الفيزياء النووية

في عام ١٩٠٦، نشر إرنست رذرفورد بحثًا بعنوان "تباطؤ جسيم ألفا المنبعث من الراديوم أثناء مروره عبر المادة". ^{[ ٤ ]} ثمّ وسّع هانز جايجر هذا العمل في رسالةٍ إلى الجمعية الملكية ^{[ ٥ ]} ، مُستعرضًا تجارب أجراها هو ورذرفورد، حيث مرّرا جسيمات ألفا عبر الهواء ورقائق الألومنيوم وورق الذهب. ونُشرت أعمالٌ أخرى في عام ١٩٠٩ من قِبل جايجر وإرنست مارسدن ، ^{[ ٦ ]} ثمّ نُشرت أعمالٌ موسّعةٌ بشكلٍ كبيرٍ في عام ١٩١٠ من قِبل جايجر . ^{[ ٧ ]} وفي الفترة ما بين عامي ١٩١١ و١٩١٢، قدّم رذرفورد عرضًا أمام الجمعية الملكية لشرح التجارب وعرض النظرية الجديدة لنواة الذرة كما نفهمها اليوم.

نُشرت هذه الدراسة عام ١٩٠٩، ^{[ ٨ ]} مع التحليل الكلاسيكي النهائي الذي أجراه رذرفورد في مايو ١٩١١، ^{[ ٩ ] [ ١٠ ] [ ١١ ] [ ١٢ ]} أُجريت التجربة الاستباقية الرئيسية خلال عام ١٩٠٩، ^{[ ٩ ] [ ١٣ ] [ ١٤ ] [ ١٥ ]} في جامعة مانشستر . قام مساعد إرنست رذرفورد، البروفيسور ^{[ ١٥ ]} يوهانس ^{[ ١٤ ]} "هانز" جايجر، وطالب جامعي يُدعى مارسدن، ^{[ ١٥ ]} بتجربةٍ قام فيها جايجر ومارسدن، تحت إشراف رذرفورد، بإطلاق جسيمات ألفا ( نوى الهيليوم ٤ ^{[ ١٦ ]} ) على غشاء رقيق من رقائق الذهب . تنبأ نموذج حلوى البرقوق بأن جسيمات ألفا ستخرج من الرقائق بمسارات منحنية بشكل طفيف على الأكثر. لكن رذرفورد وجّه فريقه للبحث عن شيءٍ أثار دهشته: تشتت بعض الجسيمات بزوايا واسعة، بل وحتى للخلف تمامًا في بعض الحالات. وشبّه ذلك بإطلاق رصاصة على منديل ورقي وارتدادها عنه. أدى هذا الاكتشاف، مع تحليل رذرفورد للبيانات عام ١٩١١، إلى وضع نموذج رذرفورد للذرة، الذي يفترض أن للذرة نواة صغيرة جدًا وكثيفة جدًا تحتوي على معظم كتلتها، وتتكون من جسيمات ثقيلة موجبة الشحنة مع إلكترونات مدمجة لموازنة الشحنة (نظرًا لأن النيوترون كان مجهولًا). على سبيل المثال، في هذا النموذج (وهو ليس النموذج الحديث)، يتكون النيتروجين-١٤ من نواة بها ١٤ بروتونًا و٧ إلكترونات (٢١ جسيمًا إجمالًا)، وتحيط بالنواة ٧ إلكترونات أخرى تدور حولها.

في حوالي عام 1920، تنبأ آرثر إدينغتون باكتشاف آلية عمليات الاندماج النووي في النجوم ، وذلك في بحثه "التركيب الداخلي للنجوم" . ^{[ 17 ] [ 18 ]} في ذلك الوقت، كان مصدر طاقة النجوم لغزًا محيرًا؛ وقد افترض إدينغتون، بشكل صحيح، أن المصدر هو اندماج الهيدروجين إلى هيليوم، مما يُحرر طاقة هائلة وفقًا لمعادلة أينشتاين E = mc² ^. كان هذا تطورًا لافتًا للنظر بشكل خاص، إذ لم يكن قد تم اكتشاف الاندماج والطاقة النووية الحرارية، ولا حتى حقيقة أن النجوم تتكون في الغالب من الهيدروجين (انظر المعدنية ).

كان نموذج رذرفورد فعالاً إلى حد كبير حتى أجرى فرانكو راسيتي دراسات حول اللف المغزلي النووي في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا عام 1929. وبحلول عام 1925، كان معروفاً أن للبروتونات والإلكترونات لفاً مغزلياً مقداره ± + 1/2 . في نموذج رذرفورد للنيتروجين-14، كان من المفترض أن تتزاوج 20 جسيماً نووياً من أصل 21 جسيماً لإلغاء اللف المغزلي لبعضها البعض، وأن يغادر الجسيم الفردي الأخير النواة بلف مغزلي صافٍ مقداره 1/2 . إلا أن راسيتي اكتشف أن للنيتروجين-14 لفاً مغزلياً مقداره 1.

في عام 1932، أدرك تشادويك أن الإشعاع الذي رصده والتر بوث ، وهربرت بيكر ، وإيرين وفريدريك جوليو-كوري، كان في الواقع ناتجًا عن جسيم متعادل كتلته تقريبًا كتلة البروتون، أطلق عليه اسم النيوترون (بناءً على اقتراح من رذرفورد حول ضرورة وجود مثل هذا الجسيم). ^{[ 19 ]} في العام نفسه، اقترح ديمتري إيفانينكو عدم وجود إلكترونات في النواة، وإنما بروتونات ونيوترونات فقط، وأن النيوترونات جسيمات ذات لف مغزلي مقداره ½ ، مما يفسر الكتلة غير الناتجة عن البروتونات. وقد حلّ اللف المغزلي للنيوترون على الفور مشكلة اللف المغزلي للنيتروجين-14، حيث ساهم كل من البروتون والنيوترون غير المزدوجين في هذا النموذج بلفة مغزلية مقدارها ½ في الاتجاه نفسه، مما أعطى لفًا مغزليًا إجماليًا مقداره 1.

مع اكتشاف النيوترون، تمكن العلماء أخيرًا من حساب نسبة طاقة الربط التي تمتلكها كل نواة، وذلك بمقارنة كتلة النواة بكتلة البروتونات والنيوترونات المكونة لها. وقد حُسبت الفروقات بين كتل النوى بهذه الطريقة. وعند قياس التفاعلات النووية، وُجد أنها تتوافق مع حسابات أينشتاين لتكافؤ الكتلة والطاقة بدقة تصل إلى 1% حتى عام 1934.

كان ألكساندرو بروكا أول من وضع ونشر معادلات مجال البوزونات المتجهة الضخمة ونظرية مجال الميزونات للقوى النووية . كانت معادلات بروكا معروفة لدى فولفغانغ باولي ^{[ 20 ]} الذي أشار إليها في خطابه عند استلام جائزة نوبل، كما كانت معروفة أيضًا لدى يوكاوا، وونتزل، وتاكيتاني، وساكاتا، وكيمر، وهيتلر، وفروهليش الذين أشادوا بمضمون معادلات بروكا في تطوير نظرية نوى الذرات في الفيزياء النووية. ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}

في عام ١٩٣٥، اقترح هيديكي يوكاوا ^{[ ٢٦ ]} أول نظرية مهمة للقوة النووية القوية لتفسير كيفية تماسك النواة. في تفاعل يوكاوا ، يتوسط جسيم افتراضي ، سُمي لاحقًا بالميزون ، قوةً بين جميع النيوكليونات، بما في ذلك البروتونات والنيوترونات. فسرت هذه القوة سبب عدم تفكك النوى تحت تأثير تنافر البروتونات، كما فسرت سبب كون مدى القوة النووية القوية الجاذبة محدودًا مقارنةً بالتنافر الكهرومغناطيسي بين البروتونات. لاحقًا، أظهر اكتشاف ميزون باي أنه يمتلك خصائص جسيم يوكاوا.

مع أبحاث يوكاوا، اكتمل النموذج الحديث للذرة. يحتوي مركز الذرة على كرة متماسكة من النيوترونات والبروتونات، مترابطة بفعل القوة النووية القوية، ما لم تكن كبيرة جدًا. قد تخضع النوى غير المستقرة لتحلل ألفا، حيث تُطلق نواة هيليوم عالية الطاقة، أو لتحلل بيتا، حيث تُطلق إلكترونًا (أو بوزيترونًا ). بعد أحد هذين التحللين، قد تبقى النواة الناتجة في حالة إثارة، وفي هذه الحالة تتحلل إلى حالتها الأرضية عن طريق إطلاق فوتونات عالية الطاقة (تحلل غاما).

أدت دراسة القوى النووية القوية والضعيفة (التي شرحها إنريكو فيرمي من خلال تفاعل فيرمي عام 1934) إلى دفع الفيزيائيين إلى تصادم النوى والإلكترونات عند طاقات أعلى باستمرار. وأصبح هذا البحث علم فيزياء الجسيمات ، الذي يُعدّ النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات جوهرته، والذي يصف القوى القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية .

يحتوي ثمانون عنصرًا على نظير مستقر واحد على الأقل لا يُرصد تحلله أبدًا، ويبلغ مجموع النظائر المستقرة حوالي 251 نظيرًا. مع ذلك، وُصفت آلاف النظائر بأنها غير مستقرة. تتحلل هذه "النظائر المشعة" على مدى فترات زمنية تتراوح من أجزاء من الثانية إلى تريليونات السنين. عند تمثيل طاقة الربط للنظائر بيانيًا كدالة لعدد الذرات والنيوترونات، فإنها تُشكل ما يُعرف بوادي الاستقرار . تقع النظائر المستقرة على طول قاع هذا الوادي، بينما تقع النظائر الأقل استقرارًا على طول جدرانه، أي ذات طاقة ربط أضعف.

تقع أكثر النوى استقرارًا ضمن نطاقات أو توازنات معينة في تركيب النيوترونات والبروتونات: فوجود عدد قليل جدًا أو كثير جدًا من النيوترونات (مقارنةً بعدد البروتونات) يؤدي إلى تحللها. على سبيل المثال، في تحلل بيتا ، تتحول ذرة النيتروجين -16 (7 بروتونات، 9 نيوترونات) إلى ذرة أكسجين -16 (8 بروتونات، 8 نيوترونات) ^{[ 30 ]} في غضون ثوانٍ قليلة من تكوينها. في هذا التحلل، يتحول نيوترون في نواة النيتروجين بفعل التفاعل الضعيف إلى بروتون وإلكترون ومضاد نيوترينو . ويتحول العنصر إلى عنصر آخر، بعدد بروتونات مختلف.

في تحلل ألفا ، الذي يحدث عادةً في أثقل النوى، يتحلل العنصر المشع بإصدار نواة هيليوم (بروتونان ونيوترونان)، مُنتجًا عنصرًا آخر، بالإضافة إلى الهيليوم-4 . في كثير من الحالات، تستمر هذه العملية عبر عدة خطوات من هذا النوع، بما في ذلك أنواع أخرى من التحلل (عادةً تحلل بيتا) حتى يتكون عنصر مستقر.

في تحلل غاما ، تتحلل النواة من حالة مثارة إلى حالة طاقة أقل، عن طريق انبعاث أشعة غاما . ولا يتحول العنصر إلى عنصر آخر في هذه العملية (لا يحدث تحول نووي ).

توجد أنواع أخرى من الاضمحلالات الأكثر غرابة (انظر المقال الرئيسي الأول). على سبيل المثال، في اضمحلال التحويل الداخلي ، قد تؤدي الطاقة المنبعثة من نواة مثارة إلى طرد أحد إلكترونات المدار الداخلي من الذرة، في عملية تنتج إلكترونات عالية السرعة ولكنها ليست اضمحلال بيتا، وعلى عكس اضمحلال بيتا، لا تحول عنصرًا إلى آخر.

في الاندماج النووي ، تتلامس نواتان منخفضتا الكتلة تلامسًا وثيقًا جدًا، فتدمجهما القوة النووية القوية. يتطلب الاندماج كمية هائلة من الطاقة لتتغلب هذه القوة على التنافر الكهربائي بين النواتين؛ لذا لا يحدث الاندماج النووي إلا في درجات حرارة أو ضغوط عالية جدًا. عند اندماج النوى، تنطلق كمية هائلة من الطاقة، وتكتسب النواة المندمجة مستوى طاقة أدنى. تزداد طاقة الربط لكل نيوكليون مع ازدياد العدد الكتلي حتى النيكل -62. تستمد النجوم، كالشمس، طاقتها من اندماج أربعة بروتونات لتكوين نواة هيليوم، وبوزيترونين ، ونيوترينوين . يُعرف الاندماج غير المنضبط للهيدروجين إلى هيليوم بالهروب النووي الحراري. من أبرز مجالات البحث الحالية في مؤسسات مختلفة، مثل مشروع التوروس الأوروبي المشترك (JET) ومشروع ITER ، تطوير طريقة مجدية اقتصاديًا لاستخدام الطاقة الناتجة عن تفاعل اندماج نووي مُتحكم به . الاندماج النووي هو أصل الطاقة (بما في ذلك الطاقة التي تنتجها نواة جميع النجوم، بما في ذلك شمسنا) (بما في ذلك الطاقة التي تنتجها على شكل ضوء وإشعاع كهرومغناطيسي آخر).

الانشطار النووي هو العملية العكسية للاندماج النووي. بالنسبة للنوى الأثقل من النيكل-62، تتناقص طاقة الربط لكل نيوكليون مع ازدياد العدد الكتلي. لذلك، من الممكن إطلاق طاقة إذا انشطر نواة ثقيلة إلى نواتين أخف.

إن عملية اضمحلال ألفا هي في جوهرها نوع خاص من الانشطار النووي التلقائي . وهو انشطار غير متماثل للغاية لأن الجسيمات الأربعة التي تُكوّن جسيم ألفا مرتبطة ببعضها البعض ارتباطًا وثيقًا، مما يجعل إنتاج هذه النواة في الانشطار أمرًا مرجحًا للغاية.

من عدة نوى ثقيلة ينتج عن انشطارها نيوترونات حرة، والتي تمتص النيوترونات بسهولة لبدء الانشطار، يمكن الحصول على نوع من الانشطار النووي ذاتي الاشتعال، في تفاعل متسلسل . عُرفت التفاعلات المتسلسلة في الكيمياء قبل الفيزياء، وفي الواقع، العديد من العمليات المألوفة كالحرائق والانفجارات الكيميائية هي تفاعلات كيميائية متسلسلة. يُعد الانشطار أو التفاعل النووي المتسلسل ، باستخدام النيوترونات الناتجة عن الانشطار، مصدر الطاقة لمحطات الطاقة النووية والقنابل النووية الانشطارية، مثل تلك التي فُجِّرت في هيروشيما وناغازاكي باليابان في نهاية الحرب العالمية الثانية . قد تخضع النوى الثقيلة مثل اليورانيوم والثوريوم أيضًا للانشطار التلقائي ، ولكن من المرجح أن تخضع للتحلل الإشعاعي بواسطة جسيمات ألفا .

لكي يحدث تفاعل متسلسل يبدأ بالنيوترونات، يجب أن تتوافر كتلة حرجة من النظير ذي الصلة في حيز معين وتحت ظروف محددة. تتطلب شروط أصغر كتلة حرجة الحفاظ على النيوترونات المنبعثة، بالإضافة إلى إبطائها أو اعتدالها لزيادة احتمالية بدء انشطار آخر. في منطقتين من أوكلو ، الغابون، أفريقيا، كانت مفاعلات الانشطار النووي الطبيعية نشطة منذ أكثر من 1.5 مليار سنة. ^{[ 31 ]} أظهرت قياسات انبعاث النيوترينو الطبيعي أن حوالي نصف الحرارة المنبعثة من لب الأرض ناتجة عن التحلل الإشعاعي. مع ذلك، لا يُعرف ما إذا كان أي من هذا ناتجًا عن تفاعلات الانشطار المتسلسلة. ^{[ 32 ]}

وفقًا لهذه النظرية، مع برودة الكون بعد الانفجار العظيم، أصبح من الممكن تدريجيًا وجود الجسيمات دون الذرية الشائعة كما نعرفها (النيوترونات والبروتونات والإلكترونات). وكانت أكثر الجسيمات شيوعًا التي تشكلت في الانفجار العظيم، والتي لا نزال نراها بسهولة اليوم، هي البروتونات والإلكترونات (بأعداد متساوية). وتشكلت البروتونات لاحقًا لتكوين ذرات الهيدروجين. وقد امتُصت جميع النيوترونات تقريبًا التي تشكلت في الانفجار العظيم في الهيليوم-4 خلال الدقائق الثلاث الأولى بعد الانفجار العظيم، ويشكل هذا الهيليوم معظم الهيليوم الموجود في الكون اليوم (انظر: التخليق النووي في الانفجار العظيم ).

تكونت كميات قليلة نسبيًا من العناصر التي تتجاوز الهيليوم (الليثيوم، والبريليوم، وربما بعض البورون) في الانفجار العظيم، نتيجة تصادم البروتونات والنيوترونات، لكن جميع "العناصر الأثقل" (الكربون، العنصر رقم 6، والعناصر ذات العدد الذري الأكبر ) التي نراها اليوم، تكونت داخل النجوم خلال سلسلة من مراحل الاندماج النووي، مثل سلسلة بروتون-بروتون ، ودورة CNO ، وعملية ألفا الثلاثية . وتتكون عناصر أثقل تدريجيًا خلال تطور النجم.

لا تُطلق الطاقة إلا في عمليات الاندماج النووي التي تشمل ذرات أصغر من الحديد، لأن طاقة الربط لكل نيوكليون تبلغ ذروتها حول الحديد (56 نيوكليونًا). ولأن تكوين النوى الأثقل بالاندماج النووي يتطلب طاقة، تلجأ الطبيعة إلى عملية التقاط النيوترونات. تمتص النواة النيوترونات بسهولة (لعدم وجود شحنة عليها). تتكون العناصر الثقيلة إما بعملية التقاط نيوترونات بطيئة (ما يُعرف بعملية s ) أو بعملية التقاط نيوترونات سريعة ( r ). تحدث عملية s في النجوم النابضة حراريًا (المعروفة باسم نجوم فرع العملاق المقارب AGB)، وتستغرق من مئات إلى آلاف السنين للوصول إلى أثقل العناصر، الرصاص والبزموت. يُعتقد أن عملية r تحدث في انفجارات المستعرات العظمى ، التي توفر الظروف اللازمة من درجات حرارة عالية، وتدفق نيوتروني عالٍ، والمادة المقذوفة. هذه الظروف النجمية تجعل عمليات التقاط النيوترونات المتتالية سريعة للغاية، وتشمل أنواعًا غنية جدًا بالنيوترونات والتي تتحلل بعد ذلك إلى عناصر أثقل، خاصة عند ما يسمى بنقاط الانتظار التي تتوافق مع النوى الأكثر استقرارًا ذات أغلفة نيوترونية مغلقة (أعداد سحرية).

• كوتينغهام، دبليو إن؛ غرينوود، دي إيه (2012). مقدمة في الفيزياء النووية . مطبعة جامعة كامبريدج. رقم ISBN 9781139164405.
• ليتلفيلد، تي. أ. وثورلي، ن. (1979) الفيزياء الذرية والنووية: مقدمة. سبرينغر الولايات المتحدة. ISBN 978-0-442-30190-3.
• بيليايف، ألكسندر؛ روس، دوغلاس (2021). أساسيات الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات . نصوص جامعية في الفيزياء. تشام: دار نشر سبرينغر الدولية. Bibcode : 2021bnpp.book.....B . doi : 10.1007/978-3-030-80116-8 . ISBN 978-3-030-80115-1تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 فبراير 2023 .
• بوف، بوغدان ؛ ريث، كلاوس؛ شولز، كريستوف؛ زيتشه، فرانك؛ روديوهان، فيرنر (2015). الجسيمات والنوى: مقدمة للمفاهيم الفيزيائية . نصوص الدراسات العليا في الفيزياء. برلين، هايدلبرغ: سبرينغر برلين هايدلبرغ. doi : 10.1007/978-3-662-46321-5 . ISBN 978-3-662-46320-8تم الاطلاع عليه بتاريخ 27-05-2024 .

• دليل الفيزياء النووية . إيساو تانيهاتا، هيروشي توكي، توشيتاكا كاجينو (محررون). سنغافورة: سبرينغر نيتشر سنغافورة. 2020. دوى : 10.1007/978-981-15-8818-1 . رقم ISBN 9789811588181تم الاطلاع عليه بتاريخ 31-05-2023 .{{cite book}}صيانة CS1: أخرى ( رابط )

• كوهين، برنارد ل، (1971) . مفاهيم الفيزياء النووية، ماكجرو هيل، إنك .
• بور، آجي؛ موتلسون، بن ر. (1998) [1969]. بنية النواة: (في مجلدين) . وورلد ساينتيفيك. doi : 10.1142/3530 . ISBN 978-981-02-3197-2أُرشف من المصدر الأصلي بتاريخ 20 يناير 2023. تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 أبريل 2023 .
• غرينر، والتر. مارون، يواكيم أ. وبروملي، دا (1996) النماذج النووية. سبرينغر رقم ISBN 9783540591801.
• بايتز، جنرال. شيك، هانز (2014). التفاعلات النووية: مقدمة . سلسلة محاضرات في الفيزياء. المجلد  882. برلين، هايدلبرغ: سبرينغر برلين هايدلبرغ. doi : 10.1007/978-3-642-53986-2 . ISBN 978-3-642-53985-5تم الاطلاع عليه بتاريخ 2023-04-04 .

• فيرمي، إي. (1950) . الفيزياء النووية . مطبعة جامعة شيكاغو
• موت، إن إف؛ ماسي، إتش إس دبليو (1949). نظرية التصادمات الذرية . سلسلة الدراسات الدولية في الفيزياء (  الطبعة الثانية). أكسفورد: مطبعة كالرندون (مطبعة جامعة أكسفورد).
• بلات، جون م.؛ فايسكوف، فيكتور ف. (1979) [1952]. الفيزياء النووية النظرية . نيويورك، نيويورك: سبرينغر نيويورك. doi : 10.1007/978-1-4612-9959-2 . hdl : 2027/mdp.39015078632893 . ISBN 978-1-4612-9961-5تم الاطلاع عليه بتاريخ 22-02-2023 .
• بيث، هانز أ.؛ موريسون، فيليب (2006) [1956]. النظرية النووية الأولية . مينولا، نيويورك: منشورات دوفر. ISBN 978-0-486-45048-3.