التفاعل النووي

الفيزياء النووية
نواة النوكليونات ص ن المادة النووية القوة النووية البنية النووية التفاعل النووي
نماذج النواة قطرة سائلة نموذج الغلاف النووي نموذج البوزون المتفاعل من البداية
تصنيف النويدات النظائر – Z متساوية خطوط متساوية الضغط – متساوية A الأيزوتونات – تساوي النيتروجين متساويات الأضلاع – متساوية N  −  Z المتزامرات – تساوي كل ما سبق النوى المرآتية  – Z ↔ N مستقر سحر زوجي/فردي هالة بوروميان
الاستقرار النووي طاقة الربط نسبة p إلى n خط التنقيط جزيرة الإستقرار وادي الاستقرار نواة مستقرة
التحلل الإشعاعي ألفا ألفا بيتا بيتا 2 بيتا 0 فولت بيتا + التقاط K/L متمايز جاما γ التحويل الداخلي الانشطار التلقائي تحلل المجموعة انبعاث النيوترون انبعاث البروتون طاقة الاضمحلال سلسلة الاضمحلال Decay product Radiogenic nuclide
Nuclear fission Spontaneous Products pair breaking Photofission
Capturing processes electron 2× neutron s r proton p rp
High-energy processes Spallation by cosmic ray Photodisintegration
Nucleosynthesis and nuclear astrophysics Nuclear fusion Processes: Stellar Big Bang Supernova Nuclides: Primordial Cosmogenic Artificial
High-energy nuclear physics Quark–gluon plasma RHIC LHC
Scientists Alvarez Becquerel Bethe A. Bohr N. Bohr Chadwick Cockcroft Ir. Curie Fr. Curie Pi. Curie Skłodowska-Curie Davisson Fermi Hahn Jensen Lawrence Mayer Meitner Oliphant Oppenheimer Proca Purcell Rabi Rutherford Soddy Strassmann Świątecki Szilárd Teller Thomson Walton Wigner
Physics portal  Category
v t e

في الفيزياء النووية والكيمياء النووية ، التفاعل النووي هو عملية تصادم فيها نواتان ، أو نواة وجسيم دون ذري خارجي ، لإنتاج نواة جديدة واحدة أو أكثر . وبالتالي، يجب أن يتسبب التفاعل النووي في تحول نواة واحدة على الأقل إلى أخرى. إذا تفاعلت نواة مع نواة أو جسيم آخر، فإنهما ينفصلان بعد ذلك دون تغيير طبيعة أي نواة، يشار إلى العملية ببساطة على أنها نوع من التشتت النووي ، وليس تفاعلًا نوويًا.

من حيث المبدأ، يمكن أن يتضمن التفاعل تصادم أكثر من جسيمين ، ولكن لأن احتمالية اجتماع ثلاثة أو أكثر من النوى في نفس الوقت في نفس المكان أقل بكثير من احتمالية اجتماع نواتين، فإن مثل هذا الحدث نادر للغاية (انظر عملية ألفا الثلاثية للحصول على مثال قريب جدًا من تفاعل نووي ثلاثي الأجسام). قد يشير مصطلح "التفاعل النووي" إما إلى تغير في نواة ناتج عن تصادم مع جسيم آخر أو إلى تغير تلقائي لنواة بدون تصادم.

تحدث التفاعلات النووية الطبيعية في التفاعل بين الأشعة الكونية والمادة، ويمكن استخدام التفاعلات النووية بشكل مصطنع للحصول على الطاقة النووية، بمعدل قابل للتعديل، حسب الطلب. تنتج التفاعلات النووية المتسلسلة في المواد الانشطارية انشطارًا نوويًا مستحثًا . تعمل تفاعلات الاندماج النووي المختلفة للعناصر الخفيفة على توفير الطاقة لإنتاج الطاقة في الشمس والنجوم.

في عام 1919، تمكن إرنست رذرفورد من إنجاز تحويل النيتروجين إلى أكسجين في جامعة مانشستر، باستخدام جسيمات ألفا موجهة نحو النيتروجين ^14N + α → ^17O + p. كانت هذه أول ملاحظة لتفاعل نووي مستحث، أي تفاعل تُستخدم فيه جسيمات من اضمحلال واحد لتحويل نواة ذرية أخرى. في النهاية، في عام 1932 في جامعة كامبريدج، تم تحقيق تفاعل نووي صناعي بالكامل وتحويل نووي من قبل زملاء رذرفورد جون كوكروفت وإرنست والتون ، الذين استخدموا بروتونات معجلة صناعيًا ضد الليثيوم 7، لتقسيم النواة إلى جسيمين ألفا. عُرف هذا الإنجاز شعبيًا باسم "تقسيم الذرة " ، على الرغم من أنه لم يكن تفاعل الانشطار النووي الحديث الذي اكتشفه لاحقًا (في عام 1938) العلماء الألمان أوتو هان وليز مايتنر وفريتز ستراسمان في العناصر الثقيلة. [ ^1]

يمكن إظهار التفاعلات النووية في شكل مشابه للمعادلات الكيميائية، حيث يجب أن تتوازن الكتلة الثابتة لكل جانب من جوانب المعادلة، وحيث يجب أن تتبع تحولات الجسيمات قوانين حفظ معينة، مثل حفظ الشحنة وعدد الباريون ( عدد الكتلة الذرية الكلية ). فيما يلي مثال على هذا الترميز:

لموازنة المعادلة أعلاه فيما يتعلق بالكتلة والشحنة والعدد الكتلي، يجب أن يكون للنواة الثانية على اليمين العدد الذري 2 والعدد الكتلي 4؛ وبالتالي فهي أيضًا هيليوم-4. وبالتالي فإن المعادلة الكاملة تقرأ:

أو ببساطة أكثر:

بدلاً من استخدام المعادلات الكاملة بالأسلوب المذكور أعلاه، في العديد من المواقف، يتم استخدام تدوين مضغوط لوصف التفاعلات النووية. هذا الأسلوب من النموذج A(b,c)D يعادل A + b الذي ينتج c + D. غالبًا ما يتم اختصار جسيمات الضوء الشائعة بهذا الاختصار، عادةً p للبروتون، n للنيوترون، d للديوترون ، α يمثل جسيم ألفا أو هيليوم-4 ، β لجسيم بيتا أو الإلكترون، γ لفوتون جاما ، إلخ. يمكن كتابة التفاعل أعلاه على النحو التالي ⁶ Li(d,α)α. ^{[2] [3]}

قد يتم إطلاق الطاقة الحركية أثناء سير التفاعل ( تفاعل طارد للحرارة ) أو قد يتعين توفير الطاقة الحركية لحدوث التفاعل ( تفاعل ماص للحرارة ). يمكن حساب ذلك بالرجوع إلى جدول دقيق للغاية لكتل ​​سكون الجسيمات، ^[4] على النحو التالي: وفقًا للجداول المرجعية،⁶
₃لي
يبلغ الوزن الذري القياسي للنواة 6.015 وحدة كتلة ذرية (مختصرة بـ u )، ويبلغ وزن الديوتيريوم 2.014 وحدة كتلة ذرية، ويبلغ وزن نواة الهيليوم-4 4.0026 وحدة كتلة ذرية. وبالتالي:

• مجموع كتلة السكون للنواة الفردية = 6.015 + 2.014 = 8.029 وحدة؛
• الكتلة الساكنة الكلية لنواة الهيليوم = 2 × 4.0026 = 8.0052 وحدة؛
• كتلة السكون المفقودة = 8.029 – 8.0052 = 0.0238 وحدة كتلة ذرية.

في التفاعل النووي، تكون الطاقة الكلية (النسبية) محفوظة . لذلك يجب أن تظهر كتلة السكون "المفقودة" مرة أخرى كطاقة حركية تنطلق في التفاعل؛ مصدرها هو طاقة الربط النووية. باستخدام صيغة تكافؤ الكتلة والطاقة لأينشتاين E  =  mc ² ، يمكن تحديد كمية الطاقة المنبعثة. نحتاج أولاً إلى المكافئ الطاقي لوحدة كتلة ذرية واحدة :

ومن ثم، فإن الطاقة المنطلقة هي 0.0238 × 931 ميجا إلكترون فولت = 22.2 ميجا إلكترون فولت .

وبعبارة أخرى: يتم تقليل الكتلة بنسبة 0.3%، وهو ما يتوافق مع 0.3% من 90 PJ/kg أي 270 TJ/kg.

هذه كمية كبيرة من الطاقة لتفاعل نووي؛ الكمية عالية جدًا لأن طاقة الارتباط لكل نوكليون في نواة الهيليوم-4 عالية بشكل غير عادي لأن نواة He-4 " سحر مزدوج ". (نواة He-4 مستقرة بشكل غير عادي ومرتبطة بإحكام لنفس السبب الذي يجعل ذرة الهيليوم خاملة: كل زوج من البروتونات والنيوترونات في He-4 يشغل مدارًا نوويًا ممتلئًا 1s بنفس الطريقة التي يشغل بها زوج الإلكترونات في ذرة الهيليوم مدارًا إلكترونيًا ممتلئًا 1s ). وبالتالي، تظهر جسيمات ألفا بشكل متكرر على الجانب الأيمن من التفاعلات النووية.

يمكن أن تظهر الطاقة المنبعثة في التفاعل النووي بشكل رئيسي بإحدى ثلاث طرق:

• الطاقة الحركية لجزيئات المنتج (يمكن تحويل جزء من الطاقة الحركية لمنتجات التفاعل النووي المشحونة مباشرة إلى طاقة كهروستاتيكية)؛ ^[5]
• انبعاث الفوتونات ذات الطاقة العالية جدًا ، والتي تسمى أشعة جاما ؛
• قد تبقى بعض الطاقة في النواة، كمستوى طاقة غير مستقر .

عندما تكون نواة المنتج غير مستقرة، يتم الإشارة إلى ذلك بوضع علامة النجمة ("*") بجوار رقمها الذري. يتم إطلاق هذه الطاقة في النهاية من خلال الاضمحلال النووي .

قد تظهر أيضًا كمية صغيرة من الطاقة في شكل أشعة سينية . عمومًا، يكون للنواة الناتجة عدد ذري ​​مختلف، وبالتالي يكون تكوين أغلفة الإلكترونات الخاصة بها خاطئًا. عندما تعيد الإلكترونات ترتيب نفسها وتهبط إلى مستويات طاقة أقل، قد تنبعث أشعة سينية انتقالية داخلية (أشعة سينية بخطوط انبعاث محددة بدقة ).

عند كتابة معادلة التفاعل، بطريقة مماثلة للمعادلة الكيميائية ، يمكننا أيضًا إعطاء طاقة التفاعل على الجانب الأيمن:

بالنسبة للحالة الخاصة التي تمت مناقشتها أعلاه، تم حساب طاقة التفاعل بالفعل على أنها Q = 22.2 ميجا إلكترون فولت. وبالتالي:

طاقة التفاعل (قيمة Q) موجبة للتفاعلات الطاردة للحرارة وسالبة للتفاعلات الماصة للحرارة، على عكس التعبير المماثل في الكيمياء . من ناحية، هي الفرق بين مجموع الطاقات الحركية على الجانب النهائي وعلى الجانب الأولي. ولكن من ناحية أخرى، هي أيضًا الفرق بين كتل السكون النووية على الجانب الأولي وعلى الجانب النهائي (بهذه الطريقة، حسبنا قيمة Q أعلاه).

إذا كانت معادلة التفاعل متوازنة، فهذا لا يعني أن التفاعل يحدث بالفعل. يعتمد معدل حدوث التفاعلات على الطاقة وتدفق الجسيمات الواردة، والمقطع العرضي للتفاعل . ومن الأمثلة على مستودع كبير لمعدلات التفاعل قاعدة بيانات REACLIB، كما تديرها المعهد المشترك للفيزياء الفلكية النووية .

في التصادم الأولي الذي يبدأ التفاعل، يجب أن تقترب الجسيمات بشكل وثيق بما يكفي حتى تتمكن القوة القوية قصيرة المدى من التأثير عليها. نظرًا لأن معظم الجسيمات النووية الشائعة مشحونة إيجابيا، فهذا يعني أنه يجب عليها التغلب على التنافر الكهروستاتيكي الكبير قبل أن يبدأ التفاعل. حتى لو كانت النواة المستهدفة جزءًا من ذرة محايدة ، فيجب أن يخترق الجسيم الآخر ما هو أبعد من سحابة الإلكترون ويقترب عن كثب من النواة، والتي تكون مشحونة إيجابيا. وبالتالي، يجب تسريع هذه الجسيمات أولاً إلى طاقة عالية، على سبيل المثال عن طريق:

• مُسرعات الجسيمات ؛
• الاضمحلال النووي (جسيمات ألفا هي النوع الرئيسي المثير للاهتمام هنا نظرًا لأن أشعة بيتا وأشعة جاما نادرًا ما تشارك في التفاعلات النووية)؛
• درجات حرارة عالية جدًا، تصل إلى ملايين الدرجات، مما يؤدي إلى تفاعلات نووية حرارية ؛
• الأشعة الكونية .

أيضًا، نظرًا لأن قوة التنافر تتناسب مع حاصل ضرب الشحنتين، فإن التفاعلات بين النوى الثقيلة تكون نادرة، وتتطلب طاقة أولية أعلى من تلك التي بين نواة ثقيلة وخفيفة؛ في حين أن التفاعلات بين نواة خفيفة هي الأكثر شيوعًا.

من ناحية أخرى، لا تحمل النيوترونات شحنة كهربائية تسبب التنافر، وهي قادرة على بدء تفاعل نووي عند طاقات منخفضة للغاية. في الواقع، عند طاقات جسيمية منخفضة للغاية (تتوافق، على سبيل المثال، مع التوازن الحراري في درجة حرارة الغرفة )، يزداد طول موجة دي برولي للنيوترون بشكل كبير، مما قد يؤدي إلى زيادة مقطع التقاطه بشكل كبير، عند طاقات قريبة من رنينات النوى المعنية. وبالتالي، قد تكون النيوترونات منخفضة الطاقة أكثر تفاعلية من النيوترونات عالية الطاقة.

في حين أن عدد التفاعلات النووية المحتملة هائل، إلا أن هناك عدة أنواع أكثر شيوعًا أو ملحوظة. وتشمل بعض الأمثلة:

• تفاعلات الاندماج – تتحد نواتان خفيفتان لتكوين نواتين أثقل، مع انبعاث جزيئات إضافية (عادةً بروتونات أو نيوترونات) في وقت لاحق.
• التشظي – يتم ضرب النواة بواسطة جسيم ذي طاقة وزخم كافيين لتدمير عدة شظايا صغيرة أو تحطيمه إلى العديد من الشظايا.
• تنتمي انبعاث غاما المستحث إلى فئة حيث تشارك الفوتونات فقط في إنشاء وتدمير حالات الإثارة النووية.
• تفاعلات الانشطار – تنقسم نواة ثقيلة جدًا، بعد امتصاص جسيمات خفيفة إضافية (عادةً النيوترونات)، إلى قطعتين أو في بعض الأحيان ثلاث قطع. هذا هو التفاعل النووي المستحث. الانشطار التلقائي ، الذي يحدث بدون مساعدة النيوترون، لا يُعتبر عادةً تفاعلًا نوويًا. على الأكثر، ليس تفاعلًا نوويًا مستحثًا .

تنقل المقذوفات متوسطة الطاقة الطاقة أو تلتقط أو تفقد النيوكليونات إلى النواة في حدث سريع واحد (10 ⁻²¹ ثانية). نقل الطاقة والزخم صغير نسبيًا. وهذا مفيد بشكل خاص في الفيزياء النووية التجريبية، لأن آليات التفاعل غالبًا ما تكون بسيطة بما يكفي للحساب بدقة كافية لاستكشاف بنية النواة المستهدفة.

يتم نقل الطاقة والزخم فقط.

• (p,p') يختبر الاختلافات بين الدول النووية.
• (α,α') يقيس أشكال وأحجام الأسطح النووية. ونظرًا لأن جسيمات α التي تصطدم بالنواة تتفاعل بعنف أكبر، فإن التشتت المرن وغير المرن السطحي حساس لأشكال وأحجام الأهداف، مثل الضوء المتناثر من جسم أسود صغير.
• (e,e') مفيد في استكشاف البنية الداخلية. نظرًا لأن الإلكترونات تتفاعل بقوة أقل من تفاعل البروتونات والنيوترونات، فإنها تصل إلى مراكز الأهداف وتكون وظائفها الموجية أقل تشوهًا عند المرور عبر النواة.

تنتقل الطاقة والشحنة بين المقذوف والهدف. ومن أمثلة هذا النوع من التفاعلات:

• (ص،ن)
• ( ³ هـ،ت)

عادةً، عند طاقة منخفضة إلى حد ما، يتم نقل نوكليون واحد أو أكثر بين المقذوف والهدف. وهذه مفيدة في دراسة بنية الغلاف الخارجي للنواة. يمكن أن تحدث تفاعلات النقل:

• من المقذوف إلى الهدف - تفاعلات التجريد
• من الهدف إلى المقذوف - ردود الفعل الالتقاطية

أمثلة:

• تفاعلات (α,n) و(α,p). تضمنت بعض أقدم التفاعلات النووية التي تمت دراستها جسيم ألفا ينتج عن اضمحلال ألفا ، مما يؤدي إلى اصطدام نوكليون بنواة مستهدفة.
• تفاعلات (d,n) و(d,p). تصطدم حزمة من الديوترون بالهدف؛ تمتص نوى الهدف إما النيوترون أو البروتون من الديوترون. يرتبط الديوترون بشكل فضفاض للغاية بحيث يكون هذا تقريبًا مثل التقاط البروتون أو النيوترون. قد تتشكل نواة مركبة، مما يؤدي إلى انبعاث نيوترونات إضافية بشكل أبطأ. تُستخدم تفاعلات (d,n) لتوليد نيوترونات نشطة.
• لقد تم استخدام تفاعل تبادل الغرابة ( K , π ) لدراسة النوى المفرطة .
• تعتبر التفاعل ¹⁴ N(α,p) ^{17 O الذي أجراه رذرفورد في عام 1917 (والذي تم الإبلاغ عنه في عام 1919) بمثابة أول تجربة} تحويل نووي .

	→ ت	→ 7 لي	→ 14 درجة مئوية
(ن، ألفا )	6 لي + ن → ت + ألفا	10 ب + ن → 7 لي + ألفا	17 O + n → 14 C + α	21 Ne + n → 18 O + α	37 Ar + n → 34 S + α
(ن،ص)	3 He + n → T + p	7 Be + n → 7 Li + p	14 ن + ن → 14 كربون + ص	22 Na + n → 22 Ne + p
(ن، γ )	2H + n → T + γ		13 C + n → 14 C + γ

تعتبر التفاعلات مع النيوترونات مهمة في المفاعلات النووية والأسلحة النووية . في حين أن أشهر تفاعلات النيوترونات هي تشتت النيوترونات ، وأسر النيوترونات ، والانشطار النووي ، فإن التفاعل الأكثر احتمالاً مع النيوترون الحراري هو تفاعل النقل بالنسبة لبعض النوى الخفيفة (خاصة النوى الفردية ):

بعض التفاعلات ممكنة فقط مع النيوترونات السريعة :

• تنتج تفاعلات (n,2n) كميات صغيرة من البروتكتينيوم-231 واليورانيوم -232 في دورة الثوريوم والتي تكون خالية نسبيًا من منتجات الأكتينيدات شديدة الإشعاع .
• ^{يمكن أن يساهم 9} Be + n → 2 α + 2n ببعض النيوترونات الإضافية في عاكس نيوترون البريليوم للسلاح النووي .
• ⁷ ساهم Li + n → T + α + n بشكل غير متوقع في إنتاجية إضافية في طلقات Bravo و Romeo و Yankee في عملية Castle ، وهي الاختبارات النووية الثلاثة ذات أعلى إنتاجية التي أجرتها الولايات المتحدة

إما أن يتم امتصاص مقذوف منخفض الطاقة أو أن ينقل جسيم ذو طاقة أعلى الطاقة إلى النواة، مما يتركها مع قدر كبير جدًا من الطاقة بحيث لا يمكن ربطها معًا بشكل كامل. على مقياس زمني يبلغ حوالي 10 ⁻¹⁹ ثانية، يتم "غلي" الجسيمات، عادةً النيوترونات. أي أنها تظل معًا حتى يحدث تركيز كافٍ من الطاقة في نيوترون واحد للهروب من الجذب المتبادل. تسمى النواة شبه المرتبطة المثارة نواة مركبة .

• طاقة منخفضة (e, e' xn)، (γ, xn) (يشير xn إلى نيوترون واحد أو أكثر)، حيث تكون طاقة جاما أو جاما الافتراضية قريبة من الرنين ثنائي القطب العملاق . وهذا يزيد من الحاجة إلى الحماية من الإشعاع حول مسرعات الإلكترون .

• شمتز، تايلور (1973). الفيزياء النووية . مطبعة بيرغامون . رقم ISBN 0-08-016983-X.
• برتولاني، كارلوس (2007). الفيزياء النووية في خلاصة . مطبعة جامعة برينستون . ISBN 978-0-691-12505-3.