مبادئ أساسية في الفيزياء الذرية والفيزياء النووية Fundamental principles in the atomic physics, and the nuclear physics

Transcript

1 مبادئ أساسية في الفيزياء الذرية والفيزياء النووية Fudametal priciples i the atomic physics, ad the uclear physics البحث 3 3 مدخل :Itroductio تتكون المادة مهما كانت حالتها»صلبة سائلة أو غازية«من ناتج إرتباط عدة ذرات أو عدة جزيئات قد تكون متماثلة أو غير متماثلة. لقد تم التوصل إلى تحديد هوية 03 عنصر ذري حتى أيامنا هذه وزعت في جدول تبعا لتركيبها اإللكتروني وكذلك حسب خصائصها الكيميائية وقد دعي هذا الجدول بالجدول الدوري وسمي أيضا بجدول مندلييف بحيث أن كل خانة من هذا الجدول تقابل عنصر ذري محدد ومعرف بشكل كامل. 3 تركيب الذرة :Atomic structure تتكون الذرة من جزئيين أساسيين هما: النواة واإللكترونات. تتكون النواة من جسيمات عنصرية د عيت بالنيكليونات وهي على نوعين: بروتونات يرمز لها بالرمز P ونيترونات يرمز لها بالرمز. تحمل البروتونات شحنة موجبة في حين أن النيترونات تكون متعادلة كهربائيا. أما اإللكترونات فهي عبارة عن جسيمات أولية يرمز لها بالرمز e تدور حول النواة وفق مدارات محددة بدقة وهي تمتلك شحنة سالبة. 3 األعداد المميزة للذرة :Characteristic umbers of atom تتميز كل ذرة بشكل عام بثاث أعداد أساسية هي: أ - عدد البروتونات )أو عدد اإللكترونات( ويدعى أيضا بالعدد الذري يرمز له بالرمز Z ويكتب إلى األسفل واليسار من الرمز الكيميائي للعنصر. ب - عدد النيترونات يرمز له بالرمز N ج - العدد اإلجمالي للنيكليونات ويدعى أيضا بالعدد الكتلي )أو الوزن الذي( يرمز له بالرمز A ويكتب إلى األعلى واليسار من الرمز الكيميائي للعنصر حيث أن: A = Z + N 49

2 A X Z بناء عليه يمكن تمثيل نواة ذرة عنصر ما بالصيغة الرمزية التالية: حيث X تمثل الرمز الكيميائي للذرة. 3 الواحدات المستخدمة في الفيزياء الذرية :Utilized uits i atomic physics 3 واحدة الكتلة الذرية :Atomic mass uit هي بالتعريف تساوي عن ذلك رياضيا بالعاقة التالية: من كتلة ذرة الكربون يرمز لها بالرمز a..m u أو اختصارا )u( ويعبر 3 واحدة الطاقة الذرية :Atomic eergy uit تقاس الطاقة الذرية عادة بواحدة اإللكترون فولت يرمز لها بالرمز ev حيث أن: ev =.6x0-9 J 3 مكافئ كتلة طاقة :Eergy-mass equivalet اعتمادا على عاقة إينشتاين الشهيرة E = m c نجد أن: u = 93.5 MeV 3 األعداد الكوانتية :Quatum umbers يوجد أربعة أعداد كوانتية مميزة لإللكترونات وهي: أ - العدد الكوانتي الرئيسي يرمز له بالرمز وهو ي حدد المستوى الطاقي الرئيسي والحجم اإلجمالي للمدار الذري الذي ينتمي إليه اإللكترون حيث يأخذ هذا العدد القيم التالية:..., 4 =,, 3, ب - العدد الكوانتي الثانوي )الفرعي( يرمز له بالرمز l وهو ي حدد المستويات الطاقية الثانوية حيث يأخذ هذا العدد القيم التالية: ) l = 0,,,..., ( m وهو ي حدد توالد بعض المستويات الطاقية الثانوية l ج - العدد الكوانتي المغناطيسي يرمز له بالرمز كما ي حدد توجه المدارات الذرية في الفراغ لدى خضوع الذرة لحقل مغناطيسي خارجي. ويساعد أيضا على التمييز بين اإللكترونات التي تحتل المدارات المتماثلة بالشكل حيث يأخذ هذا العدد القيم التالية: m = 0, ±, ±,..., ± l l د - العدد الكوانتي السبيني يرمز له بالرمز s وهو ي حدد اتجاه دوران اإللكترون حول نفسه حيث:. s = ± 3 تسمية الطبقات )السويات( اإللكترونية :Namig of the electroic levels ي رمز للطبقات الرئيسية بأحد األحرف الموضحة بالجدول التالي: 50

3 وي رمز للطبقات الفرعية بأحرف مأخوذة من تسميات الخطوط الطيفية وفق الجدول التالي: 3 توزع اإللكترونات على الطبقات اإللكترونية الثانوية )الفرعية( Distributio of electros o secodary levels: يتم توزيع اإللكترونات على الطبقات اإللكترونية الفرعية حسب مبدأ باولي في اإلستبعاد الذي ينص على ما يلي: ال يمكن أن يتواجد في الذرة إلكترونين لهما نفس األعداد الكوانتية األربعة. لذلك ال يمكن أن يتواجد في الحجيرة اإللكترونية )الخانة( الواحدة سوى إلكترونين على األكثر متعاكسين بالسبين. يمثل اإللكترون في كل حجيرة بسهم عامودي والخانة الممتلئة بإلكترونين تتمثل بسهمين عاموديين جهة أحدهما بعكس اآلخر وي رمز لذلك بالرمز يتحدد عدد اإللكترونات في كل طبقة فرعية بالعددين 5 m l الكوانتيين و s وي شار إلى ذلك بعدد يوضع على شكل أ س )قوة( فوق الحرف الذي ي حدد الطبقة الفرعية ويساوي إلى l H, H ( ( +. ويتحدد عدد اإللكترونات األعظمي N في كل طبقة رئيسية بالعاقة: N = x كما يخضع امتاء الخانات اإللكترونية بشكل عام إلى قاعدة االستقرار األعظمي )قاعدة هوند( والتي تنص على ما يلي: ت شغل في البداية كل خانة كوانية بإلكترون وحيد )عازب( وعندما ت ملئ جميع الخانات بإلكترون وحيد فإن اإللكترونات المتبقية ستملئ بشكل متتال هذه الخانات. باعتبار أن اإللكترون يتحرك دائما على المدار ذات المستوى الطاقي األخفض من بين تلك المسموح له االنتقال إليها ومن ثم المستويات الطاقية األعلى فاألعلى وجد عمليا بأن هذا الترتيب يكون صحيحا من أجل الذرات الخفيفة أي أنه ت شغل الطبقات ذات العدد الكوانتي الرئيسي األقل وبعد ذلك فقط يبدأ شغل الطبقة الرئيسية التالية باإللكترونات وفي نطاق الطبقة الرئيسية الواحدة ت شغل في البداية الطبقات الفرعية ذات العدد الكوانتي المداري األقل ومن ثم الطبقات الفرعية ذات القيم األكبر للعدد l. لقد لوحظ بأن هذا الترتيب يصبح غير معبر تماما عن توزع اإللكترونات وذلك ابتداء K من عنصر البوتاسيوم )9 = Z ) حيث تبين بأن بعض الطبقات الرئيسية التي لها قيمة أكبر للعدد تتميز بطاقة أقل من الطبقات التي لها عدد كوانتي ذات قيمة أقل والتي لم ت شغل بعد ويتعلق هذا بالطبقات الفرعية ) + S) و ) + p) مقارنة بالطبقات الفرعية d و. f ت عرف العناصر التي يجري فيها استكمال الطبقات السابقة )أي الطبقات الفرعية,5f(,5d,4f 4, 3d عندما تكون الطبقات الفرعية الاحقة مشغولة جزئيا بالعناصر االنتقالية. 3 تصنيف العناصر الذرية :Classificatio of atomic elemets يمكن تصنيف نوى العناصر الذرية تبعا لألعداد Z A و N في مجموعات هي: 3 النظائر :Isotopes هي عبارة عن مجموعة من العناصر الذرية )عنصرين أو أكثر( تتميز بكونها تمتلك نفس العدد الذري ولكنها تختلف فيما بينها بعدد النيترونات وبالتالي بالعدد الكتلي. تتميز النظائر بأنها تمتلك خواص كيميائية متشابهة إال أن خواصها الفيزيائية مختلفة قليا وذلك بسبب االختاف في كتلها الذرية )مثل سرعة التبخر واالنتشار كما تبدي اختافا في خواصها النووية(. نذكر على سبيل المثال: H, 3

4 3 اإليزوبا ارت :Isobars هي عبارة عن مجموعة من العناصر الذرية )عنصرين أو أكثر( تتميز بكونها تمتلك نفس العدد الكتلي ولكنها تختلف فيما بينها بالعدد الذري وكذلك بعدد النيترونات. تبدي هذه العناصر اختافا بالخواص الكيميائية وذلك بسبب اختاف عدد البروتونات فيها في حين أنها تمتلك خواص نووية متشابهة كون البروتونات والنيترونات تلعب نفس الدور في النواة. نذكر على سبيل المثال:. 3 اإليزوتونات :Isotoes هي عبارة عن مجموعة من العناصر الذرية )عنصرين أو أكثر( تتميز بكونها تمتلك نفس العدد من النيترونات ولكنها تختلف فيما بينها بالعدد الذري وكذلك بالعدد الكتلي من دون أن يؤدي ذلك إلى خواص مشتركة فيما بينها. نذكر على سبيل المثال: 3 اإليزومي ارت )المماكبات( :Isomers هي عبارة عن مجموعة من العناصر الذرية )عنصرين( تتميز بكونها تمتلك نفس العدد الكتلي والعدد الذري ولها نفس العدد من النيترونات إال أنها تختلف فيما بينها بطاقاتها الداخلية. تتصف هذه العناصر بكونها عناصر مشعة وتتميز بنصف عمر قصير. نذكر على سبيل المثال: 3 النوى المرآتية :Mirror uclei هي مجموعة من النوى )نواتين( تمتلك نفس العدد الكتلي إال أن عدد بروتونات )نيترونات( إحداها يساوي عدد نيترونات )بروتونات( األخرى وبالعكس نذكر على سبيل المثال: 3 النوى الزوجية )الشفعية(: هي النوى التي تحتوي على عددا زوجيا من البروتونات والنيترونات. 3 األعداد السحرية والنوى السحرية :Magic umbers ad magic uclei األعداد السحرية هي:,6,8,50,8,0,8 أما النوى السحرية فهي عبارة عن النوى التي تضم عددا من البروتونات أو النيترونات يساوي أحد تلك األعداد السحرية وتعتبر هذه النوى من أكثر النوى استقرارا وانتشارا في الطبيعة )تأخذ هذه النوى شكا كرويا (. تمتاز النوى ذات العدد السحري من النيترونات بكونها أكثر استقرارا من غيرها. وقد وجد بأن كل نواة تمتلك أحد األعداد السحرية لها عدد كبيرا من النظائر أو اإليزوتونات المستقرة. كما تتميز النوى السحرية بطاقة تهيج عالية. 3 نظرية بور :Bohr s theory تعتمد نظرية بور على مسلمتين أساسيتين هما: أ - ال تستطيع الكترونات ذرة ما الدوران حول النواة إال على بعض المدارات المفضلة. ب - عندما يكون اإللكترون على مداره المفضل ال يشع أية طاقة ويقال أن حالته الطاقية مستقرة. وفي لحظة ما إذا انتقل اإللكترون من سوية طاقية عليا مسموح بها إلى سوية طاقية دنيا مسموح بها أيضا يكون هناك إصدار للطاقة وفي الحالة المعاكسة يكون هناك إمتصاص للطاقة. لقد تمكن بور من تحدد E طاقات المدارات الذرية الرئيسية وفق العاقة الرياضية التالية: 5

5 ( Z a ) b o E = هو ثابت الحجب يتحدد تجريبيا وتكون قيمته كبيرة بمقدار ما تكون a و bo = حيث 3.6 ev كبيرة.. 3 طيوف اإلصدار )الخطوط الطيفية( :)Emissio spectra (the lies spectral E f E إلى مدار آخر أدنى مسموح به ذات الطاقة i عندما يقفز إلكترون من مداره ذات الطاقة اإللكترون وبالتالي الذرة تتخلى عن جزء من طاقتها تعطى بالعاقة الرياضية التالية: فإن ذات طول موجي E = E f Ei = bo ( Z a ) i f E من المعروف بأن هذا الفرق في الطاقة يظهر على شكل طاقة مشعة = hυ h c f i λ = λ = b ( ) ( ) c o Z a f i υ يتحدد بالعاقة الرياضية التالية: 6.6 = h يمثل ثابت بانك تمثل سرعة الضوء في حيث 0 4 J x s أما λ فتقدر بال m s الخاء و υ تمثل تواتر اإلشعاع الصادر ويقدر حسب الجملة الدولية بال. 3 السالسل الطيفية وقاعدة اإلختيار :Spectral series ad the selectio rule لنأخذ على سبيل المثال حالة ذرة الهيدروجين حيث يتشكل لدينا عدة ساسل من الخطوط الطيفية الممثلة لعودة اإللكترون المحرض إلى مداره )أنظر الشكل - (. )الشكل ) 53

6 ولكن تدل التجربة أن عدد الخطوط هو أقل من ذلك وال يوجد خطوط طيفية إال لتلك المتوافقة مع قاعدة االختيار أي: ± = و ± = l و ±, 0 = j )ما عدا حاالت ) j = j 0 0 = حيث j = l ± s )عدد كوانتي داخلي( من أجل 0 l يكون أما أجل = 0 l فإن + = j. لنأخذ على سبيل المثال حالة إلكترون مثار موجود على الطبقة الرئيسية L ولنحدد اإلنتقاالت الممكنة لهذا اإللكترون إلى الطبقة الرئيسية K. من أجل ذلك ال بد من تحديد عدد السويات الطاقية في كل من الطبقة الرئيسية L والطبقة الرئيسية K والمعطيات التي تتميز بها هذه السويات الطاقية حيث نجد أنه: بالنسبة للطبقة الرئيسية L يوجد ثاث سويات طاقية هي: j = و s = + و l و = 0 = تتميز بالمعطيات التالية: L I j = و s = + و l و = = تتميز بالمعطيات التالية: L II 3 j = و s = و l و = = تتميز بالمعطيات التالية: L III أما بالنسبة للطبقة الرئيسية K فيوجد سوية طاقية واحدة تتميز بالمعطيات التالية: j = s = + = و = 0 l و و وبناء على ذلك ناحظ أن عدد االنتقاالت الممكنة هي ثاثة )أنظر الشكل - (: )الشكل - ) 54

7 L I ( l = 0, j = ) K( l = 0, j = ) L I ( l =, j = ) K( l = 0, j = ) 3 L III ( l =, j = ) K( l = 0, j = ). K و L III L و K واإلنتقال بين I أما عدد اإلنتقاالت المسموح بها فهو إثنين هما: اإلنتقال بين. 3 طاقة التأين )التشرد( وطاقة اإلثارة )التهيج( :Excitatio ad ioizatio eergy. 3 طاقة التأين :Ioizatio eergy هي عبارة عن الطاقة الواجب تقديمها من أجل اقتاع إلكترون من مداره في الذرة إلى خارجها دون إكسابه طاقة حركية )أنظر الشكل - 3(. )الشكل )3. 3 طاقة اإلثارة :Excitatio eergy هي عبارة عن الطاقة الواجب صرفها كي نتمكن من نقل إلكترون من مداره إلى مدار أعلى دون إخراجه من الذرة وبالتالي تنتقل الذرة من الحالة المستقرة إلى الحالة الغير مستقرة )الشكل (.. 3 قوى االرتباط النووية :Nuclear bidig forces يؤمن استقرار النواة عن طريق قوى ارتباط نووية معتبرة هي:. 3 القوى الكولونية :Coulomb forces حيث r r هي عبارة عن قوى تدافعية تطبق بين الجسيمات المشحونة )بروتونات( وتتغير تبعا ل يمثل المسافة الفاصلة بين مركزي الجسيمين المشحونين. 55

8 . 3 القوى النووية :Nuclear forces هي عبارة عن قوى تجاذبية تطبق بين النيكليونات بشكل مستقل عن شحنتها وهذه القوى تكون أشد 7 تأثيرا على مسافة قصيرة وتتغير تبعا ل. r. 3 قوى التوتر السطحي :Surface tesio forces هي عبارة عن قوى تجاذبية تطبق بين النيكليونات المحيطية للنواة الثقيلة. وتتمتع هذه القوى بخواص اإلشباع أي أن كل نيكليون يتبادل التاثير فقط مع عدد محدد من النيكليونات المجاورة. لذلك ال تزداد القوى النووية في النواة عند زيادة عدد النيكليونات فيها. واألمر نفسه يحدث بالنسبة لقوى التنافر الكهربائي بين البروتونات. وهذا يساعد على تفسير اإلستقرارية الدنيا لنوى العناصر الثقيلة.. 3 نقص الكتلة :Mass defect لقد أثبتت التجارب أن كتلة النواة ال تساوي مجموع كتل الجسيمات الداخلة في تركيبها من بروتونات ونيترونات وهي بشكل حر وإنما تكون دائما أقل من ذلك. يدعى الفرق بين هذين المقدارين بنقص الكتلة ويرمز له بالرمز M ويعبر عن ذلك بالصيغة الرياضية التالية: M = Z m P + N m M ( A, Z) حيث Z) M ( A, تمثل كتلة النواة.. 3 طاقة االرتباط النووية :Nuclear bidig eergy هي عبارة عن أصغر طاقة الزمة لتفريق النواة إلى مكوناتها األساسية من بروتونات ونيترونات. تعطى E حسب إينشتاين بالعاقة التالية: طاقة االرتباط للنواة Z) ( A, E طاقة االرتباط الوسطية للنيكليون Ε وهي بالتعريف عبارة نستخدم أحيانا عوضا عن طاقة االرتباط عن طاقة االرتباط للنواة مقسومة على عدد النيكليونات الموجودة في النواة أي أن: E ( A, Z) Ε = A. 3 التفاعل النووي :Nuclear reactio هو عبارة عن التأثير المتبادل بين نواة ذرة ما مع جسيمة عنصرية أو مع نواة أخرى تتحول فيه النواة األصلية إلى نواة عنصر آخر. يتحقق التفاعل النووي عادة نتيجة لتصادم النواة أو الجسيمة العنصرية التي تدعى عادة بالقذيفة وهي عبارة عن نواة خفيفة في أغلب األحيان )مثال ذلك: البروتون الديتيريوم جسيم ألفا...( بنواة أخرى تدعى بالهدف )مثال ذلك: األلومنيوم(. ولكي تقترب النواة القذيفة إلى مسافة صغيرة جدا من النواة الهدف ال بد من تسريعها كي تتغلب على قوى التنافر الكولونية بين الشحنتين الموجبتين للنواتين القذيفة والهدف. ت س رع الجسيمة القذيفة عادة بواسطة فرق كمون يبلغ عدة مايين فولط. يمكن تمثيل التفاعل النووي بالمخطط العام التالي: a + A C B + b حيث a يمثل الجسيم المقذوف b يمثل الجسيم الناتج A تمثل النواة الهدف B تمثل النواة الناتجة و 56

9 C تمثل النواة المركبة. كما تستخدم أحيانا طريقة مختصرة لكتابة التفاعل النووي على الشكل التالي: A ( a, b ) B وكمثال على ذلك لنأخذ تفاعل جسيمات ألفا مع نوى ذرات األزوت وفق التفاعل النووي التالي: 4 يكتب هذا التفاعل النووي بالصيغة المختصرة كما يلي: N,a) (P 7 O c. 3 قوانين إنحفاظ التفاعالت النووية :Coservatio laws of uclear reactios من أهم هذه القوانين نذكر ما يلي: أ - انحفاظ الشحنة.coservatio of charge ب - انحفاظ الكتلة.coservatio of mass ج - انحفاظ عدد النيكليونات.coservatio of ucleos umber د - انحفاظ العدد الذري.coservatio of atomic umber ه - انحفاظ الطاقة :coservatio of eergy لكل جسيم طاقة إجمالية E هي عبارة عن مجموع طاقتيه السكونية والحركية أي أن: E = m c = m c + o E m o حيث كتلة الجسيمة السكونية m كتلة الجسيم النسبية )المتحركة( وتحسب من قانون إينشتاين التالي: m = o v m c حيث c سرعة الضوء في الخاء و v سرعة الجسيم. إضافات مدرس املقرر 57

10 58