الرئيسية
نواة الذرة
تصوير شبه دقيق لذرة الهيليوم. بالذرة البروتون باللون الأحمر والنيوترون بالأزرق. والنواة هي متناظرة كرويا.في الفيزياء والكيمياء، النواة هي جزء من الذرة، وهي الجزء المركزي ويتميز بكتلته الكبيرة نسبيا لباقي الذرة، يوجد في النواة البروتونات والنيوترونات التي تتكون بدورها من الكواركات التي تعد أصغر جزء من المادة. وحسب فروض العالم (راذرفورد) تعتبر النواه هي كتله الذره وذلك لان كتله الإلكترونات التي تدور حولها متناهيه في الصغر ولذك فهي تهمل وتصبح كتله الذره كلها في النواه. شحنة النواه موجبة لانها يوجد بداخلها بروتونات موجبه ونيترونات متعادله وبذلك تكون النواه موجبة الشحنة.
النواة هي المكون الأساسي للذرة حيث نجد ان النواة تتكون من البروتونات وهي موجبة الشحنة والنيوترونات المتعادلة في الشحنة وكذلك يوجد الميزون وهو جسيم صغير جدا كتلته تعادل كتلة الإلكترون ولكن له شحنة موجبة وشحنة سالبة ،وينتج من تحول البروتونات إلى نيوترونات وتكون ميزونات موجبة، وكذلك عند تحول النيوترونات إلى بروتونات وتكون ميزونات سالبة. وداخل النواة هناك قوى كبيرة جدا وهي قوى الترابط النووى وهي أكبر قوى في العالم ولكن تأثيرها يكون على مسافة صغيرة جدا وهي قطر النواة. وعند حساب كتلة البروتونات وكتلة النيوترونات الموجودة داخل النواة نجد انها أكبر من كتلة النواة ذاتها ؛وهذا يعزى إلى أن جزء من الكتلة تحول إلى طاقة تساعد في ربط مكونات النواة وهي طاقة الترابط النووى.
بنية نواة الذرة
النواة (نواة الذرة) هي مركز الذرة. تتكون النويات من بروتونات, ونيوترونات. عدد البورتونات في نواة الذرة يطلق عليه العدد الذري, ويحدد أي عنصر له هذه الذرة. فمثلاً النواة التي بها بروتون واحد (أي النواة الوحيدة التي يمكن أن لا يكون بها نيوترونات) من مكونات ذرة الهيدروجين, والتي بها 6 بروتونات, ترجع للعنصر كربون, أو التي بها 8 بروتونات أكسجين. يحدد عدد النيورتونات نظائر العنصر. عدد النيوترونات والبروتونات متناسب, وفى النويات الصغيرة يكونا تقريبا متساويين, بينما يكون في النويات الثقيلة عدد كبير من النيوترونات. والرقمان معا يحددا النيوكليد (أحد أنواع النويات). البروتونات والنيوترونات لهما تقريبا نفس الكتلة, ويكون عدد الكتلة مساويا لمجموعهما معا, والذي يساوي تقريبا الكتلة الذرية. وكتلة الإلكترونات صغيرة بالمقارنة بكتلة النواة.
نصف قطر النوكليون (نيترون أو بروتون) يساوي 1 fm (فيمتو متر = 10−15 m). بينما نصف قطر النواة, والذي يمكن أن يكون تقريبا الجذر التربيعي لعدد الكتلة مضروبا في 1.2 fm, أقل من 0.01% من قطر الذرة. وعلى هذا تكون كثافة النواة أكثر من تريليون (1012) مرة من الذرة ككل. ويكون لواحد مللي متر مكعب من مادة النواة, لو تم ضغطه, كتلة تبلغ 200,000 طن. النجم النيتروني يتكون من مثل هذا التصور.
وبالرغم من أن البروتونات الموجبة الشحنة يحدث بينها وبين بعضها تضاد كهرمغناطيسي, فإن المسافة بين النيوكلونات تكون صغيرة بدرجة كافية لأن يكون التجاذب القوي (والذي تكون أقوى من القوى الكهرمغناطيسية ولكن تقل بشدة مع بعد المسافة) غالب عليها. (وتكون قوى الجاذبية مهملة, لكونها أضعف 1036 من التضاد الكهرمغناطيسي).
كان اكتشاف الإلكترون أول إشارة على أن الذرة لها بناء داخلي. وهذا البناء كان تصوره المبدئي طبقا "لكعك الزبيب" أو سكل بودنج الخوخ, والذي فيه تكون الإلكترونات الصغيرة, السالبة الشحنة مغمورة في كرة كبيرة تحتوى على الشحنات الموجبة. وقد إكتشف إيرنست رذرفورد وماردسون, في عام 1911 عند إجراء تجربتهم الشهيرة تجربة رقاقة الذهب, أن جسيمات ألفا من الراديوم كمصدر كانت تتشتت للخلف عند توجيهها على رقاقة الذهب, والذي أدى إلى تقبل نموذج بور, الشكل الكوكبي الذي تدور فيه الإلكترونات حول النواة بنفس الطريقة التي تدور فيها الكواكب حول الشمس.
يمكن للنويات اليقيلة أن تحتوى على مئات من النيوكلونات (النيوترونات والبروتونات), والذي يعنى أنه ببعض التقريب يمكن معاملتها على أنها ميكانيكا تقليدية, أكثر من كونها ميكانيكا كمية. وفى نموذج القطرة الناتج, تكون النويات لها طاقة ناتجة جزئيا من التوتر السطحي, وجزئيا من التضاد الكهربي للبروتونات. ويستطيع نموذج نقطة السائل إعادة إنتاج ظواهر عديدة للنواة, متضمنة الاتجاه العام لطاقة الترابط بالنسبة إلى عدد الكتلة, وأيضا ظاهرة الانشطار النووي.
وعموما, بالنظر لتركيب هذه الصورة التقليدية, فإن تأثيرات ميكانيكا الكم, والتي يمكن أن توصف باستخدام نموذج الغلاف النووي، تم تطويرها كثيرا بمعرفة ماريا جيوبريت-ماير. النواة التي لها عدد معين من النيوترونات والبروتونات (الرقم السحري 2, 8, 20, 50, 82, 126,......) تكون بالتحديد ثابتة, لأن أغلفتها تكون ممتلئة.
وحيث أن بعض النويات تكون ثابتة أكثر من الأخرى, فإنه يتبع ذلك أن الطاقة يمكن أن تنطلق من التفاعلات النووية. مصدر طاقة الشمس الانصهار النووي, والذي فيه تصطدم نويتين ويتحدا لإنتاج نواة أكبر. العملية العكسية هي الانشطار النووي, والتي تمد مصانع الطاقة النووية بالطاقة. وحيث أن طاقة الترابط لكل نيوكلون هي كحد أقصى للنواة المتوسطة (تقريبا الحديد), فإن الطاقة تنطلق إما بإندماج النويات الخفيفة, أو بإنشطار النويات الثقيلة.
العناصر حتى الحديد تتكون في النجوم خلال تسلسل مراحل الانشطار, مثل سلسلة بروتون-بروتون, دورة CNO, وعملية ألفا-الثلاثية. وارتقاء العناصر الأثقل يتكون خلال نشوء النجوم. وحيث أن ذروة طاقة الترابط لكل نيوكلون تكون تقريبا حول الحديد, فإن الطاقة تنتج فقط للعمليات الانشطار تحت هذه النقطة. وتكوين النويات الأثقل يتطلب طاقة, وعلى ذلك فإن غمكانية حدويها خلال إنفجارات السوبرنوفا, والتي يتم إطلاق كميا هائلة من الطاقة فيها.
التفاعلات النووية تحدث بطريقة طبيعية على الأرض, وفى الواقع هي شائعة الحدوث. وتتضمن إضمحلال ألفا, وإضمحلال بيتا, كما أن النويات الثقيلة مثل اليورانيوم يمكن أن يحدث لها أيضا انشطار. كما أن هناك مثل معروف لإنشطار نووي طبيعي, والذي حدث في أوكلو, الجابون, أفريقيا منذ 1.5 بليون سنة.
وكثير من الأبحاث في الفيزياء النووية تتضمن دراسة النواة تحت الظروف القصوى مثل الدوران وطاقة الإثارة. كما أن النواة يمكن أن يكون لها أشكال غريبة (تشبه كرة قدم أمريكية), أو نسبة نيوترن إلى بروتون عجيبة. ويمكن للتجارب تصنيع مثل هذه النويات باستخدام الاندماج النووي أو تفعاعلات اصتدام [[نوكليون| النوكليونات باستخدام شعاع أيوني من معجل جسيمات.
الشعاع الذي يكون له طاقة أكبر يمكن أن يستخدم لعمل نواة في درجات الحرارة العالية, وهناك علامات أن هذه التجارب قد انتجت انتقال حالة من حالة النواة العادية إلى حالة جديدة, بلازما كوارك-جلوين, وفيها تمتزج كواركات مع بعضها البعض. وطبقا لنظرية النموذج العياري ترتبط الكواركات في ثلاثيات لتكوين البروتون والنيوترون.
تصوير شبه دقيق لذرة الهيليوم. بالذرة البروتون باللون الأحمر والنيوترون بالأزرق. والنواة هي متناظرة كرويا.في الفيزياء والكيمياء، النواة هي جزء من الذرة، وهي الجزء المركزي ويتميز بكتلته الكبيرة نسبيا لباقي الذرة، يوجد في النواة البروتونات والنيوترونات التي تتكون بدورها من الكواركات التي تعد أصغر جزء من المادة. وحسب فروض العالم (راذرفورد) تعتبر النواه هي كتله الذره وذلك لان كتله الإلكترونات التي تدور حولها متناهيه في الصغر ولذك فهي تهمل وتصبح كتله الذره كلها في النواه. شحنة النواه موجبة لانها يوجد بداخلها بروتونات موجبه ونيترونات متعادله وبذلك تكون النواه موجبة الشحنة.
النواة هي المكون الأساسي للذرة حيث نجد ان النواة تتكون من البروتونات وهي موجبة الشحنة والنيوترونات المتعادلة في الشحنة وكذلك يوجد الميزون وهو جسيم صغير جدا كتلته تعادل كتلة الإلكترون ولكن له شحنة موجبة وشحنة سالبة ،وينتج من تحول البروتونات إلى نيوترونات وتكون ميزونات موجبة، وكذلك عند تحول النيوترونات إلى بروتونات وتكون ميزونات سالبة. وداخل النواة هناك قوى كبيرة جدا وهي قوى الترابط النووى وهي أكبر قوى في العالم ولكن تأثيرها يكون على مسافة صغيرة جدا وهي قطر النواة. وعند حساب كتلة البروتونات وكتلة النيوترونات الموجودة داخل النواة نجد انها أكبر من كتلة النواة ذاتها ؛وهذا يعزى إلى أن جزء من الكتلة تحول إلى طاقة تساعد في ربط مكونات النواة وهي طاقة الترابط النووى.
بنية نواة الذرة
النواة (نواة الذرة) هي مركز الذرة. تتكون النويات من بروتونات, ونيوترونات. عدد البورتونات في نواة الذرة يطلق عليه العدد الذري, ويحدد أي عنصر له هذه الذرة. فمثلاً النواة التي بها بروتون واحد (أي النواة الوحيدة التي يمكن أن لا يكون بها نيوترونات) من مكونات ذرة الهيدروجين, والتي بها 6 بروتونات, ترجع للعنصر كربون, أو التي بها 8 بروتونات أكسجين. يحدد عدد النيورتونات نظائر العنصر. عدد النيوترونات والبروتونات متناسب, وفى النويات الصغيرة يكونا تقريبا متساويين, بينما يكون في النويات الثقيلة عدد كبير من النيوترونات. والرقمان معا يحددا النيوكليد (أحد أنواع النويات). البروتونات والنيوترونات لهما تقريبا نفس الكتلة, ويكون عدد الكتلة مساويا لمجموعهما معا, والذي يساوي تقريبا الكتلة الذرية. وكتلة الإلكترونات صغيرة بالمقارنة بكتلة النواة.
نصف قطر النوكليون (نيترون أو بروتون) يساوي 1 fm (فيمتو متر = 10−15 m). بينما نصف قطر النواة, والذي يمكن أن يكون تقريبا الجذر التربيعي لعدد الكتلة مضروبا في 1.2 fm, أقل من 0.01% من قطر الذرة. وعلى هذا تكون كثافة النواة أكثر من تريليون (1012) مرة من الذرة ككل. ويكون لواحد مللي متر مكعب من مادة النواة, لو تم ضغطه, كتلة تبلغ 200,000 طن. النجم النيتروني يتكون من مثل هذا التصور.
وبالرغم من أن البروتونات الموجبة الشحنة يحدث بينها وبين بعضها تضاد كهرمغناطيسي, فإن المسافة بين النيوكلونات تكون صغيرة بدرجة كافية لأن يكون التجاذب القوي (والذي تكون أقوى من القوى الكهرمغناطيسية ولكن تقل بشدة مع بعد المسافة) غالب عليها. (وتكون قوى الجاذبية مهملة, لكونها أضعف 1036 من التضاد الكهرمغناطيسي).
كان اكتشاف الإلكترون أول إشارة على أن الذرة لها بناء داخلي. وهذا البناء كان تصوره المبدئي طبقا "لكعك الزبيب" أو سكل بودنج الخوخ, والذي فيه تكون الإلكترونات الصغيرة, السالبة الشحنة مغمورة في كرة كبيرة تحتوى على الشحنات الموجبة. وقد إكتشف إيرنست رذرفورد وماردسون, في عام 1911 عند إجراء تجربتهم الشهيرة تجربة رقاقة الذهب, أن جسيمات ألفا من الراديوم كمصدر كانت تتشتت للخلف عند توجيهها على رقاقة الذهب, والذي أدى إلى تقبل نموذج بور, الشكل الكوكبي الذي تدور فيه الإلكترونات حول النواة بنفس الطريقة التي تدور فيها الكواكب حول الشمس.
يمكن للنويات اليقيلة أن تحتوى على مئات من النيوكلونات (النيوترونات والبروتونات), والذي يعنى أنه ببعض التقريب يمكن معاملتها على أنها ميكانيكا تقليدية, أكثر من كونها ميكانيكا كمية. وفى نموذج القطرة الناتج, تكون النويات لها طاقة ناتجة جزئيا من التوتر السطحي, وجزئيا من التضاد الكهربي للبروتونات. ويستطيع نموذج نقطة السائل إعادة إنتاج ظواهر عديدة للنواة, متضمنة الاتجاه العام لطاقة الترابط بالنسبة إلى عدد الكتلة, وأيضا ظاهرة الانشطار النووي.
وعموما, بالنظر لتركيب هذه الصورة التقليدية, فإن تأثيرات ميكانيكا الكم, والتي يمكن أن توصف باستخدام نموذج الغلاف النووي، تم تطويرها كثيرا بمعرفة ماريا جيوبريت-ماير. النواة التي لها عدد معين من النيوترونات والبروتونات (الرقم السحري 2, 8, 20, 50, 82, 126,......) تكون بالتحديد ثابتة, لأن أغلفتها تكون ممتلئة.
وحيث أن بعض النويات تكون ثابتة أكثر من الأخرى, فإنه يتبع ذلك أن الطاقة يمكن أن تنطلق من التفاعلات النووية. مصدر طاقة الشمس الانصهار النووي, والذي فيه تصطدم نويتين ويتحدا لإنتاج نواة أكبر. العملية العكسية هي الانشطار النووي, والتي تمد مصانع الطاقة النووية بالطاقة. وحيث أن طاقة الترابط لكل نيوكلون هي كحد أقصى للنواة المتوسطة (تقريبا الحديد), فإن الطاقة تنطلق إما بإندماج النويات الخفيفة, أو بإنشطار النويات الثقيلة.
العناصر حتى الحديد تتكون في النجوم خلال تسلسل مراحل الانشطار, مثل سلسلة بروتون-بروتون, دورة CNO, وعملية ألفا-الثلاثية. وارتقاء العناصر الأثقل يتكون خلال نشوء النجوم. وحيث أن ذروة طاقة الترابط لكل نيوكلون تكون تقريبا حول الحديد, فإن الطاقة تنتج فقط للعمليات الانشطار تحت هذه النقطة. وتكوين النويات الأثقل يتطلب طاقة, وعلى ذلك فإن غمكانية حدويها خلال إنفجارات السوبرنوفا, والتي يتم إطلاق كميا هائلة من الطاقة فيها.
التفاعلات النووية تحدث بطريقة طبيعية على الأرض, وفى الواقع هي شائعة الحدوث. وتتضمن إضمحلال ألفا, وإضمحلال بيتا, كما أن النويات الثقيلة مثل اليورانيوم يمكن أن يحدث لها أيضا انشطار. كما أن هناك مثل معروف لإنشطار نووي طبيعي, والذي حدث في أوكلو, الجابون, أفريقيا منذ 1.5 بليون سنة.
وكثير من الأبحاث في الفيزياء النووية تتضمن دراسة النواة تحت الظروف القصوى مثل الدوران وطاقة الإثارة. كما أن النواة يمكن أن يكون لها أشكال غريبة (تشبه كرة قدم أمريكية), أو نسبة نيوترن إلى بروتون عجيبة. ويمكن للتجارب تصنيع مثل هذه النويات باستخدام الاندماج النووي أو تفعاعلات اصتدام [[نوكليون| النوكليونات باستخدام شعاع أيوني من معجل جسيمات.
الشعاع الذي يكون له طاقة أكبر يمكن أن يستخدم لعمل نواة في درجات الحرارة العالية, وهناك علامات أن هذه التجارب قد انتجت انتقال حالة من حالة النواة العادية إلى حالة جديدة, بلازما كوارك-جلوين, وفيها تمتزج كواركات مع بعضها البعض. وطبقا لنظرية النموذج العياري ترتبط الكواركات في ثلاثيات لتكوين البروتون والنيوترون.
