التفاعلات النووية

الدرس 3 

التفاعلات النووية

للتفاعلات النووية تطبيقات مهمة في الحياة مثل توليد الطاقة، وإنتاج 

النظائر المشعة التي تستخدم في تشخيص الأمراض وعلاجها، وفي 

كثير من التطبيقات الصناعية. 

التفاعل النووي Nuclear Reaction

• يحدث تفاعلٌ نوويٌّ Nuclear reaction عند اصطدام نواتي ذرتين، أو 

     اصطدام جُسيم نووي مثل البروتون أو النيوترون بنواة ذرة أخرى، 
   وقد ينتج عن ذلك نواة جديدة أو أكثر.

•  لإحداث تفاعل نووي بين جُسيم ونواة، تقذف النواة بذلك الجسيم 

   وعندما يقترب منها مسافة كافية، يبدأ عندها تأثير القوة النوويّة.

• يمكن التعبير عن التفاعل النووي بالصورة الآتية:

$\mathit{a}\mathbf{+}\mathit{X}\mathbf{\to }\mathit{b}\mathbf{+}\mathit{Y}$

 حيث يُسمّى الجسيم (a) القذيفة Projectile، في حين تُسمى($X$) النواة
 الهدف Target، و (b)الجُسيم الناتج من التفاعل النووي، وتسمى النواة

 ($Y$) النواة الناتجة.

• في بعض التفاعلات النووية، تمتصّ النواة الهدف القذيفةَ لتشكل

   نواة مركّبة (Compound nucleus(CN والتي لا تلبث أن تضمحلّ لتعطي
    نوى وجسيمات من الممكن أن تختلف عن تلك الداخلة في التفاعل.

• من الأمثلة على التفاعلات النووية، ما قام به رذرفورد عام 1919 عندما

   قذف نواة النيتروجين(${}_7{}^{14}N$) بجسيم ألفا($\alpha$) ونتج عن ذلك تحرر بروتون 

   على النحو الآتي:

${}_2{}^{4}He+{}_7{}^{14}N \to {}_9{}^{18}F\to {}_8{}^{17}O+{}_1{}^{1}p$

  لقد بدأ هذا التفاعل بتفاعل نواة النيتروجين(${}_7{}^{14}N$)المستقرة مع جسيم  

  ألفا ($\alpha$) لتكوين نواة مركّبة وهي نظير الفلور $\left({}_9{}^{18}F\right)$ غير المستقر والتي 

  لا تلبث أن تضمحلّ لينتج عنها نواة مستقرة$\left({}_8{}^{17}O\right)$ وبروتون.

• من الأمثلة الأخرى على القذائف النووية، البروتونات ونواة الديتيريوم، 

    والنيوترونات. إنّ شحنة جسيمات ألفا والبروتونات موجبة، لذا تُسرَّع 

     حتى تمتلك طاقة حركيّة كافية تُمكّنها من  التغلب على قوة التنافر
     الكهربائية مع النواة الهدف. أمّا النيوترونات لكونها متعادلة كهربائيًّا،
      فلا تتأثر بقوة تنافر كهربائية؛ لذا تُعدّ من القذائف المهمّة في إنتاج

     النظائر المشعّة، التي تُستخدم في العديد من مجالات الحياة.

حساب طاقة التفاعل النووي (Q)

يرمز إلى الطاقة الممتَصّة أو المتحرّرة من التفاعل بالرمز(Q)، وتحسب 
من الفرق في الكتلة بين كتل النوى والجسيمات الداخلة في التفاعل
وتلك الناتجة عنه، باستخدام العلاقة الآتية:

$\mathit{Q}\mathit{=}\mathit{[}{\mathit{m}}_{\mathit{a}}\mathit{+}{\mathit{m}}_{\mathit{X}}\mathit{ }\mathit{-}\left(m_b+m_Y\right)\mathit{]}\mathit{\times }\mathit{931}\mathit{.}\mathit{5}$

إذا كانت قيمة (Q) موجبة يكون التفاعل منتجًا للطاقة Exoergic، وإذا كانت
قيمة (Q) سالبة يكون التفاعل ماصًّا للطاقة Endoergic.

أفكر 

لماذا يحتاج البروتون إلى طاقة أكبر من النيوترون 
ليقترب من النواة ويحدث تفاعلاً نووياً؟

النيوترون متعادل الشحنة، بينما البروتون موجب

الشحنة،لذا يتأثر البروتون بقوة تنافر كهربائي أثناء

اقترابه من النواة؛ لذلك يحتاج إلى طاقة أكبر 

للتغلب على قوة التنافر الكهربائية.
 

أفكر 

في التفاعلات النووية يتم تسريع القذيفة  وتوجيهها نحو النواة الهدف.
فما المجالات المستخدَمة في تسريع القذيفة وتوجيهها نحو النواة
الهدف؟ ومادور كلٍّ منها؟

يستخدم المجال الكهربائي في تسريع القذائف المشحونة،

ويستخدم المجال المغناطيسي في توجيهها.

الانشطار النووي Nuclear Fission
الانشطار النووي Nuclear fission عبارة عن انقسام

نواة ثقيلة لنواتين أو أكثر، أصغر منها في الكتلة.
والنوى الأكثر قابلية للانشطار هي النوى الثقيلة التي

تقع على يمين المنحنى الموضَّح في الشكل .

فمثلاً، عند قذف نواة (${}_{92}{}^{235}U$) بنيوترون بطيء تنشطر إلى نواتين، هما:(${}_{56}{}^{141}Ba$) و (${}_{36}{}^{92}Kr$) وينتج كذلك (3) نيوترونات، ويمكن التعبير عن هذا الانشطار  بالمعادلة النووية الآتية: 

${}_{\mathit{0}}{}^{\mathit{1}}\mathit{n}\mathit{+}{}_{\mathit{92}}{}^{\mathit{235}}\mathit{U}\mathit{\to }{}_{\mathit{92}}{}^{\mathit{236}}\mathit{U}^{\mathit{*}}\mathit{ }\mathit{\to }\mathit{ }{}_{\mathit{56}}{}^{\mathit{141}}\mathit{B}\mathit{a}\mathit{+}{}_{\mathit{36}}{}^{\mathit{92}}\mathit{K}\mathit{r}\mathit{+}\mathit{3}{}_{\mathit{0}}{}^{\mathit{1}}\mathit{n}$

حيث نواة(${}_{92}{}^{236}U^{*}$) المثارة تمثل النواة المركّبة في هذا التفاعل.

وتمتلك النوى الناتجة من هذا الانشطار طاقات ربط نووية لكل نيوكليون أكبر  من النواة الأم ،على نحو ما هو مبيَّن في الجدول المجاور، ويصاحب ذلك نقص في الكتلة يتحوّل إلى طاقة.

وتكمن أهميّة هذا التفاعل في الطاقة الكبيرة  المتحرّرة منه، حيث إنّ انشطار  كلّ نواة ينتج عنه

طاقة تساوي(200MeV) تقريبًا، أو ما يعادل              ($3.2\times {10}^{-11}\mathrm{J}$)أمّا الطاقة الناتجة عن انشطار 1Kg 

فتساوي$\left(82\times {10}^{12} \mathrm{J}\right)$وتكفي لتزويد  نحو(45) ألف منزل تقريبًا مدة شهر، يستهلك كلٌّ منها طاقة كهربائية بمقدار (500KWh) .  

 الطاقة الناتجة عن تفاعل الانشطار

التفاعل المتسلسل Chain reaction

تنبعث نيوترونات نتيجة انشطار نواة نظير اليورانيوم (${}_{92}{}^{235}U$)، وهذه 

النيوترونات قد تمتصها نواة (${}_{92}{}^{235}U$) أخرى التي بدورها تنشطر، وتُنتج 

نيوترونات جديدة قد  تمتصّها نوى يورانيوم أخرى، وهذا ما يُسمّى 

تفاعلاً متسلسلاً Chain reaction.

تخصيب اليورانيوم 

كي يكون التفاعل المتسلسل ممكناً من الناحية   

العمليّة يجب توافر أمور عدّة أهمّها، توافر اليورانيوم

المخصّب Enriched uranium. حيث يحتوي اليورانيوم

الخام على(%0.7)تقريبا من (${}_{92}{}^{235}U$)المستخدم في 
التفاعل المتسلسل، ونحو(%99.27) تقريبا من 

 (${}_{92}{}^{238}U$)، ونسبة قليلة جدا من نظائر  أخرى. 

ونظرا إلى أن نسبة (${}_{92}{}^{235}U$) قليلة لذا يجب معالجة

اليورانيوم الخام لزيادة نسبة النظير (${}_{92}{}^{235}U$) الذي 

يُستخدم في الوقود النووي.وتسمى العملية التي تزاد

فيها نسبة (${}_{92}{}^{235}U$) تسمى التخصيب Enrichment. 

يحتوي اليورانيوم الخام على نسبة

 قليلة من (${}_{92}{}^{235}U$) المستخدم في

 التفاعل المتسلسل.

 معالجة اليورانيوم الخام  لزيادة نسبة (${}_{92}{}^{235}U$) واستخدامه كوقود نووي. 

الكتلة الحرجة 

إضافة إلى ما سبق، يجب توفير الحدّ الأدنى من الكتلة

التي تضمن استمرار حدوث التفاعل، وتسمى الكتلة

الحرجة Critical mass وهي أقلّ كتلة من الوقود 

النووي تضمن استمرار حدوث التفاعل المتسلسل،
وتضمن عدم تسرّب النيوترونات خارجه.

       الكتلة الحرجة                    أقل من الكتلة الحرجة
    

استخدام كتلة أقل من الحرجة يؤدي إلى تسرب النيوترونات إلى 

الخارج.

مثال

أحسب الطاقة Q الناتجة من تفاعل الانشطار الآتي:

${}_0{}^{1}n+{}_{92}{}^{235}U\to {}_{92}{}^{236} U*\to {}_{56}{}^{141}Ba+{}_{36}{}^{92}Kr+3{}_0{}^{1}n$

حيث كتل النوى مُعطاة في الجدول الآتي:

المُعطيات : الكتل في الجدول

المطلوب: $Q=?$

الحل: 

$$\begin{gathered} Q=\left[m_a+m_X-\left(m_b+m_Y\right)\right]\times 931.5 \\ =1.0087+234.9934-\left(3\times 1.0087+140.8840+91.9064\right)\times 931.5 \\ =0.1856\times 931.5=172.9 \mathrm{MeV} \end{gathered}$$

المفاعل النوويّ Nuclear Reactors
يُسمّى النظام الذي يهيّئ الظروف المناسبة لاستمرار حدوث التفاعل
المتسلسل والسيطرة عليه بالمفاعل النووي. ويبيّن الشكل الأجزاء 
الرئيسة لمفاعل نووي يَستخدم الماء في عملية التبريد، يُسمّى
مفاعل الماء المضغوط .Pressurized water reactor

ويتكوّن المفاعل النووي الموضَّح في الشكل من الأجزاء الأساسية الآتية:

1.الوقود النوويّ Nuclear fuel : تكون مادّة الوقود 

النوويّ على الغالب من اليورانيوم المخصّب، حيث
تُعَدّ على شكل أقراص يوضع بعضها فوق بعض
في أنابيب طويلة لتشكيل قضبان الوقود النووي،

على نحو ما يوضّح الشكل.

2. قضبان التحكّم Control roads: تُصنع من موادّ 

لديها مقدرة عالية على امتصاص النيوترونات مثل،
 الكادميوم - 113،الكادميوم - 113، والبورون - 10. 

فعند إدخال عدد مناسب منها بين حزم الوقود 
النووي  تمتص بعضًا من  النيوترونات ما يؤدي إلى

 إبطاء التفاعل المتسلسل، وبذلك يتم  التحكم
في الطاقة الناتجة من المفاعل.

3.الموادّ المُهدّئة Moderators :هي موادّ ذات أعداد 

كتلية صغيرة، مثل:الماء الثقيل، والماء العادي، 
والغرافيت.وتبطّئ الموادّ المهدّئة النيوترونات 

 الناتجة من الانشطار؛  لتتمكّن من إحداث تفاعلات
 انشطارية جديدة. علمًا أن احتمالية انشطار نواة

اليورانيوم (${}_{92}{}^{235}U$) تزداد كلما كانت الطاقة الحركية 

للنيوترونات الممتصَّة أقل.

4.نظام التبريد Cooling system :تُستخدم أبراج تبريد

تُزوِّد المفاعل والمكثّف الماء البارد باستمرار؛ لتبريد
المفاعل النووي. 

5. مولّد بخار الماء Steam generator :يُحوِّل الماءَ

الساخن والمضغوط القادم من قلب المفاعل 
إلى بخار ماء يُستخدم في إدارة توربينات متّصلة
بمولّدات كهربائية لتوليد الطاقة الكهربائيّة.

قضبان الوقود النووي تكون على

شكل أقراص فوق بعضها في 

أنابيب طويلة.

عند إدخال  قضبان التحكم بين

حزم الوقود فإنها تمتص بعضا  

من النيوترونات، فتعمل على 

إبطاء التفاعل المتسلسل. 

أبراج التبريد يتصاعد منها بخار 

الماء. 

الربط بالفضاء

مكّنت التكنولوجيا النووية في إنتاج الطاقة،     
العلماء من استكشاف الفضاء بدقة؛ إذ 
تُستخدم الطاقة الناتجة عن البلوتونيوم 
لتوليد الكهرباء في مولّدات المركبات
الفضائية، مثل المركبة الفضائية فويجار 1 
التي أُطلقت عام 1977 لدراسة النظام 
الشمسي الخارجي والتي ما زالت ترسل 
بيانات  إلى يومنا هذا. 

الاندماج النووي Nuclear Fusion

يُسمّى التفاعل الذي تندمج فيه نواتان خفيفتان 

لتكوين نواة كتلتها أقلّ من مجموع كتلتي النواتين
المندمجتين، ولها طاقة ربط نووية لكل نيوكليون
أكبر ممّا لهما،بتفاعل الاندماج النووي 

Nuclear fusion.و يحدث الاندماج النووي للنوى 

الخفيفة في المنطقة اليسرى من المنحنى المبين

في الشكل المجاور. 

مثلا قد تندمج نواتا نظيري الهيدروجين؛الديتيريوم

(${}_1{}^{2}H$) والتريتيوم (${}_1{}^{3}H$)لتكوين نواة الهيليوم (${}_2{}^{4}He$ ) ونيوترون على نحو ما هو مُبيَّن في الشكل. 

ويوضح الجدول المجاور طاقة الربط النووية لكل نيوكليون لكلٍّ منها. حيث يُلاحَظ من الجدول أنّ اندماج نواتي الديتريروم والتريتيوم نتج عنه نواة

(${}_2{}^{4}He$)،ذات طاقة ربط نووية لكل نيوكليون أكبر منها لنواتي الديتيريوم والتريتيوم. ويصاحب عملية الاندماج نقص في الكتلة ينتج عنه تحرّر طاقة كبيرة.

  من الأمثلة على تفاعلات الاندماج النووي :

$$\begin{gathered} {}_1{}^2 H+{}_1{}^{3}H\to {}_2{}^{4}He+{}_0{}^{1}n \\ {}_1{}^1 H+{}_1{}^{1}H\to {}_1{}^{2}H+{}_{+1}{}^{0}e +\nu \\ {}_1{}^1 H+{}_1{}^{2}H\to {}_2{}^{3}He+\gamma \end{gathered}$$ 

مثل هذه التفاعلات النوويّة هي مصدر الطاقة التي تصلنا من الشمس، وتحتاج إلى درجات حرارة عالية جدًّا حتى تحدث؛ لذا تُسمّى هذه التفاعلات
التفاعلاتِ النوويّةَ الحراريّةَ Thermonuclear fusion reactions. إن درجة الحرارة العالية تزوّد
النواتين بطاقة حركيّة كبيرة كافية للتغلّب على قوة التنافر الكهربائيّة بين النواتين عند اقترابهما
من بعض لمسافة تبدأ عندها القوة النوويّة 
بالتأثير.

وعلى الرغم من صعوبة إجراء تفاعل الاندماج النووي، فهناك أبحاث جارية للتغلب على تلك 
الصعوبات، وذلك للاستفادة من الطاقة الكبيرة التي يمكن الحصول عليها دون إنتاج نوى مشعة
على نحو ما يحدث في مفاعلات الانشطار النووي.

مثال 

أجد طاقة التفاعل Q لتفاعل الاندماج الآتي:

${}_1{}^{1}H+{}_1{}^{2}H\to {}_2{}^{3}He+\gamma$

حيث كتل النوى المعطاة في الجدول الآتي بوحدة(amu)

المعطيات: الكتل في الجدول  

المطلوب:$Q=?$

الحل: 

$$\begin{gathered} Q=\left[m_a+m_X-\left(m_b+m_Y\right)\right]\times 931.5 \\ =\left[1.0073+2.0136-3.0149\right]\times 931.5 \\ = 0.006\times 931.5=5.6 \mathrm{MeV} \end{gathered}$$

تطبيقات على الفيزياء النووية 

Applications of Nuclear Physics
للفيزياء النووية تطبيقات عدّة في مختلف نواحي الحياة منها

التعقب Tracing 

تتكونُ المُتعقّبات من نظائر مشعّة  تُحقن في الجسم للكشف عن خلل 

وظيفي في أحد أعضائه. فمثلا  يُستخدم اليود - 131 المشع للكشف عن
خلل في عمل الغدة الدرقية، حيث يشربُ المريضُ كمية قليلة من محلول

يوديد الصوديوم المشع، ويتم تشخيص الخلل في عمل الغدة الدرقية
بمعرفة كمية اليود المشع المتبقة فيها مع مرور الزمن.

ومن التطبيقات الطبية الأخرى حقن وريد في القدم بسائل يحتوي على
الصوديوم المشع، وقياس الزمن اللازم حتى يصل السائل المشع إلى

عضو معين في الجسم، وذلك باستخدام جهاز للكشف عن الإشعاع. 

ومن الزمن المقاس يُمكّن معرفة ما إذا كان هناك تضيُّق أو انسداد في  

الأوردة أو الشرايين. 

في التطبيقات الطبية يتم

تعريض المريض إلى 

جرعات إشعاعية متدنية

ومحسوبة بدقة لا تؤثر 

سلبا فيه.  

الربط بالتكنولوجيا

افتُتح المفاعل النوويّ الأردنيّ للبحوث
والتدريب برعاية ملكية سامية عام 2016م
في جامعة العلوم والتكنولوجيا في مدينة
 إربد، حيث يعمل بقدرة($5\mathrm{MV}$) قابلة

للزيادة إلى($10\mathrm{MV}$)ويُستخدم هذا المفاعل

في أغراض عدّة، منها:
البحث العلميّ، وإنتاج النظائر المشعة 
للاستخدامات الطبية، إضافة إلى التدريب
والتأهيل على التكنولوجيا الإشعاعية

والنوويّة.