التفاعل النووي

تفاعل نووي

Nuclear reaction -



التفاعل النووي

بيداء الأشقر

ترميز التفاعل النووي

أنواع التفاعلات النووية

المقطع العرضي للتفاعل النووي

تفاعلات نووية مميزة

التفاعل النووي وإنتاج الطاقة

    التفاعل النوويnuclear reaction  -في الفيزياء النووية- هو العملية التي يجري خلالها تصادم نواتين أو نواة ذرية مع جسيم آخر مثل النترون أو البروتون أو إلكترون عالي الطاقة من خارج الذرة، وينجم عن هذه العملية نوكليد nuclide أو أكثر مختلف عن النوكليدات الداخلة في التفاعل النووي، أي يسبب التفاعل النووي تحول نوكليد واحد على الأقل. ويطلق اسم نوكليد على نوع معين من الذرات يتميز بمركبات نواته من البروتونات (ذات العدد Z) والنترونات (ذات العدد N) إضافة إلى طاقة حالتها. وفي بعض الأحيان تتفاعل نواة ذرية مع نواة أخرى أو مع جسيم آخر، ثم ينفصلان من دون تبدل في طبيعتيهما، في هذه الحالة يُطلق على التفاعل اسم التبعثر النووي nuclear scattering .

يمكن في تفاعل نووي أن يتصادم أكثر من نواتين  من حيث المبدأ؛ إلا أن احتمال التقاء ثلاث نوى أو أكثر في اللحظة نفسها وفي المكان نفسه أقل بكثير من احتمال التقاء نواتين فقط، ولهذا السبب يُعد هذا النوع من التفاعلات نادر الحدوث. كما تُطلق تسمية التفاعل النووي على التغير المحثوث لنوكليد أو أكثر، ولهذا السبب لا يُسمى التفكك الإشعاعي radioactive decay تفاعلاً نوويا؛ً لأنه بالتعريف عملية تلقائية  spontaneous .

تحدث بعض التفاعلات النووية في الطبيعة بين الأشعة الكونية ومكونات الغلاف الجوي. ويمكن للإنسان أن يُحرض حدوثها صنعياً للوصول إلى تطبيقات مختلفة. ومن أهم الأمثلة على التفاعلات النووية الصنعية انشطار بعض النوى الثقيلة الذي يستخدم في المفاعلات النووية لإنتاج الطاقة الكهربائية.

   يعود الفضل في تحقيق أول تفاعلٍ نووي إلى العالم البريطاني إرنست رذرفورد Ernest Rutherford عندما تمكن من تحويل الآزوت الغازي إلى أكسجين باستعمال تصادم جسيمات ألفا الصادرة عن العناصر المشعة الثقيلة بالنترونات وفق التفاعل (1):

 وذلك في التجارب التي أجراها مع طالبيه غايغر Geiger ومارسدن  Marsden ما بين عامي 1917 و1920 في جامعة مانشستر. ومن ثم أنجز العالمان: الفيزيائي البريطاني جون كوكروفت John Cockcroft، والفيزيائي الإيرلندي إرنست والتون Ernest Walton عام 1932 في جامعة كامبردج تفاعلاً نووياً كاملاً بصدم بروتونات مسرعة صنعياً لنوى الليثيوم 7، أدى إلى شطرها إلى نواتي هليوم (جسيمي ألفا). يبين الشكل (1) المسرع الذي صممه كوكروفت ووالتون، وأجريا به التفاعل النووي في مختبر كافنديش Cavendish، وقد حاز العالمان جائزة نوبل في الفيزياء عام 1951 لأعمالهما هذه.

الشكل (1) مسرع كوكروفت ووالتون في مختبر كافنديش.

ترميز التفاعل النووي

تُكتب التفاعلات النووية بطريقة مشابهة للتفاعلات الكيميائية، وتخضع هذه التفاعلات لمجموعة من قوانين الانحفاظ، كانحفاظ الشحنة الكهربائية، والعدد الكتلي، والاندفاع الخطي، والاندفاع الزاوي، والطاقة بمعناها النسبي ومقادير أخرى.

ويُكتب التفاعل على الشكل كما في التفاعل (2):

(وذلك عند استخدام طاقات أقل من 100 MeV للجسيمات القاذفة حيث ينجم عن التفاعلات النووية عادةً ناتجان لا أكثر).                

حيث:  a الجسيم القاذف projectile، و X الهدف target ، وb الناتج الخفيف light product ، وY الناتج الثقيل  heavy product. ويستعمل في بعض الأحيان الشكل المختصر: X(a,b)Y، لكتابة التفاعل السابق.

في بعض التفاعلات يكون للناتجين b وY كتل متقاربة، فيسمى تفاعل انشطار نووي nuclear fission. وإذا كان الناتج b فوتون غاما، سمي التفاعل أسراً إشعاعياً radiative capture .

فيكتب التفاعل (3) مثلاً:

حيث الجسيم القاذف هو الديتريوم، والنواة الهدف هي الليثيوم 6، والناتجان هما جسيما ألفا.

يوضح الشكل (2) انحفاظ العدد الكلي للنوكليونات (2+6 = 4+4) بروتونات ونترونات A  وكذلك انحفاظ الشحنة بروتونات فقط (1+3 = 2+2) في التفاعل.

الشكل (2) التفاعل بين الديتريوم  والليثيوم المنتج لجسيمي ألفا ، وانحفاظ كل من العدد الكتلي A والذري Z.

يمكن في بعض التفاعلات النووية أن تنطلق طاقة حركية، تُوصف هذه التفاعلات بأنها منتجة للطاقة exothermic reaction ، بيد أن بعض التفاعلات يحتاج إلى طاقة حركية يحملها الجسيم القاذف لتحريض حدوثها، وتُسمى هذه التفاعلات بالماصة للطاقة endothermic reaction. وتحسب هذه الطاقات جميعها بالاعتماد على الجداول الدقيقة للكتل السكونية للنوى مقدرةً بوحدة الكتلة الذريةatomic mass unit (u) . وإذا حُسِبت طاقة الكتلة السكونية لطرفي التفاعل السابق بالاعتماد على القيم المدرجة في جداول الكتل للنوى المساهمة فيه تُلفى:

طاقة الكتلة السكونية الكلية للطرف الأيسر:

طاقة الكتلة السكونية الكلية للطرف الأيمن:

ومن ثم يوجد نقصان في الكتلة السكونية بين طرفي التفاعل:

يظهر هذا النقص في الكتلة السكونية غالباً على شكل طاقة حركية لنواتج التفاعل أي لجسيمي ألفا هنا.

يمكن تقدير الطاقة الحركية المحررة بوحدة الـMeV (ميغا إلكترون- فولط) باستخدام علاقة التكافؤ بين الكتلة والطاقة لأينشتاين: (E = m c²). فتكون الطاقة المطلقة في التفاعل النووي مساوية: 0.0238 u × 931.49 (MeV/u) = 22.2 MeV  حيث إن u تكافىء 931.49 MeV.

وأخيراً قد يرافق بعض التفاعلات النووية إصدار فوتونات غاما لدى عودة النوى الناتجة المثارة إلى حالتها المستقرة.

  طاقة التفاعل أو قيمة Q للتفاعل (Q-Value)

يكتب انحفاظ الطاقة الكلية بصيغتها النسبوية relativistic form في التفاعل النووي كما في التفاعل (4):

حيث تُمثل T الطاقة الحركية، وMc² الطاقة المكافئة للكتلة، وذلك للنوى الداخلة والناجمة عن التفاعل النووي.

وتكون النواة الهدف X ساكنةً في جملة المقارنة المرتبطة بالمخبر في معظم التفاعلات.

تُعرف قيمة Q   للتفاعل النووي بالفرق بين مجموع الطاقات الحركية النهائية ومجموع الطاقات الحركية الأولية في التفاعل (5):

وتُعرف قيمة Q  أيضاً بالفرق بين مجموع طاقات الكتل الأولية ومجموع طاقات الكتل النهائية في التفاعل (6):

ويكون التفاعل النووي منتجاً للطاقة في حالة Q موجبة؛ و ماصاً للطاقة في حالة  Q سالبة.

 أنواع التفاعلات النووية

يمكن تصنيف التفاعلات النووية تبعاً لنوع الجسيم القاذف، أو طاقة الجسيم القاذف، أو النواة الهدف، أو نوع الجسيم الناجم عن التفاعل. فإذا استخدمت طريقة التصنيف الأولى؛ يذكر تفاعلات الجسيم المشحون، وفيها يكون الجسيم القاذف بروتوناً p، أو دتروناً d، أو جسيماً a، أو غيرها من النوى المشحونة، ويذكر فيها أيضاً تفاعلات النترونات، والتفاعلات النووية الفوتونية الناجمة عن تفاعل فوتونات غاما مع نواة هدف. وأخيراً التفاعلات النووية المُحرضة بالإلكترونات.

تجدر الإشارة إلى الفرق الأساسي بين استخدام الجسيمات النووية المشحونة الموجبة في الكثير من الحالات لتحريض تفاعل نووي واستخدام النترونات معتدلة الشحنة جسيمات قاذفة؛ إذ ينبغي أن تتغلب الجسيمات المشحونة على القوة الكهربائية التنافرية بينها وبين النواة المشحونة إيجابا،ً والاقتراب بقدرٍ كافٍ منها للتمكن من تحريض التفاعل النووي. لذلك تُسرع الجسيمات القاذفة عادةً بطرائق مختلفة مثل استخدام المسرعات accelerators المتنوعة، أو درجات الحرارة العالية جداً، كما في حالة تفاعلات الاندماج النووي الحراري thermonuclear fusion.

أما في حالة استخدام النترونات المعتدلة الشحنة (أو أي جسيمات معتدلة الشحنة) جسيمات قاذفة؛ فإنها ستتمكن من تحريض تفاعلات نووية ولو كانت طاقتها الحركية منخفضة. وتختلف طبيعة التفاعلات النووية المحثوثة بالنترونات بحسب طاقتها الحركية، ويمكن في هذه الحالة استخدام هذا المعيار (الطاقة الحركية للجسيم القاذف) لتصنيف التفاعلات النووية. فيذكر- مثلاً- تفاعلات النترونات الحرارية ( التي طاقة كل منها )، وتفاعلات النترونات فوق الحرارية ، وتفاعلات النترونات البطيئة ، وتفاعلات النترونات السريعة . أما في حالة استخدام الجسيمات المشحونة جسيمات مُحرضة للتفاعل النووي؛ فتُصنف كالآتي: تفاعلات الجسيمات المشحونة المنخفضة الطاقة()، وتفاعلات الطاقات العالية ().

وأخيراً تُصنف النوى الهدف في ثلاث مجموعات: نوى خفيفة إذا كان عدد الكتلة mass number ، ونوى متوسطة الكتلة إذا كان ، ونوى ثقيلة إذا كان

إذا كان الناتج الخفيف للتفاعل مطابقاً للجسيم الوارد وله الطاقة نفسها في جملة مركز الكتلة للنواتين المتفاعلتين؛ يسمى التفاعل تبعثراً مرناً  elastic scattering، وإذا كان الناتج الخفيف مطابقاً للجسيم الوارد واختلفت طاقته في جملة مركز الكتلة؛ يسمى التفاعل تبعثراً غير مرن inelastic scattering.

يظهر في الجدول التالي أمثلة على أنواع مختلفة من التفاعلات وكتابتها بالطريقة المختصرة للترميز.

تدل النجمة على أن النواة الناتجة في الحالة المثارة.

المقطع العرضي للتفاعل النووي

يُعبر عن احتمال حدوث تفاعل بمفهوم المقطع العرضي للتفاعل nuclear reaction cross section، ويُرمز إليه بـ s.إذ تحدث التفاعلات النووية مع نواة هدف واحدة مستقلة عن النوى الأخرى، ولهذا يُعرف احتمال حدوث التفاعل مع نواة واحدة. فإذا قذف هدف رقيق جداً من مادة بحزمة جسيمات وحيدة الطاقة شدتها I جسيماً بواحدة الزمن ترد بشكلٍ منتظم على مساحة مقدارها A كما يُوضح الشكل (3)، وبفرض أن التفاعل النووي يُنتج N جسيماً خفيفاً بواحدة الزمن؛ يفترض أن لكل نواة هدف سطحاً  s عمودياً على الحزمة الواردة بحيث إنه إذا أصاب جسيم وارد موقعاً داخل السطح  s يعد التفاعل قد حدث. أما إذا لم يُصب الجسيم الوارد موقعاً داخل s؛ فيعد التفاعل لم يحدث. يسمى المقدار s المقطع العرضي للتفاعل، ويعبر عن احتمال التفاعل في حالة هدف وحيد. ويعبر عن احتمال حدوث التفاعل s بوساطة  N/I ؛ حيث I تدفق الجسيمات الواردة وN عدد جسيمات الهدف التي تصادفها:

الشكل (3) الترتيب التجريبي لتحديد المقطع العرضي للتفاعل النووي: (أ) منظر جانبي، (ب) مقطع يبين مسقط الحزمة على الشريحة الهدف.

إذ إن احتمال إصابة أي من الجسيمات الواردة الهدف يساوي النسبة N/I، وكذلك يساوي مسقط المقطع العرضي الكلي لجميع النوى الهدف ضمن المساحة A المرئي على طول اتجاه الحزمة الواردة مقسوماً على المساحة A. بفرض n عدد النوى الهدف بواحدة الحجم فيه؛ يكون عدد النوى الهدف ضمن الحجم الأسطواني ذي المقطع A والسماكة ، وعندها تُحسب النسبة N/I بالعلاقة (7):

أي إن المقطع العرضي للتفاعل يُكتب كما في العلاقة (8):

ويساوي عدد الجسيمات الخفيفة الناتجة بوحدة الزمن ووحدة التدفق للجسيمات الواردة في حالة نواة هدف واحدة. يقدر المقطع العرضي بالسنتيمتر المربع ، أو البارن ويتعلق المقطع العرضي للتفاعل النووي بطبيعة التفاعل، وبطبيعة الجسيم الوارد وطاقته وبطبيعة النواة الهدف. يوضح الشكل (4) مثالاً على المقطع العرضي لانشطار اليورانيوم 235 واليورانيوم 238 والبلوتونيوم المحرض بالنترونات بدلالة طاقة النترون الوارد.

الشكل (4) تغير المقطع العرضي لانشطار نوى اليورانيوم U-235 واليورانيوم U-238 والبلوتونيوم Pu-239 بدلالة طاقة النترون الوارد.

تفاعلات نووية مميزة

إن عدد التفاعلات النووية الممكنة ضخم جداً، بيد أن لبعض أنواعها أهمية خاصة. تتضمن هذه الأنواع التفاعلات الآتية:

-  الاندماج النووي  nuclear fusion  إذ  تندمج نواتان لتشكيل نواة أثقل مع إصدار إضافي لبعض الجسيمات (نترونات وبروتونات). -  إصدارات محرضة لفوتونات غاماinduced gamma emission : يكون البروتون هو الجسيم الوارد في هذه التفاعلات، وينجم عنها توليد حالات إثارة مختلفة للنواة الهدف أو رجوعها إلى الحالة الأصلية.

- تفاعلات الانشطار النووي المحرض بالنترونات: تنشطر في هذه التفاعلات النواة الهدف الثقيلة بعد امتصاصها لجسيم خفيف (عادة النترون) إلى نواتين لهما كتلتان متوسطتان متقاربتان، ويرافق هذه التفاعلات إصدار عدد من النترونات وطاقة ضخمة. يبين الشكل (5) مقارنة بين تفاعلي الاندماج والانشطار النووي.

الشكل (5): (أ) اندماج نواتي الدتيريوم والتريتيوم لتشكيل نواة الهليوم مع إصدار نترون، (ب) انشطار اليورانيوم 235 المحثوث بالنترون وتشكل النواة المركبة؛ وهي اليورانيوم 236 التي تنشطر إلى نواة الكربتون 89 والباريوم 144، ويرافق هذا الانشطار إصدار لـثلاثة  نترونات.

التفاعل النووي وإنتاج الطاقة

من أهم تطبيقات التفاعلات النووية الصناعية إنتاج الطاقة الكهربائية، وذلك بتحويل الطاقة النووية المحررة إلى طاقة كهربائية في المفاعلات النووية nuclear reactor. ومن أهم التفاعلات النووية المستخدمة لهذا الغرض الانشطار النووي لبعض النوى الثقيلة كاليورانيوم 235 بوساطة النترونات الحرارية. يمثل الشكل (6- أ) مخططاً لتفاعل انشطار نواة الـ U-235  المتسلسل، حيث تحرض النترونات الناجمة عن أول تفاعل تفاعلات أخرى بسبب إنتاجها نترونات إضافية ، ويبين الشكل (6- ب) المكونات الأساسية للمفاعل.

الشكل (6):  أ - مراحل الانشطار(تفاعل متسلسل chain reaction).

ب- محطة توليد الطاقة الكهربائية.

ويُعد الاندماج النووي للنوى الخفيفة من التفاعلات النووية الواعدة لإنتاج الطاقة الكهربائية النظيفة أو الصديقة للبيئة، وهو يُعطي مردوداً من حيث الطاقة أعلى مما يعطيه الانشطار النووي، وما تزال الدراسات والأبحاث والتجارب تجري على مفاعلات الاندماج النووي للوصول إلى التقانة المناسبة لإنتاج الطاقة الكهربائية بوساطتها على مستوى تجاري.  

آليات التفاعلات النووية

يعتمد إمكان حدوث تفاعل نووي من بين تفاعلات أخرى ممكنة على حساب المقطع العرضي للتفاعل، وهذا بدوره يعتمد على ما يحدث عند اقتراب النوى بعضها من بعض وعلى أشكال هذه النوى في المراحل المختلفة. ولهذا تُلفى نماذج مختلفة تختلف باختلاف النوى وطاقاتها، أشهر هذه النماذج نموذج النواة المركبة. 

نموذج النواة المركبة للتفاعل النووي compound nucleus model for nuclear reaction

     تُعد الحسابات النظرية للمقاطع العرضية للتفاعلات من الأمور المعقدة، وكان لا بد من افتراض نماذج مختلفة واختبار إمكان وصفها لحدوث هذه التفاعلات تجريبياً، ومن هذه النماذج نموذج النواة المركبة. إذ يُمكن وصف تفاعلات الطاقة المنخفضة للجسيمات القاذفة باستخدام نموذج النواة المركبة الذي يعد أن الجسيم الوارد يُؤسَر مؤقتاً في النواة الهدف، فمثلاً بعد أسر جسيم ألفا يبدأ الجسيم بالتفاعل مع نوكليونات النواة الهدف ويترك لها جزءاً من طاقته الحركية. وبعد مرور زمن من مرتبة - وهو يُمثل العمر الوسطي للنواة المركبة التي تشكلت من النواة الهدف والجسيم الوارد- يمكن لنكليون أو لعدد من النكليونات الهرب منها. وبحسب القيم المختلفة للطاقة الحركية للجسيم الوارد- تكون النواة المركبة في حالةٍ أو أخرى من حالات إثارتها الممكنة، ويكون احتمال تشكل الحالة الموافقة؛ ومن ثم احتمال حدوث التفاعل كبيراً. وقد استطاع نموذج النواة المركبة تفسير وجود ذرى أو تجاوبات resonances  في قيم المقاطع العرضية للتفاعلات المنخفضة الطاقة عند قيم محددة لطاقة الجسيم الوارد  كما في الشكل (4).

التصنيف : الكيمياء والفيزياء

النوع : الكيمياء والفيزياء

المجلد: المجلد التاسع

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية