أمثلة للتفاعلات النووية
التفاعلات النووية تتنوع بين عدة أنواع، مثل الانشطار النووي والاندماج النووي. سنستعرض هذه الأنواع بشكل مفصل فيما يلي:
الانشطار النووي
يمثل انقسام ذرات اليورانيوم-235 (U-235) مثالاً على عملية الانشطار النووي. تحتوي نواة كل ذرة يورانيوم-235 على 92 بروتونًا و143 نيوترونًا، مما يجعل المجموع 235. تعد نواة اليورانيوم-235 غير مستقرة نسبيًا، حيث يمكن أن تتفكك إذا تعرضت لتحفيز خارجي. عندما تستوعب نواة U-235 نيوترونًا إضافيًا، تنقسم بسرعة إلى قسمين. تُعرف هذه العملية بالانشطار، وفي كل انشطار تُطلق النواة نيوترونين أو ثلاثة نيوترونات.
يمكن تعريف الانشطار النووي على أنه عملية امتصاص النيوترونات أو الجسيمات الخفيفة، مما يؤدي إلى انقسام النواة إلى نواتين أو أكثر. يمكن أن تحدث هذه العملية إما عبر التفاعل النووي أو من خلال الاضمحلال الإشعاعي. بعد الانشطار، تنبعث طاقة كبيرة إلى جانب مجموعة من النيوترونات وأشعة جاما.
الاندماج النووي
يُعتبر تفاعل الاندماج النووي الذي يحدث داخل نواة الشمس ونوى النجوم الأخرى مثالًا واضحًا على هذه العملية. يبدأ التفاعل بين نواة ذرة الديوتيريوم ونواة ذرة التريتيوم، حيث يتم دمجهما لتكوين الهيليوم ونيوترون، تفقد خلالها كتلة تقدر بحوالي 0.0188 دالتون، والتي تتحول إلى طاقة تصل تقريبًا إلى 1.69×10⁹ كيلوجول.
تتشكل النواة المدمجة من خلال تصادم نواتين خفيفتين ودمجهما في نواة ذات ثقل أكبر، وهو ما يعرف بعملية الاندماج النووي. الناتج منها يتكون من جسيمات البروتونات والنيوترونات.
التحلل الإشعاعي
يمكن أن يُعتبر اضمحلال أشعة ألفا مثالاً على التحلل الإشعاعي، حيث تستخدم أجهزة الكشف عن الدخان عنصرًا مشعًا يسمى أمريسيوم-241. يتضمن تحلل نواة الذرة غير المستقرة تحويلها إلى ذرات أو جسيمات أكثر استقراراً عبر إطلاق كميات كبيرة من الطاقة الكهرومغناطيسية. تُعرف هذه العملية باسم التحلل الإشعاعي، وتحدث في العناصر الطبيعية والمركبات البشرية، ولا تتوقف إلا عند تكوين النوكليد المستقر.
يتم التعبير عن عملية التحلل الإشعاعي من خلال مفهوم نصف العمر، حيث على سبيل المثال، إذا كان عمر نصف الذرة 1024 سنة، فهذا ينطوي على زمن يتراوح ما بين أقل من 10 ثوان حتى 23 ثانية.
التحويل الإشعاعي
كمثال على التحويل الإشعاعي، يُمكن ذكر معالجة البلاديوم-102 عبر قصفه بنيوترونات عالية الطاقة لتكوين البلاديوم-103، والذي يُستخدم لعلاج السرطان. توصف عملية تحويل العنصر إلى عنصر آخر بشكل غير تلقائي بأنها عملية تحويل إشعاعي، وهي عكس التحلل الإشعاعي.
تتطلب هذه العملية استخدام طاقة إشعاعية عالية أو جسيمات نيوترونية، وتُعتبر هذه العملية صناعية، حيث تؤدي إلى تشكيل نظائر مشعة ويترتب عليها زيادة في كتلة نواة الذرة.
طاقة الارتباط النووي
تختلف كتلة نواة الذرة عن كتلة الجسيمات، حيث تكون الثانية أكبر من الأولى. يعود السبب في ذلك إلى الطاقة المرتبطة في نواة الذرة، المعروفة باسم طاقة الارتباط النووي. تمثل هذه الطاقة الجهد اللازم لربط البروتونات والنيوترونات داخل النواة، حيث يمكن لجرام واحد من المادة أن يطلق طاقة تقدر بحوالي 9×10¹⁰ كيلوجول. الملحوظ هنا هو أن كتلة نواتج التفاعل تزيد عن كتلة المواد المتفاعلة، ويتم تحويل هذه الكتلة إلى طاقة وفقًا للمعادلة التالية:
طاقة الارتباط النووي = الكتلة × مربع سرعة الضوء
وبالإنجليزية:
E = mc²
