ما هي الفيزياء النووية؟ وما أهم استخداماتها؟؟

اهتم العلماء بالفيزياء الذرية والنووية وأصبحت من أهم الدراسات في مجال الفيزياء نظرًا لأهميتهما في مجالات الطب والعلوم المختلفة، تعرف أكثر عنها في هذا المقال.

للنشر

واتس اب شارك غرد شارك

جدول المحتويات

• ما هي الذرة؟
• ما هي الفيزياء النووية؟
• أساس الفيزياء النووية
• أول مسرعات الجسيمات الخطية
• الفوائد العملية للفيزياء النووية

ما هي الذرة؟

تعتبر الذرة هي:

• أصغر وحدة هيكلية تشكل المادة، من الممكن رؤية الخصائص الفيزيائية والكيميائية لجميع المواد في الكون على الذرة.
• تتكون الذرة غير المرئية للعين المجردة ولا يمكن رؤيتها إلا باستخدام مجهر القوة الذرية، أي مجهر المسح النفقي، وتتكون من البروتونات والنيوترونات والنوى والإلكترونات.
• تتكون النواة من بروتونات ونيوترونات موجبة الشحنة بدون شحنة، لذلك فإن النواة مشحونة إيجابيا، والإلكترونات سالبة الشحنة تحيط بالنواة.
• بشكل عام، عدد الإلكترونات وعدد البروتونات في الذرة متساويان، هذا يتسبب في عدم شحن الذرة.تتشكل الأيونات عندما لا تتساوى البروتونات والإلكترونات عدديًا مع بعضها البعض، من ناحية أخرى، يُعرف الأيون بالجسم المتحرك الذي يتفاعل مع الإلكترونات والذرات الأخرى.
• كلما زاد عدد البروتونات والنيوترونات في الذرة، زاد اندماجها في الفصل، بينما يتم تعريف العنصر بعدد البروتونات، يتم التعبير عن النظائر في العنصر بعدد النيوترونات.

ما هي الفيزياء النووية؟

يتعامل هذا الفرع من الفيزياء مع :

• بنية النواة الذرية والإشعاع الصادر من نوى غير مستقرة، والتي هي أصغر بحوالي 10000 مرة من الذرة.
• تنجذب الجسيمات التي تتكون منها النواة والبروتونات والنيوترونات إلى بعضها البعض بشدة بواسطة النواة.
• القوى التي تكون فيها الطاقات النووية حوالي 1،000،000 مرة من الطاقات الذرية النموذجية، لذلك فإن "نظرية الكم" ضرورية لفهم البنية النووية.
• للفيزياء النووية أهمية كبيرة في فهم العالم، وهي جزأ لا يتجزأ من عملية الفهم، وتتكون كل المواد من تسلسل الهرمي للبناء.
• بالإضافة إلى الكائنات الحية، فإن محيطنا الجامد يتكون أيضًا من جزيئات، يتم احتواء كتلة الذرات بالكامل تقريبًا في النواة، تتكون النوى من البروتونات والنيوترونات، والتي تتحول في النهاية إلى كواركات وغلوونات.
• تتعامل مع خصائص المادة "النووية"، تشكل هذه المادة مراكز ذرية كبيرة تمثل 99.9٪ من العالم الذي نراه، وتقع المادة النووية بين اللبنات الأساسية للبروتون والنيوترونات لهذه النوى وتحدث بشكل جماعي في النجوم النيوترونية والمادة التي نشأت في الانفجار العظيم.
• يدرس الفيزيائيون النوويون بنية وخصائص هذه المادة بعدة طرق، من مزيج الكواركات والغلوونات الموجودة عند ولادة الكون إلى التفاعلات النووية في الشمس.

أساس الفيزياء النووية

تعود الجهود المبذولة لشرح الخصائص الأساسية للجسيمات الأساسية دون الذرية (البروتون والإلكترون والنيوترون والنيوترينو والميزون وما إلى ذلك) بالإضافة إلى التفاعلات بينها إلى الأتي:

• ترجع إلى خمسينيات القرن التاسع عشر من الناحية العلمية، حيث أدى تقدم هذا المجال وتشكيله مع التراكم العلمي لما يقرب من 150 عامًا والتطورات في الفيزياء إلى إمكانية التطور نحو مجالات مثل "فيزياء الجسيمات" و"فيزياء الطاقة العالية".

التطور التاريخي لدراسة هذا المجال هو كالتالي:

1. أنشأ ديمتري مندليف، الذي عمل لأول مرة في الفيزياء والكيمياء، "النظام الدوري للعناصر" في عام 1868م على أساس دراساته حول العناصر ودمجها في ترتيب معين.
2. في عام 1895م، قام فيلهلم رونتجن "باكتشاف الأشعة السينية" بدراساته على أنبوب الكاثود، لاحظ الأشعة السينية عالية الطاقة عندما انفصلت الإلكترونات عن الكاثود في أنبوب الكاثود بواسطة التأثير الكهربائي الذي أصاب الأنود.
3. بعد ذلك، في عام 1896م، اكتشف هنري بيكريل النشاط الإشعاعي وعمل على الجسيمات المشحونة في المجالات الكهربائية والمغناطيسية.
4. في أوائل القرن العشرين، حدثت تطورات كبيرة في الفيزياء، بفضل الدراسات التي أجريت على موضوعات مثل ظاهرة الطيف، والتي لا يمكن تفسيرها بالفيزياء الكلاسيكية، تخلصت الفيزياء من مأزقها وظهرت "فيزياء الكم".
5. اكتشف ماكس بلانك في عام 1900مأن الفوتونات التي يتكون منها الضوء تنبعث كحزم طاقة، وبالتالي خلق أول نظرية كمومية.
6. تبع ذلك "التأثير الكهروضوئي" لأينشتاين. نشر أينشتاين، الذي فكر كثيرًا في الضوء وطبيعته، "نظرية النسبية الخاصة" في عام 1905م.
7. أدت هذه النظريات حول طبيعة المادة الصغيرة نسبيًا وعالية السرعة (الجسيمات دون الذرية) إلى دراسات جديدة حول الموجات الكهرومغناطيسية والجسيمات المشحونة.
8. من ناحية أخرى، فإن السؤال عن ماهية "الأشياء" التي تتكون منها المادة ونوع الهيكل الذي سنواجهه عندما ننزل إلى أحجام صغيرة جدًا بدأ يتم فحصه باستخدام النماذج الذرية.
9. في عام 1911م، سعى إرنست رذرفورد إلى الحصول على إجابات لهذه الأسئلة باستخدام نموذج "الذرة النووية".
10. في تجاربه المشتتة لجزيئات ألفا موجبة الشحنة، أثبت أنه مع تشتت بعض الجسيمات من الصفيحة الذهبية إلى الخلف/ إلى اتجاهات أخرى، تتركز الشحنات الموجبة في الذرة في مكان معين، وهذا المكان هو النواة.
11. تم تصميم وتطوير "تجربة غرفة الدخان"، التي تسمح بالمراقبة غير المباشرة للجسيمات المشحونة، بواسطة تشارلز ويلسون في عام 1912م.
12. تترك الجسيمات المشحونة في المجال الكهربائي "أثرًا" خلفها أثناء مرورها عبر بيئة الهواء الرطبة، بفضل هذه الآثار، كان من الممكن تطوير أفكار حول سلوكهم.

أول مسرعات الجسيمات الخطية

• بدأ تصنيع أول "مسرعات جسيمات خطية" في عام 1931م، مع عمل سلون ولورانس، تبع ذلك بعد عام تجارب ودراسات لورانس وليفينجستون حول السيكلوترون في عام 1932م.
• في نفس العام، اكتشف أوري "الديوتيريوم"، نظير الهيدروجين المعروف باسم "الماء الثقيل".
• في هذه السنوات، كانت الاكتشافات تأتي على التوالي، واكتشاف أندرسون للبوزيترون، وهو الجسيم المضاد للإلكترون، واكتشاف جيه تشادويك للنيوترون، وهو الجسيم غير المشحون في النواة، كان أيضًا في هذا العام.
• تم اكتشاف "النشاط الإشعاعي الاصطناعي"، وهو ظاهرة أخرى فيه، بواسطة كوري وجوليوت في عام 1934م.
• بعد ذلك، تم تقديم "نظرية الاضمحلال بيتا" وشرحها إي. فيرمي و"نظرية ميزون" بواسطة يوكاوا، اكتشف نيدرماير وأندرسون اكتشاف الميو-ميزونات في الأشعة الكونية في عام 1937م.
• تم اكتشاف "الانشطار النووي"، المعروف أيضًا باسم تفكك النواة، بواسطة هان وستراسمان في عام 1938، تم إجراء تجارب مفاعل هذا التفكك في عام 1942 بواسطة E. Fermi.
• بعد منتصف القرن العشرين، بدأت دراسات "نموذج القشرة النووية" و"النموذج النووي الجماعي" وتبع ذلك الاكتشاف التجريبي لـ "النيوترينو".

الفوائد العملية للفيزياء النووية

تتعدد الفوائد التي يمكن الاستفادة منها الدراسات العلمية للفيزياء النووية، ومنها الأتي:

• يتم إنشاء الصور على التلفزيون عن طريق تسريع الإلكترونات وضرب الشاشة بترددات مختلفة بواسطة أنابيب أشعة الكاثود، والتي تم استخدامها أيضًا في البحث عن الجسيمات دون الذرية.
• تترك هذه الشاشات مكانها لشاشات LCD وLED مع التطورات العلمية والتكنولوجية.
• من التطبيقات الأقل شهرة للفيزياء النووية علوم الأرض، تم العثور على التغيرات التاريخية في درجة حرارة الأرض من خلال النظر في النسب المئوية لنظائر الأكسجين في الأنهار الجليدية في جرينلاند وأنتاركتيكا.
• تُستخدم دراسات النظائر أيضًا في تتبع تيارات المحيطات، وتقدير عمر الحفريات، وفهم التطور الجيولوجي للأرض.
• أحد الاستخدامات الأكثر شيوعًا للفيزياء النووية هو مجال الصحة، آلات العلاج الإشعاعي المستخدمة في علاج السرطان في المستشفيات وأنظمة التصوير داخل الجسم مثل الأشعة السينية والتي تعتبر ضرورية لتشخيص الأمراض.