طاقة الربط النووية

نعلم جميعاً أن الشحنات المتشابهة تتنافر مع بعضها البعض، وعلى ذلك فقد كان من الضروري أن تميل القوى الكهروستاتيكية بين البروتونات داخل النواة إلى جعلها تنفجر.

وقوى التجاذب التثاقلية بين النويات أصغر بعدد كبير من الرتب في المقدار من أن تعادل قوى التنافر هذه. ولذلك لزم ان تكون هناك قوة ثالثة بين النويات لكي تجعلها تتجاذب معاً حتى تتماسك النواة. وهذه هي قوة الربط النووية التي كثيراً ما تسمى ببساطة القوة النووية أو القوة الشديدة.

تختلف القوة النووية عن كل من القوى الكهروستاتيكية وقوى التثاقل في أنها لا تتبع قانون التربيع العكسي، وبدلاً من ذلك فإن مداها محدود، وقد بينت التجارب أن هذه القوة تتضاءل لتصل إلى الصفر عندما تصل المسافة إلى ما يزيد عن 5×10^-15 m وبعبارة أخرى عند مسافات تصل إلى نحو ضعف قطر النوية. أما إذا قلت المسافة عن هذا ولو بمقدار طفيف، فإن القوة النووية تتعاظم لتطغى على قوى التنافر بين أي بروتونين وتقوم بربطهما معاً. وإذا أخذنا تقريباً أولياً، فإن القوة النووية بين البروتونين هي نفسها التي تكون بين نيوترونين أو بين بروتون ونيوترون. إلا أن هذه القوى النووية لا تأثير لها على الإطلاق، على الإلكترونات. وهذه نقطة مهمة علينا تذكرها عند معالجة التغيرات التي تطرأ على النوية وتؤدي على ظهور إلكترونات داخل النواة.

لننظر في ما يحدث لطاقة مجموعة من النويات المتباعدة عن بعضها البعض عندما تجتمع معاً في تركيب نووي. يمكننا اعتبار طاقة تفاعل هذه النويات صفراً عندما تكون متباعدة عن بعضها البعض، وحينئذ تكون الطاقة الكلية للمجموعة هي مجموع طاقات كتل السكون لها. فإذا ما اقتربت النويات من بعضها البعض، فإن البروتونات ستعاني من تزايد التنافر بسبب قوى كولوم، أما النيوترونات فلن يعنيها هذا في شيء، ولن تعانى من أية قوة، فإذا صارت المسافة نحو 2 fm، فإن كلا من البروتونات والنيوترونات ستبدأ في الإحساس بقوة الربط النووية الشديدة التي تطغى على تنافر كولوم، ونتيجة لذلك تتقارب البروتونات والنيوترونات حتى تكون نواة.

وبالنسبة لنواة ما فإن كل بروتون وكل نيوترون يكون مربوطاً داخل النواة بنفس طاقة الربط وهي –E₀. (ما سبب كون طاقة الربط ذات إشارة سالبة؟). ويلخص الشكل (1) شكل طاقات البروتون والنيوترون عند مسافات مختلفة من النواة (طاقات كتلة السكون المنفردة ليست مذكورة) ونستنتج من هذا أن:

الشكل 1)): منحنيات طاقة وضع نيوترون وبروتون داخل نواة مستقرة. والقيم النموذجية يمكن أن تكون E₀ = 50 MeV ، E_v = 8 MeV.

الشكل 2)): طاقة الربط لكل نوية في حالة بعض نماذج العناصر.

طاقة النواة المستقرة أقل من مجموع طاقات كتل السكون للنويات المنفردة التي تكون النواة.

تختلف قيمة E₀ من تركيب نووي لآخر كما هو مبين في الشكل (2). وخلافاً لطاقة ربط الإلكترونات الذرية التي لا تعدو بضع وحدات من الإلكترون فولت فإن النويات ترتبط داخل النواة بطاقات أكبر من ذلك بملايين المرات كما يظهر في الشكل. كما يلاحظ أن E₀ تصل إلى قيمتها العظمى للعناصر المحيطة بالحديد (A = 26) وتكون أصغر من ذلك بالنسبة للنوى الذي قيم عدده الذري اكبر من ذلك او أصغر. أي أنا الشكل 2)) قد يفسر على أنه يقدم مؤشراً على الاستقرار النووي.

وحيث أن طبقاً لنظرية النسبية، ترتبط التغيرات في الطاقة بتغيرات في الكتلة، فإن علينا أن نتوقع أن النواة المكتملة ستكون ذات كتلة أصغر من كتلة مجموع كتل السكون للنويات المنفردة بداخلها. ويعرف الفرق في الكتلة هذا بالنقص الكتلي للنواة ويمكن كتابته على الصورة:

حيث m_p و m_n هما كتلتا بروتون ونيوترون حرين، أما M_Duc فهي الكتلة الحقيقية للنواة المكتملة. وتنص نظرية النسبية على أن النقص الكتلي مرتبط بطاقة الربط الكلية للنواة:

 mc²Δ = طاقة الربط الكلية