الفيزياء النووية

الفيزياء النووية Nuclear physics : تعد الفيزياء النووية جزءًا من الفيزياء يهتم بدراسة نواة الذرة من حيث سبر الجسيمات الأولية في قلب النواة "البروتونات والنترونات " وتفاعلها فيما بينها بالإضافة إلى تفسير وتصنيف خصائص النواة.

ومعظم التطبيقات المعروفة للفيزياء النووية هي الطاقة النووية والأسلحة النووية، ولكن الأبحاث فتحت المجال أوسع للتطبيقات المختلفة، فمنها في المجال الطبي (الطب النووي، والتصوير بالرنين المغناطيسي))، وفي مجال علم المواد (زرع الأيونات Ion implantation) وعلم الآثار (تحديد العمر باستخدام الكربون المشع Radiocarbon dating).

وقد تطور مجال فيزياء الجسيمات من الفيزياء النووية، ولهذا السبب أدرجت أحيانا تحت نفس المصطلح في أوقات سابقة.

إن ثلاثة قوى من القوى الرئيسية الأربعة في الطبيعة تلعب دوراً أساسياً في النواة، هذه القوى هي : النووية الشديدة والضعيفة بالإضافة إلى القوة الكهرطيسية. فالنواة تملك أسباب تماسكها بفضل القوة النووية الشديدة والتي تتم غالبا ً بتبادل بيونات ولكن التنافر الكهرطيسي بين الشحنات الموجبة في النواة " البروتونات " يعمل على ابعادها عن بعضها البعض وفقاً لقانون كولوم.
محتويات [أخف]
1 التاريخ
1.1 فريق رذرفورد يكتشف النواة
1.2 جيمس تشادويك يكتشف النيوترون
1.3 مسلمات يوكاوا في الميزون لربط النويات
2 الفيزياء النووية الحديثة
3 المواضيع الحديثة في الفيزياء النووية
3.1 التغييرات التلقائية من نوية إلى أخرى : الاضمحلال النووي
3.2 الاندماج النووي
3.3 الانشطار النووي
3.4 إنتاج العناصر الثقيلة
4 أنظر أيضاً
5 المراجع
6 روابط خارجية
7 اقرأ أيضا

[عدل] التاريخ
اكتشاف الإلكترون بواسطة طومسون كان أول مؤشر على أن للذرة هيكلا داخليا. ففي مطلع القرن 20 كان النموذج المقبول للذرة من طومسون الذي كانت عنده الذرة عباره عن كرة من الشحنات الموجبة مغروس بداخلهاالكترونات سالبة. بحلول مطلع القرن اكتشف الفيزيائيون أيضا ثلاثة أنواع من الإشعاعات قادمة من الذرات ،و التي تدعى :أشعة ألفا وبيتا، وجاما. في عام 1911أجريت تجارب من قبل ليز مايتنر، أوتو هان، وجيمس تشادويك في عام 1914 اكتشف أن بيتا سبب التناقص الاشعاعى للطيف المستمر بدلا من المنفصل. وبذلك، تم طرد الإلكترونات من الذرة مع مجموعة من الطاقات، بدلا من الكميات الهائلة من الطاقات التي لوحظت في جاما والتي تتناقص قي ألفا. كانت هذه مشكلة بالنسبة للفيزياء النووية في ذلك الوقت، لأنه أشار إلى أن الطاقة لم يتم حفظها بسبب التناقص الاشعاعى.

في عام 1905 ،وضع البرت اينشتاين فكرة تكافؤ المادة والطاقة. في حين أن العمل على النشاط الإشعاعي من بيكريل, بيار وماري كوري يسبق هذا، فإن تفسيرا لمصدر الطاقة من النشاط الإشعاعي يتعين الانتظار لاكتشاف النواة نفسها التي كانت تتألف من مكونات أصغر وهى النويّات.

[عدل] فريق رذرفورد يكتشف النواة
في عام 1907نشر إرنست رذرفورد "اشعاع الجسيمات α من الراديوم التي تمر عبر المادة" [1] أجرىجايجرتوسعات عن هذا العمل مع التجارب في رسالة إلى الجمعية الملكية [2] انه ورذرفورد قدجعلا جسيمات α تمر عبر الهواء، ورقائق الالومنيوم وورقة مطلية بالذهب. نشر مزيد من العمل في عام 1909 من قبل جيجر ومارسدن [3]، ومزيد من عمل كبير صدر في عام 1910 من قبل جيجر، [4] وفي 1911 ذهب رذرفورد لشرح تجارب ومعتقدات هذه النظرية الجديدة للنواة الذرية من قبل الجمعية الملكية والتي ندرسها حاليا.

التجربة الرئيسية وراء هذا الاعلان كانت قي عام 1909 عندما قام فريق أرنست رذرفورد -هانس غيغر وإرنست مارسدن- بإجراء التجربة الرائعة تحت إشرافه عندما أطلقت جسيمات ألفا (نواة الهيليوم) في طبقة رقيقة من رقائق الذهب. نموذج بودنج توقع أن جسيمات ألفا ينبغي أن تخرج من رقيقة الذهب مع اتجاه مساراتها ومعظمها تميل قليلا. فكر رذرفورد أن يكلف فريقه للبحث عن شيء ما أذهله وذلك للمراقبة الفعلية : -، في بعض الحالات, جسيمات قليلة متناثرة من خلال زوايا واسعة، حتى بالكامل إلى الوراء. وشبه ذلك بإطلاق رصاصة على المناديل الورقية وذلك بعد أن ترتد. هذا الاكتشاف ،و بدءا من تحليل رذرفورد للبيانات في عام 1911، أدت في النهاية إلى نموذج رذرفورد للذرة، والذي عنده الذرة لديهانواة صغيرة جدا وكثيفة جدا تحتوي على أكثر من كتلة الذرة، ويتألف من جزيئات موجبة الشحنة الثقيلة مع الالكترونات المغروسة من أجل تحقيق التوازن في الشحنة(عندها كان النيوترون غير معروف). على سبيل المثال (وهي ليست بالحديثة) في هذا النموذج, فالنيتروجين 14 يتألف من نواة مع 14 بروتون و 7 الكترونات (المجموع 21 جزئ)، ونواة محاطة بسبعة إلكترونات تدور حولها.

عمل نموذج رذرفورد بشكل جيد ظهور دراسات الدوران النووىالتي نفذها [[فرانكو روزيتى في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا|فرانكو روزيتى في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا]] في عام 1929. بحلول 1925 كان من المعروف أن البروتونات والالكترونات التي تدور بسرعة 1 / 2، ونموذج رذرفورد في النيتروجين : 20جسيم من المجموع 21 ينبغي أن تلغى دوران بعضها البعض، والغريب أن الجسيمات تغادر النواة وهى تدور بسرعة صافي 1 / 2 أيضا. اكتشف روزيتى - ومع ذلك - أن الكترونات وبروتونات النيتروجين تدور بسرعة 1.

[عدل] جيمس تشادويك يكتشف النيوترون
في عام 1932 أدرك تشادويك أن الإشعاعات التي لوحظت من قبل فالتر بوث، هربرت بيكر، إيرين وجوليو كوري كانت في الواقع نتيجة لجسيمات محايدة لهل نفس كتلة البروتون ،والتي أطلق عليه اسم: 0}"النيوترون" (بناء على اقتراح رذرفورد حول الحاجة لمثل هذه الجسيمات). في نفس العام, اقترح ديمتري ايفاننكو أن النيوترونات هي في الواقع تدور بسرعة 1 / 2 وأن النواة بداخلها النيوترونات لتعليل الكتلة وليس بسبب البروتونات، وأنه لا توجد الالكترونات في النواة وانما فقط البروتونات والنيوترونات. دوران النيوترون ساهم في حل مشكلةالدوران بالنيتروجين، بوصفهابروتون واحد غير مزاوج ونيوترون واحد غير مزاوج في هذا النموذج، وكل منها تدور بسرعة 1 / 2 في نفس الاتجاه، لتكون سرعة الدوران قي النهاية 1.

مع اكتشاف النيوترون، فيمكن للعلماء أخيرا حساب نسبة ضئيلة من الطاقة لكل نواة، مقارنة بالكتلةالذرية والتي تتألف من البروتونات والنيوترونات. وقد تم حساب الكتل الذرية على هذا النحو، وعندما تم قياس التفاعلات النووية، وجد أنها تتفق مع حسابات آينشتاين معادلةالكتلة والطاقة بدقة عالية (في حدود 1 ٪ اعتبارا من عام 1934).

[عدل] مسلمات يوكاوا في الميزون لربط النويات
في عام 1935افترض يوكاوا أول نظرية هامة لقوة قوية لشرح كيفية تماسك النواة. في تفاعل يوكاوا الجسيمات الظاهري-في وقت لاحق سمى الميزون - كان بواسطة قوة بين جميع النويّات، بما في ذلك البروتونات والنيوترونات. هذه القوة فسرت عدم تتفكك النواة تحت تأثير تنافر البروتون، كما أنه أعطى تفسيرا لقوة الجاذبية القوية النى كان لها مجموعة محدودة أكثر من التنافر الكهرمغناطيسي بين البروتونات. في وقت لاحق، من اكتشاف البايميزون اظهرت ان لديها خصائص يوكاوا على الجسيمات.

و مع وجود أوراق يوكاوا، أصبح النموذج الحديث للذرة كاملا. ففي مركز الذرة يحتوي على كرة متعادلة من النيوترونات والبروتونات، والتي تتماسك عن طريق القوة النووية، إلا أنها كبيرة جدا. الأنوية غير المستقرة يمكنها الخضوع لإضمحلال ألفا، والتي تنبعث من نواة الهليوم، أو اضمحلال بيتا، والتي تطرد إلكترون (أو بوزيترون). بعد اضمحلال واحدة من هذه, فان النواة الناتجة تكون في حالة اثارة، وأنه في هذه الحالة يضمحل إلى حالته الأرضية عن طريق انبعاث فوتونات ذات طاقة عالية (اضمحلال جاما).

ان دراسة القوى النووية القوية والضعيفة (وهذا الأخير المفسّر بواسطة انريكو فيرمي عن طريق تفاعل فيرمي في عام 1934) أدى إلى تعارض الفيزيائيين النووى والالكترونات عند طاقات أعلى من أي وقت مضى. هذا البحث أصبح في علم فيزياء الجسيمات، وجوهرة التاج الذي هو النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات التي توحد القوى القوية والضعيفة، والكهرومغناطيسية.

[عدل] الفيزياء النووية الحديثة
مقالات تفصيلية :Liquid-drop model و Shell modelثمة نواة ثقيلة يمكن أن تحتوي على مئات النويّات، الأمر الذي يعني أن بعض التقاربات يمكن أن تعامل النظام التقليدي، بدلا من ميكانيكا الكم. في نموذجنقطة السائل الناتج، النواة لديها طاقة ناتجة جزئيا من التوتر السطحي، وجزئيا من التنافر الكهربي للبروتونات. ونموذج نقطة السائل قادر على إنتاج العديد من الميزات للنويات، بما في ذلك الاتجاه العام لربط الطاقة فيما يتعلق بالعدد الكتلى، فضلا عن ظاهرة الانشطار النووي.

ومع ذلك، فرضا على هذه الصورة التقليدية، فهى تأثيرات ميكانيكا الكم، والتي يمكن وصفها باستخدام نموذج الغلاف النووي، الذي وضع جزء كبير منه من قبل ماريا ماير. النويّات مع عدد معين من النيوترونات والبروتونات (الرقم السحري 2، 8، 20، 50، 82، 126 ،...) هي بالتحديد ثابتة، لأن أغلفتها تكون ممتلئة.

كما تم اقتراح نماذج أخرى أكثر تعقيدا بالنسبة للنواة، مثل: نموذج بوسون للتفاعل، الذي يتفاعل فيه زوجا من النيوترونات والبروتونات كما لو كانت بوزونات، بالقياس إلى زوج كوبر من الالكترونات.

الكثير من البحوث الجارية في مجال الفيزياء النووية لدراسة النواة تحت الظروف القصوى مثل الدوران وطاقة الإثارة. النويّات قد يكون لها أيضا الأشكال المتطرفة (مماثلة لتلك التي قي كرة الرجبي) أو طرف النيوترون إلى نسب البروتون. يمكن للمختبرون إنشاء مثل هذه النواة باستخدام انصهارا اصطناعيا أوردود فعل نقل النويات، وتوظيف الأشعة الأيونية من المسرع. يمكن استخدام الحزم مع طاقات أعلى لخلق نواة في درجات الحرارة المرتفعة، وهناك دلائل على أن هذه التجارب قد انتجت في مرحلة انتقالية من المسألة النووية العادية إلى حالة جديدة، وبلازما كوارك - غلوون التي تختلط مع آخرى، بدلا من أن تكون مفصولة في ثلاثيات كما هم في النيوترونات والبروتونات.

[عدل] المواضيع الحديثة في الفيزياء النووية
[عدل] التغييرات التلقائية من نوية إلى أخرى : الاضمحلال النووي
مقال تفصيلي :Radioactivityهناك 80 عنصر لديه على الأقل نظير واحد ثابت (التي تعرف بأنها نظائر منعدمة الانحلال)، وهناك اجمالا نحو 256 مثل هذه النظائر المستقرة s. ومع ذلك، هناك آلاف آخرون والتي تتميز النظائر بها بانها غير مستقرة. ففى هذه النظائر المشعة، يكون عدم الاستقرار والتدهور في جميع فترات زمنية تتراوح ما بين كسور من الثانية إلى أسابيع، وسنة، أو عدة بلايين من السنوات.

على سبيل المثال، إذا كان لنواة عدد قليل جدا أو عدد كبير جدا من النيوترونات فأنها قد تكون غير مستقرة، وسوف تضمحل بعد فترة من الوقت. على سبيل المثال، في عملية تسمى إضمحلال بيتا من النيتروجين 16 ذرة (7 بروتونات و9 نيوترونات) يتم تحويلها إلى ذرةالأوكسجين 16 (8 بروتونات و8 نيوترونات) في غضون ثوان قليلة من إنشاؤها. في هذا الاضمحلال, والنيوترونات في نواة النتروجين قد تحولت إلى البروتون والإلكترون [[و النيترون المضاد، من جانب القوة النووية الضعيفة.|و النيترون المضاد، من جانب القوة النووية الضعيفة.]] فالعنصر هو تحويل طبيعته لعنصر آخر في العملية، لأنه في حين أنه كان لديه في السابق سبعة البروتونات (الأمر الذي يجعله نيتروجين) لديها الآن ثمانية (الأمر الذي يجعله أوكسجين).

في اضمحلال ألفا يضمحل عنصر مشع عن طريق إصدار نواة الهليوم (2 بروتون و2نيوترون)، وإعطاء عنصر آخر، بالإضافة إلى الهليوم. في كثير من الحالات تستمر هذه العملية من خلال عدة خطوات من هذا النوع، بما في ذلك أنواع أخرى من الأضمحلال، حتى يتم تشكيل عنصرا مستقرا.

في اضمحلال جاما، وهو يضمحل نواة من حالة مثارة إلى حالة أقل, عن طريق انبعاث أشعة جاما. ومن ثم فهى مستقرة. والعنصر لم يتغير في هذه العملية.

على سبيل المثال، في الاضمحلال الداخلي، يمكن استخدام الطاقة من نواة مثارة لطرد واحدة من الإلكترونات المدارية الداخلية من الذرة في العملية التي تنتج الإلكترونات بسرعة عالية، وعلى عكس إضمحلال بيتا لا نحول عنصر إلى آخر.
[عدل] الاندماج النووي
مقال تفصيلي :Nuclear fusionعندما تتلامس كتلتين صغيرتين مع بعضهما البعض فأنه من الممكن ان يندمجا معا بفعل القوة القوية. وإنه يأخذ قدرا كبيرا من الطاقة لدفع نويات قريبة بما فيه الكفاية معا من أجل القوة النووية أو القوية ليكون لها تأثير، ولذا فإن عملية الاندماج النووي لا يمكن أن يتم إلا في درجات حرارة عالية أو كثافة عالية. فعندما تكون النويات قريبة بما فيه الكفاية معاتتغلب القوة القوية على التنافر الكهرومغناطيسي وتسحقهم إلى نواة جديدة. وتلتحم كمية كبيرة جدا من الطاقة مع بعضها عندما يتم تحرير ضوء نوية لأن الطاقة ملزمة الزيادات لكل نيوكلون مع العدد الكتلى حتى النيكل. والنجوم مثل شمسنا مدعومة من الانصهار بأربعة بروتونات نواة الهيليوم، وهما اثنين من البروتونات، واثنين من النيوترونات. والاندماج غير المنضبط للهيدروجين مع الهيليوم يعرف ب "الهروب الحرارى ". هناك أبحاث لإيجاد طريقة مجدية اقتصاديا لاستخدام الطاقة من هذا الإندماج جارى التعرض لها حاليا من قبل المؤسسات البحثية المختلفة.

[عدل] الانشطار النووي
مقال تفصيلي :Nuclear fissionلنواة اثقل من النيكل والطاقة لكل نيوكلون تتناقص مع العدد الكتلى. ولذلك فمن الممكن للطاقة ان يفرج عنها إذا انهارت نواة ثقيلة لاثنين أخف وزنا. تقسيم هذه الذرات يعرف باسم الانشطار النووي.

قي عملية اضمحلال ألفا، يمكن اعتبارها نوع خاص من الانشطار النووي التلقائى. وتنتج هذه العملية انشطارا غير متماثل للغاية لأن الجسيمات الأربعة التي تشكل جسيمات ألفا وخصوصا بإحكام بعضها البعض، يجعل إنتاج هذه النواة محتملا في الانشطار.

بالنسبة لبعض اثقل الانوية، وعند الانشطار ينتج نيوترونات، والتي أيضا تمتص بسهولة النيوترونات لبدء الانشطار، فيمكن الحصول على اشعال ذاتى النوع من النيوترونات التي بدأها الانشطار، في ما يسمى سلسلة ردود الفعل. (كانت تعرف سلسلة من ردود الفعل في الكيمياء والفيزياء قبل، والحقيقة في العديد من العمليات مألوفة مثل الحرائق والانفجارات الكيميائية هي سلسلة من ردود الفعل الكيميائية.) فالانشطار النووي والتفاعل المتسلسل، واستخدام الانشطار في إنتاج النيوترونات، هو مصدر الطاقة لمحطات الطاقة النووية وقنابل الانشطار النووي مثل التي استخدمتها الولايات المتحدة ضد هيروشيما وناجازاكي في نهاية الحرب العالمية الثانية. والنويات الثقيلة مثل اليورانيوم والثوريوم قد يتعرضا للانشطار النووي، ولكنهم يكونون أكثر ميلا للخضوع للاضمحلال بواسطة اضمحلال ألفا.

بدأت سلسلة رد الفعل لنيوترون قي الحدوث، ولذا يجب أن تكون هناك كتلة حرجة من العنصر الحالي في مساحة معينة في ظل ظروف معينة (وهذه الظروف بطيئة والحفاظ على نيوترونات لردود الفعل). هناك مثال معروف لطبيعة مفاعل الانشطار النووي ، الذي كان ناشطا في منطقتين من أوكلو - الجابون - أفريقيا - منذ أكثر من 1.5 بليون سنة مضت. أثبتت قياسات الانبعاثات الطبيعية نيوترينو أن ما يقرب من نصف الحرارة المنبثقة من الأرض ناتجة أساسا من الاضمحلال الإشعاعي. ومع ذلك، فإنه ليس من المعروف إذا كان أي من هذه النتائج من سلسلة تفاعلات الانشطار.

[عدل] إنتاج العناصر الثقيلة
وفقا لهذه النظرية، عندما تبرد الكون بعد الانفجار الكبير أصبحت في النهاية الجزيئات متوفرة. الجزيئات الأكثر شيوعا التي أنشئت في الانفجار الكبير الذي لا يزال يمكن ملاحظتها بسهولة لنا اليوم من البروتونات (الهيدروجين) والإلكترونات (بأعداد متساوية). بعض العناصر الأثقل تم إنشاؤها، والبروتونات اصطدمت مع بعضها البعض، ولكن معظم العناصر الثقيلة التي نراها اليوم تم إنشاؤها داخل النجوم من خلال سلسلة من مراحل الإنشطار، مثل سلسلة بروتون بروتون، دورة المخدرات التشيكوسلوفاكي وألفا الثلاثي العملية. فتدريجيا العناصر الأثقل تتكون خلال نشأة النجوم. و بسبب طاقة الترابط لكل نيوكلون المتكونة حول الحديد فالطاقة هي الوحيدة التي صدرت في عمليات الإنشطار تحت هذه النقطة. ففى النيوترون (نظرا لعدم وجود شحنة) تمتص بسهولة من جانب النواة. العناصر الثقيلة يتم إنشاؤها من قبل أي من بطء عملية أسر النيوترون (ما يسمى عملية ٍS أو عن عملية السرعة، أو عملية R). العملية S تحدث في نبض النجوم حراريا (تسمى الحريه، أو فرع مقارب النجوم العملاقة)، وتحيط إلى مئات الآلاف من السنوات للوصول إلى عناصر أثقل من الرصاص والبزموت. عملية R يعتقد أن تحدث في انفجارات السوبرنوفا بسبب ظروف درجات الحرارة العالية، وارتفاع تدفق النيوترون وطرد المحتوى. هذه الأوضاع تجعل النجوم النيوترونيةالمتعاقبة تلتقط سريعا جدا ،التي تنطوي على الأنواع الغنية ثم اضمحلال بيتا إلى عناصر أثقل، ولا سيما في ما يسمى بانتظار النقاط التي تتوافق مع النويدات أكثر استقرارا مع قذائف النيوترون المغلقة (الرقم السحري). ومدة العملية R عادة تتراوح بين بضع ثوان.