صناعة النواة (تصنيع الأنوية) .. كيف تصنع العناصر

صناعة النواة أو تصنيع الأنوية Nucleosynthesis هي عملية انتاج نواة ذرية جديدة من النوية و البروتونات ونيوترونات الموجودة مسبقًا. فهذه العملية بحد ذاتها ، هي الأساس لتصنيع عناصر الجدول الدوري. فالطريقتان الرئيستان لتصنيع الأنوية الذرية الجديدة هي أما عن طريق دمج الأنوية الصغيرة مع النيوكليونات (البروتونات والنيوترونات) أو عن تفتيت الأنوية الكبيرة عن طريق الإنشطار النووي و التحلل الإشعاعي ، و العمليات أخرى التي تسير في هذا المجال.

تشكلت العناصر الخفيفة الأولى القليلة خلال الانفجار العظيم في عملية التصنيع النووي للانفجار العظيم. و في وقت لاحق ، تشكلت عناصر جديدة في النجوم نتيجة لإنفجارات تلك النجوم و ايضا نتيجة عمليات تصنيع الأنوية. ولا يزال هناك المزيد من العناصر التي تشكلت نتيجة عمليات آر (عملية التقاط النيوترون السريعة أو العملية آر، هي مجموعة من التفاعلات النووية في الفيزياء الفلكية النووية ومسئولة عن التخليق النووي لنصف أنوية ذرات المعادن الأثقل من الحديد تقريبًا. و ينتج عن العملية آر اثنين من النظائر الغنية بالنيوترون والمستقرة للمعادن الثقيلة) و أيضا اندماج النجوم النيوترونية و انشطار الأشعة الكونية ، و الإندماج ، والتولد الإشعاعي. تتشكل العناصر الصناعية ذات الوزن الذري الثقليل من خلال تفاعلات نووية بين أنوية ثقيلة جدا موجودة مسبقًا و انوية أخرى أو نيوكليونات أخرى.

 

عملية صناعة النواة

في حين أن عمليتي تصنيع الأنوية خلال الإنفجار العظيم و ايضا تصنيع الأنوية ضمن النجم الواحد تفسران تصنيع معظم العناصر ، إلا أن هناك العديد من العمليات الاخرى التي تحدث بالفعل.

– تصنيع الأنوية خلال الإنفجار العظيم : ينتج الانفجار العظيم معظم البروتيوم (الهيدروجين -1) والديوتيريوم (الهيدروجين -2) والهيليوم -3 والهيليوم -4 الموجود في الكون اليوم، كما أنه تكونت كمية صغيرة من الليثيوم-7 والبريليوم-7 في أول 100 إلى 300 ثانية بعد الانفجار العظيم، و من المحتمل أن كمية من البورون قد تشكلت أيضا. ولكن بعد أول 20 دقيقة ، لم تتشكل عناصر جديدة حتى ولادة النجوم الأولى. و لكن اليوم ، تتشكل بعض هذه النظائر من خلال عمليات تصنيع أخرى.

-تصنيع الأنوية النجمى: التصنيع النووى النجمى هو تكوين أنوية جديدة بواسطة النجوم. فالنجوم تدمج الهيدروجين والهيليوم لإنتاج أنوية ثقيلة. كما أن كل النجوم تنتج الكربون عبر عملية ألفا الثلاثية . فالكربون يحرر النيوترونات ، التي تغذي عملية التقاط النيوترونات البطيئة أو عملية إس (عملية التقاط النيوترون البطيئة في الفيزياء الفلكية النووية هي سلسلة من التفاعلات النووية التي تحدث في النجوم، وخاصة العماليق المقاربة. وتعد عملية التقاط النيوترون البطيئة المسؤولة عن التصنيع النووي لحوالي نصف نوى الذرات الأثقل من النيكل والحديد).

– التصنيع النووي للمستعر الأعظم: ينتج المستعر الأعظم العديد من عناصر الكتلة المتوسطة بين الأكسجين والروبيديوم. إلى حد كبير ، و تتضمن هذه العملية و على نحو كبير على التقاط النيوترونات ، على الرغم من إمكانية حدوث التقاط سريع للبروتون (عملية rp) أيضًا.

-تصادم النجوم النيوترونية: يعد اصطدام النجوم النيوترونية الثنائية مصدرًا رئيسا لعناصر عملية التقاط النيوترونات السريعة أو عناصر العملية r، وتشمل هذه العناصر الذهب والمعادن الثقيلة، و نتبجة لهذه العملية فإن حوالي نصف النوى الذرية الأثقل من الحديد تتشكل عبر عملية r.

-أقراص تراكم الثقب الأسود: الجاذبية الشديدة للثقب الأسود تجمع الأنوية والنيوكليونات معًا ، مكونة العديد من العناصر.

-تشتيت الأشعة الكونية: تتفاعل الأشعة الكونية (معظمها من البروتونات) مع الوسط النجمي والأجواء الكوكبية، و تنتج هذه العملية العناصر الخفيفة، مثل 3He و Li و Be و B وكذلك الكربون والنيتروجين والأكسجين.

-التحلل الإشعاعي: يشكل التحلل الإشعاعي الأنوية الوليدة ، وتتحلل بعض هذه الانوية إلى عدة عناصر وسطية قبل أن تصبح في النهاية نظائر مستقرة. على الأرض ، ينتج الرادون والبولونيوم والهيليوم -4 والأرجون -40 بشكل كبير عن طريق تحلل العناصر الثقيلة.

-الانشطار التلقائي : يخضع الثوريوم -232 واليورانيوم -235 واليورانيوم -238 للانشطار التلقائي ، مما يؤدي إلى تكوين التكنيشيوم الطبيعي والبروميثيوم.

-التفاعلات النووية الأخرى: يؤدي التقاط النيوترونات والتفاعلات الناتجة عن الأشعة الكونية إلى تغيير نواة إلى أخرى. بعض أشكال النيون 21 ، نيون 22 ، كربون 14 ، واليود 129 تنتج من هذه التفاعلات. كما تنتج انفجارات الأسلحة النووية الحرارية عملية آر محدودة مشكلة عناصر ثقيلة ، مثل الأينيشتانيوم والفيرميوم.

 

الجدول الزمني لتكوين العناصر

• منذ 13.8 مليار سنة: تشكل الهيدروجين والهيليوم والليثيوم والبريليوم وربما البورون في أول 20 دقيقة بعد الانفجار العظيم، و هذه العناصر تعتبر العناصر الأساسية.

 

• منذ 13.795 مليار سنة حتى الوقت الحاضر: بدأت النجوم بالتشكل بعد حوالي 500 مليون سنة من الانفجار العظيم. و هنا تكون الكربون وأثقل العناصر حتى العناصر ذات العدد الذري 90 داخل النجوم و من انفجاراتها ، ومن انشطار الأشعة الكونية. كما تكون النيوبيوم والعناصر الأثقل حتى العدد الذري 94 من اندماج النجوم النيوترونية. و يشكل التحلل الإشعاعي و الاندماج النووي باستمرار عناصر أخف من نوى أثقل.

 

• القرن العشرين حتى الوقت الحاضر: يتم تصنيع التكنيشيوم والعناصر من العدد الذري 95 (الأميريسيوم) إلى 118 (أوغانيسون) في المختبرات. لاحظ أن النجوم تنتج التكنيشيوم وعناصر إشعاعية أثقل ، لكنها تتحلل قبل تشكل الكواكب.

 

تاريخ اكتشاف العناصر

في أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين ، اعتقد العلماء أن العناصر تشكلت في بداية الكون. و تدريجيًا جمع الباحثون بيانات عن وفرة العناصر. و يعتبر الهيدروجين والهيليوم أكثر العناصر وفرة ، ويشكلان حوالي 98٪ من المادة. كما أن العنصران التاليان الوفيران بعدهما هما الأكسجين والكربون.

في عام 1920 ، اقترح آرثر ستانلي إدينجتون أن النجوم تعمل على دمج الهيدروجين و الذي ينتج عن ذلك الهيليوم. واقترح أن العملية قد تفسر تكوين عناصر أخرى. لكن الفكرة لم تكن شائعة لأن الفيزياء النووية كانت مجالًا جديدًا للغاية. وقبل الحرب العالمية الأولى ، وصف هانز بيت آلية اندماج الهيدروجين في الهيليوم. اقترح جورج لوميتر الانفجار العظيم في عام 1931.

وبعد الحرب العالمية الثانية ، شرح فريد هويل آليات صنع عناصر أثقل وكيف يتغير تكوين الكون بمرور الوقت. أعد هانز سوس وهارولد أوري رسمًا بيانيًا لوفرة العناصر التي عرضت قاعدة Oddo-Harkins. و بشكل أساسي ، وفرة العناصر ذات الأعداد الذرية الزوجية أكبر من وفرة العناصر الأحادية على جانبيها في الجدول الدوري. دعمت نظريات التصنيع النووي و التصنيع النووي النجمي البيانات التجريبية.

ولكن ، لا يزال التصنيع النووي مجالًا نشطًا للغاية للبحث. يسعى العلماء إلى كشف العمليات الطبيعية لتكوين العناصر والاستمرار في تجميع عناصر جديدة.

 

المراجع : Nucleosynthesis – How Elements Are Made (sciencenotes.org)

 

بوسترات (لوحات) كيميائية بدقة عالية (أكثر من 25 لوحة) من تصميم الأستاذ أكرم أمير العلي

 

تطبيقات كيميائية من تصميم الأستاذ أكرم امير العلي متوفر للجوالات التي تعمل بنظام أندرويد android على سوق جوجل بلاي google play

1 – تطبيق ملصقات كيميائية: ملصقات بتصميم جميل جدا للكواشف و الأدلة و الزجاجيات المستخدمة في المختبر و كذلك ملصقات و بطاقات لخزانات حفظ المواد و الأدوات الزجاجية .

https://play.google.com/store/apps/details?id=com.akramir

 

2 – إذا كنت تواجه صعوبة في تحضير المحاليل الكيميائية الأكثر شيوعا في مختبرات الكيمياء و الاحياء، فهذا التطبيق سوف يساعدك كثيرا في تحضير المحاليل :