دروس في الكيمياء

دروس في الكيمياء

الفصل الأول: بنية المادة

لطلبة التعليم عن بعد فرع: العلوم الطبيعية



الدرس الأول: I-تركيب الذرة.

II-النواة والإشعاع.

III-قوانين بنية الذرة.



إعداد وتصميم الأستاذ

سيد علي تيس

العنوان الإلكتروني: E-Mail: [email=sidalitaisse**********]sidalitaisse**********[/email]



السنة الجامعية2007/2008

المدرسة العليا للأساتذة بالقبة-القبة القديمة

الهاتف:021297511 - الفاكس:021282067

الموقع على شبكة الانترنيت: [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]









الفصل الأول

العناوين الصفحة

I.1. مقدمة............................................. ....................3

Iالإلكترون........................................ .........................4

I.1.2. تجارب اكتشاف الإلكترون .........................................4

I.2.2. خصائص إشعاعات القطب السالب.................................7

النواة............................................ ..........................8

I.1.3. تجارب اكتشاف النواة والبروتون والنوترون.......................8

I. 4 . مميزات الذرة............................................. ........12

I. 6. ملحق : النظام الدولي للوحدات (SI) .............................15

تمارين مقترحة للحل.............................................. ........19

II. 1. النشاط الإشعاعي.......................................... ................21

II.2. العائلات .................................................. ...........23

II.3. قوانين حركة الإصدار الإشعاعي.......................................... 26

II.4. التفاعلات النووية والنشط الإشعاعي الاصطناعي...................30

II.5. الكشف عن الإشعاعات وتطبيقاتها..................................36

تمارين مقترحة للحل.......... .......................................... 40











I. تركيب الذرة

I.1. مقدمة

قادت البحوث والاكتشافات إلى التوصل في بداية القرن التاسع عشر إلى حقيقة
أن المادة ذات طبيعة ذرية وذلك بإعلان النظرية الذرية لدالتون.تعد هذه
النظرية اللبنة الأساسية في تقدم علم الكيمياء في ذلك الوقت، ومن افتراضات
هذه النظرية نذكر:

أولا: أن العنصر يتكون من دقائق لا يمكن تجزئتها تسمى الذرات.

ثانيا: ذرات العنصر الواحد متماثلة في خواصها مثل الحجم والشكل والكتلة وتختلف عن ذرات العناصر الأخرى في هذه الخواص.

ثالثا: يمكن تفسير التفاعلات الكيميائية على أنها عبارة عن تغيير في مواقع
الذرات في تجمع معين(المواد المتفاعلة) إلى مواقع جديدة في تجمع
آخر(المواد الناتجة).

تم الاتفاق على أسس النظرية الذرية والجزيئية في أول مؤتمر عالمي للكيمياء في سبتمبر من سنة 1860م بألمانيا و تتلخص فيما يلي:

v تتكون كل المواد من ذرات.

v ذرات العنصر الواحد متشابهة وتختلف عن ذرات العناصر الأخرى.

v تنتج الجزئيات من تفاعل الذرات وتكون مركبة من ذرات نفس العنصر أو عناصر مختلفة.

v تحافظ الجزيئات على بنيتها (تركيبها) بعد التحولات الفيزيائية للمادة،
أما التحولات الكيميائية فإنها تغير بنيتها ولا تؤثر على طبيعة الذرات.

v التفاعل الكيميائي هو تكوين مواد من ذرات المواد المختفية.



الجدول I.1: رموز دلتون لبعض العناصر والمركبات






















I.2. الإلكترون

I.1.2. تجارب اكتشاف الإلكترون

قبل ذكر تجارب اكتشاف الإلكترون نشير إلى تجارب وأعمال ساعدت على ذلك وهي:

²قيام فرداي وغيره بمحاولات تمرير التيار الكهربائي في المواد في حالات مختلفة.

² تصميم الأنبوب الزجاجي المناسب )هسلر الألماني سنة 1855م(.



²تمرير التيار الكهربائي بالأنبوب المخلى من الهواء (بلوكر الألماني سنة 1855م).



²حصول الإنجليزي كروكس سنة 1875م على الخلاء في أنبوب زجاجي والكشف
عن وجود إشعاعات تنطلق من القطب السالب وتتجه نحو القطب الموجب، أطلق
الألماني غولدشتاين Goldstein على هذه الإشعاعات اسم "إشعاعات القطب
السالب"

² الكشف عن شحنة إشعاعات القطب السالب ( بيران سنة 1895م).



² سميت إشعاعات القطب السالب بـ "الإلكترونات" من قبل ستوني سنة 1891م.

² كشفت تجارب تمرير التيار الكهربائي في المحاليل (تجارب التحليل
الكهربائي) التي قام بها فراداي عن وجود علاقة كمية بين المادة والكهرباء
)قوانين فراداي سنة 1832م(.



²استنتج ستوني Stoneyسنة 1874م أن كمية الكهرباء منفصلة مثل المادة أي تتركب من مضاعفات لكمية محددة من الكهرباء.



²أدت تجارب تمرير التيار الكهربائي في الغازات والأنابيب المخلاة من
الغازات إلى الكشف عن إشعاعات القطب السالب. ( تجارب بلوكر وكروكس 1855م -
1875م).

* تجربة كروكس سنة 1875 م:

يظهر خيط مضيء عند ضغط 4 – 5 mmHg.

الغاز مضيء داخل الأنبوب عند ضغط ≈ 1 mmHg.

الخيط المضيء (4 – 5 mmHg).













يصدر الجدار الداخلي القريب من القطب الموجب وميضا

الغاز المضيء (mmHg1 ).
عند ضغط ≈ 0.01 mmHg.







الفراغ المظلم

قطب موجب( زائدالشحنة)

أنود

قطب سالب( ناقص الشحنة)

كاثود



















الشكل II.1 : يوضح تجارب كروكس

I.2.2. خصائص إشعاعات القطب السالب:

² تنتشر حسب مسارات مستقيمة تمتصها وتوقفها المادة.



² لها طاقة ميكانيكية وبالتالي تتميز كتلة.



² تنحرف عند تأثير المجال الكهربائي أو المغناطيسي، تبين أنها ذات شحنة سالبة.



² طبيعتها وخصائصها واحدة مهما كانت مادة القطبين أو الغاز داخل الأنبوب (بيران سنة 1895م).

² قام ج.ج تومسون J.J Thomson سنة 1897م بتعيين الشحنة النسبية للإلكترون






ووجد أنها تساوي:







² قام ميليكان (1909م – 1911م) بتعين شحنة الإلكترون ووجد أنها تساوي:








*النتيجة: يمكن استنتاج شحنة الإلكترون عند الاستقرار me من معرفة قيمة الشحنة النسبية للإلكترون وشحنة الإلكترون، وتساوي:





I.3. النواة

I.1.3. تجارب اكتشاف النواة والبروتون والنوترون

أ. تجربة اكتشاف الإشعاعات القنوية: ( غولدشتاين سنة 1886م)

تعبر القطب الموجب المثقوب إشعاعات خصائصها هي:

² شحنتها موجبة.

² توقفها المادة.

² كتلتها أكبر بكثير من كتلة الإلكترون وتتغير طبيعتها بتغير طبيعة الغاز.

ب- تجربة اكتشاف الإشعاعات X: (رونتجن سنة 1895م)

تسبب الإشعاعات المهبطية انبعاث إشعاعات عندما تلاقي حاجز معدني أطلق
عليها رونتجن إشعاعاتX وهي ذات طبيعة موجية كهرومغناطيسية يمكن أن تعبر
المادة.



ج- اكتشاف النشاط الإشعاعي: (بيكريل سنة 1896م)

تصدر مركبات اليورانيوم والبولونيوم والراديوم تلقائيا إشعاعات، اكتشف
رذرفورد سنة 1899م أنها تتكون على الأقل من نوعين مختلفين من الإشعاعات
أسماهما aو b، ثم اكتشف فيلا رد سنة 1899م أنها تحوي نوعا ثالثا من
الإشعاعات أسماه g ، وتوضح خصائصها بالشكلين II.3 وII.4 :











صلب

ورق

4 ملم من AAAAAAالالمنيوم Al















الشكل II.3 : يوضح بعض خصائص الإشعاعات a ،b ، g



v تطبيق تأثير مجال مغناطيسي على حركة مسارات الدقائق a ، b ، g .






















الشكل II.4: تأثير مجال مغناطيسي على حركة مسارات الدقائق a، b، g.







د- تجربة جيجر ومارسدن (1909م) ونموذج رذرفورد الذري (1911م):

وجه جيجر ومارسدن الدقائق a كقذائف إلى صفيحة رقيقة من الذهب، فلاحظا
ارتداد نسبة صغيرة جدا من الدقائق a، وعبور عدد كبير منها عبر ورقة الذهب
(ارتداد حوالي دقيقة واحدة من 8000 دقيقة).



صفيحة ذهب

النسبة المنحرفة بين

°90 إلى °180 أو 1/8000

دقائق a



















الشكل II.5 : يوضح تجارب فريق رذرفورد سنة 1909م



استنتج رذرفورد من هذه التجربة أن شحنة الذرة ومعظم كتلتها تتمركز في جزء
صغير جدا منها، أطلق عليه الاسم "نواة الذرة"، واقترح نموذجا للذرة يعرف
باسم النموذج الكوكبي وهو موضح بالشكل II.6 .
























الشكل II.6: النموذج الكوكبي لرذرفورد سنة 1911 م

² مكنت دراسة حركة الدقائق (α) بقرب النواة من التوصل لمعادلة أعطت أبعاد الذرة والنواة حيث:

قطر النواة ≈ 10-13 سم.

كثافة النواة ≈ 1014 غ / سم3 .



هـتجربة اكتشاف البروتون: (رذرفورد سنة 1918م)

v تم أول تفاعل نووي صناعي، وهو تحول عنصري، بقذف غاز الآزوت بالدقائق a
فتكونت ذرات الأكسجين ودقائق كتلتها تساوي كتلة الهيدروجين وذات شحنة
موجبة سميت "البروتونات"، كما توضحه معادلة التفاعل النووي التالية:



و-اكتشاف النوترون: (شدويك سنة 1932م)

تعذر تفسير أو تعليل كتل الذرات المختلفة على أساس تكون نواة الذرة
من البروتونات فقط. فمثلا كتلة ذرة الأكسجين تكون على هذا الأساس ، وهذا
لا يتماشى مع واقع ذرة الأكسجين التي وجدت تساوي تقريبا .

لذا فقد توصل شدويك Chadwick سنة 1932م من الإجابة على ذلك بالكشف عن جسيم
جديد في النواة نتيجة قذف عنصر البريليوم بالدقائق a المسرعة، كما يوضحه
الشكل التالي ذلك:

البروتونات

البرافين

منبع a

النترونات

حجرة التشرد















الشكل II.7: مخطط يوضح تجربة شادويك سنة 1932 م



تحصل شدويك على إشعاع نافذ يتكون من دقائق معتدلة كهربائيا. ويظهر إشعاع
مماثل عند استبدال البريليوم بعناصر أخرى خفيفة مثل البور والليثيوم، أطلق
عليه اسم "النوترن". وبما أن شحنة النوترون معدومة فيمكنه اختراق المادة.

الجسيم (النوترون) متعادل كهربائيا تساوي كتلته كتلة البروتون تقريبا.

ونعبر عن التفاعل بالمعادلة:

كتلة النوترون: mn = 1.67482x10-27 Kg = 1.00866 uma = 1838me



I. 4 . مميزات الذرة

² تتكون الذرة من نواة مركزية تحوي البروتونات والنوترونات، التي يطلق
عليها اسم "النوكليونات"، ومن الإلكترونات التي تطوف حول النواة بصورة
مستمرة.

² يحدد عدد البروتونات شحنة النواة الموجبة، ويحدد عدد النوكليونات كتلة
النواة، ويحدد عدد الإلكترونات التي تطوف حول النواة الشحنة السالبة
للذرة. وتكون كتلة الذرة مساوية تقريبا كتلة النواة، لإمكانية إهمال كتلة
الإلكترونات أمام كتلة النواة.



² العدد الذري Z (عدد الشحنة): هو عدد البروتونات في النواة، وهو أيضا عدد
الإلكترونات التي تتحرك حول النواة، فالذرة معتدلة كهربائيا.

أي أن: +Ze هي شحنة النواة.

و –Ze هي الشحنة الكلية للإلكترونات.



²العدد الكتلي A (رقم الكتلة): هو عدد النوكليونات، أي مجموع عدد البروتونات Z وعدد النوترونات N .

أي أن: A = Z + N



²النوكليد: يطلق على نوع محدد من النوى اسم "النوكليد". فالنوكليد هو عبارة عن نواة ذات كتلة وشحنة محددتين. ويمثل النوكليد بالرمز .



²العنصر (العنصر الكيميائي) : هو نوع من الذرات لها خصائص محددة، أي يمثل
عددا من الذرات تحمل نواها نفس الشحنة الموجبة ويمكن أن تختلف في عدد
الكتلة.

²النظائر: هي نوكليدات لنفس العنصر، لها خصائص فيزيائية وكيميائية
متقاربة، ولها نفس العدد الذري Z ، وتختلف في العدد الكتلي A أي تختلف في
عدد النوترونات.



² يعرف حاليا أكثر من 1200 نوكليد مختلف، معظمها غير مستقرة،يوجد من بينها حوالي 900 نوكليد مشع.





ملاحق: جداول رموز ومقادير وتحويلات الواحات.



الطول


المتر


m


م

الكتلة


الكيلوغرام


Kg


كغ

الزمن


الثانية


s


ثا

شدة التيار الكهربائي


الأمبير


A


آ

درجةالحرارة الثرموديناميكية


الكلفن


K


ك

كمية المادة


المول


mol


مول

شدة الإضاءة


القنديلة


Cd


قد

الزاوية المستوية


الراديان (مكملة)


rad


راد

الزاوية المجسمة


الستيراديان (مكملة)


sr


ستيراد





الجدول 6.I.2: أسماء بعض الوحدات المشتقة للنظام الدولي للوحدات ورموزها



الكمية (المقدار)


اسم الوحدة


الرمز الدولي


تعريف الوحدة

القوة


النيوتن


N


كغ.م.ثا-2

الضغط


الباسكال


Pa


نيوتن.م-2 = كغ.م-1 .ثا-2

الطاقة


الجول


J


كغ.م2.ثا-2

الاستطاعة


الواط


W


جول.ثا-1 = كغ.م2.ثا-3

الشحنة الكهربائية


الكولون


C


آ.ثا

فرق الكمون الكهربائي


الفولط


V


جول.آ-1.ثا-1

المقاومة الكهربائية


الأوم


Ω


فولط.آ-1

التواتر


الهرتز


Hz


ثا-1 (اهتزازة/ثا)



الجدول 6.I.3: مضاعفات وحدات النظام الدولي للوحدات وأجزاؤها



المضاعفات


الأجزاء

السابقة


الرمز


القيمة


السابقة


الرمز


القيمة

إكزا


E


1018


آتو


a


10-18

بيتا


P


1015


فمتو


f


10-15

تيرا


T


1012


بيكو


p


10-12

جيغا


G


109


نانو


n


10-9

ميغا


M


106


ميكرو


µ


10-6

كيلو


k


103


ميلي


m


10-3

هكتو


h


102


سنتي


c


10-2

ديكا


da


10


ميلي


d


10-1



الجدول 6.I.4: تحويل الوحدات



1 بالسكال = 1 نيوتن.م-2

1 جو = 1 بار = 760 مم زئبق = 760 تور = 1.01325 x 10 5 باسكال

1 حريرة = 4.184 جول

1 إرغ = 10-7 جول

1 إلكترون فولط = 1.602 x 10-19 جول = 8.0655 x 310 سم-1 = 2.4180 x 1410 هرتز (ثا-1 )

1 إلكترون فولط / مول = 96.485 كيلو جول / مول

1 0م = 273.15 كلفن

8.20578 x 10-2 ل.جو.كلفن-1 = 8.31451 جول.مول-1

1 واحدة كتلة ذرية (1uma) = 931.481 ميغا إلكترون فولط (MeV)

1 فاراد = 9.648 x 410 كولون

1 ديباي = 3.335 x 10-30 كولون.م (C.m)

1 أنغشتروم (A0) = 10-10 م = 0.1 نانومتر (nm)

1ل = 10-3 م3 = 1 دم

Loge X = 2.303Log10 X أو Log X = 2.303 log X

الجدول 6.I.5: القيم العددية لأهم الثوابت الفيزيائية ورموزها



الثابت


الرمز


القيمة في النظام الدولي

(SI)


القيمة في النظام السغثي (CGS)

سرعة الضوء في الخلاء


c


2.99792458 x 810 م.ثا-1


2.99792458 x 1010 سم.ثا-1

شحنة الإلكترون


e


1.6021773 x 10-19 كولون




عدد أفوغادرو


NA


6.022137 x 2310 مول-1




واحدة الكتلة الذرية


uma


1.660565 x 10-27 كغ


1.660565 x 10-24 غ

ثابت فاراداي


F


9.648531 x 410 كولون.فاراد-1




ثابت بلانك


h


6.626076 x 10-34 جول.ثا




ثابت الغاز المثالي


R


8.31451 جول.مول-1 .كلفن-1




ثابت ريدربرغ


RH


1.097373 x 710 م-1




كتلة الإلكترون


me


9.109390 x 10-31 كغ


9.109390 x 10-28 غ

كتلة البروتون


mp


1.672623 x 10-27 كغ


1.674929 x 10-24 غ

كتلة النوترون


mn


1.674929 x 10-27 كغ


1.674929 x 10-24 غ

ثابت بولتزمان


k


1.380662 ء 10-23 جول.كلفن-1




تسارع الجاذبية الأرضية


g


9.80655 م.ثا-2








السلسلة رقم 1: تمارين مقترحة للحل

التمرين I.1:

إذا كان نصف قطر نواة ذرة الكربون يساوي 280 فيتومتر(fm)، ونصف قطر ذرة الكربون يساوي 77 بيكومتر (pm) .أحسب ما يلي:

أ. حجم ذرة الكربون. ب. حجم نواة ذرة الكربون. ج. النسبة بين حجمي ذرة ونواة الكربون.



التمرين I.2:

أعط قيم 1 كغ.م- 3 بالواحدات التالية:

كغ/مل (Kg/ml)، غ/م3 (g/m3)، غ/ل (g/l)،كغ/ل (Kg/l)،غ/مل (g/ml)، مغ/مل (mg/ml)، مغ/ل (mg/l)، مكغ/ل (mg/l)، مكغ/مل (mg/ml).



التمرين I.3:

يعطي الجدول التالي كتل كل من النوكليدين و والبروتون والنوترون :






الدقيقة








(P) بروتون


(n) نوترون

الكتلة ( u.m.a )


14.003242


14.003074


1.008665


1.007825

أ. قارن بين كتلتي النوكليدين وكتل مكوناتهما.

ب. ماذا تستنتج؟



التمرين I.4:

أحسب كتلة مول واحد من الأشياء التالية: الإلكترونات، البروتونات، النترونات، ومركبات صيغها الكيميائية

هي: Fe4[Fe(CN)6]3 ، Ca3(PO4)2 ، S8 ، F2 ، HNO3 ، NaOH .

التمرين I.5:

أكتب التمثيل الرمزي للنوكليدات التالية:

أ. التوتياء 30 بروتونا و 34 نوترونا. ب. الكالسيوم 20 بروتونا و 20 نوترونا.

ج. التيتانيوم 22 بروتونا و 26 نوترونا. د. المولبدينيوم 42 بروتونا و 56 نوترونا.



التمرين I.6:

لديك النوكليد

أ. ما هوعدد بروتونات وعدد نوترونات هذا النوكليد؟

ب. ما هوعدد إلكترونات ذرة هذا النوكليد؟

ج. قارن بين الكتلة النظرية و الكتلة الذرية المعطاة في جدول التصنيف
الدوري للعناصر. ما هو سبب اختلاف القيمتين إذا علمت أنه يوجد نظير واحد
للألمينيوم؟



التمرين I.7:

تتكون التوتياء الطبيعية من خمسة نظائر مستقرة تعطي كتلها الذرية النسبية ووفرتها في الجدول التالي:

69.9253


67.9249


66.9271


65.9260


63.9291

00.62%


18.54 %


4.11 %


27.81 %


48.89 %

أ. ماهو عدد البروتونات وعدد النوترونات في نواة كل نظير؟

ب. أكتب رمز نوكليد كل نظير.

ج. ما هي قيمة الكتلة المتوسطة لذرات التوتياء الطبيعية؟



التمرين I.8:

تبلغ الكتلة الذرية للبور الطبيعي 10.811 فإذا علمت أنه يتكون من نظيرين كتلتاهما الذريتان تساويان 11.009 و10.010 .

عين تركيب البور الطبيعي بالنسب المئوية لعدد ذرات النظائر، و بالنسب المئوية الكتلية للنظائر.



التمرين I.9:

معدن النحاس الطبيعي عبارة عن مزيج نظيرين، تبلغ النسبة المئوية لتواجد
أحدهما 69.08 وتبلغ كتلته النسبية 62.9298، استعن بقيم كتل الذرات من
الجدول الدوري لحساب الكتلة النسبية لذرة النظير الثاني.



التمرين I.10:

أ. أين يوجد أكبر عدد من الذرات، في مول من البور أم في مول من الألمنيوم .

ب. أحسب عدد ذرات كل عنصر من العنصرين المذكورين في غرام من المادة.



التمرين I.11:

أ. أحسب كتلة مول من مركب رباعي بروميد الكربون CBr4.

ب. ماهو عدد الجزيئات في 8.50 غ من مركبCBr4 الغازي.



التمرين I.12:

أ. أحسب عدد ذرات الأزوت من 25.00 غ من مادة N2O4 .

ب. ماهو عدد مولات غاز N2 الناتجة من كمية المادة السابقة إذا تحللت إلى O2 ، N2.



(النواة والإشعاع)

II. 1. النشاط الإشعاعي

تصدر العناصر المشعة الطبيعية ثلاثة أنواع من الإشعاعات هي كما تقدم في درس تركيب الذرة : a و b و g .



آ- الإشعاع a: يتكون من الدقائق a التي هي عبارة عن نوى هليوم أو هليونات
تصدرها بصورة طبيعية النوى المشعة الثقيلة، تسمى هذه الظاهرة بالتهافت,
أويتم الإشعاع بصورة اصطناعية، بعد عملية قذف بعض النوى بدقائق أو
إشعاعات. نعبر عن ظاهرة الإشعاع بمعادلة تدعى معادلة التفاعل النووي، يرمز
فيها للنوى والإشعاعات برموز النوكليدات ورموز طبيعة الإشعاعات.






أولا- التهافت:






ثانيا- القذف:





ب- الإشعاع b: يمكن أن يتشكل الإشعاع b من إلكترونات سالبة "نغاتونات" (
أي ) أو موجبة "بوزيتونات" ( أي ).





يتشكل النغاتون عند تحول نوترون في النواة إلى بروتون مع إصدار نوترينو:






ويتشكل البوزيتون عند تحول بروتون في النواة إلى نوترون مع إصدار نوترينو معاكس:








²أمثلة: معادلات تفاعلات تهافت إصدار إشعاعات b
















ج- الإشعاع g: هو عبارة عن:

- فوتونات كتلتها معدومة وطاقتها تساوي:

حيث: h : ثابت بلانك ويساوي:

وu : تواتر الإشعاع ، و l : طول موجة الإشعاع،

وc : سرعة الضوء



- إشعاعات كهرومغناطيسية تصدر عند انتقال النواة من حالة مثارة إلى حالة أقل إثارة.

* مثال:

(باريوم مستقر) (باريوم غير مستقر)

² يبقى A و Z ثابتان للعنصر بعد إصدار الإشعاع g فقط.



² الإشعاع g له قدرة نفوذ أكبر أهمية من قدرة نفوذ الدقائق a وb.



v ملاحظة: يمكن كتابة التفاعلات الكيميائية النووية بالطريقة المختصرة التالية:
















II.2. العائلات الإشعاعية

توجد 3 عائلات إشعاعية مولدة من 3 نظائر مشعة طبيعية بالإضافة إلى عائلة
إشعاعية رابعة مولدة من نظير مشع اصطناعي. تولد كل عائلة من نوكليدات
مشعة، ينتج كل منها من نوكليد آخر مشع، وتنتهي بنوكليد غير مشع (مستقر)
وهي:



آ- عائلة اليورانيوم :

يحدد الرقم الكتلي A لأفراد هذه العائلة من العلاقة: ( 4n+2 ). حيث: n ينتمي إلى مجموعة الأعداد الطبيعية. ويوضح الشكل II.1 التالي:

نشوء عائلة اليورانيوم الإشعاعية:


































الشكل II.1 : يبين عائلة اليورانيوم الإشعاعية



ويمثل المخطط التالي ملخصا للشكل II.1 الذي يبين نوكليات عائلة اليورانيوم وأنواع الإشعاعات في التحولات المختلفة:










ب- عائلة الأكتينيوم :

يحدد الرقم الكتلي A لأفراد هذه المجموعة من العلاقة: ( 4n+3 ).

ويمثل المخطط التالي هذه العائلة:



ج- عائلة الثوريوم :

يحدد الرقم الكتلي A لأفراد هذه المجموعة من العلاقة: 4n

ويمثل المخطط التالي هذه العائلة:



د- عائلة النبتونيوم : وهو نظير مشع اصطناعي مولد لعائلة إشعاعية

يحدد الرقم الكتلي A لأفراد هذه المجموعة من العلاقة: ( 4n+1 )

حيث: n محصور بين 52 إلى 60، و الحد الأخير المستقر هو



II.3. قوانين حركة الإصدار الإشعاعي



آ- تمهيد:

تدرس حركة الإصدار الإشعاعي سرعة تحول النوكليد المشع أو ما يعرف
بـ"التهافت"، أي عدد النوكليدات المتحولة في واحدة الزمن، ويوضح الشكلII.2
منحنى حركة التفاعل النووي الذي يمثل عدد النوى n عند بداية الزمن t.

ويعبر عن السرعة المتوسطة لتفاعل نووي في

الفترة الزمنية من t1 إلى t2 بالعلاقة:




























الشكلII.2 : يعبر عن التهافت



تدل الإشارة السالبة على أن : و

أما السرعة اللحظية في الزمن t فتساوي:





حيث: n0 هو عدد النوكليدات المشعة الابتدائية (عند t=0)

n هو عدد النوكليدات المشعة النهائية في اللحظة t (عند t >0)



² وقد وجد أن السرعة في هذه الحالة لا تتأثر بالحرارة والضغط أو تواجد المركبات التي يكونها النوكليد المتهافت.





ب- الدراسة الحركية في حالة تكون نوكليد غير مشع:

ليكن لدينا معادلة التهافت التالية:

حيث: X نوكليد مشع وY نوكليد غير مشع.

لتكن هناك عينة تحوي عددا n من النوى المشعة X.

تسمى سرعة تفككها خلال زمن ما الإشعاعية A (أو الفعالية المطلقة):





حيث: l ثابت التناسب الذي يسمى الثابت الإشعاعي (أو ثابت التفكك الإشعاعي) للنوكليد.

نحصل على علاقة عدد النوى المشعة n بدلالة الزمن كالآتي:






، ،



حيث: n0 هو عدد نوى النكليد المشع عند الزمن t = 0.

وn هو عدد نوى النكليد المشع عند الزمن t .

إذن:



يعبر (n0 – n ) عن عدد النوى المتفككة من النوكليد المشع (X) في الفترة الزمنية من t = 0 إلى t.



* الإشعاعية أو الفعالية المطلقة:

يعبر عن الإشعاعية أو الفعالية المطلقة n=Aبالواحدات التالية:

d.p.m² (désintégration par minute)هي عدد التهافتات في الدقيقة.



² d.p.s (désintégration par seconde)هي عدد التهافتات في الثانية.

*ملاحظة: تختصر واحدة d.p.m إلى t -1 (…min-1)،

و تختصر واحدة d.p.s إلى t -1 (…sec-1).



² الكوري (Ci) :

حيث: 1Ci هو عدد التهافتات الناتجة عن غرام واحد من اليورانيوم خلال ثانية واحدة.

² البكريل (Bq) في النظام الدولي: 1Bq = 1dps / 1s



² الراد (rd) : 1rd = 10-5 J / 1g

حيث: يمثل 1rd امتصاص إشعاع مقداره 10-5 J / 1g من طرف النسيج الحي.



² الغراي (Gy) في النظام الدولي: 1 Gy = 1 J / 1 Kg = 100rd



* دور النشاط الإشعاعي:

يعرف دور النشاط الإشعاعي (أو زمن نصف العمر) بأنه الزمن اللازم لتهافت
(أي تفكك) نصف العدد الابتدائي من النوكليدات المشعة، أي تفكك 50 % من نوى
العنصر المشع. ويرمز له بالرمز t أو الرمز t1/2.

من العلاقة التالية:

عند الزمن t=t ، يكون: ،





أي أن:






وعليه فإن:

















الشكل II.3: دور النشاط الإشعاعي للعنصر المشع.



أمثلة: يعطي الجدول III.1 دور وأنواع إشعاعات بعض النوكليدات



الجدول III.1 : دور التهافت لبعض النوكليدات.



نوكليد


14C


226Ra


13N


8He

إشعاع


b- طبيعي


a . g طبيعي


b+ اصطناعي


b- . g اصطناعي

t


7500 سنة


1600 سنة


9.9 دقيقة


1.2 ثانية









II.4. التفاعلات النووية والنشاط الإشعاعي الاصطناعي

تتم التفاعلات النووية الاصطناعية نتيجة تفاعل نواة الذرة مع دقيقة عنصرية
أو مع نواة ذرة أخف منها تملك طاقة كافية لاختراق النواة الذرية. يرمز
للقذائف بالرموز التالية:














تتكون نتيجة ذلك نواة مركبة (مدة حياتها 10-16 – 10-15 ثانية) في حالة
إثارة قبل أن يحدث لها تنظيم جديد هو عبارة عن تفاعل نووي أو استحالة
نووية (Transmutation nucléaire). كأن تنتج نواة جديدة وتصدر دقائق
وإشعاعات.



آ- النقص الكتلي وطاقة الربط

يكون عادة مجموع كتل الدقائق المتفاعلة غير مساو لمجموع كتل الدقائق
الناتجة. يكافئ هذا التغير في الكتلة Dm كمية من الطاقة DE تساوي:



DE = Dm.c2



حيث: Dm تدعى النقص الكتلي.

و DE طاقة الربط.



تكون كمية DE كبيرة جدا بالمقارنة مع الطاقة المحررة في التفاعلات الكيميائية.

يعبر عن النقص الكتلي إما بواحدة الكتلة الذرية (u.m.a.) أو بالطاقة المكافئة لها.



تطبيق: نعتبر التفاعل (قذف الليثيوم ببروتون) المعبر عنه بالمعادلة التالية:






قدرت كمية الطاقة المحررة تجريبيا للذرة الواحدة بالمقدار:





يمكن أن يحسب نظريا كما يلي:



نحسب النقص في الكتلة:








نحسب الطاقة الكامنة:








ب- واحدة الطاقة النووية:

تستعمل في الكيمياء النووية واحدة للطاقة هي "المليون إلكترون فولط " أو "الميغا إلكترون فولط" (MeV) .

حيث: 1eV هو الطاقة اللازمة لتسريع إلكترون واحد خلال حيز فرق كمونه فولط واحد.

وعليه فإن 1MeV هو الطاقة اللازمة لتسريع مليون إلكترون خلال حيز فرق كمونه فولط واحد.

أي أن: 1 eV = (1.6022x10-19C)x(1 V) = 1.6022x10-19 J

و 1 Mev = 1.6022x10-13 J

ج- الطاقة المكافئة لـ (1 u.m.a.) :










² مثال:



النواة


O


Al


Cl


Xe

طاقة الربط MeV


128


224


298


1096



د – أمثلة لأنواع التفاعلات النووية:

تتم التفاعلات النووية الاصطناعية نتيجة قذف النوى بواسطة دقائق مثل:
البروتونات والنوترونات والالكترونات والدوتيريومات أو بواسطة فوتونات أو
بواسطة الإشعاع a. نميز ثلاثة أنواع من التفاعلات النووية وهي:

أولا- الاستحالات النووية

ثانيا- تفاعلات الانشطار (Fission)

ثالثا- تفاعلات الانصهار (Fusion)



أولا - الاستحالات النووية:

ينتج عن هذه التفاعلات نوكليدات يساوي عددها الكتلي أو يكون قريبا جدا من
العدد الكتلي للنوكليد الذي استخدم كهدف. يمكن أن تكون النوكليدات
المتشكلة مشعة أو غير مشعة (مستقرة).



² أمثلة:




















ثانيا- تفاعلات الانشطار: (تفاعل النوترون والنواة)

تكون النوى القابلة للانشطار النووي ذات عدد كتلي (A) أكبر من 200، أما
النوى الناتجة عن الانشطار فيتراوح عددها الكتلي (A) بين 72 و162.

يتم في هذه التفاعلات قذف النوى الثقيلة بالنوترونات، حيث ينتج في البداية
نواة مركبة (تتكون النواة المركبة عندما تكون طاقة النوترون مساوية للطاقة
الحرارية للوسط)، ثم تنشطر النواة المركبة بإطلاق النوترون مع إصدار
إشعاعات .



* مثال:



أجري هذا التفاعل لأول مرة سنة 1939م، مع حدوث نقص كتلي مقداره:

0.2 u.m.a. .

يواصل النوترونان المتكونان التفاعل مما ينتج عنه "تفاعل تسلسلي" الذي يمكن أن يتم بطريقتين:



² تفاعل سريع (القنبلة النووية( يصحب بانفجار عندما تكون التفاعلات
التسلسلية سريعة أو عندم يكون عدد الانشطارات في واحدة الزمن كبيرا.

فمثلا يتم في تفاعل القنبلة النووية تفكك النوكليدات الثقيلة إلى نوكليدات
أخف، ومن أحسن الأمثلة على ذلك قذف اليورانيوم بالنوترون ، ويوضح الشكل
التالي تفاعل إنشطار اليورانيوم:






















الشكل II.3. يوضح آلية تفاعل الانشطار

² تفاعل بطيء أو مراقب (إنتاج الطاقة النووية) حيث تتم مراقبة حدوث
التفاعلات التسلسلية بإضافة مواد مثل الجرافيت للتقليل من سرعة النوترونات
أو البور لامتصاص النوترونات.

يتبع الانشطار إما بإطلاق النوترون وإصدار إشعاع g أو بأسر النوترون مع إصدار إشعاع g .






(نظير مشع)



يحرر كل انشطار طاقة هائلة (أكبر من الطاقة التي يحررها تفاعل استحالة نووية عادية بـ 12 مرة).



ثالثا- تفاعلات الانصهار (الالتحام):

تتجمع النوى الخفيفة في الانصهارالنووي تحت تأثير القوى الداخلية لإعطاء نوى أثقل.




















إن الفرق في الكتلة بين المتفاعلات والنواتج ينتج طاقة هائلة (ولا تتم تفاعلات الانصهار إلا في درجات حرارة مرتفعة جدا).



يحرر تفاعل الانصهار النووي كمية كبيرة جدا من الطاقة، تفوق طاقة الانشطار
بالنسبة للنوكليون الواحد، لذلك تدرس على أمل استخدامها لإنتاج الطاقة
النووية.



II.5. الكشف عن الإشعاعات وتطبيقاتها



آ- الكشف عن النظائر المشعة:

يتم الكشف عن النظائر المشعة بالطرائق التالية:



² غرفة التشرد (غرفة ويلسون).



² أنابيب عدادات "جيجر ومولر" (Geiger – Müler).



² عدادات التألق ( ZnS ، NaI تنغستات الكالسيوم).



² أفلام الأشعة.



* ملاحظة هامة جدا: يجب أخذ الاحتياطيات اللازمة لتجنب الإشعاعات، لأن
الجرعات الصغيرة إذا تعرض لها الجسم لمدة طويلة يمكن أن تسبب له أضرارا.







ب- تطبيقات واستخدامات النظائر المشعة:



² معالجة الخلايا السرطانية : حيث يكون تأثير النشاط الإشعاعي على الخلايا
السرطانية كبيرا بالمقارنة مع الخلايا السليمة. (تستعمل إشعاعات نظير
الكوبالت ، t = 5 ans ، إشعاع ).



² تعقيم أدوات الجراحة وحفظ الأغذية.



² الكشف عن تسرب المياه والنفط من الأنابيب تحت الأرض.



² تعيين عمر بقايا الحيوانات والنباتات باستخدام نظير الكربون C 14
والصخور (إشعاع U و Pb). حيث تستهلك الحيوانات والنباتات نظير الكربون C
14 نتيجة التركيب الضوئي، ويتوقف هذا الاستهلاك بعد موت الكائن الحي، يمكن
تعيين العمر من نشاط الكمية المتبقية من نظير الكربون C 14.



² تتبع طريق بعض النظائر المشعة في الجسم وتشخيص حالة بعض الأعضاء أوالغدد.



² تتبع طريق بعض النظائر المشعة في النباتات لتحسين قيمتها الغذائية.



² استعمال النظائر المشعة في التحليل الكيميائي لدراسة البنية البلورية أو
تعيين كمية بعض المواد التي يصعب استخلاصها بطريقة التمديد النظائري.



² استعمال النظائر في دراسة آلية التفاعل.



² الكشف عن عيوب المواد بقياس السمك بإشعاعات g بتصوير الإشعاعات التي تمر عبر المادة وقياس انخفاض شدتها.



ج- أمثلة تطبيقية:



* مثال (1): تعيين عمر عينة من الخشب

بلغ نشاط نظير الكربون C 14 في عينة من خشب في قبر فرعوني القيمة 7.3
dpm.g-1 .أحسب عمر هذه العينة إذا علمت أن نشاط عينة من خشب حديث يساوي:
12.60 dpm.g-1 ، وأن دور النشاط الإشعاعي لنظير الكربون C 14 يساوي: t =
5590 ans .

الحل

حساب عمر العينة القديمة:

إذا كان A0 نشاط العينة الحديثة فإن: A0 = l.n0

وإذا كان A نشاط العينة القديمة فإن: A =l.n

تكون العلاقة بين n وn0 من الشكل: n = n0e-lt

ومنه:



أي أن:

ومنه: ، حيث t هو الزمن الذي يدل على عمر العينة

فيكون الزمن الذي يدل على نصف عمر العينة مساويا:

وبالتالي فإن:

إذن عمر العينة القديمة يساوي: 4402 سنة.



* مثال (2): تعيين حجم الدم في حيوان

لتعيين حجم الدم في حيوان نحقنه بـ 1 سم3 من محلول يحوي نظير الصوديوم 24Na المشع، الذي يبلغ دوره الإشعاعي 15 ساعة، وتبلغ فعاليته

2x103 dpm.

بعد استراحة الحيوان لمدة 5 ساعات، نزعنا 1 سم3 من دمه فبلغت فعاليته 1dpm.

أحسب حجم دم الحيوان ، بإهمال حجم الحقنة بالمقارنة مع حجم دمه الكلي، واعتبار بقاء الكمية المحقونة خلال فترة التجربة.

نرمز بـ Ai للفعالية بالنسبة لواحدة الكتلة أو الحجم بالنسبة للمادة المضافة.

الحل

حساب حجم دم الحيوان:

لدينا هي الفعالية الإبتدائية لـ 1 سم3 من محلول النظير المشع، و N0 عدد النوى المشعة.

و هي الفعالية بعد 5 ساعات

لـ 1 سم3 من محلول النظير المشع، و N عدد النوى المشعة. وهي نفسها الفعالية بعد 5 ساعات لـ V سم3 من محلول الدم.

إذن هي الفعالية بعد 5 ساعات لـ 1 سم3 من محلول الدم،

و هو عدد النوى المشعة.

إذن حجم دم الحيوان:

*طريقة أخرى للحل:

لدينا معامل التخفيف: df = Aorigine / Adilution

ومنه يمكن حساب الكتلة الكلية أو الحجم الكلي كما يلي:

نحسب نشاط 1 سم3 من المحلول الأصلي بعد 5 ساعات من العلاقة التالية:

t N , A0 / A5h = N0 / N5h = N0 / N0e - A =

أي أن: t A5h =Aorigine = A0e -

أو: df = Aorigine / Adilution = 2x103e(-0.69/15)x5 / 1 = 1589

إذن حجم الدم هو 1589 سم3 أو 1.589 ل.

السلسلة رقم 2: تمارين مقترحة للحل



التمرين II.1:

يعطي الجدول التالي بعض خواص التفاعلات النووية:
التفاعل


الدارئة) النوكليد)

القذيفة


النوكليد الناتج


الدقيقة الناتجة

أ









ب









ج











د









هـ










أكمل الجدول وأكتب معادلات التفاعلات النووية بطريقة عادية ومختصرة .



التمرين II.2:

أتمم معادلات التفاعلات النووية التالية:

،








،

التمرين II.3:

لدينا 24 غ من النظير المشع لـ -b إذا علمت أن دور التفكك يساوي 14.8 ساعة.

أحسب كتلة ناتج التفكك بعد 29.6 ساعة.



التمرين II.4:

عند قذف النظير بالنوترونات ينشطر إلى النوكليدين و

أ. أحسب بـ MeV الطاقة المحررة عند انشطار ذرة أورانيوم .

ب. أحسب بالجول الطاقة المحررة عند انشطار غرام أورانيوم .

المعطيات: الكتل بالـu.m.a هي:



، ، ،





التمرين II.5:

أ. أحسب الطاقة المتحررة في تفاعل الالتحام التالي:

المعطيات: الكتل بـu.m.a هي:

، ، ‘



ب. أحسب الطاقة بالنسبة لغرام واحد من النوكليدات المتفاعلة وقارنها مع نتيجة تفاعل الانشطار. ( التمرين II.4 ).