الدرس 1 : بنية النواة، النظائر ومخطط سيغري (Segrè) لاستقرار الأنوية

## 1. مدخل ومفاهيم أساسية أهلاً بك أيها التلميذ النجيب في رحاب الفيزياء النووية، إحدى أهم وحدات برنامج السنة الثالثة ثانوي لشهادة البكالوريا ($3\text{AS}$). بصفتي مفتشاً تربوياً، أؤكد لك أن فهمك العميق لهذا الدرس المتمثل في **بنية النواة، النظائر ومخطط سيغري (Segrè)** يمثل المفتاح الأساسي للسيطرة على وحدة التحولات النووية كاملة، والتي عادة ما تحوز على حصة الأسد في مواضيع البكالوريا (من 6 إلى 8 نقاط). في هذا الدرس، سنغوص داخل دقيقة المادة (La matière)، تحديداً في النواة الذرية التي اكتشفها العالم رذرفورد. سنرى كيف تتكون النواة، ما هي القوى التي تمنعها من التفكك رغم التنافر الكهربائي الشديد، وكيف صنف العلماء الأنوية حسب استقرارها في مخطط شهير يُدعى بمخطط سيغري ($Diagramme\ de\ Segrè$). --- ## 2. الدراسة النظرية والقوانين الرياضية/العلمية  ### أ. مكونات النواة الذرية (Constitution du noyau) تُرمز لنواة أي عنصر كيميائي $X$ بالرمز الاصطلاحي التالي: $$_\mathrm{Z}^\mathrm{A} \mathrm{X}$$ حيث: * **$A$ : العدد الكتلي (Nombre de masse)** ويمثل مجموع عدد النكليونات (بروتونات + نيوترونات). * **$Z$ : العدد الذري أو الشحني (Nombre de charge)** ويمثل عدد البروتونات. * **$N$ : عدد النيوترونات**، ويحسب بالعلاقة البسيطة: $$N = A - Z$$ > **ملاحظة مفتش:** النكليونات ($Nucleons$) هو الاسم الشامل لكل من البروتونات والنيوترونات نظراً لتواجدهما معاً داخل النواة. ### ب. النظائر (Les isotopes) النظائر هي أنوية تنتمي إلى نفس العنصر الكيميائي (لها نفس العدد الذري $Z$ وتختلف في موقعها في الجدول الدوري)، وتتفق في عدد البروتونات وتختلف في عدد النيوترونات (أي تختلف في العدد الكتلي $A$). * *مثال كلاسيكي في البكالوريا:* نظائر عنصر الهيدروجين $_1^1 \mathrm{H}$ (بروتون), $_1^2 \mathrm{H}$ (دويتريوم), $_1^3 \mathrm{H}$ (تريتيوم). ### ج. القوى النووية القوية (Les forces nucléaires fortes) تعلم أن البروتونات تحمل شحنات كهربائية موجبة، وعليه ينشأ بينها حسب قانون كولوم تنافر كهربائي هائل ($F_e$). إذن، لماذا لا تتفكك النواة؟ * السبب وجود **تجاذب نووي قوي جداً** يُعرف بـ *القوة النووية القوية* ($F_n$). * هذه القوة قصيرة المدى ($10^{-15}\text{ m}$ أي $1\text{ fm}$)، وهي مستقلة عن الشحنة الكهربائية (تؤثر بين بروتون-بروتون، نيوترون-نيوترون، وبروتون-نيوترون). * النيوترونات تلعب دور "الأسمنت النووي"؛ فهي تزيد من قوى التجاذب دون أن تزيد من قوى التنافر الكهربائي. ### د. مخطط سيغري (Segrè) ووادي الاستقرار (Vallée de stabilité) مخطط سيغري هو تمثيل بياني يضع عدد النيوترونات $N$ على محور الفواصل وعدد البروتونات $Z$ على محور التراتيب: `(N, Z)`. * **وادي الاستقرار:** تمثل عليه الأنوية المستقرة ($Stable$). * **منطقة عدم الاستقرار:** الأنوية الواقعة خارج هذا الوادي تكون **مشعة** (غير مستقرة) وتسعى للوصول إلى الاستقرار عبر إصدار إشعاعات ($\alpha, \beta^-, \beta^+, \gamma$). * **مجالات الأنوية غير المستقرة في المخطط:** 1. **أنوية غنية بالنيوترونات** (فوق وادي الاستقرار): تفكك من نوع $\beta^-$. 2. **أنوية غنية بالبروتونات** (تحت وادي الاستقرار): تفكك من نوع $\beta^+$. 3. **أنوية ثقيلة جداً** ($A > 82$): تفكك من نوع $\alpha$. --- ## 3. أمثلة تطبيقية محلولة خطوة بخطوة ### التطبيق 01 : حساب المكونات وتحديد النظائر نعتبر الأنوية الآتية: $$_6^{12 C}, \quad _6^{14 C}, \quad _7^{14 N}$$ 1. أوجد عدد البروتونات وعدد النيوترونات لكل نواة. 2. استخرج النظائر من بين هذه الأنوية مع التعليل. **الحل النموذجي:** 1. حساب المكونات: * لنواة الكربون $_6^{12 C}$: $Z = 6$ (بروتونات)، $N = 12 - 6 = 6$ (نيوترونات). * لنواة الكربون $_6^{14 C}$: $Z = 6$ (بروتونات)، $N = 14 - 6 = 8$ (نيوترونات). * لنواة الآزوت $_7^{14 N}$: $Z = 7$ (بروتونات)، $N = 14 - 7 = 7$ (نيوترونات). 2. استخراج النظائر: * النظائر هي: $_6^{12 C}$ و $_6^{14 C}$. * **التعليـل:** لأن لهما نفس العدد الذري ($Z = 6$) ويختلفان في العدد الكتلي ($A$). > **نصيحة أستاذ:** في البكالوريا، تجنب الخلط بين العدد الكتلي $A$ والعدد الذري $Z$؛ تذكر دائماً أن $A$ هو الأكبر دائماً لأنه المجموع ($A = Z + N$). --- ## 4. تمرين تدريبي نموذجي لـ شهادة البكالوريا (BAC) مع سلم التنقيط (Exercice type officiel avec barème) إليك تمريناً مستوحى مباشرة من أسئلة البكالوريا الرسمية: **النص:** يحتوي عنصر اليورانيوم الطبيعي على عدة نظائر، أهمها نظير اليورانيوم 235 ونظير اليورانيوم 238. 1. أعط رمز نواة اليورانيوم 235 علماً أن عدد بروتوناتها هو 92. *(0,75 ن)* 2. احسب عدد النيوترونات $N$ في نواة اليورانيوم 238 ($_92^{238 U}$). *(0,75 ن)* 3. ماذا تمثل النظيرتان $_92^{235 U}$ و $_92^{238 U}$ ؟ وماذا تتفقان وماذا تختلفان فيه؟ *(1,0 ن)* 4. النواة $_92^{235 U}$ غير مستقرة وتقع خارج وادي الاستقرار في مخطط سيغري. ما هي الظاهرة التي تميز الأنوية غير المستقرة؟ *(0,5 ن)* --- **سلم التنقيط والحل النموذجي المفصل:** 1. **رمز النواة:** *(0,75 ن)* * الرمز هو: $_92^{235 U}$ (0,5 ن للرمز الصحيح، 0,25 ن لتوزيع الأعداد بدقة). 2. **حساب عدد النيوترونات لنواة اليورانيوم 238:** *(0,75 ن)* * القانون: $N = A - Z$ (0,25 ن) * التطبيق العددي: $N = 238 - 92 = 146$ نيوترون. (0,5 ن مع وحدة النيوترونات). 3. **التعريف والمقارنة:** *(1,0 ن)* * تمثلان **نظائر** لعنصر اليورانيوم. (0,25 ن) * **تتفقان في:** عدد البروتونات ($Z = 92$) أو موقعها في الجدول الدوري. (0,375 ن) * **تختلفان في:** عدد النيوترونات ($N$) وبالتالي في العدد الكتلي ($A$). (0,375 ن) 4. **الظاهرة المميزة:** *(0,5 ن)* * الظاهرة هي **النشاط الإشعاعي** (La radioactivité) حيث تتفكك النواة تلقائياً لإصدار إشعاعات والوصول إلى الاستقرار. --- ## 5. ملخص الختام ونصائح المفتش لتفادي الأخطاء الشائعة ### خلاصـة مركزة: * النواة تُرمى بـ $_\mathrm{Z}^\mathrm{A} \mathrm{X}$، حيث $Z$ بروتونات، $A$ نكليونات، و $N = A - Z$ نيوترونات. * النظائر تتشابه في $Z$ وتختلف في $A$ و $N$. * الاستقرار النووي مرتبط بالتوازن بين التنافر الكهربائي (للبروتونات) والتجاذب القوي (للقوى النووية)، ومخطط سيغري (`N, Z`) هو مرآة هذا الاستقرار. ### ⚠️ تنبيهات وأخطاء شائعة يجب تجنبها في البكالوريا: 1. **الخطأ في حساب $N$:** يقع بعض التلاميذ في فخ طرح$Z - A$، تذكر دائماً: الكتلة الأكبر ($A$) ناقص الشحنة ($Z$) تعطي النيوترونات ($N$). 2. **الخلط في مفهوم النظائر:** لا تقل أبداً أن النظائر تختلف في عدد البروتونات، فلو اختلف $Z$ لاختلفت طبيعة العنصر الكيميائي كلياً (مثلاً يصبح كربون وليس أزوت). 3. **كتابة الرموز:** احرص على كتابة الأعداد في مكانها بدقة ($A$ في الأعلى يساراً، $Z$ في الأسفل يساراً). التهاون في ورقة الإجابة يفقدك علامات مجانية. *بالتوفيق في مساركم نحو شهادة البكالوريا بتفوق وتميز، وابقوا دائماً مستعدين للقمة!*