تطبيق الفيزياء - كتاب الفيزياء - الصف 12 - الفصل 2 - المملكة العربية السعودية

ما الذي يحافظ على نيوكليونات النواة معًا؟

What holds the nucleus together?

تبقى القوة السالبة الشحنة المحيطة بنواة الذرة الموجبة الشحنة في مكانها بتأثير قوة التجاذب الكهرومغناطيسية. ولأن النواة تتكون من البروتونات الموجبة الشحنة والنيوترونات متعادلة الشحنة فربما تسبب قوة التنافر الكهرومغناطيسية بين البروتونات والنيوترونات المتباعدة بعضها عن بعض. ولأن هذا لا يحدث فيجب أن توجد قوة تجاذب متبادلة وقوية داخل النواة.

القوة النووية القوية

The Strong Nuclear Force

القوة التي تؤثر بين البروتونات والنيوترونات والموجودة في النواة والقريبة جداً بعضها إلى بعض تسمى القوة النووية القوية. وهذه القوة تزيد 100 مرة على القوة الكهرومغناطيسية. إن مدى هذه القوة قصير، ويساوي نصف قطر البروتون فقط؛ أي 1.4 × 10⁻¹⁵ m. كما أنها قوة تجاذب، وهي القوة نفسها التي تؤثر بين البروتونات والبروتونات، وكذلك بين البروتونات والنيوترونات، وأيضاً بين النيوترونات والنيوترونات.

القوى البروتون عبارة عن إلكترون موجب الشحنة. وقوة التجاذب الكهرومغناطيسية بين الإلكترون والبروتون أكبر من قوة التجاذب التناقلية بمقدار 4.2 × 10⁴² مرة.

تسمى كل من النيوترونات والبروتونات النيوكليونات. تحافظ القوة النووية الهائلة على بقاء النيوكليونات في النواة. ولإخراج النيوكليون خارج النواة يجب بذل شغل للتغلب على قوة التجاذب، وهذا الشغل يضاف إلى طاقة النواة الكلية أقل من مجموع طاقات البروتونات والنيوترونات المنفردة التي تحويها. ولأن طاقة النواة الكلية أقل، فإن طاقات الربط جميعها تكون سالبة.

طاقة الربط النووية

Binding Energy of the Nucleus

بين أينشتاين أن كلا من الكتلة والطاقة متكافئتان. لذلك يمكن التعبير عن طاقة الربط على شكل كمية مكافئة من الكتلة بالمعادلة التالية:

E = mc²

الطاقة المحتواة في المادة تساوي حاصل ضرب الكتلة في مربع سرعة الضوء في الفراغ.

ولأنه يجب أن تضاف طاقة لإفلات نيوكليون من النواة، فإن ذلك يعني أن كتلة النواة الكلية أقل من مجموع كتل النيوكليونات التي تحويها.

فمثلاً تحوي نواة الهيليوم ⁴He على بروتونين ونيوترونين. وكتلة نواة الهيليوم تساوي مجموع كتل بروتونين ونيوترونين. فسوف تتوقع أن كتلة النواة 4.031882 u. لكن القياس الدقيق يظهر أن كتلة نواة الهيليوم الفعلية 4.002603 u فقط، وهي أقل من كتل النيوكليونات المكونة لها بمقدار 0.029279 u. ويسمى الفرق بين مجموع كتل النيوكليونات المفردة المكونة للنواة وكتلة النواة الفعلية لها فرق الكتلة.

ويقيس جهاز مطياف الكتلة عادة كتل النيوترونات؛ وهي النيوترونات مع جميع إلكتروناتها. وعند حساب كتلة النيوترونات يجب أن تتأكد كتلة الإلكترونات بصورة دقيقة.

وزارة التعليم Ministry of Education 2025 - 1447

256

ما الذي يحافظ على نيوكليونات النواة معًا؟ What holds the nucleus together? تبقى القوة السالبة الشحنة المحيطة بنواة الذرة الموجبة الشحنة في مكانها بتأثير قوة التجاذب الكهرومغناطيسية. ولأن النواة تتكون من البروتونات الموجبة الشحنة والنيوترونات متعادلة الشحنة فربما تسبب قوة التنافر الكهرومغناطيسية بين البروتونات والنيوترونات المتباعدة بعضها عن بعض. ولأن هذا لا يحدث فيجب أن توجد قوة تجاذب متبادلة وقوية داخل النواة. القوة النووية القوية The Strong Nuclear Force القوة التي تؤثر بين البروتونات والنيوترونات والموجودة في النواة والقريبة جداً بعضها إلى بعض تسمى القوة النووية القوية. وهذه القوة تزيد 100 مرة على القوة الكهرومغناطيسية. إن مدى هذه القوة قصير، ويساوي نصف قطر البروتون فقط؛ أي 1.4 × 10⁻¹⁵ m. كما أنها قوة تجاذب، وهي القوة نفسها التي تؤثر بين البروتونات والبروتونات، وكذلك بين البروتونات والنيوترونات، وأيضاً بين النيوترونات والنيوترونات. --- SECTION: تطبيق الفيزياء --- القوى البروتون عبارة عن إلكترون موجب الشحنة. وقوة التجاذب الكهرومغناطيسية بين الإلكترون والبروتون أكبر من قوة التجاذب التناقلية بمقدار 4.2 × 10⁴² مرة. تسمى كل من النيوترونات والبروتونات النيوكليونات. تحافظ القوة النووية الهائلة على بقاء النيوكليونات في النواة. ولإخراج النيوكليون خارج النواة يجب بذل شغل للتغلب على قوة التجاذب، وهذا الشغل يضاف إلى طاقة النواة الكلية أقل من مجموع طاقات البروتونات والنيوترونات المنفردة التي تحويها. ولأن طاقة النواة الكلية أقل، فإن طاقات الربط جميعها تكون سالبة. طاقة الربط النووية Binding Energy of the Nucleus بين أينشتاين أن كلا من الكتلة والطاقة متكافئتان. لذلك يمكن التعبير عن طاقة الربط على شكل كمية مكافئة من الكتلة بالمعادلة التالية: --- SECTION: الطاقة المكافئة للكتلة --- E = mc² الطاقة المحتواة في المادة تساوي حاصل ضرب الكتلة في مربع سرعة الضوء في الفراغ. ولأنه يجب أن تضاف طاقة لإفلات نيوكليون من النواة، فإن ذلك يعني أن كتلة النواة الكلية أقل من مجموع كتل النيوكليونات التي تحويها. فمثلاً تحوي نواة الهيليوم ⁴He على بروتونين ونيوترونين. وكتلة نواة الهيليوم تساوي مجموع كتل بروتونين ونيوترونين. فسوف تتوقع أن كتلة النواة 4.031882 u. لكن القياس الدقيق يظهر أن كتلة نواة الهيليوم الفعلية 4.002603 u فقط، وهي أقل من كتل النيوكليونات المكونة لها بمقدار 0.029279 u. ويسمى الفرق بين مجموع كتل النيوكليونات المفردة المكونة للنواة وكتلة النواة الفعلية لها فرق الكتلة. ويقيس جهاز مطياف الكتلة عادة كتل النيوترونات؛ وهي النيوترونات مع جميع إلكتروناتها. وعند حساب كتلة النيوترونات يجب أن تتأكد كتلة الإلكترونات بصورة دقيقة. وزارة التعليم Ministry of Education 2025 - 1447 256