- يحدث تفاعلٌ نوويٌّ عند اصطدام نواتي ذرتين، أو اصطدام جُسيم نووي مثل،
البروتون أو النيوترون بنواة ذرة أخرى، وقد ينتج عن ذلك نواة جديدة أو أكثر. ويعد تفاعلا الإنشطار والاندماج من الأمثلة على التفاعلات النووية.
- لإحداث تفاعل نووي، تقذفُ النواةُ الهدف بجسيم يسمى قذيفة.وعندما
تقترب القذيفة من الهدلف مسافة كافية، يبدأ عندها تأثير القوة النووية، فتمتصّ النواة الهدف القذيفةَ لتشكل نواة مركبة ( Compound nucleus (CN،
ما تلبث أن تضمحلّ لتعطي نوى وجسيمات تختلف عن تلك الداخلة في
التفاعل ويعبر عن التفاعل النووي بالصورة الآتية:
- من الأمثلة على القذائف النووية، جسيمات ألفا و البروتونات ونواة الديتيريوم،
والنيوترونات. ولأن شحنة جسيمات ألفا والبروتونات موجبة، لذا تُسرّع
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؛ لذ ا تُعدّ من القذائف المهمّة في إنتاج النظائر المشعّة.
- تحسب الطاقة الممتَصّة أو المتحرّرة من التفاعل ( Q) من الفرق في الكتلة
بين كتل النوى والجسيمات الداخلة في التفاعل وتلك الناتجة عنه، باستخدام
العلاقة الآتية: ، فإذا كانت قيمة (Q) موجبة كان التفاعل منتجا للطاقة، وإذا كانت قيمة (Q) سالبة كان التفاعل ماصا للطاقة.
- الانشطار النووي عبارة عن انقسام نواة ثقيلة لنواتين أو أكثر، أصغر منها في الكتلة، فمثلا عند قذف نواة () بنيوترون بطيئ تنشطر إلى نواتي () و () وينتج (3) نيوترونات. وتمتلك النوى الناتجة من هذا الانشطار طاقات ربط نووية لكل نيوكليون أكبر من النواة الأم، ويصاحب ذلك نقص في الكتلة يتحوّل إلى طاقة. وتكمن أهمية هذا التفاعل في الطاقة الكبيرة المتحررة منه.
- تنبعث نيوترونات نتيجة انشطار نواة اليورانيوم ، وهذه النيوترونات قد تمتصها نوى أخرى، وتُنتج نيوترونات جديدة قد تمتصها نوى أخرى، ...وهذا ما يُسمّى تفاعلاً متسلسلاً.
- كي يكون التفاعل المتسلسل ممكناً من الناحية العمليّة يجب توافر أمور
عدّة أهمّها: توافر اليورانيوم المخصّب. حيث يحتوي اليورانيوم الخام على نسبة (0.7%) فقط من اليورانيوم ()؛ الذي يستخدم كوقود نووي. لذا يجب معالجة اليورانيوم الخام لزيادة نسبة ()، وتسمى هذه العملية تخصيب اليورانيوم. كذلك يجب توفير ما يعرف بالكتلة الحرجة وهي الحد الأدنى من كتلة الوقود النووي التي تضمن استمرار حدوث التفاعل، وتضمن عدم تسرّب النيوترونات خارج كتلة الوقود النووي. - يُسمّى النظام الذي يهيّئ الظروف المناسبة لاستمرار حدوث التفاعل
المتسلسل والسيطرة عليه بالمفاعل النووي ومن الأمثلة عليه مفاعل الماء المضغوط ويتكون من الأجزاء الرئيسة الآتية:
1.الوقود النوويّ: يتكون من اليورانيوم المخصّب، حيث تُعَدّ على شكل أقراص يوضع بعضها فوق بعض في أنابيب طويلة .
2. قضبان التحكّم: تُصنع من موادّ لديها مقدرة عالية على امتصاص النيوترونات مثل، 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.المواد المهدئة: موادّ ذات أعداد كتلية صغيرة، مثل:الماء الثقيل، والماء العادي، والغرافيت. تعمل المواد المهدئة على إبطاء النيوترونات الناتجة من الانشطار؛ لتتمكن من إحداث تفاعلات انشطارية جديدة؛ لأن إحتماليّة انشطار نواة اليورانيوم تزداد كلما كانت الطاقة الحركية للنيوترونات الممتصة أقل.
4: نظام التبريد: أبراج تبريد تُزوِّد المفاعل والمكثّف بالماء البارد باستمرار لتبريد المفاعل.
5.مولد بخار الماء: يُحوِّل الماءَ الساخن والمضغوط القادم من قلب المفاعل إلى بخار ماء يُستخدم في إدارة توربينات متّصلة بمولّدات كهربائية لتوليد الطاقة الكهربائيّة.
- 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. فمثلا قد تندمج نواتا نظير الهيدروجين الديتيريوم() والتريتيوم() لتكون نواة الهيليوم()؛ التي لها طاقة ربط لكل نيوكليون أكبر من أي منهما، ويصاحب عملية الاندماج نقص في الكتلة ينتج عنه تحرّر طاقة كبيرة.
- تفاعلات الاندماج النووي هي مصدر الطاقة التي تصلنا من الشمس،
وتحتاج إلى درجات حرارة عالية جدًّا حتى تحدث؛ لذا تُسمّى هذه التفاعلات
التفاعلاتِ النوويّةَ الحراريّةَ. إنّ درجة الحرارة العالية تزود النواتين بطاقة
حركيّة كبيرة كافية للتغلّب على قوة التنافر الكهربائية بينهما عند اقترابهما
من بعض لتبدأ عندها القوة النوويّة بالتأثير.
- على 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 مشعّة على نحو ما يحدث في مفاعلات
الانشطار النووي.
للفيزياء النووية تطبيقات عدّة في مختلف نواحي الحياة منها:
1. التعقب: تتكونُ المُتعقّبات من نظائر مشعّة تُحقن في الجسم للكشف عن خلل وظيفي في أحد أعضائه. فمثلا لتشخيص الخلل في عمل الغدة الدرقية يشربُ المريضُ كمية قليلة من محلول يوديد الصوديوم المشع، ويتم تشخيص المرض بمعرفة كمية اليود المشع المتبقة فيها مع مرور الزمن. كذلك يمكن
حقن وريد في القدم بسائل يحتوي على الصوديوم المشع، وبمعرفة الزمن اللازم حتى يصل السائل المشع إلى عضو معين في الجسم، يُمكّن معرفة ما إذا كان هناك تضيُّق أو انسداد في الأوردة أو لاشرايين. وفي التطبيقات الطبية يتم تعريض المريض لجرعات إشعاعية محسوبة بدقة بحيث لا تؤثر سلبًا فيه.
2. العلاج بالإشعاع: استخدام الأشعة النووية لقتل الخلايا السرطانية، إذ تنقسم الخلايا السرطانية بسرعة كبيرة، والإشعاعات والإشعاعات الناتجة عن النظائر المشعة فعالة في قتلها. فمثلا يستخدم نظير اليود- 131 المشع في
علاج سرطان الغدة الدرقية، كما يستخدم الكوبالت- 60 في علاج سرطان الحنجرة.
3. تحليل المواد: يمكنُ تحديدُ العناصر التي تُكوّن عينة معينة بطرق كيميائية، وهذا عادة يتطلب استخدام كمية كبيرة نسبيًّا من تلك العينة. يمكن التغلب على ذلك بقذف كمية قليلة من العينة المراد معرفة تركيبها بالنيوترونات،
ما يؤدي إلى تحول العناصر التي امتصت النيوترونات إلى عناصر مشعة،
ويتم تحديد هوية تلك العناصر بالكشف عن نوع الإشعاعات الصادرة عن العينة المشعّة وقياس طاقتها.
4. حفظ المواد الغذائية: للأشعة النووية قدرة على تعطيل عمل البكتيريا و قتلها. لذلك يتم تعريض المواد الغذائية المراد تخزينها فترات طويلة لأشعة غاما أو حزم من الإلكترونات ذات طاقة مرتفعة لقتل البكتيريا، ومن ثمّ تُحفظ في عبوات مغلقة لمنع وصول بكتيرياجديدة إليها.