286Rn .
سلسلة الثوريوم 232:
α β β α
(_90^232)Th (_88^228)Ra (_89^228)Ac (_90^228)Th (_88^224)Ra
1.931 y 6.13 h 5.76 y 1.41x1010 y
β α α α
(_88^224)Ra (_86^220)Rn (_84^216)Po (_82^212)Pb (_83^212)Bi
10.64 h 0.15 s 55.6 s 3.66 d
α β
(_ 83^212)Bi (_84^212)Po (_82^208)Pb
45s 25m
وتبدأ هذه السلسلة بالثوريوم 232 وتنتهي بالرصاص 208 ، ويتخللها غاز الرادون 220 ويسمى في هذه السلسلة بغاز الثورون للتفرقة بينه وبين غاز الرادون في سلسلة اليورانيوم.
ج- سلسلة البوتاسيوم 40 :
β β
(_18^40)Ar (_19^40)K (_20^40)Ca
1.28x109 y E.C.
وحيث أن جسم الإنسان يحتوي على نسبة كبيرة من البوتاسيوم المستقر 39K تساوي تقريبا 2.5 كجم فإن عنصر 40K يوجد في جسم الإنسان والحيوان والنبات، وله أهمية كبيرة في تشغيل بعض أجهزة جسم الإنسان مثل القلب، فيعتبر 40K البطارية التي تقوم بتشغيل القلب.
العناصر المشعة المصنعة:
لقد تم في السنوات القليلة الماضية صنع مئات العناصر المشعة وذلك بواسطة قذف عناصر غير مشعة بواسطة قذائف مختلفة مثل: النيوترون أو البروتون لتتحول إلى عنصر مشع يستخدم في أغراض مختلفة مثل الطب والصناعة والزراعة وفي الحروب. ومن أمثلة ذلك عناصر تستخدم في الطب مثل:
67Ga, 201Th, 123I, 111In, 81Ru, 15N, 18F, 134Cs, 95Te
الجاليوم-67 ، الثاليوم-201 ، اليود-123 ، الإنديوم-111 ، الروبيديوم-81 ، النيتروجين-15 ، الفلور-18 ، السيزيوم-134 .
ومن أمثلة العناصر التي تستخدم في الصناعة:
لمعرفة المستوى 60Co , 134Cs وفي التصوير 124Sb ، وفي أبحاث الأدوية3H , 14C وفي إختبار اللحامات(الإختبارات اللا إتلافية) 192Ir .
6.1. خواص العناصر المشعة
لكي ندرس خواص العناصر المشعة يجب أن نعرف أولا تركيب الذرة والنواة.
الذرة والنواة The Atom and Nucleus
الذرة هي الوحدة الساسية التي تكون المادة. وقد ظلت محاولة معرفة تركيبها التحدي الأكبر الذي واجه العديد من العلماء في العصور القديمة حتى أوائل القرن العشرين حين وضعت النظرية الذرية الحديثة، ولا شك أنك على دراية مستفيضة بها من خلال دراستك في السنين الماضية.
تتكون الذرة (حسب التصور الحديث) من منطقتين أساسيتين هما: المركز المتناهي الصغر الذي تتركز فيه الشحنات الموجبة، وهذه المنطقة لا يتجاوز نصف قطرها 10-15 متر، وهي ما يطلق عليها النواة، ويحيط بهذه النواة فراغ هائل تسير فيه الإلكترونات ذات الشحنة السالبة ليكون نصف القطر الذري مساويا 10-10متر.
إذا الذرة :The Atom تتكون من جسيم صغير يسمى النواة ويحيط بالنواة جسيمات صغيرة تسمى الإلكترونات تدور حولها في مدارات معينة.
أما النواة The Nucleus : فيها تتمركز كتلة الذرة ويبلغ نصف قطرها حوالي 10-13 سم، في حين يصل نصف قطر الذرة حوالي 10-8 سم. والنواة بدورها تتركب من نوعين من الجسيمات المتناهية الصغر تعرف بالبروتونات والنيوترونات، ويعود تعادل الذرة إلى تساوي عدد البروتونات مع عدد الإلكترونات وإختلافهما في الشحنة.
من المفيد تحديد المفاهيم الأولية الآتية في التركيب الذري والنووي:
البروتونات :The Proton
البروتون عبارة عن جسيم صغير تبلغ كتلته 1.67x10-24 جم وهو أكبر من الإلكترون بحوالي 1839 مرة وحمل شحنة كهربائية مساوية لشحنة الإلكترون ولكنها موجبة.
النيوترونات The Neutron :
النيوترون عبارة عن جسيم صغير متعادل الشحنة مساوي تقريبا للبروتون في الكتلة وغالبا يعتبر النيوترون عبارة عن إتحاد بروتون وإلكترون.
النيوكليونات The Nucleun: هو إسم يطلق على الجسيمات النووية، أي البروتونات والنيوترونات ومجموع عددها هو عدد الكتلة إذن فهو مسمى مشترك لكل من البروتون والنيوترون
العددالذري The Atomic Number (Z) : هو عدد البروتونات ويساوي عدد الإلكترونات للذرة المتعادلة ويرمز له بالرمز Z ويعين العدد الذري الخصائص الكيميائية للذرة وبالتالي يحدد العنصر.
عدد الكتلة (A) The Mass Number: هو مجموع أعداد البروتونات والنيوترونات المكونة لنواة أي عنصر وهو عدد صحيح ويرمز له بالرمز A.
النظائر Isotopes: هي أشكال مختلفة من ذرات العنصر نفسه يكون لها نفس العدد من البروتونات (العدد الذري) ولكنها تختلف في عدد (عدد النيوترونات). ومن أمثلتها:
نظائر الهيدروجين وهي : : (_1^3)H, (_1^2)H, , (_1^1)H
نظائر الصوديوم وهي (_11^22)Na, (_11^23)Na , (_11^24)Na :
نظائر الكلور وهي : (_17^38)Cl (_17^35)Cl,(_17^36)Cl,(_17^37)Cl, , (_17^34)Cl
نظائر اليورانيوم وهي : (_92^238)U, (_92^235)U, (_92^234)U, (_92^233)U,
الترميز النووي : يقصد به طريقة كتابة العناصر بطريقة توضح العدد الذري وعدد الكتلة والطريقة كما هو موضح أعلاه تتم بكتابة عدد الكتلة إلى أعلى يسار رمز العنصر ويكتب العدد الذري أسفل يسار رمز العنصر كما يلي:
(_Z^A)X
ويمكن أن يشمل الترميز النووي عدد النيوترونات وهذه تكتب أسفل يمين رمز العنصر (أنظري المثال في حالة الأيزوترونات).
الأيزوبارات Isobars : هي عناصر مختلفة لها نفس عدد الكتلة ولكنها تختلف في العدد الذري أي في عدد البروتونات. ومن أمثلتها:
(_20^40)Ca , (_19^40)K وكذلك , (_7^14)N (_6^14)C
ويطلق اسم أنوية المرآة على زوج الأيزوبارات التي تختلف في قيم N و Z بمقدار الوحدة كما في الأمثلة الآتية:
(_11^23)Na12 , (_12^23)Mg11 وكذلك (_7^13)N6, (_6^13)C7
الأيزوتونات Isotones : وهي عناصر مختلفة لها نفس عدد النيترونات. ومن أمثلتها:
(_11^23)Na12 , (_12^24)Mg12 وكذلك , (_40^85)Zr45 45 (_38^83)Sr
الأيزومرات Isomers : وهي أنوية لها نفس العدد الذري وعدد الكتلة ( أي أن لها نفس العدد من النيترونات أيضا) ولكنها تختلف في مفدار الطاقة الداخلية التي تحملها أو بعبارة أخرى أنها تشغل مستويات طاقة مختلفة. وبذلك فإن النواة التي تشغ مستوى الطاقة الأعلى هي النواة غير المستقرة. وفي ترميزها النووي يضاف الحرف الصغير m بجانب عدد الكتلة إلى جهة اليمين. ومن أمثلتها:
(_27^60m)Co33, (_27^60)Co
تمرين : اكتبي الترميز النووي المناسب لما يأتي:
نواة تحتوي على 12 بروتون و 13 نيوترون.
نواة تحتوي على 44 بروتون و 62 نيوترون.
ذرة ألومنيوم تحتوي على 27 نيوكليون.
وحدة الكتلة الذرية :Atomic Mass Unit (a.m.u.)
تستخدم لقياس كتل الأنوية وتساوي كتلة ذرة الهيدروجين، وهي تساوي 1/12 من كتلة ذرة الكربون.
بما أن الوزن الذري للهيدروجين يساوي واحد وبما أن الوزن الذري للعنصر يحتوي على عدد أفوجادرو من الذرات إذا:
1 gram contain 6.203x1023 atom
إذا وزن ذرة الهيدروجين = 1/6.203x1023
= 1.661x10-24 g = a.m.u.
وحدة الطاقة الذرية Electron Volt (ev): وهي تستخدم لقياس الطاقة.
1 ev = 1.6x10-19 Joul
Kilo ev (Kev) = 103 ev = 1.6x10-16 Joul
Million ev (Mev) = 106 ev = 1.6x10-13 Joul
وحيث أن الطاقة = الوزن x سرعة الضوء أي :E = m x C2
1 a.m.u. = 931 Mev
Ev = 1.6x10-19 Joul = 1.6x10-12 erg.
E = m (1.6x10-21 kg.) x (3x108)2 m/sec. = 15.03x105 erg.
1.2. إستقرار النواة
يوجد في أنوية العناصر الخفيفة الثابتة عدد متساوي تقريبا من البروتونات والنيوترونات، إلا أنه بإزدياد كتلة العنصر تزداد نسبة النيوترونات إلى البروتونات، وتظهر هذه الحقائق في الشكل (2) الذي يوضح العلاقة بين عدد النيوترونات وعدد البروتونات لعدد من النظائر.
1): حزام الثبات الذي يوضح العلاقة بين عدد النيوترونات والبروتونات.
نلاحظ أن الإنحراف عن نسبة 1:1 يصبح واضحا عند عدد ذري من 20- 25 فأكثر، وفي هذا الشكل فإن النقط الواقعة على المنطقة المتعرجة أو حزام الثبات، تمثل نظائر ثابتة، أما النقط التي تقع خارج هذه المنطقة فتمثل عناصر مشعة، فإذا كانت نسبة N\Z للنواة عالية جدا يقال أنها غنية بالنيوترونات، لذلك يجب أن تمر بإنحلال النشاط الإشعاعي بالأسلوب الذي تقلل فيه نسبة النيوترونات إلى البروتونات لتصل إلى قيمة قريبة جدا من قيمة الإستقرار (N/Z = 1) في هذه الحالة يجب على النواة أن تقلل من N وتزيد من قيمة Z ، إذ يمكن عمل ذلك بتحويل النيوترونات إلى بروتونات وذلك بإنبعاث جسيمات بيتا السالبة. أما إذا كانت N/Z قليلة جدا للإستقرارحدث إنحلال للنشاط الإشعاعي الذي يقلل من قيمة Z ويزيد من قيمة N بتحويل البروتونات إلى نيوترونات وذلك بإنبعاث بوزيترون B+ أو إمتصاص النواة للإلكترون المداري (E.C.) حجز الإلكترون. ونلاحظ أنه بعد البزموث تكون جميع الأنوية غير مستقرة تجاه إنحلال النشاط الإشعاعي بإنبعاث جسيمات ألفا في حين أن يكون بعضها غير مستقر أيضا تجاه إنحلال بيتا.
أي يمكن تقسيم المنحنى إلى ثلاث مناطق:
1- الأنوية التي لها Z = 20 هنا تكون النسبة N/Z للأنوية المستقرة مساوية للقيمة 1 أو 1.1 .
2- الأنوية التي لها Z = 20-83 تزداد النسبة N/Z للأنوية المستقرة لتصل للقيمة 1.5 أي أننا في هذه الحالة نحتاج إلى عدد أكبر من النيوترونات لزيادة القوى النووية الجذبة حتى تتغلب على قوى التنافر الكولومية التي تنشأ بين العدد الكبير من البروتونات.
3-الأنوية التي لها Z > 83 هنا تزداد قوى التنافر الكولومية بين البروتونات بحيث يستحيل الحصول على أنوية ثابتة للعناصر ذات العدد الأكبر من 83 .
الخواص الدورية للأنوية( الأعداد السحرية):
كما هو معروف فإن الخواص الكيميائية للعناصر تتكرر دوريا بعد الأعداد الذرية 2، 10، 18، 36، 54، 86. وعلى هذا الأساس تم وضع الجدول الدوري للعناصر. وبشكل مشابه فقد لوحظ أن خواص الأنوية تتكرر بصورة دورية وتنتهي كل دورة عند الأعداد 2، 8، 20، 50، 82، 126 من النيوترونات أو البروتونات وهي الأعداد التي يطلق عليها الأعداد السحرية Magic Numbers .
وقد فسرت هذه المشاهدة على أساس أنه كما تعمل الإلكترونات في الذرات على الإزدواج لتكوين روابط مستقرة كذلك فإن النيوكلونات ذات نفس النوع (بروتون – بروتون أو نيوترون – نيوترون) تعمل على الإزدواج لتزيد من ثبات النواة، وهناك من الدلائل ما يدعم هذا الافتراض:
1- أن الأنوية ذات الأعداد الزوجية من البروتونات والنيوترونات هي أكثر ثباتا من غيرها 201 نواة من أصل 336
2- دائما ما تنتهي سلاسل الإشعاع عند عنصر يحمل رقما سحريا هو غالبا الرصاص للسلاسل الطبيعية حيث العدد الذري له 82 أو البزموث الذي عدد الكتلة له 126 في حالة سلسلة النبتونيوم وكلاهما رقم سحري.
3- بالنسبة لعنصر القصدير الذي عدده الذري 50 وهو رقم سحري فإن هناك 10 نظائر مستقرة وهذا رقم كبير على غير العادة، وبالمثل عنصر الكالسيوم الذي عدده الذري يساوي 20 له ستة نظائر مستقرة.
4- أن أكثر العناصر وجودا في الطبيعة سواء في القشرة الأرضية أو حتى الوجود الكوني هي العناصر الآتية:
168O8, 2814Si14, 11850Sn68, 8838Sr50, 8939Y50, 9040Zr50, 13856Ba82, 13957La82, 14057Ce82,20882Pb126
وهذه العناصر كما هو واضح تحتوي على أعداد سحرية.
5- إنبعاث نيوترونات من أنوية تحم رقما سحريا يوضح أن لهذه الأنوية ثباتا غير عادي، فمن المعلوم أن الطاقة اللازمة لنزع نيوترون تساوي في المتوسط ما بين 7-8 مليون الكترون فولت، ولكن من الملاحظ في تفاعلات الإنشطار النووي أنه عندما تتكون أنوية مثل: 89Sr51 أو 137Xe83 في نواتج الإنشطار وهي أنوية كما هو ملاحظ تحمل عدد من النيوترونات أكبر من الرقم السحري بوحدة واحدة فإن مثل هذه الأنوية تتحلل تلقائيا عن طريق إشعاع نيوترون وبطاقة صغيرة لا تقارن بالقيمة المتوسطة.
6- الطاقة اللازمة لنزع نيوترون من أنوية نظائر الرصاص لها قيم تؤكد صحة فرضية ثبات الأنوية التي تحمل رقما سحريا، يوضح الجدول (2) أن أقل طاقة هي تلك الخاصة بالنظير 209 وهي لنزع النيوترون رقم 127، حيث أن هذا البروتون سيؤدي إلى تكون النظير 208 الذي يمتلك رقما سحريا في عدد البروتونات 82 وعدد النيوترونات 126 .
جدول (2): الطاقة اللازمة لنزع نيوترون واحد من نظائر الرصاص المختلفة.
النظير N الطاقة(مليون إلكترون فولت)
20582Pb 123 6.64
20682Pb 124 8.16
20782Pb 125 6.73
20882Pb 126 7.38
20982Pb 127 3.87
21082Pb 128 5.23
21182Pb 129 3.77
2.2. طاقة الربط للنواة
تتعرض البروتونات الموجبة الشحنة داخل النواة إلى قوى تنافر تتناسب عكسيا مع مربع المسافة بين هذه البروتونات. وبما أن المسافة بين البروتونات صغيرة جدا فإنه من المتوقع أن تتحرر من النواة وبالتالي تتفكك النواة ولكن هذا لا يحدث. وعدم حدوثه يعني أن هناك قوة أخرى جاذبة أقوى من قوة التنافر المذكورة وتعرف بالقوة النووية التي تؤثر على مكونات النواة(النيوكلونات).
ولقد تبين من دراسة تركيب النواة والتفاعلات النووية وقياس الأوزان الذرية بإستخدام مطياف الكتلة أن الأوزان الذرية للعناصر أقل من مجموع أوزان مكونات النواة.
النقص في الوزن = Mass Deffect = ΔM
ΔM = Z Proton Mass + (A-Z) Neutron Mass + Z Electron Mass – MA2
حيث أن MA2 هو الوزن الحقيقي للذرة.
Z Proton Mass + Z Electron Mass = Z Hydrogen Mass
وزن البروتون + وزن الإلكترون = وزن ذرة الهيدروجين
إذا:
ΔM = Z Hydrogen Mass + (A-Z) Neutron Mass – MA2
وحسب قانون بقاء المادة الذي ينص على : المادة لا تفنى ولا تستحدث من عدم ، فإن هذا النقص في الوزن يتحول إلى طاقة وهذه الطاقة تستخدم في ربط الجسيمات الموجودة في النواة بعضها ببعض، وتعرف بطاقة الربط، ولتفكيك النواة إلى مكوناتها نحتاج إلى نفس هذا القدر من الطاقة وهذه تشبه حرارة التكوين في الكيمياء الحرارية.
3.2. العلاقة بين الكتلة والطاقة
يستخدم علم الكيمياء النووية وحدة دولية لقياس الطاقة هي وحدة الإلكترون فولت ev ، وترتبط هذه الوحدة بوحدة الطاقة النظامية الجول بالعلاقة الآتية:
1 ev = 1.6x10-19 Joule
مقدار الطاقة هذا صغير جدا لذلك غالبا ما تستخدم مضاعفات هذه الوحدة وهي:
كيلو إلكترون فولت (Kev) = 103 إلكترون فولت.
ميجا (مليون) إلكترون فولت (Mev) = 106 إلكترون فولت.
جيجا (بليون) إلكترون فولت (Gev) = 199 إلكترون فولت.
في عام 1904 م توصل أينشتاين Einstein إلى علاقة تربط الطاقة والكتلة وإستنتج فيها أن كتلة الجسيم في الواقع هي مقياس لما يحتويه من طاقة. فإذا فقد الجسم بعضا من طاقته نقصت كتلته بكمية تتناسب مع هذا النقص تبعا للمعادلة:
E = m x C2
هذه العلاقة تنطبق على جميع أنواع الطاقة وليس على طاقة الحركة فقط، مما يعني أننا نستطيع أن نستخدمها لحساب الطاقة المتولدة في التفاعلات النووية، حيث لوحظ أن أي تفاعل تحلل نووي يكون مصحوبا بنقص في كتلة الأنوية الأم مقارنة بكتل الأنوية الوليدة، وهذا ما يجعل العلاقة السابقة كالآتي:
ΔE = Δm₀ C2
حيث أن Δm₀ هي التغير في الكتلة الساكنة، C هي سرعة الضوء و ΔE هي كمية الطاقة النطلقة بعد حدوث التحلل . ولما كانت سرعة الضوء كبيرة وتساوي 3x1010 سم/ ثانية فإن مقدارا ضئيلا من المادة يتحول إلى قدر هائل من الطاقة.
حيث أوضح أينشتاين في النظرية النسبية أن كتلة الجسم تتغير بتغير سرعته وعندما تصل سرعة الجسم إلى سرعة الضوء فإن الكتلة يجب أن تؤول إلى الصفر.
ويمكن حساب الطاقة المصاحبة لوحدة الكتلة في الذرة والتي تساوي 1.66x10-24 جم بأنها تساوي =
(1.6x10-12) / ((3x1010) x (1.66x10-24)) = 931 مليون إلكترون فولت (Mev) .
نلاحظ أن الطاقة المنطلقة (المكافئة) لتغير صغير في الكتلة تكون كبيرة جدا ولا يمكن قياسه بأي نوع من الزوازين، لذلك تهمل معادلة آينشتاين في التفاعلات الكيميائية ولكن تتضح أهميتها في الكيمياء النووية.
وتقاس أوزان الذرات أو النوى منسوبة إلى وزن نظير الكربون 12 ، حيث تعتبر كتلة هذا النظير مساوية 12.000 وحدة كتلة ذرية، وهي تكافئ 1.66x10-24 جم. ومن المتبع في التفاعلات النووية إستخدام وحدات الإلكترون فولت (ev) أو المليون إلكترون فولت (Mev) كوحدات لقياس الطاقة وتحسب الطاقة لكل ذرة بدلا من المول في التفاعلات الكيميائية.
ويعرف الإلكترون فولت بأنه كمية الطاقة التي يكتسبها الإلكترون إذا تحرك تحت تأثير فرق جهد يساوي 1 فولت، وحيث أن شحنة الإلكترون = 4.8029x10-10 وحدة كهروستاتيكية وأن الفولت = 1/300 وحدة كهروستاتيكية.
إذا الإلكترون فولت = 106 مليون إلكترون فولت.
ولقد تم حساب متوسط طاقة الربط لكل نيوكلون للعناصر المختلفة وإستخدامها كمقياس متناسب لمدى الإستقرار النووي.
متوسط طاقة الربط لكل نيوكلون = طاقة الربط الكلية / العدد الوزني ΔE / A
ويوضح الشكل (2) العلاقة بين طاقة الربط لكل نيوكلون والعدد الوزني للعناصر المختلفة. حيث يوضح المنحنى أن طاقة الربط للنواة الخفيفة 2H صغيرة جدا وهذا يدل على عدم إستقرار هذه الأنوية. وتزداد قيمة ΔE/A إلى أن تصل قيمة عالية حوالي 8.8 مليون إلكترون فولت عند النويدات ذات وزن ذري 50 وبعدها تقل قيمة طاقة الربط كلما زاد الوزن الذري لتصل إلى 7.6 لليورانيوم (نواة غير مستقرة).
منحنى طاقة الربط لكل نيوكليون للأنوية المستقرة كدالة لعدد الكتلة A.
ومن المنحنى نجد أيضا أن طاقة الربط للأنوية التالية: 16O, 12C, 4He أعلى من العناصر التي تجاورها وذلك لأنها أنوية مستقرة. وعلى ذلك فإن طاقة الربط لكل نيوكلون تعطي معلومات عن درجة ثبات النواة.
ويستنتج من ذلك أنه لو دمجت نواتا ذرتين خفيفتين فإن النواة الناتجة تكون أكثر إستقرارا إلا أنه يفقد مقدار من الكتلة (نتيجة لعملية الدمج هذه) رغم أن
لنواة الجديدة تشمل مجموع محتويات النواتين، ويتحول المقدار المفقود من الكتلة إلى طاقة منتشرة وهذا ما يحدث في عملية الإندماج النووي Nuclear Fusion مثل:
73Li + 11H 2 42He + Energy
21H + 31H 42He + P + 18.35 Mev
كذلك يصحب إنشطار نواة ذات كتلة كبيرة إلى نواتين أو أكثر وتسمى هذه العملية بالإنشطار النووي Nuclear Fission .
مسائل:
1- إحسبي طاقة الربط للهيليوم 42He علما بأن:
وزن ذرة الهيليوم = 4.002604 mu
وزن البروتون = 1.007276 mu
وزن النيوترون= 1.008665 mu
وزن الألكترون=0.00054858 mu
2- إحسبي طاقة الربط للألومنيوم 2713Al علما بأن وزن نظير الألومنيوم = 26.981539 mu
3-إحسبي طاقة الربط لكل نيوكلون لكل من 8236K و 6430Zn علما بأن وزن كل منهما يساوي 81.9384 mu و 63.9488 mu
بعد أن قدم راذرفورد تجربته الشهيرة لدراسة تأثير دقائق ألفا على صفائح المعادن، كان من أهم الاستنتاجات التي وضعها هي: أن الجسيمات موجبة الشحنة تتجمع في جزء صغير من الذرة وهو النواة، وفيها أيضا تتجمع كتلة الذرة أي أن تجربته وضعت التصور الأول للنموذج النووي لتركيب الذرة، حيث كانت هذه التجربة خطوة مهمة في تطوير هذا العلم.
جدول (1): مقارنة بين كمية الطاقة المتحلررة من التفاعلات النووية والتفاعلات الكيميائية.
كمية الطاقة المتحررة
(eV/molecule) نوعه المعادلة التفاعل
4.1 كيميائي C(s) + O2(g) CO2(g)
احتراق الكربون
9.2 كيميائي C7H5(NO2)3 explosion products
TNT(1) انفجار مادة
2.5x106 نووي 60Co Ni + β + energy
Co انحلال بيتا لـ
200x106 نووي 235U + 1n fission products+ energy
الإنشطار النووي
(1)ثلاثي نيترو طولوين Trinitro toulwene
اكتشف العالم الفرنسي هنري بيكريل H. Becquerel عام 1895م أن أملاح اليورانيوم تبعث غشعاعات تؤثر على الألواح الفوتوغرافية المغلفة، وقد ظن في البداية أنها هي نفسها الإشعاعات التي اكتشفها العالم الألماني روتنجن Rotingen والتي سميت الشعة السينية x-rays ولكنه لاحظ أن الإشعاعات التي تنطلق من أملاح اليورانيوم ذات قدرة عالية على الاختراق ( تفوق قدرة الأشعة السينية) وأن هذه الظاهرة تحدث تلقائيا دون وجود مثير أو مستحث (مؤثر) خارجي مثل: (ضوء الشمس مثلا)، كما أكد أن اشعاعات مشابهة تصدر من جميع املاح اليورانيوم بغض النظر عن التركيب الكيميائي للملح وأن مركبات الثوريوم تعطي ظاهرة مشابهة.
وفي عام 1889م بدأ الزوجان بيير وماري كوري Pierre and Marie Curie أبحاثهما في هذا المجال، والتي مبنية على أساس ملاحظة أن بعض الخامات الطبيعية لليورانيوم ( مثل البتشبلند) لها خواص إشعاعية أقوى من اليورانيوم النقي نفسه. وقد استنتجا من هذه الحقيقة أن هذه الخامات ربما تحتوي على عناصر أخرى غير اليورانيوم لها خاصية الإشعاع. حيث عملا جهود مضنية لإستخلاص الكمبات الضئيلة الموجودة في خام البتشبلند من عنصري البولونيوم 84Po والراديوم Ra88 وهما عنصران ذوي قدرة كبيرة على الإشعاع تفوق قدرة اليورانيوم، ومن هنا كانت الخاصية اإشعاعية القوية للبتشبلند وهي خامة سوداء اللون تحتوي على أكسيد اليورانيوم U3O8 بنسبة 75%.
وكان من أهم أعمال ماري كوري فصلها لمقدار 100 ملليجرام من كلوريد الراديوم بصورة نقية ( حسب أحدث ما توصلت إليه القياسات الطيفية في ذلك الوقت)، وعينت الوزن الذري له بقيمة 226.5 ( بفارق 0.2 عن القيمة المعينة في الوقت الحاضر) كما أستطاعت أن تحضر أول عينة نقية من فلز الراديوم من التحليل الكهربي لمصهور ملحه.
وفي الأعوام التي تلت عام 1909م، قدم راذرفورد Rutherford E. مساهمات مهمة في هذا المجال حين استخدم الطرق الطيفية لتعيين طبيعة الجسيمات ألفا وأكد أنها عبارة عن أنبوبة الهيليوم وأن جسيمات بيتا تتصرف على نحو مماثل لجسيمات أشعة المهبط التي عرفها طومسون Tohmson بأنها عبارة عن إلكترونات أو جسيمات تحمل شحنة سالبة في الذرات، والتي تتشابه في طبيعتها في جميع الذ رات.
وبين العامين 1911م و 1913م قدم العلمان فاجان وسودي K.Fajan and F. Soody أوراقهما البحثية الخاصة بدراسة عمليات الإنحلال الإشعاعي لعنصري اليورانيوم والثوريوم حيث أوضحا فيها أن عملية الانحلال تتضمن تحولا في النواة يؤدي إلى تكوين عنصر جديد من العنصر المنحل. وأن الانحلال بفقد جسيمات ألفا يؤدي إلى تناقص في العدد الذري بمقدار وحدتين، بينما يؤدي انحلال بيتا إلى زيادة في العدد الذري بمقدار وحدة واحدة.
وقد شهد العام 1932م حدثا مهما تمثل في اكتشاف جادويك J. Chadwick لوجود النيوترون الذي انطلق من نواة البريليوم بعد قذفها بجسيمات ألفا ذات الطاقة العالية جدا، في تفاعل من النوع:
(_^9)Be(α,n)12C
وكان لاكتشاف النيترون دور هام في تطوير امكانيات اجراء تفاعلات نووية عديدة، لأنه جسيم غير مشحون وهو قادر على اختراق النواة دون الحاجة لاكسابه طاقة عالية، وقد ساهمت هذه التفاعلات النووية في فهم الكثير عن طبيعة التركيب النووي.
وفي العام 1934م أوضحت أيرين كيوري ( إبنة بيير وماري كيوري) من خلال عملها المشترك مع زوجها فريدريك كيوري I. and F. J. Curie أن قذف البورون والألومنيوم بأشعة ألفا سوف يؤدي إلى ظهور خواص إشعاعية لهما. وكان هذا كشفا هاما لإمكانية تحويل النواة لتصبح مشعة بشكل صناعي كما نتج عن تجاربهما اكتشاف جسيم البوزترون positron : وهو جسيم له خصائص تشبه خصائص الإلكترون ولكن بشحنة موجبة. وكان قد تم اكتشاف البوزترون قبل ذلك كأحد مكونات الإشعاع الكوني.
3.1. الإشعاع
تعريفه:
الإشعاع عبارة عن إنبعاث وإنتشار للطاقة خلال الفضاء أو الوسط المحيط.
أنواعه:
ينقسم الإشعاع إلى نوعين إثنين:
1- الإشعاع الجسيمي
هو عبارة عن الإشعاع الذي تنتقل الطاقة فيه بواسطة الجسيمات الذرية.
2- الإشعاع الموجي
هو عبارة عن الإشعاع الذي تنتقل الطاقة فيه عن طريق تردد الموجات الكهرومغناطيسية.
4.1. الإشعاع النووي
هو عبارة عن إشعاع جسيمي أو موجي ينتج أثناء الإنحلال التلقائي للنواة غير المستقرة.
وهناك ثلاثة أنواع للإنحلال الإشعاعي (الإشعاع النووي) هي:
أ.أشعة ألفا α Alpha ray
من خصائص أشعة ألفا ما يلي:
* أشعة ألفا عبارة عن نواة ذرة الهيليوم كتلتها تساوي 4 وحدة كتلة ذرية (a.m.u.) وهي تحتوي على 2 بروتون و 2 نيوترون وتحمل شحنة تساوي +2 .
* تسير ببطء (سرعتها تساوي عشر(1/10) سرعة الضوء).
* لها قدرة كبيرة على تأيين ذرات الوسط الذي تسير فيه ( حيث يمكنها تكوين عشرات الألوف من الأيونات في السنتيمتر الواحد).
* مدى أشعة ألفا في الهواء قصير يصل إلى بضع سنتيمترات ( من 3-5 سم).
* يمكن إيقاف أشعة ألفا بواسطة ورقة أو رقائق الومينيوم سمكها 1/1000 من البوصة.
* أثناء مرور دقائق ألفا بالمادة فإنها تحدث تصادمات غير مرنة مع إلكترونات جزيئات المادة مسببة الإثارة والتأين لذرات تلك المادة.
* تأخذ دقائق ألفا مسارا مستقيما وتفقد جزء قليل من طاقتها بفعل تلك التصادمات.
* جميع دقائق ألفا لها نفس المدى من الطاقة وتتراوح طاقتها بين 4-9 مليون إلكترون فولت وذلك لأن دقائق ألفا الصادرة من العنصر الواحد لها نفس الطاقة.
ب. أشعة بيتا β Beta ray
من خصائصها ما يلي:
*أشعة بيتا عبارة عن الكترون ذو شحنة سالبة ينبعث من النواة غير المستقرة نتيجة لتحول النيوترونات إلى بروتونات.
* تسيربسرعة تساوي تقريبا سرعة الضوء.
* تنبعث دقائق بيتا بطاقات مختلفة تأخذ قيما تتراوح بين الصفر إلى أعلى قيمة لها وتعتبر سرعتها صفة خاصة للعنصر المشع.
* تفقد دقائق بيتا معظم طاقتها عند مرورها من خلال المادة نتيجة التصادمات غير المرنة من إلكترونات تلك المادة، ونتيجة لذلك يكون مسار دقائق بيتا أكبر بكثير من مدى (مسار) إختراق دقائق ألفا لهذه المادة.
* يختلف مدى أشعة بيتا في الهواء حسب طاقتها، حيث يبدأ من بضعة سنتيمترات إلى متر تقريبا.
* يمكن إيقاف أشعة بيتا تماما بواسطة ورق سميك أو لوح من الزجاج أو من المعدن.
* يعتمد إمتصاص أشعة بيتا على طاقتها.
* لها قدرة على تأيين الهواء ولكنها أقل بكثير من قدرة أشعة (جسيمات) ألفا على تأيين الهواء وذلك لصغر وزنها الذي يتراوح (1/1838 a.m.u.) من ذرة الهيدروجين وشحنتها تساوي الوحدة.
ج. أشعة جاما γ Gamma ray
من خصائصها ما يلي:
*هي عبارة عن موجات كهرومغناطيسية ذات أصل نووي تشبه أشعة الضوء المرئي وموجات الراديو والأشعة السينية.
* طولها الموجي قصير جدا يتراوح ( من 0.0003 إلى 0.03 نانوميتر) وهو يعادل وحدة الطاقة ( من 40 Kev كيلو الكترون فولت إلى 4.0Mev مليون الكترون فولت).
* تنبعث أشعة جاما من المادة المشعة بشكل إشعاع أحادي الطاقة أو عدد قليل من طاقات منفردة مثل نظير (_^60)Co
حيث يعطي نوعين من أشعة (طاقة) جاما γ وهي ذات الطاقة 1.332 و 1.173 مليون الكترون فولت.
* تفقد أشعة جاما معظم طاقتها خلال تداخل واحد مع المادة على عكس أشعة ألفا وبيتا اللتان تفقدان طاقتهما بصورة تدريجية.
* يمتص جزء من أشعة جاما الساقطة على المادة المحيطة إمتصاصا كاملا، أما الجزء العابر غير الممتص فيحتفظ بطاقته الابتدائية كاملة، فإذا كان I يمثل عدد فوتونات γ النافذة خلال المادة الممتصة ذات السمك x وكان ₀I يمثل عدد الفوتونات الساقطة و µ معامل الإمتصاص الكلي فإن المعادلة التي يمكن من خلالها معرفة عدد الفوتونات غير الممتصة من قبل المادة والتي تساوي (قانون بيير للإمتصاص):
I = I₀ eµx
وبما أن عدد الفوتونات يمثل النشاط الإشعاعي A فإن:
A = A₀ e-µx
وليس لأشعة جاما مدى إختراق معروف في المادة المحيطة، وتستعمل قيمة السمك النصفي (Half Thickness Value) للتعبير عن ربط عدد الفوتونات مع سمك المادة الممتصة.
ويعرف السمك النصفي: بأنه سمك المادة الممتصة اللازم لإختزال شدة جاما (عدد الفوتونات النافذة) إلى النصف، ويمكن حسابه من المعادلة السابقة، إذا كانت قيمة معامل الإمتصاص الكلي كما يلي:
ln I/I₀ = -µx
ln (I₀/2)/I₀ = -µx1/2 = ln (1/2)
X1/2 = ln 2/µ = 0.693/µ
مسألة:
ما هو سمك الرصاص اللازم لتقليل شدة الإشعاع من 160 بيكريل إلى 10 بيكريل إذا علمت أن السمك النصفي للرصاص يساوي 125 سم؟
العناصر المشعة
تعريف العنصر المشع:
يعرف العنصر المشع بأنه عنصر يحتوي على نواة غير مستقرة تضمحل بإنبعاث جسيمات نووية (ألفا – بيتا – جاما) لتصل إلى حالة الإستقرار.
يوجد نوعان من العناصر المشعة:
أ-عناصر مشعة طبيعية: وهي التي توجد في الطبيعة.
ب-عناصر مشعة صناعية: وهي التي تصنع بواسطة قذف العناصر الثابتة بواسطة إحدى القواذف ألفا أو البروتون أو النيوترون.
وتنقسم العناصر المشعة الطبيعية إلى قسمين تبعا لمصدرهما إلى:
1-عناصر مشعة طبيعية كونية:
تتكون هذه العناصر نتيجة لتفاعل الأشعة الكونية (الأشعة الناتجة من الكواكب والشمس) بالمواد الموجودة في الفضاء، وينتج عن ذلك مواد مشعة مثل:3H, 14C, 7Be, 22Na,32P, 35S ومعظمها من العناصر الخفيفة، وتنتشر هذه العناصر على سطح الأرض. ومن الأمثلة على هذه التفاعلات:
(_ 1^1)H + (_ 1^1)H (_ 1^2)H + β+ + γ
γ + (_ 2^3)He (_ 1^1)H + (_ 1^2)H
(_ 1^1)H 2 + (_ 2^4)He + (_ 2^3)He (_ 2^3)He
+ n (_ 4^6)Li (_ 2^3)He + (_ 2^4)He
+ γ (_ 5^7)Be (_ 1^1)H + (_ 4^6)Li
γ + (_ 4^7)Li e- + (_ 5^7)Be
γ+ (_6^12)C 3 (_2^4)He
γ + (_8^16)O (_2^4)He + (_6^12)C
γ + (_10^20)Ne (_2^4)He (_8^16)O +
γ + (_12^24)Mg (_2^4)He + (_10^20)Ne
γ + (_14^28)Si (_2^4)He + (_12^24)Mg
من التفاعلات السابقة نستنتج أن العناصر الخفيفة ذات الوزن الذري يقبل القسمة على أربعة تكون متوفرة في الطبيعة
2-عناصر مشعة طبيعية أرضية:
توجد هذه العناصر في القشرة الأرضية وتشمل كل المواد التي تحمل عدد ذري أكبر من 83، وتنتمي هذه المواد إلى السلاسل طويلة العمر ومن أهم هذه السلاسل سلسلة اليورانيوم 238 وسلسلة الثوريوم 232، بالإضافة إلى البوتاسيوم 40 الذي يوجد في القشرة الأرضيةبنسبة 0.0117% من البوتاسيوم المستقر 39K .
سلسلة اليورانيوم 238 :
α β β α
(_92^238)U (_90^234)Th (_91^234)Pa (_92^234)U (_90^230)Th
2.45x105y 6.75h 24.1d 4.468109y
α
α α 𝛂
(_90^230)Th (_88^226)Ra (_86^222)Rn (_84^218)Po (_82^214)Pb
3.05 m 2.8235 d 1.6x103 d 1.6x103 y 8x104 y
β α β β
(_82^214)Pb (_83^214)Bi (_84^214)Po (_82^210)Pb (_83^210)Bi
22.3 y 164 Ms 19.7 m 26.8 m
α β
(_83^210)Bi (_84^210)Po (_82^206)Pb
138.38 d 5.01 d
وتبدأ هذه السلسلة بعنصر اليورانيوم 238 وتنتهي بعنصر الرصاص 206 الثابت ويتخللها غاز الرادون 22286Rn .
سلسلة الثوريوم 232:
α β β α
(_90^232)Th (_88^228)Ra (_89^228)Ac (_90^228)Th (_88^224)Ra
1.931 y 6.13 h 5.76 y 1.41x1010 y
β α α α
(_88^224)Ra (_86^220)Rn (_84^216)Po (_82^212)Pb (_83^212)Bi
10.64 h 0.15 s 55.6 s 3.66 d
α β
(_ 83^212)Bi (_84^212)Po (_82^208)Pb
45s 25m
وتبدأ هذه السلسلة بالثوريوم 232 وتنتهي بالرصاص 208 ، ويتخللها غاز الرادون 220 ويسمى في هذه السلسلة بغاز الثورون للتفرقة بينه وبين غاز الرادون في سلسلة اليورانيوم.
ج- سلسلة البوتاسيوم 40 :
β β
(_18^40)Ar (_19^40)K (_20^40)Ca
1.28x109 y E.C.
وحيث أن جسم الإنسان يحتوي على نسبة كبيرة من البوتاسيوم المستقر 39K تساوي تقريبا 2.5 كجم فإن عنصر 40K يوجد في جسم الإنسان والحيوان والنبات، وله أهمية كبيرة في تشغيل بعض أجهزة جسم الإنسان مثل القلب، فيعتبر 40K البطارية التي تقوم بتشغيل القلب.
العناصر المشعة المصنعة:
لقد تم في السنوات القليلة الماضية صنع مئات العناصر المشعة وذلك بواسطة قذف عناصر غير مشعة بواسطة قذائف مختلفة مثل: النيوترون أو البروتون لتتحول إلى عنصر مشع يستخدم في أغراض مختلفة مثل الطب والصناعة والزراعة وفي الحروب. ومن أمثلة ذلك عناصر تستخدم في الطب مثل:
67Ga, 201Th, 123I, 111In, 81Ru, 15N, 18F, 134Cs, 95Te
الجاليوم-67 ، الثاليوم-201 ، اليود-123 ، الإنديوم-111 ، الروبيديوم-81 ، النيتروجين-15 ، الفلور-18 ، السيزيوم-134 .
ومن أمثلة العناصر التي تستخدم في الصناعة:
لمعرفة المستوى 60Co , 134Cs وفي التصوير 124Sb ، وفي أبحاث الأدوية3H , 14C وفي إختبار اللحامات(الإختبارات اللا إتلافية) 192Ir .
6.1. خواص العناصر المشعة
لكي ندرس خواص العناصر المشعة يجب أن نعرف أولا تركيب الذرة والنواة.
الذرة والنواة The Atom and Nucleus
الذرة هي الوحدة الساسية التي تكون المادة. وقد ظلت محاولة معرفة تركيبها التحدي الأكبر الذي واجه العديد من العلماء في العصور القديمة حتى أوائل القرن العشرين حين وضعت النظرية الذرية الحديثة، ولا شك أنك على دراية مستفيضة بها من خلال دراستك في السنين الماضية.
تتكون الذرة (حسب التصور الحديث) من منطقتين أساسيتين هما: المركز المتناهي الصغر الذي تتركز فيه الشحنات الموجبة، وهذه المنطقة لا يتجاوز نصف قطرها 10-15 متر، وهي ما يطلق عليها النواة، ويحيط بهذه النواة فراغ هائل تسير فيه الإلكترونات ذات الشحنة السالبة ليكون نصف القطر الذري مساويا 10-10متر.
إذا الذرة :The Atom تتكون من جسيم صغير يسمى النواة ويحيط بالنواة جسيمات صغيرة تسمى الإلكترونات تدور حولها في مدارات معينة.
أما النواة The Nucleus : فيها تتمركز كتلة الذرة ويبلغ نصف قطرها حوالي 10-13 سم، في حين يصل نصف قطر الذرة حوالي 10-8 سم. والنواة بدورها تتركب من نوعين من الجسيمات المتناهية الصغر تعرف بالبروتونات والنيوترونات، ويعود تعادل الذرة إلى تساوي عدد البروتونات مع عدد الإلكترونات وإختلافهما في الشحنة.
من المفيد تحديد المفاهيم الأولية الآتية في التركيب الذري والنووي:
البروتونات :The Proton
البروتون عبارة عن جسيم صغير تبلغ كتلته 1.67x10-24 جم وهو أكبر من الإلكترون بحوالي 1839 مرة وحمل شحنة كهربائية مساوية لشحنة الإلكترون ولكنها موجبة.
النيوترونات The Neutron :
النيوترون عبارة عن جسيم صغير متعادل الشحنة مساوي تقريبا للبروتون في الكتلة وغالبا يعتبر النيوترون عبارة عن إتحاد بروتون وإلكترون.
النيوكليونات The Nucleun: هو إسم يطلق على الجسيمات النووية، أي البروتونات والنيوترونات ومجموع عددها هو عدد الكتلة إذن فهو مسمى مشترك لكل من البروتون والنيوترون
العددالذري The Atomic Number (Z) : هو عدد البروتونات ويساوي عدد الإلكترونات للذرة المتعادلة ويرمز له بالرمز Z ويعين العدد الذري الخصائص الكيميائية للذرة وبالتالي يحدد العنصر.
عدد الكتلة (A) The Mass Number: هو مجموع أعداد البروتونات والنيوترونات المكونة لنواة أي عنصر وهو عدد صحيح ويرمز له بالرمز A.
النظائر Isotopes: هي أشكال مختلفة من ذرات العنصر نفسه يكون لها نفس العدد من البروتونات (العدد الذري) ولكنها تختلف في عدد (عدد النيوترونات). ومن أمثلتها:
نظائر الهيدروجين وهي : : (_1^3)H, (_1^2)H, , (_1^1)H
نظائر الصوديوم وهي (_11^22)Na, (_11^23)Na , (_11^24)Na :
نظائر الكلور وهي : (_17^38)Cl (_17^35)Cl,(_17^36)Cl,(_17^37)Cl, , (_17^34)Cl
نظائر اليورانيوم وهي : (_92^238)U, (_92^235)U, (_92^234)U, (_92^233)U,
الترميز النووي : يقصد به طريقة كتابة العناصر بطريقة توضح العدد الذري وعدد الكتلة والطريقة كما هو موضح أعلاه تتم بكتابة عدد الكتلة إلى أعلى يسار رمز العنصر ويكتب العدد الذري أسفل يسار رمز العنصر كما يلي:
(_Z^A)X
ويمكن أن يشمل الترميز النووي عدد النيوترونات وهذه تكتب أسفل يمين رمز العنصر (أنظري المثال في حالة الأيزوترونات).
الأيزوبارات Isobars : هي عناصر مختلفة لها نفس عدد الكتلة ولكنها تختلف في العدد الذري أي في عدد البروتونات. ومن أمثلتها:
(_20^40)Ca , (_19^40)K وكذلك , (_7^14)N (_6^14)C
ويطلق اسم أنوية المرآة على زوج الأيزوبارات التي تختلف في قيم N و Z بمقدار الوحدة كما في الأمثلة الآتية:
(_11^23)Na12 , (_12^23)Mg11 وكذلك (_7^13)N6, (_6^13)C7
الأيزوتونات Isotones : وهي عناصر مختلفة لها نفس عدد النيترونات. ومن أمثلتها:
(_11^23)Na12 , (_12^24)Mg12 وكذلك , (_40^85)Zr45 45 (_38^83)Sr
الأيزومرات Isomers : وهي أنوية لها نفس العدد الذري وعدد الكتلة ( أي أن لها نفس العدد من النيترونات أيضا) ولكنها تختلف في مفدار الطاقة الداخلية التي تحملها أو بعبارة أخرى أنها تشغل مستويات طاقة مختلفة. وبذلك فإن النواة التي تشغ مستوى الطاقة الأعلى هي النواة غير المستقرة. وفي ترميزها النووي يضاف الحرف الصغير m بجانب عدد الكتلة إلى جهة اليمين. ومن أمثلتها:
(_27^60m)Co33, (_27^60)Co
تمرين : اكتبي الترميز النووي المناسب لما يأتي:
نواة تحتوي على 12 بروتون و 13 نيوترون.
نواة تحتوي على 44 بروتون و 62 نيوترون.
ذرة ألومنيوم تحتوي على 27 نيوكليون.
وحدة الكتلة الذرية :Atomic Mass Unit (a.m.u.)
تستخدم لقياس كتل الأنوية وتساوي كتلة ذرة الهيدروجين، وهي تساوي 1/12 من كتلة ذرة الكربون.
بما أن الوزن الذري للهيدروجين يساوي واحد وبما أن الوزن الذري للعنصر يحتوي على عدد أفوجادرو من الذرات إذا:
1 gram contain 6.203x1023 atom
إذا وزن ذرة الهيدروجين = 1/6.203x1023
= 1.661x10-24 g = a.m.u.
وحدة الطاقة الذرية Electron Volt (ev): وهي تستخدم لقياس الطاقة.
1 ev = 1.6x10-19 Joul
Kilo ev (Kev) = 103 ev = 1.6x10-16 Joul
Million ev (Mev) = 106 ev = 1.6x10-13 Joul
وحيث أن الطاقة = الوزن x سرعة الضوء أي :E = m x C2
1 a.m.u. = 931 Mev
Ev = 1.6x10-19 Joul = 1.6x10-12 erg.
E = m (1.6x10-21 kg.) x (3x108)2 m/sec. = 15.03x105 erg.
1.2. إستقرار النواة
يوجد في أنوية العناصر الخفيفة الثابتة عدد متساوي تقريبا من البروتونات والنيوترونات، إلا أنه بإزدياد كتلة العنصر تزداد نسبة النيوترونات إلى البروتونات، وتظهر هذه الحقائق في الشكل (2) الذي يوضح العلاقة بين عدد النيوترونات وعدد البروتونات لعدد من النظائر.
1): حزام الثبات الذي يوضح العلاقة بين عدد النيوترونات والبروتونات.
نلاحظ أن الإنحراف عن نسبة 1:1 يصبح واضحا عند عدد ذري من 20- 25 فأكثر، وفي هذا الشكل فإن النقط الواقعة على المنطقة المتعرجة أو حزام الثبات، تمثل نظائر ثابتة، أما النقط التي تقع خارج هذه المنطقة فتمثل عناصر مشعة، فإذا كانت نسبة N\Z للنواة عالية جدا يقال أنها غنية بالنيوترونات، لذلك يجب أن تمر بإنحلال النشاط الإشعاعي بالأسلوب الذي تقلل فيه نسبة النيوترونات إلى البروتونات لتصل إلى قيمة قريبة جدا من قيمة الإستقرار (N/Z = 1) في هذه الحالة يجب على النواة أن تقلل من N وتزيد من قيمة Z ، إذ يمكن عمل ذلك بتحويل النيوترونات إلى بروتونات وذلك بإنبعاث جسيمات بيتا السالبة. أما إذا كانت N/Z قليلة جدا للإستقرارحدث إنحلال للنشاط الإشعاعي الذي يقلل من قيمة Z ويزيد من قيمة N بتحويل البروتونات إلى نيوترونات وذلك بإنبعاث بوزيترون B+ أو إمتصاص النواة للإلكترون المداري (E.C.) حجز الإلكترون. ونلاحظ أنه بعد البزموث تكون جميع الأنوية غير مستقرة تجاه إنحلال النشاط الإشعاعي بإنبعاث جسيمات ألفا في حين أن يكون بعضها غير مستقر أيضا تجاه إنحلال بيتا.
أي يمكن تقسيم المنحنى إلى ثلاث مناطق:
1- الأنوية التي لها Z = 20 هنا تكون النسبة N/Z للأنوية المستقرة مساوية للقيمة 1 أو 1.1 .
2- الأنوية التي لها Z = 20-83 تزداد النسبة N/Z للأنوية المستقرة لتصل للقيمة 1.5 أي أننا في هذه الحالة نحتاج إلى عدد أكبر من النيوترونات لزيادة القوى النووية الجذبة حتى تتغلب على قوى التنافر الكولومية التي تنشأ بين العدد الكبير من البروتونات.
3-الأنوية التي لها Z > 83 هنا تزداد قوى التنافر الكولومية بين البروتونات بحيث يستحيل الحصول على أنوية ثابتة للعناصر ذات العدد الأكبر من 83 .
الخواص الدورية للأنوية( الأعداد السحرية):
كما هو معروف فإن الخواص الكيميائية للعناصر تتكرر دوريا بعد الأعداد الذرية 2، 10، 18، 36، 54، 86. وعلى هذا الأساس تم وضع الجدول الدوري للعناصر. وبشكل مشابه فقد لوحظ أن خواص الأنوية تتكرر بصورة دورية وتنتهي كل دورة عند الأعداد 2، 8، 20، 50، 82، 126 من النيوترونات أو البروتونات وهي الأعداد التي يطلق عليها الأعداد السحرية Magic Numbers .
وقد فسرت هذه المشاهدة على أساس أنه كما تعمل الإلكترونات في الذرات على الإزدواج لتكوين روابط مستقرة كذلك فإن النيوكلونات ذات نفس النوع (بروتون – بروتون أو نيوترون – نيوترون) تعمل على الإزدواج لتزيد من ثبات النواة، وهناك من الدلائل ما يدعم هذا الافتراض:
1- أن الأنوية ذات الأعداد الزوجية من البروتونات والنيوترونات هي أكثر ثباتا من غيرها 201 نواة من أصل 336
2- دائما ما تنتهي سلاسل الإشعاع عند عنصر يحمل رقما سحريا هو غالبا الرصاص للسلاسل الطبيعية حيث العدد الذري له 82 أو البزموث الذي عدد الكتلة له 126 في حالة سلسلة النبتونيوم وكلاهما رقم سحري.
3- بالنسبة لعنصر القصدير الذي عدده الذري 50 وهو رقم سحري فإن هناك 10 نظائر مستقرة وهذا رقم كبير على غير العادة، وبالمثل عنصر الكالسيوم الذي عدده الذري يساوي 20 له ستة نظائر مستقرة.
4- أن أكثر العناصر وجودا في الطبيعة سواء في القشرة الأرضية أو حتى الوجود الكوني هي العناصر الآتية:
168O8, 2814Si14, 11850Sn68, 8838Sr50, 8939Y50, 9040Zr50, 13856Ba82, 13957La82, 14057Ce82,20882Pb126
وهذه العناصر كما هو واضح تحتوي على أعداد سحرية.
5- إنبعاث نيوترونات من أنوية تحم رقما سحريا يوضح أن لهذه الأنوية ثباتا غير عادي، فمن المعلوم أن الطاقة اللازمة لنزع نيوترون تساوي في المتوسط ما بين 7-8 مليون الكترون فولت، ولكن من الملاحظ في تفاعلات الإنشطار النووي أنه عندما تتكون أنوية مثل: 89Sr51 أو 137Xe83 في نواتج الإنشطار وهي أنوية كما هو ملاحظ تحمل عدد من النيوترونات أكبر من الرقم السحري بوحدة واحدة فإن مثل هذه الأنوية تتحلل تلقائيا عن طريق إشعاع نيوترون وبطاقة صغيرة لا تقارن بالقيمة المتوسطة.
6- الطاقة اللازمة لنزع نيوترون من أنوية نظائر الرصاص لها قيم تؤكد صحة فرضية ثبات الأنوية التي تحمل رقما سحريا، يوضح الجدول (2) أن أقل طاقة هي تلك الخاصة بالنظير 209 وهي لنزع النيوترون رقم 127، حيث أن هذا البروتون سيؤدي إلى تكون النظير 208 الذي يمتلك رقما سحريا في عدد البروتونات 82 وعدد النيوترونات 126 .
جدول (2): الطاقة اللازمة لنزع نيوترون واحد من نظائر الرصاص المختلفة.
النظير N الطاقة(مليون إلكترون فولت)
20582Pb 123 6.64
20682Pb 124 8.16
20782Pb 125 6.73
20882Pb 126 7.38
20982Pb 127 3.87
21082Pb 128 5.23
21182Pb 129 3.77
2.2. طاقة الربط للنواة
تتعرض البروتونات الموجبة الشحنة داخل النواة إلى قوى تنافر تتناسب عكسيا مع مربع المسافة بين هذه البروتونات. وبما أن المسافة بين البروتونات صغيرة جدا فإنه من المتوقع أن تتحرر من النواة وبالتالي تتفكك النواة ولكن هذا لا يحدث. وعدم حدوثه يعني أن هناك قوة أخرى جاذبة أقوى من قوة التنافر المذكورة وتعرف بالقوة النووية التي تؤثر على مكونات النواة(النيوكلونات).
ولقد تبين من دراسة تركيب النواة والتفاعلات النووية وقياس الأوزان الذرية بإستخدام مطياف الكتلة أن الأوزان الذرية للعناصر أقل من مجموع أوزان مكونات النواة.
النقص في الوزن = Mass Deffect = ΔM
ΔM = Z Proton Mass + (A-Z) Neutron Mass + Z Electron Mass – MA2
حيث أن MA2 هو الوزن الحقيقي للذرة.
Z Proton Mass + Z Electron Mass = Z Hydrogen Mass
وزن البروتون + وزن الإلكترون = وزن ذرة الهيدروجين
إذا:
ΔM = Z Hydrogen Mass + (A-Z) Neutron Mass – MA2
وحسب قانون بقاء المادة الذي ينص على : المادة لا تفنى ولا تستحدث من عدم ، فإن هذا النقص في الوزن يتحول إلى طاقة وهذه الطاقة تستخدم في ربط الجسيمات الموجودة في النواة بعضها ببعض، وتعرف بطاقة الربط، ولتفكيك النواة إلى مكوناتها نحتاج إلى نفس هذا القدر من الطاقة وهذه تشبه حرارة التكوين في الكيمياء الحرارية.
3.2. العلاقة بين الكتلة والطاقة
يستخدم علم الكيمياء النووية وحدة دولية لقياس الطاقة هي وحدة الإلكترون فولت ev ، وترتبط هذه الوحدة بوحدة الطاقة النظامية الجول بالعلاقة الآتية:
1 ev = 1.6x10-19 Joule
مقدار الطاقة هذا صغير جدا لذلك غالبا ما تستخدم مضاعفات هذه الوحدة وهي:
كيلو إلكترون فولت (Kev) = 103 إلكترون فولت.
ميجا (مليون) إلكترون فولت (Mev) = 106 إلكترون فولت.
جيجا (بليون) إلكترون فولت (Gev) = 199 إلكترون فولت.
في عام 1904 م توصل أينشتاين Einstein إلى علاقة تربط الطاقة والكتلة وإستنتج فيها أن كتلة الجسيم في الواقع هي مقياس لما يحتويه من طاقة. فإذا فقد الجسم بعضا من طاقته نقصت كتلته بكمية تتناسب مع هذا النقص تبعا للمعادلة:
E = m x C2
هذه العلاقة تنطبق على جميع أنواع الطاقة وليس على طاقة الحركة فقط، مما يعني أننا نستطيع أن نستخدمها لحساب الطاقة المتولدة في التفاعلات النووية، حيث لوحظ أن أي تفاعل تحلل نووي يكون مصحوبا بنقص في كتلة الأنوية الأم مقارنة بكتل الأنوية الوليدة، وهذا ما يجعل العلاقة السابقة كالآتي:
ΔE = Δm₀ C2
حيث أن Δm₀ هي التغير في الكتلة الساكنة، C هي سرعة الضوء و ΔE هي كمية الطاقة النطلقة بعد حدوث التحلل . ولما كانت سرعة الضوء كبيرة وتساوي 3x1010 سم/ ثانية فإن مقدارا ضئيلا من المادة يتحول إلى قدر هائل من الطاقة.
حيث أوضح أينشتاين في النظرية النسبية أن كتلة الجسم تتغير بتغير سرعته وعندما تصل سرعة الجسم إلى سرعة الضوء فإن الكتلة يجب أن تؤول إلى الصفر.
ويمكن حساب الطاقة المصاحبة لوحدة الكتلة في الذرة والتي تساوي 1.66x10-24 جم بأنها تساوي =
(1.6x10-12) / ((3x1010) x (1.66x10-24)) = 931 مليون إلكترون فولت (Mev) .
نلاحظ أن الطاقة المنطلقة (المكافئة) لتغير صغير في الكتلة تكون كبيرة جدا ولا يمكن قياسه بأي نوع من الزوازين، لذلك تهمل معادلة آينشتاين في التفاعلات الكيميائية ولكن تتضح أهميتها في الكيمياء النووية.
وتقاس أوزان الذرات أو النوى منسوبة إلى وزن نظير الكربون 12 ، حيث تعتبر كتلة هذا النظير مساوية 12.000 وحدة كتلة ذرية، وهي تكافئ 1.66x10-24 جم. ومن المتبع في التفاعلات النووية إستخدام وحدات الإلكترون فولت (ev) أو المليون إلكترون فولت (Mev) كوحدات لقياس الطاقة وتحسب الطاقة لكل ذرة بدلا من المول في التفاعلات الكيميائية.
ويعرف الإلكترون فولت بأنه كمية الطاقة التي يكتسبها الإلكترون إذا تحرك تحت تأثير فرق جهد يساوي 1 فولت، وحيث أن شحنة الإلكترون = 4.8029x10-10 وحدة كهروستاتيكية وأن الفولت = 1/300 وحدة كهروستاتيكية.
إذا الإلكترون فولت = 106 مليون إلكترون فولت.
ولقد تم حساب متوسط طاقة الربط لكل نيوكلون للعناصر المختلفة وإستخدامها كمقياس متناسب لمدى الإستقرار النووي.
متوسط طاقة الربط لكل نيوكلون = طاقة الربط الكلية / العدد الوزني ΔE / A
ويوضح الشكل (2) العلاقة بين طاقة الربط لكل نيوكلون والعدد الوزني للعناصر المختلفة. حيث يوضح المنحنى أن طاقة الربط للنواة الخفيفة 2H صغيرة جدا وهذا يدل على عدم إستقرار هذه الأنوية. وتزداد قيمة ΔE/A إلى أن تصل قيمة عالية حوالي 8.8 مليون إلكترون فولت عند النويدات ذات وزن ذري 50 وبعدها تقل قيمة طاقة الربط كلما زاد الوزن الذري لتصل إلى 7.6 لليورانيوم (نواة غير مستقرة).
منحنى طاقة الربط لكل نيوكليون للأنوية المستقرة كدالة لعدد الكتلة A.
ومن المنحنى نجد أيضا أن طاقة الربط للأنوية التالية: 16O, 12C, 4He أعلى من العناصر التي تجاورها وذلك لأنها أنوية مستقرة. وعلى ذلك فإن طاقة الربط لكل نيوكلون تعطي معلومات عن درجة ثبات النواة.
ويستنتج من ذلك أنه لو دمجت نواتا ذرتين خفيفتين فإن النواة الناتجة تكون أكثر إستقرارا إلا أنه يفقد مقدار من الكتلة (نتيجة لعملية الدمج هذه) رغم أن
لنواة الجديدة تشمل مجموع محتويات النواتين، ويتحول المقدار المفقود من الكتلة إلى طاقة منتشرة وهذا ما يحدث في عملية الإندماج النووي Nuclear Fusion مثل:
73Li + 11H 2 42He + Energy
21H + 31H 42He + P + 18.35 Mev
كذلك يصحب إنشطار نواة ذات كتلة كبيرة إلى نواتين أو أكثر وتسمى هذه العملية بالإنشطار النووي Nuclear Fission .
مسائل:
1- إحسبي طاقة الربط للهيليوم 42He علما بأن:
وزن ذرة الهيليوم = 4.002604 mu
وزن البروتون = 1.007276 mu
وزن النيوترون= 1.008665 mu
وزن الألكترون=0.00054858 mu
2- إحسبي طاقة الربط للألومنيوم 2713Al علما بأن وزن نظير الألومنيوم = 26.981539 mu
3-إحسبي طاقة الربط لكل نيوكلون لكل من 8236K و 6430Zn علما بأن وزن كل منهما يساوي 81.9384 mu و 63.9488 mu