في هذا الشارح، سوف نتعلم كيف نصِف الإشعاع الناتج عن اضمحلال النوى الذرية.
يتكوَّن كل شيء حولنا من ذرات. إن الذرات المنفردة صغيرة جدًّا بحيث لا يمكننا رؤيتها. لكن إذا كانت لدينا ذرات كافية، فإنها تتحد معًا بطرق مختلفة لتكوين عناصر كبيرة بما يكفي لرؤيتها.
تتكون الذرات من ثلاثة أنواع من الجسيمات: البروتونات والإلكترونات والنيوترونات. ونسمي هذه الجسيمات «جسيمات دون ذرية»؛ لأنها أصغر من الذرة.
تجتمع البروتونات والنيوترونات في الذرة في تكتُّل يقع في مركز الذرة. ويُسمى هذا التكتل النواة. تحتوي النواة على معظم كتلة الذرة، مع أن حجم النواة صغير جدًّا. ولهذا السبب، نقول إن النواة كثيفة للغاية.
في الذرة، لا توجد الإلكترونات في النواة. بل توجد خارج النواة.
يوضح الشكل الآتي بنية الذرة.
في الشكل السابق، وُضعت الإشارة «» على البروتونات لأن شحنتها موجبة. ووُضعت الإشارة «» على الإلكترونات لأن شحنتها سالبة. أما النيوترونات، فهي متعادلة.
تؤثر قوى تجاذب وقوى تنافر على الجسيمات في النواة. تعمل قوى التجاذب على إمساك الجسيمات في النواة. وتعمل قوى التنافر على دفع الجسيمات بعضها عن بعض.
تترتب الجسيمات في النواة بطريقة معينة بحيث يلاشي بعض هذه القوة بعضها الآخر. فتأثير قوى التنافر يوازنه بالضبط تأثير قوى التجاذب. ونطلق على هذا الاتزان. عندما تكون النواة في حالة اتزان، تكون المسافات بين البروتونات والنيوترونات هي نفسها.
مثال ١: القوى في النواة
أيُّ العبارات الآتية تَصِف القوى المؤثِّرة على جُسيمات نواة الذرة وصفًا صحيحًا؟
- لا توجد قوًى بين الجُسيمات.
- ثمَّة قوى تنافر بين الجُسيمات فقط.
- ثمَّة قوى تجاذب وتنافر بين الجُسيمات.
- ثمَّة قوى تجاذب بين الجُسيمات فقط.
الحل
الإجابة هي الخيار (ج). ثمة قوى تجاذب وتنافر بين الجسيمات.
لو أثرت على الجسيمات قوى تنافر فقط، لما تمكَّنت الجسيمات من تكوين تكتُّل. وبدلًا من ذلك، سيبتعد بعضها عن بعض، وستكون المسافة بين كل جسيم والآخر كبيرة جدًّا.
أما إن أثرت على الجسيمات قوى تجاذُب فقط، فسيقترب بعضها من بعض بشدة حتى تنهار النواة.
في النواة، تؤثر على الجسيمات قوى تجاذب وقوى تنافر أيضًا. وعندما ترتب الجسيمات نفسها بطريقة معينة، يُلاشي بعض هذه القوى بعضًا، فتأثير قوى التجاذب يكون متساويًا تمامًا مع تأثير قوى التنافُر.
عندما تتلاشى القوى، تكون الجسيمات في حالة اتزان. وهذا يعني أنه لا توجد قوة محصلة تؤثر على الجسيمات. لكن هذا الاتزان يتحقق بفعل قوى التجاذب والتنافر معًا.
والآن بعد أن فهمنا بنية الذرة، يمكننا المقارنة بين نواتي ذرتين مختلفتين. انظر الشكل الآتي الذي يوضح نواتي ذرتين.
تذكر أن نوى الذرات لا تحتوي على أي إلكترونات. في هذا الشكل، نلاحظ أن كل نواة تحتوي على عدد مختلف من البروتونات. تحتوي النواة اليسرى على ٣ بروتونات، والنواة اليمنى على ٤ بروتونات.
لأن نواتي هاتين الذرتين تحتويان على أعداد مختلفة من البروتونات، فلا بد أنهما ذرتا عنصرين مختلفين. والعنصر مادة تتكون من ذرات من نوع واحد فقط. هذا يعني أن العنصر يتكون من الذرات فقط، وهي ذرات هذا العنصر.
لمعرفة العنصر الذي تمثِّله الذرة التي لدينا، علينا معرفة عدد البروتونات في نواة هذه الذرة. إن عدد البروتونات في نواة الذرة يسمى العدد الذري. وكل عنصر له عدد ذري فريد. لذا إذا عرَفنا عدد البروتونات في نواة الذرة، فسنعرف العنصر الذي تمثِّله هذه الذرة.
على سبيل المثال، يُعد الفلزان؛ الذهب والفضة عنصران. فالفضة تتكون من ذرات الفضة فقط، والذهب يحتوي على ذرات الذهب فقط.
العدد الذري للفضة ٤٧. هذا يعني أن جميع ذرات الفضة بها ٤٧ بروتونًا في نواة كل منها. وكل ذرة تحتوي على ٤٧ بروتونًا في نواتها لا بد أن تكون ذرة فضة.
العدد الذري للذهب ٧٩. هذا يعني أن جميع ذرات الذهب تحتوي على ٧٩ بروتونًا في نواة كل منها. وأي ذرة لها عدد مختلف من البروتونات لا بد أن تكون ذرة عنصر مختلف.
والآن، سنتناول عدد النيوترونات الموجودة في النواة. انظر الشكل الآتي الذي يوضح نواتي ذرتين.
تذكر أن نوى الذرات لا تحتوي على أي إلكترونات. في هذا الشكل، تحتوي النواتان على العدد نفسه من البروتونات. هذا يعني أن هاتين النواتين لذرتين من العنصر نفسه. إلا أن النواة اليسرى تحتوي على ثلاثة نيوترونات. وتحتوي النواة اليمنى على أربعة نيوترونات.
إن عدد النيوترونات في النواة لا يخبرنا بأي شيء عن العنصر الذي تمثِّله الذرة. فيمكن لذرات العنصر نفسه أن تحتوي على أعداد مختلفة من النيوترونات. على سبيل المثال، تحتوي بعض ذرات الفضة على ٦٠ نيوترونًا، لكن بعض ذرات الفضة الأخرى تحتوي على ٦٢ نيوترونًا.
وعندما تحتوي ذرات العنصر نفسه على أعداد مختلفة من النيوترونات، نقول إن هناك نظائر مختلفة لهذا العنصر.
على سبيل المثال، ذكرنا بالفعل نظيري الفضة. يحتوي أحد النظيرين على ٦٠ نيوترونًا، ويحتوي الآخر على ٦٢ نيوترونًا. ولا بد أن يحتوي النظيران كلاهما على ٤٧ بروتونًا، وإلا لن تكون ذراتهما ذرات فضة.
بهذا نكون قد عرَفنا كيف نقارن بين بنية نوى العناصر والنظائر المختلفة. لنتناول الآن كيف يمكن أن تتغير بنية نواة الذرة.
بعض الذرات مستقرة. وهذا يعني أن نواتها ستتغير فقط إذا حدث شيء من خارج النواة أدى إلى تغييرها.
وبعض الذرات غير مستقرة. وهذا يعني أن نواتها يمكن أن تتغير، حتى إذا لم يتسبب أي شيء خارج النواة في تغييرها. لا يمكننا إحداث هذا التغيير، ولا يمكننا التنبؤ بتوقيت حدوثه. لذا، نطلق على هذه التغيرات أنها تغيرات تلقائية.
عندما تتغير النواة تلقائيًّا بهذه الطريقة، نسمي هذا الاضمحلال النووي.
مثال ٢: التلقائية
أيُّ العبارات الآتية عن التغيُّرات التلقائية في تركيبات النوى الذرية للعناصر صواب؟
- يُمكِن أن يتغيَّر تركيب نواة ذرية تلقائيًّا لذرات عناصر مُعيَّنة فقط.
- يُمكِن أن يتغيَّر تركيب نواة ذرية تلقائيًّا لذرات أيِّ عنصر.
- لا يُمكِن أن يتغيَّر تركيب النواة الذرية تلقائيًّا لذرات أيِّ عنصر.
الحل
الإجابة هي الخيار (أ). يُمكِن أن يتغيَّر تركيب نواة ذرية تلقائيًّا لذرات عناصر مُعيَّنة فقط.
لا يُمكن لنواة الذرة أن تتغير تلقائيًّا إلا إذا كانت الذرة غير مستقرة. فإذا كانت الذرة مستقرة، لا يمكن أن تتغير نواتها تلقائيًّا.
بعض العناصر لها ذرات مستقرة على الدوام، وبعض العناصر لها ذرات غير مستقرة. إذن، يُمكِن أن يتغيَّر تركيب نواة ذرية تلقائيًّا لذرات عناصر مُعيَّنة فقط.
مثال ٣: التلقائية
أيُّ العبارات الآتية صواب عن تنبؤ حدوث الاضمحلال الإشعاعي لنواة ذرية غير مستقرة؟
- لا يُمكِن التنبؤ بالتوقيت الذي ستضمحل عنده نواة ذرية غير مستقرة.
- يُمكِن التنبؤ بالتوقيت الذي ستضمحل عنده نواة ذرية غير مستقرة.
الحل
الإجابة هي الخيار (أ). لا يُمكِن توقع التوقيت الذي ستضمحل عنده نواة ذرية غير مستقرة.
فالاضمحلال النووي تلقائي. وتعني التلقائية هنا أمرين:
- لا يمكننا فعل أي شيء لإحداث الاضمحلال النووي.
- لا يمكننا التنبؤ بتوقيت حدوث الاضمحلال النووي.
لذا، لا يُمكِن التنبؤ بالتوقيت الذي ستضمحل عنده نواة ذرية غير مستقرة.
بعض العناصر مستقرة؛ ومن ثَمَّ لا تمر ذرات هذه العناصر باضمحلال نووي. من أمثلة العناصر المستقرة الأكسجين الموجود في الهواء الذي نتنفَّسه. ويُعد الذهب والفضة عنصرين مستقرين.
لنتناول الآن بعض العناصر غير المستقرة. يُعد الرادون مثالًا على عنصر غير مستقر. الرادون غاز عديم اللون والرائحة يَنتج عادة في الصخور والتربة. العدد الذري للرادون ٨٦. هذا يعني أن ذرات الرادون تحتوي على ٨٦ بروتونًا في نواها. ويمكن لجميع ذرات الرادون أن تمر باضمحلال نووي تلقائي.
من الأمثلة الأخرى على العناصر غير المستقرة اليورانيوم والبلوتونيوم.
إذا كانت نسبة النيوترونات في الذرة مرتفعة عن البروتونات، يقل احتمال استقرارها ويزيد احتمال عدم استقرارها.
مثال ٤: استقرار النوى
أيُّ النوى الذرية الآتية يُرجَّح أن تكون غير مستقرة؟
- نواة ذات نسبة عالية من النيوترونات
- نواة ذات نسبة منخفضة من النيوترونات
- نواة ذات أعداد متساوية من النيوترونات والبروتونات
الحل
الإجابة هي الخيار (أ). نواة ذات نسبة عالية من النيوترونات.
غالبًا ما تكون النواة غير مستقرة عندما تحتوي على نسبة عالية من النيوترونات.
أما النواة التي تحتوي على نسبة منخفضة من النيوترونات، فيقل احتمال عدم استقرارها مقارنةً بالنواة التي تحتوي على نسبة عالية من النيوترونات. والنواة التي تتساوى فيها النيوترونات والبروتونات هي الأقل من حيث احتمال عدم استقرارها.
نعرف الآن أن العناصر إما مستقرة وإما غير مستقرة، وأن ذرات العناصر غير المستقرة تتعرض للاضمحلال النووي. لنتناول التغيرات التي تحدث في النواة عندما تتعرض ذرة لاضمحلال نووي.
عندما يحدث الاضمحلال، تبعث النواة جسيمات أو موجات كهرومغناطيسية. ونطلق على هذه الانبعاثات الإشعاع النووي. ونسمي الذرات غير المستقرة ذرات مشعة؛ لأنها تُنتج إشعاعًا نوويًّا عند اضمحلالها.
على سبيل المثال، الرادون واليورانيوم والبلوتونيوم عناصر مشعة طبيعيًّا.
هناك ثلاثة أنواع من الاضمحلال النووي، أو ثلاث طرق تتغير بها النواة:
- اضمحلال ألفا .
- اضمحلال بيتا .
- اضمحلال جاما .
يُنتج كل نوع من الاضمحلال نوعًا مختلفًا من الإشعاع النووي. تتضمن أشعة جاما موجات كهرومغناطيسية. وتتضمن أشعة ألفا وأشعة بيتا جسيمات. وينتج عن اضمحلال ألفا جسيمات مختلفة عن الجسيمات الناتجة من اضمحلال بيتا.
في كل نوع من أنواع الاضمحلال، تتغير النواة بطريقة مختلفة.
مثال ٥: تركيب الإشعاع النووي
أيُّ العبارات الآتية تَصِف وصفًا صحيحًا المكوِّنات المُمكِنة للإشعاع المنبعث من اضمحلال نوًى ذرية غير مستقرة؟
- يتضمَّن الإشعاع المنبعث من اضمحلال النوى الذرية غير المستقرة موجات كهرومغناطيسية فقط.
- يتضمَّن الإشعاع المنبعث من اضمحلال النوى الذرية غير المستقرة جسيمات وموجات كهرومغناطيسية.
- يتضمَّن الإشعاع المنبعث من اضمحلال النوى الذرية غير المستقرة جسيمات فقط.
الحل
الإجابة هي الخيار (ب). يتضمَّن الإشعاع المنبعث من اضمحلال النوى الذرية غير المستقرة جسيمات وموجات كهرومغناطيسية.
يتوقف التركيب الدقيق للإشعاع النووي المنبعث في أثناء الاضمحلال النووي على نوع الاضمحلال.
يبعث اضمحلال جاما موجات كهرومغناطيسية فقط. ويبعث كل من اضمحلال ألفا واضمحلال بيتا جسيمات، إلا أن نوع الجسيمات المنبعثة من كل منهما مختلف.
إذن، عامةً، يمكن أن يتضمن الإشعاع النووي جسيمات وموجات كهرومغناطيسية.
هيا نلخِّص الآن ما تعلمناه في هذا الشارح.
النقاط الرئيسية
- تحتوي الذرات على نواة تتكون من بروتونات ونيترونات. وتحتوي الذرات أيضًا على إلكترونات موجودة حول النواة.
- يخبرنا العدد الذري للذرة بالعنصر الذي تمثِّله الذرة.
- تحتوي ذرات العنصر نفسه دائمًا على العدد نفسه من البروتونات.
- الذرات التي لها أعداد متساوية من البروتونات وأعداد مختلفة من النيوترونات هي نظائر للعنصر نفسه.
- تكون الذرات غير مستقرة إذا كان بإمكان نواها أن تتغير تلقائيًّا. ويُطلق على هذه التغيرات الاضمحلال النووي.
- عندما تضمحل ذرة، ينبعث منها إشعاع نووي. لذا نقول على الذرات غير المستقرة أنها «مشعة».
- بعض العناصر مشعة طبيعيًّا، ومنها غاز الرادون واليورانيوم والبلوتونيوم. وتضمحل ذرات هذه العناصر تلقائيًّا.
