10.S: الفيزياء النووية (ملخص)
- Page ID
- 196710
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
الشروط الرئيسية
| نشاط | حجم معدل الاضمحلال للنويدات المشعة |
| أشعة ألفا (ألفا) | أحد أنواع الأشعة المنبعثة من نواة الذرة كجسيمات ألفا |
| اضمحلال ألفا | التحلل النووي الإشعاعي المرتبط بانبعاث جسيم ألفا |
| مضادات الإلكترونات | مصطلح آخر للمناصب |
| مضاد للنيوترينو | الجسيم المضاد لنيوترينو الإلكترون في الاضمحلال |
| الكتلة الذرية | الكتلة الكلية للبروتونات والنيوترونات والإلكترونات في ذرة واحدة |
| وحدة الكتلة الذرية | وحدة تستخدم للتعبير عن كتلة نواة فردية، حيث\(\displaystyle 1u=1.66054×10^{−27}kg\) |
| نواة ذرية | مجموعة من النيوكليونات معبأة بإحكام في مركز الذرة |
| عدد ذري | عدد البروتونات في النواة |
| بيكريل (Bq) | وحدة SI لمعدل تحلل مادة مشعة، تساوي 1 اضمحلال في الثانية |
| أشعة بيتا (بيتا) | أحد أنواع الأشعة المنبعثة من نواة الذرة كجسيمات بيتا |
| اضمحلال بيتا | التحلل النووي الإشعاعي المرتبط بانبعاث جسيم بيتا |
| طاقة الربط (BE) | الطاقة اللازمة لكسر النواة إلى البروتونات والنيوترونات المكونة لها |
| طاقة الربط لكل نواة (BEN) | تحتاج الطاقة لإزالة النيوكليون من النواة |
| مفاعل مربي | مفاعل مصمم لصنع البلوتونيوم |
| تأريخ الكربون 14 | طريقة لتحديد عمر الأنسجة الحية سابقًا باستخدام النسبة\(\displaystyle ^{14}C/^{12}C\) |
| مخطط النويدات | رسم بياني يضم نوى مستقرة وغير مستقرة |
| الكتلة الحرجة | الحد الأدنى من الكتلة المطلوبة لنوكليد معين من أجل حدوث الانشطار الذاتي |
| الحرجية | الحالة التي يصبح فيها التفاعل المتسلسل مكتفيًا ذاتيًا بسهولة |
| كوري (جمهورية الصين الشعبية) | وحدة معدل الاضمحلال، أو نشاط 1 غرام من\(\displaystyle ^{226}Ra\)، يساوي\(\displaystyle 3.70×10^{10}Bq\) |
| نواة الابنة | نواة ناتجة عن تحلل النواة الأم |
| الاضمحلال | عملية تفقد من خلالها النواة الذرية الفردية لذرة غير مستقرة الكتلة والطاقة عن طريق إصدار جزيئات مؤينة |
| ثابت الاضمحلال | الكمية التي تتناسب عكسياً مع نصف العمر والتي تستخدم في معادلة عدد النوى كدالة للوقت |
| سلسلة الاضمحلال | سلسلة من الاضمحلال النووي تنتهي بنواة مستقرة |
| انشطار | تقسيم النواة |
| أشعة جاما () | أحد أنواع الأشعة المنبعثة من نواة الذرة كجسيمات جاما |
| اضمحلال جاما | التحلل النووي الإشعاعي المرتبط بانبعاث أشعة جاما |
| نصف الحياة | الوقت اللازم لتحلل نصف النواة الأصلية (أو يبقى نصف النوى الأصلية) |
| جرعة عالية | جرعة إشعاع أكبر من 1 Sv (100 rem) |
| النظائر | نواة لها نفس عدد البروتونات ولكن بأعداد مختلفة من النيوترونات |
| أوقات الحياة | متوسط الوقت الذي توجد فيه النواة قبل التحلل |
| نموذج قطرة السائل | نموذج للنواة (فقط لفهم بعض ميزاتها) حيث تعمل النيوكليونات في النواة مثل الذرات في قطرة |
| جرعة منخفضة | جرعة إشعاع أقل من 100 مللي سيفرت (10 ريم) |
| عيب جماعي | الفرق بين كتلة النواة والكتلة الكلية للنيوكليونات المكونة لها |
| رقم الكتلة | عدد النيوكليونات في النواة |
| جرعة معتدلة | جرعة الإشعاع من 0.1 سيفرت إلى 1 سيفيرت (10 إلى 100 ريم) |
| النيوترينو | جسيم أولي دون ذري ليس له شحنة كهربائية صافية |
| رقم النيوترون | عدد النيوترونات في النواة |
| إندماج نووي | عملية الجمع بين نوى أخف لصنع نوى أثقل |
| مفاعل الاندماج النووي | مفاعل نووي يستخدم سلسلة الانصهار لإنتاج الطاقة |
| النيوكليونات | البروتونات والنيوترونات الموجودة داخل نواة الذرة |
| التركيب النووي | عملية الاندماج التي يُعتقد أن جميع العناصر الموجودة على الأرض قد تم إنشاؤها |
| نوكليد | نواة |
| نواة الوالدين | النواة الأصلية قبل الاضمحلال |
| بوزيترون | إلكترون بشحنة موجبة |
| التصوير المقطعي بالإصدار البوزيترون (PET) | تقنية التصوير المقطعي التي تستخدم\(\displaystyle β^+\) بواعث وتكشف عن شعاعي الإبادة\(\displaystyle γ\)، مما يساعد في توطين المصدر |
| سلسلة بروتون-بروتون | التفاعلات المركبة التي تدمج نوى الهيدروجين لإنتاج نوى He |
| وحدة جرعة الإشعاع (rad) | الطاقة المؤينة المودعة لكل كيلوغرام من الأنسجة |
| المواعدة المشعة | تطبيق التحلل الإشعاعي الذي يتم فيه تحديد عمر المادة من خلال كمية النشاط الإشعاعي من نوع معين يحدث |
| قانون الاضمحلال الإشعاعي | يصف الانخفاض الأسي للنواة الأم في عينة مشعة |
| العلامات المشعة | الأدوية الخاصة (الأدوية الإشعاعية) التي تسمح للأطباء بتتبع حركة الأدوية الأخرى في الجسم |
| النشاط الإشعاعي | انبعاث تلقائي للإشعاع من النواة |
| الأدوية الإشعاعية | مركب يستخدم للتصوير الطبي |
| نصف قطر النواة | يتم تعريف نصف قطر النواة على النحو التالي:\(\displaystyle r=r_0A^{1/3}\) |
| الفعالية البيولوجية النسبية (RBE) | رقم يعبر عن المقدار النسبي للضرر الذي يمكن أن تلحقه كمية ثابتة من الإشعاع المؤين من نوع معين بالأنسجة البيولوجية |
| الرجل المكافئ للرونتجين (rem) | ترتبط وحدة الجرعة ارتباطًا وثيقًا بالتأثيرات في الأنسجة البيولوجية |
| سيفيرت (Sv) | ما يعادل SI من REM |
| التصوير المقطعي أحادي الفوتون (SPECT) | التصوير المقطعي الذي يتم إجراؤه باستخدام الأدوية المشعة التي\(\displaystyle γ\) تنبعث منها |
| قوة نووية قوية | القوة التي تربط النيوكليونات معًا في النواة |
| عنصر ترانغوراني | عنصر يقع خارج اليورانيوم في الجدول الدوري |
المعادلات الرئيسية
| رقم الكتلة الذرية | \(\displaystyle A=Z+N\) |
| الشكل القياسي للتعبير عن النظائر | \(\displaystyle ^A_ZX\) |
| نصف القطر النووي، حيث r 0 هو نصف قطر بروتون واحد | \(\displaystyle r=r_0A^{1/3}\) |
| عيب جماعي | \(\displaystyle Δm=Zm_p+(A−Z)m_n−m_{nuc}\) |
| طاقة الربط | \(\displaystyle E=(Δm)c^2\) |
| طاقة الربط لكل نواة | \(\displaystyle BEN=\frac{E_b}{A}\) |
| معدل التحلل الإشعاعي | \(\displaystyle −\frac{dN}{dt}=λN\) |
| قانون الاضمحلال الإشعاعي | \(\displaystyle N=N_0e^{−λt}\) |
| ثابت الاضمحلال | \(\displaystyle λ=\frac{0.693}{T_{1/2}}\) |
| عمر المادة | \(\displaystyle \bar{T}=\frac{1}{λ}\) |
| نشاط مادة مشعة | \(\displaystyle A=A_0e^{−λt}\) |
| نشاط مادة مشعة (شكل خطي) | \(\displaystyle lnA=−λt+lnA_0\) |
| اضمحلال ألفا | \(\displaystyle ^A_ZX→^{A−4}_{Z−2}X+^4_2He\) |
| اضمحلال بيتا | \(\displaystyle ^A_ZX→^A_{Z+1}X+^0_{−1}e+\bar{v}\) |
| انبعاث بوزيترون | \(\displaystyle A^Z_X→^A_{Z−1}X+^0_{+1}e+v\) |
| اضمحلال جاما | \(\displaystyle ^A_ZX*→^A_ZX+γ\) |
ملخص
10.1 خصائص النواة
- تتكون النواة الذرية من البروتونات والنيوترونات.
- يُعطى عدد البروتونات في النواة بالرقم الذري Z. عدد النيوترونات في النواة هو رقم النيوترون، N. عدد النيوكليونات هو العدد الكتلي، A.
- النوى الذرية التي لها نفس العدد الذري، Z، ولكن الأرقام النيوترونية المختلفة، N، هي نظائر لنفس العنصر.
- الكتلة الذرية للعنصر هي المتوسط المرجح لكتل نظائره.
10.2 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.
- طاقة الربط للنيوكليون في النواة مماثلة لطاقة التأين للإلكترون في الذرة.
10.3 الاضمحلال الإشعاعي
- في حالة تحلل مادة مشعة، إذا كان ثابت الاضمحلال () كبيرًا، يكون عمر النصف صغيرًا، والعكس صحيح.
- قانون الاضمحلال الإشعاعي\(\displaystyle N=N_0e^{−λt}\),, 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. من خلال مقارنة وفرة\(\displaystyle ^{14}C\) القطع الأثرية بالوفرة الطبيعية في الأنسجة الحية، من الممكن تحديد عمر القطعة الأثرية.
10.4 التفاعلات النووية
- الأنواع الثلاثة للإشعاع النووي هي أشعة ألفا (\(\displaystyle α\)) وأشعة بيتا (\(\displaystyle β\)) وأشعة جاما (\(\displaystyle γ\)).
- نحن نمثل تحلل ألفا بشكل رمزي من خلال\(\displaystyle ^A_ZX→^{A−4}_{Z−2}X+^4_2He\). هناك نوعان من\(\displaystyle β\) الاضمحلال: إما إلكترون (\(\displaystyle β^−\)) أو بوزيترون (\(\displaystyle β^+\)) ينبعث من نواة. \(\displaystyle γ\)يتم تمثيل الاضمحلال بشكل رمزي بواسطة\(\displaystyle ^A_ZX*→^A_ZX+γ\).
- عندما تتحلل نواة ثقيلة إلى نواة أخف، يمكن أن تصبح النواة البنت الأخف هي النواة الأم للتحلل التالي، وهكذا، لإنتاج سلسلة اضمحلال.
10.5 الانشطار
- الانشطار النووي هو عملية يكون فيها مجموع كتل نوى المنتج أقل من كتل المواد المتفاعلة.
- يمكن فهم تغيرات الطاقة في تفاعل الانشطار النووي من حيث طاقة الربط لكل منحنى نووي.
- يُطلق على إنتاج نظائر جديدة أو مختلفة عن طريق التحول النووي اسم التكاثر، وتسمى المفاعلات المصممة لهذا الغرض مفاعلات التوليد.
10.6 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.
10.7 التطبيقات الطبية والآثار البيولوجية للإشعاع النووي
- تُستخدم التكنولوجيا النووية في الطب لتحديد الأنسجة المريضة ودراستها باستخدام أدوية خاصة تسمى الأدوية المشعة. تُستخدم العلامات المشعة لتحديد الخلايا السرطانية في العظام وأورام الدماغ ومرض الزهايمر، ومراقبة وظيفة أعضاء الجسم، مثل تدفق الدم ونشاط عضلة القلب وامتصاص اليود في الغدة الدرقية.
- تعود التأثيرات البيولوجية للإشعاع المؤين إلى تأثيرين له على الخلايا: التداخل مع تكاثر الخلايا وتدمير وظيفة الخلية.
- تشمل المصادر الشائعة للإشعاع تلك المنبعثة من الأرض بسبب نظائر اليورانيوم والثوريوم والبوتاسيوم؛ والإشعاع الطبيعي من الأشعة الكونية والتربة ومواد البناء والمصادر الاصطناعية من الاختبارات التشخيصية الطبية وطب الأسنان.
- يتم التعبير عن التأثيرات البيولوجية للإشعاع النووي من خلال العديد من الكميات الفيزيائية المختلفة وفي العديد من الوحدات المختلفة، بما في ذلك الراد أو وحدة جرعة الإشعاع.