الكيميــــاء النوويـــــــــــة
أولا:الطاقة من التفاعلات النووية
- التفاعلات الكيميائية : تتم بين إلكترونات المستويات الخارجية لذرات العناصر بروابط أيونية أو روابط تساهمية
وتعتمد على العدد الذرى.
- التفاعلات النووية : تتم داخل أنوية ذرات العناصر وتنطلق طاقة نووية هائلة تستخدم في الأغراض السلمية والحربية
ويعتمد التفاعل النووى على العدد الكتلى.
Ûبعض المصطلحات العلمية :
1-العدد الكتلي B : هو عدد مكونات النواة لابد أن يكون رقما صحيحا ولا يعتبر صفة مميزة للعنصر.
= عدد البروتونات + عدد النيوترونات متعادلة.
2-العدد الذري A : هو عدد البروتونات الموجبة التي توجد داخل النواة = عدد الإلكترونات السالبة في مستويات الطاقة خارج النواة لابد أن يكون عددا صحيحا وهو صفة مميزة للعنصر.
3-الوزن الذرى C: هو مجموع أوزان مكونات الذرة أى مجموع أوزان البروتونات والنيوترونات والألكترونات ولا يشترط أن يكون رقما صحيحا ولا يعتبر ضفة مميزة للعنصر.
õ ملحوظة: عدد النيوترونات n = عدد الكتلة – العدد الذري
النظائــــــــــــــر
هي صورة مختلفة لذرات عنصر واحد تتفق في العدد الذري والخواص الكيميائية وتختلف في عدد الكتلة والخواص النووية أى تختلف في عدد النيترونات (يرجع ثبات نواة العنصر إلي النسبة بين عدد النيوترونات والبروتونات في النواة).
ïمثال1 : نظائر الهيدروجين (ثلاث نظائر)...
1-بروتيوم H11 : الهيدروجين العادى ورمزه P و A = 1 و B = 1 و n = zero
2-ديوتيريوم H12: الهيدروجين الثقيل ورمزه D و A = 1 و B = 2 و n = 1
3-تريتيوم H13: الهيدروجين فوق الثقيل ورمزه T و ِA = 1 و B = 3 و n = 2
ïمثال 2: عنصر الأكسجين له ثلاث نظائر ...
1-8O16 عدد النيوترونات = 8 2-8O17 عدد النيوترونات = 9 3-8O18 عدد النيوترونات = 10
أنواع النظائر
Û أولا: النظائر الثابتة (غير مشعة) :
هي ذات أنوية مستقرة لا يتغير تركيبها الذري بمرور الزمن أى أنها في حالة الاستقرار لأن قوى التجاذب داخل أنويتها أكبر من قوى التنافر والنسبة بين عدد النيترونات والبروتونات تكون قريبة من 1 : 1.
والنظائر الثابتة تكون :
1-عناصر أعدادها الذرية صغيرة :
ïمثال : الهيليوم 4He2 ، الكربون 12C6 ، الأكسجين 16O8 ، النيون 20Ne10 وتكون النسبة بين كنسبة 1 : 1
2-عناصر أعدادها الذرية كبيرة نسبيا :
ïمثال : الرصاص 206Pb82 ، الحديد 26Fe56 ، البروم 97Br35 وتكون النسبة بين كنسبة 1.5 : 1
Ûثانيا : النظائر الغير ثابتة (المشعة) :
هي نظائر ذات أنوية غير مستقرة وتتحول بمرور الزمن إلي عناصر أخرى تختلف في العدد الذري والكتلي
وتصدر منه إشعاعات.
العناصر ذات الأعداد الذرية الكبيرة جدا :
ïمثال : اليورانيوم 238U93 ، الثوريوم 234Th90 وتكون النسبة بين كنسبة 1 : 1
النواة مخزن الكتلة فى الذرة
Ûتتركب الذرة من .. نواة تحتوي علي بروتونات ونيترونات وتدور حول النواة إلكترونات موزعة في مستويات الطاقة المختلفة المحيطة بالنواة.
تتركز كتلة الذرة فى النواة لأن كتلة مكونات النواة أكبر بكثير من كتلة الإلكترونات التى تدور حول النواة وبالتالى يمكن إهمال كتلة الإلكترونات.
-كتلة الإلكترونات = 0.000548 وحدة كتل ذرية
-كتلة البروتون = 1.0073 وحدة كتل ذرية
-كتلة النيترون = 1.0087 وحدة كتل ذرية.
-وحدة الكتل الذرية (و . ك . ذ) = 1.66 × -1024 جرام
ïمثال1 : احسب كتل مكونات نواة ذرة الهيليوم 4H2
-تتكون نواة ذرة الهيليوم من 2 بروتون ، 2 نيترون.
-كتلة نواة ذرة الهيليوم = 2 × 1.0073 + 2 × 1.0087 = 4.032 و . ك . ذ
-كتلة الإلكترونات في ذرة الهيليوم = 2 × 0.000548 = 0.001096 و . ك . ذ
وبمقارنة كتلة مكونات نواة ذرة الهيليوم بكتلة الإلكترونات التي تدور حولها نجد أن كتلة الإلكترونات صغيرة جدا ويمكن إهمالها ولذلك تعتبر النواة مخزن الكتلة.
ïمثال2: احسب كتل مكونات ذرة 5B10 إذا علمت أن :
-كتلة البروتون = 1.0073 و . ك . ذ
-كتلة النيترون = 1.0087 و . ك . ذ
-كتلة الإلكترون = 0.005 و . ك . ذ
** أجب بنفسك !!!!
õ ملحوظة: 1-كتلة البروتون / كتلة الإلكترون = 1838 مرة تقريبا.
2-كتلة البروتون = كتلة النيوترون = 1838 مرة قدر كتلة الإلكترون.
3-النيوترون يمكن إهمال شحنته ولا يمكن إهمال كتلته.
4-الإلكترون يمكن إهمال كتلته ولا يمكن إهمال شحنته.
5-البروتون لا يمكن إهمال كتلته أو شحنته.
النواة مخزن الطاقة فى الذرة
Ûويرجع ذلك لوجود عدة قوى داخل النواة هي :
1-قوى التنافر الإلكتروستاتيكى: بين البروتونات الموجبة وبعضها البعض.
2-قوة التجاذب المادى: بين النيترونات المتعادلة الشحنة وبعضها.
3-قوى التجاذب الإلكتروستاتيكى: بين البروتونات والنيوترونات وبعضها يرجع ذلك لتبادل الميزونات.
Û تعريف الميزون : هو جسيم نووى صغير مشحون بشحنة موجبة (بوزيترون e0+1) أو سالبة (إلكترون -1e0) ويمكن إهمال كتلته لصغرها المتناهى.
تفسير عملية تبادل الميزونات داخل نواة الذرة :
يمكن أن تعتبر أن كلا من البروتون والنيوترون يقضى جزءا من حياته في صورة بروتون والآخر نيوترون وذلك لتبادل الميزونات الموجبة والسالبة بينهما فيحدث التجاذب حيث أن :
1-البروتون يتحول إلي نيوترون + ميزون موجب (بوزيترون) ...
ثم ينتقل الميزون الموجب إلي نيترون آخر فيتحول إلي بروتون.
بروتون « نيوترون + ميزون موجب
2-النيوترون يتحول إلي بروتون + ميزون سالب (إلكترون) ...
ثم ينتقل الميزون السالب إلي بروتون آخر فيتحول إلي نيوترون.
نيوترون « بروتون + ميزون سالب
õ ملحوظة:
1-يفسر تماسك نواة أى عنصر إلي أن قوة التجاذب أقوى بكثير من قوى التنافر داخل النواة.
2-يرجع عدم تماسك مكونات النواة إلي أن قوى التنافر أكبر من قوى التجاذب.
3-طاقة الترابط النووى :هى الطاقة اللازمة لربط مكونات النواة (الطاقة المنطلقة عند تكوين النواة).
العلاقة بين المادة والطاقة
Û درسنا فيما سبق أن:
1-قانون بقاء الطاقة : الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم ولكن تتحول من صورة إلى أخرى.
2-قانون بقاء المادة : المادة لا تفنى ولا تستحدث من العدم ولكن تتحول من صورة إلى أخرى.
3-المادة: هى كل ما له كتلة ويشغل حيزا من الفراغ.
4-الطاقة: هى القدرة على بذل شغل.
5-ظل العلماء يعتبرون المادة والطاقة شيئان مختلفان إلى أن اكتشفت ظاهرة النشاط الإشعاعى حيث وجد أن إنبعاث الطاقة يصاحبه نقص فى الكتلة يتناسب مع كمية الطاقة المنبعثة.
Û نظرية الكم لبلانك..
المادة والطاقة صورتان لشىء واحد وأنه يمكن تحويل كل منهما إلى الأخر.
¶ قانون بلانك : الطاقة الناتجة (ط) = الكتلة المتحولة (ك) × مقدار ثابت
¶المقدار الثابت (ثابت بلانك): هو مقدار الشغل الذى نحصل عليه من تحويل 1جم من المادة إلى طاقة.
وقد وجد العالم أينشتين أن هذا المقدار الثابت = مربع سرعة الضوء (ع2).
¶ قانون إينشتين : الطاقة = الكتلة المتحولة × مربع سرعة الضوء
ط = ك × ع2 ** سرعة الضوء = 3 × 10 8 م / ث
¶حساب الطاقة الناتجة من تحويل 1جم من المادة بطريقتين هما:
أ- ط (بالجول) = × ( 3 × 10 8 )2 = 9 ×10 13 جول
إذن ط بالجول = ك (جم) × 9 ×10 13 جول
ب- ط (بالسعر) = بما أن 1 سعر = 4.18 جول
:. ط (بالسعر) = (9×1310) ÷ 4.184 = 2.15 × 10 13 سعر
Ûوحدات قياس الطاقة الحرارية :
1-السعر: هو كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء المقطر درجة واحدة مئوية من (15– 16 5م).
2-الجول : هو كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء المقطر درجة مئوية.
3-الإلكترون فولت: (وحدة قياس الطاقة الذرية) :
هو الشغل المبذول لنقل شحنة إلكترون إلكترون بين نقطتين فرق الجهد بينهما واحد فولت
ولصغر هذه الوحدة أتخذ المليون إلكترون فولت (م . أ . ف) وحدة لقياس الطاقة الذرية.
وقد وجد أن الطاقة الناتجة من تحول وحدة الكتل الذرية إلى طاقة = 931 (م . أ . ف)
ط (م . أ . ف) = ك (و . ك . ذ) × 931
قواعد التحويل:
1-عند التحويل من (و . ك . ذ) إلى جرام نضرب × 1.66 × 10-24
2-عند التحويل من جرام إلى (و . ك . ذ) نقسم على 1.66 × 10-24
¶ ملخص القوانين السابقة :
1-عندما تكون كتلة المادة المتحولة مقدرة بالجرام يستخدم القوانين الآتية :
ط = ك (جم) ×9 ×10 13 جول
ط = ك (جم) ×2.15 ×10 13 سعر
2-عندما تكون كتلة المادة المتحولة مقدرة بوحدات الكتل الذرية يطبق القانون :
ط= ك (و . ك . ذ) × 931 م. أ . ف
ïمثال : 1-احسب الطاقة بالجول من تحول 0.5 جرام من المادة إلي طاقة.
à الحل :
ط = ك × 9 × 10 13 = 0.5 × 9 × 10 13 = 4.5 × 10 13 جول
2-احسب الطاقة مقدرة بالسعر من تحول 5 جرام من المادة إلي طاقة.
Ãالحل : ط = ك × 2.15 × 10 13 = 5 × 2.15 × 10 13 = 10.75 × 10 13 سعر
3-احسب الطاقة مقدرة بالمليون إلكترون فولت الناتجة من تحول 0.5 و . ك . ذ من المادة إلي طاقة.
à الحل : ط = ك (و . ك . ذ) × 931م = 0.5 × 931 = 465.5 م . أ . ف
4-احسب الطاقة الناتجة من تحويل 0.4 جرام من المادة إلي طاقة مقدرة بالمليون إلكترون فولت.
à الحل :
تحول الجرامات إلي و . ك . ذ = و . ك . ذ
ط = ك (و . ك . ذ) × 931
ط = × 931 = 224.33 × 10 24م . أ . ف
5-قارن بين كميتي الطاقة الناتجين من تحويل كتلتين صغيرتين متساويتين إحداهما من اليورانيوم والأخري من الثوريوم.
à الحل :
حيث أن الكتلتين متساويتين إذا الطاقة الناتجة في الحالتين متساويتين .
حسب قانون أينشتين ط = ك × ع2
طاقة الترابط النووى
Û تعريف طاقة الترابط النووي : هى الطاقة اللازمة لربط مكونات النواة بعضها مع بعض .
õ ملحوظة: كلما كبرت طاقة الترابط النووى كلما كانت درجة ثبات النواة أكبر.
Û منشأ طاقة الترابط النووى :
وجد عمليا أن كتلة مكونات الذرة وهى فى حالة التفكك والانفصال أكبر من كتلتها وهى متماسكة (الكتلة الفعلية للذرة) والنقص فى الكتلة يتحول إلى طاقة ترابط نووى كامنة داخل النواة لربط مكوناتها ببعضها مع بعض وتنطلق هذه الطاقة عندما تتحطم النواة فى التفاعلات النووية. وكلما كان النقص فى الكتلة كبيرا تزداد طاقة الترابط النووى فيزداد ثبات واستقرار الذرة.
?علل : الكتلة الفعلية للذرة تقل بمقدار ضئيل عن مجموع كتل مكونات الذرة المحسوبة؟
لأن جزء من مجموع كتل مكونات الذرة يتحول إلى طاقة ترابط نووى لربط مكونات النواة بعضها مع بعض (النقص في الكتلة يتحول إلي طاقة ترابط نووى).
¶القوانين المستخدمة:
1-النقص فى الكتلة = الكتلة المحسوبة – الكتلة الفعلية
2-طاقة الترابط النووى = النقص فى الكتلة و . ك . ذ × 931
3-طاقة الترابط للجسيم الواحد داخل النواة = طاقة الترابط الكلية ÷ العدد الكتلى
õ ملحوظة:
1-الكتلة المحسوبة دائما تكون أكبر من الكتلة الفعلية لأن النقص فى الكتلة يتحول إلى طاقة ترابط نووى.
2-كتلة المتفاعلات أكبر من كتلة النواتج فى التفاعل النووى وذلك لأن النقص فى الكتلة يتحول إلى طاقة تفاعل نووى.
3-طاقة الترابط النووى تتناسب طرديا مع النقص فى الكتلة.
4-ثبات النواة يتناسب طرديا مع طاقة ترابط الجسيم الواحد.
5-طاقة الترابط للجسيم الواحد تتناسب عكسيا مع العدد الكتلى.
Ûالعلاقة بين طاقة الترابط النووى وعدد الكتلة:
طاقة الترابط النووى µ طاقة الترابط الكلية (ثبات النواة)
طاقة الترابط للجسيم الواحد µ 1/العدد الكتلى
** من الرسم البيانى الموضح نجد أن ...
يستمر التناسب الطردى بين عدد الكتلة وطاقة الترابط النووى
فى النواة حتى نصل إلى عدد كتلة معين بعد هذا العدد يبدأ ثبات
الأنوية فى النقصان بزيادة العدد الكتلى.
ïمثال 1: احسب طاقة الترابط النووى لنواة ذرة الهيليوم He24 علما بأن الكتلة الفعلية لذرة الهيليوم تساوي 4.002604 و . ك . ذ ، -كتلة البروتون = 1.0073 و . ك . ذ ، كتلة النيترون = 1.0087 و . ك . ذ
ثم احسب طاقة الترابط للجسيم الواحد داخل النواة.
à الحل : علمنا أن كتلة الذرة مركزة في النواة ولذلك تهمل كتلة الإلكترون.
:. كتلة مكونات النواة = كتلة 2 بروتون + كتلة 2 نيوترون.
= 2 × 1.0073 + 2 × 1.0087 = 4.0032 و . ك . ذ
النقص في الكتلة = الكتلة مكونات الذرة – الكتلة الفعلية .
= 4.0032 – 4.002604 = 0.029396 و . ك . ذ
طاقة الترابط النووى = ك × 931 = 0.293396 × 931 = 27.3676 م . أ . ف
-طاقة الترابط للجسيم الواحد داخل النواة =
= = 6.84 م . أ . ف
ïمثال 2 : احسب الكتلة الفعلية لذرة الصوديوم 22N11 إذا علمت أن كلتة البروتون 1.0073 و . ك . ذ ، كتلة النيوترون = 1.0078 و . ك . ذ ، وطاقة الترابط النووى لذرة الصوديوم = 181.55 م . أ . ف
à الحل :
نواة ذرة الصوديوم تحتوي علي 11 بروتون 12 نيوترون.
-كتلة البروتون = 11 × 1.0073 = 11.0803 و . ك . ذ
-كتلة النيوترون = 12 × 1.0087 = 12.1044 و . ك . ذ
-مجموع كتل مكونات نواة ذرة الصوديوم = 23.1847 و . ك . ذ
طاقة الترابط النووي = ك (النقص في الكتلة) × 931 م . أ . ف
181.55 = ك × 931
ك = النقص في الكتلة = = 0.195 و . ك . ذ
-النقص في الكتلة = كتلة مكونات الذرة منفردة – الكتلة الفعلية
0.195 = 23.1847 – الكتلة الفعلية
-الكتلة الفعلية = 23.1847 – 0.195 = 22.9897 و . ك . ذ
ïمثال 3: احسب كتل مكونات ذرة الفلور 19F9 إذا علمت أن الكتلة الفعلية لها 18.1305 و . ك . ذ وأن طاقة الترابط النووى لذرة الفلور هو 8.379 م . أ . ف
à الحل :
ط = النقص في الكتلة × 931
8.379 = النقص في الكتلة × 931
النقص في الكتلة = = 0.009 و . ك . ذ
النقص في الكتلة = كتل مكونات الذرة منفردة – الكتلة الفعلية للذرة
0.009 = كتل مكونات الذرة – 18.1305
كتل مكونات الذرة = 18.1305 + 0.009 = 18.1395 و . ك . ذ
? علل : نواة ذرة الهيليوم أثبت من نواة ذرة الديوتيريوم :
لأن طاقة الترابط النووى للجسيم الواحد في نواة ذرة الهيليوم أكبر من طاقة الترابط النووى لجسم في نواة ذرة الديوتيريوم
مسائل متنوعة
1-احسب طاقة الترابط النووي في ذرة الأكسجين 17O6 إذا علمت أن كتلة البروتون = 1.0075 وكتلة النيوترون 1.0085 و . ك . ذ وأن كتلة ذرة الأكسجين 17.0065 و . ك . ذ
2-احسب كتلة مكونات ذرة الكربون 12C6 إذا علمت أن الكتلة الفعلية لها 12.1 و . ك . ذ وأن طاقة الترابط النووي في ذرة الكربون 10.241 م . أ . ف
3-احسب الكتلة الفعلية لذرة الهيليوم 4H2 إذا علمت أن الطاقة التي تربط مكونات ذرة الهيليوم 27.93 م . أ . ف كتلة البروتون = 1.0073 كتلة النيوترون 1.0087 و . ك . ذ
4-احسب كتلة مكونات ذرة الألومنيوم 27AL13 إذا علمت أن وزنها الذري 27.003 و . ك . ذ وأن طاقة الترابط النووى التي تربط مكونات ذرة الألومنيوم هي 186.2 م . أ . ف.
5-أيهما أكثر ثباتا واستقرار 14N7 أو 15N7 علما بأن الفرق بين الكتلة النظرية والكتلة الفعلية لهما علي الترتيب 0.105 ، 0.115 و . ك . ذ
6-احسب الكتلة الفعلية لذرة البورون 10B5 إذا علمت أن كتلة البروتون 1.0073 و . ك . ذ وكتلة النيوترون 1.0087 و . ك . ذ وكتلة الإلكترون 0.0005 و . ك . ذ وأن الطاقة التي تربط مكونات ذرة البورون 1.3965 م . أ . ف
7-أكمل العبارة الآتية : الطاقة الناتجة من 1 كجم يورانيوم والطاقة الناتجة من 1 كجم ثوريوم .........
أولا:الطاقة من التفاعلات النووية
- التفاعلات الكيميائية : تتم بين إلكترونات المستويات الخارجية لذرات العناصر بروابط أيونية أو روابط تساهمية
وتعتمد على العدد الذرى.
- التفاعلات النووية : تتم داخل أنوية ذرات العناصر وتنطلق طاقة نووية هائلة تستخدم في الأغراض السلمية والحربية
ويعتمد التفاعل النووى على العدد الكتلى.
Ûبعض المصطلحات العلمية :
1-العدد الكتلي B : هو عدد مكونات النواة لابد أن يكون رقما صحيحا ولا يعتبر صفة مميزة للعنصر.
= عدد البروتونات + عدد النيوترونات متعادلة.
2-العدد الذري A : هو عدد البروتونات الموجبة التي توجد داخل النواة = عدد الإلكترونات السالبة في مستويات الطاقة خارج النواة لابد أن يكون عددا صحيحا وهو صفة مميزة للعنصر.
3-الوزن الذرى C: هو مجموع أوزان مكونات الذرة أى مجموع أوزان البروتونات والنيوترونات والألكترونات ولا يشترط أن يكون رقما صحيحا ولا يعتبر ضفة مميزة للعنصر.
õ ملحوظة: عدد النيوترونات n = عدد الكتلة – العدد الذري
النظائــــــــــــــر
هي صورة مختلفة لذرات عنصر واحد تتفق في العدد الذري والخواص الكيميائية وتختلف في عدد الكتلة والخواص النووية أى تختلف في عدد النيترونات (يرجع ثبات نواة العنصر إلي النسبة بين عدد النيوترونات والبروتونات في النواة).
ïمثال1 : نظائر الهيدروجين (ثلاث نظائر)...
1-بروتيوم H11 : الهيدروجين العادى ورمزه P و A = 1 و B = 1 و n = zero
2-ديوتيريوم H12: الهيدروجين الثقيل ورمزه D و A = 1 و B = 2 و n = 1
3-تريتيوم H13: الهيدروجين فوق الثقيل ورمزه T و ِA = 1 و B = 3 و n = 2
ïمثال 2: عنصر الأكسجين له ثلاث نظائر ...
1-8O16 عدد النيوترونات = 8 2-8O17 عدد النيوترونات = 9 3-8O18 عدد النيوترونات = 10
أنواع النظائر
Û أولا: النظائر الثابتة (غير مشعة) :
هي ذات أنوية مستقرة لا يتغير تركيبها الذري بمرور الزمن أى أنها في حالة الاستقرار لأن قوى التجاذب داخل أنويتها أكبر من قوى التنافر والنسبة بين عدد النيترونات والبروتونات تكون قريبة من 1 : 1.
والنظائر الثابتة تكون :
1-عناصر أعدادها الذرية صغيرة :
ïمثال : الهيليوم 4He2 ، الكربون 12C6 ، الأكسجين 16O8 ، النيون 20Ne10 وتكون النسبة بين كنسبة 1 : 1
2-عناصر أعدادها الذرية كبيرة نسبيا :
ïمثال : الرصاص 206Pb82 ، الحديد 26Fe56 ، البروم 97Br35 وتكون النسبة بين كنسبة 1.5 : 1
Ûثانيا : النظائر الغير ثابتة (المشعة) :
هي نظائر ذات أنوية غير مستقرة وتتحول بمرور الزمن إلي عناصر أخرى تختلف في العدد الذري والكتلي
وتصدر منه إشعاعات.
العناصر ذات الأعداد الذرية الكبيرة جدا :
ïمثال : اليورانيوم 238U93 ، الثوريوم 234Th90 وتكون النسبة بين كنسبة 1 : 1
النواة مخزن الكتلة فى الذرة
Ûتتركب الذرة من .. نواة تحتوي علي بروتونات ونيترونات وتدور حول النواة إلكترونات موزعة في مستويات الطاقة المختلفة المحيطة بالنواة.
تتركز كتلة الذرة فى النواة لأن كتلة مكونات النواة أكبر بكثير من كتلة الإلكترونات التى تدور حول النواة وبالتالى يمكن إهمال كتلة الإلكترونات.
-كتلة الإلكترونات = 0.000548 وحدة كتل ذرية
-كتلة البروتون = 1.0073 وحدة كتل ذرية
-كتلة النيترون = 1.0087 وحدة كتل ذرية.
-وحدة الكتل الذرية (و . ك . ذ) = 1.66 × -1024 جرام
ïمثال1 : احسب كتل مكونات نواة ذرة الهيليوم 4H2
-تتكون نواة ذرة الهيليوم من 2 بروتون ، 2 نيترون.
-كتلة نواة ذرة الهيليوم = 2 × 1.0073 + 2 × 1.0087 = 4.032 و . ك . ذ
-كتلة الإلكترونات في ذرة الهيليوم = 2 × 0.000548 = 0.001096 و . ك . ذ
وبمقارنة كتلة مكونات نواة ذرة الهيليوم بكتلة الإلكترونات التي تدور حولها نجد أن كتلة الإلكترونات صغيرة جدا ويمكن إهمالها ولذلك تعتبر النواة مخزن الكتلة.
ïمثال2: احسب كتل مكونات ذرة 5B10 إذا علمت أن :
-كتلة البروتون = 1.0073 و . ك . ذ
-كتلة النيترون = 1.0087 و . ك . ذ
-كتلة الإلكترون = 0.005 و . ك . ذ
** أجب بنفسك !!!!
õ ملحوظة: 1-كتلة البروتون / كتلة الإلكترون = 1838 مرة تقريبا.
2-كتلة البروتون = كتلة النيوترون = 1838 مرة قدر كتلة الإلكترون.
3-النيوترون يمكن إهمال شحنته ولا يمكن إهمال كتلته.
4-الإلكترون يمكن إهمال كتلته ولا يمكن إهمال شحنته.
5-البروتون لا يمكن إهمال كتلته أو شحنته.
النواة مخزن الطاقة فى الذرة
Ûويرجع ذلك لوجود عدة قوى داخل النواة هي :
1-قوى التنافر الإلكتروستاتيكى: بين البروتونات الموجبة وبعضها البعض.
2-قوة التجاذب المادى: بين النيترونات المتعادلة الشحنة وبعضها.
3-قوى التجاذب الإلكتروستاتيكى: بين البروتونات والنيوترونات وبعضها يرجع ذلك لتبادل الميزونات.
Û تعريف الميزون : هو جسيم نووى صغير مشحون بشحنة موجبة (بوزيترون e0+1) أو سالبة (إلكترون -1e0) ويمكن إهمال كتلته لصغرها المتناهى.
تفسير عملية تبادل الميزونات داخل نواة الذرة :
يمكن أن تعتبر أن كلا من البروتون والنيوترون يقضى جزءا من حياته في صورة بروتون والآخر نيوترون وذلك لتبادل الميزونات الموجبة والسالبة بينهما فيحدث التجاذب حيث أن :
1-البروتون يتحول إلي نيوترون + ميزون موجب (بوزيترون) ...
ثم ينتقل الميزون الموجب إلي نيترون آخر فيتحول إلي بروتون.
بروتون « نيوترون + ميزون موجب
2-النيوترون يتحول إلي بروتون + ميزون سالب (إلكترون) ...
ثم ينتقل الميزون السالب إلي بروتون آخر فيتحول إلي نيوترون.
نيوترون « بروتون + ميزون سالب
õ ملحوظة:
1-يفسر تماسك نواة أى عنصر إلي أن قوة التجاذب أقوى بكثير من قوى التنافر داخل النواة.
2-يرجع عدم تماسك مكونات النواة إلي أن قوى التنافر أكبر من قوى التجاذب.
3-طاقة الترابط النووى :هى الطاقة اللازمة لربط مكونات النواة (الطاقة المنطلقة عند تكوين النواة).
العلاقة بين المادة والطاقة
Û درسنا فيما سبق أن:
1-قانون بقاء الطاقة : الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم ولكن تتحول من صورة إلى أخرى.
2-قانون بقاء المادة : المادة لا تفنى ولا تستحدث من العدم ولكن تتحول من صورة إلى أخرى.
3-المادة: هى كل ما له كتلة ويشغل حيزا من الفراغ.
4-الطاقة: هى القدرة على بذل شغل.
5-ظل العلماء يعتبرون المادة والطاقة شيئان مختلفان إلى أن اكتشفت ظاهرة النشاط الإشعاعى حيث وجد أن إنبعاث الطاقة يصاحبه نقص فى الكتلة يتناسب مع كمية الطاقة المنبعثة.
Û نظرية الكم لبلانك..
المادة والطاقة صورتان لشىء واحد وأنه يمكن تحويل كل منهما إلى الأخر.
¶ قانون بلانك : الطاقة الناتجة (ط) = الكتلة المتحولة (ك) × مقدار ثابت
¶المقدار الثابت (ثابت بلانك): هو مقدار الشغل الذى نحصل عليه من تحويل 1جم من المادة إلى طاقة.
وقد وجد العالم أينشتين أن هذا المقدار الثابت = مربع سرعة الضوء (ع2).
¶ قانون إينشتين : الطاقة = الكتلة المتحولة × مربع سرعة الضوء
ط = ك × ع2 ** سرعة الضوء = 3 × 10 8 م / ث
¶حساب الطاقة الناتجة من تحويل 1جم من المادة بطريقتين هما:
أ- ط (بالجول) = × ( 3 × 10 8 )2 = 9 ×10 13 جول
إذن ط بالجول = ك (جم) × 9 ×10 13 جول
ب- ط (بالسعر) = بما أن 1 سعر = 4.18 جول
:. ط (بالسعر) = (9×1310) ÷ 4.184 = 2.15 × 10 13 سعر
Ûوحدات قياس الطاقة الحرارية :
1-السعر: هو كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء المقطر درجة واحدة مئوية من (15– 16 5م).
2-الجول : هو كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء المقطر درجة مئوية.
3-الإلكترون فولت: (وحدة قياس الطاقة الذرية) :
هو الشغل المبذول لنقل شحنة إلكترون إلكترون بين نقطتين فرق الجهد بينهما واحد فولت
ولصغر هذه الوحدة أتخذ المليون إلكترون فولت (م . أ . ف) وحدة لقياس الطاقة الذرية.
وقد وجد أن الطاقة الناتجة من تحول وحدة الكتل الذرية إلى طاقة = 931 (م . أ . ف)
ط (م . أ . ف) = ك (و . ك . ذ) × 931
قواعد التحويل:
1-عند التحويل من (و . ك . ذ) إلى جرام نضرب × 1.66 × 10-24
2-عند التحويل من جرام إلى (و . ك . ذ) نقسم على 1.66 × 10-24
¶ ملخص القوانين السابقة :
1-عندما تكون كتلة المادة المتحولة مقدرة بالجرام يستخدم القوانين الآتية :
ط = ك (جم) ×9 ×10 13 جول
ط = ك (جم) ×2.15 ×10 13 سعر
2-عندما تكون كتلة المادة المتحولة مقدرة بوحدات الكتل الذرية يطبق القانون :
ط= ك (و . ك . ذ) × 931 م. أ . ف
ïمثال : 1-احسب الطاقة بالجول من تحول 0.5 جرام من المادة إلي طاقة.
à الحل :
ط = ك × 9 × 10 13 = 0.5 × 9 × 10 13 = 4.5 × 10 13 جول
2-احسب الطاقة مقدرة بالسعر من تحول 5 جرام من المادة إلي طاقة.
Ãالحل : ط = ك × 2.15 × 10 13 = 5 × 2.15 × 10 13 = 10.75 × 10 13 سعر
3-احسب الطاقة مقدرة بالمليون إلكترون فولت الناتجة من تحول 0.5 و . ك . ذ من المادة إلي طاقة.
à الحل : ط = ك (و . ك . ذ) × 931م = 0.5 × 931 = 465.5 م . أ . ف
4-احسب الطاقة الناتجة من تحويل 0.4 جرام من المادة إلي طاقة مقدرة بالمليون إلكترون فولت.
à الحل :
تحول الجرامات إلي و . ك . ذ = و . ك . ذ
ط = ك (و . ك . ذ) × 931
ط = × 931 = 224.33 × 10 24م . أ . ف
5-قارن بين كميتي الطاقة الناتجين من تحويل كتلتين صغيرتين متساويتين إحداهما من اليورانيوم والأخري من الثوريوم.
à الحل :
حيث أن الكتلتين متساويتين إذا الطاقة الناتجة في الحالتين متساويتين .
حسب قانون أينشتين ط = ك × ع2
طاقة الترابط النووى
Û تعريف طاقة الترابط النووي : هى الطاقة اللازمة لربط مكونات النواة بعضها مع بعض .
õ ملحوظة: كلما كبرت طاقة الترابط النووى كلما كانت درجة ثبات النواة أكبر.
Û منشأ طاقة الترابط النووى :
وجد عمليا أن كتلة مكونات الذرة وهى فى حالة التفكك والانفصال أكبر من كتلتها وهى متماسكة (الكتلة الفعلية للذرة) والنقص فى الكتلة يتحول إلى طاقة ترابط نووى كامنة داخل النواة لربط مكوناتها ببعضها مع بعض وتنطلق هذه الطاقة عندما تتحطم النواة فى التفاعلات النووية. وكلما كان النقص فى الكتلة كبيرا تزداد طاقة الترابط النووى فيزداد ثبات واستقرار الذرة.
?علل : الكتلة الفعلية للذرة تقل بمقدار ضئيل عن مجموع كتل مكونات الذرة المحسوبة؟
لأن جزء من مجموع كتل مكونات الذرة يتحول إلى طاقة ترابط نووى لربط مكونات النواة بعضها مع بعض (النقص في الكتلة يتحول إلي طاقة ترابط نووى).
¶القوانين المستخدمة:
1-النقص فى الكتلة = الكتلة المحسوبة – الكتلة الفعلية
2-طاقة الترابط النووى = النقص فى الكتلة و . ك . ذ × 931
3-طاقة الترابط للجسيم الواحد داخل النواة = طاقة الترابط الكلية ÷ العدد الكتلى
õ ملحوظة:
1-الكتلة المحسوبة دائما تكون أكبر من الكتلة الفعلية لأن النقص فى الكتلة يتحول إلى طاقة ترابط نووى.
2-كتلة المتفاعلات أكبر من كتلة النواتج فى التفاعل النووى وذلك لأن النقص فى الكتلة يتحول إلى طاقة تفاعل نووى.
3-طاقة الترابط النووى تتناسب طرديا مع النقص فى الكتلة.
4-ثبات النواة يتناسب طرديا مع طاقة ترابط الجسيم الواحد.
5-طاقة الترابط للجسيم الواحد تتناسب عكسيا مع العدد الكتلى.
Ûالعلاقة بين طاقة الترابط النووى وعدد الكتلة:
طاقة الترابط النووى µ طاقة الترابط الكلية (ثبات النواة)
طاقة الترابط للجسيم الواحد µ 1/العدد الكتلى
** من الرسم البيانى الموضح نجد أن ...
يستمر التناسب الطردى بين عدد الكتلة وطاقة الترابط النووى
فى النواة حتى نصل إلى عدد كتلة معين بعد هذا العدد يبدأ ثبات
الأنوية فى النقصان بزيادة العدد الكتلى.
ïمثال 1: احسب طاقة الترابط النووى لنواة ذرة الهيليوم He24 علما بأن الكتلة الفعلية لذرة الهيليوم تساوي 4.002604 و . ك . ذ ، -كتلة البروتون = 1.0073 و . ك . ذ ، كتلة النيترون = 1.0087 و . ك . ذ
ثم احسب طاقة الترابط للجسيم الواحد داخل النواة.
à الحل : علمنا أن كتلة الذرة مركزة في النواة ولذلك تهمل كتلة الإلكترون.
:. كتلة مكونات النواة = كتلة 2 بروتون + كتلة 2 نيوترون.
= 2 × 1.0073 + 2 × 1.0087 = 4.0032 و . ك . ذ
النقص في الكتلة = الكتلة مكونات الذرة – الكتلة الفعلية .
= 4.0032 – 4.002604 = 0.029396 و . ك . ذ
طاقة الترابط النووى = ك × 931 = 0.293396 × 931 = 27.3676 م . أ . ف
-طاقة الترابط للجسيم الواحد داخل النواة =
= = 6.84 م . أ . ف
ïمثال 2 : احسب الكتلة الفعلية لذرة الصوديوم 22N11 إذا علمت أن كلتة البروتون 1.0073 و . ك . ذ ، كتلة النيوترون = 1.0078 و . ك . ذ ، وطاقة الترابط النووى لذرة الصوديوم = 181.55 م . أ . ف
à الحل :
نواة ذرة الصوديوم تحتوي علي 11 بروتون 12 نيوترون.
-كتلة البروتون = 11 × 1.0073 = 11.0803 و . ك . ذ
-كتلة النيوترون = 12 × 1.0087 = 12.1044 و . ك . ذ
-مجموع كتل مكونات نواة ذرة الصوديوم = 23.1847 و . ك . ذ
طاقة الترابط النووي = ك (النقص في الكتلة) × 931 م . أ . ف
181.55 = ك × 931
ك = النقص في الكتلة = = 0.195 و . ك . ذ
-النقص في الكتلة = كتلة مكونات الذرة منفردة – الكتلة الفعلية
0.195 = 23.1847 – الكتلة الفعلية
-الكتلة الفعلية = 23.1847 – 0.195 = 22.9897 و . ك . ذ
ïمثال 3: احسب كتل مكونات ذرة الفلور 19F9 إذا علمت أن الكتلة الفعلية لها 18.1305 و . ك . ذ وأن طاقة الترابط النووى لذرة الفلور هو 8.379 م . أ . ف
à الحل :
ط = النقص في الكتلة × 931
8.379 = النقص في الكتلة × 931
النقص في الكتلة = = 0.009 و . ك . ذ
النقص في الكتلة = كتل مكونات الذرة منفردة – الكتلة الفعلية للذرة
0.009 = كتل مكونات الذرة – 18.1305
كتل مكونات الذرة = 18.1305 + 0.009 = 18.1395 و . ك . ذ
? علل : نواة ذرة الهيليوم أثبت من نواة ذرة الديوتيريوم :
لأن طاقة الترابط النووى للجسيم الواحد في نواة ذرة الهيليوم أكبر من طاقة الترابط النووى لجسم في نواة ذرة الديوتيريوم
مسائل متنوعة
1-احسب طاقة الترابط النووي في ذرة الأكسجين 17O6 إذا علمت أن كتلة البروتون = 1.0075 وكتلة النيوترون 1.0085 و . ك . ذ وأن كتلة ذرة الأكسجين 17.0065 و . ك . ذ
2-احسب كتلة مكونات ذرة الكربون 12C6 إذا علمت أن الكتلة الفعلية لها 12.1 و . ك . ذ وأن طاقة الترابط النووي في ذرة الكربون 10.241 م . أ . ف
3-احسب الكتلة الفعلية لذرة الهيليوم 4H2 إذا علمت أن الطاقة التي تربط مكونات ذرة الهيليوم 27.93 م . أ . ف كتلة البروتون = 1.0073 كتلة النيوترون 1.0087 و . ك . ذ
4-احسب كتلة مكونات ذرة الألومنيوم 27AL13 إذا علمت أن وزنها الذري 27.003 و . ك . ذ وأن طاقة الترابط النووى التي تربط مكونات ذرة الألومنيوم هي 186.2 م . أ . ف.
5-أيهما أكثر ثباتا واستقرار 14N7 أو 15N7 علما بأن الفرق بين الكتلة النظرية والكتلة الفعلية لهما علي الترتيب 0.105 ، 0.115 و . ك . ذ
6-احسب الكتلة الفعلية لذرة البورون 10B5 إذا علمت أن كتلة البروتون 1.0073 و . ك . ذ وكتلة النيوترون 1.0087 و . ك . ذ وكتلة الإلكترون 0.0005 و . ك . ذ وأن الطاقة التي تربط مكونات ذرة البورون 1.3965 م . أ . ف
7-أكمل العبارة الآتية : الطاقة الناتجة من 1 كجم يورانيوم والطاقة الناتجة من 1 كجم ثوريوم .........
القنبلة الذرية الإنشطارية
Ûالأساس العلمى فى صنع القنبلة: هو إحداث تفاعل نووى إنشطارى متسلسل لا يمكن التحكم فيه فى فترة زمنية قصيرة جدا.
تركيب القنبلة :
1-مادة قابلة للإنشطار النووى مثل اليورانيوم 235 أو بلوتونيوم 239 وتوضع على شكل قطع صغيرة داخل القنبلة كل منها أقل من الكتلة الحرجة والحجم الحرج وعلى ان تجمع هذه القطع آليا لتصبح كتلتها أكبر من الكتلة الحرجة عند بداية انفجار القنبلة.
2-مصدر لقذائف النيوترونات : وهو خليط من الراديوم والبريليوم.
3-جرافيت : يعمل كمادة مهدئة تقلل من سرعة النيوترونات كما يمنع هروبها إلى الخارج.
4-مادة متفجرة : مثل ثلاثى نيترات طولين (T.N.T).
?: كيف يتم التفاعل المتسلسل؟
1-عند تفجير القنبلة تعمل المادة المتفجرة (T.N.T) على دفع إحدى كتلتى اليورانيوم بسرعة نحو الكتلة الأخرى فتصبح كتلتها أكبر من الكتلة الحرجة وحجمها كذلك.
2-تصدم النيوترونات اليوارنيوم ويحدث التفاعل النووى المتسلسل فى لحظة زمنية قصيرة جدا.
92U235 + 0n1 56Ba141 + 36Kr92 + 30n1
Ûأسباب قدرة القنبلة الذرية على التدمير :
1-قوة الانفجار : انفجار شديد يصحبه ضغط مفاجئ وعالى جدا يؤدى إلى اندفاع كتلة هوائية ضخمة تدمر كل ما يعترضها ثم يعقب ذلك موجات تخلخل أشد خطرا وفتكا.
2-حرارة الإشعاع : تصل إلى 10مليون درجة مئوية فى مركز الانفجار تصهر وتحرق كل ما يصادفها.
3-إنبعاث الإشعاعات الذرية : اخطر الإشعاعات الذرية هى أشعة جاما لأنها سريعة النفاذ من خلال الأجسام وتسبب وفاة كثير من الكائنات الحية المحيطة بمركز الانفجار.
4-نشاط إشعاعى ومواد مشعة : يسقط بعضها على سطح الأرض وهى ضارة على جميع الكائنات الحية وتسبب إصابة الإنسان بأمراض خطيرة مثل السرطان وتشوه الأجنة وتلف الأنسجة وغيرها.
وقد تم إلقاء قنبلتين من هذا النوع على هيروشيما ونجازاكى باليابان عام 1945.
المناقشة
1-اكتب المصلح العلمى أو الاسم الدال على العبارات الآتية :
1-تفاعل نووى صناعى تنشطر فيه نواة العنصر المشع إلى نواتين لعنصرين مختلفين بالإضافة إلى انطلاق نيوترونات وطاقة هائلة.
2-التفاعل الإنشطارى الذى تستخدم فيه النيوترونات الناتجة من الإنشطار كقذائف بشكل يضمن تلقائية استمرار التفاعل بمجرد بدءه.
3-النظام الذى يتحكم فى معدل التفاعل الانشطارى المتسلسل فى المفاعل النووى.
4-المخلفات التى تنتج من المفاعلات النووية.
5-التلوث الذى تسببه المفاعلات الانشطارية فى البحار القريبة منها والتى تستخدم مياهها فى عمليات التبريد.
2-أكمل المعادلات النووية التالية :
1-……… + 0n1 56Ba140 + ……… + 30n1 + Energy
2-92U238 + 0n1
3-93Np239
4-53I127 + 0n1
3-اختر الإجابة الصحيحة مما بين القوسين :
1-نظير اليورانيوم الوحيد القابل للانشطار هو :
(اليورانيوم 233 – اليورانيوم 235 – اليورانيوم 236 – اليورانيوم 238)
2-يحتوي خام اليورانيوم الطبيعي علي نسبة ....... من اليورانيوم 235
(0.7% - 7% - 70% - 99.3%)
3-يستخدم الجرافيت في المفاعل الانشطاري كمادة (مبردة – منشطة – مهدئة – منظمة)
4-تقوم قضبان البورون بـ .......... داخل المفاعل النووى.
(خفض درجة الحرارة – امتصاص النيترونات – منع هروب النيترونات من)
5-عند إنزال قضبان الكادميوم داخل المفاعل النووى كليا ....... التفاعل النووى.(يبطيء – يتوقف – يستمر – يزداد)
7-الغرض من نظام تبريد المفاعل ........
(امتصاص النيترونات - سحب الحرارة الناتجة عن الانشطار – منع هروب النيترونات – التحكم في معدل التفاعل)
8-يستخدم في تبريد المفاعلات النووية : (غاز co2 – الماء العادي – الماء الثقيل – جميع ما سبق)
9-يبطن الدرع الخرساني في المفاعل النووى بدرع من (النحاس – الألمونيوم – الصلب – جميع ما سبق)
10-ينتج عن تشغيل المفاعل النووى وأعمال الصيانة الدورية مخلفات ...... الطاقة الإشعاعية
(منخفضة فقط – متوسطة فقط – عالية فقط – منخفضة أو متوسطة)
4-وضح بالمعادلات النووية :
1-تفاعل نووى انشطاري متسلسل. 2-تفاعل قذف نواة نظير اليورانيوم 238 بنيوترون سريع.
3-فقد دقيقة بيتا من نواة نظير اليورانيوم 239. 4-فقد دقيقة بيتا من نواة نظير النبتونيوم Np239
5-تفاعل قذف نواة اليود 127 بنيوترون.
5-علل لما يأتي :
1-تجري عملية تخصيب لحام اليورانيوم قبل استخدامه في المفاعلات.
2-يمكن التحكم في التفاعل النووى المتسلسل في المفاعل الانشطاري.
3-توقف التفاعل النووى عند إنزال قضبان الكاديوم فيه كلبا.
4-تدفن النفايات الذرية المخلوطة بالخرسانة والمغلفة بالصلب علي أعماق بعيدة من سطح الأرض.
5-بناء المفاعلات الانشطارية بالقرب من شواطئ البحار.
6-بناء المفاعلات الانشطارية بالقرب من شواطئ البحار يؤدي إلي حدوث تلوث حراري.
7-استخدام اليورانيوم 238 في المفاعلات الانشطارية بالرغم من أنه لا ينشطر بالنيوترونات.
رابعا : التفاعلات الاندماجية
Û تعريف التفاعلات الاندماجية:
هي تفاعلات تحدث نتيجة اندماج أنوية عناصر خفيفة لتكوين عنصر أثقل بحيث كتلة النواة الناتجة أقل من كتل الأنوية المندمجة والفرق في الكتلة يتحول إلي طاقة اندماجية.
Ûأمثلة للتفاعلات الاندماجية :
1H2 + 1H2 2He3 + 0n1 + E
1H3 + 1H2 2He4 + 0n1 + E
õ ملحوظة:
1-أفضل العناصر للحصول علي الطاقة الاندماجية هي نظائر الهيدروجين الثقيل وهي الديوتيريوم 1H3 , 1H2 التريتيوم
2-تحدث تفاعلات اندماجية داخل الشمس بسبب وجود نظائر الهيدروجين.
Ûشروط التفاعلات الاندماجية :
1-الحصول علي نظائر الهيدروجين من التحليل الكهربي للماء.
2-توفر طاقة حرارية عالية للتخلص من إلكترونات ذرات الهيدروجين وتصبح أنوية نظائر الهيدروجين عارية من الإلكترونات ولتلافي طاقة التنافر بين الأنوية الموجبة وبذلك يسهل عملية الاندماج.
?علل : الهيدروجين أفضل العناصر للحصول علي طاقة اندماجية.
1-لأنه يتم اندماج نواتي ذرتي الهيدروجين بسهولة لأن كل نواة تحتوي علي بروتون واحد فتكون شحنة النواة صغيرة بذلك تكون قوى التنافر بين الأنوية ضعيفة.
2-توفر نظائر الهيدروجين في مياه البحار والمحيطات أو الحصول عليها بسهولة بالتحليل الكهربي للماء.
?علل : التفاعلات الاندماجية تعتمد علي تفاعل انشطاري متسلسل.
لأن التفاعلات الاندماجية تحتاج إلي حرارة عالية للتخلص من إلكترونات ذرات الهيدروجين وبالتالي تحصل عليها من التفاعل الانشطاري المتسلسل.
العلم والايمان2012-02-26, 2:16 pm