شرح الباب الثالث فى الكيمياء كاملا/ اولى ثانوى

الباب الثالث
الطاقة النووية
الطاقة النووية تختلف تماما ً عن الطاقة الكيميائية في الذرة
@ حيث الطاقة النووية توجد في مستويات الطاقة الخارجية للذرة
@ حيث الطاقة النووية توجد مخزنة داخل النواة
لذلك ندرس فكرة عن تركيب النواة :ـ
تتكون النواة من بروتونات موجبة + ونيترونات متعادلة لذلك تكون النواة شحنتها ( سالبة – موجبة – متعادلة ) ( علل ؟ )
@@@ لوجود البروتونات الموجبة داخلها
# عدد البروتونات الموجبة داخل النواة يسمى العدد الذري
# مجموع البروتونات الموجبة والنيترونات المتعادلة يسمى العدد الكتلي
... عدد النيترونات = العدد الكتلي – العدد الذري
عدد كتلي
Na عدد النيترونات = 23 – 11 = 12 نيترون
عدد ذري
النظائر : هي صور مختلفة للعنصر الواحد تتفق في العدد الذري وتختلف في العدد الكتلي ( علل اختلاف نظائر العنصر الواحد في العدد الكتلي ؟ )
جـ / نظرا ً لاختلاف عدد النيترونات من نظير إلى نظير آخر
أمثلة /
1- نظائر الهيدروجين

H H H

بروتيوم ديوتيريوم تيرتيوم
عدد البروتونات 1 1 1

عدد النيترونات صفر 1 2

2- نظائر الأكسجين

O O O
عدد البروتونات 8 8 8

عدد النيترونات 8 9 10

@ ما هي أنواع النظائر ؟


ثابتة ( مستقرة – غير مشعة ) غير ثابتة ( غير مستقرة – مشعة )

@# دراسة النظائر المستقرة ( ثابتة – غير مشع )
n نيترونات p بروتونات p : n
1 : 1
مثال O p : n
8 : 8 مستقر
1 : 1
وإذا زادت النسبة عن 1 : 1 حتى 1 : 1.5 يكون النظير مستقر أيضا ً
مثل p : n
8 : 10
1 : 1.25
أما إذا زادت النيترونات زيادة كبيرة جدا عن البروتونات يكون النظير مشع أو غير مستقر
P : n
92 : 146 U _ Th
1 : 1.58 ( ... النظير مشع )
@ ما هي مميزات (خواص ) نواة الذرة ؟
1- النواة مخزن للكتلة 2- النواة مخزن للطاقة
س ماذا نعني بقولنا أن : النواة مخزن الكتلة ؟
أي أن معظم كتلة الذرة تتركز داخل النواة بوجود البروتونات الموجبة والنيترونات المتعادلة داخلها مع إهمال كتلة الإلكترونات لأنها ضئيلة جدا ً
كيف محقق ذلك بمثال عملي ؟
2 بروتون 2 نيترون 2 إلكترون He
@ كتلة مكونات النواة =
عدد البروتون × كتلة البروتون + عدد النيترونات × كتلة النيترون
= 2 × 1.0073 + 2 × 1.0087 = 4.032 و . ك . ذ
@ كتلة الإلكترونات = 2 × 0.00054 = 0.00108 و . ك . ذ
... كتلة الإلكترونات ضئيلة جدا ً يمكن إهمالها بالتالي كتلة الذرة تتركز في النواة
2- النواة مخزن للطاقة : يوجد 3 أنواع من القوى أو الطاقات داخل النواة فما هي


قوة تنافر قوة تجاذب قوة تجاذب
1- قوة التنافر : تنشأ بين البروتونات الموجبة وبعضها
+ p + p
2- قوة التجاذب : تنشأ بين البروتونات الموجبة والنيترونات المعادلة
3- قوة التجاذب : وتنشأ بين النيترونات المتعادلة وبعضها
لذلك : تتغلب قوى التجاذب على قوى التنافر مما يؤدي إلى تماسك وربط مكونات النواة مع بعضها البعض ويعرف ذلك بطاقة الترابط النووي
فما المقصود بطاقة الترابط النووي : هي الطاقة اللازمة لربط وتماسك مكونات النواة مع بعضها البعض
س مهم : كيف يحدث التجاذب الكهربي بين البروتونات الموجبة والنيترونات المتعادلة ؟
عن طري عملية تسمى تبادل الميزونات
س : فما المقصود بالميزون : هو جسيم صغير يتكون داخل النواة مشحون بشحنة سالبة أو موجبة
@ كيف تتم عملية تبادل الميزونات ؟؟
@ البروتون يقضي جزء من حياته في صورة بروتون ثم يتحول إلى نيترون وميزون موجب
بروتون نيترون + ميزون موجب
@ النيترون يقضي جزء من حياته على صورة نيترون ثم يتحول إلى بروتون وميزون سالب
نيترون بروتون + ميزون سالب
الطاقة والحساب النووي مهم جدا ً
يوجد ثلاث أنواع من الدراسات لتحولات للطاقة

دراسة بلانك د / مصطفى مشرفة ( مصري ) اينشتاين
1- دراسة بلانك * نظرية بلانك
" المادة والطاقة صورتان لشئ واحد بحيث يمكن تحويل أي منها إلى الآخر "
* قانون بلانك
الطاقة الناتجة = الكتلة المتحولة × مقدار ثابت
2- دراسة الدكتور علي مصطفى مشرفة 1926م
" المادة والطاقة والإشعاع ثلاثة صور لشئ واحد "
3- دراسة اينشتاين * قانون اينشتاين أوجد فيه قيمة المقدار الثابت لبلانك ووجد أنه مربع سرعة الضوء
الطاقة الناتجة = الكتلة المتحولة × مربع سرعة الضوء
سرعة الضوء = 3 × 10 8 م / ث
مربع سرعة الضوء = 9 × 10 16 م / ث
* كتلة مقدارها 1 جم احسب الطاقة الناتجة منها بالجول ؟
الطاقة = الكتلة بالكيلوجرام ×مربع سرعة الضوء
= 0.001 × 9 × 10 16 = 9× 10 13 جول
ويستخدم هذا المقدار الثابت في حل جميع المسائل طالما الكتلة بالجرام
مثال :ت كتلة مقدارها 5 جم احسب الطاقة الناتجة منها بالجول مرة والسعر مرة أخرى ؟
الطاقة = 5 × 9 × 10 13 = 45 × 10 13 جول
السعر الواحد = 4.18 جول **

الطاقة بالسعر = × 10 13 سعر
@ أحيانا ً تكون الكتلة مقدرة بـ و . ك . ذ وليس الجرام
الكتلة إذا كانت بـ و . ك . ذ مطلوب تحويلها إلى طاقة مقدرة بالجول
أولا ً نحول و . ك . ذ إلى جرامات بالضرب × 1.66 × 10 -24ثم × 9 × 10 13 جول
مثال :ـ كتلة مقدارها 0.4 و . ك . ذ احسب الطاقة الناتجة منها م . أ . ف (مليون إلكترون فولت ) مرة ، الجول مرة أخرى
الطاقة = الكتلة و . ك . ذ × 931 م . أ . ف
... الطاقة الناتجة = 0.4 × 931 = 372.4 م . أ . ف
@ مصطلح علمي ما المقصود بالإلكترون فولت ؟
& هو الشغل المبذول واللازم لنقل الإلكترون " وحدة الشحنات " e- . .

بين نقطتين فرق الجهد بينهما 1 فولت
2 الطاقة الناتجة = و . ك . ذ × 1.66 × 10-24 × 9 × 10 13 جول
= 0.4 × 1.66 × 10-24 × 9 × 10 13
= 5.976 × 10 -11 جول
* حساب طاقة الترابط النووي
أي نواة يكون لها كتلتين
أ ) تسمى الكتلة الفعلية ( الحقيقية )
ب ) الكتلة المحسوبة ( كتلة المكونات ) دائما الكتلة الفعلية أقل من كتلة المكونات
( علل ) لأن جزء من الكتلة الفعلية يتحول إلى طاقة تعمل على ربط وتماسك مكونات النواة وتسمى طاقة الترابط النووي
1- حساب كتلة المكونات =
عدد البروتونات × كتلة البروتون + عدد النيترونات × كتلة النيترون
2- الكتلة الفعلية تكون معطى في السؤال
3- النقص في الكتلة = كتلة المكونات – الكتلة الفعلية
4- طاقة الترابط النووي = النقص في الكتلة × 931 م . أ . ف

طاقة الترابط النووي للجسيم الواحد =

مثال :ـ احسب طاقة الترابط النووي وكذلك طاقة الترابط النووي لكل جسيم في نواة ذرة الهيليوم He إذا علمت أن كتلتها الفعلية = 4.001 و . ك . ذ
وكتلة البروتون = 1.0073 ، كتلة النيترون = 1.0087
الحل :ـ كتلة المكونات = 2 × 1.0073 + 2 × 1.0087 = 4.032 و.ك.ذ
النقص في الكتلة = 4.032 – 4.001 = 0.031 و.ك.ذ
طاقة الترابط النووي = 0.031 × 931 = 28.86 م . أ . ف

طاقة الترابط النووي للجسيم الواحد = = 7.21 م . أ . ف

مسألة واجب احسب طاقة الترابط النووي Fe إذا علمت الكتلة الفعلية لها
55.88 و . ك . ذ وكتلة البروتون 1.0073 و. ك . ذ ، وكتلة 1.0087
طبيعي
@ أنواع النشاط الإشعاعي
صناعي

أولا ً النشاط الإشعاعي الطبيعي
فما المقصود بالنشاط الإشعاعي الطبيعي ؟
هو تفتت تلقائي لأنوية العناصر المشعة ليخرج من إشعاعات ذرية غير مرئية مثل ألفا وبيتا وجاما . كيف يتم ؟ على فترات أو مراحل كل فترة أو مرحلة تسمى ( فترة عمر النصف ) وهي " المدة الزمنية اللازمة لتنصف عدد أنوية العنصر المشع "
@ ملحوظة :ـ تختلف فترة عمر النصف من عنصر إلى عنصر آخر .
أهم قانون لحل مسائل عمر النصف

فترة عمر النصف =

@ مثال :ـ كتلة مشعة مقدارها 32 جرام تحولت بعد مرور
100 يوم عليها إلى كتلة غير مشعة مقدارها 1 جرام ، احسب
فترة عمر النصف لهذا العنصر ؟
1 2 3 4
20يوم 20 يوم " " " "
5


@ ... عدد الفترات = 5 فترات
... فترة عمر النصف = 100 ÷ 5 = 20 يوم

كتلة مشعة تحولت بعد مرور 16 يوم عليها إلى كتلة غير مشعة مقدارها 0.5 جرام . احسب قسمة الكتلة المشعة لهذا العنصر أن فترة عمر النصف 4يوم
الحل :ـ 8 جم 4 جم 2 جم 1 جم جم
عدد الفترات = = 4 فترات
الكتلة المشعة = 8 جم
مثال : كتلة مشعة مقدارها 24 جم مر عليها 60 يوم . احسب النسبة المئوية للمتبقي منها إذا علمت أن فترة عمر النصف لهذا العنصر المشع 20 يوم .
عدد الفترات = = 3 فترات
1 2 3
24 جم 12 جم 6 جم 3 جم
الكتلة المتبقية = 3 جم .
النسبة المئوية للمتبقي = × 100 = 12,5 %
الكتلة المتحللة = 24 – 3 = 21 جم
النسبة المئوية للمتحلل = × 100 = 87,5 %
ماذا يخرج من إشعاعات ذرية مع ظاهرة النشاط الإشعاعي :
1- الفا 2- بيتا 3 – جاما 4
1- دراسة الفا : الفا عبارة عن نواة ذرة الهيليوم He
2
لها كتلة = 2 بروتون + 2 نيوترون
ولها شحنة = + 2
ماذا يترتب على خروج جسيم الفا ؟
ينقص العدد الذري 2 والكتلي 4 ( علل )لأن دقيقة الفا عبارة عن نواة ذرة الهيليوم .
4 234 238
U Th + He
2 90 92

2-جسيمات بيتا B : بيتا عبارة عن إلكترون لها كتلة ولكن أقل من كتلة الفا ولها شحنة ( - 1 ) .
ماذا يترتب على خروج جسيم بيتا من نواة عنصر مشع ؟ كيف يخرج جسيم بيتا؟
بيتا ينتج من تحول نيوترون إلى بروتون وميزون سالب لذلك يزيد العدد الذري بمقدار واحد ولا يؤثر على العدد الكتلي .
1- أما جاما فهي موجات كهرومغناطيسية ليس لها شحنة وليس لها كتلة لذلك خروجها لا يؤثر على العدد الذري ولا العدد الكتلي .
ثانياً : النشاط الإشعاعي الصناعي :
• هو تفاعل نووي صناعي يمكن اجراؤه عملياً للحصول منه على طاقة تستخدم في أغراض السلم أو أغراض الحرب .
• كيف يتم ذلك ؟ عند قذف نواة العنصر بقذيفة نووية ليتحول إلى عنصر جديد مختلف عن العنصر الأصلي وتنطلق طاقة .
• والقذيفة النووية : جسيم صغير قد يكون متعادل كهربياً أو مشحون بشحنة موجبة ...... فما هي أنواع القذائف ؟
1
1- قذائف متعادلة h النيوترون . 1 2
2- قذائف مشحونة بشحنة موجبة H البروتون H الديوترون .
1 4 1
س) أيهما أفضل لماذا القذائف He دقيقة الفا المتعادلة أم المشحونة
2
بشحنة موجبة ؟ القذائف المتعادلة لأنها لا تتأثر بالشحنات الموجبة الموجودة داخل النواة .
أمثلة على القذائف النووية :
1- قذيفة النيوترون :
قذف نواة الألومونيوم بقذيفة النيوترون :
4 24 1 27
Al + h Na + He
2 11 0 13
يتحول فلز الألومونيوم إلى فلز آخر وهو نظير الصوديوم .
• قذف نواة اليود غير المشع بقذيفة النيوترون :
128 1 127
I + h I +
1 53 0 53
2- استخدام قذيفة البروتون H كقذيفة نووية مشحونة :
1 4 1 7
Li + H 2 He + E
2 1 3
عند قذف الليثيوم بقذيفة البروتون يتحول إلى دقيقتين من دقائق الفا .
3-استخدام الديوترون كقذيفة نووية : 4 10 2 12
C + H B + He
2 5 1 6
يتحول الكربون إلى عنصر البورون ودقيقة الفا .
4 – استخدام دقيقة الفا كقذيفة نووية : 1 17 4 14
N + He O + H
1 8 2 7
أنواع التفاعلات النووية الصناعية :
1- انشطارية 2- اندماجية
س) ما المقصود بالتفاعل النووي الانشطاري ؟ هو قذف نواة عنصر مشع بقذيفة نووية لتنشطر إلى نواتين أقل في الكتلة من كتلة النواة الأصلية وتنطلق منها طاقة نووية هائلة تسمى طاقة الانشطار النووي .


235
مثال : قذف نواة عنصر U بقذيفة النيوترون :
92 1 140 93 1 235
U + h kr + Ba + 3h + E
0 56 36 0 92

ثانوية أصلي
ينطلق منه ثلاثة نيوترونات ثانوية تستخدم كقذائف نووية جديدة ليظل التفاعل مستمر وبطريقة تلقائية لنحصل منه على طاقة هائلة ويسمى بالتفاعل المتسلسل ... ما هو ؟
هو تفاعل نووي انشطاري يتم بطريقة تلقائية ومستمرة للحصول منه على طاقة نووية هائلة بسبب وجود النيوترونات الثانوية.
وتستخدم التفاعلات النووية الانشطارية في :
أ ) مجال السلم : المفاعل النووي الانشطاري .
ب) مجال الحرب : القنبلة الذرية الانشطارية .
س) اشرح مع الرسم وكتابة البيانات تركيب المفاعل النووي :

قضبان التحكم

طبقة خرسانة
مسلحة
ساخن صلب
( لحماية مكونات
بارد المفاعل )
الوقود
النووي
قلب المفاعل

دورة التبريد
• قلب المفاعل : يصنع من الجرافيت ويستخدم قلب المفاعل يعمل كمادة مهدئة للنيوترونات وكذلك مادة عاكسة لها حتى لا يتم هروبها خارج قلب المفاعل .
س) ماذا يوضع داخل قلب المفاعل ؟ الوقود النووي وهو عنصر مشع قابل
235 239
للانشطار النووي مثل U , Pu بولوتينوم
92 94 239 1 238
U + h U + E
92 0 92
2- نظام التبريد : مجموعة من الغازات والماء والسوائل المبردة تدور حول قلب المفاعل بغرض امتصاص الحرارة الزائدة من قلب المفاعل .
3- طبقة الصلب .
4- طبقة الخرسانة المسلحة والتي عرضها لا يقل عن 2 م فما هي أهمية كل منها ؟ تمنع تسرب الإشعاعات الذرية خارج المفاعل خصوصاً أشعة جاما القاتلة .
* علل توضع أجهزة رقابة ( عداد جيجر ) خارج المفاعل لقياس نسبة الإشعاع الذري المتسرب بحيث إذا وصلت إلى الحد الغير مسموح به يوقف عمل المفاعل نهائياً .
5- قضبان التحكم : تصنع من الكادميوم cd أو البورون B ووظيفتها تعمل على التحكم في التفاعلات النووية داخل قلب المفاعل بحيث يمكن إبطاؤه أو إيقافه عن العمل نهائياً .
ما هي أضرار المفاعل النووي الانشطاري ؟
1- الطاقة الحرارية الزائدة الناتجة من نظام التبريد تلقى في مياه البحار والمحيطات مما يرفع من درجة حرارة الماء فينفصل الأكسجين الزائب مما يؤدي إلى موت وهلاك الكائنات البحرية .
2- الإشعاعات الذرية خصوصاً أشعة جاما القاتلة .
3- النفايات الذرية وتنقسم إلى نوعين :
أ ) نفايات خفيفة ( نسبة الإشعاع والتلوث فيها قليلة ) تنتج من أعمال الصيانة الدورية للمفاعل .
ب) نفايات ذرية ثقيلة وهي الرماد النووي المتبقي من الوقود النووي .
التخلص منها : توضع في براميل من الصلب وتقفل بطبقة من الخرسانة المسلحة وتلقى في المياه العميقة أو حفر عميقة في الصحراء .
ما هي فوائد المفاعل النووي الانشطاري ؟
1- الحصول منه على طاقة كهربية عالية جداً .
2- الحصول منه على النظائر المشعة التي تستخدم في أغراض مختلفة
128 1 127
I + h I +
53 0 53
* الطب : علاج بعض الأمراض خاصة الأورام .
* الزراعة : تحسين السلالات وزيادة الإنتاج .
* الصناعة : كشف عيوب الصناعات الدقيقة .
* البحث العلمي : أثبتت تجارب البحث العلمي أن الأكسجين الناتج من عملية البناء
18
الضوئي مصدره الماء وليس CO2 . وذلك باستخدام ماء يحتوي على O في عملية
18 8
البناء الضوئي مكان الأكسجين الناتج O .
8
3- تحويل عنصر مشع غير قابل للانشطار النووي إلى عنصر مشع قابل للانشطار النووي . 239 يمتص النيوترون 1 238
U + h U + E
92 دون أن ينشطر 0 92
0 239 B- 239
U NP + e
1- 93 بيتا 92
0 239 -B 239
NP Pu +e
1- 94 بيتا 93
عنصر بلونونيوم عنصر مشع وقابل للانشطار النووي ويمكن استخدامه في المفاعل الانشطاري كوقود نووي .
ثانياً : التفاعلات النووية الاندماجية :
ما هو التفاعل النووي الاندماجي ؟ دمج نواتين خفيفتين لتكوين نواة واحدة أقل في الكتلة من الاثنين معاً وتنطلق طاقة تسمى طاقة الاندماج النووي .
أشهر تفاعل نووي اندماجي : يحدث في باطن الشمس حيث تندمج أنوية ذرات الهيدروجين وتكون الهيليوم وتنطلق طاقة نووية اندماجية هي الطاقة الشمسية .
أمثلة على الاندماج النووي :
1 3 2 1
H + H He + h + E
0 2 1 1
1 4 3 2
H + H He + h + E 0 2 1 1
علل : تفضل نظائر الهيدروجين لعمل تفاعلات نووية اندماجية ؟
لقلة عدد النيوترونات والبروتونات داخل أنوية ذرات الهيدروجين مما يقلل من قوى التنافر بين الأنوية وبعضها .
• ما هي شروط الحصول على تفاعل نووي اندماجي ؟
1 – وجود نظائر الهيدروجين وأمكن الحصول عليها من التحليل الكهربي لمياه البحار .
2 - وجود طاقة حرارية عالية تستخدم لبدأ التفاعل النووي الاندماجي وأمكن الحصول عليها من تفاعلات نووية انشطارية .
* ما هي مميزات التفاعلات النووية الاندماجية ؟ 235
1 – توفر نظائر الهيدروجين بعكس U نسبته قليلة جداً .
92
2 – كبر حجم الطاقة النووية الاندماجية الناتجة مقارنة بالانشطارية .
3 – لا يصدر عنها إشعاعات ذرية أو تلوث إشعاعي .
4 – يمكن تحويلها مباشرة إلى طاقة كهربية .
* ما هي الصعوبات التي تواجه عمل مفاعل نووي اندماجي ؟
1 – يلزم طاقة حرارية عالية جداً لذلك نحتاج إلى تفاعل انشطاري .
2 – الطاقة الناتجة من المفاعل النووي الاندماجي لا يتحملها جدران المبنى حتى بعد وضع مرايا ومغنطيسات عاكسة .
التطبيقات الحربية للتفاعلات النووية :
1 – القنبلة النووية الانشطارية 2- القنبلة النووية الاندماجية
أولا : القنبلة النووية الانشطارية ..... ما هو الأساس العلمي لها ؟
عمل تفاعل نووي انشطاري يتم في وقت قصير جداً وتنطلق منه طاقة نووية انشطارية هائلة .
مما تتكون القنبلة الانشطارية ؟



جهاز توقيت
مادة مفجرة
235
U مصدر للنيوترونات
92
1- مصدر للنيوترونات : وهو خليط من عنصري الراديوم والبريليوم .
2- عنصر مشع قابل للانشطار النووي وتوضع على هيئة قطع صغيرة متباعدة عن بعضها البعض كتلتها أقل من الكتلة الحرجة وحجمها أقل من الحجم الحرج فلا يحدث الانشطار النووي . 235
3- مادة مفجرة : عندما يراد تفجير القنبلة تعمل على تجميع قطع U الصغيرة
92
حتى تصبح كتلتها أكبر من الكتلة الحرجة وحجمها أكبر من الحجم الحرج فيحدث التفاعل النووي الانشطاري .
أسباب القوة التدميرية للقنبلة :
1- قوة الانفجار : نتيجة خلخلة كتلة كبيرة من الهواء الجوي .
2- حرارة الإشعاع العالية جداً التي تصل إلى ملايين الدرجات المئوية .
3- أشعة جاما القاتلة .
4- أنواع أخرى من الموجات الإشعاعات التي تسبب نشوة في الأجنة وتغير في التراكيب الو راثية .
ثانياً : القنبلة الاندماجية :
الأساس العلمي لها عمل تفاعل نووي اندماجي يتم في وقت قصير وتنطلق منه طاقة هائلة .
تحتاج القنبلة النووية الاندماجية إلى طاقة حرارية عالية لبدأ التفاعل الاندماجي .... كيف تم الحصول عليها ؟ بوضع قنبلة انشطارية داخل القنبلة الاندماجية .
لذلك من أسباب تفوق الاندماجية على الانشطارية:
أنها قنبلتين معاً أحدهما انشطارية والأخرى اندماجية بالإضافة إلى أن حجم الطاقة الاندماجية الناتجة تفوق عدة مرات الطاقة الانشطارية .
كيف يقي الإنسان نفسه من خطر الإشعاع الذري ؟
1- عدم التعرض لمصادر الإشعاعات الذرية مثل المحمول – التليفزيون – الكمبيوتر – قاعات الأشعة في المستشفيات – معامل التصوير .
2- عمل مخابيء من الخرسانة المسلحة تحت الأرض على أعماق كبيرة .