شارح الدرس: التفاعلات النووية الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نكتب التفاعلات النووية، ونفسِّرها.

في التفاعلات النووية، تتغيَّر النوى الذرية من حالة إلى أخرى. وتعتبر التفاعلات النووية مسئولة عن تكوين جميع الذرات الكبيرة في الكون تقريبًا، وتكوين الطاقة الشمسية في باطن الشمس؛ حيث يرتفع الضغط والحرارة. يمكن استخدام التفاعلات النووية لتوليد الكهرباء في مصانع توليد الطاقة النووية وتشخيص الأمراض في المستشفيات.

التغيُّر الذي يحدث أثناء التفاعل النووي يختلف عن التغيُّر الذي يحدث أثناء التفاعل الكيميائي. التفاعلات الكيميائية تحدث عندما يتم تبادل إلكترونات بين ذرتين متفاعلتين على الأقل. على الرغم من أن التفاعلات الكيميائية تُنتج مركبات كيميائية مختلفة، فإن هوية الذرات تظل كما هي. هذا يعني أنه يوجد نفس أعداد وأنواع الذرات في المتفاعلات والنواتج؛ فهي تتحد فقط بطرق مختلفة يمكننا رؤيتها في الشكل الآتي.

أثناء التفاعل النووي، يمكن أن تتغيَّر النيوترونات والبروتونات، ويمكن أن تتحد النوى بأكملها أو تتفكَّك. وعادةً ما يَنتج عن هذه التغيُّرات تحوُّل ذرة عنصر واحد إلى ذرة عنصر مختلف تمامًا. يصاحب عمليات التحوُّل عادةً تغيُّرات كبيرة للغاية في الطاقة يمكن أن تكون أكبر بمقدار مليون مرة من كمية الطاقة المنبعثة أثناء التفاعلات الكيميائية التقليدية.

النظائر لها تفاعلات كيميائية متشابهة؛ لأن بها عدد الإلكترونات نفسه، لكن سيكون لها تفاعلات نووية مختلفة؛ لأن بها أعدادًا مختلفة من النيوترونات. يمكن أن يحتوي أحد النظائر على عدد نيوكليونات أكبر من نظير آخر، وهذا يزيد أو يقلِّل من احتمال دخوله في تفاعل نووي. على سبيل المثال، يُستخدَم الكربون-14 في تحديد عمر العيِّنات الأثرية التي تعتمد على الكربون؛ لأنه يتحوَّل ببطء إلى النيتروجين-14، ولكن الكربون-12 مفيد أيضًا في تحديد عمر أي شيء يكتشفه علماء الآثار.

يمكن تمثيل التفاعلات النووية في صورة معادلة تفاعل. لتمثيل الجسيمات المشاركة في تفاعل، نستخدم ترميز النيوكليد ؛ حيث هو رمز الجسيم (مثل رمز الذرة)، و هو العدد الكتلي (مجموع النيوترونات زائد البروتونات)، و هو شحنة الجسيم (عدد البروتونات في النوى).

على سبيل المثال، التفاعل الآتي هو التفاعل الذي يُستخدَم لتحديد عمر الكربون. في هذا التفاعل، تحوَّل الكربون-14 إلى نيتروجين-14 وانبعث إلكترون:

لكي يكون التفاعل النووي موزونًا، يجب أن يكون إجمالي وإجمالي متساويين على جانبَي سهم التفاعل. وهذا موضَّح في الآتي:

في التفاعل السابق، إجمالي في طرفَي المعادلة يساوي 14، وإجمالي في طرفَي المعادلة يساوي 6؛ ما يعني أن التفاعل موزون بشكل صحيح.

هناك ثلاثة أنواع مختلفة من التفاعلات النووية: الانشطار والاندماج والتحوُّل.

يحدث الانشطار عندما تنقسم النواة الثقيلة إلى نواتين صغيرتين أو أكثر. يَنتج عن الانشطار الكثير من الطاقة المستخدَمة لتوليد الكهرباء داخل مصانع الطاقة النووية.

يحدث الاندماج عندما تتحد نواتان خفيفتان أو أكثر لتكوين نواة أثقل. التفاعل الذي يحدث في الشمس والنجوم الأخرى هو تفاعل اندماج يبدأ بدمج نوى الهيدروجين لتكوين الهليوم.

أما التحوُّل فهو تحويل ذرة عنصر ما إلى ذرة عنصر آخر. هناك نوعان فرعيان من تفاعلات التحوُّل: الاضمحلال الإشعاعي والقصف.

التحوُّل عن طريق الاضمحلال الإشعاعي عملية تحدث في الطبيعة للنظائر غير المستقرة. سيؤدي النظير غير المستقر أو المشع إلى انبعاث جسيمات أو طاقة تلقائيًّا، تُسمَّى إشعاعًا؛ الأمر الذي يتسبَّب في تحويل هذا النظير إلى نظير أكثر استقرارًا. هناك عدة أنواع من الاضمحلال الإشعاعي سنتناولها بالتفصيل لاحقًا.

ويَنتج عن التحوُّل من خلال القصف أيضًا تحويل ذرات عنصر إلى ذرات عنصر آخر. والقصف عملية غير تلقائية؛ حيث تُقصَف ذرة بجسيمات أصغر، مثل النيوترونات أو جسيمات ألفا، تتحد مع الذرة لتكوين نواة مختلفة أكبر.

المثال الأول على التحوُّل بالقصف حدث عام 1925، عندما قصف العالم باتريك بلاكت ذرات النيتروجين-14 بجسيمات ألفا، وهو ما حوَّل ذرات النيتروجين-14 إلى ذرات الأكسجين-17. تنبعث من هذه العملية أيضًا بروتونات:

العناصر التي لها عدد ذري أكبر من 92، والتي تُسمَّى عناصر ما وراء اليورانيوم، تكوَّنت من خلال عملية القصف. ومعظم هذه العناصر غير موجود في الطبيعة، وجميعها مشعة.

نحن نعلم الآن ما المقصود بالتفاعلات النووية، وكيف تختلف عن التفاعلات الكيميائية، والأنواع المختلفة للتفاعلات النووية التي يمكن أن تحدث. لكن، يوجد موضوع مهم لم نناقشه بعدُ. إذا كان الكربون-14 غير مستقر ويتعرَّض للاضمحلال الإشعاعي ليصبح النيتروجين-14، فلماذا إذن الكربون-12 مستقر ولا يتعرَّض للاضمحلال؟

الاختلاف الوحيد بين هذين النظيرين هو عدد النيوترونات، فالكربون-12 يحتوي على ستة نيوترونات، أما الكربون-14 فيحتوي على ثمانية. إذن إجابة سؤالنا لا بد أن تكون لها علاقة بعدد النيوترونات الموجودة في الذرة.

ترتبط النوى معًا بفعل القوة النووية، وهي قوة جاذبة قوية للغاية بين البروتونات والنيوترونات في النواة. وقوة الجذب الشديدة التي تتمتع بها القوة النووية هي السبب وراء عدم وجود تنافر بين البروتونات الموجبة الشحنة في النواة.

تُعَد النيوترونات مهمة لاستقرار النواة؛ لأنها توفِّر المزيد من القوة النووية الجاذبة في النواة للتغلُّب على التنافر الكهروستاتيكي بين البروتونات. ومع وجود العدد الصحيح من النيوترونات، ستجتمع الجسيمات في الذرة معًا بفعل القوة النووية وستظل الذرة مستقرة. أما إذا كان هناك عدد كبير جدًّا أو قليل جدًّا من النيوترونات في النواة، فستكون الذرة غير مستقرة.

يمكن استخدام نسبة النيوترونات إلى البروتونات في النواة للتنبؤ بالاستقرار النووي؛ لأن ذرات عنصر يحتوي على نسبة نيوترون إلى بروتون محدَّدة ستكون مستقرة. يمكن تصوُّر نسبة النيوترون إلى نسبة البروتون المستقرة على التمثيل البياني الموضَّح بالأسفل، ويُشار إليه عادةً باسم «نطاق الاستقرار». كل نقطة على التمثيل البياني تمثِّل نظيرًا مستقرًّا.

أما النظائر المستقرة الأكثر وفرةً للعناصر الأخف وزنًا، التي تكون أعدادها الذرية 20 تقريبًا أو أقل، فلها نسبة نيوترون إلى بروتون تساوي تقريبًا. لكن كلما زاد عدد البروتونات في النواة، زاد عدد النيوترونات المطلوبة لتصبح النواة مستقرة. وينعكس هذا في الزيادة التدريجية في نسبة النيوترونات إلى البروتونات واقترابها من النسبة لعناصر أثقل. وأيُّ نظير لا يقع في نطاق الاستقرار سيكون مشعًّا، ويضمحل إلى نظير مستقر في نطاق الاستقرار بمرور الزمن.

وتوجد أنواع مختلفة من الاضمحلال الإشعاعي الذي يمكن أن تتعرَّض له النظائر لتصبح مستقرة. سنناقش عدة أنواع من الاضمحلال بالتفصيل: اضمحلال ألفا، واضمحلال بيتا، وانبعاث البوزيترون، والأسر الالكتروني، وانبعاث جاما. في كل نوع من أنواع الاضمحلال ينبعث إشعاع من النواة. قد يكون هذا الإشعاع نوعًا من الجسيمات، أو طاقة، أو مزيجًا من الاثنين.

عندما تتعرَّض النواة لاضمحلال ألفا ينبعث جسيم ألفا. جسيمات ألفا هي نوى تحتوي على بروتونين ونيوترونين أو أيون . يؤدِّي انبعاث جسيم ألفا إلى فقد النواة بروتونين ونيوترونين، وهو ما يؤدي إلى تناقص بمقدار أربعة، و بمقدار اثنين.

التفاعل العام الذي يحدث أثناء اضمحلال ألفا للذرة يمكن تمثيله على النحو الآتي.

في اضمحلال ، ينطلق إلكترون (أو جسيم بيتا) من النواة. ويصاحب هذا تحوُّل نيوترون في النواة إلى بروتون، وهو ما يؤدي إلى زيادة عدد البروتونات في النواة بمقدار واحد. ينتج عن اضمحلال عدم تغيُّر ؛ لأن إجمالي عدد البروتونات والنيوترونات يظل كما هو.

التفاعل العام الذي يحدث أثناء اضمحلال بيتا () للذرة يمكن توضيحه كالآتي.

في انبعاث البوزيترون، ينبعث بوزيترون من النواة. والبوزيترون جسيمٌ له نفس كتلة الإلكترون، لكن له شحنة مضادة . وخلال هذه العملية، يتحوَّل بروتون في النواة إلى نيوترون. وبما أن عدد البروتونات في النواة يقل بمقدار واحد، إذن يقل بمقدار واحد، لكن لا يتغيَّر.

يمكن التعبير عن التفاعل العام الذي يحدث عندما تتعرَّض ذرة لانبعاث بوزيترون كالآتي.

في الأسر الإلكتروني، تمتص النواة الإلكترون المنخفض الطاقة في الذرة. هذه العملية تحوِّل البروتون إلى نيوترون، وعادةً ما تكون مصحوبة بانبعاث الأشعة السينية. الأسر الإلكتروني له نفس التأثير الإجمالي، مثل انبعاث البوزيترون؛ فكلاهما يؤدي إلى تقليل بمقدار واحد وعدم تغيُّر .

يمكن توضيح التفاعل العام الذي يحدث أثناء الأسر الإلكتروني على النحو الآتي.

في اضمحلال جاما، تنبعث فقط أشعة جاما أو الفوتونات العالية الطاقة. أثناء اضمحلال جاما، تقلِّل النواة المُثارة من طاقتها عن طريق انبعاث الفوتونات. وبما أن الفوتونات ليس لها أي كتلة أو شحنة، فإن هذا النوع من الاضمحلال لا يغيِّر أو .

فيما يلي التفاعل العام لاضمحلال جاما.

هناك أنواع أخرى من الاضمحلال الإشعاعي، مثل انبعاث بروتون، وانبعاث نيوترون، وانبعاث جسيمات أثقل من جسيمات ألفا، لكنها أقل شيوعًا بكثير؛ لذا لن نناقشها بالتفصيل هنا.

يلخِّص الجدول الآتي الأنواع الشائعة من الاضمحلال الإشعاعي.

والآن، بعد أن عرفنا الأنواع المختلفة من الاضمحلال الإشعاعي، علينا أن نحدد النظائر التي ستتأثَّر بكل نوع من أنواع الاضمحلال. يمكننا تحديد ذلك باستخدام نسبة النيوترونات إلى البروتونات.

إذا كانت نسبة النيوترونات إلى البروتونات مرتفعة جدًّا، ممَّا يضع النظير أعلى حزام الاستقرار، فسيكون للذرة عدد كبير جدًّا من النيوترونات لتكون مستقرة. أما الذرات التي تحتوي على عدد كبير جدًّا من النيوترونات لكي تكون مستقرة، فستتعرَّض لاضمحلال ؛ لأن اضمحلال يحوِّل نيوترونًا إلى بروتون، وهو ما يقلِّل نسبة النيوترونات إلى البروتونات.

ويُعَد الكربون-14 مثالًا على ذلك؛ فنسبة النيوترونات إلى البروتونات تساوي تقريبًا. نسبة النيوترونات إلى البروتونات هذه مرتفعة جدًّا؛ لأن الذرات الخفيفة، مثل الكربون-14، يجب أن تكون نسبة النيوترونات إلى البروتونات الخاصة بها قريبة من 1. عندما يضمحل الكربون-14 عن طريق انبعاث بيتا ()، فإنه يتحوَّل إلى النيتروجين-14، وتزداد نسبة النيوترونات إلى البروتونات إلى 1:

إذا كانت نسبة النيوترونات إلى نسبة البروتونات منخفضة جدًّا، وهو ما يضع النظير أسفل حزام الاستقرار، فسيصبح النظير مستقرًّا من خلال انبعاث البوزيترون () أو الأسر الإلكتروني. وهذا سيؤدي إلى زيادة نسبة النيوترونات إلى البروتونات؛ لأن كلتا العمليتين يتم من خلالهما تحويل بروتون إلى نيوترون. انبعاث البوزيترون () هو الأكثر شيوعًا في العناصر الأخف، أما الأسر الإلكتروني فأكثر شيوعًا في العناصر الأثقل.

نسبة النيوترونات إلى البروتونات للكربون-11 تساوي 0.83، وهي تقع أسفل حزام الاستقرار. ويتعرَّض لانبعاث البوزيترون، وهو ما يحوِّله إلى البورون-11، ويؤدي إلى زيادة نسبة النيوترونات إلى البروتونات:

يحدث اضمحلال ألفا عادةً مع العناصر الأثقل التي يكون عددها الكتلي أكبر من 200 تقريبًا. اليورانيوم-238 هو النظير الأكثر شيوعًا لليورانيوم في الطبيعة. يتعرَّض هذا النيوكليد الثقيل إلى اضمحلال ألفا، وهو ما يحوِّله إلى الثوريوم-234:

هذه المعلومات موجزة في التمثيل البياني الآتي. كل منطقة تحيط بحزام الاستقرار مميَّزة بلون وفقًا لنوع الاضمحلال الذي ستتعرَّض له الذرات التي لها هذه النسبة من النيوترونات إلى البروتونات.

لاحظ أن انبعاث جاما غير موضَّح في التمثيل البياني السابق. لا يحدث اضمحلال جاما عادةً بمفرده. ولكن يصاحبه عادةً أنواع أخرى من الاضمحلال الإشعاعي، لا سيما اضمحلال بيتا. ويمكن أن تنبعث فوتونات أخرى عالية الطاقة، مثل الأشعة السينية، خلال التفاعلات النووية أيضًا.

عادةً ما تنبعث الطاقة خلال التفاعلات النووية؛ لأن الكتلة أثناء التفاعل النووي ليست ثابتة تمامًا. في الواقع، هناك تغيُّرات طفيفة في كتلة النيوكليدات المتضمَّنة في التفاعل. ومثلما تخبرنا معادلة أينشتاين الشهيرة: فإن التغيُّرات في الكتلة، مثل التغيُّرات التي تحدث للكتلة أثناء تفاعل نووي، يصاحبها تغيُّرات متناسبة في الطاقة. وهذا التغيُّر في الطاقة ينبعث خلال تفاعل نووي في صورة أشعة جاما أو فوتونات أخرى.