تركيب نواة الذرة وخصائصها الفيزيائية ونظائرها

• خواص النواة
• الكتلة والشحنة النووية
• حجم النواة وكثافتها
• النظائر Isotopes

من التجارب التي أجريت على النواة فقد أمكن معرفة الكثير عن تركيبها فلقد وجد أنها تتكون من بروتونات ونيوترونات تسمى نيوكلونات ( nucleons) ، أي نويات وأن عدد البروتونات في النواة هو العدد العذري ( atomicno )z ويوجد في الطبيعة 92عنصر تبدأ من الهيدروجين (2-1) إلى عنصر اليورانيوم (z =92 ) ، وقد أمكن حديثاً تحويل عدد من العناصر التي يزيد عددها الذري عن 92 بواسطة المعجلات النووية الضخمة وصلوا إلى العدد الذري z = 111 فهي عناصر صناعية .

يرمز لعدد النيوترونات في النواة بالرمز N فيكون مجموع عدد النيوترونات مع عدد البروتونات في النواة هو :

A = N + Z
ويسمى A بالعدد الكتلي ( Mass no.) وهو عدد النويات في النواة .

ويرمز عادة للنواة بتحديد عدد النويات فيها مع عدد البروتونات أي ( Z , A ) ويكتب رمز العنصر مع العدد الكتلي A على اليسار من فوق ، والعدد الذري 2 إلى اليسار من تحت ، فمثلاً نواة ذرة الأكسجين بها 8 بروتونات و 8 نيوترونات فيكون العدد الكتلي A = 16 فرمزها هو
وعموماً فإن أي عنصر يمكن كتابته كما يلي
حيث أن X ترمز إلى العنصر و A هو عدده الكتلي و Z عدده الذري .

خواص النواة

للنواة خاصتين مميزتين :

1- خصائص لا تعتمد على الزمن مثل كتلة النواة وحجمها وشحنتها الزخم الذاتي للنواة
2- خصائص تعتمد على الزمن كالانحلال الإشعاعي الطبيعي أو التحول الاصطناعي أو التفاعل النووي . وللنوى حالات تهيج تعامل طاقتها ضمن الصنف الأول من الخواص في حين يعامل انحلالها ضمن الصنف الثاني من الخواص أي يعتمد على الزمن .

الكتلة والشحنة النووية

كما ذكرنا فإن النواة تتكون من Z من البروتونات وN من النيوترونات ( ماعدا الهيدروجين الخفيف فلا يوجد في نواته نيوترونات ) ، وكتلة البروتون (MP) تساوي 1.67248 510-27kg وكتلة النيوترون (Mn) تساوي 1.674955 510-27kg فهما تقريباً متساويان ، وكتلة الإلكترون أقل من كتلة البروتون أو النيوترون بنحو 1836 مرة ولذلك فإن كتلة الذرة تساوي تقريباً كتلة النواة ، فكتلة المادة تكون متركزة في أنوية ذراتها .

ولقد وجد أن من أسهل استعمال وحدة الكتلة الذرية ( و.ك.ذ )
( a.M.u ) atonic Mass unit ويرمز لها بالرمز u لتحديد الكتل الذرية للنظائر ، وتعرف هذه الوحدة بأنها تساوي 1 : 12 من كتلة ذرة الكربون 12 ، أي أن كتلة ذرة الكربون 12 تساوي 12 وحدة كتلة ذرية ، ولذلك فإن و.ك.ذ واحدة تعادل :
lu = 10660566 510-27kg
ولأنه يصعب قياس كتلة النواة لأي نظير مجردة من إلكتروناتها فإن الكتل الذرية هي التي تؤخذ في الاعتبار .
وتكون كتلة البروتون والنيوترون والإلكترون بوحدات الكتل الذرية هي :
Mp = 1.672648 510-27kg = 1.0072764
Mn = 1.67495 5510-27kg = 1.0086654
Me = 9.109 5 10-31kg = 0.0005944
وبذلك فإن كتلة النواة تكون مساوية إلى
M Z Mp + NMn
حيث Mp كتلة البروتون Mn كتلة النيوترون و M كتلة النواة الحقيقة أو المقاسة بواسطة جهاز المطياف الكتلي .
أما بالنسبة لشحنة النواة فهي تساوي شحنة البروتونات Z الموجودة فيها على اعتبار أن النيوترونات متعادلة الشحنة .

حجم النواة وكثافتها

إذا افترضنا أن للنواة شكلاً كروياً فإن حجمها يمكن التعبير عنه بدلالة نصف قطرها إلا أن النواة ليست كرة واضحة المعالم والحدود ، وإنما يمكن تشبيهها بقيمة كروية حجمها يتناسب مع عدد النويات التي تحتويها . وكثافتها تقريباً ثابتة ولكنها تبدأ بالانخفاض قريباً من السطح ويبين شكل (1) العلاقة بين كثافة النواة والمسافة عن مركزها ويعرف نصف قطر النواة على أنه المسافة بين مركز النواة والنقطة التي تنخفض عندها الكثافة إلى مقدار نصف قيمتها في المركز .
وقد ثبت أن نصف قطر النواة يتناسب مع الجذر الثالث للعدد الكتلي A أي أن :
الثالث للعدد الكتلي A أي أن :

R = ( 1.2 510-15 ) (A) ^1/3 M

حيث ثابت التناسب كما في المعادلة السابقة هو 1 .2510-15 وهو ثابت تقريباً لكل النوى .
ومما يجدر ذكره أن شكل النواة ليس كروياً في بعض النوى فقد يكون لبعضها شكلاً كروياً أو بيضاوياً ، إلا أننا سنعتبر شكلها كروياً منتظماً وعليه فإن حجم النواة هو:
v = π R3
إن النواة تحتوي على عدد A من النويات ، وحيث أن كتلة النوية الواحدة تساوي 1.66 510-27kg تقريباً ، فإن كتلة النواة يمكن التعبير عنها بدلالة A كما يلي :-
كتلة النواة = 1.66 510-27 A kg
الكثافة = الكتلة / الحجم
كثافة النواة = 1.66 510-27 A k/V
= 2.29 X 1017 kg / M3
= 2.29 X 1011 kg / CM3
وهذا الرقم يكافئ مائتين وتسعة وعشرين مليون طن في السنتمتر المكعب الواحد وهو ثابت تقريباً لكل النوى . فتصور كم هي هائلة كثافة النواة . ولهذا السبب تقول إن كتلة الذرة تتركز معظمها في النواة .

النظائر Isotopes

تحوي ذرات العنصر الواحد على العدد نفسه من البروتونات إلا أنها قد تحتوي على أعداد مختلفة من النيوترونات ويعني أن العدد الذري للعنصر الواحد لا يتغير ، في حين يتغير عدده الكتلي تبعاً لعدد النيوترونات . ويقال في هذه الحالة أن العنصر الواحد له عدة نظائر . فمثلاً نجد أن للهيدروجين ثلاثة نظائر هي :-

وتتكون نواته من بروتون واحد ولا تحتوي على نيوترونات
( A = 1 , Z = 1 )
وتتكون نواته من بروتون ونيوترون
( A = 2 , Z = 1 ) ويعرف باسم الديتريوم .
وتتكون نواته من بروتون ونيوترونين
( A = 3 , Z = 1 ) ويعرف باسم الترينيوم .
ويوجد لكل عنصر عدد من النظائر تصل أحياناً إلى أكثر من خمسين نظير للعنصر الواحد. وتكون بعض النظائر مستقرة في حين يكون بعضها الآخر نشطاً ( Radioctivc) فيصدر إشعاعات نووية وعموماً يوجد العنصر في الطبيعة في شكل خليط من بعض النظائر وأما بعضها الآخر فلا يوجد عادة في الطبيعة وإنما يمكن إنتاجه صناعياً باستخدام المفاعلات أو المعجلات النووية . ونظائر العنصر الواحد تتحد في جميع خوصها الكيميائية ولذلك فإنه لا يمكن فصل النظائر بالطرق الكيميائية وإنما يتم فصلها عن بعضها بطرق أخرى .

دلال الجهنى