لا يوجد سوى مجموعات معينة من النيوترونات والبروتونات ، والتي تشكل نوى مستقرة. إذا كان هناك عدد كبير جدًا أو قليل جدًا من النيوترونات لعدد معين من البروتونات ، فإن النواة الناتجة تكون غير مستقرة وتخضع للاضمحلال الإشعاعي. تتحلل النظائر غير المستقرة عبر مسارات الاضمحلال الإشعاعي المختلفة. قياس الجرعات الإشعاعية.
الذرة محايدة كهربائيا. يحتوي على عدد متساوٍ من البروتونات الموجبة الشحنة والإلكترونات سالبة الشحنة وتوازن شحنتها. ومع ذلك ، تحتوي النواة فقط على بروتونات موجبة الشحنة تكون متراصة معًا في حجم صغير جدًا (تذكر أن النيوترونات ليس لها شحنة) من قوانين الفيزياء (قانون كولوم) يمكن للمرء أن يتوقع أن تكون البروتونات بنفس الشحنة وقريبة جدًا من بعضها البعض من شأنها أن تمارس قوى تنافر قوية على بعضها البعض. إن قوة الجاذبية المجمعة من البروتونات والنيوترونات في النواة غير مهمة كقوة جذب لأن كتلها صغيرة جدًا. هذا يعني أنه يجب أن تكون هناك قوة جذب إضافية مماثلة في الحجم للتنافر الكهروستاتيكي الذي يبقي النواة معًا.
النوى المستقرة - النوى غير المستقرة
يتم تحديد الاستقرار النووي من خلال المنافسة بين تفاعلين أساسيين. تتكون النوى الذرية من البروتونات والنيوترونات ، التي تجذب بعضها البعض من خلال القوة النووية ، بينما تتنافر البروتونات عن طريق القوة الكهرومغناطيسية بسبب شحنتها الموجبة. تتنافس هاتان القوتان ، مما يؤدي إلى استقرار النوى المتنوع. لا يوجد سوى مجموعات معينة من النيوترونات والبروتونات ، والتي تشكل نوى مستقرة. تعمل النيوترونات على تثبيت النواة ، لأنها تجذب بعضها البعض والبروتونات ، مما يساعد على تعويض التنافر الكهربائي بين البروتونات.
نتيجة لذلك ، مع زيادة عدد البروتونات ، هناك حاجة إلى زيادة نسبة النيوترونات إلى البروتونات لتكوين نواة مستقرة. إذا كان هناك عدد كبير جدًا (تلتزم النيوترونات أيضًا بمبدأ استبعاد باولي) أو عدد قليل جدًا من النيوترونات لعدد معين من البروتونات ، فإن النواة الناتجة غير مستقرة وتخضع للاضمحلال الإشعاعي. تتحلل النظائر غير المستقرة من خلال مسارات التحلل الإشعاعي المختلفة ، والأكثر شيوعًا تحلل ألفا ، واضمحلال بيتا ، أو التقاط الإلكترون. العديد من الأنواع النادرة الأخرى من الاضمحلال ، مثل الانشطار التلقائي أو انبعاث النيوترونات معروفة.
يؤثر مبدأ استبعاد باولي أيضًا على الطاقة الحرجة للنواة الانشطارية والقابلة للانشطار. على سبيل المثال ، تكون الأكتينيدات ذات العدد الفردي من النيوترونات عادةً قابلة للانشطار (قابلة للانشطار بالنيوترونات البطيئة) بينما تكون الأكتينيدات التي تحتوي على عدد نيوتروني زوجي غير قابلة للانشطار عادةً (ولكنها قابلة للانشطار باستخدام النيوترونات السريعة). النوى الثقيلة التي تحتوي على عدد زوجي من البروتونات وعدد زوجي من النيوترونات (بسبب مبدأ استبعاد باولي) مستقرة جدًا بفضل حدوث "الدوران المزدوج". من ناحية أخرى ، فإن النوى التي تحتوي على عدد فردي من البروتونات والنيوترونات تكون في الغالب غير مستقرة.
خصائص النواة
وفرة أعلى في الطبيعة. على سبيل المثال ، يعد الهيليوم 4 من بين النوى الأكثر وفرة (واستقرارًا) في الكون.
العناصر المستقرة في نهاية سلسلة الاضمحلال تحتوي جميعها على "عدد سحري" من النيوترونات أو البروتونات. نوى He-4 و O-16 و Pb-208 حيث 82 بروتونًا و 126 نيوترونًا التي تحتوي على أعداد سحرية لكل من النيوترونات والبروتونات مستقرة بشكل خاص. يذكرنا الاستقرار النسبي لهذه النوى باستقرار ذرات الغاز الخامل (قذائف الإلكترون المغلقة).
تحتوي النوى ذات N = الرقم السحري على مقاطع عرضية لامتصاص النيوترونات أقل بكثير من النظائر المحيطة.
يبدو أن هذه النوى كروية الشكل تمامًا ؛ ليس لديهم لحظات كهربائية رباعية.
نوى العدد السحري لها طاقة إثارة أولى أعلى.
النوى الغير المستقرة - أوضاع الاضمحلال
يحدث الاضمحلال النووي (الاضمحلال الإشعاعي) عندما تفقد ذرة غير مستقرة طاقتها عن طريق انبعاث إشعاع مؤين. التحلل الإشعاعي هو عملية عشوائية على مستوى الذرات المفردة ، حيث أنه وفقًا لنظرية الكم ، من المستحيل التنبؤ بموعد تحلل ذرة معينة. أثناء التحلل الإشعاعي ، تتحلل النواة غير المستقرة بشكل عفوي وعشوائي لتشكل نواة مختلفة (أو حالة طاقة مختلفة - اضمحلال جاما) ، مما ينتج عنه إشعاع على شكل أجزاء ذرية أو أشعة عالية الطاقة. يحدث هذا الاضمحلال بمعدل ثابت يمكن التنبؤ به يشار إليه بنصف العمر. لن تخضع النواة المستقرة لهذا النوع من الاضمحلال وبالتالي فهي غير مشعة. هناك العديد من طرق التحلل الإشعاعي:
- نشاط ألفا الإشعاعي. تسوس ألفا هو انبعاث جسيمات ألفا (نوى الهيليوم). تتكون جسيمات ألفا من بروتونين ونيوترونين مرتبطين معًا في جسيم مماثل لنواة الهيليوم. نظرًا لكتلته الكبيرة جدًا (أكثر من 7000 ضعف كتلة جسيم بيتا) وشحنته ، فإنه يؤين المادة بشكل ثقيل وله نطاق قصير جدًا.
- النشاط الإشعاعي بيتا. اضمحلال بيتا هو انبعاث جسيمات بيتا. جسيمات بيتا هي إلكترونات عالية الطاقة وعالية السرعة أو بوزيترونات تنبعث من أنواع معينة من النوى المشعة مثل البوتاسيوم -40. تتمتع جسيمات بيتا بنطاق اختراق أكبر من جسيمات ألفا ، لكنها لا تزال أقل بكثير من أشعة جاما ، وجسيمات بيتا المنبعثة هي شكل من أشكال الإشعاع المؤين المعروف أيضًا باسم أشعة بيتا. يسمى إنتاج جسيمات بيتا تحلل بيتا.
- النشاط الإشعاعي جاما. يتكون النشاط الإشعاعي جاما من أشعة جاما. أشعة جاما هي إشعاع كهرومغناطيسي (فوتونات عالية الطاقة) ذات تردد عالٍ للغاية وذات طاقة عالية. يتم إنتاجها عن طريق اضمحلال النوى أثناء انتقالها من حالة طاقة عالية إلى حالة أقل تُعرف باسم تحلل جاما. تصاحب معظم التفاعلات النووية انبعاث جاما.
- انبعاث النيوترونات. انبعاث النيوترونات هو نوع من الاضمحلال الإشعاعي للنواة التي تحتوي على نيوترونات زائدة (خاصة نواتج الانشطار) ، حيث يُقذف النيوترون ببساطة من النواة. يلعب هذا النوع من الإشعاع دورًا رئيسيًا في التحكم في المفاعلات النووية ، لأن هذه النيوترونات هي نيوترونات متأخرة.
يتم قياس معدل الاضمحلال النووي أيضًا من حيث فترات نصف العمر. نصف العمر هو مقدار الوقت الذي يستغرقه نظير معين ليخسر نصف نشاطه الإشعاعي. يتراوح عمر النصف من المليون من الثانية للمنتجات الانشطارية عالية النشاط الإشعاعي إلى مليارات السنين للمواد طويلة العمر (مثل اليورانيوم الطبيعي). لاحظ أن نصف العمر القصير يترافق مع ثوابت اضمحلال كبيرة. المواد المشعة ذات نصف العمر القصير هي أكثر إشعاعية (في وقت الإنتاج) ولكن من الواضح أنها ستفقد نشاطها الإشعاعي بسرعة. بغض النظر عن طول أو قصر عمر النصف ، بعد مرور سبعة أنصاف عمر ، يتبقى أقل من 1٪ من النشاط الأولي.
تعريف النوى مستقرة
الذرة المستقرة هي ذرة لديها طاقة ربط كافية لتماسك النواة معًا بشكل دائم. العديد من النوى في الطبيعة مستقرة جدًا ، ومعظم النوى التي تشكلت عند تكوين الكون أو بعد انفجارات المستعرات الأعظمية منذ عدة ملايين من السنين لا تزال موجودة حتى الآن.
الرسم البياني أدناه هو مخطط للعدد النيوتروني مقابل رقم البروتون. يتم استخدامه كقاعدة لتحديد النوى المستقرة أو غير المستقرة.
النوى التي تقع على خط الاستقرار هي نوى مستقرة. من المؤامرة يمكن ملاحظة أن العديد من النوى المستقرة لديها عدد متساوٍ من البروتونات والنيوترونات. هذه هي عادة العناصر الموجودة في القسم الأخف من الجدول الدوري. بالنسبة للأنوية المستقرة الأثقل ، يوجد حوالي 50٪ من النيوترونات إلى البروتونات.
تعريف النوى الغير المستقرة
في النوى غير المستقرة ، لا تولد القوى النووية القوية طاقة ربط كافية لتماسك النواة معًا بشكل دائم. النوى غير المستقرة مشعة ويشار إليها باسم النوى المشعة وفي حالة نظائرها تسمى النظائر المشعة.
تقع النوى غير المستقرة فوق وتحت خط الاستقرار في مخطط النيوترون والبروتون. هذا يعطي معلومات عن نوع الاضمحلال الإشعاعي الذي سيخضعون له. تحتوي النوى التي تقع فوق خط الاستقرار على عدد كبير جدًا من النيوترونات بحيث لا تكون مستقرة. يشار إليها باسم "الغنية بالنيوترونات". تلك التي تقع تحت خط الاستقرار تحتوي على عدد كبير جدًا من البروتونات لتكون مستقرة وتسمى "غنية بالبروتون".
باختصار ، فإن توازن البروتونات والنيوترونات في النواة هو الذي يحدد ما إذا كانت النواة ستكون مستقرة أو غير مستقرة. يؤدي وجود عدد كبير جدًا من النيوترونات أو البروتونات إلى اضطراب هذا التوازن ، مما يؤدي إلى تعطيل طاقة الارتباط من القوى النووية القوية التي تجعل النواة غير مستقرة. تحاول النواة غير المستقرة تحقيق حالة متوازنة من خلال إعطاء نيوترون أو بروتون ويتم ذلك عن طريق الاضمحلال الإشعاعي.
المصدر