ا/الدخيري : ملخص الكيمياء النووية لطلاب الشهادة السودانية PDF

بسم الله الرحمن الرحيم 

عرف الكيمياء النووية

فرع الكيمياء الذي الذي يهتم بدراسة ما يحدث من تغيرات في نواة الذرة. 

تتكون الذرة من نواة تتركز فيها معظم كتلة الذرة والالكترونات في حالة حركة مستمرة ، تحمل النواة شحنة موجبة وتعادل شحنة الالكترونات السالبة ، اذا الذرة متعادلة كهربياً.

تتكون النواة من الآتي:

* البروتونات وهي عبارة عن دقائق نووية موجبة وعددها يسمى العدد الذري للعنصر ورمزه (Z) * النيترونات: وهي دقائق نووية متعادلة الشحنة ويمكن أن تختلف ذرات العنصر الواحد في عددها. النويات هي مكونات النواة من بروتونات ونيترونات ومفردها نوية.

العدد الكتلي: هو مجموع النويات الموجودة في النواة الواحدة. ورمزه (A) يمكن حساب عدد النيترونات في أي ذرة بالعلاقة عدد النيترونات = Z - A أي عدد النيترونات = العدد الكتلي – العدد الذري.

النظائر (النويدات): هي نوي العنصر الواحد التي تتفق في عددها الذري وتختلف في العدد الكتلي نتيجة لاختلاف عدد نيتروناتها.

أمثلة :

نظائر الهيدروجين: نظائر اليورانيوم 2320 ، 2350 ، 2380

و

92

92

92

طاقة الترابط النووي: في عام ١٩٣٠م اكتشف العلماء أن كتلة الذرة تكون دائماً أقل من كتل الجسيمات المشاركة في تكوينها. مثال ذرة الهيليوم تحتوي على ۲ الكترون ، ۲ بروتون ، ۲ نیترون

كتلة ٢ الكترون

= ٠,٠٠٠٥٤٩ × ۲

۰۰۱۰۹۸,. وحدة كتلة ذرية.

كتلة ٢ بروتون

كتلة ٢ نيترون

١٤٥٧٢

= ١,٠٠٧٢٨٦ × ۲ =

= ١,٠٠٨٦٦٥ × ۲ =

مجموع كتل هذه الجسيمات

۰,٢ وحدة كتلة ذرية. ۲,۰۱۷۳۳۰ وحدة كتلة ذرية.

۰۳۳۰۰۰, وحدة كتلة ذرية.

وباستخدام جهاز مطياف الكتلة وجد أن كتلة ذرة الهيليوم = ٤,٠٠٢٦٠٣ وحدة كتلة ذرية. الكتلة = . ٤,٠٣۳۰۰ - ٤,٠٠٣٦٠٣ = ۰۳۰۳۹۷,. وحدة كتلة ذرية.

النقص في أن الفرق في الكتلة يتحول إلى إلى طاقة حسب نظرية انشتاين تسمى بطاقة الربط النووي وهي تعمل على تماسك مكونات النواة. تعریف طاقة الترابط النووي:

الطاقة المسؤولة عن ترابط نويات النظير مع بعضها داخل حيز النواة للمول الواحد.

ملخصات الدخيري في الكيمياء

(9-1)

إعداد : أ. إبراهيم عمر داؤد (الدخيري)

نظرية البرت اينشتاين (النظرية النسبية ١٩٠٥م) تنص على أن : (لكل جسيم متحرك كتلتين يجب التمييز بينهما هما كتلة الجسيم في حالة السكون وكتلة الجسيم النسبية وهي كتلة الجسيم في حالة السكون مضافاً إليها كتلة أخرى لطاقة الحركة التي يمتلكها الجسيم).

وصف انشتاین قانون مكافئ الكتلة والطاقة بأن كتلة الجسم يمكن أن تتحول إلى طاقة بالعلاقة التالية:

الطاقة (E) = الكتلة ( مربع سرعة الضوء (E = MC ، (C

 الاشعاع:

في عام ١٨٩٥م اكتشف العالم رونتجن الاشعة السينية: وهي نوع من الاشعاعات الكهرومغناطيسية مشابهة للموجات الضوئية أو موجات الراديو. تنتج الاشعة السينية من تصادم أشعة المهبط بقطعة ما . وبعدها بعام اكتشف العالم الفرنسي هنري بيكريل خروج اشعاعات قوية لا تراها العين المجردة من أحد خامات اليورانيوم كان الفضل لبيكريل في استخدام مصطلح النشاط الاشعاعي للإشارة لإنبعاث الاشعة من مواد معينة. 

النشاط الاشعاعي:

هو انبعاث الاشعة غير المرئية من نويدات غير مستقرة فتتكون نويدات أخرى أكثر استقراراً. تم التعرف على ثلاث أنواع من الاشعاعات وسميت باشعة الفا (a) وبيتا (B) وغاما 

(Y) طبيعة النشاط الاشعاعي:

يختلف النشاط الاشعاعي عن النشاط الكيميائي العادي في الآتي:

١. النشاط الاشعاعي لا يتأثر بالتغير في درجة الحرارة.

٢. النشاط الاشعاي لا يتأثر بالتغير في الضغط. . يحدث النشاط الاشعاعي نتيجة للتحلل التلقائي للنوي الذرية غير المستقرة.

النتائج المترتبة على النشاط الاشعاعي:

2401

Pu

a-particle = He

جسيم الفا

انبعاث اشعة الفا

إعداد : أ. إبراهيم عمر داؤد (الدخيري)

هنالك نوعين مهمين للنشاط الاشعاعي: 

(۱) إنبعاث أشعة الفا (C)

هي نوة ذرة الهيليوم التي تحتوي على بروتونين ونیترونين. تنبعث الفا من النوي التي تحتوي على عدد أكبر من ٨٣ بروتون ، يترتب على انبعاثها

تكوين نوي جديدة ينقص عددها الكتلي بمقدار ٤ وعددها الذري بمقدار ۲

(٢ - ٩ )

226

222

4

Ra

Rn

+

He

88

86

2

240

236

4

Pu

U

+

He

94

92

2

238

234

4

U

Th

+

He

92

90

2

ملخصات الدخيري في الكيمياء

أمثلة:

(۲) انبعاث اشعة بيتا (B)

يتم في ذرات غير مستقرة ولا يشترط أن يكون عددها الكتلي كبير ، حيث يتحول نيترون في نواة

1

0

n

1

1

P

0

+

e

-1

الذرة إلى بروتون والكترون كالآتي:

يبقى البروتون في نواة الذرة وينبعث الالكترون ويترتب عليه زيادة العدد الذري بمقدار 1 ويظل

العدد الكتلي ثابت لا يتغير.

أمثلة:

210

210

0

Pb

→ Bi

+

e

82

83

-1

12

12

0

B

C

e

5

6

-1

1

1

P

C

1

0

أمثلة لأنواع أخرى للنشاط الاشعاعي: (۱) انبعاث بيتا الموجبة (البوزيترون)

يتحول البروتون في نواة الذرة إلى نيترون وبوزيترون على النحو الآتي:

0

+

e

+1

يبقى النيترون في النواة وينبعث البوزيترون في شكل أشعة تسمى باشعة بيتا الموجبة ويترتب على ذلك نقصان الرقم الذري بمقدار 1 ويظل الرقم الكتلي ثابت

207

207

0

Bi

Pb

+

e

83

82

+1

إعداد : أ. إبراهيم عمر داؤد (الدخيري)

(٣ - ٩ )

14

14

0

N

C

+

e

7

+1

ملخصات الدخيري في الكيمياء

أمثلة:

(۲) الأسر الالكتروني:

هو اسر أحد الالكترونات الدائرة خارج النواة بواسطة أحد البروتونات في نواة الذرة فيتحول

البروتون الى نيترون كالآتي:

1

0

1

P

+

e

n

1

-1

0

ويترتب عليه نقصان العدد الذري بمقدار 1 ويظل العدد الكتلي ثابت.

أمثلة:

سلاسل االتحلل الاشعاعي: 

هي مجموعة النويدات التي تتكون نتيجة للنشاط الاشعاعي المستمر بالترتيب الذي يؤدي في النهاية إلى تكوين النويدة المستقرة. توجد عدة سلاسل للتحلل الاشعاعي ولكن نشير هنا الى ثلاث

سلاسل مميزة وهي: (۱) سلسلة اليورانيوم - راديوم

وهي

238

206

السلسلة التي تبدأ باليورانيوم وتنتهي بالنويدة المستقرة وهي الرصاص Pb مروراً بالراديوم

82

226

Ra

88

92

206

РЫ

82

238 U

92

* لمعرفة تكوين هذه السلسلة وبالتالي وزن المعادلة النووية نتبع الخطوات التالية:

* مقدار النقص في ا العدد الكتلي :

*

٢٠٦ - ٣٢ - ۲۳۸

مقدار النقص في العدد الكتلي

عدد جسيمات الفا المنبعثة :

ملخصات الدخيري في الكيمياء

٤

(٤ - ٩ )

۳۲

λ =

٤

إعداد : أ. إبراهيم عمر داؤد (الدخيري)

* العدد الذري في الجانب الأيسر -

۹۲ =

* العدد الذري في الجانب الأيمن = ٨٢ + ١٦ = ٩٢

*

عدد جسيمات بيتا = العدد الذري في الجانب الايسر – العدد الذري في الجانب الأيمن

7=97-91 =

وعليه يمكن كتابة المعادلة النووية موزنة كالآتي:

238 U

206

4

0

Pb

+

8 He +

6e

92

82

2

-1

232

وتنتهي بالرصاص ۲۰۸

۲۳۲

(۲) سلسلة الثوريوم Th وهي تبدأ الثوريوم

90

متبعاً الخطوات السابقة أكتب المعادلة النووية لتحلل الثوريوم ٢٣٢ ثم زنها.

(۳) سلسلة اليورانيوم - اكتنيوم: وهي تبدأ باليورانيوم ۲۳۵ وتنتهي بالرصاص ۲۰۷ مروراً

بالاكتنيوم ۲۲۷ .

بنفس الخطوات السابقة أكتب المعادلة النووية لتحلل اليورانيوم ٢٣٥ ثم زنها.

قانون الازاحة

هو القانون الذي يعبر عن التغير في كل من العدد الذري والعدد الكتلي المصاحب للتحلل

الاشعاعي ويمكن تمثيله كالآتي:

A

→ Y

B

M

A

α

1+Z انبعاث اشعة بيتا Z انبعاث اشعة الفا

تنظم هذه التغيرات القواعد التالية:

(۱) عند انبعاث أشعة بيتا :

A-4 Z-2

X+

(1) لا يتأثر العدد الكتلي.

(ii) يزداد العدد الذري بمقدار واحد ونتيجة لذلك تنزاح النويدة الي يمين الجدول الدوري بموقع واحد

ملخصات الدخيري في الكيمياء

(۲) عند انبعاث أشعة الفا:

(9-0)

إعداد : أ. إبراهيم عمر داؤد (الدخيري)

(1) ينقص العدد الكتلي بمقدار ٤

(i) ينقص العدد الذري بمقدار ۲ ونتيجة لذلك تنزاح النويدة يسار الجدول الدوري بموقعين.

معدل (سرعة التحلل الاشعاعي):

هو عدد النويدات المتحللة اشعاعياً في وحدة الزمن.

لا يتأثر معدل التحلل بالحرارة أو الضغط أو الحالة الكيميائية التي تكون عليها الذرة.

عمر النصف : 

هو الزمن اللازم لتحلل نصف كتلة النظير اشعاعياً.

بعض فوائد عمر النصف

١ . يستخدم للإستدلال على نوع النظير.

أجزاء من

٢. يستخدم كمقياس لحساب سرعة التحلل الاشعاعي لأي نواة وبالتالي معرفة درجة استرارها اشعاعياً . تتفاوت اعمار النصف للنظائر تفاوتاً كبيراً بين الطول والقصر وتتراوح بين الثانية إلى آلاف الملايين من السنوات.

أمثلة:

۱/ عمر

٢ عمر

النصف لليورانيوم ۲۳۸ الذي يتحول الى الثوريوم ٢٣٤ = ١٠x٤,٥ ٩ سنة

1.

سنة

النصف للثوريوم ٢٣٢ الذي يتحول الى راديوم ٢٢٨ = ١,٤١×١٠ النصف للأستاتين ٢١٦ الذي يتحول إلى بزموث ۲۱۲ - ۳ × ۱۰ ۴ ثانية النصف للثوريوم ٢٣٤ الذي يتحول إلى بروتاكتيونيوم ٢٣٤ = ٢٤,١ يوماً

عمر / عمر قوانین:

النصف

عمر

الزمن الكلي للتحلل

س

=

الزمن الكلي للتحلل عدد فترات عمر النصف (س)

، عدد الفترات (س) = -

النصف

عمر

الكتلة الحالية

الكتلة المتبقية بعد فترة زمنية = -

س

، الكتلة قبل فترة زمنية = الحالية × ۲

مثال (۱) : نظیر مشع كتلته ۱۲ جرام ، وبعد مرور ٥٠ يوماً وجد أن كتلته اصبحت ٠,٧٥جرام كم

يبلغ ع عمر

النصف لهذا النظير.

ملخصات الدخيري في الكيمياء

الحل

(9-7)

إعداد : أ. إبراهيم عمر داؤد (الدخيري)

مثال (٢): ٢٤٠جم من الثوريوم عمر النصف ٥ دقائق ، أحسب الكتلة المتبقية بعد مرور

دقيقة .

الحل

١٥

مثال (۳) : عينة من الاكتنيوم تزن ٨٠ ملجم عمر النصف لها ۳۰ ثانية أحسب كتلتها قبل مرور

دقيقتين.

التحولات النووية الاصطناعية:

هي التحولات التي يمكن التحكم فيها صناعياً وذلك بتعريض النواة لأشعة الفا أو الاصطدام بنترون أو بأي قذيفة نووية أخرى حيث يصحب هذه التحولات تولد طاقة حرارية هائلة تعرف بالطاقة النووية. أول تجربة اجريت في هذا المجال كانت للعالم رذرفورت ۱۹۱۹م حيث نجح في تحويل النتروجين إلى أوكسجين كما في المعادلة التالية.

الانشطار النووي: يحدث عندما تمتص نواة نظير اليورانيوم ٢٣٥ نيوترونا ثم تنشطر إلى جزءين متساويين تقريباً وعدد من النيترونات ويصاحب ذلك انبعاث طاقة تعرف بالطاقة النووية. يمكن

الاستفادة القصوى من الطاقة المنبعثة في الاغراض السليمة مثل الحصول على الطاقة الكهربية.

ملخصات الدخيري في الكيمياء

(9-V)

إعداد : أ. إبراهيم عمر داؤد (الدخيري)

الانشطار النووي في تفاعل سلسلي: عند انشطار نواة نظير اليورانيوم ٢٣٥ لامتصاصها نيترون فإن عملية الانشطار نفسها تنتج نتیرونات يمكن تمتصها نوي ذرات اخرى لليورانيوم فتنشطر بدورها وهكذا تتواصل عملية الانشطار في شكل تفاعل سلسلي. الطاقة الناتجة من الانشطارات النووية المتتالية

144Ba

.on

➤on

on

Kr

2320

235U

تحدث انفجارات هائلة ارتفاع هائل في درجات الحرارة يصل إلى ملايين الدرجات المئوية. يؤدي انفجار ٥٠ كيلوجرام من اليورانيوم ۲۳۵ الى انفجار تقدر حرارته بالميقاطن. الميقاطن : هو كمية الطاقة المنطلقة من انفجار مليون طن من مادة الـT. N. T المفاعلات النووية: المفاعل النووي: هو جهاز يتم فيه التحكم في الانشطار النووي للاستفادة من الطاقة المنطلقة بحيث يحدث التفاعل السلسلي دون أن يحدث انفجار وذلك باستخدام قضبان للتحكم. يولد الانشطار النووي طاقة هائلة يتحول بها الماء الى بخار تحت ضغط عالي يندفع بقوة من منطقة ساخنة الى منطقة باردة وذات ضغط منخفض بحيث يتحول بخار الماء الى سائل . وتستخدم قوة اندفاع البخار بين المنطقتين في دفع وتحريك مولدات التيار الكهربي.

طاقة كهربا

ماء بارد

مضخة

بخار ماء

برج التبريد

ماء ساخن

محول

المبنى الرئيسي

توربين

مولدات بخار

مولد

أقطاب تحكم

وقود يورانيوم

مصدر ماء بارد

وعاء التفاعل

ماء بارد

مكثف

مضخة

ملخصات الدخيري في الكيمياء

(9-1)

إعداد : أ. إبراهيم عمر داؤد (الدخيري)

تطبيقات أخرى للنشاط الاشعاعي:

(۱) تطبيق أعمار الصخور هو تطبيق لمفهوم عمر النصف فمثلا إذا وجد الرصاص ٢٠٦ من سلسلة اليورانيوم - راديوم في الصخرة بنسبة وزنية معينة من صخور المادة الخام ، وبمعرفة ان الرصاص هو التحلل النهائي لليورانيوم ۲۳۸ وبمعرفة عمر النصف لليورانيوم يمكن تقدير الزمن اللازم لظهور الرصاص الى جانباليورانيوم وبالتالي معرفة عمر الصخرة. (۲) تعيين أعمار المواد العضوية.

يتم بستخدام نظير الكربون ١٤ حيث تساعد الاشعة و الكونية على اعادة اظهره باستمرار نتيجة لاندماج نواة النتروجين مع نيترون ويعقبها فقد بروتون

المعادلة

الهواء الجوي يحتوي بصورة دائمة على نسبة معينة من ثاني اوكسيد الكربون المحتوي على نظير الكربون ١٤ الذي تستخدمه النباتات في عملية البناء الضوئي. وعند موت النبات تتناقص كمية الكربون نتيجة لتحلله اشعاعياً ، يمكن بمعرفة عمر النصف لنظير الكربون ١٤ حساب الفترة

الزمنية التي مرت على تكون خشب النبات.

(۳) استخدام الاشعة في الطب

تستخدم اشعة جاما في علاج السرطان.
يستخدم نظير اليود ۱۳۱ في عللاج سرطان الغده الدرقية.

يستخدم الكوبالت ٦٠ المشع في علاج سرطان الدم حيث تنبعث منه اشعة جاما. يستخدم نظير الفسفور ٣٢ في علاج سرطان الدم.

التشخص:

يستخدم نظير التكتنيوم ۹۹ في معرفة مناطق الاورام الخبيثة في الجهاز الدوري. يستخدم نظير التاليوم ۲۰۱ في معرفة مناطق المرض في القلب والأوعية الدموية. (٤) الاستخدام في مجال البحث العلمي: يطلق على النظائر المستخدمة في الدراسات اسم نظائر التتبع ومن امثلتها نظير الكربون ١٤ وتستخدم في تتبع مسارات التفاعلات لتحديد الميكانيكية التي تتم بها هذه التفاعلات.

تم بحمد الله وتوفيقه

ملخصات الدخيري في الكيمياء

(9-9)

إعداد : أ. إبراهيم عمر داؤد (الدخيري)