الارتداد الذري

في الفيزياء النووية ، يُعدّ الارتداد الذري نتيجة تفاعل الذرة مع جسيم أولي عالي الطاقة ، حيث تنتقل كمية حركة الجسيم المتفاعل إلى الذرة ككل دون تغيير درجات حرية الذرة غير الانتقالية. وهي ظاهرة كمومية بحتة . اكتشفت هارييت بروكس ، أول فيزيائية نووية كندية، الارتداد الذري عام 1904، ولكن فُسِّرَتْ بشكل خاطئ. أعاد أوتو هان وليز مايتنر صياغة الارتداد وشرحه وإثباته عامي 1908 و1909. ^{[ 1 ]} وصف الفيزيائي فالتر غيرلاخ الارتداد الإشعاعي بأنه "اكتشاف بالغ الأهمية في الفيزياء ذو ​​عواقب بعيدة المدى". ^{[ 2 ]}

إذا كانت قوة الارتداد الذري المنقولة كافية لتعطيل الشبكة البلورية للمادة، يتشكل عيب فراغي ؛ وبالتالي يتم توليد فونون .

يرتبط ارتداد الإلكترونات (انظر الإثارة الضوئية والتأين الضوئي ) وارتداد النواة ارتباطًا وثيقًا بارتداد الذرة ، حيث ينتقل الزخم إلى نواة الذرة ككل. يمكن أن يتسبب ارتداد النواة في إزاحة النواة عن موضعها الطبيعي في الشبكة البلورية، مما قد يجعل الذرة الناتجة أكثر عرضة للتفكك. يؤدي هذا، على سبيل المثال، إلى زيادة نسبة اليورانيوم ^-234 إلى اليورانيوم ^-238 في بعض الحالات، وهو ما يمكن استغلاله في التأريخ (انظر تأريخ اليورانيوم-الثوريوم ). ^{[ 3 ] [ 4 ]}

في بعض الحالات، يمكن أن تمنع التأثيرات الكمومية نقل الزخم إلى نواة فردية، ويتم نقل الزخم إلى الشبكة البلورية ككل (انظر تأثير موسباور ).

لنفترض ذرة أو نواة تُصدر جسيمًا ( بروتونًا ، أو نيوترونًا ، أو جسيم ألفا ، أو نيوترينو ، أو أشعة غاما ). في أبسط الحالات، ترتد النواة بنفس كمية الحركة، p ، التي يمتلكها الجسيم. الطاقة الكلية للنواة "الناتجة" بعد ذلك هي

${\displaystyle {\sqrt {M_{d}^{2}c^{4}+p^{2}c^{2}}}}$

أما بالنسبة للجسيم المنبعث فهو

${\displaystyle {\sqrt {M_{p}^{2}c^{4}+p^{2}c^{2}}}}$

أين${\displaystyle M_{d}}$و${\displaystyle M_{p}}$تمثل و كتلة السكون للنواة الوليدة والجسيم على التوالي. يجب أن يساوي مجموع هاتين الكتلتين طاقة السكون للنواة الأصلية.

${\displaystyle {\sqrt {M_{p}^{2}c^{4}+p^{2}c^{2}}}+{\sqrt {M_{d}^{2}c^{4}+p^{2}c^{2}}}=M_{o}c^{2}}$

أو

${\displaystyle {\sqrt {M_{p}^{2}c^{2}+p^{2}}}=M_{o}c-{\sqrt {M_{d}^{2}c^{2}+p^{2}}}.}$

تربيع كلا الطرفين يعطي:

${\displaystyle M_{p}^{2}c^{2}+p^{2}=M_{o}^{2}c^{2}+M_{d}^{2}c^{2}+p^{2}-2M_{o}c{\sqrt {M_{d}^{2}c^{2}+p^{2}}}}$

أو

${\displaystyle 2M_{o}c{\sqrt {M_{d}^{2}c^{2}+p^{2}}}=(M_{o}^{2}+M_{d}^{2}-M_{p}^{2})c^{2}.}$

وبإعادة تربيع كلا الطرفين نحصل على:

${\displaystyle 4M_{o}^{2}c^{2}(M_{d}^{2}c^{2}+p^{2})=(M_{o}^{4}+M_{d}^{4}+M_{p}^{4}+2M_{o}^{2}M_{d}^{2}-2M_{o}^{2}M_{p}^{2}-2M_{d}^{2}M_{p}^{2})c^{4}}$

أو

${\displaystyle p^{2}={\frac {M_{o}^{4}+M_{d}^{4}+M_{p}^{4}-2M_{o}^{2}M_{d}^{2}-2M_{o}^{2}M_{p}^{2}-2M_{d}^{2}M_{p}^{2}}{4M_{o}^{2}}}c^{2}}$

أو

${\displaystyle p^{2}={\frac {(M_{o}-M_{d}-M_{p})(M_{o}+M_{d}-M_{p})(M_{o}-M_{d}+M_{p})(M_{o}+M_{d}+M_{p})}{4M_{o}^{2}}}c^{2}.}$

لاحظ أن${\displaystyle (M_{o}-M_{d}-M_{p})c^{2}}$هي الطاقة المنبعثة من التحلل، والتي يمكننا تسميتها${\displaystyle E_{decay}}$.

بالنسبة للطاقة الكلية للجسيم، لدينا:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\sqrt {M_{p}^{2}c^{4}+p^{2}c^{2}}}&={\sqrt {{\frac {M_{o}^{4}+M_{d}^{4}+M_{p}^{4}-2M_{o}^{2}M_{d}^{2}+2M_{o}^{2}M_{p}^{2}-2M_{d}^{2}M_{p}^{2}}{4M_{o}^{2}}}c^{4}}}\\&={\frac {M_{o}^{2}-M_{d}^{2}+M_{p}^{2}}{2M_{o}}}c^{2}\\&=M_{p}c^{2}+{\frac {M_{o}^{2}-2M_{o}M_{p}+M_{p}^{2}-M_{d}^{2}}{2M_{o}}}c^{2}\\&=M_{p}c^{2}+{\frac {(M_{o}-M_{p})^{2}-M_{d}^{2}}{2M_{o}}}c^{2}\\&=M_{p}c^{2}+{\frac {1}{2}}\left({\frac {M_{o}-M_{p}}{M_{o}}}+{\frac {M_{d}}{M_{o}}}\right)(M_{o}-M_{d}-M_{p})c^{2}\end{aligned}}}$

إذن، الطاقة الحركية المكتسبة للجسيم هي:

${\displaystyle {\frac {1}{2}}\left({\frac {M_{o}-M_{p}}{M_{o}}}+{\frac {M_{d}}{M_{o}}}\right)E_{decay}}$

وبالمثل، فإن الطاقة الحركية المكتسبة إلى النواة الوليدة هي:

${\displaystyle {\frac {1}{2}}\left({\frac {M_{o}-M_{d}}{M_{o}}}+{\frac {M_{p}}{M_{o}}}\right)E_{decay}}$

عندما يكون الجسيم المنبعث بروتونًا أو نيوترونًا أو جسيم ألفا، فإن نسبة طاقة التحلل التي تذهب إلى الجسيم تكون تقريبًا${\displaystyle M_{d}/M_{o}}$والكسر الذي يذهب إلى النواة البنت${\displaystyle M_{p}/M_{o}.}$^{[ 5 ]} بالنسبة للنيوترينوات وأشعة غاما، يحصل الجسيم المغادر على معظم الطاقة، بينما لا تتجاوز النسبة التي تذهب إلى النواة الوليدة 5%.${\displaystyle E_{decay}/(2M_{o}c^{2}).}$

سرعة الجسيم المنبعث تُعطى بالعلاقة التالية${\displaystyle pc^{2}}$مقسومة على إجمالي الطاقة:

${\displaystyle v_{p}={\frac {\sqrt {(M_{o}-M_{d}-M_{p})(M_{o}+M_{d}-M_{p})(M_{o}-M_{d}+M_{p})(M_{o}+M_{d}+M_{p})}}{M_{o}^{2}-M_{d}^{2}+M_{p}^{2}}}c}$

وبالمثل، فإن سرعة النواة المرتدة هي:

${\displaystyle v_{d}={\frac {\sqrt {(M_{o}-M_{d}-M_{p})(M_{o}+M_{d}-M_{p})(M_{o}-M_{d}+M_{p})(M_{o}+M_{d}+M_{p})}}{M_{o}^{2}+M_{d}^{2}-M_{p}^{2}}}c}$

إذا أخذنا${\displaystyle M_{p}=0}$بالنسبة للنيوترينوات وأشعة جاما، يتبسط هذا إلى:

${\displaystyle {\begin{aligned}v_{d}&={\frac {M_{o}^{2}-M_{d}^{2}}{M_{o}^{2}+M_{d}^{2}}}c\\&={\frac {M_{o}+M_{d}}{M_{o}^{2}+M_{d}^{2}}}{\frac {E_{decay}}{c}}\\&\approx {\frac {2}{M_{o}+M_{d}}}{\frac {E_{decay}}{c}}\end{aligned}}}$

بالنسبة لطاقات الاضمحلال المماثلة، سيكون الارتداد الناتج عن انبعاث أشعة ألفا أكبر بكثير من الارتداد الناتج عن انبعاث نيوترينو (عند التقاط الإلكترون ) أو أشعة جاما.

بالنسبة للتحللات التي تُنتج جسيمين بالإضافة إلى النواة الوليدة ، يمكن استخدام الصيغ المذكورة أعلاه لإيجاد أقصى طاقة أو زخم أو سرعة لأي من الجسيمات الثلاثة، بافتراض أن الجسيم الأخف من الجسيمين الآخرين تصل سرعته إلى الصفر. على سبيل المثال، تُحسب أقصى طاقة للنيوترينو، بافتراض أن كتلته السكونية تساوي صفرًا، باستخدام الصيغة كما لو أن النواة الوليدة والنيوترينو فقط هما المتضمنان في التفاعل.

${\displaystyle {\frac {1}{2}}\left(1+{\frac {M_{d}}{M_{o}-M_{e}}}\right)E_{decay}}$

لاحظ أن${\displaystyle M_{d}}$هنا لا تمثل كتلة النظير الناتج المتعادل، بل كتلة النظير الناتج مطروحًا منها كتلة الإلكترون:${\displaystyle M_{d}=M_{o}-E_{decay}/c^{2}-M_{e}.}$

في حالة تحلل بيتا، تكون طاقة الارتداد القصوى للنواة الناتجة، كجزء من طاقة التحلل، أكبر من أي من التقريبين المذكورين أعلاه.${\displaystyle M_{e}/M_{o}.}$و${\displaystyle E_{decay}/(2M_{o}c^{2}).}$يتجاهل الأول طاقة الاضمحلال، ويتجاهل الثاني كتلة جسيم بيتا، ولكن مع اضمحلال بيتا، غالبًا ما يكون هذان العاملان قابلين للمقارنة ولا يمكن تجاهل أي منهما (انظر اضمحلال بيتا#إطلاق الطاقة ).

• التألق بالرنين النووي عديم الارتداد

• الأماكن القريبة : هان ، ديتريش (1984). أوتو هان – Ein Forscherleben unserer Zeit (بالألمانية). شتوتغارت: Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft (WVG). رقم ISBN 978-3-8047-0757-3. OCLC 473315990 . 
• هان، أوتو (1966). أوتو هان: سيرة ذاتية علمية . ترجمة لي، ويلي. نيويورك: تشارلز سكريبنر وأولاده. LCCN 66-25149 . OCLC 646422716 .  

• الارتداد النووي - موسوعة بريتانيكا الإلكترونية