التحولات النووية: النشاط الإشعاعي والتفاعلات النووية – الثالثة ثانوي (بكالوريا)

التحولات النووية: النشاط الإشعاعي والتفاعلات النووية

الأهداف التعليمية:

• التعرف على مفهوم النشاط الإشعاعي وأنواعه (α، β، γ)
• فهم قوانين التحولات النووية (قانونا سودي)
• إتقان كتابة معادلات التفاعلات النووية
• استخدام قانون التناقص الإشعاعي في حل المسائل

1. مفهوم النشاط الإشعاعي

النشاط الإشعاعي ظاهرة طبيعية تتحول فيها نواة ذرة غير مستقرة (مشعة) تلقائياً إلى نواة أكثر استقراراً مع انبعاث جسيمات أو إشعاعات كهرومغناطيسية. تُسمى النواة الأصلية بـ “النواة الأم” والنواة الناتجة بـ “النواة الابنة”. اكتشف هذه الظاهرة العالم هنري بيكريل عام 1896.

2. أنواع الإشعاعات النووية

إشعاع α (ألفا): عبارة عن نواة الهيليوم (₂⁴He²⁺)، حركته محدودة في الهواء (بضع سنتمترات)، توقفه ورقة. يؤدي إلى نقصان العدد الكتلي A بمقدار 4 ونقصان العدد الذري Z بمقدار 2.

إشعاع β⁻ (بيتا ناقص): عبارة عن إلكترون سريع، حركته أكبر من α (عدة أمتار)، توقفه صفيحة ألمنيوم رقيقة. ينتج عن تحول نيوترون إلى بروتون داخل النواة وفق المعادلة: n → p + e⁻ + ṽₑ. لا يتغير العدد الكتلي A، يزداد Z بمقدار 1.

إشعاع β⁺ (بيتا زائد): عبارة عن بوزيترون (مضاد الإلكترون)، ينتج عن تحول بروتون إلى نيوترون: p → n + e⁺ + νₑ. لا يتغير A، ينقص Z بمقدار 1.

إشعاع γ (غاما): إشعاع كهرومغناطيسي عالي الطاقة، شديد الاختراق (يحتاج إلى بضع سنتمترات من الرصاص لوقفه). لا يغير العدد الذري ولا الكتلي بل يصاحب عادة تحولات α أو β.

3. قوانين التحولات النووية (قانونا سودي)

خلال التحول النووي التلقائي، ينحفظ كل من العدد الكتلي A والعدد الذري Z.

• القانون الأول (انحفاظ A): مجموع الأعداد الكتلية للجسيمات الداخلة = مجموع الأعداد الكتلية للجسيمات الخارجة
• القانون الثاني (انحفاظ Z): مجموع الأعداد الذرية للجسيمات الداخلة = مجموع الأعداد الذرية للجسيمات الخارجة

4. قانون التناقص الإشعاعي

عدد النوى المشعة المتبقية N في عينة بعد زمن t يعطى بالعلاقة: N(t) = N₀ × e^(-λt) حيث N₀ العدد الابتدائي للنويات، λ ثابت النشاط الإشعاعي المرتبط بزمن نصف العمر بالعلاقة: t½ = ln(2)/λ. زمن نصف العمر (demi-vie) هو الزمن اللازم لتفكك نصف عدد النوى الموجودة.

5. تطبيق محلول (بكالوريا)

التمرين: عينة من اليود 131 المشع كتلتها m₀ = 4g، زمن نصف عمره t½ = 8 أيام. احسب الكتلة المتبقية بعد 32 يوماً وكم يوماً يلزم لتصبح الكتلة 0.125g؟

الحل: 32 يوماً = 4 فترات نصف عمر. m = m₀/2⁴ = 4/16 = 0.25g. لحساب الزمن اللازم: 0.125 = 4/2^n → 2^n = 32 → n = 5 → t = 5 × 8 = 40 يوماً. أي أن الكتلة تصبح 0.125g بعد 40 يوماً.

الخلاصة:

التحولات النووية ظاهرة فيزيائية طبيعية تخضع لقوانين دقيقة ومحددة. إتقان قانوني سودي وفهم التناقص الإشعاعي أساسيان لحل مسائل البكالوريا. لهذه الظواهر تطبيقات هامة في الطب النووي والطاقة والتأريخ الأثري.