الانشطار النووي :أنواعه وكيف يحدث؟
محتويات
- ١ كيف يحدث الانشطار النووي؟
- ٢ ما أنواع التفاعلات الممكنة للانشطار النووي؟
- ٢.١ الانشطار التلقائي (Spontaneous Fission)
- ٢.٢ الانشطار المستحث بالنيوترون (Induced Fission)
- ٣ ماذا ينتج عن أنواع تفاعلات الانشطار النووي؟
- ٤ الخلاصة
كيف يحدث الانشطار النووي؟
يحدث الانشطار النووي (بالإنجليزية: Nuclear fission) عند الانقسام الفرعي لنواة ذرة ثقيلة مثل عنصر اليورانيوم أوعنصر البلوتونيوم إلى جزئين متساويين في الكتلة تقريبًا، وتكون هذه العملية مصحوبةً بقدرٍ كبيرٍ من الطاقة، وقد يحدث الانشطار بشكل تلقائي (عفوي) بسبب إثارة النواة بمجموعة متنوعة من الجسيمات أو عبر استخدام الإشعاع المغناطيسي بأشعة غاما، وتعد النيوترونات جسيمات أساسية في الانشطار التلقائي فهي قابلة للانقسام المتكرر والمتسلسل، أو قد يحدث الانشطار بصورة غير تلقائية، وتكون عملية الانشطار النووي مصحوبة بكمية كبيرة من الطاقة، ومن الجدير بالذكر أن للطاقة النووية الناتجة العديد من السلبيات التي قد تؤثر على صحة الإنسان والبيئة.[١]
ما أنواع التفاعلات الممكنة للانشطار النووي؟
يعد عدم الاستقرار داخل نواة الذرة سببًا رئيسيًا لحدوث الانشطار النووي، وهو شرط من شروط حدوث الانشطار النووي، فالقوة النووية التي تنشأ بين نواتين أو أكثر تعمل على ربط كل من البروتونات والنيوترونات ببعضهما البعض داخل النواة، وتزداد القوة مع زيادة صغر حجم النواة وكذلك قرب جسيمات النيوكليونات من بعضها، وعندها تتسبب القوة الكهرومغناطيسية بإحداث تنافر بين البروتونات المشحونة فيصبح اتجاه القوى متعاكسًا، إذ القوى الأولى ناتجة عن القوة النووية والثانية عن القوة الكهرومغناطيسية، وهو ما يؤدي نهايةً لدفع البروتونات بعيدًا عن بعضها البعض، وللانشطار النووي نوعان، هما: الانشطار التلقائي والانشطار المستحدث بالنيوترون،[٢] وفيما يأتي تفصيلٌ كاملٌ لكل منهما من حيث التعريف وآلية الحدوث والأمثلة:
الانشطار التلقائي (Spontaneous Fission)
يتضمن الانشطار التلقائي الانقسام غير المستحث للنواة والتي تنفصل إلى نوكليدين أو إلى شظايا انشطار وانبعاث من أكثر من نيوترون واحد في العادة، وغالبًا ما يحدث هذا النوع في جسيمات العناصر المشعة ذات العدد الكتلي العالي، مثل: عنصر الكاليفورنيوم (Cf) ذو العدد الكتلي 252؛ إذ يتحلل عند عمر نصف مقداره 2.65 سنة بعد انبعاث أشعة ألفا منه، ويضمحل ما تبقى منه بشكل تلقائي مع الوقت، منتجًا ما مقداره 3.7 نيوترون لكل انشطار واحد، ويعود ذلك إلى أن حجم الشظيتين الناجم عن الانشطار لا يمكن التنبؤ به أبدًا، وبالتالي فإن عدد النيوترونات المنبعثة من الانشطار الفردي لا تكون نفسها، ويُؤخذ كل انشطار على حدى لدراسته.[٣]
فمثلًا عند الانشطار التلقائي لعنصر الكاليفورنيوم فإن معدل الانشطار يُحسب بأخذ النشاط المحدد والنسبة المئوية لاحتمال الانشطار التلقائي، ولقد وضع العلماء النتائج التي حصلوا عليها من القياسات في جدول يُعرف باسم (وحدات النشاط الإشعاعي) للعناصر الكيميائية، ويستفيد الإنسان من الاختلافات في أحجام الشظايا الانشطارية وعدد النيوترونات المنبعثة منها في مجموعة واسعة من التطبيقات العملية مثل؛ تحليل تنشيط نيوترونات جاما الفوري للفحم والإسمنت والمعادن الدفينة، واكتشاف أماكن تواجد الألغام الأرضية، وكذلك التصوير الشعاعي النيوتروني لعلاج الأمراض والأورام وأبرزها السرطان.[٣]
وفيما يأتي معادلة الانشطار النووي التلقائي، وهي مثال واحد من مجموعة أمثلة واسعة، وتُمثّل تفاعل عنصر اليورانيوم الشهير (U) وانشطاره نوويًا إلى عنصري الزينون (Xe) والسترونتيوم (Sr)، والجدير بالذِكر أنّ أعداد التفاعلات التلقائية أكثر من التفاعلات غير التلقائية بشكل عام:
238U → 95Sr + 140Xe + 3n
الانشطار المستحث بالنيوترون (Induced Fission)
يتطلب هذا النوع من الانشطار النووي التدخل من مؤثر أو عامل خارجي ليحث النيوترون على الانقسام، أي لتحفيز عملية الانشطار النووي، وهو ما يفسر تسميته بذاك الاسم، إذ يتفكك الديوترون؛ وهي نواة الديوتريوم أحد نظائر الهيدروجين، في نواة العنصر مما يؤدي إلى هروب البروتون منه، بينما يتم امتصاص النيوترون فقط في داخل النواة.
ووفقًا لدراسة أجراها العالِم نيلز بور عام 1941م تحت عنوان (تحفيز الانشطار) (DEUTERON–INDUCED FISSION)؛ قام عدد من العلماء ومنهم أوبنهايمر وفيليبس بإجراء مجموعة من التجارب على العنصر وإخضاعه لظروف معينة لرصد التغيرات الحادثة عليه وتوصلوا إلى أنّ كمية الطاقة الناجمة عن هذا النوع من التفاعل تفوق تلك الناتجة عن النوع الأول (الانشطار التلقائي).
ولنأخذ تفاعل اليورانيوم تبعًا لهذا النوع من الانقسامات النووية، إذ ينقسم إلى نواتين أخف وزنًا وهما (الباريوم والكريبتون) مطلقًا نيوترونين اثنين، واللذان من الممكن أن يتصادما مع أنوية عنصر اليورانيوم لإحداث المزيد من سلاسل الانشطار، ويعتمد هذا التفاعل بشكل رئيسي على كمية اليورانيوم الموجودة، فمعظم جسيمات النيوترونات ستترك المادة دون أن تصطدم بأنوية العنصر الأخرى، ويتم التحكم بعامل الحرارة بشكل كامل عبر زيادة الوقود في مفاعل اليورانيوم، بالإضافة إلى استخدام مواد مساعدة أو كما تسمى (العامل الوسيط) مثل الجرافيت أو حتى الماء لتسريع التفاعل وإتمامه، والصيغة النهائية لذلك التفاعل هي:
235U + n → 144Br + 90Kr + 2n
الخلاصة: وعليه فإن الانشطار النووي يُقسم لنوعين من التفاعل؛ الأول تلقائي يحدث دون أي مؤثرات خارجية ومن الأمثلة عليه انقسام عنصر اليورانيوم إلى عنصري الزينون والسترونتيوم، والثاني هو الانشطار المستحث بالنيوترون ويحدث بشكل غير تلقائي بعد تدخل بعض العوامل المساعدة ومن الأمثلة عليه انقسام اليورانيوم لعنصري الباريوم والكريبتون.
ماذا ينتج عن أنواع تفاعلات الانشطار النووي؟
ينتج عن نوعي تفاعلات الانشطار النووي التلقائي وغير التلقائي مجموعة من النتائج المباشرة التي لا تتطلب أي مرحلة أو خطوة جديدة للحصول عليها، وبعض النتائج والتطبيقات الأخرى التي تتم بعد تدخل العلماء واستغلالهم لتلك التفاعلات، وفيما يأتي توضيح لذلك:
- الطاقة؛ إذ تزود تفاعلات الانشطار النووي الشمس والنجوم الأخرى في السماء بالطاقة اللازمة لتستمر في الاحتراق والاشتعال، إذ تندمج النواتان بعد الانشطار لتكونا نواة واحدة أثقل وزنًا.
- تعد الطاقة الناجمة من الانشطار النووي واحدةً من الأسس الفيزيائية التي استند عليها العديد من العلماء في إجراء الأبحاث ووضع النظريات والقوانين وأبرزها آينشتاين الذي وضع معادلته الشهيرة (الطاقة = الكتلة × مربع السرعة) (E=mc2)، وقد استخدمت في إنتاجالقنابل النووية والذرية.
- تمكن العلماء من تطوير طريقة من أجل تسخير الطاقة الناجمة عن الانشطار النووي والاستفادة منها على الأرض، مما جعلها من مصادر الطاقة غير المتجددة الحديثة، إذ إن الطاقة النووية من مصادر الطاقة النظيفة التي لها العديد من الفوائد.
- تشمل عملية الاستفادة من طاقة تفاعلات الانشطار النووي دراسة العناصر الكيميائية في الجدول الدوري مثل الديوتيريوم والتريتيوم والهيليوم وغيرها.
- يسعى الباحثون والعلماء في مراكز أبحاث وعلوم الطاقة النووية إلى تعزيز علوم الاندماج في الفيزياء النووية وإنشاء قاعدة بيانات خاصة بهذا المجال تساعد على توليد النظائر النووية والبحث في التفاعل النووي برمته.
- يحاول العلماء إنشاء تفاعل اندماج مستدام يعمل ذاتيًا لفترات طويلة، وذلك عبر تسخين وحرق البلازما بواسطة تفاعلات الانشطار التي تحدث في البلازما نفسه، واستخدام أشعة الليزر وتسليطها على أهداف متناهية الصغر من حيث الأحجام.
الخلاصة
يعرف الانشطار النووي بأنه الانقسام الذي يحدث داخل ذرات عناصر ثقيلة منتجًا كمية هائلة من الطاقة، ويُقسم الانشطار النووي لنوعين من التفاعل؛ الأول تلقائي يحدث دون أي مؤثرات خارجية ومن الأمثلة عليه انقسام عنصر اليورانيوم إلى عنصري الزينون والسترونتيوم، والثاني هو الانشطار المستحث بالنيوترون ويحدث بشكل غير تلقائي بعد تدخل بعض العوامل المساعدة ومن الأمثلة عليه انقسام اليورانيوم لعنصري الباريوم والكريبتون، وقد استفاد الإنسان من الطاقة الناتجة عن الانشطارات النووية في العديد من المجالات، فهي تعد مصدرًا نظيفًا للطاقة وأقل استهلاكًا للوقود من مصادر الطاقة الأخرى.
رد مع اقتباس
