ما هي الفيزياء النووية ؟

ما هي الفيزياء النووية

الفيزياء النووية واحدة من فروع الفيزياء التي تتعامل مع بنية النواة الذرية والإشعاع الذي يصدر عن النوى غير المستقرة، ويقوم العلماء بالبحث عن طريق الجسيمات مثل البروتونات والإلكترونات، وجميع الكائنات الحية تتكوّن من جزيئات في داخلها ذرات تتركّز كتلتها في النوى، وتقوم أبحاث الفيزياء النووية بالتركيز على فهم المادة التي تتكوّن من الكواركات والغلونات التي تشكِّل نسبة 99% من كتلة الكون، وتمّ العثور على هذه المادة في لبّ الذرات التي يتشكل منها كل شيء بما فيه الإنسان، وبدأ علم الفيزياء النووية بالظهور في عام 1902 عندما قام العالم “إرنست رذرفورد” والبريطاني “فريدريك سودي” بتجربة عمليّة تبيِّن إمكانية العنصر أن يقوم بالإشعاع بشكل طبيعي في تجربة الثوريوم.

يتحدث المقال عن الفيزياء النووية، ويشمل:

  • الفيزياء النووية.
  • تاريخ الفيزياء النووية.
  • أساسيات الفيزياء النووية.
  • تطبيقات الفيزياء النووية.
  • المواضيع الحديثة في الفيزياء النووية.
  • الإعجاز العلمي في الفيزياء النووية.
  • مخاطر الفيزياء النووية.
  • الفيزياء النووية الحديثة.

الفيزياء النووية

الفيزياء النووية (بالإنجليزيّة: Nuclear Physics)؛ هي إحدى فروع الفيزياء التي تختص في بنية النواة الذرية والإشعاع الصادر عن النوى غير المستقرة، والنواة والبروتونات والنيوترونات جميعهم مكونات الذرة، والنواة أصغر من الذرة بعشرة آلاف مرة تقريباً، والقوى النووية هي السبب في انجذاب الذرات مع بعضها البعض، وليس بسبب الطاقة الذرية لأنّ الطاقة النووية أكبر من الطاقة الذرية بمليون مرة تقريباً.

تاريخ الفيزياء النووية

علم الفيزياء النووية بدأ بالظهور في عام 1902م عندما قام العالم “إرنست رذرفورد” والبريطاني “فريدريك سودي” بتجربة عمليّة تبيِّن إمكانية العنصر أن يقوم بالإشعاع بشكل طبيعي في تجربة الثوريوم، وفي عام 2007 استطاع العالم “إرنست رذرفورد” إثبات أنّ الثوريوم يقوم بإصدار أشعة ألفا، وبقي مستمراً بهذه الدراسة لغاية عام 1911 حتى اكتشف نواة الذرة، وفي عام 1919 قام بإثبات صحة أنّ العنصر يتحوّل إلى عنصر آخر عند إضافة أشعة ألفا إلى ذرات العنصر، بالإضافة إلى أنّه أثبت أنّ إضافة أشعة ألفا للعنصر ينتج عنها جسيم له شحنة موجبة وهو البروتون، وفي عام 1930 قام كل من الفيزيائيين الفرنسيين “إيرين” و”فريديريك جوليو” بتجربة من نوع جديد على الأشعة المحايدة أشعة جاما التي تمّ اكتشافها على يد الألمانيين “فالتر بوث” و”هربرت بيكر”، وكانت نتائج العالمان الفرنسيين تدل على أشعة أكثر نشاط ممّا سبق، وفي عام 1932 قام الفيزيائي البريطاني “جيمس تشادويك” بالتأكيد على احتواء النواة للنيوترون.

إعلان السوق المفتوح

أساسيات الفيزياء النووية

فيما يلي بيان لأساسيّات الفيزياء النووية وتوضيح لها:

  • هيكل الذرة:
    •  الذرات التي يتكون منها العنصر تحتوي على نواة في مركزها وإلكترونات تدور حول هذه النواة، والنواة تتكون من بروتونات ذات شحنة موجبة، ونيوترونات متعادلة الشحنة، وإلكترونات سالبة الشحنة.
    • يكون حجم الإلكترونات مساوٍ لحجم البروتونات، ويكون عدد الإلكترونات مساوٍ لعدد البروتونات في النواة، وهذا ما يجعل ذرات العناصر متعادلة في الشحنة، والنيوترونات الحرة جسيمات تتحلل إلى بروتون وإلكترون يكون عمرها 12 دقيقة، وبعد تحلّلها تعمل كمضاد النيوترينو لنقل الطاقة الزائدة وتحقيق التوازن في الطاقة أثناء اضمحلاله.
  • الاضمحلال الإشعاعي: 
    • العناصر غير المستقرة تكون مشعة وتصدر عنها طاقة وجزيئات تسمى الإشعاع، وعمليّة الاضمحلال تحدث من خلال عدّة طرق هي:
      • اضمحلال ألفا: هو خروج نواة هيليوم رباعيّة تحتوي على كل من زوج من البروتونات وزوج من النيوترونات.
      • اضمحلال بيتا: هو انبعاث بروتون أو إلكترون، والتقاط الإلكترون يعني التقاط نواة الإلكترون من الجزيئات التي تدور حوله.
    • يعني الانشطار العفوي انشطار عنصر ثقيل دون إدخال جسم خارجي أو طاقة، وانبعاث أشعة جاما تكون عبارة عن تردد للإشعاع الكهرومغناطيسي، وهذه الفوتونات من الممكن أن تقوم بتدمير الخلايا الحيّة.
  • الانشطار النووي: تحوّل كميّة صغيرة من كتلة نواة الذرة إلى طاقة يؤدي إلى إنتاج الطاقة النوويّة، وبناءً على معادلة ألبرت أينشتاين “الطاقة = الكتلة × سرعة الضوء × 2″؛ فإنّ كل الكتلة والطاقة متساوية في النسبة المحددة، وهذا يعني كمية كبيرة جداً من الطاقة لأنّ سرعة الضوء هائلة، ومن الممكن انقسام ذرات اليورانيوم الثقيلة وينتج عن الانشطار شطايا لها وزن ذري متوسط وكتلتها أقل من كتلة النواة الأصلية والفرق عبارة عن طاقة، وهذه الطاقة تكون على شكل طاقة حركيّة للنيوترونات، بالإضافة إلى طاقة اهتزازيّة لشظايا الانشطار وإشعاع جاما.
  • ملزمة الطاقة: ترتبط النوى ببعضها بسبب القوّة النوويّة القويّة، وكل نواة تتميّز بطاقتها التي تلزم تفكيك النواة بشكل تامّ، وإطلاق الطاقة النوويّة يُشتق من اختلافات طاقة الربط الموجودة بين النواة الأوليّة نسبةً للتفاعل النووي مثل الاندماج والانشطار.
اقرأ أيضاً:  أنواع العملاء وكيفية التعامل معهم

تطبيقات الفيزياء النووية

  • التصوير الطبّي والتشخيص: 
    • في حالات العلاج الإشعاعي للعديد من الحالات، مثل: فرط نشاط الغدّة الدرقيّة، والسرطان، واضطرابات الدم.
    • الإشعاع المؤين يقوم بإتلاف الحمض النووي للأنسجة، وهذا ما يسبِّب موت الخلايا.
    • العلاج الإشعاعي الخارجي الذي يقوم باستهداف الحزم الإشعاعيّة من أكثر من زاوية تتقاطع عند الورم.
    • المعالجة عند حقن النظائر المشعّة العلاجيّة من أجل توطين الأنسجة التي تحتاج إلى تدمير كيميائي.
    • فحص العظام من أجل الكشف عن مشاكله مثل: التهابات العظام، وآلام العظام، والسرطان، والآفات الخبيثة.
  • تطبيقات الكشف عن جميع أجزاء جسم الإنسان دون الحاجة للعمليّات الجراحيّة.
  • دراسة نظائر الأكسجين في لبّ الجليد، وهذا يساعد على فهم تدفّق تيارات المحيطات وطبيعة طبقات المياه الجوفيّة في العالم.
  • إنشاء محطات الطاقة وصنع القنابل الذرية والأسلحة النووية الحرارية التي تُطابق التفاعلات النووية التي تحدث في النجوم.

المواضيع الحديثة في الفيزياء النووية

الاندماج النووي (بالإنجليزيّة: Nuclear Fusion)

هو من أنواع التفاعلات الذي يكون سبب حدوثه وجود روابط ذرية طاقتها عالية بين الجسيمات الموجودة في داخل نواة العنصر، وينتج عن هذا التفاعل طاقة كبيرة، والاندماج النووي يحدث نتيجة اندماج نواتين يتشكل من هذه العملية نواة أثقل، ومن الأمثلة البسيطة على هذه الطاقة الموجودة في الشمس والتي تتولد بسبب هذه الظاهرة، والجدير بالذكر أنّ إجراء هذه العمليّة على أرض الواقع من أجل توليد الطاقة يعتبر من أكبر وأهم أهداف الفيزياء التجريبيّة، وهذا يتطلّب الكثير من الضغط ودرجات الحرارة المرتفعة.

الانشطار النووي (بالإنجليزيّة: Nuclear Fission)

يحدث الانشطار النووي أثناء انقسام عنصر ثقيل لنواتين خفيفتين، وهذه العملية تعمل على إعطاء المفاعلات النووية الطاقة اللازمة لها، وهي مبدأ عمل الأسلحة النووية، والانشطار يحدث من ضمن عمليات متسلسلة ومتتالية، فمثلاً النيوترون في عنصر ثقيل مثل اليورانيوم يقوم بالانقسام الأولى لينتج عن التفاعل نيوترون إضافي حر الحركة، وبعد ذلك من الممكن أن يقوم بعمليّة انقسام أخرى.

الاضمحلال النووي (بالإنجليزيّة: Nuclear Decay)

يطلق عليه اسم التحلل الإشعاعي، وهو عبارة عن عمليّة يتم خلالها انبعاث جسيم أو طاقة عند تغيُّر الذرة إلى ذرة أخرى أو عنصر جديد آخر على الأغلب، وهذه الانبعاثات تكون انبعاث ألفا أو بيتا او جاما، وعلى سبيل المثال فإنّ انبعاث ألفا يتضمّن انطلاق أيونات الهيليوم أثناء التحلل من النواة، وانبعاث بيتا يكون عن طريق تحلل النيوترون الموجود داخل الذرة إلى بروتون وإلكترون.

اقرأ أيضاً:  دليلك الشامل عن حجم المكعب ومساحتها ومحيطه

إنتاج العناصر الثقيلة: بعد الانفجار العظيم ظهر الكون وكانت البروتونات والإلكترونات أكثر الجسيّمات شيوعاً، والعناصر الثقيلة تشكّلت في داخل النجوم بعد اصطدام البروتونات ببعضها البعض، وذلك خلال سلسلة من الاندماج على عدّة مراحل هي: سلسلة البروتونات، ودورة “CNO”، وعمليّة ألفا، وفي العادة يكون إنشاء العناصر الثقيلة خلال مراحل تطوّر النجوم بشكل تدريجي.

الإعجاز العلمي في الفيزياء النووية

الذرة أصغر جزء بالمادة، وإذا ما حطمناها وجدنا جسيمات أصغر منها تتركب منها وهي البروتون والنيوترون والإلكترون، وهذه الجسيمات تتركب من أجسام أصغر منها وهي الكواركات، والذرات لا تتواجد بشكل منفرد في الطبيعة بل تكون على شكل مجموعات يطلق عليها اسم الجزيئات، فمثلاً جزيء الحديد يتكون من ست ذرات حديد مرتبطة ببعضها البعض، وجزيئات الحديد ترتبط مع بعضها لتشكيل مادة الحديد، ويتعامل علماء الذرة مع مقياسين أثناء دراستهم، فعندما يتعاملون مع أجزاء الذرة ومكوناتها “ما هو أصغر من الذرة” فهذا ما يطلق عليه اسم الفيزياء النووية، وعندما يتعاملون مع مجموعة من الذرات أو الجزيئات يطلق عليه الفيزياء العادية.

من عجائب القرآن الكريم قول الله تعالى: {مَا تَكُونُ فِي شَأْنٍ وَمَا تَتْلُو مِنْهُ مِن قُرْآنٍ وَلاَ تَعْمَلُونَ مِنْ عَمَلٍ إِلاَّ كُنَّا عَلَيْكُمْ شُهُوداً إِذْ تُفِيضُونَ فِيهِ وَمَا يَعْزُبُ عَن رَّبِّكَ مِن مِّثْقَالِ ذَرَّةٍ فِي الأَرْضِ وَلاَ فِي السَّمَاء وَلاَ أَصْغَرَ مِن ذَلِكَ وَلا أَكْبَرَ إِلاَّ فِي كِتَابٍ مُّبِينٍ} [يونس: 61]، وقد وردت كلمة “ذرة” في القرآن الكريم ست مرات وكان يسبقها دائماً كلمة “مثقال”، والهدف كان تأكيد الله عزّ وجلّ لنا أنّ الذرة لها وزن وثقل، وكل ذرة يتم تحديدها بثقلها وهو الوزن الذري.

إذا ما رجعنا لأي مرجع علمي في علم الذرة الآن نجد أنّ العلماء دائماً يكتبون اسم الذرة وبجانبها وزنها الذري، وهذا يفسِّر الآيات في القرآن التي ربطت كلمة “مثقال” مع كلمة “ذرة” بشكل دائم، وفي الآية ذاتها نجد ما يشير إلى ما هو أكبر من الذرة أي الجزيئات وهذا ما يطلق عليه بالفيزياء.

أسئلة شائعة

ما هي أخطار الفيزياء النووية؟

  • إشعاعات الفيزياء النووية:
    • أشعة جاما هي الأخطر على صحة الإنسان، وذلك لما تملكه من مقدار كبير من الطاقة التي يمكن من خلالها اختراق الجسم وتدمير الخلايا فيه، وهذا يؤدي إلى تلف الحمض النووي والإصابة بالسرطانات والموت في بعض الحالات.
    • أشعة بيتا ليست خطر مباشر على جسم الإنسان إلّا في حالات التعرّض لكميات كبيرة منها، وهذا يؤدي إلى حروقات شديدة.
    • أشعة ألفا أقل ضرراً على جسم الإنسان لأنّها لا تمتلك طاقة كافية حتى تخترق الجسم وحدها.
  • ارتفاع نسبة تلوث الأرض؛ مما يتسبّب بالضرر الكبير في الغطاء النباتي، وهذا بدوره يؤثر على الحيوانات.
  • كمية المواد المشعّة من المفاعلات النوويّة التي من الممكن أن تتسرّب للمياه العادمة والمياه الجوفية، وهذا بدوره يتسبّب في العديد من المخاطر والمشكلات البيولوجيّة وارتفاع تركيز المواد الخطرة في جسم الإنسان، وهذا يتسبّب في بعض التشوّهات بالأنسجة العضليّة والعظميّة وغيرها من الأعضاء؛ ممّا يرفع من أعداد الوفيّات.
  • يعد كل من اليود المشع والسيزيوم الناتجيّن من الأنشطة والمفاعلات النوويّة مواد خطيرة إذا ما تمّ إطلاقها في البيئة، وهذا يتسبّب في بعض الطفرات التي تحدث لخلايا الإنسان وتتحول إلى سرطانات فيما بعد، وخاصّةً الإصابة بسرطان الغدّة الدرقيّة.
اقرأ أيضاً:  متطلبات وظيفة مندوب مبيعات

ما هي الفيزياء النووية الحديثة؟

تهتم الفيزياء النووية الحديثة بدراسة أنوية العناصر الثقيلة التي لها كتلة ذرية أكبر من 200، وهذا ما أتاح الفرصة للتعامل مع الميكانيكا الكلاسيكيّة بدلاً من ميكانيكا الكم، ومن الأمثلة على ذلك نموذج القطرة للنواة التي يسهِّل تمثيل الكثير من الخواص والصفات النووية بما في ذلك طاقة الارتباط واعتماده على الكتلة الذرية بدلاً من ظاهرة الانشطار النووي.

يتم استخدام ميكانيكا الكم في تمثيل نموذج الغلاف النووي عن طريق وصف البناء النووي، وكانت صياغته على يد “ماريا ماير” بناءً على تفسير الأعداد السحريّة للنيوترونات والبروتونات وهي: 2، 8، 20، 50، 82، 126، …” وافتراضه على أنّها مستقرة نتيجةً لأنّ أغلفتها كاملة وممتلئة.

يوجد نماذج أخرى معقدة أكثر بالنسبة للنواة مثل نموذج بوزون الذي يتفاعل فيه زوج من البروتونات والنيوترونات، والعديد من البحوث يتم عملها في مجال الفيزياء النووية من أجل دراسة النواة تحت الظروف القصوى مثل طاقة الإثارة والدوران، والمختبرون في هذه الأبحاث يقومون بتسريع الأنوية الذرية وتوجيه اتجاهها نحو أنوية ذرات أخرى ينتج عنها التحام وتكوين أنوية ثقيلة من الممكن دراسة خصائصها، ودراسة التصادمات بينها باستخدام “معجل الأيونات”.

من الممكن استعمال أشعة الأيونات في الطاقات العالية من أجل تخليق أنوية تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة، والدراسات الحديثة في هذا المجال تتجه نحو محاولة فهم تفاعلات البلازما في الفيزياء وبلازما “كوارك – جلوون”، وهذه عبارة عن جسيمات أوليّة حجمها أصغر من حجم البروتون.

فيديو ما هي الفيزياء النووية ؟

مقتطفات في الفيزياء النووية

النوى غير المستقرة تقوم بإصدار إشعاع كهرومغناطيسي يسمى الفوتونات النووية النشطة أو “أشعة جاما”، والجسيمات السلبية بالإضافة إلى الإلكترونات الإيجابية تسمى “أشعة بيتا”، والفيزياء النووية يقوم العلماء بالبحث فيها عن طريق الجسيمات مثل الإلكترونات أو البروتونات، وتخرج عنها أجسام وشظايا نووية يتم تحليل اتجاهاتها وطاقاتها من أجل الكشف عن الهيكل النووي والقوّة النووية، والتفاعل الضعيف سبب في إنتاج أشعة بيتا، ونتائج الاصطدام النووي تكون عبارة عن حزم من جسيمات طاقتها عالية تتضمّن الجزيئات غير المستقرة التي تسمى “الميزوناتالتي” التي تنتج عن مصانع الميزون التي تعني الاصطدامات النووية، وفي أثناء النشاط الإشعاعي، وهذه الاصطدامات يحدث الانهيار النووي الذي يسبِّب التركيب النووي، والنوى غير المستقرة تظهر عند حدوث تغيير في الشحنة النووية خلال الانصهار والانشطار النووي، وبعدها تنقسم هذه النوى غير المستقرة لنوى أصغر أو تندمج مع نوى أكبر، وبهذا فإنّ الفيزياء النووية دراسات للنيوترونات والبروتونات في داخل مركز الذرة والتفاعلات التي تحدث في هذه المساحة صغيرة الحجم ولا يتجاوز حجمها بضعة فيومترات، ومن الأمثلة على التفاعلات النووية تفكّك النواة، واندماج النوى، والانشطار النووي، والاضمحلال الإشعاعي.

أبحاث الفيزياء النووية تقوم بالتركيز على فهم المادة التي تتكوّن من الكواركات والغلونات التي تشكِّل نسبة 99% من كتلة الكون، وتمّ العثور على هذه المادة في لبّ الذرات التي يتشكل منها كل شيء بما فيه الإنسان، وحاول العلماء التوصل لكيفيّة تطور الكون بعد الانفجار العظيم عن طريق البحث في هذا المجال، والنتيجة كانت أنّ البلازما فائقة الحرارة هي السبب في تطور الكون، وبعد ذلك تشكّلت عناصر الكون وذراته، وهذا يعني أنّ النيوترونات والبروتونات هي حالات الارتباط لكل من الكواركات في الكون.

مقالات مشابهة

كيف نحصل على اللون الأحمر

كيف نحصل على اللون الأحمر

طرق التدريس في اليابان

طرق التدريس في اليابان

قصة حرف الكاف للأطفال لتعلم أسرع

قصة حرف الكاف للأطفال لتعلم أسرع

إدارة المكاتب

إدارة المكاتب

معلومات عن تخصص الشريعة والقانون

معلومات عن تخصص الشريعة والقانون

دليلك الشامل عن مساحة المستطيل ومحيطه

دليلك الشامل عن مساحة المستطيل ومحيطه

دليل تعلم العزف على الكمان بـ 3 خطوات للمبتدئين

دليل تعلم العزف على الكمان بـ 3 خطوات للمبتدئين