الكيمياء النووية

الكيمياء النووية Nuclear chemistry: 
هو أحد فروع الكيمياء الذي تتعامل مع الفعالية الإشعاعية radioactivity، والعمليات النووية والخواص النووية، أي أنه يمكن من خلالها تحويل الرصاص إلى ذهب ، أو تحويل ذرة إلى ذرة عنصر أخرى كما انها من الأشياء الخطيرة جدا علي الصحة الآدمية لما لها من أضرار على الإنسان والكائنات الحيه الأخرى من الأمراض السرطانية وتشويه الاجنة في الأرحام ولقد حذرت منظمة الصحة العالمية من هذه الأضرار في مؤتمرات عدة.

ويمكن تقسيمها إلى التصنيفات التالية: 
1) كيمياء إشعاعية (Radiochemistry).
2) كيمياء النظائر (Isotopic chemistry).
3) رنين نووي مغناطيسي (Nuclear magnetic resonance).

ومن الدول المتقدمة في هذا المجال هم : الولايات المتحدة المملكة المتحدة روسيا.

وفي ما يلي تفصيل لك قسم من اقسام الكيمياء النووية:

الكيمياء الإشعاعية (بالإنجليزية: Radiochemistry) مجال كيميائي يعنى بدراسة العناصر المشعة. كما يعالج إنتاج وتعريف واستخدام مثل تلك العناصر ونظائرها. وقد أفادت الكيمياء الإشعاعية، علم الأثار وعلم الكيمياء الحيوية والمجالات العلمية الأخرى. وتستخدم التقنيات الإشعاعية الكيميائية في الغالب في مجال الطب للمساعدة في تشخيص المرض، وفي العديد من الدراسات البيئية.

تدرس الكيمياء الإشعاعية جميع أنواع الإشعاعات, سواءً كانت طبيعية أو كانت مصنوعة من قبل الإنسان.

أنماط الإضمحلال الرئيسية:
أنماط الإضمحلال الرئيسيةإن جميع النظائر المشعة هي نظائر غير مستقرة لجميع العناصر-و ذلك يخضع للإضمحلال النووي مما يؤدي إلى انبعاث بعض الأنواع من الإشعاعات. قد تكون تلك الإشعاعات المنبعثة واحدة من ثلاث أنواع, إما أن تكون ألفا أو بيتا أو أشعة غاما.

1. α إشعاع (ألفا) - هي انبعاث لجسيمات ألفا (التي تحتوي على 2 من البروتونات و 2 من النيوترونات) من النواة الذرية. و عندما يحصل هذا, فأن الكتلة الذرية الخاصة بالذرة ستنقص 4 وحدات كما تنقص العدد الذري بمعدل وحدتين.

2. β إشعاع (بيتا) - و هي تحول النيوترون إلى إلكترون و بروتون. بعد حدوث هذه العملية, تنبعث الإلكترون من النواة إلى الغيمة الإكترونية electron cloud.

3. إشعاع غاما - هي انبعاث للطاقة الكهرومغناطيسية (إشعة أكس على سبيل المثال) من نواة الذرة. و يحدث هذا عادةً خلال الإضمحلال الإشعاعي radioactive decay لألفا وبيتا.

يمكن أن تُميّز هذه الثلاثة أنواع من الإشعاعات عن بعضها على حسب قوة اختراقها للأجسام.

فيمكن إيقاف جسيم ألفا بسهولة كبير و ذلك عندما تنطلق لعدة سنتيمترات في الهواء أو بإيقافها بواسطة قطعة ورقية، هذا الجسيم هو نظير نواة الهيليوم. أما الجسيم بيتا فيمكن أيقافه بواسطة ورقة من الألمنيوم تكون سمكها فقط عدة مليمترات، و هذا الجسيم هي عبارة عن ألكترون. غاما هي أكثر الإشعاعات قوةً في اختراق الأجسام و هي فوتون ذات طاقة عالية و بدون شحنة و بدون كتلة. تحتاج أشعة غاما إلى كمية محددة من المعدن الثقيل للوقاية من أشعاعها (و عادةً ما تكون معتدة على الرصاص أو على الباريوم) للتقليض من حدة ضررها.

الـتـحلـيل الـتـنـشـيـطـي:
عند إطلاق أشعة من النيوترونات خارج الأجسام فأن هذا قد يؤدي إلى نشاطاً إشعاعياً; هذا النوع من التنشيطات للنظائر المستقرة لصنع نظير مشع هو أساس تحليل التنشيط النيوتروني neutron activation analysis. واحدة من أكثر المواضيع إثارةً التي تمت دراستها بهذه الطريقة هي دراسة شعر رأس نابليون, التي تمت فحصها و دراستها بسبب محتواها الزرنيخي.[1]

توجد سلسلة من الطرق التجريبية المختلفة, صممت لتمكين قياس نطاق العناصر المختلفة في المصفوفات المختلفة. و لقيام بحث تأثير أحد المصفوفات فمن الشائع استعمال الإستخراج الكيميائي للعنصر المطلوب و/أو بسماح للنشاط الإشعاعي الناتج من العنصر المصفوفي بالإضمحلال قبل قياس نشاطها الإشعاعي. بما أن تأثير المصفوفة يمكن أن تُصحح بمراقبة طيف الإضمحلال, فأن هذا سيتطلب تحضير القليل من العينة و ذلك لبعض الأنواع من العينات, مما يجعل من تحليل التنشيط النيوتروني أقل عرضة للتلويث.

يمكن أن تُرى التأثيرات الناجمة عن سلسلة مختلفة من أوقات التبريد إذا تعرضت العينة الافتراضية التي تحتوي على الصوديوم, و اليورانيوم و الكوبالت في نسبة 100:10:1 لنبضة قصيرة جداً من النيوترونات الحرارية. و بذلك ستسيطر نشاط 24Na على النشاط الإشعاعي البدئي, لكن مع مرور الوقت ستسود عليها نشاط 239Np و نشاط 60Co .



نظائر العناصر الكيميائية:

 هي أشكال من العنصر الكيميائي لذرتها نفس العدد الذري Z، ولكنها تختلف في الكتلة الذرية وكلمة نظير، تعنى نفس المكان.

عند تطبيق عملية التسمية العلمية فإن النظير ( النويدة ( Nuclide )) محدد بإسم العنصر متبوعا بشرطة ثم عدد النوكلونات ( البروتونات والنيوترونات ) الموجودة في نواة الذرة ( مثال ، هيليوم-3 . كربون-12 ، كربون-14 ، حديد-57 ، يورانيوم-238 ) . وعند استخدام الإختصارات فإنه يتم وضع رقم النوكلونات أعلى رمز العنصر ( 3He, 12C, 14C, 57Fe, 238U )


اختلاف الخواص بين النظائر
في النواة المتعادلة ، عدد الإلكترونات يساوى عدد البروتونات . وعلى هذا فإن النظائر المختلفة يكون لها نفس عدد الإلكترونات ونفس الشكل الإلكتروني . ونظرا لأن تصرف الذرة كيميائيا يتم تحديده بالتركيب الإلكتروني ، فإن النظائر تقريبا تسلك نفس السلوك الكيميائي . الإستثناء الأساسي أنه نظرا لوجود اختلاف في كتلتها ، فإن النظائر الثقيلة تميل لأن تتفاعل بصورة أبطأ من النظائر الأخف لنفس العنصر .( تسمى هذه الظاهرة تأثير حركة النظائر ).

ويلاحظ تأثير الكتلة بشدة عند النظر للبروتيوم (1H) مقابل ديتيريوم (2H), نظرا لأن الديتريوم له ضعف كتلة البروتيوم . أما بالنسبة للعناصر الأثقل فإن تأثير الكتلة النسبي بين النظائر يقل ويكاد ينعدم كلما زاد ثقل العنصر .

وبالمثل ، فإنه لجزيئين يختلفان فقط في طبيعة النظير المكون لكل "متناظرين" منهما سيكون لهما تقريبا نفس نفس التركيب الإلكتروني ، وعلى هذا سيكون لهما خواص فيزيائية وكيميائية متشابهه . الأشكال الإهتزازية للجزيء يتم تحديدها بشكل الجزيء وكتلة الذرات المكونة له . وبالتالى فإن هذين المتناظرين سيكون لهما شكلان إهتزازيان مختلفان . حيث ان الشكل الإهتزازي يسمح للجزيء بإمتصاص الفوتونات الملائمة لطاقة هذا الإهتزاز ، ويتبع ذلك أن يكون للمتناظرين خواص ضوئية مختلفة في المنطقة تحت الحمراء .

وبالرغم من أن النظائر لها تقريبا نفس الخواص الإلكترونية والكيميائية ، فإن سلوكها الجزيئي مختلف تماما . تتكون النواة الذرية من بروتونات ونيترونات مرتبطة معا بقوى نووية قوية . ونظرا لأن البروتونات لها شحنة موجبة ، فإنها تدفع بعضها البعض . وتقوم النيوترونات بعمل بعض الفصل بين الشحنات الموجبة ، مما يقلل من التنافر الكهرستاتيكي ، وتساعد على ثبات النواة . وبزيادة عدد البروتونات ، تزداد الحاجة لنيوترونات أكثر لعمل ثبات للنواة . فمثلا ، على الرغم من أن نسبة نيوترون / بروتون في 3He هي 1 / 2 ، فإن نيوترون / بروتون في 238U أكبر وتصل إلى 3 / 2 . وفى حالة وجود نيوترونات أقل أو أكثر من المفترض ، فإن النواة تكون غير مستقرة ، وينتج الإضمحلال النووي .

التواجد في الطبيعة يمكن لعدة نظائر لنفس العنصر أن تتواجد في الطبيعة . ونسبة التواجد لنظير تتناسب بشدة مع ميله ناحية الإضمحلال النووي ، النيوكليدات التي تعيش لفترة قصيرة تضمحل سريعا ، بينما تعيش مكوناتها . وهذا لا يعنى أن هذه الأصناف تختفى تماما ، نظرا لأن كثير منها يتكون أثناء إضمحلال الأصناف ذات العمر الأطول . يتم حساب الكتل الذرية للعناصر بعمل متوسط للنظائر التي لها كتل مختلفة .

وبالتوافق مع علم الكون ، فإن كل النويدات ما عدا نظائر الهيدروجين والهيليوم نتجت من النجوم والسوبرنوفا . ويكون تواجدها الطبيعي ناتجا من الكميات الناتجة أثناء تلك العمليات الكونية ، وأيضا توزيعها في المجرة ، ومعدلات إضمحلالها . وبعد الإندماج المبدئي للنظام الشمسي ، توزعت النظائر طبقا لكتلها ( شاهد أصل النظام الشمسي . يختلف تركيب نظائر العناصر على كل كوكب ، مما يجعل من الممكن تحديد أصل النيازك .

تطبيقات النظائروكما قال العالم الفرونكو زينوميك و كادار الفونسو بيراز في مأدبة عشاء في ألمانيا فان هناك كثيرا من التطبيقات التي يتم استخدام الخواص المختلفة للنظائر فيها وكذلك هناك عدة إحتمالات فبالتالي هناك عدة نظائر لأي عنصر مهما كان وذلك الإختلاف يكون في عدد النيوترونات.




استخدام الخواص النووية:
* تعتمد كثير من تقنيات المطياف على الخواص النووية المتفردة للنظائر . فمثلا " مطياف الرنين النووي المغناطيسي " NMR " يتم استخدامه فقط للنظائر التي لها قيمة دوران غير صفرية . وأكثر النظائر استخداما مع مطياف رنين نووي مغناطيسي 1H ، 2D ، 13C ، 31P .

* مطياف موس باوير يعتمد أيضا على الإنتقالات النووية لنظائر معينة مثل 57Fe .

* كما أن النيوكليدات الإشعاعية لها استخدامات مهمة . نظرا لأن تطوير كل من القوة النووية والأسلحة النووية تتطلب كميات كبيرة من النظائر . كما أن فصل النظائر تمثل تحدي تقني معقد .

رنين نووي مغناطيسيرنين نووي مغناطيسي الرنين النووي المغناطيسي Nuclear magnetic resonance أو اختصارا (إن.إم.آر NMR ) هي إحدى الظواهر الفيزيائية التي تعتمد على الخواص المغناطيسية الميكانيكية الكمومية لنواة الذرة. الرنين النووي المغناطيسي أيضا يستخدم للدلالة على مجموعة منهجيات و تقنيات علمية تستخدم هذه الظاهرة لدراسة الجزيئات من بنية و تشكيل فراغي.

تعتد الظاهرة أساسا على ان جميع النوى الذرية التي تملك عددا فرديا من البروتونات أو النيوترونات يكون لها عزم مغناطيسي أصلي intrinsic و عزم زاوي angular momentum. أكثر النوى التي تستخدم في هذه التقنيات هي هيدروجين-1 أكثر نظائر الهدروجين توافرا في الطبيعة إضافة إلى الكربون-13 نظير الكربون الطبيعي. نظائر عناصر أخرى يمكن أن تستخدم لكن استخداماتها تبقى أقل.