الفيزياء النووية :-
تعد الفيزياء النووية جزءًا من الفيزياء يهتم بدراسة نواة الذرة من حيث خواص الجسيمات الأولية في النواة التي تحوي بروتونات ونيوترونات، ترابطها فيما بينها وتفاعلاتها عند امتصاص جسيمات أولية أخرى من الخارج، بالإضافة إلى تفسير وتصنيف خصائص النواة.
وتسمى النواة الذرية أحيانا نوكليد.
ومعظم التطبيقات المعروفة للفيزياء النووية هي الطاقة النووية والأسلحة النووية، ولكن الأبحاث فتحت المجال أوسع للتطبيقات المختلفة، فمنها في المجال الطبي الطب النووي، والتصوير بالرنين المغناطيسي، وفي مجال علم المواد (زرع الأيونات وعلم الآثار (تحديد العمر باستخدام الكربون المشع .
وقد تطور مجال فيزياء الجسيمات من الفيزياء النووية، ولهذا السبب أدرجت أحيانا تحت نفس المصطلح في أوقات سابقة.
تلعب ثلاثة قوى من القوى الرئيسية الأربعة في الطبيعة دوراً أساسياً في النواة، هذه القوى هي : تآثر قوي وقوة نووية ضعيفة وتآثر كهرومغناطيسي. فالنواة تملك أسباب تماسكها بفضل القوة النووية الشديدة والتي تتم بتبادل جلونات رغم وجود التنافر الكهربي بين الشحنات الموجبة في النواة " البروتونات " وفقاً لقانون كولوم.
* اكتشاف الإلكترون بواسطة (طومسون) كان أول مؤشر على أن للذرة هيكلا داخليا.
ففي مطلع القرن 20 كان النموذج المقبول للذرة من طومسون الذي كانت عنده الذرة عباره عن كرة من الشحنات الموجبة مغروس بداخلهاإلكترونات سالبة.
وفي مطلع القرن العشرين اكتشف الفيزيائيون أيضا ثلاثة أنواع من الإشعاعات تصدر من بعض نظائر الذرات ،و هي :أشعة ألفا وأشعة بيتا، وأشعة جاما.
في الأعوام 1911 - 1914 أجريت تجارب من قبل ليز مايتنر، وأوتو هان، وجيمس تشادويك اكتشف أن أشعة بيتا عبارة عن إلكترونات وترافقها أشعة إكس .
ولكن مجموع طاقة الإلكترون والأشعة السينية لم تعادل الطاقة المفقودة من النواة الذرية عن طريق تحلل بيتا.
وكانت هذه مشكلة بالنسبة للفيزياء النووية في ذلك الوقت.
ثم تبين بعد ذلك أنه يوجد جسيم أولي آخر غير مرئي وهو نيوترينو يقوم بحمل تلك الطاقة الناقصة.
في عام 1905، صاغ البرت اينشتاين قانون تكافؤ المادة والطاقة عند صياغته النظرية النسبية الخاصة، وتبين بعد ذلك أن الاتحاد بين مكونات النواة من بروتونات ونيوترونات يعمل على تخفيض كتلة النواة بسبب الترابط بينهم، ويسمى ذلك الفقد في الطاقة نقص الكتلة، وتخرج تلك الطاقة "الناقصة" من النواة في هيئة إشعاع من أشعة جاما.
* فريق رذرفورد يكتشف النواة :-
في عام 1907 صوب إرنست رذرفورد فيضا من أشعة ألفا وهي أنوية الهيليوم يصدرها عنصر الراديوم صوبها على شريحة رقيقة من الذهب وقام بقياس جسيمات ألفا خلفها، فتبين أن جسيمات ألفا تنفذ بسهولة في الشريحة، كما تتشتت بعضها بزوايا بعيدة عن امتداد الفيض الساقط. وكان ذلك غريبا في ذلك الوقت.
ثم قام رذرفورد بتفسير تلك الظاهرة بأن ذرة الذهب لا بد وأن تكون يكون فيها فراغا كبيرا في داخلها وأن كتلة الذرة تتركز في النواة وتدور حولها على مسافات بعيدة الإلكترونات فيما يسمى الغلاف الإلكتروني للذرة.
وشرح رذرفورد نتائج تجربته أمام الجمعية الملكية للعلوم وما توصل إليه من تفسير بأن الكتلة الذرية تتركز في النواة وأن الذرات يشغلها فضاء كبير وتدور الإلكترونات بعيدا عن النواة حولها.
ذلك التفسير نعرفه بنموذج رذرفورد للذرة ولم يكن النيوترون قد اكتشف في ذلك الوقت.
* الاندماج النووي :-
عندما تتلامس كتلتين صغيرتين مع بعضهما البعض فأنه من الممكن ان يندمجا معا بفعل القوة القوية.
وإنه يأخذ قدرا كبيرا من الطاقة لدفع نويات قريبة بما فيه الكفاية معا من أجل القوة النووية أو القوية ليكون لها تأثير، ولذا فإن عملية الاندماج النووي لا يمكن أن يتم إلا في درجات حرارة عالية أو كثافة عالية.
فعندما تكون النويات قريبة بما فيه الكفاية معاتتغلب القوة القوية على التنافر الكهرومغناطيسي وتسحقهم إلى نواة جديدة.
وتلتحم كمية كبيرة جدا من الطاقة مع بعضها عندما يتم تحرير ضوء نوية لأن الطاقة ملزمة الزيادات لكل نيوكلون مع العدد الكتلى حتى النيكل.
والنجوم مثل شمسنا مدعومة من الانصهار بأربعة بروتونات نواة الهيليوم، وهما اثنين من البروتونات، واثنين من النيوترونات. والاندماج غير المنضبط للهيدروجين مع الهيليوم يعرف ب "الهروب الحرارى ".
هناك أبحاث لإيجاد طريقة مجدية اقتصاديا لاستخدام الطاقة من هذا الاندماج جارى التعرض لها حاليا من قبل المؤسسات البحثية المختلفة.
* الانشطار النووي :-
طبقا لمنحنى طاقة الارتباط تتناقص طاقة الارتباط لكل نوكليون للعناصر الأثقل من النيكل مع زيادة الكتلة الذرية.
ولذلك فمن الممكن، وهذا يحدث لليورانيوم-235 أن تنشطر النواة إلى نصفين عند امتصاصها لنيوترون هل الخارج.
ويعرف هذا التفاعل ب انشطار نووي.
في عملية تحلل ألفا يمكن اعتبارها نوع خاص من الانشطار النووي التلقائى حيث أن جسيم ألفا الصادر عن التحلل ما هو إلا نواة الهيليوم-4.
تصدر بعض الأنوية مثل اليورانيوم-235 عند الانشطار عدد من النيوترونات بين 2 و 3 نيوترونات.
ويمكن لتلك النيوترونات الصادرة أن تـُتمتص من أنوية أخرى من اليورانيوم-235 فتنشطر هي الأخرى إلى قسمين بالإضافة إلى أنطلاق من 2 إلى 3 من النيوترونات.
وقد يستمر هذا التفاعل الانشطاري بتزايد سريع فيما يسمى تفاعل تسلسلي، وتنطلق منه خلال ثانية واحدة أو أقل طاقة هائلة فظيعة، تلك هي فكرة القنبلة الذرية.
وقد استخدمت قنابل الانشطار النووي مثل التي استخدمتها الولايات المتحدة ضد هيروشيما و نجازاكي في نهاية الحرب العالمية الثانية وكان لهما أثر فظيع على البشر والمنشآت . وترويض تلك الطاقة عن طريق ضبط سير التفاعل المتسلسل هو مصدر الطاقة لمحطات الطاقة النووية.
هناك مثال معروف لمفاعل انشطار نووي طبيعي موجود في منطقتين من أوكلو - الجابون - أفريقيا - كان نشيطا منذ أكثر من 1.5 مليار سنة مضت.
تعزى نحو 70 % من حرارة الأرض الباطنية - وهي تصل من 1500 إلى 5000 درجة مئوية بين عمق 100 كيلومتر و6000 كيلومتر - تعزى إلى تحلل العناصر المشعة الموجودة في غلاف الأرض.
تعد الفيزياء النووية جزءًا من الفيزياء يهتم بدراسة نواة الذرة من حيث خواص الجسيمات الأولية في النواة التي تحوي بروتونات ونيوترونات، ترابطها فيما بينها وتفاعلاتها عند امتصاص جسيمات أولية أخرى من الخارج، بالإضافة إلى تفسير وتصنيف خصائص النواة.
وتسمى النواة الذرية أحيانا نوكليد.
ومعظم التطبيقات المعروفة للفيزياء النووية هي الطاقة النووية والأسلحة النووية، ولكن الأبحاث فتحت المجال أوسع للتطبيقات المختلفة، فمنها في المجال الطبي الطب النووي، والتصوير بالرنين المغناطيسي، وفي مجال علم المواد (زرع الأيونات وعلم الآثار (تحديد العمر باستخدام الكربون المشع .
وقد تطور مجال فيزياء الجسيمات من الفيزياء النووية، ولهذا السبب أدرجت أحيانا تحت نفس المصطلح في أوقات سابقة.
تلعب ثلاثة قوى من القوى الرئيسية الأربعة في الطبيعة دوراً أساسياً في النواة، هذه القوى هي : تآثر قوي وقوة نووية ضعيفة وتآثر كهرومغناطيسي. فالنواة تملك أسباب تماسكها بفضل القوة النووية الشديدة والتي تتم بتبادل جلونات رغم وجود التنافر الكهربي بين الشحنات الموجبة في النواة " البروتونات " وفقاً لقانون كولوم.
* اكتشاف الإلكترون بواسطة (طومسون) كان أول مؤشر على أن للذرة هيكلا داخليا.
ففي مطلع القرن 20 كان النموذج المقبول للذرة من طومسون الذي كانت عنده الذرة عباره عن كرة من الشحنات الموجبة مغروس بداخلهاإلكترونات سالبة.
وفي مطلع القرن العشرين اكتشف الفيزيائيون أيضا ثلاثة أنواع من الإشعاعات تصدر من بعض نظائر الذرات ،و هي :أشعة ألفا وأشعة بيتا، وأشعة جاما.
في الأعوام 1911 - 1914 أجريت تجارب من قبل ليز مايتنر، وأوتو هان، وجيمس تشادويك اكتشف أن أشعة بيتا عبارة عن إلكترونات وترافقها أشعة إكس .
ولكن مجموع طاقة الإلكترون والأشعة السينية لم تعادل الطاقة المفقودة من النواة الذرية عن طريق تحلل بيتا.
وكانت هذه مشكلة بالنسبة للفيزياء النووية في ذلك الوقت.
ثم تبين بعد ذلك أنه يوجد جسيم أولي آخر غير مرئي وهو نيوترينو يقوم بحمل تلك الطاقة الناقصة.
في عام 1905، صاغ البرت اينشتاين قانون تكافؤ المادة والطاقة عند صياغته النظرية النسبية الخاصة، وتبين بعد ذلك أن الاتحاد بين مكونات النواة من بروتونات ونيوترونات يعمل على تخفيض كتلة النواة بسبب الترابط بينهم، ويسمى ذلك الفقد في الطاقة نقص الكتلة، وتخرج تلك الطاقة "الناقصة" من النواة في هيئة إشعاع من أشعة جاما.
* فريق رذرفورد يكتشف النواة :-
في عام 1907 صوب إرنست رذرفورد فيضا من أشعة ألفا وهي أنوية الهيليوم يصدرها عنصر الراديوم صوبها على شريحة رقيقة من الذهب وقام بقياس جسيمات ألفا خلفها، فتبين أن جسيمات ألفا تنفذ بسهولة في الشريحة، كما تتشتت بعضها بزوايا بعيدة عن امتداد الفيض الساقط. وكان ذلك غريبا في ذلك الوقت.
ثم قام رذرفورد بتفسير تلك الظاهرة بأن ذرة الذهب لا بد وأن تكون يكون فيها فراغا كبيرا في داخلها وأن كتلة الذرة تتركز في النواة وتدور حولها على مسافات بعيدة الإلكترونات فيما يسمى الغلاف الإلكتروني للذرة.
وشرح رذرفورد نتائج تجربته أمام الجمعية الملكية للعلوم وما توصل إليه من تفسير بأن الكتلة الذرية تتركز في النواة وأن الذرات يشغلها فضاء كبير وتدور الإلكترونات بعيدا عن النواة حولها.
ذلك التفسير نعرفه بنموذج رذرفورد للذرة ولم يكن النيوترون قد اكتشف في ذلك الوقت.
* الاندماج النووي :-
عندما تتلامس كتلتين صغيرتين مع بعضهما البعض فأنه من الممكن ان يندمجا معا بفعل القوة القوية.
وإنه يأخذ قدرا كبيرا من الطاقة لدفع نويات قريبة بما فيه الكفاية معا من أجل القوة النووية أو القوية ليكون لها تأثير، ولذا فإن عملية الاندماج النووي لا يمكن أن يتم إلا في درجات حرارة عالية أو كثافة عالية.
فعندما تكون النويات قريبة بما فيه الكفاية معاتتغلب القوة القوية على التنافر الكهرومغناطيسي وتسحقهم إلى نواة جديدة.
وتلتحم كمية كبيرة جدا من الطاقة مع بعضها عندما يتم تحرير ضوء نوية لأن الطاقة ملزمة الزيادات لكل نيوكلون مع العدد الكتلى حتى النيكل.
والنجوم مثل شمسنا مدعومة من الانصهار بأربعة بروتونات نواة الهيليوم، وهما اثنين من البروتونات، واثنين من النيوترونات. والاندماج غير المنضبط للهيدروجين مع الهيليوم يعرف ب "الهروب الحرارى ".
هناك أبحاث لإيجاد طريقة مجدية اقتصاديا لاستخدام الطاقة من هذا الاندماج جارى التعرض لها حاليا من قبل المؤسسات البحثية المختلفة.
* الانشطار النووي :-
طبقا لمنحنى طاقة الارتباط تتناقص طاقة الارتباط لكل نوكليون للعناصر الأثقل من النيكل مع زيادة الكتلة الذرية.
ولذلك فمن الممكن، وهذا يحدث لليورانيوم-235 أن تنشطر النواة إلى نصفين عند امتصاصها لنيوترون هل الخارج.
ويعرف هذا التفاعل ب انشطار نووي.
في عملية تحلل ألفا يمكن اعتبارها نوع خاص من الانشطار النووي التلقائى حيث أن جسيم ألفا الصادر عن التحلل ما هو إلا نواة الهيليوم-4.
تصدر بعض الأنوية مثل اليورانيوم-235 عند الانشطار عدد من النيوترونات بين 2 و 3 نيوترونات.
ويمكن لتلك النيوترونات الصادرة أن تـُتمتص من أنوية أخرى من اليورانيوم-235 فتنشطر هي الأخرى إلى قسمين بالإضافة إلى أنطلاق من 2 إلى 3 من النيوترونات.
وقد يستمر هذا التفاعل الانشطاري بتزايد سريع فيما يسمى تفاعل تسلسلي، وتنطلق منه خلال ثانية واحدة أو أقل طاقة هائلة فظيعة، تلك هي فكرة القنبلة الذرية.
وقد استخدمت قنابل الانشطار النووي مثل التي استخدمتها الولايات المتحدة ضد هيروشيما و نجازاكي في نهاية الحرب العالمية الثانية وكان لهما أثر فظيع على البشر والمنشآت . وترويض تلك الطاقة عن طريق ضبط سير التفاعل المتسلسل هو مصدر الطاقة لمحطات الطاقة النووية.
هناك مثال معروف لمفاعل انشطار نووي طبيعي موجود في منطقتين من أوكلو - الجابون - أفريقيا - كان نشيطا منذ أكثر من 1.5 مليار سنة مضت.
تعزى نحو 70 % من حرارة الأرض الباطنية - وهي تصل من 1500 إلى 5000 درجة مئوية بين عمق 100 كيلومتر و6000 كيلومتر - تعزى إلى تحلل العناصر المشعة الموجودة في غلاف الأرض.
