حل أسئلة التقويم الفصل السابع ( الفيزياء النووية )

بسم الله الرحمن الرحيم

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

حل أسئلة التقويم الفصل السابع ( الفيزياء النووية )

نبدأ على بركة الله

خريطة المفاهيم

44. نظم المصطلحات التالية في خريطة المفاهيم : النموذج المعياري ، أشعة جاما ، حاملات القوة ، البروتونات ، النيوترونات ، اللبتونات ، بوزونات W ، نيوترينات ، إلكترونات ، جلونات .

الحل :

اتقان المفاهيم

45. ما القوة التي تدفع النيوكليونات داخل النواة ليبتعد بعضها عن بعض ؟ وما القوة التي تعمل على ربط مكونات النواة معا داخل النواة ؟

الحل :

القوة التي تدفع النيوكليونات داخل النواة ليبتعد بعضها عن بعض هي قوة التنافر الكهربائية ، والقوة التي تعمل على ربط مكونات النواة معا داخل النواة هي القوة النووية القوية .

46. عرف فرق كتلة النواة . ما سببها ؟

الحل :

فرق ( نقص ) الكتلة هو الفرق بين مجموعة كتل الجسيمات المنفردة للنواة وكتلة النواة . ويرتبط مع طاقة الربط النووية من خلال المعادلة : E = mc² .

47. أي الأنوية أكثر استقرارا عموما : الصغيرة أم الكبيرة ؟

الحل :

تكزن الأنوية الثقيلة غير مستقرة بصورة عامة ، لأن الأعداد الكبيرة من البروتونات يجعل قوة التنافر الكهربائية تتغلب على القوة النووية القوية .

48. ما النظير الذي له عدد أكبر من البروتونات : اليورانيوم – 235 أم اليورانيوم – 238 ؟

الحل :

كلاهما له العدد نفسه من البروتونات .

49. عرف مفهوم الاضمحلال ، كما يستخدم في الفيزياء ، واذكر مثالا عليه .

الحل :

الاضمحلال هو عملية تحول عنصر ما إلى عنصر آخر بواسطة التفاعل النووي . فمثلا ، يضمحل U-238 إلى Th -234 وجسيم ألفا .

50. الجسيم المشع ما الأسماء الشائعة لكل من جسيم ألفا ، وجسيم بيتا ، وإشعاع جاما .؟

الحل :

يسمى جسيم a نواة الهيليوم ، ويسمى جسيم B إلكترون ، ويسمى r فوتون ذو طاقة عالية .

51. ما الكميتان اللتان يجب أن تكونا محفوظتين دائما في أي تفاعل نووي ؟

الحل :

العدد الذري لحفظ الشحنة ، العدد الكتلي لحفظ عدد النيوكليونات .

52. الطاقة النووية ما سلسلة العمليات التي يجب أن تحدث حتى التفاعل المتسلسل ؟

الحل :

يجب أن تتحرر كثير من النيوترونات بواسطة النواة المنشطرة وتمتص من قبل الأنوية المجاورة ، مما يجعلها تنشطر .

53. الطاقة النووية ما الدور الذي يؤديه المهدئ في مفاعل الانشطار ؟

الحل :

يبطئ المهدئ النيوترونات السريعة ، مما يزيد من احتمالية امتصاصها .

54. الانشطار النووي والاندماج النووي عمليتان متعاكستان . كيف يحرر كل منهما الطاقة ؟

الحل :

عندما تخضع ذرة كبيرة لانشطار نووي فإن كتلة النواتج تكون أقل من كتلة النواة الأصلية ، وكمية الطاقة المكافئة لفرق الكتلة تتحرر . عندما تندمج الأنوية الصغيرة مكونة أنوية أكبر تكون الكتلة الأكبر أكثر تماسكا من النواة الأقل كتلة ، والكتلة الزائدة تظهر على شكل طاقة .

55. فيزياء الطاقة القوية لماذا لا يعمل المسارع الخطي بالنيوترونات ؟

الحل :

لأن المسارع الخطي يسرع الجسيمات المشحونة باستخدام القوة الكهربائية ، في حين النيوترونات لا تحمل شحنة كهربائية .

56. القوى في أي التفاعلات الأربعة التالية ( القوية ، الضعيفة ، الكهرومغناطيسية ، التجاذب ) تشارك الجسيمات التالية ؟

      a.   إلكترون

      b.  بروتون

      c.   نيوترونو

الحل :

     a.   الكهرومغناطيسية ، القوة الضعيفة ، الجاذبية .

     b.  القوة القوية ، الكهرومغناطيسية ، الجاذبية .

     c.   القوة الضعيفة .

57. ماذا يحدث للعدد الذري والعدد الكتلي للنواة التي تشع بوزترونا ؟

الحل :

يقل العدد الذري بمقدار 1 ، ولا تغيير على العدد الكتلي  .

 ZàZ-1 , Aà A .

58. ضديد المادة ماذا يحدث إذا سقط حجر نيزكي يتكون من ضديد بروتونات ، وضديد نيوترينو وبوزترونات على الأرض ؟

الحل :

تفنى وكمية مكافئة من المادة ينتج كمية كبيرة من الطاقة .

تطبيق المفاهيم

59. الانشطار يدعى أحد المواقع الإلكترونية أن العلماء سيكونون قادرين على إخضاع الحديد للانشطار النووي . هل يمكن أن يكون هذا الادعاء صحيحا ؟ فسر .

الحل :

هذا الادعاء ليس صحيحا ، فالحديد من أكثر المعادن ترابطا . لذا فإن نواته أكثر استقرارا ، ولا تتمكن من الاضمحلال سواء عن طريق الانشطار أو الاندماج .

60. استخدم الرسم البياني لطاقة الربط لكل نوية في الشكل 7-2 لتحديد ما إذا كان التفاعل ² ₁ H + ¹ ₁ H à ³ ₂ H ممكنا من حيث الطاقة ؟

الحل :

طاقة الربط الابتدائية أقل من طاقة الربط النهائية ، لذلك فإن التفاعل ممكن بفاعلية كبيرة .

61. النظائر وضح الفرق بين النظائر المشعة التي تنتج اصطناعيا وتلك التي تنتج طبيعيا .

الحل :

المادة المشعة الطبيعية هي تلك المادة التي توجد في الخدمات الطبيعية وهي مشعة طبيعيا . في حين تشع النظائر المشعة الاصطناعية بعد خضوعها للاضمحلال الإشعاعي الناتج عن قذفها بواسطة الجسيمات .

62. المفاعل النووي في المفاعل النووي ، يتدفق الماء الذي يعبر من قلب المفاعل خلال حلقة واحدة ، بينما يتدفق الماء الذي يولد البخار لتحريك التوربينات خلال الحلقة الثانية . لماذا توجد حلقتان ؟

الحل :

في الحلقة الأولى فإن الماء الذي يتدفق من خلال القلب يكون عند ضغط عال ، لذلك فإنه لا يغلي . في حين تحمل الحلقة الثانية المادة عند ضغط منخفض منتجة البخار .

63. انشطار نواة اليورانيوم واندماج أنوية الهيدروجين الأربعة لإنتاج نواة الهيليوم كلاهما ينتجاه طاقة .

      a.   أيهما ينتج طاقة أكبر ؟

      b.  في أي الحالتين التاليتين تكون الطاقة الناتجة اكبر : انشطار كيلوجرام واحد من أنوية اليورانيوم ، أم اندماج كيلوجرام من الهيدروجين ؟

      c.   لماذا تختلف إجابة الجزأين a ، b ؟

الحل :

      a.    كما ظهر في الدرس فإن الطاقة الناتجة من عملية انشطار نواة اليورانيوم هي 200 MeV . في حين الطاقة الناتجة من عملية اندماج اربع ذرات هيدروجين هي 24 MeV .

      b.  العدد الكتلي لليورانيوم القابل للانشطار هو 235 ، في حين العدد الكتلي للهيدروجين هو 1 . فلكتلة متساوية من العنصرين يجب أن تكون نوى الهيدروجين 235 مرة قدر نوى اليورانيوم وفي حالة الانشطار فإن كل نواة يورانيوم تنتج 200 eV من الطاقة . في حين ينتج اندماج 238 من نوى الهيدروجين لإنتاج نوى الهليوم طاقة تساوي (238/4)(24 eV) ، أو حوالي 1440 إلكترون فولت من الطاقة . أي أن اندماج كيلوجرام من الهيدروجين يعطي طاقة أكبر .

      c.   لأنه على الرغم من أن انشطار نواة يورانيوم واحدة تنتج طاقة أكبر من اندماج أربعة أنوية هيدروجين لإنتاج الهيليوم ، فهناك عدد من أنوية الهيدروجين في الكيلوجرام الواحد أكثر 200 مرة من عدد أنوية اليورانيوم الموجودة في الكيلوجرام .

اتقان حل المسائل

7-1 النواة

64. ما الجسيمات التي تكون ذرة ¹⁰⁹ ₄₇ Ag ؟ و ما عدد كل منه ؟

الحل :

47 إلكترونا ، 47 بروتونا ، 62 نيوترونا .

65. ما رمز النظير ( الذي يستخدم في التفاعلات النووية ) لذرة زنك مكونة من 30 بروتونا و 34 نيوترونا ؟

الحل :

⁶⁴ ₃₀ Zn

66. نظير الكبريت ³² ₁₀ S له كتلة نووية مقدارها 31.97207 u ما مقدار :

     a.   فرق الكتلة للنظير ؟

     b.  طاقة الربط النووية لنواة الكبريت ؟

     c.   طاقة الربط لكل نيوكليون ؟

الحل :

     a.  

     b. 

      c.    

67. لنظير النيتروجين ¹² ₇ N كتلة نووية مقدارها 12.0188 u ما مقدار :

      a.   طاقة الربط لكل نيوكليون ؟

      b.  أيهما يحتاج إلى طاقة أكبر : فصل النيوكليون من نواة ¹² ₇ N ، أو من نواة ¹⁴ ₇ N ؟ علما لأن كتلة ¹⁴ ₇ N  تساوي 14.00307 u .

الحل :

     a.     

   

     b. 
  

68. يبتعد بروتونان موجبا الشحنة في نواة الهيليوم أحدهما عن الآخر مسافة 2.0x10^-15 m تقريبا . استخدم قانون كولوم لإيجاد القوة الكهربائية للتنافر بين البروتونين . سوف تعطيك الإجابة مؤشرا عن مقدار القوة النووية القوية .

الحل :

69. إذا كانت طاقة الربط النووية لنواة الهيليوم ⁴₂ He - 28 .3 MeV  فاحسب كتلة نظير الهيليوم بوحدة الكتلة الذرية .

الحل :

7-2 الاضمحلال النووي والتفاعلات النووية

70. اكتب المعادلة النووية الكاملة لاضمحلال ألفا للنظير ²²² ₈₆ Rn .

الحل :

71. اكتب المعادلة الكاملة لاضمحلال بيتا للنظير ⁸⁹ ₃₆ Kr .

الحل :

72. أكمل المعادلات النووية التالية :

     a.   ²²⁵  ₈₉ Ac à ⁴ ₂ He + ___

     b.  ²²⁷ ₈₈ Ra à ⁰ _-1 e + ___+___

     c.   ⁶⁵ ₂₉ Cu +¹ ₀ n à ___ à ¹ ₁ P + ___

     d.  ²³⁵ ₉₂ U + ¹ ₀ n à ⁹⁶ ₄₀ Zr + 3 (¹ ₀ n ) + ___

الحل :

    a.  
  

    b. 
  

    c.  
  

    d. 
  

73. عمر النصف لنظير معين 3.0 أيام . ما النسبة المئوية للمادة الأصلية التي ستبقى بعد :

     a.   6.0 أيام ؟

     b.  9.0 أيام ؟

     c.   12 يوما ؟

الحل :

    a.  
  

    b. 
  

    c.      

74. في إحدى حوادث مختبر أبحاث ، انسكب نظير مشع عمر النصف له ثلاثة أيام . وكان الإشعاع ثمانية أضعاف الكمية العظمى المسموح بها . كم يجب أن ينتظر العاملون قبل أن يستطيعوا الدخول إلى المختبر ؟

الحل :

لكي تنخفض النشاطية الإشعاعية على 1/8 الكمية الأصلية ، يجب أن ينتظروا ثلاثة أعمار نصف ، أي 9 أيام .

75. عندما يقذف نظير البورون ¹¹ ₅ B ببروتونات فإنه يمتص بروتونا ويطلق نيوترونا .

     a.   ما العنصر المتكون ؟

     b.  اكتب المعادلة النووية لهذا التفاعل .

     c.   النظير المتكون مشع ويضمحل بانبعاث بوزترون . اكتب المعادلة النووية الكاملة لهذا التفاعل .

الحل :

a.    الكربون ¹¹ ₆ C .

b. 

c.  
  

76. حررت القنبلة الذرية الأولى طاقة تعادل 2.0x10¹ كيلو طن من مادة TNT يكافئ 5.0 x10¹² j . وكان اليورانيوم – 235 يحرر ذرة / 3.21x10^-11 j ، فكم كانت كتلة اليورانيوم 235 التي خضعت للانشطار لتوليد طاقة القنبلة ؟

الحل :

77. خلال تفاعل الاندماج يتحدد ديوترونان ² ₁ H لتكوين نظير الهيليوم ³ ₂ He . ما الجسم الآخر الذي تكون ؟

الحل :

78. عمر النصف لنظير البولونيوم ²⁰⁹ ₈₄ Po 103 سنة . كم تستغرق عينة 100 g حتى تضمحل ليبقى منها 3.1 g ؟

الحل :

7-3 وحدات بناء المادة

79 . ما شحنة الجسيم الذي يتكون من ثلاثة كواركات علوية ؟

الحل :

80. شحنة ضديد الكوارك معاكسة لشحنة الكوارك . يتكون البيون من كوارك علوي ومن ضديد الكوارك السفلي ud. ما شحنة هذا البيون ؟

الحل :

81. تتكون البيونات من كوارك وضديد الكوارك . أوجد شحنة البيون الذي يتكون من :

a.    UU

b.   dU

c.   dd

   الحل :

       a.      

       b. 
       

      c.  
  

82. الباريونات جسيمات تتكون من ثلاثة كواركات . أوجد الشحنة على كل من الباريونات التالية :

      a.    نيوترون ddu .

      b.  ضديد بروتون uud .

الحل :

      a.  
   

     b. 
   

83. نصف قطر السنكروترون في مختبر فيرمي 2.0 km ، وتتحرك البروتونات التي سرعة الضوء في الفراغ تقريبا .

     a.   ما الفترة الزمنية التي يحتاج إليها البروتون حتى يكمل دورة كاملة .

     b.  تدخل البروتونات الحلقة بطاقة 8.0 GeV فتكتسب طاقة 2.5 MeV في كل دورة . ما عدد الدورات التي يجب أن يكملها قبل أن تصل طاقتها إلى 400.0 GeV ؟

     c.   ما الفترة الزمنية التي تحتاج إليها البروتونات حتى تتسارع إلى 400.0 GeV ؟

     d.  ما المسافة التي تقطعها البروتونات التي تنقل خلال هذا التسارع ؟

الحل :

      a.  
  

     b. 
    

     c.  
  

     d. 
  

84. الشكل 7-20 يبين مسارات في حجرة الفقاعة . ما بعض الأسباب التي تسبب انحراف أحد المسارات أكثر من المسارات الأخرى ؟

الحل :

تنحني مسارات الجسيمات الأسرع بشكل أقل .

مراجعة تراكمية

85. كل الأنوية التالية تستطيع أن تمتص جسيم a . افترض أنه لا تنبعث جسيمات ثانوية من النواة ، أكمل المعادلات التالية :

      a.   ¹⁴ ₇ N + ⁴ ₂ He à ___

      b.  ²⁷ ₁₃ Al + ⁴ ₂ He à ___

الحل :

      a.  
  

      b. 
  

86. عمر النصف للرادون ²¹¹ ₈₆ Rn 15 h . ما الكمية المتبقية من العينة بعد مرور 60 h ؟

الحل :

87. إحدى تفاعلات الاندماج البسيطة تتضمن إنتاج الديوتيريوم ² ₁ H ( 2.014102 u ) من نيوترون وبروتون . اكتب تفاعل الاندماج الكامل ، و أوجد مقدار الطاقة المتحررة .

الحل :

88. كتلة اليورانيوم 232.0372 u = ²³² ₉₂ U ، ويضمحل إلى الثوريوم ²²⁸ ₉₀ Th ، الذي كتلته = 228.0287 u ، بانبعاث جسيم a الذي كتلته = 4.0026 u ، وطاقته الحركية 5.3 MeV ، كم يجب أن تكون الطاقة الحركية لنواة الثوريوم المتكونة ؟

الحل :

التفكير الناقد

89. استنتج لأشعة جاما زخم . وزخم شعاع جاما ذي الطاقة E يساوي E/c ، حيث c سرعة الضوء . عندما يضمحل زوج إلكترون – بوزترون إلى إشعاعي جاما فإن كلا من الزخم والطاقة يجب أن يكونا محفوظين . إذا كان مجموع طاقات أشعة جاما تساوي 1.02 MeV ، وكان كل من البوزترون والإلكترون مبدئيا في حالة سكون ، فكم يجب أن يكون مقدار واتجاه زخم إشعاعين من أشعة جاما ؟

الحل :

90. استنتج إذا كان زوج إلكترون – بوزترون مبدئيا في حالة سكون ، ويستطيع أن يضمحل إلى ثلاثة إشعاعات جاما ، وكانت إشعاعات جاما الثلاثة لها طاقات متساوية ، فكيف يجب أن تكون اتجاهاتها النسبية ؟ وضح بالرسم .

الحل :

سيكون السؤال بالشكل التالي :كيف يكون الزخم الكلي صفرا لثلاث من إشعاعات جاما ذات الزخم المتساوي ؟ حتى يتحقق ذلك يجب أن تكون الزاوية بين كل شعاع والآخر 120 ^o ، وتكون الأشعة في مستوى واحد .

91. قدر يطلق تفاعل اندماجي واحد في الشمس طاقة 25 MeV تقريبا . قدر عدد التفاعلات التي تحدث في ثانية من سطوع الشمس الذي يكون عنده معدل الطاقة المنبعثة 4 x10²⁶ W .

الحل :

92. تفسير البيانات يراقب نظير يخضع لاضمحلال إشعاعي بواسطة كاشف إشعاعي بواسطة كاشف إشعاعي ، فيسجل عدد العدات كل خمس دقائق . وبحسب النتائج الموضحة في الجدول 7-4 أزيلت العينة بعد ذلك ، وسجل الكاشف الإشعاعي 20 عدة ناتجة عن الأشعة الكونية خلال 5 دقائق . أوجد عمر نصف النظير . لاحظ أنه يجب أن تطرح 20 عدة أولية من كل نتيجة . ثم عين العدات كدالة رياضية مع الزمن برسم بياني ، وحدد عمر النصف .

الحل :

4 دقائق تقريبا .

الكتابة في الفيزياء

93. ابحث في الفهم الحالية للمادة المعتمة في الكون ، وما أهمية هذه المادة لعلماء الكونيات ؟ وما مكونات هذه المادة ؟

الحل :

يتكون الكون من مادة معتمة بنسبة 25% تقريبا ، وهناك حاجة لتفسير دوران المجرات وتمدد الكون . وبناء على إحدى النظريات فإن المادة المعتمة ليست مكونة من المواد العادية التي يشملها النموذج المعياري ، وقد تتفاعل مع المواد العادية فقط من خلال الجاذبية والقوى النووية الضعيفة .

اقرا الموضوع التالي المادة المعتمة : انقر هنا 

94. ابحث في تعقب الكوارك العلوي . لماذا افترض الفيزيائيون وجوده ؟

الحل :

اقترح العلماء النظريون وجود صفحة مميزة للكواركات ، وادركوا أن الكواركات توجد على شكل أزواج . وعندما وجد الكوارك السفلي تجريبيا  عام 1977 م ، أدرك العلماء أنه يجب أن يكون هناك شريك له وهو الكوارك  العلوي ، ولقصر عمر النصف للكوارك العلوي وكتلته الكبيرة ، فتم العثور عليه أخيرا في نختبر فيرمي عام 1995 م .

اقرأ الموضوع التالي :تعقب واكتشاف الكوارك القمي :  انقر هنا 

مراجعة تراكمية

95. إلكترون طول موجة دي برولي له 400.0 nm ( الطول الموجي الأقصر في الضوء المرئي ) .

      a.   أوجد سرعة الإلكترون .

      b.  احسب طاقة الإلكترون بوحدة eV .

الحل :

     a.  
  

     b. 
   

96. يدخل فوتون طاقته 14.0 eV ذرة هيدروجين في حالة استقرار و يؤينها . ما مقدار الطاقة الحركية التي ينطلق بها الإلكترون من الذرة ؟

الحل :

تم بحمد الله

نستقبل أسئلتكم واستفساراتكم واقتراحاتكم في خانة التعليقات

" نرد على جميع التعليقات "

بالتوفيق للجميع ...^_^