دخول

لقد نسيت كلمة السر

المواضيع الأخيرة
» بالفيديو .. بداية نزول الوحي على رسول الله صلى الله عليه وسلم
الثلاثاء يناير 14, 2014 5:51 am من طرف علاء سعد حميده

» بالفيديو ضوابط دراسة السيرة النبوية العطرة
الخميس نوفمبر 07, 2013 7:46 pm من طرف علاء سعد حميده

» تعليم الصلاة بطريقة بسيطة
الجمعة نوفمبر 30, 2012 1:31 pm من طرف Admin

» بعض معجزات النبى صلى الله عليه وسلم
السبت أكتوبر 27, 2012 3:46 pm من طرف Admin

» مبشرات ميلاد النبى صلى الله عليه وسلم
السبت أكتوبر 27, 2012 3:14 pm من طرف Admin

» حياة الرسول صلى الله علية وسلم بعد فتح مكه
السبت أكتوبر 27, 2012 2:17 pm من طرف Admin

» حياة الرسول صلى الله عليه وسلم بعد الهجرة
السبت أكتوبر 27, 2012 2:05 pm من طرف Admin

» حياة الرسول صلى الله عليه وسلم قبل الهجرة
السبت أكتوبر 27, 2012 1:08 pm من طرف Admin

» الإعجاز العلمى فى السنة النبوية
السبت أكتوبر 27, 2012 12:40 pm من طرف Admin

تواصل معنا

الأربعاء أكتوبر 03, 2012 2:22 pm من طرف Admin

تعاليق: 0

أفضل 10 أعضاء في هذا المنتدى
Admin
 
علاء سعد حميده
 
ياسر المتولى
 

سحابة الكلمات الدلالية

تسجيل صفحاتك المفضلة في مواقع خارجية

تسجيل صفحاتك المفضلة في مواقع خارجية digg  تسجيل صفحاتك المفضلة في مواقع خارجية delicious  تسجيل صفحاتك المفضلة في مواقع خارجية reddit  تسجيل صفحاتك المفضلة في مواقع خارجية stumbleupon  تسجيل صفحاتك المفضلة في مواقع خارجية slashdot  تسجيل صفحاتك المفضلة في مواقع خارجية yahoo  تسجيل صفحاتك المفضلة في مواقع خارجية google  تسجيل صفحاتك المفضلة في مواقع خارجية blogmarks  تسجيل صفحاتك المفضلة في مواقع خارجية live      

قم بحفض و مشاطرة الرابط منتدى الإسلام خاتم الأديان ISLM على موقع حفض الصفحات

تصويت
تدفق ال RSS


Yahoo! 
MSN 
AOL 
Netvibes 
Bloglines 


بحـث
 
 

نتائج البحث
 


Rechercher بحث متقدم

التبادل الاعلاني

انشاء منتدى مجاني




الكيمياء النووية

استعرض الموضوع السابق استعرض الموضوع التالي اذهب الى الأسفل

الكيمياء النووية

مُساهمة من طرف Admin في السبت أكتوبر 13, 2012 9:28 pm

الكيمياء النووية
من المداخل الأساسيّة لعلم الكيمياء والتي يتعرّض لها طالب هذا العلم سواء في المدرسة أو في الجامعة مفهوم الكتلة الذريّة، حيث يتعرّف الطالب على مصطلح "وحدة الكتلة الذرّيّة الموحّدة" unified atomic mass unit والذي تبنّاه الاتحاد الدوليّ للكيمياء البحتة والتطبيقيّة IUPAC عام 1961 [1]، وتمّ تعريف هذه الوحدة بأنّها من كتلة ذرّة الكربون-12 الساكنة (غير المتحرّكة) وغير المرتبطة والموجودة في حالة الاستقرار، وتبلغ قيمتها 1.66053873× 10-27 كغم وبخطأ نسبيّ مقداره 7.9×10-8. في هذه المرحلة الأساسيّة يتعلّم الطالب أنّ مثل هذه الاصطلاحات ضروريّة جدّاً من أجل تحاشي استخدام أعداد غير متناهية في صغرها مثل كتل الذرّات بالغرامات، أو استخدام أعداد غير متناهية في عظمها مثل أعداد الذرّات الداخلة في التفاعلات الكيميائيّة التي يتمّ إجراؤها في المختبرات. الأمر الأوّل أدّى إلى استحداث مصطلح وحدة الكتلة الذرّيّة والثاني أدّى إلى استحداث مصطلح المول، وبهذين المصطلحين يتمّ بناء اللبنة الأساسيّة لموضوع كبير نسبيّاً ينشغل فيه الطالب حيناً ألا وهو موضوع الحسابات الكيميائيّة stoichiometry.

في العادة، وتحت ضغط ضيق الوقت، يغيب عن ساحة التدريس تنبيه الطالب إلى ضرورة تفحّص قيم الكتل الذرّيّة للنظائر المختلفة ومقارنتها بكتل مكوّنات تلك الذرّات من بروتونات ونيوترونات والكترونات، وتغيب بذلك الإشارة إلى أقوى قوى الطبيعة، وهي القوى النوويّة القويّة، والتي قد لا تسنح فرصة أخرى لذكرها طيلة فترة الدراسة الجامعيّة للكيمياء، بالرغم من اتّصالها الوثيق ببعض الظواهر الكيميائيّة المهمّة مثل الانشطار النوويّ والاندماج النوويّ وتطبيقاتهما. في هذه المقالة نعرّج على القوى النوويّة القويّة ودورها في الطبيعة وأهمّيّتها، ونقدّم المعلومات الأوّليّة في الكيمياء النوويّة على شكل تجربة حاسوبيّة يكلّف الطلبة أنفسهم بإجرائها واستخلاص النتائج منها.

العجز الكتلي mass defect تبلغ كتلة البروتون 1.00727646688 u، كما تبلغ كتلة النيوترون 1.00866491578 u، أمّا الإلكترون فكتلته 0.00054858 u. ولو قمنا بتجميع ستٍّ من البروتونات وستٍّ من النيوترونات وستٍّ من الإلكترونات في حجم ضئيل جدّاً مكوّنين بذلك ذرّةً من الكربون-12، لكانت كتلة هذه الذرّة، حسب ما يقتضيه التعريف سابق الذكر، 12 u بالضبط، وهي قيمة أقلّ من كتلة الجسيمات الثماني عشرة وهي منفردة قبل تكوين الذرّة والتي تبلغ 12.099 u، وبزيادةٍ مقدارها 0.099 u عن كتلة تلك الجسيمات بعدما تجمّعت على شكل ذرة كربون-12. فأين اختفت هذه الزيادة؟

يوضّح المثال السابق محدوديّة قانون حفظ الكتلة فمن الجليّ أنّه لا ينطبق على التفاعلات والتغيّرات النوويّة. ولكن ما الذي حلّ بفرق الكتلة؟ الإجابة على هذا السؤال قدّمها لنا أينشاين بصورة المعادلة الشهيرة المنسوبة له والتي تقرّر أنّ كتلة أي جسم تحدّد طاقته على النحو التالي:

طاقة الجسم = كتلته × مربّع سرعة الضوء

بناءً على هذا تكون طاقة الجسيمات الثماني عشرة مجتمعةً على شكل ذرّة كربون أقلّ منها وهي متفرّقة. فإذا علمنا أنّ أيّ جسم يكون أكثر ثباتاً واستقراراً بانخفاض طاقته (انظر الرسم 1)، أدركنا أنّ تلك الجسيمات مجتمعةً أكثر ثباتاً واستقراراً منها متفرّقةً، ولهذا كان تكوين الذرّات عمليّة "محبّبة" ومفضّلة من قبل تلك الجسيمات، ولهذا كانت أيضاً عمليّة تحطيم الذرّة إلى جسيماتها الأوّليّة (أي تفريقهم عن بعضهم) عمليّة مضنية ومستلزمة للطاقة.

يسمّى مقدار الانخفاض في الكتلة عند تكوين الذرّات من جسيماتها الأوّليّة بالعجز الكتلي (mass defect)، وعند ضرب العجز الكتلي بمربّع سرعة الضوء نحصل على مقدار انخفاض طاقة تلك الجسيمات عند تجمّعها على شكل ذرّات. ولكن ما السبب في انخفاض طاقة تلك



الرسم 1: عند ترك كرة في الموقع أ على المنحنى المرسوم فوق فإنّ هذه الكرة تتحرّك نحو الأسفل وتستقرّ في نهاية المطاف (إن وجدت سبيلاً على تصريف طاقتها) في الموقع ب. لماذا؟ تمتاز النقطة ب عن أيّة نقطة أخرى في المنحنى بأنّها تمثّل القيمة الدنيا لطاقة الوضع التي تمتلكها الكرة (طاقة الوضع = الكتلة × تسارع الجاذبيّة × ارتفاع الجسم). وحيث أنّ الارتفاع في النقطة ب يكون أقلّ ما يمكن، فإنّ طاقة الكرة الوضعيّة تكون بالتالي أقلّ ما تكون عندما تحلّ الكرة في النقطة ب، ولهذا تستقرّ الكرة هناك، ولو كان هناك على المنحنى موقع آخر طاقته أقلّ من الموقع ب لاستقرّت الكرة فيه، فالأجسام تستقرّ عندما تكون طاقتها أقلّ ما يمكن. تمثّل الكرة في الموقع أ الجسيمات الثماني عشرة وهي متفرّقة، وتمثّل الكرة في الموقع ب ذرّة الكربون-12 والتي تكوّنت من تجميع الجسيمات الثماني عشرة.

الجسيمات داخل الذرّة؟ عند هذه النقطة نستذكر أنّ طاقة الوضع المخزونة في أيّ جسمٍ كان سببها وجود ذلك الجسم في حقل قوّة، بمعنى وجوده تحت تأثير قوّة خارجيّة، وأنّ قوى الجذب (التي ينجذب إليها الجسم) تؤدّي إلى انخفاض في طاقته الوضعيّة، أمّا قوى التنافر التي ينفر منها الجسم فتؤدّي إلى ارتفاع طاقته الوضعيّة. وهذا ما حصل تماماً بالنسبة إلى الكرة في الرسم 1، فلولا وجودها تحت تأثير الجاذبيّة الأرضيّة ما انتقلت من الموقع أ إلى الموقع ب، ولبقيت ساكنة في الموقع أ (قانون نيوتن الأوّل)، ولكن لمّا كان الجسم واقعاً تحت تأثير هذه القوّة انجذب إلى مركزها وانخفضت بذلك طاقته الوضعيّة، ولو وجد نقطةً أخرى غير ب أقرب إلى مركز الجاذبيّة الأرضيّة لانتقل إليها إن استطاع.

نستنتج ممّا ذكر وجود قوى تجاذب بين الجسيمات الذرّيّة داخل الذرّة، وأنّ غلبة قوى التجاذب هذه هي السبب في انخفاض طاقة تلك الجسيمات عند تجمّعها مكوّنةً الذرّة. إحدى هذه القوى شديدة الوضوح وتتمثّل في قوّة التجاذب الكهربائي بين الشحنات المختلفة من بروتونات والكترونات. ولكن هل تفسّر هذه القوى العجز الكتليّ الملاحظ؟ للإجابة عن هذا السؤال سنجري عمليّات حسابيّة مبسّطة تتمثّل في حساب تقديري لمقدار الانخفاض في الطاقة الوضعيّة نتيجة التجاذب الكهربائي بين البروتونات والالكترونات في ذرّة الكربون-12 والتي تحتوي على ستّة بروتونات موجودة في نواة الذرّة وستّة الكترونات تحوم حول النواة. ولنسهّلَ علينا الحساب نتصوّر أنّ الشحنات الموجبة متجمّعة في نقطة واحدة، وهو أمر مقبولٌ جدّاً حيث يقدّرُ نصف قطر نواة الكربون-12 ب 7‚2×10-15 متراً (7‚2 فمتومتراً)، كما نتصوّر أنّ الالكترونات الستّ متجمّعة كذلك في نقطة واحدة. الخطوة التالية هي أن نقوم بتقدير المسافة r والتي تفصل بين تجمّع الالكترونات وتجمّع البروتونات، فإذا علمنا أنّ نصف قطر ذرّة الكربون يبلغ 77×10-12 متراً (77 بيكومتراً) وأنّ الالكترونات تتواجد على شكل غيمة داخل هذه الكرة المسمّاة بالذرّة، أمكننا أن نفترض أنّ تجمّع الالكترونات المتخيّل يقع في منتصف المسافة بين النواة وسطح الذرّة، وأنّه بناءً على هذا التقريب يبعد عن النواة حوالي 38 بيكومتراً. نطبّق بعد ذلك قانون كولوم ونحسب طاقة الوضع على النحو التالي:

....(2)

حيث تمثّل q1 شحنة الالكترونات و q2 شحنة البروتونات و r المسافة بين الشحنتين و e0 ثابت ؟؟؟؟، أمّا e فتمثّل الشحنة الأوليّة و z عدد البروتونات وهو مساوٍ لعدد الالكترونات، وبتعويض القيم المختلفة (Z = 6; e = 1.6×10-19 As; e0 = 8.854×10-12 C2N-1m-2; r = 38×10-12m) في المعادلة رقم (2) ينتج أن مقدار الانخفاض في طاقة الوضع الناتج عن تجاذب الالكترونات والبروتونات يساوي 2.18×10-16 J، وبتطبيق معادلة أينشتاين (1) يمكن حساب قيمة العجز الكتلي الناتج عن هذا التجاذب ويبلغ m = Ep / c2 = 2.42 × 10-33 kg = 0.00000146 u، أي أنّ العجز الكتلي الناتج عن تجاذب الالكترونات مع البروتونات في ذرّة الكربون-12 لا تمثّل في أحسن الأحوال إلاّ جزءً من مئة ألف جزء من القيمة الملاحظة عمليّاً.

في واقع الأمر لا تسبّب القوى الكهربائيّة أيّ عجز كتلي مطلقاً، ذلك أنّنا في حساباتنا الفائتة أهملنا قوى التنافر بين الالكترونات بعضها مع بعض وكذلك قوى التنافر بين البروتونات بعضها مع بعض، والأخيرة كبيرة جدّاً لقرب البروتونات الشديد من بعضها داخل النواة والذي يقدّر بحوالي 1-2 فمتومتر، فالتنافر بين بروتونين فقط على بعد 2 فمتومتر من بعضهما يزيد طاقة الوضع بمقدار 1.15×10-13 J، وهي قيمة أعلى بما يزيد عن خمسمئة مرّة من قيمة انخفاض الطاقة الوضعيّة بسبب تجاذب جميع الالكترونات والبروتونات في ذرّة الكربون-12، فكيف لو أخذنا بعين الاعتبار كلّ قوى التنافر بين البروتونات الستّ!!! إنّ محصّلة القوى الكهربائيّة من تجاذب وتنافر هي، وبشكلٍ واضح ومحسوم، لصالح قوى التنافر الذي يرفع طاقة الوضع ولا يخفّضها، الأمر الذي كان بإمكاننا استنتاجه مباشرة من صغر حجم النواة ودون اللجوء إلى العمليّات الحسابيّة السابقة. إذ ما الذي يدفع البروتونات إلى التجمّع في "نقطة" بالرغم من شدّة التنافر بينها، ولو كانت القوى الكهربائيّة هي الوحيدة الموجودة داخل الذرّة لكان من المنطقيّ والمتوقّع أن تبتعد البروتونات عن بعضها البعض –تماماً كما تفعل الالكترونات- ولتوزّعت في كلّ الذرّة "بضخامتها" كما يقتضي نموذج تومبسون (Thompson) بدلاً من التجمّع في حجم غير متناهٍ في ضآلته كما هو الواقع. ثمّ ما الذي يدفع النيوترونات متعادلة الشحنة إلى التواجد داخل الذرّة ولمَ لا تتركها؟ إنّ محاولة الإجابة عن كلّ هذه التساؤلات يقودنا إلى التيقّن من وجود قوى أخرى ذات طبيعة غير كهربائيّة هي المسؤولة عن ثبات واستقرار الذرّات بشكلها الحالي، ولا شكّ أنّ هذه القوى أقوى من القوى الكهربائيّة، وأنّها تتواجد في النواة تؤثّر على البروتونات وكذلك النيوترونات مجبرةً إيّاها على التجمّع في ذلك الحجم الضئيل المسمّى بالنواة.

تسمّى هذه القوى بالقوى النوويّة القويّة وهي عظيمة القدر من حيث قوّتها ولكنّ تأثيرها ينحصر، كما أسلفنا وكما هو واضح من اسمها، في النواة، إذ إنّها تمتاز بقصر مداها الذي لا يجاوز 1-2 من الفمتومترات (1 فمتومتر=10-15 متر)، وهي المسؤولة كلّيّةً عن العجز الكتلي، ولهذا فإنّ العجز الكتلي يرتبط باستقرار وتكوين النواة لا باستقرار وثبات الذرّة ككلّ.

ثبات النواة

لنتصوّر عشرين بروتوناً وعشرين نيوتروناً متفرّقة، وأنّ كلّ الظروف قد هيّأت لها بحيث تستطيع أن تندمج مكوّنةً أنويةً دون عقبات تذكر، وأنّنا خيّرناها بين أن تكوّن نواة الكالسيوم-40 أو نواتين من النيون-20، فما الذي ستفعله يا ترى؟ الأمر أشبه بمستثمرين يخطّطون لتأسيس شركة هادفين إلى جني الربح، أمّا المستثمرون فهم البروتونات والنيوترونات وأمّا الشركة فهي النواة، مع الفارق أنّ الربح الذي تسعى وراءه هذه الجسيمات ما هو إلاّ تخفيض طاقتها الوضعيّة لا زيادة "الإيرادات المادّيّة". فأيّ المشروعين سيختار المستثمرون: مشروع تأسيس شركة الكالسيوم-40 أم المشروع الثاني والذي يتضمّن تأسيس شركتين من نوع النيون-20؟ لا شكّ أنّهم سيختارون المشروع "الأربح" وهو الذي تنخفض فيه طاقة الوضع أكثر. ولنحدّدَ أيّ المشروعين هو الأربح نقوم بتحديد العجز الكلي في كلتا الحالين، والذي يتناسب تناسباً طرديّاً مع مقدار الانخفاض المرجوّ في طاقة الوضع. ويمكن حساب العجز الكتلي على النحو التالي:

العجز الكتلي = كتلة الجسيمات النوويّة قبل الاندماج – كتلة النواة المكوّنة

= عدد البروتونات×كتلة البروتون + عدد النيوترونات×كتلة النيوترون

(الكتلة الذرّيّة – عدد الالكترونات×كتلة الالكترون) ....(3)

(نلاحظ أنّنا قمنا بطرح كتلة الالكترونات من الكتلة الذرّيّة لأنّ الكتلة الذرّية تشمل كتلة الالكترونات بالإضافة إلى كتلة النواة).

ينتج أنّ العجز الكتلي في حال تكوين نواة الكالسيوم-40 يبلغ 0.36720852 u في حين أنّه يبلغ عند تكوين نواة نيون-20 واحدة 0.17246051 u وبقيمة إجماليّة مقدارها 0.34492102 u لكلتا النواتين. من الواضح أنّ تكوين نواة الكالسيوم-40 هو الخيار الأفضل بالنسبة للبروتونات والنيوترونات، ذلك أنّه يؤدّي إلى انخفاضٍ أكبر (ربح أكثر) في الطاقة الوضعيّة للجسيمات النوويّة.

ربّما كانت هذه النتيجة مغايرة لما توقّعناه ولما نعرفه من استقرار ذرّة النيون كيميائيّاً وهو أحد الغازات الخاملة، والتي تسعى العناصر المختلفة عن طريق تفاعلاتها الكيميائيّة إلى التشبّه بها وإلى الوصول إلى ما يُسمّى بحالة الغاز الخامل لما فيها من استقرار وثبات على الصعيد الكيميائيّ. في المقابل نجد أنّ الكالسيوم عنصر نشطٌ جدّاً إلى درجة أنّه لا يوجد في الطبيعة بصورته الفلزّيّة بل إنّه سرعان ما يتأكسد ويتحوّل إلى أيونات موجبة (Ca2+) والتي تكافئ ذرّات غاز الآرغون، وهو الغاز الخامل الذي يسبق الكالسيوم في الجدول الدوريّ، من حيث توزيع الكتروناتها. السبب في هذا الاختلاف بين توقّعاتنا وحساباتنا أنّنا ربطنا آليّاً في توقّعاتنا بين أمرين لا علاقة مباشرة لأحدهما بالآخر، إذ لا توجد أيّة علاقة مباشرة بين النشاط الكيميائيّ وطبيعة النواة نفسها، فالنشاط الكيميائيّ لعنصرٍ ما تحدّده الكترونات ذلك العنصر وبالأخصّ الكترونات المدار الأخير والمسمّاة بالكترونات التكافؤ، ولهذا لا نجد اختلافاً في النشاط الكيميائيّ لنظائر العنصر الواحد بالرغم من اختلاف أنويتها من حيث عدد النيوترونات الموجودة فيها وذلك لتساويها في عدد وكيفيّة توزيع الالكترونات. أمّا تأثير النواة على كيمياء العنصر فيبقى من باب أنّ عدد البروتونات في النواة يحدّد عدد الالكترونات فيها كما أنّه يحدّد طاقتها. وفي المثال السابق كنّا نقارن بين نواتي الكالسيوم-40 والنيون-20 من حيث طاقتهما الوضعيّة وبالتالي من حيث ثباتهما واستقرارهما، ولا علاقة للنشاط الكيميائيّ بهذا الأمر لأنّ الالكترونات المسؤولة عن النشاط الكيميائيّ لا تتواجد في النواة.

ونرجع إلى موضوع استقرار النواة ونسأل أيّ الأنوية سيكون الأكثر ثباتاً؟ بمعنى أية شركة ستكون الأكثر ربحاً للمستثمرين فيها من البروتونات والنيوترونات؟ ولنبدأ ببعض الأرقام التوضيحيّة:

عند تجميع 26 بروتوناً و30 نيوتروناً لتكوين نواة الحديد-56 تنخفض كتلة الجسيمات الستّ والخمسين بمقدار 0.5284593 u، وعند تجميع 82 بروتوناً و126 نيوتروناً لتكوين نواة الرصاص-208 تنخفض كتلة الجسيمات المائتان والثمانية بمقدار 1.756792 u، فهل يعني هذا أنّ نواة الرصاص-208 أكثر استقراراً من نواة الحديد-56؟ قبل أن نتسرّع بالاجابة ونحكم لصالح الرصاص-208 يجب علينا أن نتنبّه إلى أنّ الانخفاض الملاحظ في حالة تكوين نواة الحديد يتعلّق باندماج 56 جسيماً في حين أنّه يتعلّق في حال تكوين نواة الرصاص باندماج 208 جسيماً. إنّ الحكم على الأنوية المختلفة من حيث استقرارها وثباتها بمجرّد تحديد العجز الكتلي الكليّ لتلك الأنوية لن يكون صحيحاً لأنّه ينطوي على مقارنة في غير محلّها، مقارنة بين كمّين مختلفين، بين 56 جسيماً في جهة و208 جسيماً في الجهة الأخرى.

ويمكن توضيح هذه الفكرة بالمثال التالي: لنفرض وجود شركة من ثلاثة أشخاص ساهم كلٌ منهم بمائة دينار في رأس المال وأنّها حقّقت ربحاً مقداره مائة وخمسون ديناراً في نهاية العام. ولنفرض وجود شركة أخرى مكوّنة من خمسة مساهمين وحصّة كلٍ منهم كذلك مائة دينار في رأس المال ولكنّها حقّقت في نهاية العام ربحاً مقداره مائتا دينار. الشركة الثانية حقّقت ولا شكّ ربحاً أكبر، ولكن هل هي الأنجح؟ إنّ حصّة كلّ مساهم في الشركة الأولى من الأرباح تبلغ خمسين ديناراً وهي أربعون ديناراً فقط لمساهمي الشركة الثانية. تُرى لو كنت مستثمراً فبأيّ الشركتين ستستثمر أموالك؟ كذلك الأمر بالنسبة للبروتونات والنيوترونات، ففي نواة الرصاص-208 يبلغ معدّل انخفاض كتلة الجسيم النوويّ الواحد 0.008446 u (العجز الكتلي الكلي/عدد الجسيمات النوويّة) ، في حين أنّه يبلغ في نواة الحديد-56 0.009436774 u، ممّا يعني أنّ طاقة البروتون أو النيوترون داخل نواة الحديد-56 أقلّ منها داخل نواة الرصاص-208 أي أنّها "تحقّق ربحاً" أكبر على الصعيد الفرديّ عند "استثمار أموالها في شركة" الحديد-56.

نستطيع الآن الإجابة عن السؤال عن أكثر الأنوية استقراراً وثباتاً، أي تلك التي تكون طاقة الجسيمات النوويّة فيها من بروتونات ونيوترونات أقلّ ما يمكن. كلّ ما علينا فعله هو أن نحسب معدّل انخفاض كتلة الجسيم النوويّ الواحد وبالتالي معدّل انخفاض طاقته الوضعيّة عندما يكون موجوداً داخل نواة ما. يتمّ ذلك بتقسيم العجز الكتلي الكليّ للنواة على عدد الجسيمات الموجودة فيها. وقد قمنا بذلك لجميع نظائر العناصر المختلفة والتي تتواجد طبيعيّاً في أرضنا وعددها يقارب الثلاثمئة كما استقيناه من صفحة مركز الأبحاث الجيولوجيّة في بوتسدام والتابع لجمعيّة ماكس-بلانك الألمانيّة في شبكة المعلومات الدوليّة [2]، ومن ثمَّ رسمنا الناتج بدلالة العدد الذرّيّ (هويّة العنصر) كمتغيّر كما هو موضّح في الرسم (2). يتشابه المنحنى الناتج في الرسم (2) مع المنحنى المعروض في الرسم (1) باستثناء عدم التماثل الملاحظ في المنحنى الثاني في الرسم (2). هذا الاختلاف البسيط لا يغيّر شيئاً من طبيعة التشابه الجوهريّ بين الرسمين، ويمكننا تمثيل الجسيم النوويّ الواحد سواء كان بروتوناً أو نيوتروناً بتلك الكرة في الرسم (1) والتي لم تجد لها أفضل من النقطة ب في قعر المنحنى لتستقرّ فيها. كذلك البروتون أو النيوترون لم يجد أربح له من أن يكون في قعر المنحنى داخل نواة ذلك العنصر وذلك النظير الذي يمثّله قعر المنحنى.


الرسم (2): التغيّر في الطاقة الوضعيّة للجسيم النووي حسب نوع النواة الموجود فيها.

ونلخّص في ما يلي بعض النتائج التي يمكن استخلاصها من الرسم (2):


أ. النواة الأكثر استقراراً وثباتاً ليست نواة الحديد-56 كما هو شائع جدّاً في أوساط الكيميائيّين والفيزيائيّين بل وكما هو مبسوط في الكثير من الكتب العلميّ التعليميّة [3,4]. والصحيح، كما تشير حساباتنا وكما يتّضح في الرسم (3)، أنّ الحديد-56 يأتي ثالثاً بعد النيكل-62 والحديد-58. وقد تمّ التأكّد من صحّة هذه النتيجة بالرجوع إلى أحدث الأرقام المنشورة عن طاقة ربط الأنوية [5]. بناءً على هذه النتيجة فإنّ جميع العناصر الأثقل من النيكل-62 ستكون ميّالةً للانشطار والانقسام رغبة منها في أن تصغر متّجهةً إلى قعر المنحنى (تماماً كما هو الحال مع اليورانيوم)، أمّا العناصر الأخفّ من النيكل-62 فستكون أنويتها ميّالةً للاندماج رغبةً منها في أن تكبر وتصل بذلك إلى قعر المنحنى (كما هو الحال مثلاً في اندماج نظائر الهيدروجين في الشمس مكوّنةً الهيليوم). ولو أنّنا تخيّلنا عدم وجود عقبات وعوائق في طريق هذه التحوّلات من انشطار واندماج لمادّة الكون لاستحال الكون كلّه إلى نيكل-62.

الرسم 3: بعض الأنوية الأكثر استقراراً.

جزيرة الثبات (الاستقرار):

يوضّح الرسم (4) الارتباط (correlation) بين عدد البروتونات (z) وعدد النيوترونات (n) في الأنوية المختلفة المتواجدة طبيعيّاً في أرضنا (النقاط الحمراء). وتسمّى هذه المنطقة بجزيرة الاستقرار أو بحزام الاستقرار، ذلك بأنّها أشبه ما تكون بجزيرة في بحرٍ واسع فإذا "وقعت" النواة على الجزيرة فإنّها تنجو من الغرق وتكون مستقرّة، أمّا إنْ اخترنا نقطة بعيدة عن هذه الجزيرة فإنّها ستغرق في بحر عدم الاستقرار، بمعنى أنّها لن تكون مستقرّة ولن يقدّرَ لها الحياة. على ساحل جزيرة الاستقرار نجد بعض الأنوية التي لا تتواجد طبيعيّاً وإنّما يتمّ تصنيعها في المختبر. هذه العناصر تكون غير مستقرّة وتقوم في رحلة بحثها عن الاستقرار بإصدار أشعّة، وهي بذلك نظائر مشعّة ولا تلبث بعد وقتٍ محدّد قد يطول وقد يقصر أن تتحوّل إلى عنصرٍ آخر وينتهي بها المطاف بعد سلسلة من التحوّلات بالاستقرار على الجزيرة. وقد مثّلنا لبعض هذه النظائر بالنقاط الزرقاء في الرسم (4)، وهي مجرّد غيض من فيض ذلك أنّ أعداد هذه النظائر المشعّة يتجاوز حتّى الآن الثلاثة آلاف. ويعتقد العلماء أنّ هناك جزيرة استقرار أخرى عند العناصر الثقيلة جدّاً(super heavy elements)، ومن الممكن أن يكون العنصر، 114 إنْ تأكّد تصنيعه، موجوداً على ساحلها بل وحتّى عليها [6].



الرسم 4: جزيرة الاستقرار.

يلاحظ من الرسم (4) أنّ نسبة النيوترونات إلى البروتونات(n/z) تلعب دوراً مهمّاً في تحديد مدى استقرار النواة. ففي العناصر الخفيفة(z < 20) ، نجد أنّ هذه النسبة تساوي واحداً، بمعنى أنّ عدد البروتونات وعدد النيوترونات متساوٍ تقريباً في الأنوية الخفيفة المستقرّة. ولكن استقرار العناصر الأثقل من الكالسيوم لا يتحقّق إلاّ إذا زاد عدد النيوترونات عن عدد البروتونات وارتفعت النسبة n/zعن الواحد. وتظلّ النسبة تزداد شيئاً فشيئاً مع ازدياد عدد البروتونات، وهو ما يمثّله الانحراف المتزايد لجزيرة الاستقرار عن الخط المستقيم n=z. ويمكن تفسير هذه الظاهرة بأنّ الزيادة في عدد البروتونات تعني زيادةً كبيرة في التنافر الكهربائي بينها، لذا كان لا بدّ من إضافة جسيمات نوويّة تساهم في استقرار النواة دون زيادة التنافر بين الجسيمات المكوّنة لها، بل وتساهم أيضاً في تخفيف التنافر الموجود وهذا ما تحقّقه النيوترونات متعادلة الشحنة.
avatar
Admin
Admin

عدد المساهمات : 281
تاريخ التسجيل : 26/09/2012
العمر : 46

معاينة صفحة البيانات الشخصي للعضو http://nm1771971.moontada.com

الرجوع الى أعلى الصفحة اذهب الى الأسفل

رد: الكيمياء النووية

مُساهمة من طرف Admin في السبت أكتوبر 13, 2012 9:30 pm

إلى اللقاء


عدل سابقا من قبل Admin في السبت أكتوبر 13, 2012 9:36 pm عدل 1 مرات
avatar
Admin
Admin

عدد المساهمات : 281
تاريخ التسجيل : 26/09/2012
العمر : 46

معاينة صفحة البيانات الشخصي للعضو http://nm1771971.moontada.com

الرجوع الى أعلى الصفحة اذهب الى الأسفل

رد: الكيمياء النووية

مُساهمة من طرف Admin في السبت أكتوبر 13, 2012 9:33 pm

ومن الجدير بالذكر أنّ العناصر المشعّة على الساحل العلويّ لجزيرة الاستقرار والتي تكون النسبة n/z أعلى فيها بقليل من النسبة المطلوبة للاستقرار فإنّها تطلق في الغالب أشعّة بيتا السالبة (الكترونات، e-) وتقلّل بذلك من عدد النيوترونات الموجودة فيها وتزيد من عدد البروتونات فتنخفض النسبةn/z :

n → p + e- + 

هذا ما يحدث مثلاً للبيزموث-213 (z=83) فيتحوّل إلى بولونيوم-213 (z=84).

أمّا العناصر المشعّة والتي تكون نسبةn/z فيها قليلة، فهي تطلق في الغالب أشعّة بيتا الموجبة (بوزيترونات، e+) أو تأسر الكتروناً من الالكترونات المحيطة بالنواة فترتفع النسبةn/z بسبب زيادة عدد النيوترونات ونقصان عدد البروتونات:





p → n + e+ + 

p + e- → n + 

وهو ما يحدث في الحالة الأولى للبيزموث-206 (z=83) حيث يتحوّل إلى رصاص-206 (z=82)، وما يحدث في الحالة الثانية للبيزموث-208 (z=83) فيتحوّل إلى رصاص-208 (z=82). وتمثّلn في المعادلات الفائتة النيوترون، p البروتون، e- الالكترون، e+ البوزيترون (ضديد الالكترون، له نفس كتلته ولكن يحمل شحنة موجبة) و النيوترينو.

ج. الأرقام السحريّة:

عند تفحّص البيانات الخاصّة بالرسم (2) يتبيّن لنا أنّ استقرار وثبات النواة لا يتعلّق فقط بنسبة عدد النيوترونات إلى البروتونات، بل إنّ القيمة المطلقة للعدد نفسه تلعب دوراً بالغاً. فمثلاً نجد أنّ كون العدد مفرداً أو زوجيّاً له أهمّيّة كبيرة كما يوضّح ذلك الجدول التالي:


عدد البروتونات
عدد النيوترونات
عدد النظائر الطبيعيّة
زوجي
زوجي
167
زوجي
فردي
59
فردي
زوجي
51
فردي
فردي
9
ويبدو أنّ البروتونات تكون أكثر استقراراً حينما يكون عددها زوجيّاً، وكذلك الأمر مع النيوترونات. وتظهر أفضليّة العدد الزوجيّ على العدد الفرديّ في استقرار النواة بوضوح أكثر في الرسم (5)، حيث رسم معدّل انخفاض الطاقة الوضعيّة للجسيم النوويّ الواحد بالنسبة لعدد البروتونات والنيوترونات الموجودة في النواة. ولأغراض التوضيح اقتصرنا في الرسم (5) على النواة الأكثر ثباتاً واستقراراً من بين الأنوية المختلفة التي تحتوي على نفس العدد من البروتونات أو النيوترونات، فمن بين الأنوية المختلفة والتي تحتوي مثلاً على عشرين بروتوناً في النواة (نظائر الكالسيوم) اخترنا نظيراً واحداً هو الأكثر استقراراً كما دلّ على ذلك معدّل العجز الكتلي، وكذلك الأمر بالنسبة لجميع الأنوية التي تحتوي مثلاً على عشرين نيوتروناً (وهي أنوية لعناصر مختلفة) فقد اخترنا فقط الأكثر استقراراً، وهكذا بالنسبة لجميع الأعداد المرسومة. ونلاحظ في الرسم (5) أنّ معدّل الانخفاض في الطاقة الوضعيّة للجسيم النوويّ تكون أكبر من مجاوراتها إذا كان العدد زوجيّاً، سواء في حال البروتونات أو في حال النيوترونات، بل إنّنا لا نجد عنصراً واحداً في الطبيعة يحتوي على 19 نيوتروناً لذا ترك مكانه في الرسم فارغاً.

الرسم (5): معدّل انخفاض الطاقة الوضعيّة للجسيم النوويّ الواحد بالنسبة لعدد البروتونات (الخط الأزرق) والنيوترونات (الخط الأحمر) الموجودة في النواة.

ويجد المتفحّص لبيانات الرسم (2) كذلك أنّ هناك أرقاماً مميّزة بالنسبة لعدد البروتونات وعدد النيوترونات وهي 2، 8، 20، 50، 82 و 126، وتسمّى هذه الأعداد بالأرقام السحريّة. فإذا كانت النواة تحتوي على أحد هذه الأعداد من البروتونات أو النيوترونات فإنّها تمتاز بزيادة في استقرارها على ما هو متوقّع بالمقارنة مع جيرانها من الأنوية الأخرى. ويدلّ على تميّز هذه الأعداد عدّة أمور: منها مثلاً الزيادة الواضحة في عدد النظائر المتواجدة في الطبيعة لذلك العنصر الذي يحتوي على عدد سحريّ من البروتونات، فالكالسيوم مثلاً (20 بروتوناً) له ستّة نظائر في الطبيعة في حين أنّ السكانديوم وهو العنصر الذي يلي الكالسيوم في الجدول الدوري (21 بروتوناً) له نظير واحد فقط والبوتاسيوم وهو العنصر الذي يسبق الكالسيوم في الجدول الدوريّ (19 بروتوناً) له ثلاثة نظائر. كما أنّ نسبة ذلك العنصر ذي الرقم السحريّ في الطبيعة تكون عالية نسبيّاً مقارنةً مع جيرانه من العناصر الأخرى. ويوضّح الجدول التالي تميّز الأرقام السحريّة:

وقد أمكن في منتصف القرن العشرين تفسير تميّز هذه الأرقام بنموذج الأفلاك والذي يقرّر أن البروتونات والنيوترونات تتوزّع في أفلاك داخل النواة تماماً كما تتوزّع الالكترونات في أفلاك حول النواة، وعندما يكون عدد البروتونات أو النيوترونات مساوياً لأحد هذه الأرقام السحريّة فإنّ الفلك الخاصّ بها يكون مكتملاً ممّا يؤدّي به إلى زيادة استقرار كما هو الحال عند اكتمال الأفلاك الالكترونيّة بالالكترونات.

4. بين الديناميكا الحراريّة وحركيّة التفاعلات

لو تأمّلنا الرسمين (1) و(2) بعناية أكبر لأدركنا أنّ هناك فرقاً جوهريّاً بينهما، فنحن لا نتصوّر ولا بأيّ حال من الأحوال أن تبقى الكرة في الرسم (1) ثابتة مستقرّة في أيّة نقطة على المنحنى سوى النقطة ب، بخلاف المنحنى في الرسم (2) والذي تمثّل كل نقطة فيه استخدمت لرسمه حالةً مستقرّة ثابتة لأنوية معروفة ومتواجدة في الطبيعة. كيف وسع الكرة في الرسم (2) والتي تمثّل البروتون أو النيوترون داخل النواة أن لا تنزلق إلى قعر المنحنى وأن تبقى ثابتة مستقرّة عند النقاط الأخرى العديدة على جانبي المنحنى بالرغم من ارتفاع طاقتها؟ وبكلماتٍ أخرى، لمَ لمْ تتحوّل مادّة الكون كلّها إلى نيكل-62، ولمَ لا تزال العناصر الأخرى موجودة بالرغم من كون طاقة الجسيمات النووية فيها عاليةً بالمقارنة مع طاقتها في نواة النيكل-62؟

لتوضيح الإجابة عن هذا السؤال نتأمّل كرة في الموضع أ والذي يتميّز بارتفاعه عن الوضع ب (الرسم 6). لا شكّ أنّ الكرة ستفضّل الانتقال إلى الموضع ب ساعيةً بذلك إلى تخفيض طاقتها الوضعيّة، ولكن تبقى المشكلة فيما إذا كانت الطريق إلى الموضع ب سالكةً من غير عقبات ولا عوائق. الطريق (1) في الرسم رقم (6) يمثّل مثل هذه الطريق السالكة، ولكن ليس من الضروريّ أن تكون مثل هذه الطريق دوماً موجودة أو متوفّرة، ففي كثير من الأحيان تكون الطريق الوحيدة الواصلة بين أ و ب مشوبة بعقبات وعراقيل كما هو الحال في الطريق (2) في الرسم (6). فإذا كانت الكرة تريد الانتقال من الموضع أ إلى الموضع ب، فإّنها بحاجة في البداية إلى دفعة ترفعها نحو قمّة الجبل ومن ثمَّ تستطيع الكرة أن تتدحرج تلقائيّاً إلى الموضع ب. وتسمّى هذه الدفعة أو هذه الطاقة اللازمة لرفع الكرة لتتجاوز العقبة الموجودة في طريقها بطاقة التنشيط.

يوضّح المثال السابق أنّ لكل تحوّل "وجهين": الوجه الأوّل وهو موضوع علم الديناميكا الحراريّة يتعلّق فيما إذا كان التحوّل محبّباً وتلقائيّاً أو لا، بمعنى إنّه إذا كان في النهاية سينتج شغلاً أو سيستهلك شغلاً، الأمر الذي يتوقّف فقط على الحالة التي ابتدأ منها التحوّل وتلك التي انتهى إليها لا على الطريق المسلوكة في هذا التحوّل. فالكرة مثلاً في الرسم (6) إذا قُيّض لها أن تنتقل من الموضع أ إلى الموضع ب وبغضّ النظر عن الطريق التي سلكتها في مثل هذا الانتقال فإنّ طاقتها ستنخفض، وحيث أنّ الطاقة محفوظة فإنّ فرق الطاقة لن يضيع وسيظهر على شكل طاقة خارجة من الكرة يمكن الاستفادة منها في إنتاج شغل. أمّا الوجه الثاني فهو موضوع علم حركيّة التفاعلات والذي يبحث في كيفيّة الانتقال وآليّته، وبالتالي في الطريق المتّبعة للوصول إلى الحالة النهائيّة.




(1)


(2)

الرسم (6): ليس من الضروريّ أن تكون الطريق أمام الانتقال المحبّب خالية من العقبات.

لنطبق الآن الأفكار السابقة على عملية اندماج نواة الهيدروجين-1 ( ) بنواة الدويتريوم ( ) وهي إحدى العمليّات التي تتمّ في الشمس منتجة كمّاً هائلاً من الطاقة. نكتب أوّلاً عمليّة الاندماج على شكل تفاعل كيميائي:


ثُمّ نتساءل عمّا إذا كانت عمليّة الاندماج هذه عمليّة محبّبة، بمعنى أنّه هل تفضّل البروتونات والنيوترونات الموجودة في أنوية الهيدروجين-1 والدويتريوم البقاء على حالها أم أنّها تفضّل أن تكون جزءً من نواةالهيليوم-3. للإجابة عن هذا السؤال لا بدّ لنا من الرجوع إلى المعيار الذي قدّمناه سابقاً من أنّ الجسيمات النوويّة مثل غيرها من سائر الأجسام تسعى إلى تخفيض طاقتها الوضعيّة قدر الإمكان إذا أتيحت لها الفرصة لذلك. ولو رجعنا إلى الرسم (2) للاحظنا أنّ طاقة الجسيم النووي الواحد في نواة الهيليوم-3 أقلّ منها في نواة الهيدروجين-1 والدويتريوم، وبناءً على ذلك فإنّ تكوين نواة الهيليوم-3 من اندماج الهيدروجين-1 والدويتريوم عمليّة محبّبة لأنّها تؤدّي على انخفاض طاقة الوضع وهي بذلك منتجة للطاقة أو الشغل كما يدلّ على ذلك كون الشمس مصدراً للطاقة. ونستطيع حساب كمّيّة الطاقة الناتجة من اندماج 1 مول من أنوية الهيدروجين-1 (حوالي 1 غم) مع 1 مول من أنوية الدويتريوم (حوالي 2 غم) وذلك بحساب مقدار الانخفاض في الكتلة الناتج عن عمليّة الاندماج، ويتمّ ذلك على النحو التالي:

فرق الكتلة = كتلة الناتج – كتلة الموادّ المتفاعلة

= الكتلة المولية لنواة الهيليوم-3 – (الكتلة الموليّة لنواة الهيدروجين-1 +الكتلة الموليّة لنواة الدويتريوم)

=-0.0058975 u.

وتعني إشارة السالب أنّ هناك انخفاضاً في الكتلة يكافئ الانخفاض الحاصل في الطاقة الوضعيّة والذي يمكن حسابه بمعادلة اينشتاين، وتبلغ الطاقة الناتجة من الاندماج المذكور 535×10+9 جول أي ما يعادل 133 طنّاً من TNT.

من جهة أخرى، لو وضعنا أنوية الهيدروجين-1 والدويتريوم في وعاء فإنّنا لن نحصل على أيّ هيليوم-3 ولو انتظرنا آلاف ومئات آلاف السنين. لماذا؟ إنّ القوى النوويّة القويّة والمسؤولة عن العجز الكتلي وانخفاض طاقة الوضع داخل النواة قصيرة المدى ولا يتجاوز مداها بضع فمتومترات (1-2 فم)، لذا يجب علينا إذا أردنا للاندماج أن يتمّ أن نقرّب النواتين، نواة الهيدروجين ونواة الدويتريوم، جدّاً من بعضهما بحيث يصبح البروتون والذي هو نواة الهيدروجين-1 تحت تأثير البروتون والنيوترون في نواة الدويتريوم وبالعكس. ولكنّ عمليّة التقريب هذه يصاحبها تنافر كهربائي بين النواتين ذواتي الشحنتين المتشابهتين، وتزداد قيمة هذا التنافر بصورة كبيرة كلّما نقصت المسافة ممّا يعيق أكثر فأكثر عمليّة اقتراب النواتين من بعضهما، فلا تستطيعان في الظروف العاديّة الوصول إلى المدى الذي تكون فيه القوى النوويّة مؤثّرة فلا يحصل الاندماج. وبإمكاننا تحقيق الاندماج برفع درجة حرارة الأنوية إلى عشرات ملايين الدرجات فتزداد بذلك الطاقة الحركيّة لهذه الجسيمات ممّا يمكّنها من التغلّب على عقبة التنافر الموجودة في طريق الاندماج (الرسم (7)).

وكلّما كانت الأنوية أثقل كلّما كانت درجات الحرارة اللازمة لتحقيق الاندماج أعلى، لأنّ ثقل الأنوية معناه زيادة عدد البروتونات والنيوترونات فيها وزيادة البروتونات معناه زيادة في شحنة النواة الكهربائيّة ممّا يزيد التنافر بينها. ولهذا لا نجد في شمسنا والتي تبلغ درجة الحرارة فيها 15 مليون درجة فقط سوى عمليّات اندماج لأنوية الهيدروجين بنظائره المختلفة مكوّنة الهيليوم، أمّا العناصر الأثقل من الهيليوم فيتمّ تصنيعها في النجوم الأسخن من شمسنا، فتصنيع ذرّات الكربون من اندماج نواتي هيليوم بحاجة إلى مئة مليون درجة، وتصنيع الصوديوم والمغنيسيوم من اندماج الكربون بحاجة إلى خمسمئة مليون درجة، وتصنيع السيليكون والفسفور والكبريت من اندماج الأكسجين بحاجة إلى ألف مليون درجة، وتصنيع الحديد والكوبالت والنيكل من اندماج السيليكون بحاجة إلى ألفي مليون درجة [7].


الرسم (7): تجابه عمليّة الاندماج عقبة التنافر الكهربائي بين الأنوية حيث أنّها تحمل شحنات كهربائيّة متماثلة (بروتونات) ممّا يمنعها من الوصول إلى المدى الذي تكون فيه القوى النوويّة مؤثّرة. يمكن التغلّب على هذه العقبة برفع درجة الحرارة ممّا يزيد الطاقة الحركيّة للأنوية (الخط الأزرق التقطّع) ويمكّنها من تجاوز العقبة.

5. تجربة حاسوبيّة

يمكن تقديم المعلومات الفائتة عن النواة على شكل تجربة حاسوبيّة يكلّف الطالب بإجرائها ومن ثَمَّ باستخلاص النتائج بنفسه. وهاك اقتراحاً مبسّطاً لمثل هذه التجربة:

جمع البيانات: يكلّف الطالب بجمع القيم الدقيقة للكتل الذريّة للعناصر المختلفة، ويفضّل الاقتصار على النظائر الطبيعيّة المتواجدة في أرضنا تقليصاً للعبء، فالنظائر المصنّعة يتجاوز عددها الآلاف ومعظمه ليست له أيّة أهمّيّة أو تطبيقات عمليّة وإنّما تعتبر من باب الفضول العلميّ البحت، كما أنّ الكثير منها لا يعيش إلاّ لفترات زمنيّة قصيرة جدّاً ثمّ لا يلبث أن يتفكّك أو يتحوّل إلى أنوية أخرى. أمّا النظائر الطبيعيّة فلا تتجاوز أعدادها الثلاثمئة، ويمكن تقليص جهد جمع البيانات بتوزيع المهمّة على جميع الطلبة في الصفّ فلا يزيد ما يجمعه الطالب الواحد عن بضع عشرات من قيم الكتل الذريّة المختلفة. كما يستحسن أن يقوم الطالب بجمع البيانات من الشبكة الدوليّة للمعلومات (الانترنت) عبر الصفحات الكثيرة المتخصّصة في هذا المجال وذلك لسهولة جمع البيانات بهذه الطريقة، إذ كلّ ما يحتاجه الطالب هو نسخ القيم المطلوبة الكترونيّاً ثمّ لصقها الكترونيّاً كنصّ أو مباشرة في أحد برامج معالجة البيانات.

يتمّ إدخال البيانات في أحد برامج معالجة البيانات الجيّدة مثل برنامج origin، ويحتلّ كلّ نظير صفّاً في جدول البيانات بحيث يحتوي العمود الأوّل على عدد البروتونات والثاني على عدد النيوترونات في نواة ذلك النظير. أمّا العمود الثالث فتدخل فيه قيمة الكتلة الذريّة الخاصّة بذلك النظير كما هو موضّح في الجدول التالي:

فنجد مثلاً أنّ الصفّ الأوّل يمثّل والثاني والثالث والرابع ، وهكذا... وهنا يعطي كلّ طالب زملاءه ما بحوزته من البيانات بعد إدخالها، فيجتمع بذلك للطالب الواحد كلّ البيانات المطلوبة.


E

معدّل انخفاض كتلة الجسيم النووي
D

العجز الكتلي
C

الكتلة الذريّة
B

عدد النيوترونات
A

عدد البروتونات
1
1
2
1
1
2
2
2
ج. يجيب الطالب على السؤال: هل هناك فرق بين كتلة الالكترونات والبروتونات والنيوترونات وهي متفرّقة وبين كتلتها بعد أن تجمّعت على شكل ذرّة؟ يُكلّف الطالب هنا بإيجاد التعبير الرياضي المناسب لحساب الفرق المذكور (انظر الصفحة 6) وربّما يساعده المعلّم باستنباط التعبير المناسب أو على الأقلّ بإرشاده إلى بداية الطريق. يتأكّد المعلّم من صحّة التعبير الرياضي الذي بحوزة الطالب ثمّ يتمّ إدخاله في برنامج معالجة البيانات في العمود الرابع ليحسب العجز الكتلي لجميع النظائر، وتكون صورة هذا الإدخال مثلاً على النحو التالي:

col(D) = (mp+me)*col(A) + mn*col(B) – col(C)

حيث تمثّل mn, me, mp كتلة البروتون وكتلة الالكترون وكتلة النيوترون على التوالي. ثمّ يحسب الطالب معدّل انخفاض كتلة الجسيم النوويّ الواحد، بروتوناً كان أو نيوتروناً، في العمود الخامس (E) على النحو التالي:

col(E) = col(D) / (col(A)+col(B))

على الأرجح لن يستطيع الطالب تفسير هذا الانخفاض، لذا لابدّ قبل إجراء التجربة من قيام المعلّم بتقديم نبذة مبسّطة عن العلاقة بين الكتلة والطاقة وبين طاقة الوضع ووجود الجسم تحت تأثير حقل قوّة، جاذبة كانت أو نافرة.

نحدّد في العمود السادس معدّل انخفاض الطاقة الوضعيّة للجسيم النوويّ الواحد:

col(F) = 931.4*col(E)

وتكون وحدة الطاقة في هذه الحالة (1 u = 931.4 MeV) MeV، ونستطيع استخدام أيّة وحدة أخرى للطاقة (مثل الجول) بضرب العمود E بالمعامل المناسب.

ه. يرسم الطالب معدّل انخفاض طاقة الجسيم النوويّ الواحد بالنسبة إلى عدد البروتونات في النواة كمتغيّر (الرسم 2)، أو بالنسبة إلى عدد النيوترونات أو الرقم الكتلي للنواة. من الرسم يقوم الطالب بتحديد النواة (أو الأنوية الخمس أو العشر الأولى) التي يكون فيها الجسيم النووي أكثر استقراراً.

و. يجيب الطالب على مجموعة من الأسئلة خاصة بالرسم السابق. وفيما يلي بعض الأمثلة على مثل هذه الأسئلة:

- هل عمليّة اندماج أنوية النيون-10 مكوّنةً كالسيوم-20 عمليّة محبّبة؟ لماذا؟ ما هو مقدار الطاقة الناتج من اندماج مولين من النيون-10 لو تمّت العمليّة أعلاه؟

- اكتب المعادلة التي تمثّل انشطار اليورانيوم-235 عند امتصاصه لنيترون واحد منتجاً باريوم-139 وكريبتون-94 وثلاث نيوترونات! هل عمليّة انشطار اليورانيوم هذه عمليّة محبّبة؟ لماذا؟ ما هو مقدار الطاقة الناتج من انشطار 1 مول من اليورانيوم؟

- هل عمليّة اندماج أنوية الكوبالت-59 مكوّنة القصدير-118 عمليّة محبّبة؟ لماذا؟

.....

ز. يرسم الطالب باستخدام البيانات المدرجة في الجدول الفائت (ص 19) عدد نيوترونات النظائر المستقرّة مع عدد البروتونات فيها، ويحدّد النسبة المثلى لأعداد النيوترونات وأعداد البروتونات التي يتحقّق عندها الاستقرار المنشود.

- لماذا تزيد هذه النسبة بزيادة ثقل النواة؟ ماذا يمكن أن يحصل إذا كانت نسبة النيوترونات أكبر (أقلّ) ممّا هو مطلوب؟

ح. يكلّف الطالب برسم مقدار طاقة انخفاض الجسيم النوويّ الواحد مع عدد البروتونات والنيوترونات ضمن حقل محدّد من القيم (يفضّل أن يختلف هذا الحقل من طالب إلى آخر).

- ماذا نستنتج بالنسبة إلى كون عدد البروتونات أو النيوترونات فرديّاً أو زوجيّاً؟

6. الخلاصة

تمثّل هذه الورقة اقتراحاً بتقديم مبادئ وأسس الكيمياء النوويّة لطلبة الكيمياء على شكل تجربة حاسوبيّة يقوم الطلبة أنفسهم بإجرائها ومن ثمّ باستخلاص النتائج. بالإضافة إلى المادّة العلميّة التي يتلقّاها الطالب في هذه التجربة فإنّه يكتسب مهارات حاسوبية عديدة مثل جمع واستقاء المعلومات والبيانات من الشبكة الدوليّة للمعلومات (الانترنت)، وكذلك التعرّف على برامج معالجة البيانات واستخدامها في تحليل ومعالجة البيانات المستقاة. من الجدير بالذكر أنّ جلّ النتائج والرسومات المعروضة في هذه الورقة هي ما نتج في التجربة الحاسوبيّة المقترحة عندما أجريناها.

المراجع

[1] B.W. Petely, Metrologia 33 (1996) 261.


[3] Chemistry, S. Zumdahl and S. Zumdahl, Houghton Mifflin Company, Boston, USA, 2003.

[4] Introduction to Modern Physics, H.S. Mani and G. K. Mehta, Affiliated East-West Press PVT LTD, New Delhi, 1988.

[5] http://atom.kaeri.re.kr/ton/ (Table of nuclides of the Korea Atomic Research Institute).

[6]
[7] Astronomy Hyber Textbook (on-line textbook): http://zebu.uoregon.edu/1996/ph123/|10.html
avatar
Admin
Admin

عدد المساهمات : 281
تاريخ التسجيل : 26/09/2012
العمر : 46

معاينة صفحة البيانات الشخصي للعضو http://nm1771971.moontada.com

الرجوع الى أعلى الصفحة اذهب الى الأسفل

استعرض الموضوع السابق استعرض الموضوع التالي الرجوع الى أعلى الصفحة


 
صلاحيات هذا المنتدى:
لاتستطيع الرد على المواضيع في هذا المنتدى