تفاعل نووي
 في هذا التمثيل الرمزي لتفاعل نووي، ليثيوم-6 (63Li) مع ديوتريوم (2Error in Template:ProtonsForElement: unknown element Hydrogen.H) وينتج عن التفاعل the highly excited intermediate nucleus 84Be which then decays immediately into two alpha particles of helium-4 (42He). الپروتونات ممثَلة رمزياً بكرات حمراء، والنيوترونات بكرات زرقاء. | ||||||||||||||
|
التفاعل النووي في الفيزياء النووية هو تفاعل يحدث عندما تصطدم نواتي ذرتين ببعضهما أو عندما يصتدم جسيم أولي مثل البروتون أو النيوترون بنواة ذرة، وينشأ عن هذا الإصتدام مكونات جديدة تختلف عن المكونات الداخلة في التفاعل. وبصفة عامة هذا التفاعل قد يتضمن عدد أكبر من إثنين من المكونات الداخلة في التفاعل، ولكن إصتدام أكثر من جسيمين في نفس اللحظة هو احتمال ضعيف جدا، لذلك يندر هذا النوع من التفاعل. ومن خلال اصتدام الجسيم الأولي بالنواة تتكون أولا ما يسمي النواة المركبة، التي تتحلل في وقت قصير جداً، وينتج عن ذلك نواة جديدة مصحوبة بانطلاق جسيم أو جسيمات أخرى وربما حرارة. أما إذا افترق الجسيمان الداخلان في التفاعل من دون أن تختلف المكونات الناتجة عن المكونات الداخلة في التفاعل ، فلا يسمي هذا تفاعل نووي بل يسمي فقط اصطدام مرن.
نري في الشكل اصطدام الديوتريوم (وهو نواة ذرة الإيدروجين الثقيل) بنواة ذرة الليثيوم-6 وتفاعلهما لتكوين النواة مركبة (هي نواة البريليوم-8 ) والتي تتحلل في الحال وينتج عنها نواتي هيليوم ( أي إثنتين من جسيمات ألفا ). وفي ذلك الرسم مثلنا البروتون باللون الأحمر ومثلنا النيوترون باللون الأزرق.
Li-6 + H-2 --> 2He-4
كما يمكن اختصار هذه المعادلة بالصيغة التالية:
Li-6(d,α)α
وعلى وجه العموم فأحيانا يرمز الفيزيائيون التفاعل النووي بالرمز A(b,c)D
حيث A النواة الداخلة في التفاعل ، b الجسيم الذي يصتدم بالنواة ،وقد يكون بروتون أو نيوترون أو ديوتيرون أو جسيم ألفا أو غيرها ، و D النواة الناتجة من التفاعل ، و c الجسيم الناتج من التفاعل . وقد ينشأ عن التفاعل حرارة تحملها الجسيمات الناتجة على هيئة حركة ذات سرعة معينة . والآن نبدا في حساب تلك الطاقة النووية الناشئة أثناء هذا التفاعل .
Natural nuclear reactions occur in the interaction between cosmic rays and matter, and nuclear reactions can be employed artificially to obtain nuclear energy, at an adjustable rate, on-demand. Nuclear chain reactions in fissionable materials produce induced nuclear fission. Various nuclear fusion reactions of light elements power the energy production of the Sun and stars.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
التاريخ
In 1919, Ernest Rutherford was able to accomplish transmutation of nitrogen into oxygen at the University of Manchester, using alpha particles directed at nitrogen 14N + α → 17O + p. This was the first observation of an induced nuclear reaction, that is, a reaction in which particles from one decay are used to transform another atomic nucleus. Eventually, in 1932 at Cambridge University, a fully artificial nuclear reaction and nuclear transmutation was achieved by Rutherford's colleagues John Cockcroft and Ernest Walton, who used artificially accelerated protons against lithium-7, to split the nucleus into two alpha particles. The feat was popularly known as "splitting the atom", although it was not the modern nuclear fission reaction later (in 1938) discovered in heavy elements by the German scientists Otto Hahn, Lise Meitner, and Fritz Strassmann.[1]
حساب الطاقة الناتجة عن التفاعل
قد ينتج عن التفاعل طاقة حرارية تظهر على هيئة طاقة حركة تحملها مكونات التفاعل الناتجة . وهذه الطاقة يمكن حسابها بواسطة معادلة أينشتاين E = mc² التي تعطي العلاقة بين الكتلة و الطاقة ، حيث m الكتلة ووحدتها الكيلوجرام و c هي سرعة الضوء في الفراغ و E هي الطاقة المعادلة لكتلة الجسيم . وبمعرفة الكتلة الساكنة لجميع الجسيمات الداخلة في التفاعل وطرح منها مجموع الكتل الناتجة من التفاعل ، نستطيع حساب الطاقة الناتجة . و توجد لكتل الجسيمات الساكنة جداول يمكن الاستعانة بها في ذلك .
- تعطينا الجداول كتلة نواة الليثيوم-6 =6.015 [u] (وحدة الكتلة الذرية وهي أختصار للوحدة amu )
- وتعطينا الجداول كتلة نواة الديوتيريوم =2.014 [u]
- و كتلة نواة الهيليوم =4.0026 [u]
- فنحصل على كتلة الجسيمات الداخلة في التفاعل = 6.015 + 2.014 = 8.029 [u]
- وكتلة الجسيمات الناتجة من التفاعل = 2 × 4.0026 = 8.0052 u
- الكتلة المفقودة = 8.029 - 8.0052 = 0.0238 [u]
وبمعرفة طاقة 1 MeV 931.49= u
- يمكن حساب الطاقة الناتجة عن الكتلة المفقودة :0.0238 MeV 22.4 = MeV 931 x
وإذا أردنا حسابها الطاقة بالجول فيمكننا إجراء ذلك بالرجوع إلى جدول الوحدات(Conversion of units ) لتحويل وحدة MeVإلى جول.
- نلاحظ أنه نتج عن التفاعل المذكور فقد في الكتلة ظهر في هيئة طاقة حركة تندفع بها الجسيمات الناتجة عن التفاعل وهذه ما هي إلا طاقة حرارية يمكن قياسها أيضاً بالجول . وقد حدث هذا النقص في الكتلة ومقداره 0.0238 [u] بسبب أن نواة ذرة الهيليوم هي أقوى النوايات الذرية على الإطلاق من جهة تماسكها ، فهي مكونة من بروتونين ونيوترونين ، ويتميزون هؤلاء الأربعة بأعلى قوة رابطة نووية بين جميع العناصر . ولهذا نجد أن نواة ذرة الهيليوم (جسيم ألفا) تظهر كثيرا كناتج في التفاعلات النووية لأنها تحتفظ على كيانها.
- في تفاعلنا السابق وهو اصتدام الديترون بنواة ذرة الليثيوم-6 نلاحظ أن كلا الجسمين له شحنة كهربائية موجبة مما تعمل على تنافر الجسمين عند اقترابهما من بعض ، لذلك لا بد أن يكون الديوترون على سرعة عالية حتى يستطيع التغلب على قوى التنافر وأن يصل إلى النواة ويصتدم بها . وهذا هو الحال دائما في حالة أن يحمل الجسيم المصتدم بالنواة شحنة موجبة مثل البروتون والديوترون وجسيم ألفا ، أما بالنسبة للنيوترون وهو متعادل وليست له شحنة كهربائية فتكون تفاعلاته مع النواة أسهل بكثير ، ولا يحتاج إلى سرعات عالية لكي يصل إلى النواة ويتفاعل معها .
حساب معادلة أينشتين بالجول
E = mc²
- نقوم الآن بحساب كتلة 1 [ u] (وهي وحدة الكتلة الذرية) بوحدة الطاقة الجول:
u .c2=(1.66054 x 10−27;kg) . (2.99792&108(m/s))2
=1.49292 × 10−10 kg . (m/s)2
= 1.49242 × 10−10 جول
- ويمكن تحويل وحدة الجول إلى وحدة MeV المستخدمة في الفيزياء النووية ، بالعلاقة الآتية:
- جول 1MeV= 1.60218 × 10-13
وكما نرى الكتلة والطاقة ما هما سوى وجهين لأصل واحد ، كما نرى أن الطاقة يمكن التعبير عنها ب MeV أو الجول (Joule) أو في صيغة [كيلوجرام.(متر مربع/ثانية مربع)] وغير ذلك وهي موجودة في جداول لهذه التحويلات . ويفضل الفيزائيون استخدام الإلكترون فولت للتعبير عن الطاقة في نطاق الذرة والجسيمات الأولية لتفادي استعمال الجول الذي يكون في هيئة كسر صغير جدا .
وبناء على ما سبق يمكن كتابة معادلة التفاعل كالآتي :
Li-6 + H-2 --> 2He-4 + 22.4 MeV
حيث 22.4 MeV الطاقة الناتجة من التفاعل .
تفاعلات بين النيوترون والنواة
| → T | → 7Li | → 14C | |||
|---|---|---|---|---|---|
| (n,α) | 6Li + n → T + α | 10B + n → 7Li + α | 17O + n → 14C + α | 21Ne + n → 18O + α | 37Ar + n → 34S + α |
| (n,p) | 3He + n → T + p | 7Be + n → 7Li + p | 14N + n → 14C + p | 22Na + n → 22Ne + p |
يهتم العلماء بتفاعلات النيوترون مع النواة حيث تستخدم تلك النتائج في تشغيل المفاعلات النووية التي تنتج الطاقة الكهربائية وكذلك لتحسين القنابل النووية . ونعطي هنا بعض الأمثلة للتفاعلات التي تدخل فيها النيوترونات البطيئة:
6Li + n → T + α
10B + n → 7Li + α
37Ar + n → 34S + α
في كل من هذه التفاعلات مع النيوترون نري أن التفاعل مصحوب بإصدار جسيم ألفا وتغير العنصر الداخل في التفاعل إلى عنصر آخر أقل منه وزنا ، حيث فقد كل منهم بروتونين بالإضافة إلى نيوترونين (جسيم ألفا).
وأمثلة تفاعلات نووية للنيوترونات ينتج عنها بروتونات :
14N + n → 14C + p
22Na + n → 22Ne + p
وفي هذه التفاعلات أيضا نلاحظ أن العنصر الداخل في التفاعل مع النيوترون قد تغير إلى العنصر الذي يسبقه مباشرة في الجدول الدوري حيث فقد النيتروجين-14 بروتونا وتحول إلى كربون-14 في التفاعل الأول . وفي التفاعل الثاني تحول الصوديوم-22 إلى النيون-22 لفقده بروتونا واحدا أثناء التفاعل.
معادلات التفاعل النووي
Nuclear reactions may be shown in a form similar to chemical equations, for which invariant mass must balance for each side of the equation, and in which transformations of particles must follow certain conservation laws, such as conservation of charge and baryon number (total atomic mass number). An example of this notation follows:
To balance the equation above for mass, charge and mass number, the second nucleus to the right must have atomic number 2 and mass number 4; it is therefore also helium-4. The complete equation therefore reads:
or more simply:
Instead of using the full equations in the style above, in many situations a compact notation is used to describe nuclear reactions. This style of the form A(b,c)D is equivalent to A + b producing c + D. Common light particles are often abbreviated in this shorthand, typically p for proton, n for neutron, d for deuteron, α representing an alpha particle or helium-4, β for beta particle or electron, γ for gamma photon, etc. The reaction above would be written as 6Li(d,α)α.[2][3]
الحفاظ على الطاقة
Kinetic energy may be released during the course of a reaction (exothermic reaction) or kinetic energy may have to be supplied for the reaction to take place (endothermic reaction). This can be calculated by reference to a table of very accurate particle rest masses,[4] as follows: according to the reference tables, the 63Li nucleus has a standard atomic weight of 6.015 atomic mass units (abbreviated u), the deuterium has 2.014 u, and the helium-4 nucleus has 4.0026 u. Thus:
- the sum of the rest mass of the individual nuclei = 6.015 + 2.014 = 8.029 u;
- the total rest mass on the two helium-nuclei = 2 × 4.0026 = 8.0052 u;
- missing rest mass = 8.029 – 8.0052 = 0.0238 atomic mass units.
In a nuclear reaction, the total (relativistic) energy is conserved. The "missing" rest mass must therefore reappear as kinetic energy released in the reaction; its source is the nuclear binding energy. Using Einstein's mass-energy equivalence formula E = mc2, the amount of energy released can be determined. We first need the energy equivalent of one atomic mass unit:
Hence, the energy released is 0.0238 × 931 MeV = 22.2 MeV.
Expressed differently: the mass is reduced by 0.3%, corresponding to 0.3% of 90 PJ/kg is 270 TJ/kg.
This is a large amount of energy for a nuclear reaction; the amount is so high because the binding energy per nucleon of the helium-4 nucleus is unusually high because the He-4 nucleus is "doubly magic". (The He-4 nucleus is unusually stable and tightly bound for the same reason that the helium atom is inert: each pair of protons and neutrons in He-4 occupies a filled 1s nuclear orbital in the same way that the pair of electrons in the helium atom occupy a filled 1s electron orbital). Consequently, alpha particles appear frequently on the right-hand side of nuclear reactions.
The energy released in a nuclear reaction can appear mainly in one of three ways:
- kinetic energy of the product particles (fraction of the kinetic energy of the charged nuclear reaction products can be directly converted into electrostatic energy);[5]
- emission of very high energy photons, called gamma rays;
- some energy may remain in the nucleus, as a metastable energy level.
When the product nucleus is metastable, this is indicated by placing an asterisk ("*") next to its atomic number. This energy is eventually released through nuclear decay.
A small amount of energy may also emerge in the form of X-rays. Generally, the product nucleus has a different atomic number, and thus the configuration of its electron shells is wrong. As the electrons rearrange themselves and drop to lower energy levels, internal transition X-rays (X-rays with precisely defined emission lines) may be emitted.
قيمة Q وتوازن الطاقة
In writing down the reaction equation, in a way analogous to a chemical equation, one may, in addition, give the reaction energy on the right side:
For the particular case discussed above, the reaction energy has already been calculated as Q = 22.2 MeV. Hence:
The reaction energy (the "Q-value") is positive for exothermal reactions and negative for endothermal reactions, opposite to the similar expression in chemistry. On the one hand, it is the difference between the sums of kinetic energies on the final side and on the initial side. But on the other hand, it is also the difference between the nuclear rest masses on the initial side and on the final side (in this way, we have calculated the Q-value above).
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
معدلات التفاعل
If the reaction equation is balanced, that does not mean that the reaction really occurs. The rate at which reactions occur depends on the energy and the flux of the incident particles, and the reaction cross section. An example of a large repository of reaction rates is the REACLIB database, as maintained by the Joint Institute for Nuclear Astrophysics.
الجسيمات المشحونة مقابل غير المشحونة
In the initial collision which begins the reaction, the particles must approach closely enough so that the short-range strong force can affect them. As most common nuclear particles are positively charged, this means they must overcome considerable electrostatic repulsion before the reaction can begin. Even if the target nucleus is part of a neutral atom, the other particle must penetrate well beyond the electron cloud and closely approach the nucleus, which is positively charged. Thus, such particles must be first accelerated to high energy, for example by:
- particle accelerators;
- nuclear decay (alpha particles are the main type of interest here since beta and gamma rays are rarely involved in nuclear reactions);
- very high temperatures, on the order of millions of degrees, producing thermonuclear reactions;
- cosmic rays.
Also, since the force of repulsion is proportional to the product of the two charges, reactions between heavy nuclei are rarer, and require higher initiating energy, than those between a heavy and light nucleus; while reactions between two light nuclei are the most common ones.
Neutrons, on the other hand, have no electric charge to cause repulsion, and are able to initiate a nuclear reaction at very low energies. In fact, at extremely low particle energies (corresponding, say, to thermal equilibrium at room temperature), the neutron's de Broglie wavelength is greatly increased, possibly greatly increasing its capture cross-section, at energies close to resonances of the nuclei involved. Thus low-energy neutrons may be even more reactive than high-energy neutrons.
أنواع بارزة
While the number of possible nuclear reactions is immense, there are several types that are more common, or otherwise notable. Some examples include:
- Fusion reactions – two light nuclei join to form a heavier one, with additional particles (usually protons or neutrons) emitted subsequently.
- Spallation – a nucleus is hit by a particle with sufficient energy and momentum to knock out several small fragments or smash it into many fragments.
- Induced gamma emission belongs to a class in which only photons were involved in creating and destroying states of nuclear excitation.
- Fission reactions – a very heavy nucleus, after absorbing additional light particles (usually neutrons), splits into two or sometimes three pieces. This is an induced nuclear reaction. Spontaneous fission, which occurs without assistance of a neutron, is usually not considered a nuclear reaction. At most, it is not an induced nuclear reaction.
التفاعلات المباشرة
An intermediate energy projectile transfers energy or picks up or loses nucleons to the nucleus in a single quick (10−21 second) event. Energy and momentum transfer are relatively small. These are particularly useful in experimental nuclear physics, because the reaction mechanisms are often simple enough to calculate with sufficient accuracy to probe the structure of the target nucleus.
التشتت غير المرن
Only energy and momentum are transferred.
- (p,p') tests differences between nuclear states.
- (α,α') measures nuclear surface shapes and sizes. Since α particles that hit the nucleus react more violently, elastic and shallow inelastic α scattering are sensitive to the shapes and sizes of the targets, like light scattered from a small black object.
- (e,e') is useful for probing the interior structure. Since electrons interact less strongly than do protons and neutrons, they reach to the centers of the targets and their wave functions are less distorted by passing through the nucleus.
تفاعلات تبادل الشحنات
Energy and charge are transferred between projectile and target. Some examples of this kind of reactions are:
- (p,n)
- (3He,t)
تفاعلات نقل النيوكليون
Usually at moderately low energy, one or more nucleons are transferred between the projectile and target. These are useful in studying outer shell structure of nuclei. Transfer reactions can occur:
- from the projectile to the target - stripping reactions
- from the target to the projectile - pick-up reactions
Examples:
- (α,n) and (α,p) reactions. Some of the earliest nuclear reactions studied involved an alpha particle produced by alpha decay, knocking a nucleon from a target nucleus.
- (d,n) and (d,p) reactions. A deuteron beam impinges on a target; the target nuclei absorb either the neutron or proton from the deuteron. The deuteron is so loosely bound that this is almost the same as proton or neutron capture. A compound nucleus may be formed, leading to additional neutrons being emitted more slowly. (d,n) reactions are used to generate energetic neutrons.
- The strangeness exchange reaction (K, π) has been used to study hypernuclei.
- The reaction 14N(α,p)17O performed by Rutherford in 1917 (reported 1919), is generally regarded as the first nuclear transmutation experiment.
التفاعلات مع النيوترونات
| → T | → 7Li | → 14C | |||
|---|---|---|---|---|---|
| (n,α) | 6Li + n → T + α | 10B + n → 7Li + α | 17O + n → 14C + α | 21Ne + n → 18O + α | 37Ar + n → 34S + α |
| (n,p) | 3He + n → T + p | 7Be + n → 7Li + p | 14N + n → 14C + p | 22Na + n → 22Ne + p | |
| (n,γ) | 2H + n → T + γ | 13C + n → 14C + γ |
Reactions with neutrons are important in nuclear reactors and nuclear weapons. While the best-known neutron reactions are neutron scattering, neutron capture, and nuclear fission, for some light nuclei (especially odd-odd nuclei) the most probable reaction with a thermal neutron is a transfer reaction:
Some reactions are only possible with fast neutrons:
- (n,2n) reactions produce small amounts of protactinium-231 and uranium-232 in the thorium cycle which is otherwise relatively free of highly radioactive actinide products.
- 9Be + n → 2α + 2n can contribute some additional neutrons in the beryllium neutron reflector of a nuclear weapon.
- 7Li + n → T + α + n unexpectedly contributed additional yield in the Bravo, Romeo and Yankee shots of Operation Castle, the three highest-yield nuclear tests conducted by the U.S.
التفاعلات النووية المركبة
Either a low-energy projectile is absorbed or a higher energy particle transfers energy to the nucleus, leaving it with too much energy to be fully bound together. On a time scale of about 10−19 seconds, particles, usually neutrons, are "boiled" off. That is, it remains together until enough energy happens to be concentrated in one neutron to escape the mutual attraction. The excited quasi-bound nucleus is called a compound nucleus.
- Low energy (e, e' xn), (γ, xn) (the xn indicating one or more neutrons), where the gamma or virtual gamma energy is near the giant dipole resonance. These increase the need for radiation shielding around electron accelerators.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
انظر أيضاً
الهامش
- ^ Cockcroft and Walton split lithium with high energy protons April 1932. Archived 2012-09-02 at the Wayback Machine
- ^ The Astrophysics Spectator: Hydrogen Fusion Rates in Stars
- ^ Tilley, R. J. D. (2004). Understanding Solids: The Science of Materials. John Wiley and Sons. p. 495. ISBN 0-470-85275-5.
- ^ Suplee, Curt (23 August 2009). "Atomic Weights and Isotopic Compositions with Relative Atomic Masses". NIST.
- ^ Shinn, E.; Et., al. (2013). "Nuclear energy conversion with stacks of graphene nanocapacitors". Complexity. 18 (3): 24–27. Bibcode:2013Cmplx..18c..24S. doi:10.1002/cplx.21427.