التناقص الإشعاعي/استقرار وعدم استقرار النواة

استقرار وعدم استقرار النواة

تذكير بتركيب النواة

تتكون نواة ذرة من نوترونات وبروتونات تُسمى نُوَيَّات.

يُرمز إلى عدد النويات بالحرف $A$ ويسمى عدد الكتلة، وإلى عدد البروتونات بالحرف $Z$ ويُسمى عدد الشحنة.

أما عدد النوترونات فيُرمز إليه بالحرف $N$ حيث: $N=A-Z$

نواة ذرة

تمثل نواة ذرة لعنصر كيميائي $X$ بالرمز ${\ce {^{A}_{Z}X}}$

مثال: ${\ce {^{35}_{17}Cl}}$ هو رمز نواة الكلور، وتحتوي على 17 بروتونا و 35-17=18 نوترونا.

النويدات

تعريف النويدة

في الفيزياء الذرية، يُطلق اسم النويدة على مجموعة من النوى تتميز بعدد معين من النوترونات ومن البروتونات.

إن لنواة نويدة نفس عدد الكتلة ونفس عدد الشحنة.

نَعْرف نويدة بكيفية تامة بإعطاء $A$ و $Z$ ، فكتب ${\ce {^{A}_{Z}X}}$

أمثلة:

• نويدتان لعنصر الكربون: ${\ce {^{12}_{6}C}}$ و ${\ce {^{14}_{6}C}}$
• نودتان لعنصر الأورانيوم: ${\ce {^{235}_{92}U}}$ و ${\ce {^{238}_{92}U}}$

النظائرية

يوجد في الطبيعة 90 عنصرا كيميائيا.

ونعرف في الوقت الراهن ما يُقارب 1500 نويدة مختلفة، 350 منها طبيعية.

ويرجع هذا لكون أن نفس العنصر الكيميائي يمكن أن تقابله عدة نويدات تختلف في ما بينها من حيث عدد النوترونات.

تُسمى هذه النويدات نظائر، وهي تتوفر على نفس عدد الشحنة $Z$ وتختلف من حيث عدد الكتلة $A$.

تعريف

النظائر نويدات تحتوي على نفس عدد البروتونات (نفس $Z$) وتختلف من حيث عدد النوترونات (تختلف من حيث $A$).

مثال: ${\ce {^{12}_{6}C}}$ و ${\ce {^{14}_{6}C}}$ نظيران لعنصر الكربون.

بالنسبة لخليط طبيعي كتلته $m$ يتكون من نظائر عنصر ما، تُعَرَّف الوفارة $\theta _{i}$ لنظير $i$ كتلته $m_{i}$ في هذا الخليط بالعلاقة $m=\sum _{i}m_{i}\theta _{i}$ ، ويُعَبَّر عنها بالنسبة المائوية.

يُعطي الجدول التالي الوفارة الطبيعية لبعض النظائر:

أمثلة لنظائر ووفارتها في الطبيعة

العنصر	النظائر	الوفارة الطبيعية (%)
الأوكسجين	${\ce {^{16}_{8}O}}$	99.759
	${\ce {^{17}_{8}O}}$	0.037
	${\ce {^{18}_{8}O}}$	0.204
اليورانيوم	${\ce {^{238}_{92}U}}$	99.276
	${\ce {^{235}_{92}U}}$	0.718
	${\ce {^{234}_{92}U}}$	0.006
الكربون	${\ce {^{12}_{6}C}}$	99.9999
	${\ce {^{14}_{6}C}}$	0.0001

كثافة المادة النووية

تُبَيِّن التجارب النووية أنه يمكن نمذجة النواة بكُرَيَّة شعاعها $r$ يتعلق بعدد الكتلة $A$ وفق العلاقة:

$r=r_{0}A^{1/3}$ مع $r_{0}=1.2\times 10^{-15}{\text{m}}$

القيمة التقريبية للكتلة الحجمية للنواة هي: $\rho ={\frac {mA}{{\frac {4}{3}}\pi r^{3}}}={\frac {3mA}{4\pi {r_{0}}^{3}A}}={\frac {3m}{4\pi {r_{0}}^{3}}}$

إذا كانت الكتلة التقريبية لنوية هي $m\approx 1.7\times 10^{-27}{\text{kg}}$ ، نجد الكتلة الحجمية $\rho \approx 2\times 10^{17}{\text{ kg.m}}^{-3}$

أي $\rho \approx 2\times 10^{8}{\text{ tonne/cm}}^{-3}$ ، وهي قيمة جد مرتفعة: حيث أن مكعب ضلعه $1{\text{ cm}}$ من المادة النووية تبلغ كتلته 200 مليون طن.

خاصية

المادة النووية شديدة الكثافة.

ملحوظة: تتوفر بعض النجوم على كتلة حجمية مماثلة للكتلة الحجمية النووية، وتسمى هذه النجوم النجوم النوترونية. ويُعزى توفر هذه النجوم على كتل حجمية هائلة إلى كونها مكونة من نوترونات فقك.

النشاط الإشعاعي

تعريف

النشاط الإشعاعي تحول طبيعي تلقائي، وغير مرتقب في الزمن، تتحول خلاله نواة غير مستقرة إلى نواة أخرى أو إلى حالة إثارة أقل طاقة.

وتُسمى النواة غير المستقرة "نواة مشعة" أو "نواة إشعاعية النشاط"، والدقائق المنبعثة "إشعاعات نشيطة".

مخطط (N,Z) :مخطط سيغري Segrè

مخطط سيغري Segrè

يمكن للنوى غير المستقرة، أي الإشعاعية النشاط، أن تتفتت فيتغير عدد كتلتها $A$ أو\و عدد شحنتها $Z$.

ويبين مخطط سيغري، أو مخطط (N,Z)، مواقع النوى المستقرة والنوى المشعة، وتُمَثَّلُ كل نواة بمربع صغير.

منطقة الاستقرار

يحتوي المخطط (N,Z) على منطقة وُسطى تسمى منطقة الاستقرار، وتضم النوى المستقرة.

• بالنسبة ل $Z<20$ : تلتقي منطقة الاستقرار مع المستقيم ذي المعادلة $Z=N$ ، مما يدل على أن هذه النوى المستقرة تملك عدد بروتونات مساوٍ لعدد النوترونات، ويحقق عدد الكتلة $A$ لهذه النوى تقريبا العلاقة: $A\approx 2Z$

خاصية

تحتفظ نوى العناصر الخفيفة المستقرة بعدد متساو تقريبا من النوترونات والبروتونات.

• بالنسبة ل $Z>20$ : تكون منطقة الاستقرار فوق المستقيم ذي المعادلة $Z=N$ ، ويكون عدد النوترونات $N$ أكبر من عدد البروتونات $Z$، مما يد ل على أن استقرار النواة في هذه الحالة لا يمكن أن يحصل إلا إذا كان عدد النوترونات أكبر من عدد البروتونات. أما النسبة ${\frac {A}{Z}}$ فإنها تكبر لتقارب القيمة 2.5 بالنسبة للنوى الثقيلة.

الأنواع الأساسية للأنشطة الإشعاعية

النوى الموجودة خارج منطقة الاستقرار نوى غير مستقرة، وتنقسم حسب موقعها بالنسبة لمنطقة الاستقرار إلى ثلاثة أنواع:

• نوى ثقيلة ($N$ و $Z$ كبيران): وهي تحتوي على عدد كبير من النويات، ولكي تقترب من منطقة الاستقرار فإنها تتفتت باعثة نوى الهيليوم ${\ce {^{4}_{2}He}}$ . تسمى هذه الأخيرة دقائق $\alpha$. نقول إن هذه النوى الثقيلة إشعاعية النشاط $\alpha$.
• نوى تقع فوق منطقة الاستقرار: وهي تحتوى على فائض عدد النوترونات مقارنة مع نوى الاستقرار. وتتفتت هذه النوى باعثة إلكترونات، تسمى دقائق $\beta ^{-}$. نقول إن هذه النوى إشعاعية النشاط $\beta ^{-}$.
• نوى تقع تحت منطقة الاستقرار: وهي تحتوى على فائض عدد البروتونات مقارنة مع نوى الاستقرار. وتتفتت هذه النوى باعثة بوزيترونات، تسمى دقائق $\beta ^{+}$. نقول إن هذه النوى إشعاعية النشاط $\beta ^{-}$.