10: الفيزياء النووية
- Page ID
- 196704
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
في هذا الفصل، ندرس تكوين وخصائص النواة الذرية. تقع النواة في مركز الذرة، وتتكون من البروتونات والنيوترونات. يؤدي الفهم العميق للنواة إلى العديد من التقنيات القيمة، بما في ذلك الأجهزة لتحديد تاريخ الصخور القديمة، ورسم خرائط الأذرع المجرية لمجرة درب التبانة، وتوليد الطاقة الكهربائية.
- 10.1: مقدمة للفيزياء النووية
- الشمس هي المصدر الرئيسي للطاقة في النظام الشمسي. يبلغ قطر الشمس 109 أقطار أرضية، وتمثل أكثر من 99٪ من إجمالي كتلة النظام الشمسي. تشرق الشمس عن طريق دمج نواة الهيدروجين - البروتينات - في أعماق داخلها. بمجرد إنفاق هذا الوقود، ستحرق الشمس الهيليوم، ولاحقًا، النوى الأخرى. تمت مناقشة الاندماج النووي في الشمس في نهاية هذا الفصل. في غضون ذلك، سنقوم بالتحقيق في الخصائص النووية التي تحكم جميع العمليات النووية، بما في ذلك الاندماج.
- 10.2: خصائص النواة
- تتكون النواة الذرية من البروتونات والنيوترونات. للبروتونات والنيوترونات نفس الكتلة تقريبًا، لكن البروتونات تحمل وحدة واحدة من الشحنة الموجبة ولا تحمل النيوترونات أي شحنة. يتم تجميع هذه الجسيمات معًا في مساحة صغيرة جدًا في مركز الذرة. وفقًا لتجارب التشتت، تكون النواة كروية أو بيضاوية الشكل، ويبلغ حجمها حوالي 1/100000 من حجم ذرة الهيدروجين. تسمى البروتونات والنيوترونات داخل النواة النيوكليونات.
- 10.3: طاقة الربط النووي
- العيب الكتلي للنواة هو الفرق بين الكتلة الكلية للنواة ومجموع كتل جميع النيوكليونات المكونة لها. طاقة الربط (BE) للنواة تساوي كمية الطاقة المنبعثة في تكوين النواة، أو العيب الكتلي مضروبًا في سرعة مربع الضوء. يشير الرسم البياني لطاقة الربط لكل نواة (BEN) مقابل الرقم الذري A إلى أن النوى المقسمة أو المجمعة تطلق كمية هائلة من الطاقة.
- 10.4: الاضمحلال الإشعاعي
- في حالة تحلل مادة مشعة، إذا كان ثابت\((\lambda)\) الاضمحلال كبيرًا، يكون عمر النصف صغيرًا، والعكس صحيح. قانون الاضمحلال الإشعاعي\(N = N_0 e^{-\lambda t}\),, يستخدم خصائص المواد المشعة لتقدير عمر المادة. يحتوي الكربون المشع على نفس كيمياء الكربون المستقر، لذلك يمتزج في الغلاف البيئي ويصبح في النهاية جزءًا من كل كائن حي.
- 10.5: التفاعلات النووية
- كشفت التجارب المبكرة عن ثلاثة أنواع من «الأشعة» النووية أو الإشعاع: أشعة ألفا (ألفا) وأشعة بيتا (ب) وأشعة جاما (). تختلف هذه الأنواع الثلاثة من الإشعاع من خلال قدرتها على اختراق المادة. بالكاد تستطيع أشعة ألفا المرور عبر ورقة رقيقة. يمكن لإشعاع بيتا اختراق الألومنيوم إلى عمق حوالي 3 مم، ويمكن أن تخترق أشعة جاما الرصاص إلى عمق 2 سم أو أكثر.
- 10.6: الانشطار
- يسمى تقسيم النواة بالانشطار. يمكن فهم تغيرات الطاقة في تفاعل الانشطار النووي من حيث طاقة الربط لكل منحنى نووي. يمكن أن ينتج انشطار U-235 تفاعلًا تسلسليًا. في مركب يتكون من العديد من نوى U-235، يمكن للنيوترونات الموجودة في تحلل نواة واحدة من U-235 أن تبدأ في انشطار نوى U-235 الإضافية. يمكن أن يستمر هذا التفاعل المتسلسل بطريقة خاضعة للرقابة، كما هو الحال في المفاعل النووي في محطة توليد الكهرباء، أو يستمر بشكل لا يمكن السيطرة عليه، كما هو الحال في الانفجار.
- 10.7: الاندماج النووي
- الاندماج النووي هو تفاعل يتم فيه دمج نواتين لتكوين نواة أكبر؛ يتم إطلاق الطاقة عندما يتم دمج نوى الضوء لتشكيل نوى متوسطة الكتلة. تُعرف كمية الطاقة المنبعثة من تفاعل الاندماج باسم قيمة Q. يشرح الاندماج النووي التفاعل بين الديوتيريوم والتريتيوم الذي ينتج قنبلة انصهارية (أو هيدروجينية)؛ يشرح الاندماج أيضًا إنتاج الطاقة في الشمس، وعملية التركيب النووي، وتكوين العناصر الثقيلة.
- 10.8: التطبيقات الطبية والآثار البيولوجية للإشعاع النووي
- تُستخدم المركبات المشعة لتحديد السرطان ودراسة القطع الأثرية القديمة وتزويد مدننا بالطاقة. يعمل الاندماج النووي أيضًا على تشغيل الشمس، المصدر الأساسي للطاقة على الأرض. يركز هذا الفصل على الإشعاع النووي. في هذا القسم، نطرح أسئلة مثل: كيف يتم استخدام الإشعاع النووي لصالح المجتمع؟ ما هي مخاطرها الصحية؟ ما مقدار الإشعاع النووي الذي يتعرض له الشخص العادي في حياته؟
الصورة المصغرة: في التفاعل المتسلسل الانشطاري U-235، ينتج انشطار نواة اليورانيوم نيوترونات عالية الطاقة تستمر في تقسيم المزيد من النوى. يمكن استخدام الطاقة المنبعثة في هذه العملية لإنتاج الكهرباء.