الانشطار النووي

انشطار نووي

Nuclear fission - Fission nucléaire

الانشطار النووي

مصطفى حموليلا

الانشطار النووي nuclear fission من الظواهر النووية المعقدة التي لم تُدرس حين اكتشافها دراسة نظرية وافية، بسبب المسارعة إلى تطبيقاتها المدنية والعسكرية، وقد تطور فهم أسسها تدريجياً مع تطور الفيزياء النووية، وأطلق عليها هذا الاسم تمييزاً لها من النشاط الإشعاعي الطبيعي الذي يغلب عليه صدور إشعاعات كهرطيسية على شكل أشعة غاما γ، أو إشعاعات خفيفة نسبياً مثل أشعة بيتا β وأشعة ألفا α.إذ إن حدوث الانقسام إلى جزأين متقاربين في الكتلة طبيعياً احتمال ضعيف يقارب 1%. لذلك كان اكتشاف الانشطار المحرض بالنترونات خطوة جديدة في الفيزياء النووية. فبعد اكتشاف النترون عام 1939 انبرى الفيزيائيان الألمانيان هان وستراسمان Hahn & Strassman لإجراء سلسلةٍ من التجارب المفصَّلة بتشعيع اليورانيوم بالنترونات برهنت بنحو قاطع على أن افتراض المواد المشعة الناتجة هي من المادة الناقلة التي كانت تستعمل مثل الباريوم أو اللانتانوم هو افتراض خاطئ، ولم يكن ذلك سوى للتشابه الكيميائي للنواتج مع الباريوم واللانتانوم. فقد أشارت هذه النتائج المفاجئة إلى إمكان انقسام نوى اليورانيوم المشعَّعة بالنترونات إلى كتلٍ متوسطة، فأعلنا تفسير تجاربهما هذا بتحفظٍ لعدم انسجام هذا الطرح مع المفاهيم السائدة عن خواص النوى آنذاك. ولكن التجارب اللاحقة دعمت هذا التوجه، فأعلنا قرارهما الحاسم النهائي في ورقتهما المنشورة عام 1939 بأن الراديوم والأكتينيوم المذكورين في ورقتهما السابقة ليسا إلا نظيري الباريوم واللانتانوم، وأكد ذلك كل من الألمانيَّين ليز ميتنر وأوتو فريش Lise Meitner & Otto Frisch عام 1939 بالقول إذا كانت النواة تنشطر إلى قسمين متقاربين كتلةً فإن التدافع الكولوني بينهما سينتج طاقة حركية تقارب
MeV 200 نتيجة تحول الفارق بين كتلة النواة الأصل والكتلتين الناتجتين. وهذا ما تثبَّت منه هذان العالمان مباشرة بالتجربة عام 1939 باستخدام حجرة التأين.

أثار انقسام نوى الذرات الثقيلة الناشئ من أسر نترون حراري أو منخفض الطاقة إلى شظايا متوسطة الكتلة معضلاتٍ نظرية جديدة. وكان ميتنر وفريش أول من أدخلا كلمة الانشطار واقترحا تفسيراً نظرياً على أساس نموذج القطرة النووية السائلة. قد بيَّنا أنه كما تنقسم قطرة سائلة عند وضعها في حالة اهتزاز يمكن أن تنقسم النواة إلى نواتين أصغر.

وبعد أن لفت ميتنر وفريش الأنظار إلى الطاقة الكبيرة المرافقة للانشطار توالت تأكيدات هذا الانشطار الفورية في عشرات المخابر حول العالم.

تطلق نوى ذرات U235 عند انشطارها المحرض بالنترونات الحرارية، نتيجة انقسامها وإطلاق الإشعاعات المختلفة، نترونات بمعدل2.5 عند كل انشطار، كما برهن على ذلك كل من فريدريك جوليو F. Joliot وهانز فون هالبان H. von Halban وكوارسكي L. Kowarski. ويمكن أن تحرّض هذه النترونات بدورها انشطارات أخرى مولدةً ما يسمى بالتفاعلات المتسلسلة التي تعدّ أساس توليد الطاقة النووية، كما توقع إنريكو فرمي Enrico Fermi ومساعدوه، وذلك عند التمكن من التحكم بهذا التسلسل. وفي العام 1942 نجحوا في تحقيق ذلك؛ فعمل أول مفاعل نووي تألف من مصفوفات كتل اليورانيوم وقوالب (بلوكات) الغرافيت في حرم جامعة شيكاغو.

تسابقت تطبيقات الانشطار المتسلسل متسارعةً، قبل التعمق في دراستها ، ففي نهاية 1945 أُجري أول التفجيرات النووية التجريبية في ألموغوردو Alamogordo (نيومكسيكو) في الولايات المتحدة الأمريكية. وانتهى مشروع مانهاتن إلى تفجيري هيروشيما وناغازاكي، واتسعت معرفة العالم بالانشطار ومنتجاته منذ ذلك الحين. ومن ثم بدأ التعمق في المفاهيم الأساسية للانشطار مع بداية الستينيات. وفي العام 1967 انعطف الفيزيائيون نحو حل وسط بين التناول المجهري للانشطار على أسس ميكانيك الكم والجهري وفق نموذج القطرة السائلة. إذ اقترح الباحث السوڤييتي ستروتينسكي Strutinsky ذلك مع تقريبات كبيرة، لكنه نجح في تفسير انشطار كثير من النوى الثقيلة والتنبؤ بذلك، مع عدم ارتكازه على مبرر أساسي.

تبين عن طريق استعمال القفاءات tracers والكيمياء التحليلية أن المسؤول عن ظاهرة انشطار اليورانيوم بالنترونات الحرارية هو اليورانيوم 235 تحديداً وأن اليورانيوم 238 لا يمكن أن ينشطر إلا بالنترونات السريعة التي تزيد طاقتها على 1 MeV. وأن نوى عناصر ثقيلة أخرى مثل الثوريوم والبرنكتينيوم قابلة للانشطار بالنترونات السريعة وبغيرها من الجسيمات مثل البروتونات السريعة وجسيمات (أشعة) ألفا a وكذلك إشعاعات غاما γ . وقال نيلز بور N. Bohr ببساطة إن الانشطار ليس إلا أحد مظاهر فقدان طاقة النواة المثارة عند امتصاصها أحد النترونات الراجمة. وأكد ذلك فريش بقياس الطاقة الحركية للشطرين في حجرة ويلسن، وأن هذه الطاقة تقارب200 MeV وسطياً وهذا يتفق مع نقص الكتلة في طرفي التفاعل النووي.ومن ثم جاءت مرحلة النماذج النووية الأكثر تقدماً التي قدمت تمثيلاً مبسطاً لتصرف النواة بدءاً من نكلوناتها (A=Z+N) وتآثرها بعضها مع بعض تآثراً كولونياً وتآثراً وفق القوى النووية، فكانت الأكثر ملاءمة لتفسير النتائج الواقعية.

تركز الهدف من دراسة الانشطار خلال الحرب العالمية الثانية حتى العام 1955 في الحصول- سواء بالقياس أم بالحساب- على المعطيات النووية الضرورية لفهم الأساسيات المؤدية إلى إنتاج الطاقة بالمفاعلات حيث استمرار التحكم والمراقبة أو الحصول على القنابل النووية (الذرية). ومن أهم هذه المعطيات ما يسمى بالمقاطع الفعَّالة للانشطارات عند الرجم بالنترونات ذات الطاقات المختلفة.

ظل نموذج القطرة السائلة مفيداً جداً، وإن كان مجرد تقريب لا يأخذ بالحسبان الآثار الكمومية ذات العلاقة والشأن. ثم بدأ وضع الانشطار بالتطوير التدريجي منذ العام 1955 مع توسع مجالات الفيزياء النووية لدراسة مواد نووية أكثر غرابة وتشوهاً، بعيداً عن تطبيقات الانشطار التي تولد طاقة والتوجه نحو دراسات أكثر تعمقاً. فاكتشفت في الستينيات أوجه أخرى لظاهرة الانشطار في عددٍ من المختبرات المستقلة بعضها عن بعض، من دون إعطاء تفسيرات لها حتى العام 1973، حين أجريت حسابات أدق لطاقات الحالات النووية الشديدة التشوه، وأمكن إعطاء تفسير إجمالي لها مع بعض التفصيل، فقد مثَّل الانشطار النووي تفاعلاً أو تحولاً يتناول إعادة ترتيبٍ عنيفٍ لعديد النكلونات المكونة للنواة الثقيلة المحرّضة ينتهي بتحولها إلى نواتين متوسطتين. تتضمن هذه الحسابات الآثار الكمومية الفاعلة في بنية النواة وشكلها واستقرارها ومساهمات الطاقات المختلفة قبل تحريضها وبعده، منطلقة من أسس عملية الانشطار بدءاً من بنية النواة واستقرارها.

تتألف النواة من نكلونات (بروتونات عددها Z ونترونات عددها N) يطابق عددها العدد الكتلي للنواة A. والكتلة الفعلية للنواة M أقل دوماً من مجموع كتل مكوناتها من بروتونات pm ونترونات nm حرة. ويشكل الفرق بين هاتين الكتلتين ما يسمى المكافئ الكتلي لطاقة تشكيل النواة B من مكوناتها الحرة (نقص الكتلة = طاقة الارتباط)، أي حيث c سرعة الضوء. فيقيس نقص الكتلة mass defect طاقة الارتباط الكلية لمكونات النواة، ويقيس بالتالي مدى استقرارها. ويحسب عادة لمقارنة شدة ارتباط نكليون واحد في العناصر المختلفة متوسط طاقة الارتباط لنكليون واحد فتقسم Bبالعدد A؛ ويظهر الشكل (1) هذه المقارنة. أي إن هذه الطاقة تتحرر في أثناء تشكل النواة من مكوناتها، وهي التي يجب بذلها لتفكيك هذه النواة إلى مركباتها المستقلة. يتبيّن من هذا المنحني أن النوى ذات الاستقرارية العظمى تقع حول العدد الكتلي A=56 وهذا لعنصر الحديد. وبالتالي فإن أي نواة يزيد عددها الكتلي على 56 تصبح أكثر استقراراً عند انقسامها، في حين أن النوى الأخف من 56 يمكن أن تكتسب استقراراً أكبر لدى اندماجها لتشكل نوىً أثقل ولاسيما النوى الخفيفة جداً كالهليوم، كما يحدث في الشمس وفي انفجارات القنابل الهدروجينية.

الشكل (1): متوسط طاقات ارتباط النكليونات في النوى بدلالة أعدادها الكتلية(A).

لا تسعى كل نوى المواد إلى الانشطار على أساس اعتبارات الطاقة وحدها التي يشير إليها الشكل(1)، بسبب عوامل كثيرة إضافية تحول دون حدوث هذه التحولات التلقائية. ففي نموذج القطرة السائلة مثلاً تكون النكليونات مترابطة بالقوة النووية القصيرة المدى، والتجاذب النووي القوي بين أزواج النكليونات يؤثر في النكليونات المتجاورة فقط مما يجعل النكليونات الواقعة قرب سطح القطرة خاضعة لمحصلةٍ تجرها نحو الداخل، نحو النكليونات قرب السطح، وتنشأ بذلك قوة تشبه قوة التوتر السطحي في السوائل، ,يفترض أن يؤدي ذلك إلى الشكل الكروي الذي يجعل الطاقة السطحية في حدها الأدنى. وفي الوقت ذاته تمارس البروتونات كلها سواء السطحية منها أم الداخلية قوة تدافع متبادلة طويلة المدى (قوة كولون الكهربائية). وعندما يتخطى عدد النكليونات 40 يتطلب الوضع تقليل أعداد البروتونات للتخفيف من سعيها المناوئ لاستقرار النوى بزيادة أعداد النترونات للمحافظة على الاستقرار النسبي للنواة. فإذا أثيرت النواة بفعل خارجي ما وشرعت بالاهتزاز (أي تشوه شكلها الكروي) ازدادت القوى السطحية محاولةً إعادة النواة إلى الشكل الكروي. ومن الناحية الأخرى تتناقص قوى التدافع الكولوني بين البروتونات مع تشوه القطرة (النواة) لتزايد ابتعاد البروتونات بعضها عن بعض، فيتولد من نزعة التعارض بين القوتين ما يسمى حاجز طاقة الجملة الكامنة، كما هو مبين في الشكل(2). وبما أن التنافر الكولوني بين البروتونات يتناقص مع التطاول أكثر من تزايد التوتر السطحي ستتوازن القوتان تقريباً في النقطة B التي يقابلها ارتفاع حاجز الانشطار. وتسمى هذه النقطة نقطة السرج. لأنها في حالة الشكل الثلاثي الأبعاد للطاقة الكامنة يكون العبور فوق حاجزٍ على هيئة سرج الحصان. ويؤدي التنافر بين البروتونات - بعد النقطة B- إلى تزايدٍ في تطاول النواة حتى بلوغ النقطة S (نقطة الانقسام) حيث تنفصل النواة إلى قسمين اثنين بنتيجة التنافر الكولوني بين البروتونات. ويُذكر هنا وجود نموذجين للانشطار الأول يحافظ فيه الشطران على عددي البروتونات والنترونات في النواة الأم. والثاني تتحول فيه بعض النترونات إلى بروتونات أو بعض البروتونات إلى نترونات مع إصدار إشعاعات بيتاβ أو إشعاعات غاما γ. يمكن أن تتابع الدراسة فتدرس القطرة عندما تأسر نترون خارجي وردها فتصبح دراسة للانشطار المحرض.

الشكل (2): الطاقة الكامنة بتابعية تطاول النواة وفق نموذج القطرة السائلة.

الانشطار المحرض( المحثوث) induced fission

يعتمد ارتفاع حاجز الانشطار، وفق نموذج القطرة السائلة- وشكله على النواة المدروسة بذاتها، ويمكن تحريض الانشطار بإثارة النواة إلى طاقة تساوي ارتفاع حاجز الانشطار، أو أكبر منه وذلك مثلاً بتأثير أشعة غاما (انشطار ضوئي photofission) أو بأسر بروتون أو نترون أو غيره من الجسيمات. تعتمد طاقة ارتباط النكليون في النواة - إضافة إلى ما تقدم- على ما يسمى سلوك الفردية – الزوجية للنواة، فإذا أضيف نترون إلى نواة فيها عدد فردي من النترونات أصبح لديها عدد زوجي من النترونات، وأصبحت طاقة الارتباط أكبر منها في حالة إضافة نترون يجعل عدد النترونات الكلي فردياً. وتتسبب طاقة الزوجية هذه - ولو جزئياً - باختلاف سلوك النوى التي يمكن أن يحدث الانشطار فيها إما بنترونات بطيئة (منخفضة الطاقة) أو تلك التي يتطلب انشطارها نترونات سريعة (عالية الطاقة). وعلى الرغم من أن العناصر الثقيلة غير مستقرة من حيث الانشطار فإن أكثرها قابلة للانشطار بالنترونات البطيئة وخاصة تلك التي تحوي أعداداً فردية من النترونات مثل ، في حين أن أكثر النوى التي تتطلب نترونات سريعة تحوي أعداداً زوجية منها (مثل )، لأن إضافة نترون في الحالة الأولى تحرر طاقة ارتباطٍ كافيةً لتحريض الانشطار، وفي الحالة الثانية تكون طاقة الارتباط أقل من ذلك ويمكن أن تكون غير كافية لاجتياز حاجز الكمون وإتمام الانشطار، ويترتب تزويدها بالطاقة على هيئة طاقة حركية للنترون الوارد (ولا تقل هذه الطاقة في حالة الثوريوم – 232 عن 1MeV).

الانشطار التلقائي spontaneous fission

يمكن تحسين نموذج القطرة السائلة بإدخال التآثرات الكمومية بصورة مشابهة لمعالجة الذرة متعددة الإلكترونات ومستويات طاقتها المقابلة لتشكيلات مختلفة لنصل إلى ما يعرف بنموذج القشرة (الصدفة) shell model. يتعدل عندئذ المنحني في الشكل (2) ليأخذ الشكل المبين في الشكل (3).

الشكل (3): الطاقة الكامنة بتابعية تطاول النواة ، الخط المتصل مع تعديلات كمومية، الخط المتقطع وفق نموذج القطرة السائلة.

يمكن - وفق النموذج الكمومي- حساب احتمال الانشطار انطلاقاً من معرفة الحالة الأرضية وطاقتها والحالات المثارة وطاقاتها. ففي حالة انشطار اليورانيوم 238 مثلاً؛ تبقى النواة داخل حاجز الانشطار ويكون لديها احتمال صغير ولكنه محدود لأنها تكون في حالة من الطاقة تميل إلى الانشطار إلى قسمين. وقد يحدث هذا عبر اختراق الحاجز الكموني بالعبور النفقي tunneling transfer إذا لم تكن الطاقة كافية لتجاوز الحاجز تقليدياً. وتمثل العملية في هذه الحالة انشطاراً تلقائياً. يكون احتمال هذه العملية ضئيلاً جداً، ويتطلب تحول نحو نصف كمية اليورانيوم أكثر من 1510 سنة . يزداد احتمال الانشطار التلقائي هذا على نحو كبير في حالة النوى الأثقل المعروفة حتى يصبح نموذجاً للانشطار المستمر فينخفض ما يستغرقه إلى أجزاء الثانية.

ظواهرية الانشطار phenomenology of fission

يمكن أن تتشكل في حالة انشطار نواةٍ ثقيلة أزواج مختلفة من الشظايا وذلك بحسب توزع النترونات والبروتونات مابين الشطرين. ويؤدي هذا إلى توزع محتمل لكل من الكتلة والشحنة النووية في كلٍ من الشطرين. يسمى احتمال تشكل شطرٍ بعينه ناتجه الانشطاري، ويعبر عنه بنسبة الانشطارات المئوية المؤدية إليه.ويؤثر هذا التوزع في توزع الطاقة الحركية للشطرين أيضاً.

ولما كانت السرعتان الابتدائيتان للشطرين المتنافرين أكثر من أن تجاريهما إلكترونات الذرة المنشطرة، فإن كثيراً من هذه الإلكترونات ينسلخ عن الشطر وبذلك يكون لكل شطر شحنته الموجبة مسببة ابتعاد الواحد عن الآخر كإيونين عاليي الشحنة. وفي حين تعود نواة الجزء المشطور إلى الاعتدال؛ تتحول طاقة التشوه المستردة إلى طاقة إثارة داخلية ونتروناتٍ وأشعة غاما فورية تواكب الانشطار. وعندما تتصادم الأشطار العالية الشحنة والسريعة الحركة مع ذرات الوسط التي تتحرك فيه؛ تتباطأ حتى تسكن فاقدة طاقتها الحركية ولا يتعدى مدى هذه الأشطار في الهواء سنتمترات قليلة، كما تلتقط الإيونات في أثناء عملية التباطؤ إلكترونات من الوسط حتى تعتدل كهربائياً لدى توقفها. وتسمى الذرة الناتجة في هذه المرحلة من الأحداث المتتالية «ناتج الانشطار» تمييزاً لها من الشطر الأولي المتشكل عند الانقسام. ولما كان من المحتمل فقدان بعض النترونات في أثناء الانتقال من الشطر الأولي إلى ما سمي ناتج الانشطار فمن الممكن ألا يكون لهما العدد الكتلي ذاته. وقد يبقى ناتج الانشطار غير مستقرٍ وناشطاً إلى حين بلوغ حالة الاستقرار في النهاية وفق سلسلة من التفككات البتاوية beta decays التي يمكن أن تختلف أعمارها ما بين أجزاء الثانية إلى عدة سنوات. وتتألف التفككات بيتا من إلكتروناتٍ ونترينوهات مضادة تترافق في الغالب وإشعاعاتغاما γ وأشعة سينية.

يعدّ انشطار نواة اليورانيوم-235 الانشطار النموذجي الأشهر فعند اصطدامها بنترون بطيء فإنها تأسره وفق التفاعل أو التحول (1):

فالنواة المركبة تنشطر إلى قسمين a و b مع إطلاق بعض النترونات.

إن الانقسام إلى شطرين مختلفين كتلةً مع إطلاق بضعة نترونات هو الأكثر احتمالاً من الانشطار إلى شطرين متساويي الكتلة فالتحول (2) هو الأكثر احتمالاً ويتفق هذا مع التجربة:

وليس هذا إلا واحداً من مئات الانشطارات الممكنة، وهو مهم للكائنات الحيّة، ويشكل مكوناً رئيسياً في الهطل بعد التفجيرات النووية. فالسترونسيوم يصدر جسيمات بيتا السالبة بعمر نصفٍ يقارب 28 سنة. ويكون فرق كتلتي الطرفين U0.1514 (واحدة كتلة ذرية) أي نحو 4 MeV في اتجاه النقصان وبالتالي فإن هذا التفاعل ممكن الحدوث.

قد تطلق الانشطارات الممكنة الأخرى طاقة أكثر أو أقل من انشطار اليورانيوم – 235 نفسه، ويقدر وسطي هذه الانطلاقات بنحو 200 MeV لانشطار كل نواة منه.

يستفاد من التحكم في هذه الإصدارات وفي أعداد النترونات في تشغيل المفاعلات النووية عند ضبط ما يسمى مفاعل التكاثر K عند قيمة أعلى قليلاً من الواحد الذي يتطلب حسابه معرفة المقاطع العرضية للانشطار، وتغيرات عدد النترونات الفورية الصادرة بدلالة النوى المنشطرة وتوزع الكتلة بينها؛ والتوزع الزاوي للأشطار بالنسبة إلى اتجاه حزمة الجسيمات المحرضة للانشطار؛ وأعمار النصف للانشطارات التلقائية؛ ونوع إصدار الجسيمات الخفيفة ؛ ووجود مصدرات النترونات المتأخرة بين نواتج الانشطار؛ والمقاسات الزمنية للمراحل المختلفة في عملية الانشطار، وتوزع إطلاق الطاقة المحررة بالانشطار ما بين الجسيمات والإشعاعات الناتجة.

توزعات كتل شقي الانشطار fission fragment mass distributions:

يعد توزع كتل شقي الانشطار أحد سمات الظاهرة الأكثر لفتاً للنظر،إذ يعتمد التوزع على كتلة النواة المنشطرة وعلى طاقة الإثارة التي يحدث عندها الانشطار. فعند طاقة الإثارة المنخفضة، يكون احتمال انشطار النوى مثل اليورانيوم -235 أو البلوتونيوم -239 متقارباً، بمعنى أن قسمي الانشطار يشكلان سنمين في منحني توزع كتل الانشطار، ويرجح اقتسام الكتلة غير المتساوي، كما يظهر في الشكل (4). فمجموعة الأشطار الخفيفة الكتلة تنزاح باتجاه الكتل ذات القيم العليا مع تزايد كتل النوى المنشطرة، في حين تبقى مواضع كتل الانشطار الأكبر مستقرة في مكانها تقريباً. ومع تزايد طاقة تحريض الانشطار يتزايد احتمال انقسام الكتلة المتناظر، في حين يتناقص احتمال الانشطار اللامتناظر. وهكذا يتزايد احتمال اتساع الوادي مابين القمتين. وفي حالة الإثارات العالية جداً يصبح توزع الكتل وحيد السنام حيث الناتج التناظري الأعظمي (الشكل 5). إلا أن نظائر الراديوم تبدي توزعاً طريفاً ثلاثي السنام. أما النوى الأخف من الراديوم فتظهر سناماً مفرداً مع توزع تناظري للكتل عند القمة. وفي حالة النوى الثقيلة جداً في مجال الفرميوم 260 يصبح منحني ناتج الانقسام متناظراً (وحيد السنام) حتى من أجل الانشطار التلقائي، وتكون الطاقات الحركية للأشطار عالية على نحو غير معتاد.

الشكل (4): توزعات كتل الأشطار (أو منحنيات نواتج الانشطار) في انشطار اليورانيوم-332 المحرض بالنترون الحراري، وكذلك اليورانيوم- 235 والبلوتونيوم-239 وكذلك الانشطار التلقائي للكاليفورنيوم - 252

الشكل (5): اعتماد توزع كتل الانشطار على طاقة الإثارة في انشطار اليورانيوم-532، وعند طاقات الإثارة العليا يصبح المنحني بسنام واحد مع نهاية عظمى لإنتاج الكتل المتناظرة في الانشطارات

سلاسل التفكك الإشعاعي وتوزع شحنات للأنشطار fission decay chains and charge distribution

تعد نسبة النترونات إلى البروتونات (n/p) عاملاً آخر لتحافظ النواة على استقرارها، فينبغي أن تتزايد مع تزايد أعداد البروتونات. تبقى هذه النسبة قرب الواحد حتى بلوغ عنصر الكلسيوم ذي العشرين بروتون ، ومن ثم تتزايد بالتدريج حتى تبلغ قيمةً تقارب 1.5 في حالة أثقل العناصر. وعندما تنشطر نواة ثقيلة ينطلق عدد قليل من النترونات، ومع ذلك تبقى النسبة في الأشطارعالية غير متوافقة مع استقرارها. وتمر الأشطار بتفككات إشعاعية حتى تبلغ الاستقرار بتتابع تحول بين النترونات و البروتونات مع إصدار إشعاعات بيتا ونترينو مضاد.

يبقى العدد الكتلي A لهذه الأشطار على حاله بعد هذه التفككات إلا أن شحنة النواة Z تتغير بمقدار الواحد إثر كل تفكك ويتشكل بذلك عنصر أو عناصر جديدة. وتتشكل في سلسة تفككات المتوالية، ما يسمى الإيزوبارات Isobars. وتتزايد أنصاف أعمار عناصر سلسلة التفككات الإشعاعية الايزوبارات بشكل عام، حتى الاقتراب من الإيزوبار المستقر الأخير في السلسلة.

ففي حالة الانشطار النموذجي لليورانيوم 235، المحرض بالنترون، يمكن أن تنتج كتلتان لناتج الانشطار141 و 93، عقب إصدار الشطرين الأوليّين لنترونين. ويعد اقتسام الشحنة بين الشطرين وسيطاً مهماً في عملية الانشطار. ففي حالة العددين الكتليّين 93و141 تتكون نتائج سلاسل التفكك الإيزوبارية التالية، وقد ذكرت أعمار النصف لكل عملية تفكك فوق الأسهم الممثلة لتحولاتها (المعادلتان 3 و 4):

ينبغي في هذه التحولات أن يُحفظ عدد البروتونات الـ 92 لليورانيوم، ويمكن أن يكون ذلك في أزواج – نواتج الانشطار المتممّة مثل زوجي الكريبتون 36 والباريوم 56، والروبيديوم (37) والسيزيوم (55)، أو السترونسيوم (38) والكزينون (54).

وترى أبحاث الكيمياء الإشعاعية الموّسعة أن أكثر أجزاء الشحنة احتمالاً هو ذلك الجزء من الشحنة المنزاح عن الاستقرار بنحو ذات البعد تقريباً في كلٍّ منِ السلسلتين. مثل
و في المثال السابق . وتسمى هذه المشاهدات التجريبية فرضية «إزاحة الشحنة المتساوية (ECD) Equal Charge Displacement »، والذي تأكد تجريبياً. ففي المثال المذكور أعلاه تتنبأ ECD بأن أكثر الشحنات احتمالاً هي عند الروبيديوم (37) والسيزيوم (55).إلا أن تأثير الحجب الشديد يغير توقعات ECD بالنسبة إلى هذه الأشطار. وأن احتمال تشكيل الشحنة حول الشحنة الأكثر احتمالاً (Zp) هو أكثر تضيقاً ويبتعد عن الشكل الغاوصي Gaussian المتوقع، وهو مستقل تقريباً عن انشطار الكتلة بحد ذاته. ويعد تشكل الشحنة الأكثر احتمالاً في سلسلة إيزوبارية مفهوماً مفيداً لوصف توزع الشحنة وهو لا يحتاج إلى تكامل معقد. وعند تزايد طاقة الانشطار يميل اقتسام الشحنة إلى جهة المحافظة على النسبة n/p في الأشطار كما في النواة المنشطرة (الأم)؛ وهذا ما يشار إليه عادة بتوزع الشحنة اللامتغير.

النترونات الفورية في الانشطار prompt neutrons in fission

يختلف العدد الوسطي للنترونات الصادرة عن الانشطار الواحد باختلاف النواة المنشطرة. فهو نحو 2.0 نتروناً في الانشطار التلقائي لليورانيوم 238 و4.0 في انشطار الفرميوم257ويساوي 2.41 عند انشطار اليورانيوم 235 المحثوث بنترونات حرارية. ويتغير العدد الفعلي للنترونات الصادرة مع كل حادثة انشطار تابعاً لانقسام الكتلة ، وهذا غير متفق عليه حتى الآن، غيرأن المتفق عليه عموماً أن معظم هذه النترونات تتحرر من طرفي الانشطار المرتدين فور حدوث الانشطار، وأن عدد النترونات الصادرة من كلٍّ من الشطرين يعتمد على مقدار الطاقة التي حازها الشطر عند الانشطار.

يبين الشكل( 6) عدد النترونات الصادرة عن كل شطر بدلالة العدد الكتلي للشطر وذلك في حالة انشطار اليورانيوم 235 بالنترونات الحرارية. كما يبين أيضاً توزع الناتج – الكتلي. ويعد شكل أسنان المنشار في منحني إصدار النترونات هذا نموذجياً لكثير من الأنظمة المنشطرة عند طاقات الإثارة المنخفضة.

الشكل (6): اعتماد النواتج النترونية على كتل الانشطار البدئية في حالة انشطار اليورانيوم-532 بالنترونات الحرارية. متوسط عدد النترونات المنتجة في الاشطار الخفيفة VL ومن الأشطار الثقيلة VH ومجموع كلا النوعين V ويبين الشكل أيضاً كتل منتجات الانشطار البدئية وكذلك النهائية

النترونات المتأخرة delayed neutrons

قليل من الأشطار المتولدة جراء الانشطار يُطلق بتفككه الإشعاعي جسيمات بيتا تتجاوز طاقتها طاقة ارتباط النترون فيها. ومن المحتمل أن يحدث هذا عندما يكون لدى هذه النوى الوليدة نترون واحد أو اثنان فوق ما تتضمنه طبقة النترونات المغلقة (المكتملة) ذات الـ 50 أو 82 نتروناً. فهذه النترونات «الفائضة» تكون أضعف ارتباطاً بالنواة. ويمكن أن ينقل التفكك البتاوي هذه الأشطار الساكنة إلى حالة مثارة ينطلق منها نترون، فيتأخر إصدار هذا النترون بقدر عمر نصف التفكك البتاوي للنواة السلف. وقد عرفت مصدرات نترونات متأخرة بأعمار نصف تقع بين 0.5 و 56 ثانية و لا يؤلف ناتج النترونات المتأخرة هذه سوى واحد بالمئة من أعداد النترونات الفورية، ولكنها مهمة جداً في إدارة التفاعل المتسلسل في المفاعلات النووية.

توزع الطاقة المتحررة بالانشطار distribution of energy released in fission

يمكن حساب الطاقة الكلية المتحررة في أي حادثة انشطار من الفرق مابين كتل السكون للأطراف المتفاعلة ومنتجاتها النهائية المستقرة. ففي حادثة الانشطار النموذجية لليورانيوم -235 هي الفرق بين (U+n235) ومنتجاتها النهائية المستقرة (⁹³Nb+¹⁴¹Pr+2n). تتوزع الطاقة المتحررة بين المركبات الرئيسية للانشطار المحرض بالنترون الحراري تقريباً على النحو الظاهر في الجدول (1).

وتعتمد الطاقة المتحررة من أسر النترونات الفورية في النهاية على كيفية توقفها، حيث إن بعضاً منها يهرب من قلب المفاعل.

تتحرر طاقة الانشطار في مجال زمني قصير يقارب -1012 ثانية، لذلك يسمى بالتحرر الفوري. وتتحول هذه الطاقة بنسبة كبيرة إلى حرارة في المفاعل المستخدم لتوليد الطاقة. وهناك أيضاً تحرر متأخر للطاقة من التفكك الإشعاعي لنواتج الانشطار الذي يمتد أعمار نصفها من أجزاء الثانية إلى سنوات كثيرة. ولا تعدّ النترينوهات المضادة المرافقة للتفكك البتاوي لنواتج الانشطار مؤثرة، لأنها لا تتفاعل عملياً مع المادة، ولا تسترد طاقتها الحركية المقاربة لـ 10 MeV عند كل انشطار. وعليه تقارب الطاقة الكلية المتحررة عند انشطار كلِّ نواة نحو 200 MeV، وهي القابلة للاستثمار في تطبيقات الطاقة.

نظرية الانشطار:

يتشابه إطار فهم التفاعلات النووية مع إطار فهم التفاعلات الكيميائية التي تفسر وفق مفهوم سطح الطاقة الكامنة التي يحدث وفقها التفاعل وخاصة في نموذج القشرة. فعندما تكون الطاقة الكامنة تابعة لأكثر من متحول تمثل بسطح في الأبعاد الثلاثة، فكما أن التفاعلات الكيميائية تسير نحو الطاقة الكامنة الأخفض، ما يزيد في استقرارها، يمكن في حالة الانشطار أن تحسب الطاقة الكامنة كتابعٍ لتشكل الجملة حين تواصل السير فوق الحاجز حتى نقطة الانفصال. ويمكن أن يتحدد طريق الطاقة الكامنة الأخفض تبعاً لذلك.

لايزال الحساب الدقيق لسطح الطاقة النووية الكامنة غير مكتمل، ولتسهيله بُنيت وتبنى نماذج مختلفة لمحاكاة الجملة الحقيقية. وأدخلت بعض هذه النماذج أوجه البنية النووية والمطيافية المقابلة اعتماداً على نتائج التفاعلات النووية، إضافة إلى بعض المفاهيم النظرية عن طبيعة القوى النووية وديناميات المسار نحو الانشطار. ولم يتمكَّن أي من هذه النماذج من تفسير كل أوجه ظاهرة الانشطار الواسعة، ولكن يتوجه كل منها إلى محاولة تفسير أو توصيف أحد جوانب هذه العملية، ويوفر بذلك أساساً لتطوير أوسع نحو النظرية الكاملة.

التصنيف : الفيزياء النووية

النوع : الفيزياء النووية

المجلد: المجلد الثالث

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