Back to chapter

19.3:

الاستقرار النووي

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Nuclear Stability

Languages

Share

تحتوي النواة على معظم كتلة الذرة وهي ضئيلة الحجم مقارنة بالذرة الكاملة. متوسط كثافة النواة أعلى بتسعة ترليون مرة من كثافة الأوزميوم:وهو أعلى العناصر كثافة! لو كانت كثافة الكرة الأرضية ككثافة النواة،لكان حجمها أصغر بـ30, 000 مرة.لماذا هذه الكثافة العالية للنواة؟ترتبط النويات ببعضها البعض بواسطة القوة النووية الكبيرة قصيرة المدى. التوازن بين تنافرات البروتونات معاًوتجاذبات النويّات معاًهو الذي يحدد استقرار النواة. عندما ترجح تنافرات البروتونات على قوى التجاذب النووية،تتفكك النواة.تمثيل النوكليدات بيانيًا على أساس أعداد البروتونات والنيوترونات،يوضح أن النويات المستقرة تُشغل منطقة المركز،المشار إليها باللون الأزرق،والتي تُسمى حزام الاستقرار أو وادي الاستقرار. النوكليدات الأخف وزنًا التي فيها نسب النيوترونات إلى البروتونات تساوي 1،مثل الكربون-12،تحظى باستقرار أكبر. عندما يرتفع العدد الذري ليصبح أكثر من 20،يُتطلب وجود مزيد من النيوترونات لموازنة التنافرات بين البروتونات.تنجذب النيوترونات إلى بعضها البعض بواسطة قوى نووية،بينما لا توجد تأثيرات متبادلة تنافرية فيما بينها. بالتالي فإن الزيادة في عدد النيوترونات تعزز القوة النووية بشكل كبير. نسبة النيترونات إلى البروتونات في جميع النوكليدات المستقرة الأثقل وزنًا أكبر من 1.تتعرض النوكليدات المشعة التي تمتاز بارتفاع نسبة النيوترونات إلى البروتونات عادة إلى اضمحلال بيتا السالب،الذي يحوّل النيوترونات إلى بروتونات. بالتالي تنخفض نسبة النيوترونات إلى البروتونات،لينتج عن ذلك نوكليدة وليدة أقرب إلى حزام الاستقرار على المخطط. النوكليدات التي تمتاز بانخفاض نسبة النيوترونات إلى البروتونات،تُصدر بوزيترونات أو تتعرض لالتقاط إلكترون،لتحويل البروتونات إلى نيوترونات وبالتالي،تقترب أكثر من حزام الاستقرار.من الملفت أنه مثلما تقيم أزواج الإلكترونات في المدارات،فإن أزواج البروتونات وأزواج النيوترونات يلاحظ وجودها في النواة. عندما تكون أعداد البروتونات والنيوترونات زوجية،تكون النويات مستقرية بشكل كبير لأن جميع النويات تكون قادرة على الاقتران. لا توجد سوى خمس نوكليدات مستقرة فقط في حال العدد الفردي للنيوترونات والبروتونات.النويات ذات أعداد معينة من البروتونات أو النيوترونات تكون أكثر استقرارًا مما هو متوقع،مما يجعل هذه الأعداد تُسمى أعدادًا سحرية. تُسمى النويات ذوات الأعداد السحرية من البروتونات والنيوترونات مزدوجة العدد السحري. جميع النويات التي تمتلك عددًا ذريًا أعلى من 82 مشعّة.لكن البزموت-209،الذي عدده الذري 83،يمتاز بعمر نصف أطول استثنائيًا بين النوكليدات المشعة. في نوكليدة بعيدة عن حزام الاستقرار،تكون سلسلة الاضمحلال عبارة عن سلسلة من عمليات اضمحلال،تصل عن طريقها،في النهاية،إلى نوكليدة مستقرة.

19.3:

الاستقرار النووي

البروتونات والنيوترونات، التي تسمى مجتمعة النوكليونات، متجمعة معاً بإحكام في نواة. مع نصف قطر يبلغ حوالي 10−15 متراً، تكون النواة صغيرة جداً مقارنة بنصف قطر الذرة بأكملها، وهي حوالي 10−10 متر. النوى كثيفة للغاية مقارنة بالمادة الاجمالية، بمتوسط 1.8 × 1014 جرام لكل سنتيمتر مكعب. إذا كانت كثافة الأرض’ تساوي متوسط ​​الكثافة النووية، فإن نصف قطر الأرض’ سيكون حوالي 200 متر فقط.

يتطلب تجميع البروتونات موجبة الشحنة معاً في الحجم الصغير جداً للنواة قوى جذب قوية جدًا لأن البروتونات موجبة الشحنة تتنافر بقوة في مثل هذه المسافات القصيرة. قوة الجذب التي تربط النواة معاً هي القوة النووية القوية. تعمل هذه القوة بين البروتونات والنيوترونات وبين البروتونات والنيوترونات. إنها مختلفة تماماً عن القوة الكهروستاتيكية التي تحمل إلكترونات سالبة الشحنة حول نواة موجبة الشحنة. على مسافات تقل عن 10−15 متر وداخل النواة، تكون القوة النووية القوية أقوى بكثير من التنافر الإلكتروستاتيكي بين البروتونات ؛ على مسافات أكبر وخارج النواة، فهي غير موجودة أساساً.

يوضح مخطط عدد النيوترونات مقابل عدد البروتونات للنواة المستقرة أن النظائر المستقرة تقع في نطاق ضيق. تُعرف هذه المنطقة باسم نطاق الاستقرار (وتسمى أيضاً الحزام أو المنطقة أو وادي الاستقرار). يمثل الخط المستقيم في الشكل 1 نواة لها نسبة 1: 1 من البروتونات إلى النيوترونات (نسبة n:p). لاحظ أن النوى المستقرة الأخف، بشكل عام، لها أعداد متساوية من البروتونات والنيوترونات. على سبيل المثال، يحتوي النيتروجين -14 على سبعة بروتونات وسبعة نيوترونات. ومع ذلك، تحتوي النوى الأثقل ثباتاً على نيوترونات أكثر من البروتونات. على سبيل المثال: تحتوي نواة الحديد 56 المستقر على 30 نيوتروناً و 26 بروتوناً، ونسبة n:p 1.15، بينما تحتوي نواة الرصاص المستقر 207 على 125 نيوتروناً و 82 بروتوناً، ونسبة n:p تساوي 1.52. وذلك لأن النوى الأكبر لديها المزيد من تنافر البروتونات وتتطلب أعداداً أكبر من النيوترونات لتوفير قوى قوية تعويضية للتغلب على هذه التنافرات الكهروستاتيكية وتثبيت النواة معاً.

Image1

الشكل 1. نطاق الاستقرار.

تعتبر النوى الموجودة خارج نطاق الاستقرار غير مستقرة وتظهر نشاطًا إشعاعيًا: فهي تتغير تلقائياً أو تتحلل إلى نوى أخرى تكون إما داخل نطاق الاستقرار أو أقرب إليه. تعمل تفاعلات التحلل النووي هذه على تحويل نواة أو نويدة مشعة غير مستقرة إلى نواة أخرى، والتي غالبًا ما تكون أكثر استقرارًا.

يمكن تقديم عدة ملاحظات بخصوص العلاقة بين استقرار النواة وهيكلها.

من المرجح أن تكون النوى التي تحتوي على أعداد زوجية من البروتونات أو النيوترونات أو كليهما أكثر استقرارًا. النوى التي تحتوي على أعداد معينة من النوى ، والمعروفة باسم الأعداد السحرية ، تكون مستقرة ضد التحلل النووي. تشكل هذه الأعداد من البروتونات أو النيوترونات (2, 8, 20, 28, 50, 82, و 126) أغلفة كاملة في النواة. هذه تشبه من حيث المفهوم أغلفة الإلكترون المستقرة التي لوحظت للغازات النبيلة. تسمى النوى التي تحتوي على أعداد سحرية من البروتونات والنيوترونات  على حد سواء “سحر مضاعف” ومستقرة بشكل خاص.

تعتبر النوى ذات الأعداد الذرية الأعلى من 82 مشعة. يُعتقد أن البزموت -209، العدد الذري 83، كان مستقرًا لفترة طويلة جدًا ويمكن التعامل معه كما لو كان غير مشع. على الرغم من أنه مادة مشعة، إلا أنه يتمتع بعمر نصفي طويل للغاية بين النوى المشعة.

تقع النظائر المشعة التي تحدث بشكل طبيعي لأثقل العناصر في سلاسل من التفكك المتتالي أو التحلل، وتشكل جميع الأنواع في سلسلة واحدة عائلة مشعة أو سلسلة تحلل إشعاعي. ثلاثة من هذه السلاسل تشمل معظم العناصر المشعة بشكل طبيعي في الجدول الدوري. هم سلسلة اليورانيوم وسلسلة الأكتينيد وسلسلة الثوريوم. سلسلة النبتونيوم هي سلسلة رابعة، والتي لم تعد مهمة على الأرض بسبب فترات نصف العمر القصيرة للأنواع المعنية.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 21.1: Nuclear Structure and Stability.