كيمياء نووية وإشعاعية كيم )4212(- الفرقة الرابعة كيمياء د / عبير بنت علي الحربي د / جميلة الزهراني أستاذ الفيزياء النووية واإلشعاعية المساعد aaalharbi@pnu.edu.sa Jsalzahrani@windowslive.com الفرق المستهدفة: الفرقة الرابعة قسم الكيمياء ( أ - ب- ج ) كيم.1.2 المحاضرة الثانية نبذة عن الذرة والنواة النشاط اإلشعاعي الفصل الدراسي الثاني من العام الجامعي 1432/1433 ه )4212(
طاقة الترابط للنواة BINDING ENERGY OF THE NUCLEUS كتلة الترابط للنواة= مجموع كتل النيوكلونات المكونة للنواة حيث: M هي كتلة النواة M n هي كتلة النيوترون M p هي كتلة البروتون N عدد النيوترونات في النواة. - ( NM ZM p - M)C 2 كتلة النواة B n تعتبر قيمة طاقة الترابط للنيوكلون الواحد بمثابة مقياس لمدى تماسك واستقرار النواة فكلما زادت هذه القيمة كانت النواة متماسكة ومستقرة وكلما قلت هذه القيمة فإن هذا يعني أن النواة أكثر تفككا وغير مستقرة.
منحنى طاقة الربط النووية Nuclear Binding Energy Curve يتم الحصول على منحنى طاقة الترابط النووي بقسمة طاقة الترابط لكل نواة على عدد النيوكلونات. تكون طاقة الربط للنيوكلون في مدى ال م إ ف بينما مدى طاقة الربط لإللكترون في حدود ال إ ف. مجموعة الحديد group) (The Iron هي أكثر المجموعات إستقرارا..1.2.3
10 Fission 238 92U Fission = Breaking large atoms into small يقسم منحنى الطاقة إلى ثالث أقسام: منطقة االستقرار النووي منطقة األنوية الخفيفة )اندماج( منطقة األنوية الثقيلة )االنشطار(..4 كيم )4212(
مثال لطاقة الرتابط تتكون نواة الهيليوم من بروتونين ونيوترونين ويمكن القول بأن : تبلغ كتلة نواة الهيليوم 4.0015 وحدة كتلة ذرية. تبلغ كتلة البروتون 1.0073 وحدة كتلة ذرية. تبلغ كتلة النيوترون 1.0087 وحدة كتلة ذرية. وبما أن نواة الهيليوم تتألف من بروتونين ونيوترونين لذا يمكن حساب كتلة نواة الهيليوم على النحو التالي: كتلة بروتونين = 2 1.0073 كتلة نيوترونين = 2 1.0087 كتلة بروتونين = 2.0146 كتلة نيوترونين = 2.0174
2.0174 + وحدة كتلة ذرية 2.0146 4.0320 مجموع كتل البروتونات والنيوترونات = = وبمقارنة كتلة الهيليوم الفعلية بمجموع كتل مكونات نواتها يالحظ أن هنالك فرقا في الكتلة : يبلغ الفرق في الكتلة بين نواة الهيليوم الفعلية ومجموع مكوناتها 0.0305 وحدة كتلة ذرية ويتحول هذا الفرق في الكتلة طبقا لمعادلة أينشتاين إلى طاقة تتحرر عندما تتكون نواة الهيليوم وتدعى هذه الطاقة بطاقة الربط النووي. طاقة الربط النووي : الطاقة المتحررة عند تكون أنوية الذرات من اتحاد مكوناتها
اس تقرار النواة Nuclear stability عند حساب طاقة الربط النووي ألنوية ذرات العناصر تبين ما يلي : العناصر ذات الكتل الذرية القليلة ( الخفيفة ) غير مستقرة وذات طاقة ربط نووي قليلة جدا وتميل لالندماج. العناصر ذات الكتل الذرية العالية ( الثقيلة ) غير مستقرة وذات طاقة ربط نووي قليلة نسبيا وتميل لالنشطار. العناصر ذات الكتل الذرية المتوسطة مستقرة وذات طاقة ربط نووي عالية. لذا يتوقع أن تميل أنوية العناصر الثقيلة لإلنشطار لتكوين نوى متوسطة الكتلة بينما يتوقع أن تندمج أنوية العناصر الخفيفة لتكوين أنوية متوسطة. إال أن طاقة الربط النووي ليست العامل الوحيد المؤثر في استقرارية أنوية العناصر فالنسبة بين عدد البروتونات والنيوترونات في النواة والطبيعة المفردة والزوجية ألعداد البروتونات والنيوترونات لها دور مهم في تقرير استقرارية أنوية العناصر.
اس تقرار النواة Nuclear stability 1.مما سبق يتضح لكام زادت طاقة الربط للنيولكون لكام اكنت النواة أكرث اس تقرارا. 2. الشلك املقابل يوحض خط الاس تقرار stability) (line of فميثل املور السيين عدد الربوتوانت واملور الصادي عدد النيرتوانت ابلنسبة للنوية املس تقرة. 3. بداية للنوية اخلفيفة يتطابق خط الاس تقرار مع اخلط.N=Z أما ألنوية الكرث وزان فتتجه اىل الاس تقرار بزايدة عدد النيرتوانت للتغلب عىل طاقة كولوم التنافرية للربوتوانت. 4. ما القوة اليت تقاوم طاقة كولوم كيم )4212(
القوى النووية Nuclear Forces تسمى القوة التي تربط النيوكلونات ببعضها داخل النواة بالقوى النووية. تمتاز بخواص يمكن تلخيصها في ما يلي: القوى النووية هي قوى جذب للتغلب على قوى التنافر الكولومي بين البروتونات داخل النواة. لها مدى قصير Short range بمعنى أنها تتالشى )تصل إلى الصفر( في مدى قصير جدا يصل إلى أقل من 15-10 من سطح النواة, وال تتبع قانون التربيع العكسي. القوى النووية بين بروتونين في مستوى كمي معين مساوية للقوى النووية بين نيترونين في نفس المستوى, وهي أيضا مساوية للقوى بين بروتون ونيترون في نفس المستوى الكمي. تصبح القوى النووية في مسافات قريبة جدا قوى تنافرية. لماذا نتيجة للمدى القصير للقوى النووية فإنها تعمل فقط بين النيوكلونات المتجاورة )خاصية التشبع(. تميل النيوكلونات إلى تكوين أزواج داخل النواة..Nuclear Pairing.1.2.3.4.5.6 كيم )4212(
يعاعشلا طاشنلا Radioactivity ريسفت طاشنلا يعاعشلأا : ضعب داوملا )رصانعلا( ةدوجوملا يف ةعيبطلا نوكت ريغ ةرقتسم رملأا يذلا ىلع اهلمحي مايقلا ضعبب تايلمعلا نع اثحب.رارقتسلاا هذه تايلمعلا )ةيئاقلتلا( يه ةرابع نع تلالاحمضإ ةيونلأل يتلاو دق كرتت ةاونلا ةجتانلا يف ةلاح ةراثإ امم يدؤي ىلإ ثاعبنا ةعشأ.ةيوون اذهبو ربتعت هذه داوملا اداوم ةعشم وأ ةطشن ايعاعشإ نكميو نأ ربتعت رداصم.ةيعاعشإ لركيب فاشتكا تاعاعشلإا ةرداصلا نم حلامأ.موينارويلا رييب يريمو يرويك لصف نيرصنع نيعشم نيديدج ايمس اميف دعب موينولوبلاب و.مويدارلا ةيادب( لصفل ددع ريبك نم رصانعلا ةعشملا.) ايعيبط دروفرذر زييمتلا نيب ثلاث عاونأ ةفلتخم نم عاعشلإا تتبثأ اهنأ تاميسج افلأ تاميسج اتيب ةبجوملا ةبلاسلاو ةعشأو اماج ةعشأ(.)ةيسيطانغمورهك ميك )4212(
بيكريل و اكتشاف اليورانيوم في عام 1896 كان العالم الفرنسي هنري بيكريل يدرس خصائص بعض المعادن وكان مهتما بالتحديد بدراسة قابليتها على عكس الضوء المرئي عند تعرضها لضوء الشمس ومن بين تلك المعادن عينة من خام اليورانيوم. وبمحض الصدفة الحظ بيكريل انبعاث أشعة غير مرئية من خام اليورانيوم دون أن يتعرض ألشعة الشمس وقد أثرت هذه األشعة بشكل غير متوقع على فلم فوتوغرافي بنفس الطريقة التي يؤثر فيها الضوء المرئي على الفلم الفوتوغرافي وعند تظهير الفلم بعد أربعة أيام الحظ ظهور صورة مفتاح على الفلم وقد كان المفتاح موضوع أصال على صفيحة الفلم الفوتوغرافي. الفلم بعد أن قام بيكريل بتظهيره. سميت ظاهرة إطالق تعرف اليوم ظاهرة الذرات المشعة. العناصر ألشعة غير مرئية النشاط الشعاعي بأنها ظاهرة بظاهرة االنبعاث النشاط التلقائي اإلشعاعي أنوية من الطاقة أو للدقائق
الزوجني كوري و اكتشاف البلوتونيوم والراديوم هتم كل من بيير كوري Pierreوزوجته Curie ماري كوري Marie Curie بدراسة خصائص اليورانيوم وخاماته وقد تبين لهما أن جميع خامات اليورانيوم تظهر نشاطا إشعاعيا متوسطا باستثناء أحد الخامات والمعروف بإسم خام البتشبلند المستخرج من بوهيميا وقد أظهر هذا الخام نشاطا إشعاعيا يفوق الخامات األخرى بأربع مرات. في عام 1898 اكتشف الزوجين كوري البتشبلند أسموهما البلوتونيوم والراديوم النشاط اإلشعاعي للخام. عنصرين مشعين جديدين في خام ووجودهما في الخام هو سبب زيادة
دروفرذر ةبرتج ميك )4212( ةعيبط طاشنلا يعاعشلإا سرد ملاعلا يزيلجنلإا ريسلا تسنرا دروفرذر Ernest Rutherford ةعشلأا يتلا جتنت نم رصانعلا ةعشملا مويدارلاك مويروثلاو نيبتف هل اهنأ ةنوكم نم نيعون نم قئاقدلا عونو دحاو نم ةعشلأا يهو فرعت ايلاح لوأب ةثلاث فورح نم ةيدجبلأا ةيقيرغلإا يهو افلا )α) اتيبو )β).)γ( اماغو http://www.phys4arab.net/uplooo d/naser/nuclear14.swf http://www.phys4arab.net/uploood /naser/nuclear16.swf
أنواع الشعاعات Radioactive rays وجد أن األشعة الصادرة من األنوية غير المستقرة هي:.1 أشعة ألفا :α - Particles هي عبارة عن أنوية الهيليوم والمكونة من بروتونين ونيوترونين فهي بذلك تكون ذرات الهيليوم عند اكتسابها إلكترونين وكتلتها )4( أضعاف كتلة ذرة الهيدروجين وقدرتها على االختراق قليلة مقارنة بدقائق بيتا وأشعة غاما فصفيحة رقيقة من الورق أو األلومنيوم تستطيع أن توقف تقدمها إال أن لها القدرة على حرق الجلد وتأيين الهواء بسرعة وهي ذات المدى القصير )بضع سم من الهواء(. كيم )4212(
أنواع الشعاعات Radioactive rays أشعة بيتا الموجبة والسالبة β: - Particles ذات المدى المتوسط. يمكن إيقافها باستخدام شريحة من األلمنيوم وبيتا تمثل اإللكترون والبوزيترون ولها طاقة وقدرة على االختراق تفوق طاقة وقدرة دقائق ألفا..2 :γ- 3. أشعة جاما Rays طولها سرعة ولكن تساوي وهي عبارة عن أمواج كهرمغناطيسية مشابهه للضوء المرئي الموجي أقصر وترددها أعلى من الضوء المرئي وسرعتها الضوء وال تحمل أشعة غاما شحنة وليس لها كتلة. وتنتج أشعة غاما من التنقالت داخل مستويات الطاقة داخل النواة. وهي ذات مدى طويل ال تقف إال باستخدام شرائح من الرصاص. كيم )4212(
مدى اخرتاق النواع انلتلفة من الشعاعات Paper or a few cm of air stops alpha particles 1cm or 1m of air of aluminium stops beta particles Several cm of lead or 1m of concrete is needed to stop gamma rays كيم )4212(
http://www.phys4arab.net/uploood/naser/nuclear07.swf
قوانين تفاعالت التفكك اإلشعاعي عدد النيوكلونات قبل التحلل = عدد النيوكلونات بعد التحلل. كمية التحرك قبل التحلل = كمية التحرك بعد التحلل مقدار الطاقة الداخلة في التفاعل = مقدار الطاقة الناتجة عن التفاعل أنواع التفككات اإلشعاعية تفكك ألفا تفكك بيتا )السالبة الموجبة األسر اإللكتروني( إشعاعات جاما كيم )4212(
قوانين االنحالل اإلشعاعي يعرف الاحنالل الشعاعي بأنه: حتول نواة مشعة )غري مس تقرة( اىل أخرى قد تكون مشعة أيضا أو غري مشعة )مس تقرة( وذكل ابصدار أشعة جاما او بيتا بنوعهيا أو جساميت ألفا. وحيدث الاحنالل الشعاعي للنظائر غري املس تقرة سواء اكنت نقية أو تدخل مضن مركبات كمييائية. كام أن معلية التفكك ل تعمتد عىل الظروف الطبيعية. كام أن معلية الامضحالل الشعاعي ختضع لقوانني الفزيايء الحصائية حيث ل ميكن التنبؤ ابحنالل نواة معينة يف زمن معني. كيم )4212(
قوانين االنحالل اإلشعاعي t N عدد األنوية يعطى بالمعادلة: إذا كان االنحالل المشعة معدل فإن زمن عند ما عينة في الموجودة حيث تسمى λ بثابت االنحالل decay constant وهو يعد مقياسا الحتمال انحالل نواة معينة. و بمكاملة المعادلة السابقة في الفترة الزمنية من 0=t حتى t=t تصبح المعادلة: تعرف هذه المعادلة بقانون االنحالل اإلشعاعي ويحسب العالقة بين األنوية المتبقية N والزمن t بداللة عدد األنوية األصلي. N 0 N dn dt A N e 0 A e t t N كيم )4212(
انحالل ألفا- Alpha decay جسمي ألفا عبارة عن نواة ذرة الهيليوم He واليت تتكون من بروتونني ونيرتونني. 4 2 وحيدث عندما تكون القوى النووية غري قادرة عىل احلفاظ عىل متاسك النواة وابلتايل طاقة النواة الم أكرب من مجموع طاقيت النواة البنت و جسمي ألفا ويسمى فرق الطاقة بطاقة الاحنالل أو الامضحالل.disintegration energy ويف الغالب مجيع النظائر الثقل من الرصاص تنحل اما ابطالق جساميت ألفا أو ابلنشطار النووي. كيم )4212(
كيفية انتاج جساميت ألفا :تنبعث غالبا من النوايت ذات العدد الكتيل الكبري مثل اليورانيوم 238 و نواة الراديوم. وبصورة عامة ميكن كتابة احنالل ألفا عىل الصورة: - - مثال: http://www.phys4arab.net/uploood/n aser/nuclear02.swf كيم )4212(
طيف الطاقة النحالل ألفا طيف جسيمات ألفا عبارة عن قيم محددة للطاقة.
Decay السالب احنالل بيتا ( شحنات ) سالبة تسمى اإللكترونات. - تعريفه : هو عبارة عن جسيمات - صفات جسيمات بيتا السالبة : نفاذيتها عالية فقدرتها أكبر 100 مرة من قدرة نفاذ جسيمات ألفا حيث تحتاج إلى صفيحة من األلمنيوم سمكها 5 ملم إليقاف معظمها. - كيفية إنتاج جسيمات بيتا السالبة : تتولد في النويات غير المستقرة والتي تكون فيها نسبة النيوترونات أكبر من البروتونات ولذلك يتحول النيوترون إلى بروتون وإلكترون هذا اإللكترون يمثل جسيمات بيتا السالبة - المعادلة األساسية لها : n p e 14 C 14 6 7 N كيم )4212(
Decay احنالل بيتا السالب. و البروتاكتينوم 234 - مثال : الثوريوم 234. - التغير الحاصل في الذرة عند إصدار جسيم بيتا السالب : 1( العدد الذري يزيد وحدة ( أي يزيد بروتون واحد ) أما العدد الكتلي ثابت 2( يتحول العنصر إلى عنصر آخر. كيم )4212(
املوجب بيتا احنالل Decay ) موجبة تسمى البوزيترونات حيث أن البوزيترون هو جسيم له كتلة - تعريفه : هو عبارة عن جسيمات ( شحنات اإللكترون وشحنة البروتون. - صفات جسيمات بيتا الموجبة : نفس صفات جسيمات بيتا السالبة إال أنها تعاكسها في االتجاه عند دخولها عبر المجالين الكهربائي والمغناطيسي. - كيفية إنتاج جسيمات بيتا الموجبة : تتولد في النويات غير المستقرة والتي تكون فيها نسبة البروتونات أكبر من النيوترونات لذلك يتحول البروتون إلى نيوترون وبوزيترون. - المعادلة األساسية لها : p 18 9 n F 18 8 e O كيم )4212(
املوجب بيتا احنالل Decay. 14 - مثال : النيتروجين. - التغير الحاصل في الذرة عند إصدار جسيم بيتا الموجب : 1( ينقص العدد الذري وحدة ( أي ينقص بروتون واحد ) والعدد الكتلي ثابت 2( يتحول العنصر إلى عنصر آخر. علل : تنحرف جسيمات ألفا بواسطة المجالين الكهربائي والمغناطيسي أقل من انحراف جسيمات بيتا ج / ألن كتلة جسيمات ألفا كبيرة ( جسيم موجب الشحنة ) بعكس جسيمات بيتا لذلك فهي تحتاج إلى طاقة أكبر النحرافها. كيم )4212(
لكي يكون النظير مستقرا بالنسبة إلصدار جسيمات بيتا يجب أن تكون النسبة بين عدد النيترونات والبروتونات (N/Z) نسبة معينة لهذا النظير تتراوح بين 1 للنظائر الخفيفة و 1.6 للنظائر الثقيلة
األسر االلكتروني: تعريفه : هو قيام النواة بإلتقاط ( أسر ) إلكترون من مجال داخلي للذرة حيث ينتقل اإللكترون من المستوى الخارجي للطاقة إلى المستوى الداخلي للذرة فيتحد هذا اإللكترون مع بروتون ويتحول هذا البروتون إلى نيوترون مع إشعاع سيني. - - المعادلة األساسية له :. 40 مثال : البوتاسيوم -. التغير الحاصل في الذرة عند اإللتقاط اإللكتروني : العدد الذري ينقص وحدة ( أي ينقص بروتون واحد ) والعدد الكتلي ثابت يتحول العنصر إلى عنصر آخر. تطلق أشعة سينية ( أشعة x). http://www.phys4arab.net/uploood/naser/nuclear05.swf - (1 (2 (3 كيم )4212(
طيف الطاقة لتفكك بيتا القمية وحىت الصفر من اعتبارا القمي وتأ خذ متصال بيتا جس اميت طيف يكون عىل للحفاظ نيرتينو النيت و النيرتينو اجلس مي وجود يفرس وهذا للنظري. القصوى التحرك. ومكية الطاقة حفظ قانون
الاحنالل اجلايم كيم )4212( Gamma radiation تعريفها : هي عبارة عن أمواج كهرومغناطيسية تسير بسرعة الضوء وطاقتها عالية ال تتأثر بالمجالين الكهربائي والمغناطيسي. -. ) - صفات أشعة جاما : 1( ترددها عالي وطولها الموجي قصير. 2( طاقتها عالية. 3( ال تأين الذرات. 4( نفاذيتها عالية ( أكبر من جسيمات ألفا وبيتا حيث تستطيع اختراق جدار من الخرسانة سمكه 10 سم علل : أشعة جاما ال تؤين ذرات الهواء بالرغم من ترددها العالي ج / ألن تردد هذه األشعة عالي فإن طاقتها ستكون أكبر بكثير من طاقة الربط وبالتالي فهي مثل الموجه فوق السمعية التي ال تتأثر بها األذن. أعلى رمز العنصر من اليمين كداللة على أن ذرة ذلك - كيفية إنتاج أشعة جاما : تنتج من الذرات المثارة وسوف نضع الرمز ( * ) العنصر في حالة خاصة من الطاقة ( إثارة ). - المعادلة األساسية لها : http://www.phys4arab.net/uploood/naser/nuclear10.swf
كيم )4212( الاحنالل اجلايم Gamma radiation The gamma-ray spectrum of natural uranium.
Homework:.1 يبسحا ةقاط طبارتلا ةاونل مويريتيدلا ةنوكملا نم نوتورب املع نورتوينو نأب ةلتك مويريتيدلا 2,013547 ك و ذ.2 ام عون رئاظنلا يتلا عضخت ككفتل اتيب هيعونب.3 يللع : يوتحت ةاون ةرذلا ىلع تانوتوربلا ةبجوم ةنحشلا نود نأ رفانتت.4 يبتكا تلاداعم ةقاطلا ككفتل اتيب ةبجوملا ةبلاسلاو رسلأاو ينورتكللاا