ما هي البروتونات والنيوترونات

الرموز الرياضية للتحليل النووي هي:

1. Z: العدد الذري – يشير إلى عدد البروتونات في نواة الذرة.
2. A: عدد الكتلة – يشير إلى عدد البروتونات والنيوترونات في نواة الذرة.
3. X: رمز للعنصر – يشير إلى عنصر الذي يحتوي النواة عليه.
4. γ: اشعاع غاما – يشير إلى الإشعاع الكهرومغناطيسي عالي التردد الذي يتم إطلاقه بواسطة النواة.
5. α: جسيم ألفا – يشير إلى جسيم يتكون من نواة هيليوم المؤينة باثنين من البروتونات واثنين من النيوترونات.
6. β: جسيم بيتا – يشير إلى جسيم يتكون من إلكترون أو بوزيترون يتم إطلاقه من النواة.
7. n: النيوترون – يشير إلى الجسيم ذو الكتلة المساوية للبروتون ولكن ليس لديه شحنة إيجابية.

تنقسم الخرائط النووية إلى نوعين:

1- الخرائط النووية الجزئية (Nuclear Decay Scheme): وهي خريطة توضح عملية تحلل نووي لنواة محددة، حيث يتم توضيح الإشعاعات المنبعثة من النواة والطاقة المنبعثة ومنتجات التحلل المختلفة. تستخدم هذه الخرائط في المنشآت النووية ومراكز الأبحاث النووية.

2- الخرائط النووية الكاملة (Nuclear Chart): وهي خريطة توضح جميع النظائر النووية المعروفة والمستقرة وغير المستقرة، حيث تمثل النظائر الاستقرار النووي عندما تكون لها نسبة البروتونات والنيوترونات متساوية، بينما تمثل النظائر غير المستقرة نظائر لها عدد ذري أعلى أو أقل من النظائر الاستقرار النووي، وتنشأ بفعل الإشعاع النووي. تستخدم هذه الخرائط في مجالات الفيزياء النووية والكيمياء النووية والطب النووي.

النظائر المستقرة هي الذرات التي تحتوي على نفس العدد من البروتونات والنيوترونات وتكون ثابتة دون إطلاق أي أشعة مشعة. بينما النظائر المشعة هي الذرات التي تكون غير مستقرة وتحدث عليها عملية التحلل الإشعاعي التي تتسبب في إطلاق أشعة مشعة من النواة في محاولة لتحقيق الاستقرار النووي. وتعرف هذه العملية بالتحلل الإشعاعي. ويمكن أن تكون هذه الأشعة مشعة جداً وخطرة على الأرواح والبيئة البشرية في حال تعرضها لها بشكل مباشر ومن دون حماية كافية.

يتم تحديد النظائر المشعة بالنظر إلى نسبة عدد البروتونات والنيوترونات في نواة الذرة. يتم تعريف النظير المشع كنظير يحتوي على نفس عدد البروتونات، ولكن عدد النيوترونات في النواة تزيد عن النظير غير المشع بعض الشيء. وتسمى هذه المجموعة بالنظائر المتمتعين بإمكانية الانحلال المشع. ومن أمثلة هذه النظائر المشعة يمكن ذكر اليود-131 والتوريوم-232.

تتكون النظائر المشعة من نواة ذات عدد أكبر من البروتونات والنيوترونات بالمقارنة مع النظائر غير المشعة لنفس العنصر، وتكون هذه النوى غير مستقرة وتنبعث منها ذرات ألفا أو بيتا أو جسيمات أخرى وإشعاع كهرومغناطيسي. وتتميز النظائر المشعة بحيز ملائمٍ لبعض التطبيقات المختلفة، مثل النظائر المشعة المستعملة في التشخيص الطبي وعلاج الأمراض السرطانية وإيصال الطاقة إلى المركبات الكيميائية المختلفة، وكذلك في توليد الطاقة الكهربائية بمحطات الطاقة النووية.

يتحلل العناصر المشعة عن طريق إطلاق جسيمات مشعة (مثل الإلكترونات أو النيوترونات أو الإشعاع الإلكترومغناطيسي) من نواة الذرة. يتم ذلك عندما تكون النواة غير مستقرة بسبب وجود عدد زائد أو ناقص من البروتونات والنيوترونات فيها.

نصف عمر العنصر المشع هو الوقت اللازم لنصف كمية العنصر المشع الأولية للتحلل. ويختلف نصف عمر العنصر المشع حسب نوعه، فمثلاً يكون نصف عمر اليود-131 (وهو عنصر مشع يستخدم في الطب) حوالي 8 أيام، في حين يكون نصف عمر الراديوم-226 حوالي 1600 عام. ويتم استخدام نصف عمر العناصر المشعة في العديد من التطبيقات النووية، مثل تحديد عمر الصخور وتحديد التعرض للإشعاع.

الاضمحلال الإشعاعي يحدث عندما يتحول النواة الذرية إلى نواة مختلفة بإطلاق جزيئات أو طاقة إشعاعية. يمكن أن يحدث الاضمحلال الإشعاعي بثلاث طرق رئيسية:

1. الاضمحلال الإشعاعي الألفا: يحدث عندما يتسبب النواة في إطلاق جزيء ألفا المؤلف من أربعة إلكترونات واثنين من النيوترونات. وهذا يؤدي إلى تقليل عدد البروتونات والنيوترونات بمقدار 4 و 2 على التوالي.

2. الاضمحلال الإشعاعي البيتا: يحدث عندما يتحول نيوترون داخل النواة إلى بروتون وإلكترون بيتا، والذي يطلق نفسه خارج النواة. يتسبب هذا الاضمحلال في زيادة عدد البروتونات بمقدار واحد وتقليل عدد النيوترونات بمقدار واحد.

3. الاضمحلال الإشعاعي الجاما: يحدث عندما يطلق النواة الإشعاع الكهرومغناطيسي المسمى إشعاع جاما. هذا الإشعاع لا يحمل أي جسيمات، ولكنه يحتوي على طاقة شديدة التردد. يتسبب هذا الاضمحلال في تقليل الطاقة الكامنة داخل النواة.

تتأثر الخواص النووية للعناصر المختلفة بشكل مباشر على الكيمياء الفوق جزيئية، حيث تؤثر هذه الخواص على تراكيب جزيئات والروابط الكيميائية التي تشكلها.

على سبيل المثال، تؤثر الشحنة النووية الكلية للذرة وعدد البروتونات والنيوترونات فيها على تفاعلات الكيمياء الفوق جزيئية، وقد يتسبب اختلاف عدد البروتونات والنيوترونات في الذرة بتفاعلات كيميائية مختلفة تمامًا.

بالإضافة إلى ذلك، يتأثر النظام الإلكتروني للذرة بالخواص النووية، وهو ما يؤثر بدوره على الروابط الكيميائية التي تشكلها الذرات. ويؤدي قوة الروابط الكيميائية إلى وجود مضاعفات في التفاعلات الكيميائية وتشكيل جزيئات جديدة.

وبالتالي، يمكن القول بأن الخواص النووية تؤثر بشكل كبير على الكيمياء الفوق جزيئية وتحديد الخصائص الكيميائية للمركبات الكيميائية.

التحويلات النووية هي عمليات يتم خلالها تحويل النظائر النووية إلى نظائر أخرى عن طريق إضافة أو إزالة جزيئات دقيقة مثل البروتونات والنيوترونات. يمكن استخدام هذه العمليات لأغراض مختلفة، مثل:

1- الإنتاج النووي: يمكن استخدام التحويلات النووية لإنتاج الطاقة النووية وتشغيل محطات الطاقة النووية.

2- علم الأحياء: يمكن استخدام تحويلات النووية في علم الأحياء للبحث عن أسباب الأمراض الجينية والسرطان.

3- الأغذية: يمكن استخدام التحويلات النووية لتحسين الصفات الغذائية للمحاصيل والمواد الغذائية.

4- الطب: يمكن استخدام تحويلات النووية في الطب للتشخيص والعلاج، مثل تصوير الأعضاء الداخلية وعلاج بعض أنواع الأورام السرطانية.

5- الأمن الدولي: يمكن استخدام التحويلات النووية في الكشف عن المتفجرات والأسلحة النووية في المطارات والموانئ والحدود.

النظرية الكمية للترابط النووي (Quantum Theory of Nuclear Binding) هي نظرية في الكيمياء النووية تشرح كيف يتم ترابط النواة الذرية. وهي تستند إلى افتراض وجود قوى النووية القصيرة المدى بين البروتونات والنيوترونات داخل النواة. وتشير النظرية إلى أن تلك القوى تعتمد على نظريات الكم والطاقة التي تتحكم في حركة الجسيمات الصغيرة مثل الإلكترونات والبروتونات. وتقوم النظرية على فرضية وجود طاقات محددة للحالات النووية، وتصف طبيعة الجسيمات النووية والطاقات اللازمة لتشكيل النواة الذرية.