Noyau,masse et énergie

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Noyau,masse et énergie"

Φαίδρα Ταμτάκος
6 χρόνια πριν
Προβολές:

1 النوى الكتلة والطاقة Noyau,masse et énergie I التكافو "آتلة طاقة" علاقة إنشتاين توصل العالم إنشتاين من خلال الميكانيك النسبوية الخاصة سنة 905 م إلى أن هناك تكافو بين الكتلة والطاقة. تمتلك آل مجموعة آتلتها m في حالة سكون طاقة E تسمى طاقة الكتلة تعبيرها هو : E = m. 8 سرعة الضوء 3. m / s kg آتلة المجموعة نعبر عنها ب m E طاقة المجموعة نعبر عنها بالجول. عندما تتغير آتلة المجموعة ب m خلال تحول ما يكون تغير الطاقة الكتلية لهذه المجموعة هو : E = m. 0>m ) تنقص آتلة مجموعة في سكون ( طاقتها الكتلية تنقص آذلك 0>E : تحرر المجموعة في هذه الحالة طاقة تمنحها للوسط الخارجي. (0<Q) 0<m ) تزداد آتلة مجموعة في سكون ( طاقتها الكتلية تزداد آذلك 0<E : تكتسب المجموعة في هذه الحالة طاقة من الوسط الخارجي. (0>Q) وحدة الكتلة والطاقة أ وحدة الكتلة الذرية في الفيزياء النووية تكون آتل النوى والدقاي ق صغيرة جدا لذا يعبر عنها بوحدة ملاي مة تسمى وحدة الكتلة الذرية ونرمز لها بu u يساوي من آتلة ذرة الكربون نعلم أن آتلة مول واحد من ذرات الكربون تساوي. 3- kg ويحتوي مول على 6,0.=N 3 ذرة أي أن : 3. 7 u=, kg وبالتالي u = =, 66. kg مثال : آتلة البروتون 7 m =, 675. kg m, 675. =, =, 0073u ب وحدة الطاقة : الا لكترون فولط في الفيزياء النووية الجول وحدة غير ملاي مة للطاقة لذلك يفضل استعمال الا لكترون فولط ومضاعفاته آالميغا إلكترون فولط (MeV). ev =, 6077, MeV = ev = J J ج الطاقة المكافي ة لوحدة الكتلة الذرية. u حسب علاقة انشتاين الطاقة التي تكافي u هي : a mahdade htt://sienehysique.ifrane.om Page

2 ( ) E =, ) = 49, , 4 E = = 93MeV 3, 6077 u = 93,5 MeV / 3 m E=m مثال : حساب طاقة الا لكترون : بحيث أن e 9,.= 3- kg E=0,5Mev ev=,6. فا ن -9 J وبما أن E=9, J=8,9. -5 J نستنتج أن آتلة الا لكترون بوحدة الطاقة الكتلية :. m e =0,5Mev/ Energie de iaison J II طاقة الربط النقص الكتلي. تبين قياسات دقيقة أنجزت بواسطة معيار الكتلة أن آتلة النواة تكون داي ما أقل من مجموع آتل الدقاي ق التي تكونها. m H =, مثال : آتلة نواة الدوتريوم : 09 ( ) u H الدقاي ق المكونة لنواة الدوتريوم =Z و =N مجموع آتل الدقاي ق : 099u m + m = m =, n ( m + m ) m( H) = 0,0050u n وبالتالي نسمي m بالنقص الكتلي للنواة. بصفة عامة : نسمي النقص الكتلي لنواة وهو مقدار داي ما موجب. m الفرق بين مجموع آتل النويات وآتلة النواة ( n ) ( Z ) m = Zm + Nm m X طاقة الربط النواة مكونة من بروتونات ذات شحنة موجبة وn نوترونات ذات شحنة منعدمة. يفسر تماسك النواة بوجود قوى نووية ذات شدة آبيرة تسمى بقوى التا ثيرات البينية القوية.. E لفصل نويات النواة يجب إعطاؤها طاقة تسمى بطاقة الربط وحسب علاقة التكافو بين الكتلة والطاقة لا نشتاين فا ن النقص الكتلي لنواة يكافي الطاقة اللازمة إعطاؤها لفصل نوياتها :, = uو 66. Zm + ( Z) m = m( X ) + E ( n Z ) E = m. = Zm + ( Z) m m( X ). 7 n Z 3 طاقة الربط بالنسبة لنوية E = وحدة E هي Mev/nuéon وهي تمثل طاقة الربط المتوسطة لنوية. للحكم على مدى استقرار نويدة يجب اعتبار طاقة الربط بالنسبة للنوية. تكون نويدة أآثر استقرارا آلما آانت طاقة الربط بالنسبة للنوية آبيرة. تمرين تطبيقي : 6 88 نعتبر نويدة الراديوم Ra أحسب طاقة الربط لنويدة الراديوم واستنتج طاقة الربط بالنسبة لكل نوية. kg و m n =, 00867u و m =, 0078u و m Ra = 5, نعطي : 977 ( ) u =3. 8 m/ a mahdade htt://sienehysique.ifrane.om Page

الجواب : طاقة الربط اللازمة هي الطاقة اللازمة لفصل نويات موجودة في حالة سكون. E = m. = Zm + Nm m X. E [( ) ( )] 88=Z و 6=N ومنه فا ن 6 = 88., 0078 + 38., 00867 5, 977. 9. =, 779.

بدلالة بالنسبة لنويدة n Z عدد النويات. أنظر الشكل. من خلال المنحنى نلاحظ : : 0<<95 - لها قيم دنيا تقارب قيمتها المطلقة.

3 الجواب : طاقة الربط اللازمة هي الطاقة اللازمة لفصل نويات موجودة في حالة سكون. E = m. = Zm + Nm m X. E [( ) ( )] 88=Z و 6=N ومنه فا ن 6 = 88., , , =, 779. J = 736, 90 ( ) MeV 736, 90 E = = 7, طاقة الربط بالنسبة لكل نوية = E وبالتالي 68MeV / 6 4 منحنى أسطون ston يمكن مقارنة استقرار مختلف النويدات باستعمال منحنى أسطون حيث يمثل تغيرات مقابل طاقة الربط - بدلالة بالنسبة لنويدة n Z عدد النويات. أنظر الشكل. من خلال المنحنى نلاحظ : : 0<<95 - لها قيم دنيا تقارب قيمتها المطلقة. 8MeV/ هذه المنطقة تظم النوى الا آثر استقرارا ) مثال الحديد Fe هو النوى الا آثر استقرارا لذا يوجد بوفرة في الطبيعة. و >95 <0 - آبيرة أي أن صغيرة جدا وبالتالي فطاقة الربط بالنسبة لنوية ضعيفة الشيء الذي يبين أن هذه النوى غير مستقرة. يمكنها أن تتحول إلى نوى أآثر استقرارا. يمكن لهذه أن تتحول وفق نوعين من التفاعلات النووية : -- 9< النوى الثقيلة غير المستقرة تنشطر إلى نواتين خفيفتين. وتسمى هذه الظاهرة الانشطار النووي. 0> النوى الخفيفة تتحد فيما بينها لتعطي نواة أآثر ثقلا وتسمى هذه الظاهرة الاندماج النووي. ملحوظة. الاندماج والانشطار تفاعلان محر ضان. Fusion et fission nuéaire الانشطار والاندماج النوويان III الانشطار النووي : يمكن لنواة ثقيلة آالا ورانيوم أو البلوتونيوم مثلا أن تنقسم بعد قدفها بنترون بطيء ) طاقته الحرآية أقل من 0,MeV )إلى نواتين خفيفتين. يسمى هذا التحول الانشطار النووي وتسمى النوى الثقيلة النوى الشطورة fissie والنترون القديفة : النوترون الحراري. أ تعريف الانشطار النووي تفاعل نووي تنقسم خلاله نواة ثقيلة شطورة بعد التقافها لنترون حراري إلى نواتين خفيفتين. أمثلة : a mahdade htt://sienehysique.ifrane.om Page 3

4 U + n Cs + Rb + 3 n U + n Sr + Xe + 3 n + γ ب تفاعل متسلسل يمكن لنوترونات الناتجة عن الانشطار النووي أن : تفلت من وسط التفاعل. أو تلتقفها نوى غير شطورة. أو تتسب في انشطار نوى أخرى مساهمة في حدوث تفاعل متسلسل قد يتم بكيفية تفجيرية إذا آان غير متحكم فيه وهذا ما يحدث في القنبلة النووية. ويمكن التحكم فيه وضبطه وهذا ما يحدث في المفاعلات النووية حيث ينتج الطاقة بكيفية منتظمة. ويتحكم في التفاعل النتسلسل في المفاعلات النووية عن طريف امتصاص النوترونات بواسطة قضبان من الكاديوم. الاندماج النووي. أ تعريف الاندماج النووي تفاعل يتم خلاله انضمام نواتين خفيفتين لتكوين نواة أآثر ثقلا. أمثلة : تقع تفاعلات الاندماج داخل الشمس حيث يتم خلالها تكون الهيليوم انطلاقا من الهيدروجين وفق ثلاث مراحل : H + H H + e 0 H + H He 3 He + He He + H + H ب شروط تحقيق الاندماج النووي لا يتحقق الاندماج النووي إلا إذا آان للنواتين الخفيفتين طاقة تمكنها من التغلب على قوى التا ثيرات البينية التنافرية. ويتطلب توفير هذه الطاقة درجة حرارة عالية. ولهذا السب ينعت الاندماج بالتفاعل النووي الحراري. VI الحصيلة الكتلية والطاقية لتفاعل نووي. الحالة العامة : نعتبر تفاعلا نوويا معبرا عنه بالمعادلة التالية : X + X X + X 3 4 Z Z Z3 3 Z4 4 X i تدل على نوى عناصر آيمياي ية أو دقاي ق. الحصيلة الطاقية المقرونة بهذا لتفاعل هي : ( ) + ( ) = ( 3 ) + ( 4 ) + ( ) ( ) ( ) ( ) X X X X E E = E X + E X E X + E X 3 4 X i حيث ) i ( X التفاعل. حسب تعبير طاقة الربط طاقة الربط للنواة أو الدقيقة لدينا :. و E طاقة E ( 3 ) ( 4 ) ( ) ( ) ( 3 ) ( 4 ) ( ) ( ).. ( ) ( ). E = m X + m X. m X + m X. E = m X + m X m X m X E = m = m roduit m reatifs ملحوظة : مخطط الطاقة لتفاعل نووي عام : : E i الطاقة البدي ية للمجموعة : الطاقة النهاي ية للمجموعة. E f a mahdade htt://sienehysique.ifrane.om Page 4

5 . 35 X 4 X 3 الطاقة التي تكتسبها المجموعة لتفكيك النواتين. و ( ) + ( ) E X E X ( ) ( ) الطاقة التي تحررها المجموعة عند تكون النواتين X 3 + X 4 E الطاقة الكلية لهذا التفاعل النووي وبذلك تصبح أآثر استقرارا. ملحوظة : الطاقة المحررة خلال تفاعل ناشر للطاقة هي > 0 E Q = 40 Cs 55 تطبيقات على الانشطار ولاندماج النوويين أ الانشطار النووي : نعتبر معادلة الانشطار النووي التالية : U + n Cs + Rb + 3 n نعطي آتل النوى المتدخلة في هذا التفاعل النووي. 93 Rb 37 U 9 34,99346 u 39,887 u 9,9074 u,00866 u m = m m f n 0 أحسب الطاقة المحررة من طرف نواة واحدة من الا ورانيوم. i E = m. لدينا حسب تعبير تغير الطاقة : بحيث أن ( 55 ) ( 37 ) 3 ( 0 ) ( 9 ) ( 0 ) ( 55 ) + ( 37 ) + ( 0 ) ( 9 ) = m Cs + m Rb + m n m U + m n = m Cs m Rb m n m U =-0,879u=-3,0-8 kg., , 699 E = m = J = MeV Q=- E تساوي E = m. أي أن انشطار نواة واحدة من الا ورانيوم تحرر طاقة. 74,699MeV مخطط الطاقة لتفاعل الانشطار : أنطر الشكل ب الاندماج النووي نعتبر تفاعل الاندماج التالي : H + H He + n ( 4 ) ( 0 ) ( ) ( ) m = mf mi = m He + m n m H + m H =-0,879u=-3,0 E = m. 7,585MeV تفاعل الاندماج يحرر طاقة تقارب 8MeV بينما تفاعل الانشطار يحرر طاقة تقارب 00MeV تقريبا. فالبنسبة لعدد النويات بالنسبة للاندماج النووي 5 نويات وبالنسبة للانشطار النووي 36 نوية أي أنه بالنسبة لنوية واحدة الطاقة المحررة بالاندماج أآبر بخمس مرات الطاقة المحررة بالانشطار.( أنظر سلسلة التمارين ( 3 تطبيقات على التحولات النووية التلقاي ية. a mahdade htt://sienehysique.ifrane.om Page 5-8 kg H 3 H He 4,0355 3,0550 4,0050,00866 n 0 ملحوظة مهمة :

6 .(Q=- E>0) تكون المجموعة ناشرة للطاقة أي أنها تحرر الطاقة يكتسبها المحيط الخارجي E < ( Q= E (0> تكون المجموعة ماصة للطاقة ) تكتسب طاقة من المحيط الخارجي E > 0 بالنسبة للتفاعلات النووية التلقاي ية تكون داي ما < 0 E ونرمز لها بالحرف E وتظهر هذه الطاقة على شكل طاقة طاقة حرآية تكتسبها على الخصوص الدقاي ق المنبعثة خلال التفتت. ا النشاط الاشعاعي α معادلة التفتت α هي : Z 4 z 0 X Y + α الطاقة المتحررة خلال النشاط الا شعاعي : α Z ( z ) ( ) 4 E = m( α) m Y m X +. تطبيق : أحسب الطاقة الناتجة عن تفتت نواة واحدة من الراديوم. 6 نواة الراديوم إشعاعية النشاط α نعطي : 6 Ra Rn 4 He ,977u,970 4,005 Ra Rn + He ننجز الحصيلة الطاقية لهذا التفاعل : ( 86 ) ( ) ( 88 ) E = 4 6 m Rn + m He m Ra. = 5, 3. u. 3 نعلم أن u=93,5mev/ وبالتالي فا ن : 3 MeV E = 5, 3. 93, 6. = 4, 94MeV وبالتالي الطاقة المحررة عن هذا التفاعل هي : Q = E = E ( α) = 4,94MeV وهي تظهر على شكل طاقة حرآية : β C تكتسبها على الخصوص الدقيقة. α ب النشاط الا شعاعي - β. معادلة التفتت للنشاط الا شعاعي - β Z 0 X Y + e Z+ الحصيلة الطاقية للنشاط الا شعاعي ( Z+ ) ( ) ( ) E = m Y m e m X +. 0 Z ج النشاط الا شعاعي معادلة التفتت للنشاط الا شعاعي + β Z 0 X Y + e : β + Z + الحصيلة الطاقية للنشاط الا شعاعي ( Z ) ( + ) ( ) 0 Z E = m Y m e m X +. ملحوظة : تتحول الطاقة المحررة خلال التفاعلات النووية إلى طاقة حرآية للنوى والدقاي ق الناتجة عن هذا التحول وآذلك إلى طاقة آهرمغناطيسية للا شعاعات. γ Q = E = EC ( ZY) a mahdade htt://sienehysique.ifrane.om Page 6

7 : Y Z النوى والدقاي ق الناتجة عن التحول V التا ثيرات البيولوجية للنشاط الا شعاعي. للا شعاعات النووية تا ثير على جسم الا نسان وذلك حسب الكمية التي يمتصها الجسم وبطبيعة الا شعة الا شعاعات α تخترق المادة بصعوبة إذ تكفي ورقة لا يقافها وتحدث حروقا سطحية على على الجلد. الا شعاعات β أآثر نفاذية من α ويلزم عددة مليمترات لا يقافها. تستعمل هذه الا شعاعات لمعالجة الخلايا السرطانية. الا شعاعات γ نافدة بقدر آبير ولا يقافها يلزم عدة سنتيمترات من الرصاص وتستعمل في تشخيص الا مراض بالصور. تستعمل الا شعاعات النووية في الطب بكميات ضي يلة جدا آعنصر لاستشفاء ولتشخيص الا مراض أو لمعالجتها. آيف تو ثر الا شعاعات النووية على الا نسان تتفاعل الا شعاعات النووية ذات الطاقة العالية مع المادة المكونة لجسم الا نسان إذ يمكنها انتزاع إلكترونات ذرات خلايا بعض الا عضاء محدثة بعض التشوهات بيوآمياي ية. a mahdade htt://sienehysique.ifrane.om Page 7

Σχετικά έγγραφα

02 : رقم الوحدة المجال الرتي المستوى: 3 التطورات + ر+ الدرس : 02. lim. lim. x x Kg A = Z + N. + x = x y e = a = .

02 : رقم الوحدة المجال الرتي المستوى: 3 التطورات + ر+ الدرس : 02. lim. lim. x x Kg A = Z + N. + x = x y e = a = . التطورات المجال بةةةة الرتي الوحدة النووية التحولات ر ت ر ت ع المستوى رقم الدرس b عددان حقيقيان i a 7 الا ساس النبيري i y ] y [ y y حيث قبلية مآتسبات الا سية الدالة b أ شآلها f a معرفة في المجال [ - ]