التفاعل النووي

الموسوعة الحرة
في هذا التمثيل الرمزي للتفاعل النووي، يتفاعل الليثيوم-6 ( Li - 6 ) والديوتيريوم ( H - 2 ) لتكوين النواة الوسيطة عالية الإثارة Be- 8، والتي تتحلل فورًا إلى جسيمين ألفا من الهيليوم-4 ( He - 4 ) . يُرمز للبروتونات بكرات حمراء، وللنيوترونات بكرات زرقاء.

في الفيزياء النووية والكيمياء النووية ، يُعرف التفاعل النووي بأنه عملية تصادم نواتين ، أو نواة مع جسيم دون ذري خارجي ، لإنتاج نواة جديدة واحدة أو أكثر . وبالتالي، يجب أن يُحدث التفاعل النووي تحولًا في نواة واحدة على الأقل إلى نواة أخرى. إذا تفاعلت نواة مع نواة أخرى أو مع جسيم، ثم انفصلتا دون تغيير طبيعة أي نواة، يُشار إلى هذه العملية ببساطة على أنها نوع من التشتت النووي ، وليس تفاعلًا نوويًا.

من حيث المبدأ، يمكن أن يتضمن التفاعل تصادم أكثر من جسيمين ، ولكن نظرًا لأن احتمال التقاء ثلاث نوى أو أكثر في نفس الوقت والمكان أقل بكثير من احتمال التقاء نواتين، فإن مثل هذا الحدث نادر للغاية (انظر عملية ألفا الثلاثية كمثال قريب جدًا من التفاعل النووي ثلاثي الجسيمات). قد يشير مصطلح "التفاعل النووي" إما إلى تغير في النواة ناتج عن تصادم مع جسيم آخر، أو إلى تغير تلقائي في النواة دون تصادم.

تحدث التفاعلات النووية الطبيعية نتيجة تفاعل الأشعة الكونية مع المادة، ويمكن استخدام التفاعلات النووية صناعيًا للحصول على الطاقة النووية بمعدل قابل للتعديل عند الحاجة. وتنتج التفاعلات النووية المتسلسلة في المواد القابلة للانشطار انشطارًا نوويًا مستحثًا. وتُساهم تفاعلات الاندماج النووي المختلفة للعناصر الخفيفة في توليد الطاقة للشمس والنجوم . وتؤدي معظم التفاعلات النووية (الاندماج والانشطار) إلى تحول النوى (يُسمى أيضًا بالتحول النووي ).

تاريخ

في عام 1919، تمكن إرنست رذرفورد من تحقيق تحويل النيتروجين إلى أكسجين في جامعة مانشستر، باستخدام جسيمات ألفا الموجهة نحو النيتروجين ( 14N + α → 17O + p). وكان هذا أول رصد لتفاعل نووي مُستحث، أي تفاعل تُستخدم فيه جسيمات ناتجة عن تحلل ذري لتحويل نواة ذرية أخرى. وفي عام 1932، في جامعة كامبريدج، حقق زميلا رذرفورد، جون كوكروفت وإرنست والتون ، تفاعلًا نوويًا اصطناعيًا وتحويلًا نوويًا كاملًا، باستخدام بروتونات مُسرّعة اصطناعيًا ضد الليثيوم-7، لتقسيم النواة إلى جسيمين من جسيمات ألفا. وقد عُرف هذا الإنجاز شعبيًا باسم "تقسيم الذرة " ، على الرغم من أنه لم يكن تفاعل الانشطار النووي الحديث الذي اكتشفه لاحقًا (في عام 1938) العلماء الألمان أوتو هان ، وليز مايتنر ، وفريتز ستراسمان في العناصر الثقيلة . [ 1 ]

معادلات التفاعلات النووية

يمكن تمثيل التفاعلات النووية بصيغة مشابهة للمعادلات الكيميائية، حيث يجب أن تتوازن الكتلة الثابتة لكلا طرفي المعادلة، وأن تخضع تحولات الجسيمات لقوانين حفظ معينة، مثل حفظ الشحنة وعدد الباريونات ( العدد الكتلي الذري الكلي ). فيما يلي مثال على هذه الصيغة:

6 3 لي + 2 1 ح→ 4 2 هو+?.     

لتحقيق التوازن في المعادلة أعلاه للكتلة والشحنة والعدد الكتلي، يجب أن يكون للنواة الثانية على اليمين عدد ذري ​​2 وعدد كتلي 4؛ ولذلك فهي أيضًا هيليوم-4. وبالتالي، تصبح المعادلة الكاملة كما يلي:

6 3 لي + 2 1 ح→ 4 2 هو+ 4 2 هو.     

أو ببساطة أكثر:

6 3 Li + 2 1 H→2 4 2 He.    

بدلاً من استخدام المعادلات الكاملة بالأسلوب المذكور أعلاه، يُستخدم في كثير من الأحيان ترميز مختصر لوصف التفاعلات النووية. هذا الأسلوب، على شكل A(b,c)D، يُكافئ التفاعل A + b ينتج عنه c + D. غالبًا ما تُختصر الجسيمات الخفيفة الشائعة في هذا الترميز، عادةً p للبروتون، وn للنيوترون، وd للديوترون ، وα لتمثيل جسيم ألفا أو الهيليوم-4 ، وβ لجسيم بيتا أو الإلكترون، وγ لفوتون غاما ، وهكذا. يُكتب التفاعل أعلاه على النحو التالي: 6Li (d,α)α. [ 2 ] [ 3 ]

ترشيد استهلاك الطاقة

قد تُطلق الطاقة الحركية أثناء التفاعل ( تفاعل طارد للحرارة )، أو قد يلزم توفير طاقة حركية لحدوث التفاعل ( تفاعل ماص للحرارة ). ويمكن حساب ذلك بالرجوع إلى جدول دقيق للغاية لكتل ​​سكون الجسيمات، [ 4 ] كما يلي: وفقًا للجداول المرجعية، يبلغ الوزن الذري القياسي لنواة الليثيوم -6 (Li -3 ) 6.015 دالتون (رمزه Da)، وللديوتيريوم 2.014 دالتون، ولنواة الهيليوم-4 4.0026 دالتون. وبالتالي:  

  • مجموع كتلة السكون للنوى الفردية = 6.015  Da + 2.014  Da = 8.029  Da؛
  • الكتلة السكونية الكلية على نواتي الهيليوم = 2 × 4.0026  دالتون = 8.0052  دالتون؛
  • كتلة الراحة المفقودة = 8.029  دا − 8.0052  دا = 0.0238  دا.

في التفاعل النووي، تبقى الطاقة الكلية (النسبية) محفوظة . لذا، يجب أن تظهر كتلة السكون "المفقودة" كطاقة حركية متحررة في التفاعل؛ ومصدرها طاقة الربط النووي. باستخدام معادلة أينشتاين لتكافؤ الكتلة والطاقة E  = mc² ، يمكن تحديد كمية الطاقة المتحررة. نحتاج أولًا إلى الطاقة المكافئة لدالتون واحد : 

1  Da c 2 = (1.66054 × 10 −27 كجم) × (2.99792 × 10 8 م/ث) 2           
=  1.49242  ×  10 −10  كجم  (م/ث) 2
=  1.49242  ×  10 −10 جول 
=  931.49  ميجا إلكترون فولت (1  ميجا إلكترون فولت  =  1.602176634×10 −13  ي)،
إذن 1  Da c 2 = 931.49 MeV.    

وبالتالي، فإن الطاقة المنبعثة هي 0.0238 × 931  ميغا إلكترون فولت = 22.2 ميغا إلكترون فولت . 

وبصيغة أخرى: يتم تقليل الكتلة بنسبة 0.3%، وهو ما يعادل 0.3% من 90  بيتاجول/كجم، أي 270  تيراجول/كجم.

هذه كمية كبيرة من الطاقة لتفاعل نووي؛ ويعود ارتفاعها إلى الطاقة العالية غير العادية التي يتمتع بها كل نيوكليون في نواة الهيليوم-4، وذلك لأن نواة الهيليوم-4 تتميز بـ" السحر المزدوج ". (تتميز نواة الهيليوم-4 باستقرارها وترابطها القوي، وذلك لنفس السبب الذي يجعل ذرة الهيليوم خاملة كيميائيًا : إذ يشغل كل زوج من البروتونات والنيوترونات في الهيليوم-4 مدارًا نوويًا 1s ممتلئًا ، تمامًا كما يشغل زوج الإلكترونات في ذرة الهيليوم مدارًا إلكترونيًا 1s ممتلئًا ). ونتيجة لذلك، تظهر جسيمات ألفا بكثرة في الجانب الأيمن من التفاعلات النووية.

يمكن أن تظهر الطاقة المنبعثة في التفاعل النووي بشكل رئيسي في إحدى الطرق الثلاث التالية:

  • الطاقة الحركية لجزيئات الناتج (يمكن تحويل جزء من الطاقة الحركية لمنتجات التفاعل النووي المشحونة مباشرة إلى طاقة كهروستاتيكية)؛ [ 5 ]
  • انبعاث فوتونات ذات طاقة عالية جداً ، تسمى أشعة جاما ؛
  • قد تبقى بعض الطاقة في النواة، كمستوى طاقة شبه مستقر .

عندما تكون نواة الناتج شبه مستقرة، يُشار إلى ذلك بوضع علامة نجمة ("*") بجوار عددها الذري. وتُطلق هذه الطاقة في النهاية من خلال التحلل النووي .

قد تنبعث كمية ضئيلة من الطاقة على شكل أشعة سينية . عادةً، يكون للنواة الناتجة عدد ذري ​​مختلف، وبالتالي يكون توزيع مداراتها الإلكترونية غير صحيح. ومع إعادة ترتيب الإلكترونات وانتقالها إلى مستويات طاقة أدنى، قد تنبعث أشعة سينية ناتجة عن انتقالات داخلية (أشعة سينية ذات خطوط انبعاث محددة بدقة).

قيمة Q وتوازن الطاقة

عند كتابة معادلة التفاعل، بطريقة مماثلة للمعادلة الكيميائية ، يمكن للمرء، بالإضافة إلى ذلك، إعطاء طاقة التفاعل على الجانب الأيمن:

النواة المستهدفة + المقذوف → النواة النهائية + المقذوف + Q.

بالنسبة للحالة المحددة المذكورة أعلاه، تم حساب طاقة التفاعل مسبقًا على أنها Q = 22.2  ميغا إلكترون فولت. ومن ثم:

6 3 Li + 2 1 H→2 4 2 He+22.2MeV.       

تكون طاقة التفاعل (قيمة Q) موجبة للتفاعلات الطاردة للحرارة وسالبة للتفاعلات الماصة للحرارة، على عكس التعبير المماثل في الكيمياء . فهي من جهة، تمثل الفرق بين مجموع الطاقات الحركية في الطرف النهائي والطرف الابتدائي. ومن جهة أخرى، تمثل أيضًا الفرق بين كتل السكون النووية في الطرف الابتدائي والطرف النهائي (وبهذه الطريقة، حسبنا قيمة Q المذكورة أعلاه).

معدلات رد الفعل

لا يعني توازن معادلة التفاعل بالضرورة حدوث التفاعل فعلياً. فمعدل حدوث التفاعلات يعتمد على طاقة الجسيمات الساقطة وتدفقها ، بالإضافة إلى المقطع العرضي للتفاعل . ومن الأمثلة على قواعد بيانات معدلات التفاعل الضخمة قاعدة بيانات REACLIB، التي يديرها المعهد المشترك للفيزياء الفلكية النووية .

الجسيمات المشحونة مقابل الجسيمات غير المشحونة

في التصادم الأولي الذي يبدأ التفاعل، يجب أن تقترب الجسيمات من بعضها البعض بدرجة كافية لتؤثر عليها القوة النووية القوية قصيرة المدى . ولأن معظم الجسيمات النووية الشائعة موجبة الشحنة، فهذا يعني أنها يجب أن تتغلب على تنافر كهروستاتيكي كبير قبل أن يبدأ التفاعل. حتى لو كانت نواة الهدف جزءًا من ذرة متعادلة ، يجب أن يخترق الجسيم الآخر سحابة الإلكترونات ويقترب من النواة الموجبة الشحنة. لذا، يجب تسريع هذه الجسيمات أولًا إلى طاقة عالية، على سبيل المثال عن طريق:

أيضًا، نظرًا لأن قوة التنافر تتناسب طرديًا مع حاصل ضرب الشحنتين، فإن التفاعلات بين النوى الثقيلة أقل شيوعًا، وتتطلب طاقة بدء أعلى، من تلك التي تحدث بين نواة ثقيلة ونواة خفيفة؛ في حين أن التفاعلات بين نواتين خفيفتين هي الأكثر شيوعًا.

من ناحية أخرى، لا تحمل النيوترونات شحنة كهربائية تُسبب التنافر، وهي قادرة على بدء تفاعل نووي عند طاقات منخفضة للغاية. في الواقع، عند طاقات الجسيمات المنخفضة للغاية (التي تُقابل، على سبيل المثال، حالة التوازن الحراري عند درجة حرارة الغرفة )، يزداد طول موجة دي برولي للنيوترون بشكل كبير، مما قد يزيد بشكل كبير من مقطع امتصاصه، عند طاقات قريبة من رنين النوى المعنية. وبالتالي، قد تكون النيوترونات منخفضة الطاقة أكثر تفاعلاً من النيوترونات عالية الطاقة.

أنواع بارزة

على الرغم من أن عدد التفاعلات النووية المحتملة هائل، إلا أن هناك عدة أنواع أكثر شيوعًا، أو جديرة بالملاحظة. ومن الأمثلة على ذلك:

  • تفاعلات الاندماج - تتحد نواتان خفيفتان لتشكيل نواة أثقل، مع انبعاث جسيمات إضافية (عادةً بروتونات أو نيوترونات) لاحقاً.
  • التفتت – يتم ضرب النواة بجسيم ذي طاقة وزخم كافيين لإخراج عدة شظايا صغيرة أو تحطيمها إلى العديد من الشظايا.
  • ينتمي انبعاث أشعة جاما المستحث إلى فئة تشارك فيها الفوتونات فقط في إنشاء وتدمير حالات الإثارة النووية.
  • تفاعلات الانشطار النووي : تنقسم نواة ثقيلة جدًا، بعد امتصاصها جسيمات خفيفة إضافية (عادةً نيوترونات)، إلى جزأين أو ثلاثة أجزاء أحيانًا. هذا تفاعل نووي مُستحث. أما الانشطار التلقائي ، الذي يحدث دون مساعدة نيوترون، فلا يُعتبر عادةً تفاعلًا نوويًا. وفي أحسن الأحوال، لا يُعد تفاعلًا نوويًا مُستحثًا .

ردود الفعل المباشرة

ينقل المقذوف ذو الطاقة المتوسطة الطاقة أو يكتسب أو يفقد نيوكليونات إلى النواة في حدث واحد سريع (10⁻²¹ ثانية ). يكون نقل الطاقة والزخم ضئيلاً نسبيًا. وهذا مفيد بشكل خاص في الفيزياء النووية التجريبية، لأن آليات التفاعل غالبًا ما تكون بسيطة بما يكفي لحسابها بدقة كافية لدراسة بنية النواة المستهدفة.

التشتت غير المرن

يتم نقل الطاقة والزخم فقط.

  • (p,p') يختبر الاختلافات بين الحالات النووية.
  • يقيس (α,α') أشكال وأحجام سطح النواة. وبما أن جسيمات ألفا التي تصطدم بالنواة تتفاعل بعنف أكبر، فإن تشتت ألفا المرن وغير المرن الضحل حساس لأشكال وأحجام الأهداف، مثل الضوء المتشتت من جسم أسود صغير.
  • يُعدّ التفاعل (e,e') مفيدًا لاستكشاف البنية الداخلية. ولأن الإلكترونات تتفاعل بشكل أضعف من البروتونات والنيوترونات، فإنها تصل إلى مراكز الجسيمات المستهدفة، وتكون دوالها الموجية أقل تشوهًا عند مرورها عبر النواة.

تفاعلات تبادل الشحنات

تنتقل الطاقة والشحنة بين المقذوف والهدف. ومن أمثلة هذا النوع من التفاعلات ما يلي:

  • (ص، ن)
  • ( 3 He,t)

تفاعلات نقل النيوكليون

عادةً، عند طاقة منخفضة نسبيًا، يتم نقل نيوكليون واحد أو أكثر بين القذيفة والهدف. وتُعد هذه العمليات مفيدة في دراسة بنية الغلاف الخارجي للنوى. ويمكن أن تحدث تفاعلات النقل التالية:

  • من المقذوف إلى الهدف - تفاعلات التجريد
  • من الهدف إلى المقذوف - ردود الفعل عند الاستلام

أمثلة:

  • تفاعلات (α,n) و(α,p). تضمنت بعض أقدم التفاعلات النووية التي تمت دراستها جسيم ألفا ناتج عن تحلل ألفا ، والذي يقوم بإخراج نيوكليون من نواة الهدف.
  • تفاعلات (d,n) و(d,p). يصطدم شعاع من الديوتريوم بهدف؛ فتمتص نوى الهدف إما النيوترون أو البروتون من الديوتريوم. يرتبط الديوتريوم بروابط ضعيفة للغاية، ما يجعل هذه العملية مشابهة تقريبًا لعملية التقاط البروتون أو النيوترون. قد تتشكل نواة مركبة، مما يؤدي إلى انبعاث نيوترونات إضافية ببطء. تُستخدم تفاعلات (d,n) لتوليد نيوترونات عالية الطاقة.
  • تم استخدام تفاعل تبادل الغرابة ( K ، π ) لدراسة النوى الفائقة .
  • يعتبر التفاعل 14 N(α,p) 17 O الذي أجراه رذرفورد في عام 1917 (تم الإبلاغ عنه في عام 1919) بشكل عام أول تجربة تحويل نووي .

التفاعلات مع النيوترونات

→ T→ 7 لي→ 14 درجة مئوية
(ن، α )6 Li + n → T + α10 B + n → 7 Li + α17 O + n → 14 C + α21 Ne + n → 18 O + α37 Ar + n → 34 S + α
(ن، ف)3 He + n → T + p7 Be + n → 7 Li + p14N + n → 14C + p22 Na + n → 22 Ne + p
(ن، γ )2 H + n → T + γ13 ج + ن → 14 ج + γ

تُعدّ التفاعلات مع النيوترونات مهمة في المفاعلات النووية والأسلحة النووية . وبينما تُعتبر تفاعلات تشتت النيوترونات ، والتقاط النيوترونات ، والانشطار النووي من أشهر تفاعلات النيوترونات، فإنّ التفاعل الأكثر احتمالاً مع النيوترون الحراري بالنسبة لبعض النوى الخفيفة (وخاصة النوى ذات العدد الفردي من الإلكترونات ) هو تفاعل نقل.

بعض التفاعلات لا يمكن أن تحدث إلا باستخدام النيوترونات السريعة :

التفاعلات النووية المركبة

إما أن يتم امتصاص جسيم منخفض الطاقة، أو أن جسيمًا عالي الطاقة ينقل الطاقة إلى النواة، تاركًا إياها بطاقة زائدة تمنعها من الارتباط الكامل. خلال فترة زمنية تقارب 10⁻¹⁹ ثانية ، تتبخر الجسيمات، وعادةً ما تكون نيوترونات. أي أنها تبقى متماسكة حتى تتجمع طاقة كافية في نيوترون واحد لتفلت من التجاذب المتبادل. تُسمى النواة شبه المرتبطة المثارة بالنواة المركبة .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ قام كوكروفت ووالتون بفصل الليثيوم باستخدام بروتونات عالية الطاقة في أبريل 1932. مؤرشف في 2012-09-02 على موقع Wayback Machine
  2. ↑ مجلة مراقب الفيزياء الفلكية: معدلات اندماج الهيدروجين في النجوم
  3. ↑ تيلي، آر جيه دي (2004). فهم المواد الصلبة: علم المواد . جون وايلي وأولاده . ص 495. ISBN  0-470-85275-5.
  4. ↑ سوبلي، كورت (23 أغسطس 2009). "الأوزان الذرية والتركيبات النظائرية مع الكتل الذرية النسبية" . المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا .
  5. ↑ شين، إي.؛ وآخرون (2013). "تحويل الطاقة النووية باستخدام رُزم من المكثفات النانوية المصنوعة من الجرافين". التعقيد . 18 (3): 24-27 . Bibcode : 2013Cmplx..18c..24S . doi : 10.1002/cplx.21427 .

مصادر