أمثلة على التفاعلات النووية

تتعدد أنواع التفاعلات النووية، ومنها تفاعل الانشطار النووي وتفاعل الاندماج النووي. فيما يلي توضيح لهذه الأنواع:

الانشطار النووي

يُعتبر انقسام اليورانيوم 235 في نواة كل ذرة من ذرات اليورانيوم -235 (U-235) مثالًا على الانشطار النووي. تحتوي هذه الذرة على 92 بروتونًا و143 نيوترونًا، مما يجعل إجمالي عددها 235. إن التركيب الداخلي لليورانيوم -235 غير مستقر نسبيًا، مما يجعله عرضة للتفكك عندما يتعرض لمؤثر خارجي. عند امتصاص نواة U-235 لنيوترون إضافي، ينقسم النواة بسرعة إلى قسمين، وتُعرف هذه العملية باسم الانشطار، حيث يُطلق في كل مرة تنقسم فيها نواة اليورانيوم 235 نيوترونين أو ثلاثة.

تعرف عملية الانشطار النووي (بالإنجليزية: Nuclear fission) بأنها الظاهرة التي تنتج عن امتصاص النيوترونات أو الجسيمات الخفيفة، والتي تؤدي إلى انقسام النواة إلى نواتين أو أكثر. يمكن أن تحدث هذه العملية من خلال تفاعلات نووية أو الاضمحلال الإشعاعي. وبعد حدوث هذه العملية، تتولد طاقة هائلة بالإضافة إلى نيوترونات وأشعة جاما.

الاندماج النووي

تعد تفاعلات الاندماج النووي التي تحدث داخل نواة الشمس والنجوم الأخرى من أهم أمثلة هذه الظاهرة. يحدث هذا التفاعل عندما يندمج نواة ذرة الديوتيريوم مع نواة ذرة التريتيوم لتكوين الهيليوم ونيوترون، مع خسارة قدرها 0.0188 دالتون من الكتلة. تُحوّل الكتلة المفقودة هذه إلى طاقة تُقدّر بحوالي 1.69×10⁹ كيلوجول.

تتكون النواة المدمجة من خلال تصادم نواتين خفيفتين لتكوين نواة واحدة ذات كتلة أكبر، وهو ما يُعرف بعملية الاندماج النووي (بالإنجليزية: Nuclear Fusion)، وناتج هذه العملية يتكون من جسيمات النيوترونات والبروتونات.

التحلل الإشعاعي

أحد الأمثلة على التحلل الإشعاعي هو اضمحلال أشعة ألفا في أجهزة الكشف عن الدخان الموجودة في المباني. حيث تُستخدم كاشفات الدخان عادةً عنصرًا مشعًا يُعرف بأمريسيوم -241.

تحدث عملية التحلل الإشعاعي (بالإنجليزية: Radioactive decomposition) عندما تنحل نواة الذرة غير المستقرة إلى ذرات أو جسيمات أكثر استقرارًا، مع إصدار كميات من الطاقة الكهرومغناطيسية. تُمكن هذه الظاهرة المركبات الطبيعية والعناصر المصنعة، وتستمر حتى تتكون النوكليدات المستقرة. يتم التعبير عن عملية التحلل الإشعاعي من خلال نصف عمر العنصر المعني، على سبيل المثال، إذا كانت مدة حياة ذرة حوالي 1024 سنة، فإنها تحتاج لأقل من عشرة ثوانٍ إلى 23 ثانية لتتحلل.

التحويل الإشعاعي

يمكن توضيح التحويل الإشعاعي من خلال قذف البلاديوم 102 بطاقات نيوترونات عالية جداً لإنتاج البلاديوم 103، الذي يُستخدم في علاج مرض السرطان.

تعرف عملية تحويل العنصر إلى عنصر آخر بشكل غير تلقائي باسم التحويل الإشعاعي (بالإنجليزية: Radioactive transmutation)، وهي عملية تعاكس عملية التحلل الإشعاعي. وتحدث من خلال قذف العنصر بقدرات إشعاعية عالية أو بجسيمات نيوترونية، وتُعتبر هذه عملية صناعية لتشكيل النظائر المشعة للعناصر، ومن نتائجها زيادة في كتلة نواة الذرة.

طاقة الارتباط النووي

تختلف كتلة نواة الذرة عن كتلة الجسيمات، حيث عادة ما تكون الثانية أكبر. يُسند هذا الفرق إلى مفهوم طاقة الارتباط النووي (بالإنجليزية: Nuclear binding energy)، والتي تمثل الطاقة اللازمة لربط البروتونات والنيوترونات داخل النواة. يمكن لجرام واحد من المادة إطلاق 9×10¹⁰ كيلوجول من الطاقة. كما أن النواتج عادة ما تكون كتلتها أكبر من المادة المتفاعلة، ويتحول هذا الفائض إلى طاقة حسب المعادلة الرياضية التالية:

طاقة الربط النووي = الكتلة × مربع سرعة الضوء

وبالإنجليزية:

E = mc²