الفيزياء النووية

موضوع: الفيزياء النووية 2010-05-13, 16:11

الفيزياء النووية

تعنى بدراسة تركيب وخصائص النواة الذرية, وتركز بصفة خاصة على النشاط الإشعاعي والانشطار والاندماج. والنشاط الإشعاعي عو العملية التي بموجبها تطلق بعض النوى تلقائياً جسيمات عالية الطاقة أو أشعة. وتستخدم المواد المشعة لعلاج السرطان ولتشخيص الأمراض ولمتابعة العمليات الكيميائية والفيزيائية.
والانشطار هو عملية انقسام النواة الذرية إلى جزءين متساويين تقريباً مع إطلاق قدر هائل من الطاقة. ومن الانشطار تأتي طاقة القنابل الذرية والمفاعلات النووية.
أما الاندماج فهو عملية التحام نواتي ذرتين لتكونا نواة عنصر أثقل, ويحدث بالدرجة الأولى في حالة الهيدروجين والعناصر الخفيفة الأخرى. وتنتج عملية الاندماج, التي تطلق أكبر من طاقة الانشطار, طاقة القنبلة الهيدروجينية.

القدرة

إذا قام بأحد العمال مثلاً برفع عدد من أكياس الإسمنت إلى سطح عمارة في زمن معين، وقام عامل ثانٍ برفع العدد نفسه من الأكياس في زمن أقل، نقول إن العامل الثاني أقدر على انجاز الشغل من العامل الأول، لأنه أنجز الشغل المطلوب في زمن أقل.
تعرف القدرة بأنها معدّل الشغل المبذول في وحدة الزمن.
وتقاس القدرة بوحدة الواط.
الواط: قدرة قوة أو آلة تنجز شغلاً مقداره جول واحد في ثانية واحدة.
ومن مضاعفات الواط: الكيلو واط= 1000 واط.
الحصان الميكانيكي = 746 واط = 3/4 كيلو واط.
يعد الحصان الميكانيكي الوحدة العملية للقدرة، فهو قدرة آلة تُنجز شغلاً مقداره (746) جولاً في الثانية الواحدة.

القنبلة الذرية (الانشطارية)

نظرية عمل القنبلة الذرية:

1 ـ يستخدم فيها كمية من اليورانيوم 235 أو البلوتونيوم ذات حجم أكبر قليلاً من الحجم الحرج.
2 ـ تقسم هذه الكمية إلى عدة أجزاء لكل منها حجم أقل من الحجم الحرج وتوضع بعيدة بعضها عن بعض بمسافات مناسبة.
3 ـ يوضع في منطقة تجمع اليورانيوم مواد مولدة للنيوترونات مثل خليط من صخر الراديوم وعنصر البريليوم.
4 ـ ولإحداث الانفجار، تفجر أولاً المواد المتفجرة فتتجمع أجزاء اليورانيوم. وفي لحظة تجمعها يصبح الحجم أكبر قليلاً من الحجم الحرج فيبدأ التفاعل المتسلسل بأحد النيوترونات، ويتم في زمن قصير جداً. وتنطلق طاقة هائلة تكافىء قوة انفجار (20) ألف طن منم مادة (T.N.T) أقوى مادة متفجرة.
العوامل التي تتركز فيها القوة التدميرية للقنبلة الذرية:
تتركز القوة التدميرية للقنبلة الذرية في العوامل الأربعة الآتية:
1 ـ صدمة الانجفار:
وهي الصدمة التي تنشأ نتيجة تولد ضغط هائل في لحظة الانفجار وتسبب التدمير الكلي والجزئي في دائرة قطرها 3,5 كيلومترات من مركز الانفجار.
2 ـ الإشعاع الحراري:
وهي الطاقة الحرارية الناتجة من انشطار نوى اليورانيوم 235 أو البلوتونيوم وتسبب حرائق شديدة.
3 ـ الإشعاعات النووية:
وتشمل فوتونات جاما ذات الطاقة العالية والنيوترونات السريعة وتسبب موت الكائنات الحية في دائرة قطرها حوالي 2 كيلومتر من مركز الانفجار.
4 ـ المتخلفات المشعّة:
وهي نواتج انشطار اليورانيوم 235 أو البلوتونيوم، وتشمل أكثر من (30) نظيراً مشعاً وتعرف (بالغبار الذري) . وينقلها الهواء إلى مسافات مختلفة، وهي تشع بيتا السالبة التي تسبب أضراراً كثيرة للإنسان (انظر التأثير البيولوجي للإشعاعات النووية) .

القنبلة الهيدروجينية (القنبلة الحرارية)

تحتوي القنبلة الهيدروجينية على قنبلة ذرية وعلى نظائر الهيدروجين الديوتيريوم والتريتيوم، وقد يضاف إليها نظير الليثيوم لث. وتحاط نظائر الهيدروجين والقنبلة الذرية بأغلفة قد يصنع أحدها من يورانيوم 238.
تفجير القنبلة الهيدروجينية والتفاعلات الاندماجية التي تحدث فيها:
تفجر أولاً القنبلة الذرية فتتولد عنها ملايين الدرجات المئوية ومليارات الضغوط الجوية فتندمج نظائر الهيدروجين ثم ينشطر اليورانيوم 238 بالنيوترونات السريعة جداً الناتجة من عملية الاندماج وتكون محصلة هذه التفاعلات الثلاثة طاقة كبيرة.
التفاعلات الاندماجية (النووية الحرارية) التي تتم في القنبلة الهيدروجينية.
القوة التدميرية للقنبلة الهيدروجينية:
1 ـ أقوى ألف مرة من القنبلة الذرية.
2 ـ تسبب تدميراً كاملاً لمسافة 10 أميال، ويصل تأثيرها الحراري إلى عشرين ميلاً.
3 ـ ينتشر غبارها الذري إلى ارتفاع 30 ألف قدم فوق سطح الأرض ويسبب التهابات شديدة قد تؤدي إلى الوفاة.
4 ـ من أخطر المواد المشعة الناتجة من الانفجار نظير الأسترونشيوم ست وله فترة نصف عمر حوالي 27 سنة. وإذا سقط على الأرض يمتص من التربة بواسطة النباتات، وينتقل من النباتات إلى الحيوانات ويتجمع في أجسامها تدريجياً. وعندما يتغذى الإنسان على ألبانها أو لحومها، يتجمع في جسمه العنصر المشع ويترسب في عظامه. وإذا زادت نسبته في العظام فإنه يسبب سرطان العظام ويدمر الأنسجة ويؤدي إلى الوفاة.
ملحوظة:
التفاعلات الاندماجية يطلق عليها التفاعلات النووية الحرارية لأنها لا يتم إلا في درجات الحرارة العالية.
أهم المشاكل في استخدام التفاعلات النووية الحرارية (أي مشاكل ترويض الطاقة الهيدروجينية) كمصدر للطاقة في الحياة السلمية:
1 ـ كيفية الحصول على ملايين الدرجات المئوية لتحويل ذرات الهيدروجين إلى حالة البلازما.
2 ـ كيفية توفير مليارات الضغوط الجوية.
3 ـ كيفية الاحتفاظ بهذا الضغط الهائل داخل حجرة أو وعاء دون أن تنفجر.
الطريقة التي أتبعها العلماء للتغلب على مشاكل ترويض الطاقة الهيدروجينية:
1 ـ يتم الحصول على ملايين الدرجات المئوية بإمرار تيار كهربي شدته مئات الآلاف من الأمبيرات داخل حجرة واسعة مفرغة إلى ضغط 0,1 مم/ز وبها كمية بسيطة من نظائر الهيدروجين التي تتحول إلى حالة البلازما.
2 ـ بواسطة مجال مغناطيسي قوي تتجمع البلازما في شريط رفيع في وسط الحجرة وبعيداً عن الجدران، ويتوفر فيه الحرارة والضغط اللازمين للاندماج فتتم التفاعلات النووية الحرارية وتنطلق طاقة هائلة.
والمشكلة في الطريقة السابقة هي في كيفية الحصول على تيار كهربي شدته مئات الآلاف من الأمبيرات لأن ذلك يستلزم فوق جهد مئات الملايين من الفولتات. ولكن أمكن باستخدام التفريغ الخاطف الحصول على شريط البلازما وتمت فيه التفاعلات الاندماجية.
الأبحاث الحديث في ترويض الطاقة الهيدروجينية:
يحاول العلماء إتمام التفاعلات النووية الحرارية بدون استخدام حرارة عالية وضغط شديد وذلك باستخدام ذرة الهيدروجين الميزونية. وفيها يدور حول النواة ميزون باي السالب بدلاً من الإلكترون، لذا يكون حجمها أصغر من حجم ذرة الهيدروجين العادية 273 مرة.
وقد وجد أن ذرة الهيدروجين الميزونية عندما تقترب من ذرة ديوتيريوم فإن ميزون باي السالب يمكنه أن يدور حول نواة الديوتيريوم بالإضافة إلى دورانه حول نواته الأصلية. ونتيجة لذلك تقترب النواتين إحداهما من الأخرى حتى يندمجا ويحدث نقص في الكتلة يتحول إلى طاقة ويتكون نظير للهيليوم أو التريتيوم.

القوة

القوة كمية متجهة. تعرف بثلاثة عناصر هي المقدار والاتجاه ونقطة التأثير. وتمثل القوة بقطعة مستقيمة، تبدأ من نقطة تأثيرها وبالاتجاه الذي تعمل فيها القوة ويكون طول القطعة المستقيمة متناسباً مع مقدار القوة، وممثلاً له. ويشار إلى اتجاه القوة بوضع سهم عند رأس القطعة المستقيمة، ليدل على اتجاهها ويسمى امتداد القطعة المستقيمة، الممثلة للقوة بخط عمل القوة.ووحدة القوة هي نيوتن.

الكهرباء والمغنطيسية

الكهرباء والمغنطيسية تتصلان اتصالاً وثيقاً حتى إن العلماء كثيراً ما يشيرون إليهما معاً بمصطلح الكهرومغنطيسية. فحركة الشحنات الكهربائية يمكن ان تحدث تأثيرات مغنطيسية, والقوى المغنطيسية يمكن أن تحدث تأثيرات كهربائية. ومعرفة هذه العلاقة أدت إلى تطوير مولدات كهربائية ضخمة وتطوير الأجهزة الإلكترونية مثل المذياع والتلفاز والحاسوب

المبادىء الالكترونيَّة الأساسيَّة

في الإلكترونيات، يبدأ كل شيء مع الالكترونات، وهي اجزاء كل ذرّة. فقد قام العلماء برسم الصورة الحديثة للذرّة بجهد كبير، مع ان احدا لم يرها، لأنها صغيرة لدرجة انه من الصعب حتى على المجاهر الإلكترونية الأكثر قدرة ان تكشف عنها. لكن هنالك أيضاً ما هو اصغر من الذرّة: الإلكترونات الصغيرة جدا والمشحونة سلبا والتي يمكن تصوّرها تدور من بعيد حول النواة المركزية التي فيها يتركّز معظم كتلة الذرّة.

حركة الإلكترونات:
الذرّات غير مشحونة عادة، لكن بامكانها اكتساب إلكترون اضافي، فتصبح بذلك مشحونة سلباً، أو فقدان إلكترون، فتصبح مشحونة ايجابا. هذه المقدرة عند بعض الذرّات على «تبادل» الإلكترونات بسهولة هي التي تمكّن سيلا منها (تيارا كهربائيا) بالجريان في موصّل. باستعمال بطارية أو مولّد، يمكن تجميع فائض من الإلكترونات في أحد طرفي هذا الجهاز واحداث نقص منها في الطرف الآخر، فتتولّد عن ذلك قوة كهرطيسية دافعة. إذا وُصل موصّل بهذين الطرفين، تسبّب هذه القوة انسياب الإلكترونات (أو بالاحرى «انجرافها» إذ أن معدل انسيابها نادرا ما يزيد عن 2 سم بالدقيقة) من الطرف السالب حيث الفائض إلى الطرف الموجب حيث النقص. هذا الاتجاه هو عكس الاصطلاح المتفق عليه والذي يفترض جريان التيار الكهربائي من الموجب إلى السالب.
تعمل الموصّلات في الدوائر الإلكترونية (بشكل اسلاك أو شرائط من النحاس الرفيع على مادة عازلة كالباكسولين) بمثابة مسارات للإلكترونات تنساب فيها بحرية من جزء من الدائرة إلى آخر. لكن لا بد من وجود عناصر معيّنة لضبط الانسياب، ولتمكين تيّارات محددة من الإلكترونات من المرور في مختلف اجزاء الدائرة كالصمامات والترانزستورات. هذه العناصر معروفة بالمقاومات، وهي متوفرة ضمن مدى واسع من المقادير يتراوح بين جزء واحد من الاوم (وحدة قياس المقاوم) حتى عشرات الملايين من الاومات.

المفاعل الحراري

الأجزاء الرئيسية التي يتكون منها المفاعل الحراري:
1 ـ هيكل المفاعل:
ويتكون من عدد كبير من أنابيب الألومنيوم المفتوحة الطرفين والموضوعة في صفوف أفقية.
2 ـ الوقود الانشطاري:
ويشمل اليورانيوم الطبيعي الذي ينقى من الشوائب ويشكل على هيئة أسطونات تغلف بالألومنيوم وتوضع في أنابيب الجزء الأوسط من هيكل المفاعل.
3 ـ المادة المهدئة:
يستخدم الجرافيت مادة مهدئة لأنه لا يمتص النيوترونات ووزنه الذري صغير.
4 ـ المادة المنظمة:
يستخدم البورون أو الكادميوم مواد منظمة لأنها تمتص النيوترونات بسرعة. ويعمل منها أربعة أعمدة يستخدم عمودان لتنظيم التفاعل المتسلسل، ويستخدم الأربعة معاً لإيقاف التفاعل المتسلسل فوراً إذا زاد عن المعدل المطلوب.
5 ـ السياج الواقي:
ويتكون من الخرسانة المسلحة بسمك 2,5 ـ 3,5 أمتار، وذلك لمنع تسرب الإشعاعات النووية.
6 ـ المواد المبردة:
يستخدم الماء العادي المضغوط أو غازات خاملة أو تيارات من الهواء وذلك لامتصاص الحرارة من المفاعل، حتى لا ترتفع درجة الحرارة وتنصهر أسطوانات اليورانيوم وأنابيب الألومنيوم ويمتلى المفاعل بالمواد المشعة.
شرح عمل المفاعل الحراري:
1 ـ تخفض أعمدة التنظيم ثم توضع أسطوانات اليورانيوم في أنابيب هيكل المفاعل وتغلق فتحات الأنابيب بسدادات سميكة متعددة الطبقات.
2 ـ توضع كتل الجرافيت (المادة المهدئة) بين أنابيب هيكل المفاعل.
3 ـ يرفع أحد أعمدة التنظيم قليلاً فيبدأ التفاعل المتسلسل بإحدى النيوترونات.
4 ـ يشطر النيوترون نواة يورانيوم 235 ويخرج ثلاثة نيوترونات يؤسر أحدها بواسطة نواة يورانيوم 238 التي تتحول في النهاية إلى نواة بلوتونيوم، ويهرب الآخران إلى الجرافيت. ويفعل التصادمات المرنة مع ذرات الكربون يصلان إلى السرعة الحرارية ويدخل كلٌّ منهما في أسطوانة يورانيوم ويشطر نواة 235 ويتكرر ما سبق.
5 ـ تضبط أطوال أعمدة التنظيم للحصول على التفاعل المتسلسل بالمعدل المطلوب.
6 ـ تمرر المواد المبرة لامتصاص الحرارة من المفاعل.

أجهزة التفاعلات النووية

هي أجهزة يتم فيها التفاعل المتسلسل في اليورانيوم الطبيعي أو البلوتونيوم كما يتم فيها تنظيم التفاعل المتسلسل والسيطرة عليه.
وتنقسم المفاعلات النووية إلى:
1 ـ المفاعلات الحرارية:
وفيها تعرض النيوترونات الناتجة من الانشطار إلى مادة مهدئة لتقليل سرعتها لتصل إلى السرعة الحرارية اللازمة لشطر يورانيوم 235.
2 ـ المفاعلات السريعة والمولدة:
لا يستخدم فيها مادة مهدئة والغرض منها إنتاج البلوتونيوم الذي يستخدم في صناعة القنابل الذرية.

ملاحظة:
يحاط المفاعل النووي بسياج واق من الخرسانة المسلحة والرصاص، وفائدته الوقاية من الحرارة العالية، ومنع تسرب إشعاعات ألفا وبيتا وجاما الناتجة عن التحلل التلقائي للوقود النووي.

الميكانيكا

الميكانيكا: فرع من علم الفيزياء يبحث في تأثير القوى على الأجسام الصلبة والسائلة والغازية في حالة الحركة والسكون. فهي تدرس, على سبيل المثال, كيف تعمل القوة على جسم لتنتج تسارعاً. وسماها العرب الأقدمون علم الحيل. يعتمد المهندسون على علم علم الميكانيكا لتحديد الإجهادات والتشوهات في أجزاء الآلات كالتروس المُسنَّنة أو الأجزاء التركيبية كأعمدة التحميل. كما يستخْدم المهندسون أسس الميكانيكا في تصميم وتصنيع الأجزاء المختلفة الأحجام سواء كانت شديدة الدقة كأجزاء الحاسوب، أو شديدة الضخامة كالسدود. كذلك يستخدمها علماء الفلك في إجاء تنبؤاتهم بتحركات النجوم والكواكب والأجرام الكونية، كما يستخدمها علماء الطبيعة في بحوثهم عن الجسيمات الذرية.
تنقسم الميكانيكا إلى قسمين الإستاتيكا والديناميكا فالإستاتيكا تُعني بالبحث في طبيعة الأجسام في حالة السكون أو الحركة في سرعة ثابتة واتجاه ثابت. أما الديناميكا فتُعني بالبحث في طبيعة الأجسام المتغيرة السرعة أو الاتجاه أو كليهما، وعلاقتهما بالقوى المؤثرة الأخرى.
وتعني ميكانيكا الجوامد بالبحث في حركة المواد الصلبة والأجسام الجامدة القابلة للتشكل والقوى التي تُسبِّب هذه الحركة. أما الميكانيكا المتصلة فتتعامل مع المواد المتغيرة الشكل، مثل الغازات والسوائل والأجسام الصلبة المرنة. ويشمل علم الميكانيكا المتصلة نظرية المرونة، وهي دراسة التشكيلات الارتدادية للمواد الصلبة، ونظرية اللدونة؛ أي دراسة التشكيلات الدائمة للمواد الصلبة، وديناميكا الموائع أي دراسة حركة الموائع، وكذلك الديناميكا الهوائية؛ أي دراسة الغازات وحركتها حول الأجسام، وأخيراً الهيدروليكا وهي دراسة السوائل في حالة السكون أو الحركة.

الميكروفون

جهاز يعمل على تحويل الصوت إلى طاقة كهربائية. وتنتقل هذه الطاقة مباشرة عبر أسلاك أو خلال موجات راديو، إلى مُستقبل مرتبط مع مكبر للصوت، أو أداة أخرى تحوله إلى صوت. وقد اتخذ أول ميكروفون شكل هاتف البث الذي طوره المخترع الأمريكي ألكسندر جراهام بِل عام 1876 م. واليوم تستخدم الميكروفونات في أنظمة مخاطبة الجمهور، وفي بث العروض التلفازية والإذاعية، وفي تسجيل الصوت للأفلام، وفي طبع الأسطوانات، وفي تسجيلات الكاسيت. وتُستَخدم الميكروفونات أيضاً في الإذاعاتُ الشعبية وإذاعات الهُواة.

النشاط الإشعاعي الطبيعي والنشاط الإشعاعي الصناعي

النشاط الإشعاعي الطبيعي هو نشاط العناصر المشعة الموجودة في الطبيعة مثل اليورانيوم.
أما النشاط الإشعاعي الصناعي فهو نشاط العناصر المشعة المحضّرة من التفاعلات النووية.
وفي النشاط الإشعاعي الطبيعي يشع العنصر دقائق ألفا وبيتا مع خروج فوتونات جاما، ويتحول العنصر المشع إلى عنصر مشع آخر وهكذا حتى يستقر العنصر عندما يُصبح رصاصاً. أما في النشاط الإشعاعي الصناعي فإن العنصر يشع إما دقيقة بيتا السالبة ويستقر، وإما دقيقة بيتا الموجبة ويستقر بالإضافة إلى خروج فوتونات جاما.

النظائر المشعّة

يوجد في الطبيعة أكثر من 270 نظيراً ثابتاً، ونحو 50 نظيراً آخر مشعاً، بما فيها نظائر اليورانيوم والراديوم. وتسمى هذه النظائر التي تقذف جسيمات أو أشعة نظائر مشعة.
وكل العناصر التي هي أثقل من البزموت (عدده الذري 83) مشعة. وتنحل (تتفكك) هذه الذرات المشعة وتتحول إلى نظائر لعناصر أخر أخف وزناً. فهي تنتمي إلى ثلاث سلاسل انحلال مشعة تبدأ بـ 238U و 235U و 232Th. وتنحل هذه الذرات الثقيلة إلى نظائر مختلفة، وتستمر هكذا حتى تتحول إلى نظائر الرصاص المستقرة الثابتة. أما السرعة التي تنحل بها النظائر المشعة فتقاس بنصف العمر، أو بالوقت اللازم حتى تنحل ذرات عينة ما إلى النصف. ولكلِّ نظير نصف عمر معين. وبعض النظائر في السلاسل المشعة تنحل ببطء. فنظير الراديوم 226Ra مثلاً، له نصف عمر يصل إلى 1,600 سنة. وبعض العناظر الأخرى تنحل بسرعة فائقة، حتى أن أنصاف أعمار بعضها يساوي جزءاً صغيراً من ثانية. ويمكن للنظائر ذات أنصاف الأعمار القصيرة أن توجد في الطبيعة. فهي تتكون باستمرار عن طريق الانحلال الذي يحصل للنظير الأم الأثقل في السلاسل.
ويوجد قليل من النظائر المشعة المتناثرة التي لا تنتمي إلى السلاسل، بين العناصر الأخف من البزموت. من هذه العناصر عنصر البوتاسيوم ـ40، والروبيديوم ـ87، والمسريوم ـ146، واللوتيتيوم ـ176، والرينيوم ـ187.
النظائر المشعة صناعياً: تمكّن العلماء من إنتاج كثير من النظائر المشعة صناعياً. وهي ليست موجودة في الطبيعة، ولو وجدت لانحلت منذ زمن بعيد. يمكن إنتاج هذه النظائر صناعياً، إما في السيكلوترونات، وغيرها من الأجهزة المسرِّعة للجسيمات، أو في المفاعلات النووية. يمكن للعلماء ـ مثلاً ـ أن يقذفوا نظيراً من نظائر الصوديوم 23Na بديوترونات ذات طاقة عالية في السيكلوترون. والديوترون جسيم مكون من بروتون ونيوترون، وإذا اصطدم بذرة صوديوم 23Na، حدث تفاعل نووي، يغدو فيه النيوترون جزءاً من نواة الذرة، وينطرح بروتون منتجاً 24Na. كذلك تصنع النظائر المشعة بتعريض العناصر في مفاعل نووي إلى عدد ضخم من النيوترونات. فذرات الصوديوم 23Na، على سبيل المثال تقتنص نيوترونات من المفاعل وتتحول إلى 24Na. ويؤدي انشطار (أو انفلاق)اليورانيوم إلى نشوء أكثر من 450 نظيراً مشعاً، وأكثر من 100 نظير ثابت مستقر.
وقد تمكن العلماء من إنتاج نحو 1,700 نظير مشع، شملت كافة العناصر. واليوم يوجد للعديد من العناصر 15 نظيراً صناعياً أو أكثر.
كذلك أمكن إنتاج كل العناصر التي لا توجد في الأرض. ومن هذه العناصر التكنيتيوم والبروميثيوم اللذان يوجدان في بعض النجوم ـ والعناصر 93 إلى 109، وهي ما تعرف بعناصر ما فوق اليورانيوم.
ولهذه العناصر المشعة أنصاف أعمار قصيرة، ولهذا اختفت من الأرض بالانحلال إلى عناصر أخرى. وقد شذ البلوتونيوم عن ذلك، فقد وجد العلماء كميات قليلة جداً من نظير البلوتونيوم 244Pu في الأرض.

» حوادث المفاعلات النووية
» قوانين الثبات للتفاعلات النووية
» معاهدة الحد من انتشار الأسلحة النووية
» الفيزياء
» ما هو علم الفيزياء