التركيب الذري

تعودRadioactivity إلى أكثر من قرن، ولا تزال تعالج السرطان وتولد الكهرباء وتتطلب قواعد سلامة صارمة. يغطي هذا المرجع AQA GCSE Physics 8463، الموضوع 4.4 البنية الذرية.

كيف يعالج الامتحان هذا الموضوع:

• ورقة 1 (4.1–4.4) تغطي هذا الموضوع. يعتمد دعم ورقة المعادلات على دورة الامتحان. تدرب على الرموز والمعادلات الموزونة والرسوم البيانية والتفسيرات بالإضافة إلى الحسابات.
• الإشعاع الطبيعي، ومخاطر نصف العمر، والاستخدامات، والانشطار/الاندماج هي فيزياء فقط.
• نسب الانخفاض الصافي بعد عدة أضعاف نصف العمر هي للمستوى المتقدم.
• يجب كتابة معادلات نووية موزونة لاضمحلال ألفا وبيتا المفرد (موازنة الأعداد الذرية والكتلية؛ لا يلزم تسمية النواة ابنة).

الذرة صغيرة جدًا: نصف قطرها حوالي $1\times10^{-10}$ متر. وهي تتكون مما يلي:

• النواة: مشحونة بشحنة موجبة، تحتوي على بروتونات ونيوترونات؛ تمثل معظم كتلة الذرة، ولكن نصف قطرها أقل من 1/10 000 من نصف قطر الذرة.
• الإلكترونات: سالبة، مرتبة في مستويات طاقة. امتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي ينقل الإلكترون إلى مستوى أعلى، أبعد عن النواة؛ الانبعاث ينقله إلى مستوى أقل، أقرب.

الترميز: $\ ^{A}_{Z}X$ حيث $Z$ = العدد الذري (بروتونات) و$A$ = العدد الكتلي (بروتونات + نيوترونات). في الذرة المتعادلة، عدد الإلكترونات = عدد البروتونات؛ لا تملك الذرات شحنة صافية.

• النظائر: ذرات من نفس العنصر (نفس $Z$) مع أعداد مختلفة من النيوترونات (اختلاف $A$).
• عدد النيوترونات في النواة = $A - Z$.
• الذرات التي تفقد إلكتروناً واحداً أو أكثر من الغلاف الخارجي تصبح أيونات موجبة.

مثال محلول. الكربون-14: $\ ^{14}_{6}\text{C}$.

• البروتونات = 6؛ الإلكترونات = 6 (متعادل)؛ النيوترونات = $14 - 6 = 8$.
• الكربون-12 يحتوي على 6 نيوترونات — نفس العنصر، مختلف النيوترونات: نظائر.

يمكن للأدلة التجريبية الجديدة تغيير أو استبدال النموذج العلمي:

1. قبل اكتشاف الإلكترون: كانت الذرات كرات صغيرة لا يمكن تقسيمها.
2. اكتشاف الإلكترون → نموذج كعكة الخوخ: كرة من الشحنة الموجبة مغمورة فيها إلكترونات سالبة.
3. تشتت ألفا (رذرفورد): مر معظم جسيمات ألفا مباشرة، وبعضها ارتد → يجب أن تكون الكتلة والشحنة الموجزة مركزة في مركز صغير → النموذج النووي حل محل نموذج كعكة الخوخ.
4. بور عدّله: تدور الإلكترونات على مسافات محددة؛ اتفقت حساباته مع الملاحظات.
5. أظهرت أبحاث إضافية أن الشحنة الموجئة تأتي بوحدات أعداد صحيحة — البروتون؛ أثبتت تجارب تشادويك (بعد 20 سنوات تقريباً) وجود النيوترون.

اشرح الدليل الذي غيّر النموذج: لو كان نموذج البودينج صحيحًا، لمررت جميع جسيمات ألفا مع انحرافات صغيرة (B1)؛ بعض منها ارتد تقريبًا مستقيمًا للخلف (B1)، وهو أمر ممكن فقط إذا كانت الكتلة والشحنة الموجبة متمركزة في نواة صغيرة وكثيفة وموجبة (B1).

بعض الأنوية غير مستقرة. تصدر إشعاعاً أثناء تحولها لتصبح أكثر استقراراً — عملية عشوائية تسمى التحلل الإشعاعي.

• النشاط: معدل تحلل المصدر؛ الوحدة بيكريل (Bq).
• معدل العد: عدّات الكاشف في الثانية، بعد طرح الخلفية عند الحاجة. يسجل الكاشف عادةً بعض الانبعاثات فقط؛ لذا ليس معدل عده مساويًا تلقائيًا لنشاط المصدر بالبيكريل.

الإشعاع	الهوية	القدرة على التأين	الحجب
ألفا α	نواة الهيليوم	قوية	ورق / الجلد
بيتا β	إلكترون سريع	متوسطة	ملم من الألمنيوم
جاما γ	إشعاع كهرومغناطيسي	ضعيفة	الرصاص السميك يقللها

يحتوي ألفا على بروتونين ونيوترونين ويتحرك بضعة سنتيمترات فقط في الهواء. يُنتج بيتا عندما يتحول نيوترون إلى بروتون؛ نطاقه في الهواء أطول. جاما له أكبر نطاق بين الثلاثة هذه ويُقلل، ولا يتوقف تمامًا، بواسطة الرصاص السميك أو الخرسانة. يمكن للنواة أيضًا إطلاق نيوترون؛ خصائص النيوترون التفصيلية غير مطلوبة هنا.

اختر مصدرًا لاستخدام محدد بمطابقة هذه الخصائص: ألفا لكواشف الدخان (الدخان يقلل تيار التأين)؛ بيتا للتحكم في السُمك (يُمتجز جزئيًا بواسطة الورقة)؛ جاما للمتتبعات (تخرج من الجسم) والتعقيم (تخترق التغليف وتدمر الكائنات الدقيقة). المصدر المحكم يقلل خطر التلوث؛ لكنه لا يبرر تجاهل احتياطات التعامل.

النشاط من الرسم البياني. على رسم بياني لعدد الأنوية غير المتحللة مقابل الزمن، ارسم مماسًا عند الزمن المحدد. ميله السالب هو معدل انخفاض عدد الأنوية؛ النشاط هو القيمة المطلقة الموجبة، بالبيكريل. اقرأ نقطتين متباعدتين على المماس، وليس نقطتين عشوائيتين على المنحنى.

مثال محلول (مكتوب يدويًا من المعلم). المماس التقريبي يمر عبر $(0\ \text{s},68000)$ و$(200\ \text{s},12000)$.

هذا تقدير من مماس مرسوم. يتطلب AQA يونيو 2024 8463/1H Q09.5 نفس الطريقة على رسمه الخاص عند 300 ثانية؛ إجابته الرسمية هي $7.1\times10^{20}$ Bq. تلك رسوم بيانات مختلفة.

وازن الأعداد الكتلية (في الأعلى) والأعداد الذرية (في الأسفل) على كلا الطرفين:

• تحلل ألفا: تفقد النواة 4 من الأعلى و2 من الأسفل.
  $$^{238}_{\ 92}\text{U} \rightarrow\ ^{234}_{\ 90}\text{Th} +\ ^{4}_{2}\text{He}$$
• تحلل بيتا: يتحول النيوترون إلى بروتون؛ العدد الكتلي ثابت، والعدد الذري +1؛ جسيم البيتا هو $\ ^{0}_{-1}\text{e}$.
  $$^{14}_{\ 6}\text{C} \rightarrow\ ^{14}_{\ 7}\text{N} +\ ^{0}_{-1}\text{e}$$
• إشعاع غاما: لا يغير أيًا من العددين.

مثال محلول. بولونيوم-210 يتحلل بإشعاع ألفا. اكتب المعادلة.

• يحذف ألفا 4 و2: $A: 210 - 4 = 206$؛ $Z: 84 - 2 = 82$.
  $$^{210}_{\ 84}\text{Po} \rightarrow\ ^{206}_{\ 82}\text{X} +\ ^{4}_{2}\text{He}$$
• تحقق من توازن كل صف ✓ (لا يلزم ذكر اسم الابنة).

التحلل عشوائي: لا يمكن التنبؤ به لنواة واحدة؛ فقط السلوك المتوسط للعديد منها قابل للتنبؤ.

نصف العمر: الوقت اللازم لـ (أ) انخفاض عدد نوى النظير في العينة إلى النصف، أو (ب) انخفاض معدل العد الصافي / النشاط الإشعاعي إلى نصف مستواه الأولي. اطرح قراءة الخلفية من قراءات الكاشف أولاً وأبقِ هندسة الكاشف دون تغيير.

• من الرسم البياني: اقرأ الوقت الذي يستغرقه معدل العدّ ليصل إلى النصف — كرر ذلك لعدة فترات نصف عمر وأخذ المتوسط.
• بعد $n$ من أوقات نصف العمر، الكسر المتبقي هو $1/2^n$ (HT: عبّر عنها كنسبة).

مثال محلول. ينخفض نشاط العينة من 800 Bq إلى 200 Bq خلال 12 سنوات.

• الفترات التي ينقص فيها إلى النصف: $800 \to 400 \to 200$ يمثل دورتين من التناصف.
  $$t_{1/2} = \frac{12\ \text{years}}{2} = 6\ \text{years}$$

Actual AQA demand, June 2025 8463/1H Q07.4: polonium-210 has a half-life of 138 days. The number of atoms falls from 256 000 to 16 000: four halvings, so the time is $4 \times 138 = 552$ days. Q07.5 compares equal numbers of Po-209 and Po-210 atoms: the longer-lived Po-209 has lower activity. The equal-population condition matters.

• التلوث الإشعاعي: ذرات مشعة غير مرغوب فيها على أو داخل جسم أو شخص. يستمر الخطر طالما كانت الذرات موجودة، حيث تتحلل على أو داخل الجسم.
• التشعيع: تعريض جسم ما للإشعاع. الجسم المشعع لا يصبح مشعاً بحد ذاته.

يمكن أن يواصل التلوث الإشعاعي تعريض الأنسجة للإشعاع بينما تظل الذرات المشعة موجودة. ينتهي التعرض من مصدر خارجي عند إزالة ذلك المصدر أو حجبها بفعالية. قارن بين نشاط المصدر ونوع الإشعاع والمسافة وزمن التعرض وما إذا كان المادة داخل الجسم؛ لا يكون التلوث الإشعاعي دائمًا هو المساهم الأكبر في الجرعة. ألفا الخارجي لديه اختراق منخفض ويتوقف بواسطة الجلد، لكن تأين القوي داخليًا يمكن أن يتلف الأنسجة الحية القريبة.

الاحتياطات: حمل المصادر بالملقط، أبعدها عنك، قلل الوقت المضيى بالقرب منها، وجهها بعيداً عن الناس، واحفظها في صناديق مبطنة بالرصاص. نتائج دراسات تأثيرات الإشعاع منشورة ومراجعة من قبل الزملاء حتى يمكن التحقق منها.

الإشعاع الخلفي موجود حولنا طوال الوقت:

• طبيعي: الصخور (غاز الرادون)، الأشعة الكونية من الفضاء، الطعام والنظائر الطبيعية في الجسم;
• صنع الإنسان: السقوط الإشعاعي من اختبارات الأسلحة، الحوادث النووية، الاستخدامات الطبية.

تعتمد الجرعة على المهنة والموقع (ارتفاع كبير، صناعات معينة). وحدة الجرعة: سيفرت (1000 ملي سيفرت = 1 سيفرت؛ التذكر غير مطلوب).

يجب على قياسات العينة أن تطرح معدل العد الخلفي أولاً.

العمر النصف والخطر: لأعداد متساوية من النوى غير المستقرة، يعني عمر نصف أقصر نشاطًا أكبر. الكمية وشروط التعرض مهمة أيضًا. قد يتطلب المصدر طويل العمر تخزينًا آمنًا لسنوات عديدة. يجب أن يبقى المتتبع الطبي نشطًا بما يكفي للتحقيق، ثم يتحلل بسرعة لتقليل الجرعة اللاحقة. يجب أن يظل مصدر كاشف الدخان مفيدًا لسنوات.

الاستخدامات الطبية (كل منها = استكشاف أو تدمير):

• Exploration: a gamma-emitting tracer (e.g. technetium-99m) injected so organs show on a scan; gamma escapes the body; a suitable short half-life limits dose after the scan.
• التدمير: تركز أشعة جاما أو المصادر المزروعة لتدمير الخلايا السرطانية (العلاج الإشعاعي)؛ والبيتا لحالات الجلد.

تقييم المخاطر: قارن بين الجرعة والعواقب المتوقعة للإجراء ومخاطر المرض — باستخدام الأرقام الواردة في السؤال.

الانشطار: انقسام نواة كبيرة وغير مستقرة (اليورانيوم-235، البلوتونيوم-239).

• الانشطار التلقائي نادر: عادةً ما تمتص النواة نيوتروناً أولاً.
• تنقسم إلى نووتين أصغر بحجم متقارب تقريباً، وتطلق نيوترونين أو ثلاثة وأشعة جاما؛ يُنتج طاقة وتحمل جميع النواتج طاقة حركية.
• النيوترونات المنطلقة قد تُسبب انشطاراً إضافياً — وهو تفاعل متسلسل. تتحكم المفاعل في هذا التفاعل (الأعمدة التحكم تمتص النيوترونات)؛ بينما يكون انفجار السلاح تفاعلاً متسلسلاً غير منضبط.
• يجب رسم المخطط أو تفسيره: نيوترون يدخل ← نتجتان + نيوترونات تخرج ← تفرع متسلسل.

الاندماج النووي: انضمام نواتين خفيفتين لتكوين نواة أثقل؛ يتحول بعض الكتلة إلى طاقة الإشعاع. للانضمام، يجب أن تقترب النوى الموجبة عن كثب رغم تنافرها الكهربائي. لا تصف الاندماج على أنه رابطة كيميائية أو تدعي أن كل نظام اندماج خالي من النفايات.

• Find protons, neutrons and electrons from $A,Z$; identify isotopes and ions.
• اشرح كيف غيرت الأدلة التجريبية نماذج الذرة.
• قارن خصائص ألفا/بيتا/غاما واختر المصادر المناسبة لاستخدام معين.
• موازنة معادلات ألفا/بيتا المفردة والتحقق من كلا الصفين.
• أوجد العمر النصف والانخفاض الصافي (HT)؛ أجد النشاط من ميل المماس.
• اطرح الخلفية؛ فرّق بين عدادات الكاشف ونشاط المصدر.
• قارن مخاطر التعرض الإشعاعي والتلوث الإشعاعي والاحتياطات.
• (الفيزياء فقط) اشرح الخلفية والاستخدامات الطبية واختيار عمر النصف والانقسام/الاندماج النووي.

أخطاء شائعة

• تبديل العدد الكتلي بالعدد الذري. الرقم العلوي هو البروتونات + النيوترونات؛ والرقم السفلي هو البروتونات؛ النيوترونات = العلوي − السفلي.
• تغيير العدد الكتلي في اضمحلال بيتا. يتحول نيوترون إلى بروتون ويخرج إلكترون من النواة: يرتفع العدد الذري بمقدار 1، ويبقى العدد الكتلي كما هو.
• الاعتقاد بأن نصف عمرين يزيلان العينة بالكامل. بعد نصف عمرين يبقى $\tfrac14$؛ وبعد ثلاثة، يبقى $\tfrac18$.
• قراءة نصف العمر دون طرح الخلفية. صحّح كل قراءة أولاً، وإلا سيبدو أن النشاط الإشعاعي ينخفض ببطء مفرط.
• القول إن الجسم المشرع يصبح مشعاً. فقط التلوث يضع ذرات مشعة عليه أو داخله.
• تسمية الإشعاع غاما بأنه الأخطر في كل مكان. يخترق غاما أكثر لكنها تأين أقل؛ ألفا داخل الجسم هو الأكثر ضرراً.
• الخلط بين الانشطار والاندماج. الانشطار يفصل نواة كبيرة (اليورانيوم، البلوتونيوم)؛ والاندماج يجمع نوى خفيفة (الهيدروجين في النجوم).