التفاعلات النووية

التفاعل النووي :
هوعملية إحداث تغير في مكونات نواة ما من أجل  تحويلها من نواة مستقرة إلى نواة غير مستقلة .
وتفقد الذرات بعض الكتل  خلال تفاعلها النووي ,  حيث تتحول هذة الكتل إلى كمية كبيرة من الطاقة المحررة .
ففي عام 1919 م استطاع العالم رذرفورد تحويل نواة عنصر إلى آخر عندما أجرى أول تفاعل نووي صناعي حيث قذف نوى النتروجين 147N   بجسيمات ألفا , لينتج من هذا التفاعل النووي نوى أكسجين  178O  وبروتونات وتوضح المعادلة الآتية هذا التفاعل النووي :     
                       11H       +       178O      →  147N  +   4 2He
و جسيمات ألفا التي تنبعث من المصدر المشع بدورها تصطدم بنوة النتروجين , مستقرةً بداخلها مكونة نواة جديدة هي نواة عنصر الفلور     189Fغير المستقرة والتي تمتلك طاقة عالية جداُ , ولكي تعود إلى حالة الأستقرار فإنها تشع بسرعة بروتوناً فتتحول النواة إلى حالة عنصر آخر هو الأوكسجين .
ويمكن الملاحظة بأن هذه العملية تتم في فترة زمنية قصيرة تقريباً     10 9 ثا , وتتم هذه التفاعلات حسب المعادلتين  التالية :
1)               * [ 189F ]     →  147N  +   4 2He
2)       11H       +       178O      →    * [ 189F ]    
ففي التفاعلات النووية بل جميعها تخضع لمبادئ حفظ الكميات وهي كالتالي
§        مبدأ حفظ العدد الكتلي  : مجموع  الأعداد لكتلية للنوى المتفاعلة  = مجموع  الأعداد الكتلية  للنوى الناتجة من التفاعل .
§        مبدأ حفظ الزخم   : مجموع الأعداد الذرية للنوى المتفاعلة  = مجموع الأعداد الذرية للنوى التي تنتج من التفاعل .
§         مبد أ حفظ الشحنة : المجموع الجبري لشحنات النوى الداخلة في التفاعلات يساوي المجموع الجبري لشحنات النوى الناتجة من التفاعل .
§        مبدأ حفظ  (الطاقة – الكتلة) : من أجل موازنة الطاقة في التفاعلات النووية يجب أن نأخذ الطاقة الحركية للنوى المتفاعلة والناتجة , وكذلك كتل النوى المتفاعلة والناتجة .
ويمكننا أن نأخذ مثالاً على ذلك :
في تفاعل رذرفورد  التالي :    
        الطاقة الحركية  +   11H + 178O  →  147N  +   4 2He
 الطاقة الحركية لجسيمات ألفا 0,0083 و . ك . ذ   ,  وبالتالي يمكننا حساب الطاقة الناتجة من هذا التفاعل بتطبيق مبدأ ( الطاقة – الكتلة) على التفاعل مع توحيد الوحدات المستخدمة ( و . ك . ذ)  ,ففي تفاعل رذرفورد ( المعادلة السابقة نفسها ) , يكون مجموع ( الطاقة - الكتلة) لمواد المتفاعلة مساوياً لمجموع (الطاقة – الكتلة )للمواد الناتجة من التفاعل .
ويمكن أيجاد ذلك حسابياً كالتالي :
    طاقة ( 4 2He)  + كتلة  (4 2He ) + كتلة (147N)= كتلة (178O) + كتلة (11H )+طح
  4,0039 + 0,0083 + 14,0075 = 17,0045  + 1,0081  + طح
طح = 0,0071  و. ك . ذ  وتعتبر الطاقة الحركية للمواد الناتجة .
وهذة الطاقة تكافئ   6,6  مليون إلكترون فولت تتوزع بين نواة الأوكسجين والبروتون وتكون حصة البروتون من الطاقة أكبر ما يمكن .
مماسبق نجد أن هناك نوعين من التفاعلات من حيث الطاقة :
1)    التفاعلات الماصة للطاقة ( إندوثيرميك ) :
وهي التفاعلات التي تكون فيها الطاقة الحركية للنوى  الناتجة أقل من الطاقة الحركية للنوى المتفاعلة .
2)    التفاعلات المنتجة للطاقة ( إكسوثيرميك ):
وهي التفاعلات النووية التي تكون فيها الطاقة الحركية للنوى الناتجة أكبر من الطاقة الحركية للنوى المتفاعلة .
  الانشطار النووي :
إذا قذفت نواة ذرة يورانيوم   23592U     بواسطة نيوترون سريع جدا فإن النيوترون يعمل على انشطار نواة  ذرة اليورانيوم الى نواتي الباريوم والكربتون , وكل منهما له عدداً ذرياً أقل من العدد الذري لنواة اليورانيوم , وتسمى هذه العملية بعملية الانشطارالنووي .
ويمكن أن نلاحظ بأن إنتاج الطاقة أو امتصاصها في أي تفاعل نووي يعتمد  على طاقة الربط النووية بين نيوكليونات النوى المتفاعلة معاً وبين نيوكليونات النوى الناتجة .
وعند دمج نوى متوسطة لتكوين  نوى ثقيلة أو تفتيتها لتكوين نوى خفيفة لايولد طاقة بل يحتاج  إلى طاقة هائلة , أما دمج نواتين خفيفتين لتكوين نواة متوسطة  , أو شطر نواة ثقيلة لتكوين نواتين متوسطتين فإنة يؤدي إلى  توليد طاقة , لأن طاقة الربط النووية في الحالتين ستزداد إثر التفاعل , ويمكن مماسبق أن نحصل على الطاقة النووية بإحدى طريقتين :
-         الإنشطار النووي
-         الإندماج النووي
تعريف الأنشطار النووي :
هوعملية انقسام نواة ثقيلة إلى نواتين جديدتين أو أكثر لهما عدد ذري أقل من العدد الذري للنواة الأصلي وينطلق عدد من النيوترونات  . ويصاحب ذلك تحرر كمية كبيرة جداً من الطاقة النووية وجسيمات أولية أخرى مختلفة .
ولكي تنشطر نواة ثقيلة لابد أن نقذفها بنواة خفيفة نسبياً أو جسيم نووي  , عندها يحدث حالة عدم استقرار  للنواة فتتخلص من طاقتها الزائدة عن طريق الانشطار .
وكان العالم الإيطالي أنريكو فيرمي أول من أجرى مثل هذه التفاعلات , يليه العالم الألماني أوتوهان بتكرار ما أجرى فيرمي .
حيث قام فيرمي بقذف نواة اليورانيوم  23592U  بالنيترونات البطيئة فانقسمت إلى نواتين هما نواة الكربتون   9236Krونواة الباريوم  14156Ba  .
النظائر المشعة :
النظائر : تعرف بأنها ذرات عنصر واحد تختل ف عن بعضها في العدد الكتلي  ( النيوترونات فقط)  , أي انها لها نفس الخصائص الكيميائية لكنها تختلف في الخصائص النووية .
ويمكن أنتاج نظائر مشعة بتحويل نواة مستقرة إلى نواة غير مستقرة ( مشعة ) باستخدام المفاعلات النووية .
وممكن أن نأخذ نظائر اليورانيوم في الطبيعة مثالاً على النظائر , ولة ثلاث نظائر :
-         23892U  :ويوجد بنسبة    99,28 ٪  من مجموع اليورانيوم في الطبيعة .
-         23592U: ويوجد بنسبة   0,714 ٪  من مجموع اليورانيوم في الطبيعة .
-         23492U: ويوجد بنسبة    0,006 ٪  من مجموع اليورانيوم في الطبيعة .
ماهي أستخدامات النظائر المشعة ؟
نذكر بعض من استخدامات النظائر :
1)    في مجال الطب: حيث تستخدم في مجال واسع في الطب , يستخدم نظير الكوبالت المشع في علاج مرض السرطان  , ويستخدم نظير اليود المشع في تشخيص أمراض الغدة الدرقية , ونظيرالفوسفور المشع يستخدم في علاج سرطان الدم  .
2)    في مجال الزراعة  : في الكيفية التي تمتص بها النباتات الأسمدة وتحديد الفترة المناسبة لتزويد النباتات بها , عن طريق مزج السماد بنظائر مشعة للعنصر المراد الكشف عنة ثم الكشف عنة في النبات لبيان تركيزة وفترة أمتصاصة , بويمكن استخدامها في تسريع عملية إنتاج الثمار وتحسين نوعيته .
3)    في مجال الصناعة والبحوث العلمية : كما ذكرنا سابقا في بحوث رذرفورد وبعض العلماء الاخرين , وصناعة المتفجرات وغيرها .
ملاحظة ( استخدام النظائر المشعة يكون بنسب قليلة وحسب الحاجة , لأن هذة الإشعاعات تسبب أضراراً كبيرة للأنسان) .
التفاعل المتسلسل :
في بعض التفاعلات النووية تتكرر عملية الإنشطار النووي بشكل متسلسل ومتكرر بحيث تكون نتائج الإنشطار الأول هي مقذوفات لعدد جديد من الأنوية مساوية لها  , مما يعمل على أنشطارها وتكون عدد مضاعف من النواتج , وهذه هي الأخرى تصبح مقذوفات جديدة لعدد مساوٍ لها من الأنوية وهكذا  . وخلال زمن قصير تحصل على تفاعل شديد جدا يسمى متسلسلا .
ويحدث هذا التفاعل المتسلسل في القنبلة النووية أو المفاعلات النووية , حيث يبدأ التفاعل بقذف  عينة من المادة المشعة بواسطة نيوترونات معجلة , وغيرها من المقذوفات المعجلة والتي تعمل على انشطار بعض الأنوية وتكرار العملية في تفاعل متسلسل .
عند انشطار نواة اليورانيوم  235 تنتج مجموعة من النيوترونات ( ثلاثة في المتوسط) بالإضافة إلى نواتي الباريوم والكربتون , ويمكن لاحد هذه البروتونات  الثلاثة أن يحدث انشطارا اخر لنواة يورانيوم 235 جديدة عندما تكون سرعتة مناسبة ,  وتستمر العملية السابقة باستمرار  وهكذا وعندها يطلق على ذلك التفاعل بالتقاعل المتسلسل  .
وتتولد طاقة حرارية هائلة عن هذا التفاعل  تتزايد باستمرار التفاعل , في حال الأستفادة من أكبر عدد ممكن من النيوترونات الناتجة وهذا هو مبدأ عمل القنبلة النووية , ويمكن التحكم في سرعة التفاعل النووي والسيطرة علية ,  وذلك بالتحكم بعدد النيوترونات الداخلة في التفاعل , باستخدام المفاعلات النووية .
الحجم الحرج :
عندما يكون حجم اليورانيوم  مساوياً لحجم معين وهو الحجم الحرج , فإذا قل الحجم فسيؤدي إلى تسرب النيوترونات إلى الخارج نظراً لسرعتها العالية , وبالتالي فإن حجم اليورانيوم لايكفي لتهدئتها حتى تقوم بانشطار نووي آخر , وبالتالي عدد النيوترونات الموجودة غير كاف لاستمرار التفاعل .
الاندماج النووي :
تفاعل نووي يتم فية اندماج نواتين خفيفتين بحيث تكون نواة لها كتلة أقل من مجموع كتلتيهما , ومن هذا التفاعل يمكن الحصول على طاقة أكبر من تلك الحاصلة في الانشطار النووي .
فمثلا في حال اندماج نواتي الديتريوم معاً ينتج نواه هليوم ونيوترون , ويكون مجموع ( الطاقة الكتلة ) في هذا التفاعل للمواد المتفاعلة  أكبر ب 3,27 مليون الكترون فولت عن مجموع(الطاقة الكتلة )الناتجة من التفاعل  .
أي ان طاقة مقدارها 3,27 مليون إلكترون فولت تنتج من اندماج نواتي الديتريوم  كما في التفاعل الأتي :
            طح  +  10n       +       32He      →  21He   +   2 1He

 ويحدث الاندماج النووي في القنبلة الهيدروجينية .
أحدث أقدم