النواة في العمل
بعض الأنوية غير مستقرة: تطرد إشعاعاً بشكل عشوائي، تتحلل بنصف عمر، وتطلق الطاقة — في المفاعلات والنجوم — عن طريق الانشطار أو الاندماج. يغطي هذا القسم الترميز الذري، الإشعاعات المؤينة الثلاث وقدراتها الاختراقية، حسابات نصف العمر، تفاعل السلسلة الانشطارية، ولماذا يضيء الاندماج النجوم لا محطات الطاقة لدينا.
فيزياء إديكسل الدولية GCSE 4PH1، القسم 7 (العبارات 7.1–7.26). الوحدة: بيكريل (Bq)، مع الزمن بالثانية s، الدقيقة min أو الساعة h.
الإشعاع
يحتفظ الذرة ببروتونات ونيترونات في نواة؛ يُعطي الترميز $^{A}_{Z}X$ العدد الكتلي (عدد النيوكليونات) A والعدد الذري (عدد البروتونات) Z. النظائر تشترك في Z لكن تختلف في عدد النيوترونات.
تُصدر الأنوية غير المستقرة — بشكل عشوائي — ألفا α (نواة هيليوم، $^4_2$He)، بيتا-سالب β⁻ (إلكترون، يتكون عندما يتحول نيوترون إلى بروتون) وجاما γ (موجة كهرومغناطيسية عالية الطاقة، بدون جسيمات). الموازنة: كلا العدد الكتلي والشحنة محفوظان.
فحص محلول. كربون-14: $^{14}_{6}C \rightarrow {}^{14}_{7}N + {}^{0}_{-1}e$ — يبقى A 14؛ شحنة 6 = 7 + (−1) ✓. رادون: $^{222}_{86}Rn \rightarrow {}^{218}_{84}Po + ^{4}_{2}He$.
| الإشعاع | الطبيعة | مؤين | المدى في الهواء |
|---|---|---|---|
| ألفا | 2p + 2n | الأقوى | بضع سنتيمترات |
| بيتا | إلكترون سريع | متوسط | عشرات السنتيمترات |
| جاما | موجة EM | الأضعف | أمتار |
الكشف: فيلم فوتوغرافي (شارة) أو أنبوب جيجر-مولر. يأتي الإشعاع الطبيعي من الصخور والأشعة الكونية (الفضاء)، الطعام، الاستخدامات الطبية والبقايا.
النشاط (بالبيكريل؛ 1 بيكريل = 1 اضمحلال/ثانية) ينخفض بانتظام: عمر النصف هو الوقت اللازم لاضمحلال نصف الأنوية غير المضمحلة. تحقق محلول. 800 بيكريل بعمر نصف 6 ساعة: بعد 24 ساعات (4 أعمار نصف) النشاط $= 800/2^4 = 50$ بيكريل.
الاستخدامات: المسارات الطبية (عمر نصف قصير، أشعة جاما)، علاج السرطان، التعقيم، التحكم في السمك (أشعة بيتا عبر الورق). التلوث (مواد مشعة على جسمك — يجب إزالتها) يختلف عن الإشعاع (التعرض للإشعاع — يتوقف عند مغادرة المصدر). المخاطر: طفرات الحمض النووي، تلف الخلايا والأنسجة؛ يجب تخزين النفايات المشعة بأمان لأعمارها الطويلة.
الانشطار والاندماج
تفكيك نواة كبيرة أو دمج نواتين صغيرتين — كلاهما يحرر طاقة، وكل منهما يشغل آلة مختلفة.
الانشقاق: يصطدم نيوترون بـ U-235، فينفصل إلى نواتين ابنتين مشعتين، و2–3 نيوترونات وطاقة حركية — وإذا اصطدمت تلك النيوترونات بمزيد من U-235، تحدث تفاعل متسلسل. المعدّن يبطئ النيوترونات لتصبح أكثر فعالية في انشقاق النوى؛ قضبان التحكم تمتص النيوترونات للحفاظ على المعدل ثابتاً؛ الحماية تحمي العمال. الاندماج يجمع نوى صغيرة في واحدة أكبر، محولاً الكتلة إلى طاقة — مصدر الشمس. يتطلب الاندماج حرارة وضغطاً هائلين لأن بروتونات ذات شحنة موجبة تتنافر كهربائياً ساكناً — يجب أن تتصادم النوى بسرعة كافية للتغلب على هذا التنافر.*
تحقق من نفسك
- في $^{19}_{9}F$، حدد أعداد البروتونات والنيوترونات والإلكترونات في الذرة المتعادلة.
- سمّ الإشعاعات المؤينة الثلاثة وطبيعتها.
- اكتب المعادلة الكاملة للاضمحلال ألفا لـ $^{226}_{88}Ra$.
- أي إشعاع يتوقف بواسطة الورق، وأيها يخترق الألمنيوم؟
- اذكر مصدرين للإشعاع الخلفي.
- عرّف عمر النصف.
- مصدر قيمته 3200 Bq له نصف عمر 8 أيام. أوجد نشاطه بعد 32 أيام.
- اذكر الفرق بين التلوث والإشعاع.
- سمّ أدوار المخفف وقضبان التحكم والحواجز في المفاعل.
- لماذا يحتاج الاندماج إلى درجات حرارة عالية جداً؟
الإجابات: 1 9 بروتون، 10 نيوترون، 9 إلكترون؛ 2 ألفا — نواة الهيليوم (2p+2n)؛ بيتا سالب — إلكترون سريع؛ جاما — موجة كهرومغناطيسية عالية الطاقة؛ 3 $^{226}_{88}Ra \rightarrow {}^{222}_{86}Rn + {}^{4}_{2}He$؛ 4 ألفا يتوقف بالورق؛ جاما يخترق الألمنيوم (يتطلب رصاصاً سميكاً)؛ 5 أي اثنين: صخور/مواد بناء، أشعة كونية، طعام/شراب، طبي، غاز الراديون، تسرب نووي؛ 6 الوقت المستغرق لاضمحلال نصف الأنوية غير المضمحلة (أو النشاط)؛ 7 32 يوم = 4 أعمار نصف: $3200 \rightarrow 1600 \rightarrow 800 \rightarrow 400 \rightarrow 200$ بيكريل؛ 8 التلوث — مواد مشعة عالقة عليك، الخطر يبقى حتى الإزالة؛ الإشعاع — تعرض لإشعاع من مصدر، ينتهي عند إزالة المصدر؛ 9 المخفف يُبطئ النيوترونات للانشطار الكفء؛ قضبان التحكم تمتص النيوترونات للتحكم في المعدل؛ الحواجز تمتص الإشعاع الهارب لحماية العمال؛ 10 البروتونات ذات الشحنة الموجبة لنووتين تتنافر كهربائياً ساكناً، لذا يجب أن تتصادم النوى بسرعة هائلة — لا تُحقق إلا عند درجة حرارة وضغط عاليين جداً — لتقترب بما يكفي للاندماج.