أسس الفيزياء النوويه

الفيزياء النووية أصبحت في هذه الأيام ضرورة للعالم المتطور ، فقد أصبحت إحدى الأسس الكبرى لبناء المستقبل ،
نظراً لما توفره من امكانيات جبارة وطرق سهلة للتحكم بالطاقة الكامنة ..
ولكن للأسف اشتهر عند العامة أن الفيزياء النووية ليست سوى قنابل وتدمير ،
ومن المواقف الطريفة أنه عندما سألني أحد اليابانيين عن تخصصي فقلت له
(فيزياء نووية) فعندها ولى هارباً وكأنني قنبلة تمشي على قدمين ، فعندما
يسمعون العامة عن كلمة (نووي) ، يعرض في أذهانهم لقطة انفجار قنبلتي
هيروشيما وناجازاكي ، وصور الأطفال المشوهين في حادثة تشرنوبل ، والمصابين
بالسرطان في العراق وغيرها من مآسي القوة النووية ، وهدفنا نحن الطلاب أن
نصحح هذه النظرة في عقول الناس ، فالفيزياء النووية الآن أصبحت تستعمل في
الكثير من حقول المعرفة ، كالطب ، والصناعات، وفي الجيولوجيا ، وفي
الكمبيوتر ، وفي الإلكترونيات ، وفي الفضاء ، وفي الآثار ، وفي التعقيم ،
وفي الصناعات الكيماوية ، وغيرها الكثير الكثير من الإستخدامات التي
سنناقشها في المحاضرة التاسعة إن شاء الله ..

يظن الكثير أن فكرة الفيزياء النووية بدأت مع بداية الفيزياء الحديثة ،
وهي في الحقيقة بدأت منذ أن تم اكتشاف الذرة ، ولكنها بدأت تتضح أكثر مع
بداية ظهور عصر الفيزياء الحديثة ، التي أنجبت لنا ما يسمى بالفيزياء
النووية، التي هي بدورها أنجبت طفلاً صغيراً أسميناه فيما بعد بـ(فيزياء
الجسيمات الأولية) ، ونحن الآن لن ندخلكم في النقاشات العائلية ، ولذلك
سأختصر ، وسأبدأ في النقاط الأساسية ..

ولكن هناك سؤال في بداية تعلمنا للفيزياء النووية وهو :

ماذا تعرف عن النواة nucleus؟

النواة وهي المحور الذي تدور حوله الفيزياء النووية ،هذا الجسيم المنتاهي
بالصغر ، يشكل عالم متكامل منظم من القوى عجزت عن وصفه اعظم النظريات
العريقة ، لذلك يجب علينا أن نعرف خواص هذا الجسيم قبل البدء في الكلام عن
النشاط الإشعاعي والتطبيقات النووية ، دلت التجارب و الأبحاث على أن
النواة هي عبارة عن جسيم مشحون كتلته أكبر بكثير من كتلة الإلكترونات التي
هي عبارة جسيمات صغيرة تدور حول النواة بسرعة كبيرة ، وقد أثبتت التجارب
على أن النواة تتكون من نوعين من الجسيمات هما : البروتونات والنيوترونات
، ولأن هذين النوعين من الجسيمات يتشابهان بشكل كبير فيطلق عليهما لفظ
(النيوكلونات) ،

ولنبدأ باسم الله في
خواص النواة :

1- رقم الكتلة (A) MASS NUMBER
وهو عدد النيوكلونات في النواة ، أي عدد النيوترونات + عدد البروتونات ،
ومن الجدير بالذكر أن عدد الكتلة يبقى ثابتاً في أي عملية نووية من النوع
العادي (أي بدون تكون أضداد الجسيمات) ويسمىذلك بـ(قانون حفظ رقم الكتلة
Conservation of mass number) ، ويكون رقم الكتلة مقدراً بوحدة الكتلة
الذرية العالمية ..

2- رقم شحنة النواة (Z) nucleus charge number
يتحدد رقم شحنة النواة بعدد البروتونات في النواة ، كما أن رقم الشحنة
يحدد عدد الإلكترونات ، الذي يحدد ترتيب العنصر في جدول العناصر ، كما أن
رقم الشحنة يحدد الخصائص الكيميائية للعنصر ، وإذا علمنا رقم الكتلة لنواة
عنصر معين ورقم الشحنة فإننا نستطيع أن نستنتج عدد النيوترونات (N) عن
طريق المعادلة التالية :
N=A-Z
ويطلق على العناصر التي أنويتها متساوية في عدد الشحنة(Z) بالنظائر أو
الأيزوتوبات ، كما يطلق على العناصر التي أنويتها متساوية في عدد
الكتلة(A) بالمتكاتلات أو الأيزوبارات ، كما يطلق على العناصر التي
أنويتها متساوية في عدد النيوترونات(N) بالأيزوتونات ..
مسائل :
إذا علمت أن نواة النيتروجين تحتوي على 7 بروتونات و7 نيوترونات ، فأوجد عدد الشحنة وعدد الكتلة.
الجواب:
عدد الكتلة = عد البرتونات + عدد النيوترونات = 14
عدد الشحنة = عدد البروتونات = 7

3- الطاقة النسبية للنواة
قد علمنا من النظرية النسبية أن أي جسم له كتلة ثابتة فطاقته تساوي كتلته
مضروبة في تربيع سرعة الضوء ، فالطاقة النسبية للنواة هي كتلتها
بالكيلوجرامات في تربيع سرعة الضوء .
مسائل :
أوجد الطاقة النسبية لنواة ، إذا علمت أن كتلتها تساوي 1جرام .
الجواب :
من معادلة النظرية النسبية : {الطاقة=الكتلة × مربع سرعة الضوء}
= 9×10^20

4- نصف قطر النواة Nuclear radius
أثبت العالم رذرفورد أن النواة ليست نقطية ، وكان أول من أعطى نتائج
مبدئية عن نصف قطر نواة الذهب ، وذلك بدراسة تشتت جسيمات ألفا عند
اصطدامها برقائق الذهب ، وقد أثبتت التجارب الحديثة أن نصف قطر النواة
يعطى من خلال العلاقة التالية :
R = r0 X A^1/3
حيث أن :
A= عدد الكتلة
r0= هو عدد ثابت ويساوي تقريباً (1.37×10^-15 متر)

5-اللف المغزلي SPIN
كما عرفنا أن النواة تحتوي على بروتونات ونيوترونات بداخلها ، ويوجد
فراغات صغيرة فيما بين هذه الجسيمات ، لذلك فإن هذه الجسيمات تكون في حركة
دائمة داخل النواة ، وحيث أن البروتونات والنيترونات تمتلك عزماً
ميكانيكياً يقدر بـ2/1h ، ويكون هذا العزم الميكانيكي على شكل لف مغزلي ،
وهو دوران الجسيمات بطريقة مغزلية حول نفسها ويجمع هذا اللف المغزلي ليكون
اللف المغزلي للنواة ، ولكن نريد أن ننبه أن اللف المغزلي للنواة يتم جمعه
بطريقة خاصة حيث أنه قد تكون النواة يوجد به أكثر من 100 بروتون ونيوترون
، ويكون لفها المغزلي لا يتجاوز 1h !! فكيف يحدث هذا ؟!! ، عندما يكون
بالنواة بروتونان ، فإنهما يتزاوجان ويلغي كل منهما عزم الآخر ، فإذا كان
بالنواة 50 نيوترون و60 بروتون ، فإن عزم النواة يكون صفر ، فالأعداد
الزوجية من البروتونات أو النيوترونات يلغي بعضهم بعضاً، أما إذا كانت
الأعداد فردية فهي تجمع مع عزمها الدائري ، وهو عزم ميكانيكي تدور فيه
جسيمات في مدارات في الذرة ، ويكون الناتج هو عزم النواة ..

6- العزم المغناطيسي
إذا كان هناك جسم يحمل شحنة معينة فمن الطبيعي أنه إذا فإنه بدورانه حول
نفسه (العزم المغزلي) ، أو بدورانه في مدار في داخل الذرة ( العزم
الدوراني) يكوّن مجال مغناطيسي ، يسمى بالعزم المغناطيسي ، وهذا العزم
المغناطيسي يقاس بوحدة تسمى بمغناطيس بوهر (Mb)أو بوحدة عامة أخرى تسمى
بالمغناطيس النووي(Mn) ، فالعزم المغناطيسي النابع من العزم الدوراني
للإلكترون في أقل مستوى دوران في الذرة يساوي 1Mb ، والعزم المغناطيسي
النابع من عزمه المغزلي يساوي 2mb ، وكذلك البروتونات والنيترونات لها عزم
مغناطيسي ، ويجمع العزم المغناطيسي كما يجمع العزم الميكانيكي ،
فالبروتونان يستبعد عزمهما بالتزاوج ، والنيوترونان كذلك ..

7- الزخم الزاوي
لنفترض أن هناك جسم يسير بسرعة v في مدار معين ، وهو في نفس الوقت يدور
حول نفسه ، كدوران كوكب الأرض حول محوره ودورانه في مدار حول الشمس ، فإنه
بدورانه في مدار حول الشمس ، ينتج زخم خطي أي كمية حركة خطية تحسب
بالمعادلة التالية:
p = v x m
حيث أن :
p= الزخم الخطي
v= السرعة الخطية
m= الكتلة الثابتة
كما أنه بدورانه حول نفسه ينتج زخم مغزلي يحسب بالمعادلة السابقة