الطاقة النووية

طاقة الربط النووي في الفيزياء النووية والهندسة النووية هي الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لتفكيك نواة ذرة واحدة بالكامل إلى مكوناتها من البروتونات والنيوترونات ، والمعروفة مجتمعةً باسم النيوكليونات . طاقة الربط للنوى المستقرة هي دائمًا قيمة موجبة، إذ يجب أن تكتسب النواة طاقةً لكي تتباعد النيوكليونات عن بعضها. تنجذب النيوكليونات إلى بعضها بفعل القوة النووية القوية . في الفيزياء النووية النظرية، تُعتبر طاقة الربط النووي قيمة سالبة. في هذا السياق، تُمثل طاقة النواة نسبةً إلى طاقة النيوكليونات المكونة لها عندما تكون متباعدةً إلى ما لا نهاية. يتطابق كل من المنظورين التجريبي والنظري، مع اختلاف طفيف في التركيز على معنى طاقة الربط.

كتلة نواة الذرة أقل من مجموع كتل البروتونات والنيوترونات الحرة المكونة لها . ويمكن حساب الفرق في الكتلة باستخدام معادلة أينشتاين : E = mc² ^، حيث E هي طاقة الربط النووي، و c هي سرعة الضوء ، و m هو الفرق في الكتلة. تُعرف هذه "الكتلة المفقودة" بنقص الكتلة، وهي تمثل الطاقة التي انطلقت عند تكوّن النواة. ^[¹^]

قد يشير مصطلح "طاقة الربط النووي" أيضًا إلى توازن الطاقة في العمليات التي تنقسم فيها النواة إلى أجزاء تتكون من أكثر من نيوكليون واحد. إذا توفرت طاقة ربط جديدة عند اندماج النوى الخفيفة ( الاندماج النووي )، أو عند انقسام النوى الثقيلة ( الانشطار النووي )، فإن أيًا من العمليتين يمكن أن يؤدي إلى إطلاق هذه الطاقة. يمكن استخدام هذه الطاقة كطاقة نووية لإنتاج الكهرباء، كما في الطاقة النووية ، أو في سلاح نووي . عندما تنقسم نواة كبيرة إلى أجزاء، تنبعث طاقة زائدة على شكل أشعة غاما وطاقة حركية من جسيمات مختلفة مقذوفة (نواتج الانشطار النووي).

تبلغ طاقات وقوى الربط النووي هذه حوالي مليون مرة أكبر من طاقات ربط الإلكترون للذرات الخفيفة مثل الهيدروجين . ^{[ 2 ]}

مقدمة

الطاقة النووية

يحدث امتصاص أو إطلاق للطاقة النووية في التفاعلات النووية أو التحلل الإشعاعي ؛ وتُسمى التفاعلات التي تمتص الطاقة بالتفاعلات الماصة للحرارة ، بينما تُسمى التفاعلات التي تُطلق الطاقة بالتفاعلات الطاردة للحرارة . وتُستهلك الطاقة أو تُطلق نتيجةً لاختلاف طاقة الربط النووي بين نواتج التحول النووي الداخلة والخارجة. ^{[ 3 ]}

أشهر أنواع التحولات النووية الطاردة للحرارة هي الانشطار النووي والاندماج النووي . في أي عملية نووية طاردة للحرارة، قد تتحول الكتلة النووية في النهاية إلى طاقة حرارية، تُطلق على شكل حرارة. ^{[ 4 ]}

يمكن إطلاق الطاقة النووية عن طريق الانشطار النووي، عندما تتفكك النوى الذرية الثقيلة (مثل اليورانيوم والبلوتونيوم) إلى نوى أخف. ويُستخدم الانشطار النووي لتوليد الطاقة الكهربائية في مئات المواقع حول العالم.

تُطلق الطاقة النووية أيضًا أثناء الاندماج النووي، عندما تتحد نوى خفيفة كالهيدروجين لتكوين نوى أثقل كالهيليوم. تستخدم الشمس والنجوم الأخرى الاندماج النووي لتوليد الطاقة الحرارية التي تُشع لاحقًا من سطحها. بالإضافة إلى ذلك، يُنتج الاندماج العديد من العناصر الأثقل (انظر: التخليق النووي النجمي ).

من أجل تحديد كمية الطاقة المنبعثة أو الممتصة في أي عملية تحول نووي، يجب معرفة طاقات الربط النووي للمكونات النووية المشاركة في عملية التحول. ^{[ 1 ]}

القوة النووية

تترابط الإلكترونات والنوى بفعل التجاذب الكهروستاتيكي (الشحنة السالبة تجذب الشحنة الموجبة). علاوة على ذلك، تتشارك الذرات المتجاورة الإلكترونات أحيانًا أو تنتقل إليها (عبر عمليات فيزياء الكم )؛ ويُشار إلى هذا الرابط بين الذرات بالرابطة الكيميائية ، وهو المسؤول عن تكوين جميع المركبات الكيميائية . ^{[ 5 ]}

لا تُبقي القوة الكهربائية النوى متماسكة، لأن جميع البروتونات تحمل شحنة موجبة وتتنافر فيما بينها. ^{[ 6 ]} إذا تلامس بروتونان، فإن قوة تنافرهما ستكون حوالي 40 نيوتن . ولأن كل نيوترون يحمل شحنة كلية تساوي صفرًا، يمكن للبروتون أن يجذب النيوترون كهربائيًا إذا استطاع البروتون حث النيوترون على الاستقطاب الكهربائي . مع ذلك، فإن وجود النيوترون بين بروتونين (بحيث ينخفض تنافرهما المتبادل إلى 10 نيوتن) لن يجذب النيوترون إلا في حالة وجود ترتيب رباعي الأقطاب الكهربائية (- + + -) . أما الأقطاب المتعددة الأعلى، اللازمة لتلبية احتياجات عدد أكبر من البروتونات، فتؤدي إلى جذب أضعف، وسرعان ما تصبح غير محتملة.

بعد قياس العزوم المغناطيسية للبروتونات والنيوترونات والتحقق منها ، اتضح أن قوى التجاذب بينهما قد تتراوح بين 20 و30 نيوتن، وهي قوى جاذبة إذا ما وُجِّهت بشكل صحيح. يبذل زوج من البروتونات شغلاً مقداره 10⁻¹³ جول ^تجاه بعضهما البعض أثناء اقترابهما، أي أنهما يحتاجان إلى إطلاق طاقة مقدارها 0.5 ميغا إلكترون فولت لكي يلتصقا معًا. من جهة أخرى، بمجرد أن يلتصق زوج من النيوكليونات مغناطيسيًا، تتضاءل مجالاتهما الخارجية بشكل كبير، مما يجعل من الصعب على العديد من النيوكليونات تجميع طاقة مغناطيسية كبيرة.

لذا، توجد قوة أخرى تُسمى القوة النووية (أو القوة القوية المتبقية ) تربط النيوكليونات في النوى معًا. هذه القوة هي بقايا التفاعل القوي ، الذي يربط الكواركات في نيوكليونات على مسافة أصغر.

إن عدم اندماج النوى في الظروف العادية يشير إلى أن القوة النووية تكون أضعف من التنافر الكهربائي عند المسافات البعيدة، ولكنها أقوى عند المسافات القريبة. ولذلك، فهي تتميز بخصائص قصيرة المدى. ويمكن تشبيه القوة النووية بالقوة بين مغناطيسين صغيرين: فمن الصعب فصل المغناطيسات عندما تكون ملتصقة، ولكن بمجرد فصلها لمسافة قصيرة، تنخفض القوة بينها إلى الصفر تقريبًا. ^{[ 5 ]}

على عكس الجاذبية أو القوة الكهربائية، لا تكون القوة النووية فعالة إلا على مسافات قصيرة جدًا. عند المسافات الأبعد، تسود القوة الكهروستاتيكية: تتنافر البروتونات فيما بينها لأنها مشحونة بشحنة موجبة. لهذا السبب، لا تتحد البروتونات المكونة لنوى الهيدروجين العادي لتكوين الهيليوم في الظروف العادية؛ إذ لا تستطيع البروتونات الاقتراب بدرجة كافية لتصبح القوة النووية، التي تجذبها لبعضها، ذات أهمية. علاوة على ذلك، تتطلب هذه العملية أيضًا اتحاد بعض البروتونات مع الإلكترونات لتكوين نيوترونات (انظر سلسلة تفاعلات البروتون-بروتون ودورة CNO )؛ وتتطلب هذه العمليات ضغطًا ودرجة حرارة مرتفعين للغاية لحدوثها، وبالتالي لا تحدث عادةً إلا في بيئات قاسية مثل نوى النجوم . ^{[ 7 ]}

فيزياء النوى

يوجد حوالي 94 عنصرًا طبيعيًا على سطح الأرض. تحتوي ذرات كل عنصر على نواة تحوي عددًا محددًا من البروتونات (وهو العدد نفسه دائمًا للعنصر الواحد)، وعددًا من النيوترونات ، وهو عدد متقارب في الغالب. تُعرف ذرتان من العنصر نفسه، تختلفان في عدد النيوترونات، بنظائر ذلك العنصر. قد تمتلك النظائر المختلفة خصائص متباينة؛ فمثلًا، قد يكون أحدها مستقرًا والآخر غير مستقر، ويخضع تدريجيًا للتحلل الإشعاعي ليتحول إلى عنصر آخر.

تحتوي نواة الهيدروجين على بروتون واحد فقط. أما نظيره ، الديوتيريوم (المعروف أيضًا بالهيدروجين الثقيل)، فيحتوي على بروتون ونيوترون. ويحتوي نظير الهيليوم الأكثر شيوعًا على بروتونين ونيوترونين، وكذلك الحال بالنسبة للكربون والنيتروجين والأكسجين - ستة وسبعة وثمانية جسيمات على التوالي. ومع ذلك، فإن وزن نواة الهيليوم أقل من مجموع أوزان نواتي الهيدروجين الثقيلتين اللتين تتحدان لتكوينها. ^{[ 8 ]} وينطبق الأمر نفسه على الكربون والنيتروجين والأكسجين. فعلى سبيل المثال، نواة الكربون أخف وزنًا بقليل من ثلاث نوى هيليوم يمكن أن تتحد لتكوين نواة كربون واحدة. ويُعرف هذا الفرق بنقص الكتلة.

عيب في الكتلة

^{نقص الكتلة ( أو} ما يُسمى أيضًا "عجز الكتلة") هو الفرق بين كتلة الجسم ومجموع كتل جسيماته المكونة له. يُمكن تفسير نقص الكتلة باستخدام معادلة ألبرت أينشتاين E = mc² ، المنشورة عام 1905، والتي تصف تكافؤ الطاقة والكتلة . يُساوي النقص في الكتلة الطاقة المنبعثة في تفاعل تكوين الذرة مقسومة على c² . ^[⁹^] وفقًا لهذه المعادلة، تُؤدي إضافة الطاقة إلى زيادة الكتلة (الوزن والقصور الذاتي)، بينما يُؤدي إزالة الطاقة إلى نقصان الكتلة. على سبيل المثال، كتلة ذرة الهيليوم التي تحتوي على أربعة نيوكليونات تقل بنحو 0.8% عن الكتلة الإجمالية لأربع ذرات هيدروجين (تحتوي كل منها على نيوكليون واحد). تحتوي نواة الهيليوم على أربعة نيوكليونات مرتبطة معًا، ^وطاقةالربط التي تُبقيها معًا هي، في الواقع، نسبة 0.8% المفقودة من الكتلة. ^[¹⁰^]^[¹¹^]

بالنسبة للعناصر الأخف، تقل الطاقة التي يمكن إطلاقها من خلال تجميعها من عناصر أخف، ويمكن إطلاق الطاقة عند اندماجها. ينطبق هذا على النوى الأخف من الحديد أو النيكل . أما بالنسبة للنوى الأثقل، فتتطلب طاقة أكبر لربطها، ويمكن إطلاق هذه الطاقة عن طريق تكسيرها إلى أجزاء (وهي عملية تُعرف بالانشطار النووي ). تُولّد الطاقة النووية حاليًا عن طريق تكسير نوى اليورانيوم في مفاعلات الطاقة النووية، والتقاط الطاقة المنبعثة على شكل حرارة، والتي تُحوّل إلى كهرباء.

وكقاعدة عامة، يمكن للعناصر الخفيفة جدًا أن تندمج بسهولة نسبية، ويمكن للعناصر الثقيلة جدًا أن تتفكك عن طريق الانشطار بسهولة بالغة؛ أما العناصر المتوسطة فهي أكثر استقرارًا ويصعب جعلها تخضع إما للاندماج أو الانشطار في بيئة مثل المختبر.

يعود سبب انعكاس هذا الاتجاه بعد الحديد إلى تزايد الشحنة الموجبة للنوى، مما يدفعها نحو التفكك. ويُقاوم هذا التأثير التفاعل النووي القوي الذي يُبقي النيوكليونات متماسكة. قد تكون القوة الكهربائية أضعف من القوة النووية القوية، لكن نطاق الأخيرة محدود للغاية: ففي نواة الحديد، يتنافر كل بروتون مع البروتونات الـ 25 الأخرى، بينما لا تربط القوة النووية إلا البروتونات القريبة. لذا، بالنسبة للنوى الأكبر حجمًا، تميل القوى الكهروستاتيكية إلى السيطرة، وتميل النواة مع مرور الوقت إلى التفكك.

مع ازدياد حجم النوى، يصبح هذا التأثير المُعطِّل أكثر أهميةً بشكلٍ مطرد. عند الوصول إلى البولونيوم (84 بروتونًا)، لا تستطيع النوى استيعاب شحنتها الموجبة الكبيرة، فتُطلق بروتوناتها الزائدة بسرعةٍ كبيرة في عملية تحلل ألفا - انبعاث نوى الهيليوم، التي تحتوي كلٌّ منها على بروتونين ونيوترونين. وبسبب هذه العملية، لا توجد نوى تحتوي على أكثر من 94 بروتونًا بشكلٍ طبيعي على الأرض (انظر الجدول الدوري ). أما النظائر التي تلي اليورانيوم (العدد الذري 92) ذات أطول أعمار نصفية فهي البلوتونيوم-244 (80 مليون سنة) والكوريوم-247 (16 مليون سنة).

التفاعلات النووية في الشمس

تتم عملية الاندماج النووي على النحو التالي: قبل خمسة مليارات سنة، تشكلت الشمس الجديدة عندما جذبت الجاذبية سحابة هائلة من الهيدروجين والغبار، والتي نشأت منها الأرض والكواكب الأخرى أيضًا. أطلق الجذب الجاذبي طاقة وسخن الشمس البدائية، بالطريقة التي اقترحها هيرمان فون هيلمهولتز . ^{[ 12 ]}

تظهر الطاقة الحرارية على شكل حركة الذرات والجزيئات: فكلما ارتفعت درجة حرارة مجموعة من الجسيمات، زادت سرعتها واشتدت تصادماتها. عندما بلغت درجة الحرارة في مركز الشمس حديثة التكوين حدًا كافيًا لتتغلب تصادمات نوى الهيدروجين على تنافرها الكهربائي، وتجعلها ضمن نطاق قوة الجذب النووي ، بدأت النوى بالالتصاق ببعضها. وعندما بدأ هذا الالتصاق، اتحدت البروتونات لتكوين الديوتيريوم ثم الهيليوم، مع تحول بعض البروتونات خلال هذه العملية إلى نيوترونات (بالإضافة إلى البوزيترونات، وهي إلكترونات موجبة الشحنة، تتحد مع الإلكترونات وتفني لتُنتج فوتونات أشعة غاما). تحافظ هذه الطاقة النووية المنبعثة الآن على ارتفاع درجة حرارة لب الشمس، كما تحافظ الحرارة على ضغط الغاز مرتفعًا، مما يُبقي الشمس على حجمها الحالي، ويمنع الجاذبية من ضغطها أكثر. يوجد الآن توازن مستقر بين الجاذبية والضغط.

قد تسود تفاعلات نووية مختلفة في مراحل مختلفة من وجود الشمس، بما في ذلك تفاعل البروتون-البروتون ودورة الكربون-النيتروجين - والتي تتضمن نوى أثقل، ولكن منتجها النهائي لا يزال هو اتحاد البروتونات لتكوين الهيليوم.

يسعى الفيزيائيون والمهندسون منذ خمسينيات القرن الماضي إلى استخلاص طاقة مفيدة من تفاعلات الاندماج النووي التي تجمع نوى صغيرة لتكوين نوى أكبر، وذلك عادةً لتسخين الغلايات، حيث يمكن للبخار الناتج أن يُشغل التوربينات ويولد الكهرباء. لا يوجد مختبر أرضي يُضاهي إحدى خصائص الطاقة الشمسية: الكتلة الهائلة للشمس، التي يُبقي وزنها البلازما الساخنة مضغوطة ويحصر الفرن النووي في لب الشمس. ولذلك، يستخدم الفيزيائيون مجالات مغناطيسية قوية لحصر البلازما، ويستخدمون أنواعًا ثقيلة من الهيدروجين كوقود، فهي تحترق بسهولة أكبر. قد تكون المصائد المغناطيسية غير مستقرة، وأي بلازما ساخنة وكثيفة بما يكفي للخضوع للاندماج النووي تميل إلى الانزلاق منها بعد فترة وجيزة. وحتى مع استخدام حيل بارعة، فإن الحصر في معظم الحالات لا يدوم إلا جزءًا صغيرًا من الثانية.

دمج النوى

يمكن للنوى الصغيرة الأكبر من الهيدروجين أن تتحد لتكوين نوى أكبر وتُطلق طاقة، ولكن كمية الطاقة المنبعثة من هذا الاندماج أقل بكثير مقارنةً باندماج الهيدروجين. والسبب هو أنه بينما تُطلق العملية طاقةً من خلال السماح لقوى التجاذب النووي بالعمل، يجب أولاً حقن طاقة لإجبار البروتونات الموجبة الشحنة على التقارب، والتي تتنافر بدورها بسبب شحنتها الكهربائية. ^{[ 7 ]}

بالنسبة للعناصر التي يزيد وزنها عن الحديد (نواة تحتوي على 26 بروتونًا)، لا تُطلق عملية الاندماج طاقة. وفي النوى الأثقل، تُستهلك الطاقة، لا تُطلق، عند دمج نوى متقاربة الحجم. مع هذه النوى الكبيرة، يتطلب التغلب على التنافر الكهربائي (الذي يؤثر على جميع البروتونات في النواة) طاقة أكبر مما يُطلقه التجاذب النووي (الذي يكون فعالًا بشكل رئيسي بين النوى المتقاربة). في المقابل، يمكن إطلاق الطاقة فعليًا عن طريق تفكيك نوى أثقل من الحديد. ^{[ 7 ]}

في حالة نوى العناصر الأثقل من الرصاص ، يكون التنافر الكهربائي قويًا لدرجة أن بعضها يقذف تلقائيًا شظايا موجبة الشحنة، وعادةً ما تكون نوى الهيليوم التي تُشكّل جسيمات ألفا مستقرة . يُعدّ هذا التفكك التلقائي أحد أشكال النشاط الإشعاعي التي تُظهرها بعض النوى. ^{[ 7 ]}

تتفكك النوى الأثقل من الرصاص (باستثناء البزموت والثوريوم واليورانيوم ) تلقائيًا بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا تظهر في الطبيعة كعناصر بدائية ، على الرغم من إمكانية إنتاجها صناعيًا أو كعناصر وسيطة في سلاسل تحلل العناصر الأثقل. وبشكل عام، كلما زاد وزن النوى، زادت سرعة تحللها التلقائي. ^[⁷^]

تُعدّ نوى الحديد أكثر النوى استقرارًا (وخاصةً الحديد-56 )، ولذلك فإن أفضل مصادر الطاقة هي النوى التي تختلف أوزانها قدر الإمكان عن أوزان الحديد. يمكن دمج أخفّها - نوى الهيدروجين (البروتونات) - لتكوين نوى الهيليوم، وهكذا تُولّد الشمس طاقتها. أو يمكن تفكيك أثقلها - نوى اليورانيوم أو البلوتونيوم - إلى أجزاء أصغر، وهذا ما تفعله المفاعلات النووية . ^{[ 7 ]}

الطاقة النووية

من الأمثلة التي توضح طاقة الربط النووي نواة الكربون ^-12 ( 12C )، التي تحتوي على 6 بروتونات و6 نيوترونات. جميع البروتونات موجبة الشحنة وتتنافر فيما بينها، لكن القوة النووية تتغلب على هذا التنافر وتجعلها تلتصق ببعضها. القوة النووية قوة قصيرة المدى (فهي جاذبة بقوة على مسافة 1.0 فيمتومتر، وتصبح ضئيلة للغاية بعد مسافة 2.5 فيمتومتر)، ولا يُلاحظ أي تأثير يُذكر لهذه القوة خارج النواة. كما تجذب القوة النووية النيوترونات معًا، أو النيوترونات والبروتونات. ^{[ 6 ]}

طاقة النواة سالبة مقارنةً بطاقة الجسيمات المتباعدة إلى مسافة لا نهائية (تمامًا مثل طاقة جاذبية كواكب المجموعة الشمسية)، لأن الطاقة ضرورية لفصل النواة إلى بروتوناتها ونيوتروناتها. وقد قاس مطياف الكتلة كتل النوى، وهي دائمًا أقل من مجموع كتل البروتونات والنيوترونات المكونة لها، والفرق بينهما - وفقًا للمعادلة E = mc² ^- يُعطي طاقة ربط النواة. ^{[ 6 ]}

الاندماج النووي

تُعدّ طاقة الربط في الهيليوم مصدر الطاقة للشمس ومعظم النجوم. ^{[ 13 ]} تتكون الشمس من 74% من الهيدروجين (مقاسًا بالكتلة)، وهو عنصر يحتوي على نواة تتكون من بروتون واحد. تُطلق الطاقة في الشمس عندما تتحد 4 بروتونات لتكوين نواة هيليوم، وهي عملية يتحول فيها اثنان منها أيضًا إلى نيوترونات. ^{[ 6 ]}

يُعدّ تحوّل البروتونات إلى نيوترونات نتيجةً لقوة نووية أخرى تُعرف بالقوة النووية الضعيفة . تتميز هذه القوة، كالقوة النووية القوية، بمدى قصير، إلا أنها أضعف بكثير منها. تسعى القوة النووية الضعيفة إلى جعل عدد النيوترونات والبروتونات في التكوين الأكثر استقرارًا من الناحية الطاقية. بالنسبة للنوى التي تحتوي على أقل من 40 جسيمًا، يكون هذان العددان متساويين تقريبًا. يرتبط البروتونات والنيوترونات ارتباطًا وثيقًا، ويُعرفان مجتمعين باسم النيوكليونات. مع ازدياد عدد الجسيمات حتى يصل إلى حد أقصى يبلغ حوالي 209، يبدأ عدد النيوترونات اللازمة للحفاظ على الاستقرار في تجاوز عدد البروتونات، حتى تصبح نسبة النيوترونات إلى البروتونات حوالي ثلاثة إلى اثنين. ^{[ 6 ]}

لا تتحد بروتونات الهيدروجين لتكوين الهيليوم إلا إذا كانت سرعتها كافية للتغلب على تنافرها المتبادل، ما يسمح لها بالاقتراب من نطاق التجاذب النووي القوي. وهذا يعني أن الاندماج النووي لا يحدث إلا في غاز شديد الحرارة. ويتطلب الهيدروجين الساخن بما يكفي للاندماج لتكوين الهيليوم ضغطًا هائلاً للحفاظ عليه محصورًا، لكن الظروف الملائمة موجودة في المناطق المركزية للشمس، حيث يوفر هذا الضغط الوزن الهائل للطبقات فوق اللب، التي تضغطها جاذبية الشمس القوية نحو الداخل. وتُعد عملية اندماج البروتونات لتكوين الهيليوم مثالًا على الاندماج النووي. ^{[ 6 ]}

يُعدّ إنتاج الهيليوم من الهيدروجين العادي شبه مستحيل على الأرض لصعوبة إنتاج الديوتيريوم . وتُجرى حاليًا أبحاث لتطوير عملية تستخدم الديوتيريوم والتريتيوم . تحتوي محيطات الأرض على كميات كبيرة من الديوتيريوم التي يُمكن استخدامها، كما يُمكن إنتاج التريتيوم في المفاعل نفسه من الليثيوم ، فضلًا عن أن منتج الهيليوم لا يُلحق الضرر بالبيئة، لذا يعتبر البعض الاندماج النووي بديلًا جيدًا لتلبية احتياجاتنا من الطاقة. وقد حققت التجارب التي تُجرى على هذا النوع من الاندماج نجاحًا جزئيًا فقط حتى الآن. إذ يجب حصر الديوتيريوم والتريتيوم بدرجة حرارة كافية. وتتمثل إحدى التقنيات في استخدام مجالات مغناطيسية قوية جدًا، لأن الجسيمات المشحونة (مثل تلك المحصورة في حزام الإشعاع الأرضي) تُوجّه بواسطة خطوط المجال المغناطيسي. ^{[ 6 ]}

الحد الأقصى لطاقة الربط وطرق الوصول إليه عن طريق الاضمحلال

في النظائر الرئيسية للعناصر الخفيفة، مثل الكربون والنيتروجين والأكسجين، يكون التركيب الأكثر استقرارًا للنيوترونات والبروتونات عندما يتساوى عددها (ويستمر هذا حتى العنصر رقم 20، الكالسيوم). مع ذلك، في النوى الأثقل، تزداد طاقة التفكك للبروتونات، نظرًا لحصرها في حيز صغير وتنافرها. كما تزداد طاقة القوة النووية القوية التي تربط النواة، ولكن بمعدل أبطأ، كما لو أن النيوكليونات المتقاربة فقط هي التي ترتبط بقوة داخل النواة، وليس تلك المتباعدة. ^{[ 6 ]}

طاقة الربط الكلية للنواة هي طاقة التجاذب النووي مطروحًا منها طاقة التفكك الناتجة عن القوة الكهربائية. مع ازدياد كتلة النوى عن الهيليوم، تتباطأ زيادة طاقة الربط الكلية لكل نيوكليون (المستنتجة من الفرق في الكتلة بين النواة ومجموع كتل النيوكليونات المكونة لها)، لتصل إلى ذروتها عند الحديد. ومع إضافة النيوكليونات، تزداد طاقة الربط النووي الكلية دائمًا، ولكن تزداد أيضًا طاقة التفكك الكلية للقوى الكهربائية (تنافر البروتونات الموجبة مع البروتونات الأخرى)، وبعد الحديد، تفوق الزيادة الثانية الزيادة الأولى. يُعد الحديد-56 ( Fe ^-56 ) النواة الأكثر كفاءة في الربط ^{[ 6 ]} ، أي أنها تمتلك أقل متوسط كتلة لكل نيوكليون. مع ذلك، يُعد النيكل-62 النواة الأكثر قوة في الربط من حيث طاقة الربط لكل نيوكليون. ^{[ 14 ]} (لا تترجم طاقة الربط الأعلى للنيكل-62 إلى فقدان متوسط كتلة أكبر من الحديد ^-56 ، لأن النيكل ^-62 لديه نسبة أعلى قليلاً من النيوترونات / البروتونات مقارنة بالحديد-56، ووجود النيوترونات الأثقل يزيد من متوسط كتلة النيكل-62 لكل نيوكليون).

لتقليل الطاقة المُدمِّرة، يسمح التفاعل الضعيف بأن يتجاوز عدد النيوترونات عدد البروتونات؛ فعلى سبيل المثال، يحتوي النظير الرئيسي للحديد على 26 بروتونًا و30 نيوترونًا. كما توجد نظائر يختلف فيها عدد النيوترونات عن العدد الأكثر استقرارًا لنفس عدد النيوكليونات. إذا أدى تحويل بروتون واحد إلى نيوترون أو نيوترون واحد إلى بروتون إلى زيادة الاستقرار (أي تقليل الكتلة)، فسيحدث ذلك من خلال تحلل بيتا ، مما يعني أن النظير الناتج سيكون مشعًا.

تتوسط القوة الضعيفة الطريقتين اللازمتين لهذا التحويل، وتتضمنان نوعين من اضمحلال بيتا . في أبسط أنواع اضمحلال بيتا، تتحول النيوترونات إلى بروتونات عن طريق انبعاث إلكترون سالب ونيوترينو مضاد. هذا ممكن دائمًا خارج النواة لأن كتلة النيوترونات أكبر من كتلة البروتونات بما يعادل حوالي 2.5 إلكترون. في العملية المعاكسة، التي تحدث فقط داخل النواة، وليس للجسيمات الحرة، يمكن أن يتحول البروتون إلى نيوترون عن طريق قذف بوزيترون ونيوترينو إلكتروني. يُسمح بهذا إذا توفرت طاقة كافية بين النواة الأم والنواة الوليدة (فرق الطاقة المطلوب يساوي 1.022 ميغا إلكترون فولت، وهي كتلة إلكترونين). إذا كان الفرق في الكتلة بين النواة الأم والنواة الابنة أقل من ذلك، فقد تتمكن النواة الغنية بالبروتونات من تحويل البروتونات إلى نيوترونات من خلال عملية التقاط الإلكترون ، حيث يقوم البروتون ببساطة بالتقاط إلكترون من أحد إلكترونات المدار K للذرة، ويطلق نيوترينو، ويصبح نيوترونًا. ^{[ 6 ]}

في أثقل النوى، بدءًا من نوى التيلوريوم (العنصر 52) التي تحتوي على 104 نيوكليونات أو أكثر، قد تكون القوى الكهربائية غير مستقرة لدرجة تسمح بقذف أجزاء كاملة من النواة، عادةً على شكل جسيمات ألفا ، التي تتكون من بروتونين ونيوترونين (جسيمات ألفا هي نوى هيليوم سريعة). ( يتحلل البريليوم-8 أيضًا، بسرعة كبيرة، إلى جسيمين ألفا). ^{[ 15 ]} يصبح هذا النوع من التحلل أكثر احتمالًا كلما زاد الوزن الذري للعناصر عن 104. ^{[ 16 ]}

منحنى طاقة الربط هو رسم بياني يوضح العلاقة بين طاقة الربط لكل نيوكليون والكتلة الذرية. يبلغ هذا المنحنى ذروته الرئيسية عند الحديد والنيكل، ثم يتناقص تدريجيًا، كما تظهر ذروة ضيقة معزولة عند الهيليوم، وهو أكثر استقرارًا من النوى الأخرى منخفضة الكتلة. أما أثقل النوى الموجودة بكميات كبيرة في الطبيعة، اليورانيوم ^-238 U، فهي غير مستقرة، ولكن نظرًا لعمر النصف الذي يبلغ 4.5 مليار سنة، وهو قريب من عمر الأرض، فإنها لا تزال وفيرة نسبيًا؛ وقد تشكلت هذه النوى (وغيرها من النوى الأثقل من الهيليوم) في أحداث تطور النجوم مثل انفجارات المستعرات العظمى ^{[ 17 ]} التي سبقت تكوين النظام الشمسي . كما أن نظير الثوريوم الأكثر شيوعًا، الثوريوم ^-232 Th، ينبعث منه جسيمات ألفا، وعمر النصف الخاص به (المدة التي يتحلل خلالها نصف عدد الذرات) أطول بكثير. في كل من هذه العمليات، ينتج عن التحلل الإشعاعي نظائر ابنة غير مستقرة أيضاً، مما يؤدي إلى بدء سلسلة من عمليات التحلل التي تنتهي بنظير مستقر من الرصاص. ^{[ 6 ]}

حساب طاقة الربط النووي

يمكن استخدام الحساب لتحديد طاقة الربط النووي للنوى. يتضمن الحساب تحديد النقص الكتلي النووي ، وتحويله إلى طاقة، والتعبير عن النتيجة كطاقة لكل مول من الذرات، أو كطاقة لكل نيوكليون. ^{[ 1 ]}

تحويل النقص الكتلي النووي إلى طاقة

يُعرَّف نقص الكتلة النووية بأنه الفرق بين الكتلة النووية ومجموع كتل النيوكليونات المكونة لها. ويُعطى بالعلاقة التالية: $\Delta m=Zm_{p}+(AZ)m_{n}-M=Zm_{p}+Nm_{n}-M$

أين:

Z هو عدد البروتونات (العدد الذري).
A هو عدد النيوكليونات (العدد الكتلي).
m _p هي كتلة البروتون ،1.672 621 925 95 (52) × 10 ⁻²⁷ كجم ^{‍ [}¹⁸^] .
m _n هي كتلة النيوترون ،1.674 927 500 56 (85) × 10 ⁻²⁷ كجم ^{‍ [}¹⁹^] .
M هي الكتلة النووية.
N هو عدد النيوترونات .

يُحوّل النقص الكتلي النووي عادةً إلى طاقة الربط النووي، وهي الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لتفكيك النواة إلى نيوكليوناتها المكونة لها. ويتم هذا التحويل باستخدام معادلة تكافؤ الكتلة والطاقة : $E = ∆mc² .$ ومع ذلك، يجب التعبير عنها كطاقة لكل مول من الذرات أو كطاقة لكل نيوكليون. ^{[ 1 ]}

الانشطار والاندماج

تُطلق الطاقة النووية من خلال انشطار (انشطار) أو اندماج (اندماج) نوى الذرات . ويتوافق تحويل الطاقة النووية - الكتلة - إلى شكل من أشكال الطاقة، والذي يمكنه إزالة بعض الكتلة عند إزالة الطاقة، مع معادلة تكافؤ الكتلة والطاقة . $\Delta E=\Delta mc^{2},$ أين

${\textstyle \Delta E}$ = إطلاق الطاقة،
${\textstyle \Delta m}$ = نقص الكتلة ، و
${\textstyle c}$ = سرعة الضوء في الفراغ .

اكتشف الفيزيائي الفرنسي هنري بيكريل الطاقة النووية لأول مرة عام 1896، عندما وجد أن الألواح الفوتوغرافية المخزنة في الظلام بالقرب من اليورانيوم أصبحت سوداء مثل ألواح الأشعة السينية (التي تم اكتشافها حديثًا في عام 1895). ^{[ 20 ]}

يتميز النيكل-62 بأعلى طاقة ربط لكل نيوكليون بين جميع النظائر . عند تحويل ذرة ذات طاقة ربط متوسطة منخفضة إلى ذرتين ذواتي طاقة ربط متوسطة أعلى، تنبعث طاقة. (المتوسط هنا هو المتوسط المرجح). كذلك، عند اندماج ذرتين ذواتي طاقة ربط متوسطة منخفضة لتكوين ذرة ذات طاقة ربط متوسطة أعلى، تنبعث طاقة. يوضح الجدول أن اندماج نوى الهيدروجين لتكوين ذرات أثقل يُطلق طاقة، وكذلك انشطار اليورانيوم، أي تفكك نواة كبيرة إلى أجزاء أصغر.

تُطلق الطاقة النووية من خلال ثلاث عمليات طاردة للطاقة (أو طاردة للحرارة ):

الاضمحلال الإشعاعي هو عملية تحلل تلقائي للنيوترون أو البروتون في النواة المشعة ، حيث ينبعث منه جسيمات أو إشعاع كهرومغناطيسي (أشعة غاما) أو كليهما. تجدر الإشارة إلى أنه في الاضمحلال الإشعاعي، ليس من الضروري بالضرورة زيادة طاقة الربط، بل الضروري هو انخفاض الكتلة. فإذا تحول النيوترون إلى بروتون وكانت طاقة الاضمحلال أقل من 0.782343 ميغا إلكترون فولت، أي الفرق بين كتلة النيوترون وكتلة البروتون مضروبًا في مربع سرعة الضوء (كما في حالة اضمحلال الروبيديوم-87 إلى السترونتيوم-87 )، فإن متوسط طاقة الربط لكل نيوكليون سينخفض فعليًا.
الاندماج النووي : اندماج نواتين ذريتين معًا لتكوين نواة أثقل.
الانشطار النووي هو انقسام نواة ثقيلة إلى نواتين (أو نادراً ثلاث) أخف وزناً، وبعض النيوترونات.

يتطلب التفاعل النووي المُنتِج للطاقة بين العناصر الخفيفة بعض التوضيح. غالبًا ما تُصنَّف جميع التفاعلات النووية المُنتِجة للطاقة بين العناصر الخفيفة على أنها اندماج نووي، إلا أنه وفقًا للتعريف المذكور أعلاه، يتطلب الاندماج النووي أن تحتوي النواتج على نواة أثقل من المتفاعلات. يمكن للعناصر الخفيفة أن تخضع لتفاعلات نووية مُنتِجة للطاقة عن طريق الاندماج أو الانشطار. جميع التفاعلات النووية المُنتِجة للطاقة بين نظيرين من الهيدروجين، وبين الهيدروجين والهيليوم-3، هي اندماج نووي، لأن ناتج هذه التفاعلات يحتوي على نواة أثقل. مع ذلك، فإن التفاعل النووي المُنتِج للطاقة بين نيوترون وليثيوم-6 يُنتج هيدروجين-3 وهيليوم-4، كل منهما نواة أخف. وفقًا للتعريف المذكور أعلاه، يُعد هذا التفاعل النووي انشطارًا نوويًا، وليس اندماجًا نوويًا. عندما يكون الانشطار ناتجًا عن نيوترون، كما في هذه الحالة، يُسمى انشطارًا مُستحثًا.

التفاعلات النووية المنتجة للطاقة للعناصر الخفيفة

الاندماج
رد فعل	Q التقريبي (MeV)
¹ H + ¹ H → ² H	1.44
¹ H + ² H → ³ He	5.52
^2H + ^2H→ 3H + ^p⁺	4.08
^2H + ^2H→ 3He ⁺ n	3.27
^2H + ^3H→ 4He ⁺ n	17.53
² H + ³ He → ⁴ He + p ⁺	18.34
³ He + ³ He → ⁴ He + p ⁺ + p ⁺	12.85
³ هو + ⁶ لي → ⁴ هو + ⁴ هو + ع ⁺	22.36

الانشطار
رد فعل	Q التقريبي (MeV)
⁶ Li + p ⁺→ ⁴ He + ³ He	4.02
⁶ Li + ² H → ⁴ He + ⁴ He	11.18
⁶ لي + ³ هو → ⁴ هو + ⁴ هو + ع ⁺	0.94
⁷ Li + p ⁺→ ⁴ He + ⁴ He	17.34
⁷ لي + ² ح → ⁴ هو + ⁴ هو + ن	15.11
¹¹ ب + ف ⁺→ ⁴ هي + ⁴ هي + ⁴ هي	8.68

طاقة الربط للذرات

إن طاقة الربط للذرة (بما في ذلك إلكتروناتها) لا تساوي تمامًا طاقة الربط لنواة الذرة. تُسجل دائمًا فروق الكتلة المقاسة للنظائر على أنها فروق كتلة الذرات المتعادلة من ذلك النظير، وغالبًا ما تكون بوحدة ^MeV / c² . ونتيجة لذلك، فإن فروق الكتلة المسجلة لا تُعد مقياسًا لاستقرار أو طاقة ربط النوى المنفردة، بل للذرات ككل. وهناك سبب عملي وجيه لذلك، وهو صعوبة تأيين العناصر الثقيلة تأيينًا كاملًا ، أي تجريدها من جميع إلكتروناتها .

تُعدّ هذه الممارسة مفيدة لأسباب أخرى أيضًا: فتجريد نواة ثقيلة غير مستقرة من جميع الإلكترونات (مما يُنتج نواة عارية) يُغيّر من عمر النواة، أو قد تُصبح نواة ذرة متعادلة مستقرة غير مستقرة بعد التجريد، مما يُشير إلى أنه لا يُمكن التعامل مع النواة بشكل مُستقل. وقد ظهرت أمثلة على ذلك في تجارب اضمحلال بيتا في الحالة المُرتبطة التي أُجريت في مُسرّع الأيونات الثقيلة GSI . ^{[ 21 ]}^{[ 22 ]} ويتضح هذا أيضًا من ظواهر مثل أسر الإلكترون . نظريًا، في النماذج المدارية للذرات الثقيلة، يدور الإلكترون جزئيًا داخل النواة (لا يدور بالمعنى الدقيق، ولكن لديه احتمال غير معدوم للتواجد داخل النواة).

يحدث التحلل النووي للنواة ، مما يعني تغير خصائصها. في الفيزياء، يُشير مفهوم "نقص الكتلة" كمقياس لـ"طاقة الربط" إلى "نقص كتلة الذرة المتعادلة" (وليس النواة فقط)، وهو مقياس لاستقرار الذرة ككل.

منحنى طاقة الربط النووي

في الجدول الدوري للعناصر ، يُلاحظ أن سلسلة العناصر الخفيفة، من الهيدروجين إلى الصوديوم ، تُظهر عمومًا زيادة في طاقة الربط لكل نيوكليون مع ازدياد الكتلة الذرية . وتنتج هذه الزيادة عن ازدياد القوى المؤثرة على كل نيوكليون في النواة، حيث ينجذب كل نيوكليون إضافي إلى النيوكليونات المجاورة، وبالتالي يصبح أكثر ارتباطًا بالنواة ككل. ويُعدّ الهيليوم-4 والأكسجين-16 استثناءً مستقرًا بشكل خاص لهذه القاعدة (انظر الشكل على اليمين). ويعود ذلك إلى كونهما عنصرين سحريين مزدوجين ، أي أن بروتوناتهما ونيوتروناتهما تملأ غلافيهما النوويين.

تلي منطقة تزايد طاقة الربط منطقة استقرار نسبي (تشبع) في التسلسل من الكتلة 30 تقريبًا إلى الكتلة 90 تقريبًا. في هذه المنطقة، تصبح النواة كبيرة بما يكفي بحيث لا تمتد القوى النووية بكفاءة كاملة عبر عرضها. تتوازن القوى النووية الجاذبة في هذه المنطقة، مع ازدياد الكتلة الذرية، تقريبًا مع قوى التنافر الكهرومغناطيسية بين البروتونات، مع ازدياد العدد الذري .

أخيرًا، في العناصر الأثقل، يحدث انخفاض تدريجي في طاقة الربط لكل نيوكليون مع ازدياد العدد الذري. في هذه المنطقة من حجم النواة، تبدأ قوى التنافر الكهرومغناطيسي بالتغلب على قوة التجاذب النووي القوي.

في ذروة طاقة الربط، يُعدّ النيكل-62 النواة الأكثر ترابطًا (لكل نيوكليون)، يليه الحديد-58 ثم الحديد-56 . ^{[ 23 ]} وهذا هو السبب الأساسي التقريبي لكون الحديد والنيكل من المعادن الشائعة جدًا في لب الكواكب، نظرًا لإنتاجهما بكثرة كنواتج نهائية في المستعرات العظمى وفي المراحل الأخيرة من احتراق السيليكون في النجوم. مع ذلك، فإن طاقة الربط لكل نيوكليون محدد (كما هو مُعرّف أعلاه) ليست هي التي تتحكم بدقة في تحديد النوى المتكونة، لأنه داخل النجوم، يمكن للنيوترونات والبروتونات أن تتحول فيما بينها لإطلاق المزيد من الطاقة لكل نيوكليون. في الواقع، يُقال إن التفكك الضوئي للنيكل ^-62 لتكوين الحديد ^-56 قد يكون ممكنًا من الناحية الطاقية في لب نجم شديد الحرارة، نظرًا لتحول النيوترونات إلى بروتونات عبر اضمحلال بيتا. ^{[ 24 ]} وهذا يُرجّح تكوين الحديد ^-56 ، وهو النظير ذو الكتلة الأقل لكل نيوكليون. مع ذلك، عند درجات الحرارة العالية، لن تكون جميع المواد في أدنى حالة طاقة. ينبغي أن ينطبق هذا الحد الأقصى للطاقة أيضًا على الظروف المحيطة، مثلاً عند $درجة حرارة 298 كلفن$ وضغط $1 ضغط جوي$ $،$ بالنسبة للمادة المكثفة المتعادلة المكونة من ⁵⁶ ذرة حديد - إلا أنه في هذه الظروف، تُمنع نوى الذرات من الاندماج لتكوين حالة المادة الأكثر استقرارًا والأقل طاقة.

العناصر ذات طاقة الربط العالية لكل نيوكليون، مثل الحديد والنيكل، لا يمكنها أن تخضع للانشطار، ولكن من الناحية النظرية يمكنها أن تخضع للاندماج مع الهيدروجين والديوتيريوم والهيليوم والكربون، على سبيل المثال: ^{[ 25 ]}

⁶² Ni + ¹² C → ⁷⁴ Se Q = 5.467 MeV

يُعتقد عمومًا أن الحديد-56 أكثر شيوعًا من نظائر النيكل في الكون لأسباب آلية، إذ يُنتج سلفه غير المستقر، النيكل-56، بكميات وفيرة من خلال تراكم تدريجي لـ 14 نواة هيليوم داخل المستعرات العظمى، حيث لا يتوفر له الوقت الكافي للتحلل إلى حديد قبل إطلاقه في الوسط بين النجوم في غضون دقائق معدودة عند انفجار المستعر الأعظم. مع ذلك، يتحلل النيكل-56 إلى كوبالت-56 خلال بضعة أسابيع، ثم يتحلل هذا النظير المشع في النهاية إلى حديد-56 بنصف عمر يبلغ حوالي 77.3 يومًا. وقد لوحظ حدوث منحنى الضوء الناتج عن التحلل الإشعاعي لهذه العملية في المستعرات العظمى من النوع الثاني ، مثل SN 1987A . في النجوم، لا توجد طرق فعالة لإنتاج النيكل-62 عن طريق عمليات إضافة جسيمات ألفا، وإلا لكان من المفترض وجود كميات أكبر من هذه النظيرة شديدة الاستقرار في الكون.

طاقة الربط وكتل النوى

إن وجود أعلى طاقة ربط في النوى متوسطة الحجم هو نتيجة للموازنة بين تأثير قوتين متعاكستين لهما خصائص مدى مختلفة. فالقوة النووية الجاذبة ( القوة النووية القوية )، التي تربط البروتونات والنيوترونات بالتساوي، لها مدى محدود بسبب التناقص الأسي السريع لهذه القوة مع المسافة. أما القوة الكهرومغناطيسية التنافرية، التي تعمل بين البروتونات لفصل النوى، فتتناقص مع المسافة ببطء أكبر بكثير (بمقلوب مربع المسافة). بالنسبة للنوى التي يزيد قطرها عن أربعة نيوكليونات تقريبًا، فإن قوة التنافر الإضافية للبروتونات الإضافية تفوق بكثير أي طاقة ربط ناتجة بين نيوكليونات إضافية نتيجة لتفاعلات القوة القوية الإضافية. تصبح هذه النوى أقل ترابطًا مع ازدياد حجمها، على الرغم من أن معظمها يظل مستقرًا. وأخيرًا، فإن النوى التي تحتوي على أكثر من 209 نيوكليون (أكبر من حوالي 6 نيوكليون في القطر) تكون كبيرة جدًا بحيث لا يمكن أن تكون مستقرة، وتخضع للتحلل التلقائي إلى نوى أصغر.

ينتج الاندماج النووي الطاقة عن طريق دمج أخف العناصر لتكوين عناصر ذات روابط أقوى (مثل الهيدروجين إلى هيليوم )، بينما ينتج الانشطار النووي الطاقة عن طريق تقسيم أثقل العناصر (مثل اليورانيوم والبلوتونيوم ) إلى عناصر ذات روابط أقوى (مثل الباريوم والكريبتون ) . يحدث الانشطار النووي لبعض العناصر الخفيفة (مثل الليثيوم) لأن الهيليوم-4 هو أحد نواتج الانشطار، وهو عنصر ذو روابط أقوى من العناصر الأثقل قليلاً. ينتج كلا العمليتين الطاقة لأن مجموع كتل النواتج أقل من مجموع كتل النوى المتفاعلة.

كما رأينا سابقًا في مثال الديوتيريوم، فإن طاقات الربط النووي كبيرة بما يكفي بحيث يمكن قياسها بسهولة كنقص نسبي في الكتلة ، وفقًا لتكافؤ الكتلة والطاقة. طاقة الربط الذري هي ببساطة كمية الطاقة (والكتلة) المنطلقة عند اتحاد مجموعة من النيوكليونات الحرة لتكوين نواة .

يمكن حساب طاقة الربط النووي من الفرق في كتلة النواة، ومجموع كتل النيوترونات والبروتونات الحرة المكونة لها. بمجرد معرفة هذا الفرق في الكتلة، والذي يُسمى نقص الكتلة، يمكن استخدام معادلة أينشتاين لتكافؤ الكتلة والطاقة $E = mc²$ لحساب طاقة الربط لأي نواة. كان علماء الفيزياء النووية الأوائل يُشيرون إلى حساب هذه القيمة باسم "حساب نسبة التعبئة" $.$

على سبيل المثال، يتم تعريف دالتون (1 Da) على أنه 1/12 من كتلة ذرة ¹² C - ولكن الكتلة الذرية لذرة ¹ H (وهي بروتون بالإضافة إلى إلكترون) هي 1.007825 Da، لذلك فقد كل نيوكليون في ¹² C، في المتوسط، حوالي 0.8٪ من كتلته في شكل طاقة ربط.

الصيغة شبه التجريبية لطاقة الربط النووي

بالنسبة لنواة تحتوي على $A$ نيوكليونات، بما في ذلك $Z$ بروتونات و $N$ نيوترونات، فإن الصيغة شبه التجريبية لطاقة الربط ( $EB)$ لكل نيوكليون هي:

${\frac {E_{\text{B}}}{A\cdot {\text{MeV}}}}=a-{\frac {b}{A^{1/3}}}-{\frac {cZ^{2}}{A^{4/3}}}-{\frac {d\left(NZ\right)^{2}}{A^{2}}}\pm {\frac {e}{A^{7/4}}}$

حيث تُعطى المعاملات بالصيغة التالية: $a=14.0$ ؛ $b=13.0$ ؛ $c=0.585$ ؛ $d=19.3$ ؛ $e=33$ .

الفصل الدراسي الأول ${\textstyle a}$ يُطلق عليه اسم مساهمة التشبع، وهو يضمن أن تكون طاقة الربط لكل نيوكليون متساوية لجميع النوى كتقريب أولي. ${\textstyle -b/A^{1/3}}$ هو تأثير ناتج عن التوتر السطحي، ويتناسب طرديًا مع عدد النيوكليونات الموجودة على سطح النواة؛ ويكون أكبر ما يمكن في النوى الخفيفة. ${\textstyle -cZ^{2}/A^{4/3}}$ هو التنافر الكهروستاتيكي الكولومبي؛ ويصبح هذا الأمر أكثر أهمية كلما ${\textstyle Z}$ يزداد. مصطلح تصحيح التناظر ${\textstyle -d(NZ)^{2}/A^{2}}$ يأخذ هذا في الاعتبار حقيقة أنه في غياب التأثيرات الأخرى، يكون الترتيب الأكثر استقرارًا متساويًا في عدد البروتونات والنيوترونات؛ وذلك لأن تفاعل النيوترون مع البروتون في النواة أقوى من تفاعل النيوترون مع النيوترون أو تفاعل البروتون مع البروتون. مصطلح الاقتران ${\textstyle \pm e/A^{7/4}}$ هو أمر تجريبي بحت؛ فهو موجب للأنوية الزوجية-الزوجية وسالب للأنوية الفردية-الفردية . عندما يكون A فرديًا، يكون حد الاقتران صفرًا تمامًا.

تمثيل بياني لصيغة طاقة الربط شبه التجريبية. تم رسم طاقة الربط لكل نيوكليون بوحدة ميغا إلكترون فولت (الأرقام الأعلى باللون الأصفر، تتجاوز 8.5 ميغا إلكترون فولت لكل نيوكليون) لنوى مختلفة كدالة للعدد الذري Z $($ المحور الصادي) مقابل عدد النيوترونات $N$ (المحور السيني). تُلاحظ أعلى القيم عند $Z$ $= 26$ (الحديد).

قيم نموذجية مستنتجة من كتل النوى الذرية المقاسة تجريبياً

يُبين الجدول التالي بعض طاقات الربط وقيم نقص الكتلة. ^{[ 26 ]} لاحظ أيضًا أننا نستخدم 1 Da = 931.494028 (23) MeV / c² ^{. لحساب طاقة الربط} $،$ نستخدم الصيغة $Z (mp + me) + Nmn - m nuclide، حيث$ يرمز $Z$ إلى عدد البروتونات في النوى، و $N$ $إلى$ $عدد$ $النيوترونات$ . نأخذ $mp$ =938.272 0813 (58) MeV/ c ² , $m e$ =0.510 998 9461 (30) MeV/ c ² و $m n$ =939.565 4133 (58) MeV/ c ^2. يرمز الحرف $A$ إلى مجموع $Z$ و $N$ (عدد النيوكليونات في النواة). إذا افترضنا أن كتلة النيوكليون المرجعي تساوي كتلة نيوترون (بحيث تكون جميع طاقات الربط "الإجمالية" المحسوبة قصوى)، فيمكننا تعريف طاقة الربط الإجمالية بأنها الفرق بين كتلة النواة وكتلة مجموعة من A نيوترونات حرة. بعبارة أخرى، ستكون $(Z + N) mn - m nuclide$ . ستكون " طاقة الربط الإجمالية لكل نيوكليون " هي هذه القيمة مقسومة $على$ $A.$

أكثر النوى والذرات ارتباطًا
نويدة	$Z$	$شمال$	فائض الكتلة	الكتلة الكلية	الكتلة الكلية / $أ$	طاقة الربط الكلية / $أ$	عيب الكتلة	طاقة الربط	طاقة الربط / $أ$
⁵⁶ Fe	26	30	- 60.6054 ميغا إلكترون فولت	55.934937 دا	0.9988372 دا	9.1538 ميغا إلكترون فولت	0.528479 دا	492.275 ميغا إلكترون فولت	8.7906 ميغا إلكترون فولت
⁵⁸ Fe	26	32	- 62.1534 ميغا إلكترون فولت	57.933276 دا	0.9988496 دا	9.1432 ميغا إلكترون فولت	0.547471 دا	509.966 ميغا إلكترون فولت	8.7925 ميغا إلكترون فولت
⁶⁰ ني	28	32	- 64.472 ميغا إلكترون فولت	59.93079 دا	0.9988464 دا	9.1462 ميغا إلكترون فولت	0.565612 دا	526.864 ميغا إلكترون فولت	8.7811 ميغا إلكترون فولت
⁶² ني	28	34	-66.7461 ميغا إلكترون فولت	61.928345 دا	0.9988443 دا	9.1481 ميغا إلكترون فولت	0.585383 دا	545.281 ميغا إلكترون فولت	8.7948 ميغا إلكترون فولت

^{يمتلك الحديد -56} أقل كتلة نوعية للنيوكليون من بين النوى الأربعة المذكورة في هذا الجدول، لكن هذا لا يعني أنه الذرة الأكثر ارتباطًا لكل هادرون، إلا إذا كان اختيار الهادرونات الأولية حرًا تمامًا. يُطلق الحديد أكبر قدر من الطاقة إذا سُمح لأي 56 نيوكليونًا بتكوين نواة - مع إمكانية استبدال أحدها بآخر عند الضرورة. أعلى طاقة ربط لكل هادرون، مع بدء الهادرونات بنفس عدد البروتونات $Z$ والعدد الكلي للنيوكليونات $A$ كما في النواة المرتبطة، هي طاقة النيكل ^-62 . وبالتالي، تعتمد القيمة المطلقة الحقيقية لطاقة الربط الكلية للنواة على العناصر التي يُسمح لنا بتكوين النواة منها. إذا سُمح لجميع النوى ذات العدد الكتلي $A بالتكوين من$ $A$ نيوترون، فإن الحديد ^-56 سيُطلق أكبر قدر من الطاقة لكل نيوكليون، نظرًا لاحتوائه على نسبة أكبر من البروتونات مقارنةً بالنيكل ^-62 . ومع ذلك، إذا كان من المطلوب أن تتكون النوى من نفس عدد البروتونات والنيوترونات التي تحتويها، فإن النيكل-62 هو النواة الأكثر ترابطًا لكل نيوكليون.

بعض النوى والذرات الخفيفة
نويدة	$Z$	$شمال$	فائض الكتلة	الكتلة الكلية	الكتلة الكلية / $أ$	طاقة الربط الكلية / $أ$	عيب الكتلة	طاقة الربط	طاقة الربط / $أ$
ن	0	1	8.0716 ميغا إلكترون فولت	1.008665 دا	1.008665 دا	0.0000 ميغا إلكترون فولت	0 دا	0 ميغا إلكترون فولت	0 ميغا إلكترون فولت
¹ ساعة	1	0	7.2890 ميغا إلكترون فولت	1.007825 دا	1.007825 دا	0.7826 ميغا إلكترون فولت	0.0000000146 دا	0.0000136 ميغا إلكترون فولت	13.6 إلكترون فولت
² ساعة	1	1	13.13572 ميغا إلكترون فولت	2.014102 دا	1.007051 دا	1.50346 ميغا إلكترون فولت	0.002388 دا	2.22452 ميغا إلكترون فولت	1.11226 ميغا إلكترون فولت
³ ساعات	1	2	14.9498 ميغا إلكترون فولت	3.016049 دا	1.005350 دا	3.08815 ميغا إلكترون فولت	0.0091058 دا	8.4820 ميغا إلكترون فولت	2.8273 ميغا إلكترون فولت
³ هو	2	1	14.9312 ميغا إلكترون فولت	3.016029 دا	1.005343 دا	3.09433 ميغا إلكترون فولت	0.0082857 دا	7.7181 ميغا إلكترون فولت	2.5727 ميغا إلكترون فولت

يُلاحظ في الجدول أعلاه أن اضمحلال النيوترون، وكذلك تحوّل التريتيوم إلى هيليوم-3، يُطلق طاقة؛ لذا، يُظهر حالةً جديدةً ذات ارتباط أقوى عند قياسها بكتلة عددٍ مُساوٍ من النيوترونات (وكذلك حالةً أخفّ لكل عددٍ من الهادرونات الكلية). لا تُحفَّز هذه التفاعلات بتغيّرات في طاقات الربط المحسوبة من أعداد $N$ و $Z$ الثابتة مُسبقًا للنيوترونات والبروتونات، بل بانخفاضات في الكتلة الكلية للنواة/لكل نيوكليون، مع حدوث التفاعل. (لاحظ أن طاقة الربط المذكورة أعلاه للهيدروجين-1 هي طاقة الربط الذرية، وليست طاقة الربط النووية التي ستكون صفرًا).

انظر أيضاً

طاقة الربط الذري (الطاقة اللازمة لتفكيك الذرة إلى إلكترونات حرة ونواة)
طاقة تفكك الرابطة (طاقة الربط بين الذرات في الرابطة الكيميائية)
طاقة ربط الإلكترون (الطاقة اللازمة لتحرير إلكترون من مداره الذري أو من مادة صلبة)
طاقة الربط الجاذبي
طاقة الربط في الديناميكا اللونية الكمومية (تتناول كتلة وطاقة الحركة للأجزاء التي تربط الكواركات المختلفة معًا داخل الهادرون)

مراجع

١ ٢ ٣ ٤ "طاقة الربط النووي" . كيفية حساب طاقة الربط النووي. أدلة لحل العديد من أنواع المسائل الكمية الموجودة في مقرر الكيمياء ١١٦. جامعة بيردو. يوليو ٢٠١٠. تاريخ الاسترجاع: ١٠ يوليو ٢٠١٠ .
↑ نيف، رود (يوليو 2010). "طاقة الربط النووي" . هايبرفيزيكس - مورد ويب مجاني من جامعة ولاية جورجيا . جامعة ولاية جورجيا . تم الاسترجاع في 11 أغسطس 2010 .
↑ "الطاقة النووية" . يُعدّ برنامج "تعليم الطاقة" إضافةً تفاعليةً لمنهج العلوم لطلاب المرحلة الثانوية، بتمويل من وزارة الطاقة الأمريكية ومكتب تكساس لحفظ الطاقة (SECO) . وزارة الطاقة الأمريكية ومكتب تكساس لحفظ الطاقة (SECO). يوليو 2010. مؤرشف من الأصل بتاريخ 26 فبراير 2011. تاريخ الاسترجاع: 10 يوليو 2010 .
↑ كرين، كينيث (1991). مقدمة في الفيزياء النووية . جون وايلي وأولاده. ISBN 9780471805533.
1 2 ستيرن، د. ديفيد ب. (23 سبتمبر 2004). "الفيزياء النووية" . "من مراقبي النجوم إلى سفن الفضاء". محتوى متاح للعموم . موقع ناسا الإلكتروني . تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 يوليو 2010 .
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 ستيرن، د. ديفيد ب. (11 فبراير 2009). "طاقة الربط النووي" . "من مراقبي النجوم إلى المركبات الفضائية". محتوى متاح للعموم . موقع ناسا الإلكتروني . تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 يوليو 2010 .
1 2 3 4 5 6 ستيرن، د. ديفيد ب. (15 نوفمبر 2004). "مراجعة لبنية النواة" . "من مراقبي النجوم إلى سفن الفضاء". محتوى متاح للعموم . موقع ناسا الإلكتروني . تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 يوليو 2010 .
↑ "إنه عنصر أساسي - عنصر الهيليوم" . education.jlab.org . تم الاطلاع عليه بتاريخ 5 نوفمبر 2019 .
↑ فريش، ديفيد هـ.؛ ثورندايك، آلان م. (1964). الجسيمات الأولية . برينستون، نيو جيرسي: ديفيد فان نوستراند . ص 11-12 .
↑ "20.8: تحويل الكتلة إلى طاقة: نقص الكتلة وطاقة الربط النووي" . نصوص الكيمياء الحرة . 11 مارس 2016. تم الاطلاع عليه في 5 نوفمبر 2019 .
↑ بورشاهيان، سهيل (2017-09-01). "نقص الكتلة من الفيزياء النووية إلى تحليل الطيف الكتلي". مجلة الجمعية الأمريكية لعلم قياس الطيف الكتلي . 28 (9): 1836-1843 . Bibcode : 2017JASMS..28.1836P . doi : 10.1007/ s13361-017-1741-9 . ISSN 1879-1123 . PMID 28733967. S2CID 34178643 .
↑ "حول تفاعل القوى الطبيعية" . نيويورك، أبلتون. 1854. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24-12-2022 .
↑ الطاقة المنبعثة أقل قليلاً من طاقة ربط الهيليوم لأن نقطة البداية هي أربعة بروتونات، بدلاً من بروتونين ونيوترونين.
↑ إن آر سري هارشا، "النوى المرتبطة بإحكام في نموذج القطرة السائلة"، المجلة الأوروبية للفيزياء 39 035802 (2018)، doi : 10.1088/1361-6404/aaa345
↑ "النواة والنشاط الإشعاعي" . LibreTexts . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 نوفمبر 2025 .
↑ غو، جيان يو؛ وآخرون (2024). "خصائص اضمحلال ألفا للنوى فائقة الثقل ذات العدد الذري 117 ≤ Z ≤ 120". الفيزياء الصينية ج . doi : 10.1088/1674-1137/ad1582 .
↑ "تحويل الرصاص إلى ذهب" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 17-07-2011 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 04-05-2010 .
↑ "قيمة CODATA لعام 2022: كتلة البروتون" . مرجع المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) للثوابت والوحدات وعدم اليقين . المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا . مايو 2024. تاريخ الاسترجاع: 18 مايو 2024 .
↑ "قيمة CODATA لعام 2022: كتلة النيوترون" . مرجع المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) للثوابت والوحدات وعدم اليقين . المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا . مايو 2024. تاريخ الاسترجاع: 18 مايو 2024 .
↑ "ماري كوري - الأشعة السينية وأشعة اليورانيوم" . aip.org . تم الاطلاع عليه بتاريخ 10-04-2006 .
↑ جونغ، م.؛ وآخرون (1992). "أول رصد لتحلل بيتا السالب ^في الحالة المقيدة ". رسائل المراجعة الفيزيائية . 69 (15): 2164-2167 . Bibcode : 1992PhRvL..69.2164J . doi : 10.1103/PhysRevLett.69.2164 . PMID 10046415 .
↑ بوش، ف.؛ وآخرون (1996). "ملاحظة اضمحلال بيتا السالب في الحالة المقيدة للنظير ^187Re المتأين بالكامل : قياس الزمن الكوني ^187Re – ^187Os ". رسائل المراجعة الفيزيائية . 77 (26): 5190–5193 . Bibcode : 1996PhRvL..77.5190B . doi : 10.1103/PhysRevLett.77.5190 . PMID 10062738 .
↑ فيويل، إم بي (1995). "النظير الذري ذو أعلى متوسط طاقة ربط". المجلة الأمريكية للفيزياء . 63 (7): 653-658 . Bibcode : 1995AmJPh..63..653F . doi : 10.1119/1.17828 .
↑ إم بي فيويل، 1995
↑ من فرق طاقة الربط، 5.467 = 642.891 − 545.262 − 92.162، القيم من "العدد الكتلي، عدد البروتونات، اسم النظير، الكتلة [ MeV/c^2 ] ، طاقة الربط [ MeV ] وطاقة الربط لكل نواة [ MeV ] لنوى ذرية مختلفة" ، أينشتاين أونلاين ، معهد ماكس بلانك لفيزياء الجاذبية .
↑ جاغديش ك. تولي، بطاقات المحفظة النووية ، الطبعة السابعة، أبريل 2005، مختبر بروكهافن الوطني، المركز الوطني الأمريكي لبيانات الطاقة النووية

روابط خارجية

الوسائط المتعلقة بطاقة الربط النووي على ويكيميديا كومنز

[Purdue-U-1] ١ ٢ ٣ ٤ "طاقة الربط النووي" . كيفية حساب طاقة الربط النووي. أدلة لحل العديد من أنواع المسائل الكمية الموجودة في مقرر الكيمياء ١١٦. جامعة بيردو. يوليو ٢٠١٠. تاريخ الاسترجاع: ١٠ يوليو ٢٠١٠ .

[GSU-bindEnergy-2] نيف، رود (يوليو 2010). "طاقة الربط النووي" . هايبرفيزيكس - مورد ويب مجاني من جامعة ولاية جورجيا . جامعة ولاية جورجيا . تم الاسترجاع في 11 أغسطس 2010 .

[nuclearEnergy-tx-3] "الطاقة النووية" . يُعدّ برنامج "تعليم الطاقة" إضافةً تفاعليةً لمنهج العلوم لطلاب المرحلة الثانوية، بتمويل من وزارة الطاقة الأمريكية ومكتب تكساس لحفظ الطاقة (SECO) . وزارة الطاقة الأمريكية ومكتب تكساس لحفظ الطاقة (SECO). يوليو 2010. مؤرشف من الأصل بتاريخ 26 فبراير 2011. تاريخ الاسترجاع: 10 يوليو 2010 .

[4] كرين، كينيث (1991). مقدمة في الفيزياء النووية . جون وايلي وأولاده. ISBN 9780471805533.

[NucPhys-5] 1 2 ستيرن، د. ديفيد ب. (23 سبتمبر 2004). "الفيزياء النووية" . "من مراقبي النجوم إلى سفن الفضاء". محتوى متاح للعموم . موقع ناسا الإلكتروني . تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 يوليو 2010 .

[BindEnergy-6] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 ستيرن، د. ديفيد ب. (11 فبراير 2009). "طاقة الربط النووي" . "من مراقبي النجوم إلى المركبات الفضائية". محتوى متاح للعموم . موقع ناسا الإلكتروني . تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 يوليو 2010 .

[RevNucStr-7] 1 2 3 4 5 6 ستيرن، د. ديفيد ب. (15 نوفمبر 2004). "مراجعة لبنية النواة" . "من مراقبي النجوم إلى سفن الفضاء". محتوى متاح للعموم . موقع ناسا الإلكتروني . تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 يوليو 2010 .

[8] "إنه عنصر أساسي - عنصر الهيليوم" . education.jlab.org . تم الاطلاع عليه بتاريخ 5 نوفمبر 2019 .

[9] فريش، ديفيد هـ.؛ ثورندايك، آلان م. (1964). الجسيمات الأولية . برينستون، نيو جيرسي: ديفيد فان نوستراند . ص 11-12 .

[10] "20.8: تحويل الكتلة إلى طاقة: نقص الكتلة وطاقة الربط النووي" . نصوص الكيمياء الحرة . 11 مارس 2016. تم الاطلاع عليه في 5 نوفمبر 2019 .

[11] بورشاهيان، سهيل (2017-09-01). "نقص الكتلة من الفيزياء النووية إلى تحليل الطيف الكتلي". مجلة الجمعية الأمريكية لعلم قياس الطيف الكتلي . 28 (9): 1836-1843 . Bibcode : 2017JASMS..28.1836P . doi : 10.1007/ s13361-017-1741-9 . ISSN 1879-1123 . PMID 28733967. S2CID 34178643 .

[12] "حول تفاعل القوى الطبيعية" . نيويورك، أبلتون. 1854. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24-12-2022 .

[13] الطاقة المنبعثة أقل قليلاً من طاقة ربط الهيليوم لأن نقطة البداية هي أربعة بروتونات، بدلاً من بروتونين ونيوترونين.

[14] إن آر سري هارشا، "النوى المرتبطة بإحكام في نموذج القطرة السائلة"، المجلة الأوروبية للفيزياء 39 035802 (2018)، doi : 10.1088/1361-6404/aaa345

[15] "النواة والنشاط الإشعاعي" . LibreTexts . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 نوفمبر 2025 .

[16] غو، جيان يو؛ وآخرون (2024). "خصائص اضمحلال ألفا للنوى فائقة الثقل ذات العدد الذري 117 ≤ Z ≤ 120". الفيزياء الصينية ج . doi : 10.1088/1674-1137/ad1582 .

[Turning_Lead_into_Gold-17] "تحويل الرصاص إلى ذهب" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 17-07-2011 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 04-05-2010 .

[physconst-mp-18] "قيمة CODATA لعام 2022: كتلة البروتون" . مرجع المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) للثوابت والوحدات وعدم اليقين . المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا . مايو 2024. تاريخ الاسترجاع: 18 مايو 2024 .

[physconst-mn-19] "قيمة CODATA لعام 2022: كتلة النيوترون" . مرجع المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) للثوابت والوحدات وعدم اليقين . المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا . مايو 2024. تاريخ الاسترجاع: 18 مايو 2024 .

[20] "ماري كوري - الأشعة السينية وأشعة اليورانيوم" . aip.org . تم الاطلاع عليه بتاريخ 10-04-2006 .

[21] جونغ، م.؛ وآخرون (1992). "أول رصد لتحلل بيتا السالب ^في الحالة المقيدة ". رسائل المراجعة الفيزيائية . 69 (15): 2164-2167 . Bibcode : 1992PhRvL..69.2164J . doi : 10.1103/PhysRevLett.69.2164 . PMID 10046415 .

[22] بوش، ف.؛ وآخرون (1996). "ملاحظة اضمحلال بيتا السالب في الحالة المقيدة للنظير ^187Re المتأين بالكامل : قياس الزمن الكوني ^187Re – ^187Os ". رسائل المراجعة الفيزيائية . 77 (26): 5190–5193 . Bibcode : 1996PhRvL..77.5190B . doi : 10.1103/PhysRevLett.77.5190 . PMID 10062738 .

[23] فيويل، إم بي (1995). "النظير الذري ذو أعلى متوسط طاقة ربط". المجلة الأمريكية للفيزياء . 63 (7): 653-658 . Bibcode : 1995AmJPh..63..653F . doi : 10.1119/1.17828 .

[24] إم بي فيويل، 1995

[25] من فرق طاقة الربط، 5.467 = 642.891 − 545.262 − 92.162، القيم من "العدد الكتلي، عدد البروتونات، اسم النظير، الكتلة [ MeV/c^2 ] ، طاقة الربط [ MeV ] وطاقة الربط لكل نواة [ MeV ] لنوى ذرية مختلفة" ، أينشتاين أونلاين ، معهد ماكس بلانك لفيزياء الجاذبية .

[26] جاغديش ك. تولي، بطاقات المحفظة النووية ، الطبعة السابعة، أبريل 2005، مختبر بروكهافن الوطني، المركز الوطني الأمريكي لبيانات الطاقة النووية

[

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[

[

[

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

‍ [

‍ [

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[ 24 ]

[ 25 ]

[ 26 ]

اللغة	العربية (RTL)
روابط موسوعية	30 رابطاً
المصدر الأصلي	ويكيبيديا ↗