الاضمحلال النووي والتفاعلات النووية

يقوم الاضمحلال النووي والتفاعلات النووية على فكرة تحول النواة غير المستقرة إلى نواة أكثر استقراراً عبر إطلاق جسيمات أو طاقة. يتضمن ذلك اضمحلال ألفا، وبيتا، وجاما، إضافة إلى التفاعلات الكبرى مثل الانشطار النووي الذي تقسم فيه نواة ثقيلة، والاندماج النووي الذي تندمج فيه أنوية خفيفة لتوليد طاقة هائلة. يعبر عن كل ذلك بمعادلات نووية موزونة تتساوى فيها الأعداد الكتلية والذرية في الطرفين. فمثلا، في اضمحلال ألفا لنواة اليورانيوم ${ }^{238}_{92} ext{U}$ تنتج نواة الثوريوم ${}^{234}_{90} ext{Th}$ وجسيم ألفا ${}^{4}_{2} ext{He}$. وتُحسب كمية المادة المتبقية عبر الزمن باستخدام مفهوم عمر النصف الذي يمثل الفترة اللازمة للاضمحلال نصف ذرات النظير المشع.

الفكرة الأساسية

الأنوية غير المستقرة تسعى دائماً للوصول إلى حالة استقرار عبر التخلص من فائض طاقتها أو جسيماتها. يحدث هذا إما تلقائياً عبر الاضمحلال النووي، أو بفعل قسري من خلال التفاعلات النووية مثل الانشطار والاندماج، وهي عمليات يرافقها تغير في الكتلة وتحولها إلى طاقة هائلة.

الشرح

انظر إلى النواة عندما تكون غير مستقرة: إنها تطلق أنواعاً مختلفة من الإشعاعات. أولها اضمحلال ألفا، وهو إطلاق جسيم مكون من نواتين وبروتونين، أي نواة هيليوم ${}^{4}_{2} ext{He}$. عندما تفقد النواة هذا الجسيم، ينقص عددها الكتلي A بمقدار $4$ وعددها الذري Z بمقدار $2$ ليتحول العنصر إلى عنصر جديد. ثانيها اضمحلال بيتا، حيث يتحول نيوترون داخل النواة إلى بروتون وينبعث إلكترون سالب ${}^{0}_{-1} ext{e}$ مع جسيم مرافق يسمى ضديد النيوترونو $ar{ u}$. في هذا الاضمحلال، يبقى العدد الكتلي A ثابتاً، بينما يزداد العدد الذري Z بمقدار$1$ويزداد عدد البروتونات وينقص عدد النيوترونات بمقدار$1$. ثالثها اضمحلال جاما، وهو عبارة عن فوتونات ذات طاقة عالية تنبعث نتيجة إعادة توزيع الطاقة داخل النواة، وهنا لا يتغير العدد الكتلي ولا العدد الذري.

أما التفاعلات النووية، فهي تتغير فيها طاقة النواة أو عدد البروتونات والنيوترونات فيها. ولكتابة أي معادلة نووية بشكل صحيح، يجب أن تحقق شرطين أساسيين: أن يكون مجموع الأعداد العلويّة (الكتليّة) في طرفي المعادلة متساوياً، وأن يكون مجموع الأعداد السفلية (الذريّة) متساوياً أيضاً.

من جهة أخرى، يسمى الوقت اللازم لاضمحلال نصف ذرات أي كمية من نظير العنصر المشع بـ «عمر النصف». يمكنك حساب كمية المادة المتبقية بعد مرور عدة فترات من عمر النصف باستخدام العلاقة الرياضية $N = N_{0}(1/2)^n$ حيث $N$ هي الكمية المتبقية، و $N_{0}$ هي الكمية الأصلية، و $n$ هو عدد فترات عمر النصف التي انقضت وتُحسب بقسمة الزمن الكلي على عمر النصف.

وفي العمليات الكبرى، يحدث الانشطار النووي عندما تنشطر نواة ثقيلة مثل اليورانيوم ${}^{235}_{92} ext{U}$ عند قذفها بالنيوترونات لتنقسم إلى نواتين أصغر مع تحرير نيوتورونات جديدة وطاقة هائلة، وتستمر هذه العملية فيما يعرف بالتفاعل المتسلسل الذي يُنظم في المفاعلات باستخدام قضبان الكادميوم الممتصة للنيوترونات. وفي المقابل، يحدث الاندماج النووي عندما تندمج أنوية صغيرة لتكون نواة كتلتها أقل من مجموع كتل النيوكليونات الأصلية، ويحدث هذا في الشمس عبر سلسلة تفاعلات بروتون - بروتون.

مثال محلول خطوة بخطوة

اكتب المعادلة النووية لاضمحلال ألفا لنظير الراديوم المشع ${}^{226}_{88} ext{Ra}$ ليتحول إلى نظير الرادون ${}^{222}_{86} ext{Rn}$. الخطوة الأولى: تحليل المسألة ورسمها. المعلوم لدينا هو النواة الأصلية النواة الناتجة وجسيم ألفا. المجهول هو كتابة المعادلة بشكل موزون. الخطوة الثانية: إيجاد الكمية المجهولة. نكتب النواة الأصلية في الطرف الأيسر والنواتج في الطرف الأيمن: ${}^{226}_{88} ext{Ra} ightarrow {}^{222}_{86} ext{Rn} + {}^{4}_{2} ext{He}$ الخطوة الثالثة: تقويم الجواب والتحقق من حفظ الأعداد. مجموع الأعداد الكتلية في الطرف الأيمن يساوي $222 + 4 = 226$ وهو مساو للطرف الأيسر، ومجموع الأعداد الذرية في الطرف الأيمن يساوي $86 + 2 = 88$ وهو مساو للطرف الأيسر، إذن المعادلة موزوعة ومحفوظة.

أخطاء شائعة

• الخلط بين تأثير اضمحلال ألفا واضمحلال بيتا على الأعداد؛ ففي ألفا ينقص العدد الكتلي $4$ والذري $2$، بينما في بيتا لا يتغير العدد الكتلي ويلتزم العدد الذري بالزيادة بمقدار $1$.
• نسيان كتابة الأعداد العلوية والسفلية لجسيمات بيتا (${}^{0}_{-1} ext{e}$) أو ألفا (${}^{4}_{2} ext{He}$) أو النيوترون (${}^{1}_{0} ext{n}$) بدقة أثناء وزن المعادلات النووية.
• الاعتقاد الخاطئ بأن عمر النصف يعني انتهاء عينة المادة المشعّة تماماً، بينما الصحيح أنه الفترة اللازمة لاضمحلال نصف العينة فقط.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: اكتب المعادلة النووية لتحول نظير الثوريوم المشع ${}^{234}_{90} ext{Th}$ إلى نظير البروتكتينيوم ${}^{234}_{91} ext{Pa}$ بانبعاث جسيم بيتا وضديد النيوترونو. الإجابة: ${}^{234}{90} ext{Th} ightarrow {}^{234}{91} ext{Pa} + {}^{0}_{-1} ext{e} + ar{ u}$ السؤال الثاني: إذا كان عمر النصف لنظير مشع هو $8.07$ أيام، وكان نشاطه الإشعاعي يساوي $4 imes 10^{5}$ اضْمِحلال/ثانية، فكم يكون نشاطه الإشعاعي بعد انقضاء $8.07$ أيام أخرى؟ الإجابة: بعد انقضاء فترة عمر نصف واحدة أخرى، يقل النشاط الإشعاعي إلى النصف، ليصبح الناتج $2 imes 10^{5}$ اضْمِحلال/ثانية.