نواة (ذرة)

في الفيزياء والكيمياء ، النواة هي جزء من الذرة ، وهي الجزء المركزي ويتميز بكتلته الكبيرة نسبيا لباقي الذرة ، يوجد في النواة البروتونات والنيوترونات التي تتكون بدورها من الكواركات التي تعد أصغر جزء من المادة. وحسب فروض العالم (راذرفورد) تعتبر النواه هى كتله الذره وذلك لان كتله الالكترونات التى تدور حولها متناهيه في الصغر ولذك فهى تهمل وتصبح كتله الذره كلها في النواه . شحنة النواه موجبة لانها يوجد بداخلها بروتونات موجبه ونيترونات متعادله وبذلك تكون النواه موجبة الشحنة.

النواة هى المكون الاساسى للذرة حيث نجد ان النواة تتكون من البروتونات وهى موجبة الشحنة والنيوترونات المتعادلة في الشحنة وكذلك يوجد الميزون وهوجسيم صغير جدا كتلته تعادل كتلة الالكترون ولكن له شحنة موجبة وشحنة سالبة ،وينتج من تحول البروتونات إلى نيوترونات وتكون ميزونات موجبة ، وكذلك عند تحول النيوترونات إلى بروتونات وتكون ميزونات سالبة. وداخل النواة هناك قوى كبيرة جدا وهى قوى الترابط النووى وهى اكبر قوى في العالم ولكن تأثيرهاقد يكون على مسافة صغيرة جدا وهى قطر النواة . وعند حساب كتلة البروتونات وكتلة النيوترونات الموجودةداخل النواة نجد انها اكبر من كتلة النواة ذاتها ؛وهذا يعزى إلى ان جزء من الكتلة تحول إلى طاقة تساعد في ربط مكونات النواة وهى طاقة الترابط النووى.

بنية نواة الذرة

شكل تمثيلي لذرة الليثيوم

النواة (نواة الذرة) هى مركز الذرة. تتكون النويات من بروتونات, ونيوترونات. عدة البورتونات في نواة الذرة يطلق عليه العدد الذري, ويحدد أي عنصر له هذه الذرة. فمثلاً النواة التى بها بروتون واحد (أى النواة الوحيدة التى يمكن حتى لاقد يكون بها نيوترونات) من مكونات ذرة الهيدروجين, والتي بهاستة بروتونات, ترجع للعنصر كربون, أوالتى بهاثمانية بروتونات أكسجين. يحدد عدد النيورتونات نظائر العنصر. عدد النيوترونات والبروتونات متناسب, وفى النويات الصغيرةقد يكونا تقريبا متساويين, بينماقد يكون في النويات الثقيلة عدد كبير من النيوترونات. والرقمان معا يحددا النيوكليد (أحد أنواع النويات). البروتونات والنيوترونات لهما تقريبا نفس الكتلة, ويكون عدد الكتلة مساويا لمجموعهما معا, والى يساوى تقريبا الكتلة الذرية. وكتلة الإلكترونات صغيرة بالمقارنة بكتلة النواة.

نصف قطر النوكليون (نيترون أوبروتون) يساوي 1 fm (فيمتومتر = 10^-15 m). بينما نصف قطر النواة, والذى يمكن حتىقد يكون تقريبا الجذر التربيعي لعدد الكتلة مضروبا في 1.2 fm, أقل من 0.01% من قطر الذرة. وعلى هذا تكون كثافة النواة أكثر من تريليون (10¹²) مرة من الذرة ككل. ويكون لواحد مللي متر مكعب من مادة النواة, لوتم ضغطه, كتلة تبلغ 200,000 طن. النجم النيتروني يتكون من مثل هذا التصور.

وبالرغم من ان البروتونات الموجبة الشحنة يحدث بينها وبين بعضها تضاد كهرمغناطيسي, فإن المسافة بين النيوكلونات تكون صغيرة بدرجة كافية لأنقد يكون التجاذب القوي (والذى تكون أقوى من القوى الكهرمغناطيسية ولكن تقل بشدة مع بعد المسافة) غالب عليها. (وتكون قوى الجاذبية مهملة, لكونها أضعف 10³⁶ من التضاد الكهرمغناطيسي).

كان اكتشاف الإلكترون أول إشارة على حتى الذرة لها بناء داخلي. وهذا البناء كان تصوره المبدئي طبقا "لكعك الزبيب" أوسكل بودنج الخوخ, والذى فيه تكون الإلكترونات الصغيرة, السالبة الشحنة مغمورة في كرة كبيرة تحتوى على الشحنات الموجبة. وقد إكتشف إيرنست رذرفورد وماردسون, في عام 1911 عند إجراء تجربتهم الشهيرة تجربة رقاقة المضى, حتى جسيمات ألفا من الراديوم كمصدر كانت تتشتت للخلف عند توجيهها على رقاقة المضى, والذى أدى إلى تقبل نموذج بور, الشكل الكوكبي الذى تدور فيه الإلكترونات حول النواة بنفس الكيفية التى تدور فيها الكواكب حول الشمس.

رسم توضيحي لذرة هليوم-4. في النواة، يظهر الپروتونان باللون الأحمر والنيوترونات بالأزرق. This depiction shows the particles as separate, whereas in an actual helium atom, the protons are superimposed in space and most likely found at the very center of the nucleus, and the same is true of the two neutrons. Thus all four particles are most likely found in exactly the same space. Classical images of separate particles thus fail to model known charge distributions in very small nuclei

يمكن للنويات اليقيلة حتى تحتوى على مئات من النيوكلونات (النيوترونات والبروتونات), والذى يعنى أنه ببعض التقريب يمكن معاملتها على أنها ميكانيكا تقليدية, أكثر من كونها ميكانيكا كمية. وفى نموذج نقطة السائل الناتج, تكون النويات لها طاقة ناتجة جزئيا من التوتر السطحي, وجزئيا من التضاد الكهربي للبروتونات. ويستطيع نموذج نقطة السائل إعادة إنتاج ظواهر عديدة للنواة, متضمنة الإتجاه العام لطاقة الترابط بالنسبة إلى عدد الكتلة, وأيضا ظاهرة الإنشطار النووي.

وعموما, بالنظر لهجريب هذه الصورة التقليدية, فإن تأثيرات ميكانيكا الكم, والتى يمكن حتى توصف بإستخدام نموذج الغلاف النووي, تم تطويرها كثيرا بفهم ماريا جيوبريت-ماير. النواة التى لها عدد معين من النيوترونات والبروتونات (الرقم السحري 2, 8, 20, 50, 82, 126, ...... ) تكون بالتحديد ثابتة, لأن أغلفتها تكون ممتلئة.

وحيث حتى بعض النويات تكون ثابتة أكثر من الأخرى, فإنه يتبع ذلك حتى الطاقة يمكن حتى تنطلق من التفاعلات النووية. مصدر طاقة الشمس الإنصهار النووي, والذى فيه تصطدم نويتين ويتحدا لإنتاج نواة أكبر. العملية العكسية هى الإنشطار النووي, والتى تمد مصانع الطاقة النووية بالطاقة. وحيث حتى طاقة الترابط لكل نيوكلون هى كحد أقصى للنواة المتوسطة (تقريبا الحديد), فإن الطاقة تنطلق إما بإندماج النويات الخفيفة, أوبإنشطار النويات الثقيلة.

العناصر حتى الحديد تتكون في النجوم خلال تسلسل مراحل الإنشطار, مثل سلسلة بروتون-بروتون, دورة CNO, وعملية ألفا-الثلاثية. وإرتقاء العناصر الأثقل يتكون خلال نشوء النجوم. وحيث ان ذروة طاقة الترابط لكل نيوكلون تكون تقريبا حول الحديد, فإن الطاقة تنتج فقط للعمليات الإنشطار تحت هذه النقطة. وتكوين النويات الأثقل يحتاج طاقة, وعلى ذلك فإن غمكانية حدويها خلال إنفجارات السوبرنوفا, والتى يتم إطلاق كميا هائلة من الطاقة فيها.

التفاعلات النووية تحدث بطريقة طبيعية على الأرض, وفى الواقع هى شائعة الحدوث. وتتضمن إضمحلال ألفا, وإضمحلال بيتا, كما حتى النويات الثقيلة مثل اليورانيوم يمكن حتى يحدث لها أيضا إنشطار. كما حتى هناك مثل معروف لإنشطار نووي طبيعي, والذى وقع في أوكلو, الجابون, أفريقيا منذ 1.5 بليون سنة.

وكثير من الأبحاث في الفيزياء النووية تتضمن دراسة النواة تحت الظروف القصوى مثل الدوران وطاقة الإثارة. كما حتى النواة يمكن حتىقد يكون لها أشكال غريبة (تشبه كرة قدم أمريكية), أونسبة نيوترن إلى بروتون عجيبة. ويمكن للتجارب تصنيع مثل هذه النويات بإستخدام الإندماج النووي الذى تم حثه, أوتفعاعلات نقل النوكليون, بإستخدام شعاع أيوني من معجل جسيمات.

الشعاع الذىقد يكون له طاقة أكبر يمكن حتى يستخدم لعمل نواة في درجات الحرارة العالية, وهناك علامات حتى هذه التجارب قد انتجت إنتنطق حالة من حالة النواة العادية إلى حالة جديدة, بلازما كوارك-جلوين, وفيها تمتزج الكوارك ات مع بعضها البعض, عن كونها مفصولة في ثلاثيات كما هم في النيوترونات والبروتونات.