Uploaded by Mohamed Kabeel

59 medical physics

advertisement
‫البحث ‪3‬‬
‫مبادئ أساسية في الفيزياء الذرية‪ ،‬والفيزياء النووية‬
‫‪Fundamental principles in the atomic physics,‬‬
‫‪and the nuclear physics‬‬
‫‪3. 33.3‬مدخل ‪:Introduction‬‬
‫تتكــون المــادة مهمــا كانــت حالتهــا «صلبــة‪ ،‬ســائلة‪ ،‬أو غازيــة» مــن ناتــج إرتبــاط عــدة ذرات أو عــدة جزيئــات‬
‫قــد تكــون متماثلــة أو غيــر متماثلــة‪ .‬لقــد تــم التوصــل إلــى تحديــد هويــة ‪ 103‬عنصــر ذري حتــى أيامنــا هــذه‪،‬‬
‫وزعــت فــي جــدول تبعـا ً لتركيبهــا اإللكترونــي‪ ،‬وكذلــك حســب خصائصهــا الكيميائيــة‪ ،‬وقــد دعــي هــذا الجــدول‬
‫بالجــدول الــدوري‪ ،‬وســمي أيضـا ً بجــدول مندلييــف‪ ،‬بحيــث أن كل خانــة مــن هــذا الجــدول تقابــل عنصــر ذري‬
‫محــدد ومعــرف بشــكل كامــل‪.‬‬
‫‪3. 33.3‬تركيب الذرة ‪:Atomic structure‬‬
‫تتكــون الــذرة مــن جزئييــن أساســيين همــا‪ :‬النــواة واإللكترونــات‪ .‬تتكــون النــواة مــن جســيمات عنصريــة دُعيــت‬
‫بالنيكليونــات وهــي علــى نوعيــن‪ :‬بروتونــات يرمــز لهــا بالرمــز ‪ P‬ونيترونــات يرمــز لهــا بالرمــز ‪ . n‬تحمــل‬
‫البروتونــات شــحنة موجبــة فــي حيــن أن النيترونــات تكــون متعادلــة كهربائيـاً‪ .‬أمــا اإللكترونــات فهــي عبــارة عــن‬
‫جســيمات أوليــة يرمــز لهــا بالرمــز ‪ e‬تــدور حــول النــواة وفــق مــدارات محــددة بدقــة وهــي تمتلــك شــحنة ســالبة‪.‬‬
‫‪3. 33.3‬األعداد المميزة للذرة ‪:Characteristic numbers of atom‬‬
‫تتميز كل ذرة بشكل عام بثالث أعداد أساسية هي‪:‬‬
‫أ ‪ -‬عــدد البروتونــات (أو عــدد اإللكترونــات)‪ ،‬ويدعــى أيض ـا ً بالعــدد الــذري‪ ،‬يرمــز لــه بالرمــز ‪ Z‬ويكتــب‬
‫إلــى األســفل واليســار مــن الرمــز الكيميائــي للعنصــر‪.‬‬
‫ب ‪ -‬عدد النيترونات‪ ،‬يرمز له بالرمز ‪N‬‬
‫ج ‪ -‬العــدد اإلجمالــي للنيكليونــات‪ ،‬ويدعــى أيض ـا ً بالعــدد الكتلــي (أو الــوزن الــذي)‪ ،‬يرمــز لــه بالرمــز ‪، A‬‬
‫ويكتــب إلــى األعلــى واليســار مــن الرمــز الكيميائــي للعنصــر حيــث أن‪A = Z + N :‬‬
‫‪49‬‬
‫بنا ًء عليه يمكن تمثيل نواة ذرة عنصر ما بالصيغة الرمزية التالية‪X :‬‬
‫حيث ‪ X‬تمثل الرمز الكيميائي للذرة‪.‬‬
‫‪A‬‬
‫‪Z‬‬
‫‪3. 33.3‬الواحدات المستخدمة في الفيزياء الذرية ‪:Utilized units in atomic physics‬‬
‫‪3. 33.33.3‬واحدة الكتلة الذرية ‪:Atomic mass unit‬‬
‫هــي بالتعريــف تســاوي‬
‫مــن كتلــة ذرة الكربــون ‪ 12‬يرمــز لهــا بالرمــز ‪ a . m. u‬أو اختصــارا ً (‪ )u‬ويعبــر‬
‫عــن ذلــك رياضيـا ً بالعالقــة التاليــة‪:‬‬
‫‪3. 33.33.3‬واحدة الطاقة الذرية ‪:Atomic energy unit‬‬
‫تقاس الطاقة الذرية عادة ً بواحدة اإللكترون فولت‪ ،‬يرمز لها بالرمز ‪ eV‬حيث أن‪:‬‬
‫‪1 eV =1.6x10- 19 J‬‬
‫‪3. 33.33.3‬مكافئ كتلة – طاقة ‪:Energy-mass equivalent‬‬
‫اعتمادا ً على عالقة إينشتاين الشهيرة ‪ E = m × c 2‬نجد أن‪1 u = 931.5 MeV :‬‬
‫‪3. 33.3‬األعداد الكوانتية ‪:Quantum numbers‬‬
‫يوجد أربعة أعداد كوانتية مميزة لإللكترونات وهي‪:‬‬
‫أ ‪ -‬العــدد الكوانتــي الرئيســي يرمــز لــه بالرمــز ‪ n‬وهــو يُحــدد المســتوى الطاقــي الرئيســي والحجــم اإلجمالــي‬
‫للمــدار الــذري الــذي ينتمــي إليــه اإللكتــرون حيــث يأخــذ هــذا العــدد القيــم التاليــة‪n = 1 , 2 , 3 , 4 ,....... :‬‬
‫ب ‪ -‬العــدد الكوانتــي الثانــوي (الفرعــي) يرمــز لــه بالرمــز ‪ l‬وهــو يُحــدد المســتويات الطاقيــة الثانويــة‪ ،‬حيــث‬
‫(‪l = 0 , 1 , 2 , ......., (n − 1‬‬
‫‪1‬‬
‫يأخــذ هــذا العــدد القيــم التاليــة‪) :‬‬
‫ج ‪ -‬العــدد الكوانتــي المغناطيســي يرمــز لــه بالرمــز ‪ ml‬وهــو يُحــدد توالــد بعــض المســتويات الطاقيــة الثانويــة‪،‬‬
‫كمــا يُحــدد توجــه المــدارات الذريــة فــي الفــراغ لــدى خضــوع الــذرة لحقــل مغناطيســي خارجــي‪ .‬ويســاعد أيضـا ً‬
‫علــى التمييــز بيــن اإللكترونــات التــي تحتــل المــدارات المتماثلــة بالشــكل حيــث يأخــذ هــذا العــدد القيــم التاليــة‪:‬‬
‫‪ml = 0 , ± 1 , ± 2 , ......., ± l‬‬
‫د ‪ -‬العدد الكوانتي السبيني‪ ،‬يرمز له بالرمز ‪ s‬وهو يُحدد اتجاه دوران اإللكترون حول نفسه حيث‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪.s = ±‬‬
‫‪3. 33.3‬تسمية الطبقات (السويات) اإللكترونية ‪:Naming of the electronic levels‬‬
‫يُرمز للطبقات الرئيسية بأحد األحرف الموضحة بالجدول التالي‪:‬‬
‫‪50‬‬
‫ويُرمز للطبقات الفرعية بأحرف مأخوذة من تسميات الخطوط الطيفية وفق الجدول التالي‪:‬‬
‫‪3. 33.3‬توزع اإللكترونات على الطبقات اإللكترونية الثانوية (الفرعية)‬
‫‪Distribution of electrons on secondary levels:‬‬
‫يتــم توزيــع اإللكترونــات علــى الطبقــات اإللكترونيــة الفرعيــة حســب مبــدأ باولــي فــي اإلســتبعاد الــذي ينــص‬
‫علــى مــا يلــي‪ :‬ال يمكــن أن يتواجــد فــي الــذرة إلكترونيــن لهمــا نفــس األعــداد الكوانتيــة األربعــة‪ .‬لذلــك ال يمكــن‬
‫أن يتواجــد فــي الحجيــرة اإللكترونيــة (الخانــة) الواحــدة ســوى إلكترونيــن علــى األكثــر متعاكســين بالســبين‪.‬‬
‫يمثــل اإللكتــرون فــي كل حجيــرة بســهم عامــودي‪ ،‬والخانــة الممتلئــة بإلكترونيــن تتمثــل بســهمين عامودييــن جهــة‬
‫أحدهمــا بعكــس اآلخــر ويُرمــز لذلــك بالرمــز ↓↑ يتحــدد عــدد اإللكترونــات فــي كل طبقــة فرعيــة بالعدديــن‬
‫الكوانتييــن ‪ m‬و ‪ s‬ويُشــار إلــى ذلــك بعــدد يوضــع علــى شــكل أُس (قــوة) فــوق الحــرف الــذي يُحــدد الطبقــة‬
‫‪l‬‬
‫الفرعيــة ويســاوي إلــى )‪ . 2 × (2l + 1‬ويتحــدد عــدد اإللكترونــات األعظمــي ‪ N‬فــي كل طبقــة رئيســية بالعالقــة‪:‬‬
‫‪N = 2 x n2‬‬
‫كمــا يخضــع امتــاء الخانــات اإللكترونيــة بشــكل عــام إلــى قاعــدة االســتقرار األعظمــي (قاعــدة هونــد) والتــي‬
‫تنــص علــى مــا يلــي‪ :‬تُشــغل فــي البدايــة كل خانــة كوانيــة بإلكتــرون وحيــد (عــازب)‪ ،‬وعندمــا تُملــئ جميــع‬
‫الخانــات بإلكتــرون وحيــد فــإن اإللكترونــات المتبقيــة ســتملئ بشــكل متتــا ٍل هــذه الخانــات‪ .‬باعتبــار أن اإللكتــرون‬
‫يتحــرك دائمـا ً علــى المــدار ذات المســتوى الطاقــي األخفــض مــن بيــن تلــك المســموح لــه االنتقــال إليهــا ومــن ثــم‬
‫المســتويات الطاقيــة األعلــى فاألعلــى‪ ،‬وجــد عمليـا ً بــأن هــذا الترتيــب يكــون صحيحـا ً مــن أجــل الــذرات الخفيفــة‬
‫أي أنــه تُشــغل الطبقــات ذات العــدد الكوانتــي الرئيســي األقــل وبعــد ذلــك فقــط يبــدأ شــغل الطبقــة الرئيســية التاليــة‬
‫باإللكترونــات‪ ،‬وفــي نطــاق الطبقــة الرئيســية الواحــدة تُشــغل فــي البدايــة الطبقــات الفرعيــة ذات العــدد الكوانتــي‬
‫المــداري األقــل ومــن ثــم الطبقــات الفرعيــة ذات القيــم األكبــر للعــدد ‪ . l‬لقــد لوحــظ بــأن هــذا الترتيــب يصبـــــح‬
‫غيــر معبــر تمامـا ً عــن تــوزع اإللكترونــات وذلــك ابتــدا ًء مــن عنصــر البوتاســـــــيوم ‪19‬‬
‫(‪ ) Z K =19‬حيــث تبيــن‬
‫بــأن بعــض الطبقــات الرئيســية التــي لهــا قيمــة أكبــر للعــدد ‪ n‬تتميــز بطاقــة أقــل مــن الطبقــات التــي لهــا عــدد‬
‫كوانتــي ‪ n‬ذات قيمــة أقــل والتــي لــم تُشــــــغل بعــد ويتعلــق هــذا بالطبـــــقات الفرعيــة ‪ ) n + 1 (S‬و ‪) n + 1 (p‬‬
‫مقارنــة بالطبقــات الفرعيــة ‪ nd‬و ‪ . nf‬تُعــرف العناصــر التــي يجــري فيهــا اســتكمال الطبقــات الســابقة (أي‬
‫الطبقــات الفرعيــة ‪ )5f, 5d, 4f, 4 , 3d‬عندمــا تكــون الطبقــات الفرعيــة الالحقــة مشــغولة جزئيـا ً بالعناصــر‬
‫االنتقالية‪.‬‬
‫‪3. 33.3‬تصنيف العناصر الذرية ‪:Classification of atomic elements‬‬
‫يمكن تصنيف نوى العناصر الذرية تبعا ً لألعداد ‪ Z ، A‬و ‪ N‬في مجموعات هي‪:‬‬
‫‪3. 33.33.3‬النظائر ‪:Isotopes‬‬
‫هــي عبــارة عــن مجموعــة مــن العناصــر الذريــة (عنصريــن أو أكثــر) تتميــز بكونهــا تمتلــك نفــس العــدد الــذري‬
‫ولكنهــا تختلــف فيمــا بينهــا بعــدد النيترونــات وبالتالــي بالعــدد الكتلــي‪ .‬تتميــز النظائــر بأنهــا تمتلــك خــواص‬
‫كيميائيــة متشــابهة إال أن خواصهــا الفيزيائيــة مختلفــة قلي ـاً وذلــك بســبب االختــاف فــي كتلهــا الذريــة (مثــل‬
‫ســرعة التبخــر واالنتشــار كمــا تبــدي اختالفـا ً فــي خواصهــا النوويــة)‪ .‬نذكــر علــى ســبيل المثــال‪:‬‬
‫‪H , 21 H , 31 H‬‬
‫‪51‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪3. 33.33.3‬اإليزوبارات ‪:Isobars‬‬
‫هــي عبــارة عــن مجموعــة مــن العناصــر الذريــة (عنصريــن أو أكثــر) تتميــز بكونهــا تمتلــك نفــس العــدد الكتلــي‬
‫ولكنهــا تختلــف فيمــا بينهــا بالعــدد الــذري وكذلــك بعــدد النيترونــات‪ .‬تبــدي هــذه العناصــر اختالف ـا ً بالخــواص‬
‫الكيميائيــة وذلــك بســبب اختــاف عــدد البروتونــات فيهــا‪ ،‬فــي حيــن أنهــا تمتلــك خــواص نوويــة متشــابهة كــون‬
‫‪.‬‬
‫البروتونــات والنيترونــات تلعــب نفــس الــدور فــي النــواة‪ .‬نذكــر علــى ســبيل المثــال‪:‬‬
‫‪3. 33.33.3‬اإليزوتونات ‪:Isotones‬‬
‫هــي عبــارة عــن مجموعــة مــن العناصــر الذريــة (عنصريــن أو أكثــر) تتميــز بكونهــا تمتلــك نفــس العــدد مــن‬
‫النيترونــات ولكنهــا تختلــف فيمــا بينهــا بالعــدد الــذري وكذلــك بالعــدد الكتلــي مــن دون أن يــؤدي ذلــك إلــى‬
‫خــواص مشــتركة فيمــا بينهــا‪ .‬نذكــر علــى ســبيل المثــال‪:‬‬
‫‪3. 33.33.3‬اإليزوميرات (المماكبات) ‪:Isomers‬‬
‫هــي عبــارة عــن مجموعــة مــن العناصــر الذريــة (عنصريــن) تتميــز بكونهــا تمتلــك نفــس العــدد الكتلــي والعــدد‬
‫الــذري ولهــا نفــس العــدد مــن النيترونــات إال أنهــا تختلــف فيمــا بينهــا بطاقاتهــا الداخليــة‪ .‬تتصــف هــذه العناصــر‬
‫بكونهــا عناصــر مشــعة وتتميــز بنصــف عمــر قصيــر‪ .‬نذكــر علــى ســبيل المثــال‪:‬‬
‫‪3. 33.33.3‬النوى المرآتية ‪:Mirror nuclei‬‬
‫هــي مجموعــة مــن النــوى (نواتيــن) تمتلــك نفــس العــدد الكتلــي إال أن عــدد بروتونــات (نيترونــات) إحداهــا‬
‫يســاوي عــدد نيترونــات (بروتونــات) األخــرى وبالعكــس نذكــر علــى ســبيل المثــال‪:‬‬
‫‪3. 33.33.3‬النوى الزوجية (الشفعية)‪:‬‬
‫هي النوى التي تحتوي على عددا ً زوجيا ً من البروتونات والنيترونات‪.‬‬
‫‪3. 33.33.3‬األعداد السحرية والنوى السحرية ‪:Magic numbers and magic nuclei‬‬
‫األعــداد الســحرية هــي‪ 126, 82, 50, 28, 20, 8, 2 :‬أمــا النــوى الســحرية فهــي عبــارة عــن النــوى التــي‬
‫تضــم عــددا ً مــن البروتونــات أو النيترونــات يســاوي أحــد تلــك األعــداد الســحرية‪ ،‬وتعتبــر هــذه النــوى مــن أكثــر‬
‫النــوى اســتقرارا ً وانتشــارا ً فــي الطبيعــة (تأخــذ هــذه النــوى شــكالً كرويـاً)‪ .‬تمتــاز النــوى ذات العــدد الســحري‬
‫مــن النيترونــات بكونهــا أكثــر اســتقرارا ً مــن غيرهــا‪ .‬وقــد وجــد بــأن كل نــواة تمتلــك أحــد األعــداد الســحرية‬
‫لهــا عــددً كبيــرا ً مــن النظائــر أو اإليزوتونــات المســتقرة‪ .‬كمــا تتميــز النــوى الســحرية بطاقــة تهيــج عاليــة‪.‬‬
‫‪3. 33.3‬نظرية 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 ‪ -‬عندمــا يكــون اإللكتــرون علــى مــداره المفضــل ال يشــع أيــة طاقــة ويقــال أن حالتــه الطاقيــة مســتقرة‪ .‬وفــي‬
‫لحظــة مــا إذا انتقــل اإللكتــرون مــن ســوية طاقيــة عليــا مســموح بهــا إلــى ســوية طاقيــة دنيــا مســموح بهــا أيضـا ً‬
‫يكــون هنــاك إصــدار للطاقــة‪ ،‬وفــي الحالــة المعاكســة يكــون هنــاك إمتصــاص للطاقــة‪ .‬لقــد تمكــن بــور مــن تحــدد‬
‫طاقــات المــدارات الذريــة الرئيســية ‪ E n‬وفــق العالقــة الرياضيــة التاليــة‪:‬‬
‫‪52‬‬
‫) ‪− bo × (Z − a n‬‬
‫= ‪En‬‬
‫‪n2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪1‬‬
‫‪3 .6eV‬‬
‫حيــث ‪eV‬‬
‫‪ bo = 13.6‬و ‪ a n‬هــو ثابــت الحجــب يتحــدد تجريبيـا ً وتكــون قيمتــه كبيــرة بمقــدار مــا تكــون ‪n‬‬
‫كبيرة‪.‬‬
‫‪3. 3.3.3‬طيوف اإلصدار (الخطوط الطيفية) ‪:)Emission spectra (the lines spectral‬‬
‫عندمــا يقفــز إلكتــرون مــن مــداره ذات الطاقــة ‪ Ei‬إلــى مــدار آخــر أدنــى مســموح بــه ذات الطاقــة ‪ E f‬فــإن‬
‫اإللكتــرون وبالتالــي الــذرة تتخلــى عــن جــزء مــن طاقتهــا تعطــى بالعالقــة الرياضيــة التاليــة‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1 ‬‬
‫‪2‬‬
‫‪∆En = E f − Ei = bo × (Z − a n ) ×  2 − 2 ‬‬
‫‪nf ‬‬
‫‪ ni‬‬
‫مــن المعــروف بــأن هــذا الفــرق فــي الطاقــة يظهــر علــى شــكل طاقــة مشــعة ‪ ∆E n = hυ‬ذات طــول موجــي‬
‫‪c‬‬
‫‪υ‬‬
‫=‪λ‬‬
‫‪n 2f × ni2‬‬
‫‪h×c‬‬
‫= ‪λ‬‬
‫×‬
‫‪2‬‬
‫) ‪bo × (Z − a n ) (n 2f − ni2‬‬
‫يتحــدد بالعالقــة الرياضيــة التاليــة‪:‬‬
‫حيــث ‪01014 JJx× ss‬‬
‫‪ h = 6.62 × 1‬يمثــل ثابــت بالنــك‪،‬‬
‫تمثــل ســرعة الضــوء فــي‬
‫الخــاء و ‪ υ‬تمثــل تواتــر اإلشــعاع الصــادر ويقــدر حســب الجملــة الدوليــة بالـــ‬
‫‪ s‬أمــا ‪ λ‬فتقــدر بالـــ ‪m‬‬
‫‪−34‬‬
‫‪−1‬‬
‫‪3. 3.3.3‬السالسل الطيفية وقاعدة اإلختيار ‪:Spectral series and the selection rule‬‬
‫لنأخــذ علــى ســبيل المثــال حالــة ذرة الهيدروجيــن حيــث يتشــكل لدينــا عــدة سالســل مــن الخطــوط الطيفيــة الممثلــة‬
‫لعــودة اإللكتــرون المحــرض إلــى مــداره (أنظــر الشــكل ‪.)1 -‬‬
‫(الشكل – ‪)1‬‬
‫‪53‬‬
‫ولكــن تــدل التجربــة أن عــدد الخطــوط هــو أقــل مــن ذلــك‪ ،‬وال يوجــد خطــوط طيفيــة إال لتلــك المتوافقــة مــع قاعــدة‬
‫االختيــار أي‪ ∆n = ±1 :‬و ‪ ∆l = ±1‬و ‪( ∆j = 0 , ± 1‬مــا عــدا حــاالت ‪) j1 = 0 → j 2 = 0‬‬
‫‪1‬‬
‫حيــث ‪( j = l ± s‬عــدد كوانتــي داخلــي) مــن أجــل ‪ l ≠ 0‬يكــون ‪ ،‬أمــا أجــل ‪ l = 0‬فــإن ‪. j = +‬‬
‫لنأخــذ علــى ســبيل المثــال حالــة إلكتــرون مثــار موجــود علــى الطبقــة الرئيســية ‪ L‬ولنحــدد اإلنتقـ ‪2‬‬
‫ـاالت الممكنــة‬
‫لهــذا اإللكتــرون إلــى الطبقــة الرئيســية ‪ .K‬مــن أجــل ذلــك ال بـدّ مــن تحديــد عــدد الســويات الطاقيــة فــي كل مــن‬
‫الطبقــة الرئيســية ‪ L‬والطبقــة الرئيســية ‪ K‬والمعطيــات التــي تتميــز بهــا هــذه الســويات الطاقيــة حيــث نجــد أنــه‪:‬‬
‫بالنسبة للطبقة الرئيسية ‪ L‬يوجد ثالث سويات طاقية هي‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪ LI‬تتميز بالمعطيات التالية‪ n = 2 :‬و ‪ l = 0‬و ‪ s = +‬و‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪ LII‬تتميز بالمعطيات التالية‪ n = 2 :‬و ‪ l = 1‬و ‪ s = +‬و = ‪j‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪1‬‬
‫‪3‬‬
‫‪ LIII‬تتميز بالمعطيات التالية‪ n = 2 :‬و ‪ l = 1‬و ‪ s = −‬و = ‪j‬‬
‫واحدة تتميز ‪2‬‬
‫أما بالنسبة للطبقة الرئيسية ‪ K‬فيوجد سوية طاقية ‪2‬‬
‫بالمعطيات التالية‪:‬‬
‫=‪j‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪s=+‬‬
‫‪ n =1‬و ‪ l = 0‬و ‪2‬‬
‫و ‪2‬‬
‫=‪j‬‬
‫وبنا ًء على ذلك نالحظ أن عدد االنتقاالت الممكنة هي ثالثة (أنظر الشكل ‪:)2 -‬‬
‫(الشكل ‪)2 -‬‬
‫‪54‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫) = ‪L I (l = 0 , j = ) → K (l = 0 , j‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫) = ‪L II (l = 1 , j = ) → K (l = 0 , j‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪3‬‬
‫‪1‬‬
‫) = ‪L III (l = 1 , j = ) → K (l = 0 , j‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫أما عدد اإلنتقاالت المسموح بها فهو إثنين هما‪ :‬اإلنتقال بين ‪ L II‬و ‪ K‬واإلنتقال بين‬
‫‪ L III‬و ‪. K‬‬
‫‪3. 3.3.3‬طاقة التأين (التشرد) وطاقة اإلثارة (التهيج) ‪:Excitation and ionization energy‬‬
‫‪3. 33.3.3.3‬طاقة التأين ‪:Ionization energy‬‬
‫هــي عبــارة عــن الطاقــة الواجــب تقديمهــا مــن أجــل اقتــاع إلكتــرون مــن مــداره فــي الــذرة إلــى خارجهــا دون‬
‫إكســابه طاقــة حركيــة (أنظــر الشــكل ‪.)3 -‬‬
‫(الشكل – ‪)3‬‬
‫‪3. 33.3.3.3‬طاقة اإلثارة ‪:Excitation energy‬‬
‫هــي عبــارة عــن الطاقــة الواجــب صرفهــا كــي نتمكــن مــن نقــل إلكتــرون مــن مــداره إلــى مــدار أعلــى دون‬
‫إخراجــه مــن الــذرة‪ ،‬وبالتالــي تنتقــل الــذرة مــن الحالــة المســتقرة إلــى الحالــة الغيــر مســتقرة (الشــكل – ‪.)2‬‬
‫‪3. 3.3.3‬قوى االرتباط النووية ‪:Nuclear binding forces‬‬
‫يؤمن استقرار النواة عن طريق قوى ارتباط نووية معتبرة هي‪:‬‬
‫‪3. 33.3.3.3‬القوى الكولونية ‪:Coulomb forces‬‬
‫‪1‬‬
‫هــي عبــارة عــن قــوى تدافعيــة تطبــق بيــن الجســيمات المشــحونة (بروتونــات) وتتغيــر تبعـا ً ل‬
‫‪r2‬‬
‫يمثــل المســافة الفاصلــة بيــن مركــزي الجســيمين المشــحونين‪.‬‬
‫‪55‬‬
‫‪ ،‬حيــث ‪r‬‬
‫‪3. 33.3.3.3‬القوى النووية ‪:Nuclear forces‬‬
‫هــي عبــارة عــن قــوى تجاذبيــة تطبــق بيــن النيكليونــات بشــكل مســتقل عــن شــحنتها وهــذه القــوى تكــون أشــد‬
‫‪1‬‬
‫‪7‬‬
‫تأثيــرا ً علــى مســافة قصيــرة وتتغيــر تبعـا ً ل ‪. r‬‬
‫‪3. 33.3.3.3‬قوى التوتر السطحي ‪:Surface tension forces‬‬
‫هــي عبــارة عــن قــوى تجاذبيــة تطبــق بيــن النيكليونــات المحيطيــة للنــواة الثقيلــة‪ .‬وتتمتــع هــذه القــوى بخــواص‬
‫اإلشــباع‪ ،‬أي أن كل نيكليــون يتبــادل التاثيــر فقــط مــع عــدد محــدد مــن النيكليونــات المجــاورة‪ .‬لذلــك ال تــزداد‬
‫القــوى النوويــة فــي النــواة عنــد زيــادة عــدد النيكليونــات فيهــا‪ .‬واألمــر نفســه يحــدث بالنســبة لقــوى التنافــر‬
‫الكهربائــي بيــن البروتونــات‪ .‬وهــذا يســاعد علــى تفســير اإلســتقرارية الدنيــا لنــوى العناصــر الثقيلــة‪.‬‬
‫‪3. 3.3.3‬نقص الكتلة ‪:Mass defect‬‬
‫لقــد أثبتــت التجــارب أن كتلــة النــواة ال تســاوي مجمــوع كتــل الجســيمات الداخلــة فــي تركيبهــا مــن بروتونــات‬
‫ونيترونــات وهــي بشــكل حــر وإنمــا تكــون دائمـا ً أقــل مــن ذلــك‪ .‬يدعــى الفــرق بيــن هذيــن المقداريــن بنقــص‬
‫الكتلــة ويرمــز لــه بالرمــز ‪ ∆M‬ويعبــر عــن ذلــك بالصيغــة الرياضيــة التاليــة‪:‬‬
‫) ‪∆M = Z × mP + N × mn − M ( A , Z‬‬
‫حيث ) ‪ M ( A , Z‬تمثل كتلة النواة‪.‬‬
‫‪3. 3.3.3‬طاقة االرتباط النووية ‪:Nuclear binding energy‬‬
‫هــي عبــارة عــن أصغــر طاقــة الزمــة لتفريــق النــواة إلــى مكوناتهــا األساســية مــن بروتونــات ونيترونــات‪ .‬تعطــى‬
‫طاقــة االرتبــاط للنــواة ) ‪ E ( A , Z‬حســب إينشــتاين بالعالقــة التاليــة‪:‬‬
‫نســتخدم أحيانـا ً عوضـا ً عــن طاقــة االرتبــاط ‪ E‬طاقــة االرتبــاط الوســطية للنيكليــون ‪ Ε‬وهــي بالتعريــف عبــارة‬
‫عــن طاقــة االرتبــاط للنــواة مقســومة علــى عــدد النيكليونــات الموجــودة فــي النــواة أي أن‪:‬‬
‫) ‪E ( A , Z‬‬
‫‪A‬‬
‫=‪Ε‬‬
‫‪3. 3.3.3‬التفاعل النووي ‪:Nuclear reaction‬‬
‫هــو عبــارة عــن التأثيــر المتبــادل بيــن نــواة ذرة مــا مــع جســيمة عنصريــة أو مــع نــواة أخــرى تتحــول فيــه‬
‫النــواة األصليــة إلــى نــواة عنصــر آخــر‪ .‬يتحقــق التفاعــل النــووي عــادة ً نتيجــة لتصــادم النــواة أو الجســيمة‬
‫العنصريــة التــي تدعــى عــادة ً بالقذيفــة وهــي عبــارة عــن نــواة خفيفــة فــي أغلــب األحيــان (مثــال ذلــك‪ :‬البروتــون‪،‬‬
‫الديتيريــوم‪ ،‬جســيم ألفــا‪ )... ،‬بنــواة أخــرى تدعــى بالهــدف (مثــال ذلــك‪ :‬األلومنيــوم)‪ .‬ولكــي تقتــرب النــواة القذيفــة‬
‫إلــى مســاف ٍة صغيــرةٍ جــدا ً مــن النــواة الهــدف ال بــد مــن تســريعها كــي تتغلــب علــى قــوى التنافــر الكولونيــة‬
‫ســرع الجســيمة القذيفــة عــادة ً بواســطة فــرق كمــون يبلــغ‬
‫بيــن الشــحنتين الموجبتيــن للنواتيــن القذيفــة والهــدف‪ .‬ت ُ َ‬
‫عــدة مالييــن فولــط‪.‬‬
‫يمكن تمثيل التفاعل النووي بالمخطط العام التالي‪a + A → C → B + b :‬‬
‫حيــث ‪ a‬يمثــل الجســيم المقــذوف‪ b ،‬يمثــل الجســيم الناتــج‪ A ،‬تمثــل النــواة الهــدف‪ B ،‬تمثــل النــواة الناتجــة‪ ،‬و‬
‫‪56‬‬
‫‪ C‬تمثــل النــواة المركبــة‪ .‬كمــا تســتخدم أحيانـا ً طريقــة مختصــرة لكتابــة التفاعــل النــووي علــى الشــكل التالــي‪:‬‬
‫‪A(a,b)B‬‬
‫وكمثال على ذلك‪ ،‬لنأخذ تفاعل جسيمات ألفا مع نوى ذرات األزوت وفق التفاعل النووي التالي‪:‬‬
‫يكتب هذا التفاعل النووي بالصيغة المختصرة كما يلي‪N (a, P) 17O :‬‬
‫‪14‬‬
‫‪3. 3.3.3‬قوانين إنحفاظ التفاعالت النووية ‪:Conservation laws of nuclear reactions‬‬
‫من أهم هذه القوانين نذكر ما يلي‪:‬‬
‫أ ‪ -‬انحفاظ الشحنة ‪.conservation of charge‬‬
‫ب ‪ -‬انحفاظ الكتلة ‪.conservation of mass‬‬
‫ج ‪ -‬انحفاظ عدد النيكليونات ‪.conservation of nucleons number‬‬
‫د ‪ -‬انحفاظ العدد الذري ‪.conservation of atomic number‬‬
‫ﻫ ‪ -‬انحفــاظ الطاقــة ‪ :conservation of energy‬لــكل جســيم طاقــة إجماليــة ‪ E‬هــي عبــارة عــن مجمــوع‬
‫طاقتيــه الســكونية والحركيــة أي أن‪:‬‬
‫‪E = m × c 2 = mo × c 2 + E c‬‬
‫حيث ‪ mo‬كتلة الجسيمة السكونية‪ m ،‬كتلة الجسيم النسبية (المتحركة) وتحسب من قانون إينشتاين التالي‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫حيث ‪ c‬سرعة الضوء في الخالء و‬
‫‪v‬‬
‫‪mo‬‬
‫‪v ‬‬
‫‪‬‬
‫‪1‬‬
‫‪−‬‬
‫‪‬‬
‫‪c 2 ‬‬
‫‪‬‬
‫‪2‬‬
‫= ‪m‬‬
‫سرعة الجسيم‪.‬‬
‫إضافات مدرس املقرر‬
‫‪57‬‬
58
Download