النظريات الكيميافيزيائية في هندسة القنابل الهيدروفراغية

علاء هاشم مناف

الحوار المتمدن-العدد: 4669 - 2014 / 12 / 22 - 22:02
المحور: الطب , والعلوم
    

الإهداء
إلى الذين يبحثون عن العلم من خلال نقض الحقيقة إلى حقيقة أعمق علّميا.
المقدمة
لقد حاولنا في هذا الكتاب أن نربط التقنيات المتاحة ومن خلال النظريات الكيميافيزيائية والبيولوجية في إنتاج نظرية المجال الكمية النسبية الحديثة Relativistic Quantum Field Theory والتي تقوم بتفسير الكون، بأنه مجموعة من المجالات الخاضعة لقواعد نظرية الكم وقواعد النسبية الخاصة، وبالتالي أمكن رؤية كل شيء على أنه مجالات تتعلق بالكم المتفاعل، وهذا يفسر شدة المجال عند نقطة إحتمالية في إطار إحصائي لإكتشاف الكمية المرتبطة به (الجسيمات عند تلك النقطة) وهذه العملية تعتبر أحد أهم نتائج النظرية أو أهم نتائج النظريات الكيميافيزيائية والبيولوجية وهو البحث في خواص الذرات والجزيئات وهو استشعار لنظرية المجال الكمي من خلال الربط للنوابض springs بعضها ببعض للوصول إلى السلسلة المترامية الاطراف لتعم الفضاء الثلاثي الابعاد وهذه السلسلة في الكيميافيزيائية والبيولوجية تمثل المجال الكمي في تلك السلسلة يقابله كماً أو جسيماً مرتبطاً في ذلك المجال. وقد قسمنا الكتاب إلى خمسة فصول وقد سبق الفصل الاول تمهيد للكيمياء العامة، وقد جاء الفصل الاول عن المتن البنائي في الكيمياء العضوية ، والكيمياء غير العضوية ، والكيمياء الفراغية، وجاء الفصل الثاني عن منظومة الفلزات واللافلزات ثم جاء الفصل الثالث حول نظرية الكم، وجاء الفصل الرابع عن اليورانيوم وخواصه التفاعلية ، وجاء الفصل الخامس حول الاسلحة النووية وعن أنواع القنابل الهيدروجنية والفراغية (الهيدروفراغية) ، وأخيراً نقول هذا الكتاب هو جهد متواضع لتحقيق هدف علمي هو ربط هذه النظريات الكيميافيزيائية والبيولوجية بإطار نظرية الكم التي تخفي وراءها سر وجود هذا الكون ، وشكراً..


الكيمياء العامة
تمهيد
علم الكيمياء:
هو العلم الذي يبحث في تكوين وبناء المادة. وفي العلاقات بين الخواص داخل المادة وبنائها وفي التفاعل للمواد بعضها مع البعض الآخر لإنتاج محصلات جديدة من مواد جديدة. وعلم الكيمياء له أثر كبير في حياتنا اليومية لما له من استخدامات وتطبيقات آنية متعددة ، بما في ذلك ماله من تأثير على البيئة وعلى حياة الإنسان اليومية. إننا أمام مشاهد يومية في هذه الحياة يكون أرتباط هذه المشاهد بالتعامل اليومي وبشكل مباشر بعلم الكيمياء وبالصناعات الكيمياوية التي أرتبطت بهذا العلم، فمعظم التفاصيل المادية للإنسان إبتداءَ بالملابس والاحذية وأجزاء السيارات إضافة إلى وسائط النقل الاخرى والمواد الطبية والادوية والمبيدات الحشرية والمطهرات ومواد التجميل والاسمدة هي من منتجات الصناعات الكيمياوية، وكان تأثير الصناعات الكيميائية على البيئة وتلوثها في الدول الصناعية المتقدمة، فكان تأثير ذلك على الانهار والبحيرات من ناحية التلوث حيث أدى ذلك إلى أتلاف الثروة السمكية والكائنات الحية الاخرى ، إضافة إلى نزول الامطار الحامضية حيث أدى ذلك إلى إتلاف الغابات والحقول الزراعية والمنازل البشرية ، وقد أدى ذلك إلى التغيرات في البيئة والمناخ وتفسير للعديد من المتغيرات الطبيعية ، فعلى المستوى المجهري (Micro) تتحرك ذرات أو جزيئات غاز ما بسرعة مختلفة وفي جميع الاتجاهات، وعند اصطدام هذه الجزيئات بالسطح الداخل للوعاء الحاوي للغاز تتبادل كمية حركة معينة مع هذا السطح. ومن الناحية المنطقية والمبدئية ، يمكننا تتبع حركة كل جزئي (لو كان بالإمكان تمييز بعضها عن البعض) إضافة إلى تطبيق قوانين الحركة عليها لنستخلص مسار هذه الجزئيات وطاقتها وكمية الحركة الناتجة لكل منها.() .
فالصناعات الكيميائية وتأثيرها في حياتنا اليومية أصبح من الضروري الحصول على قدر من المعرفة والمبادئ العامة لعلم الكيمياء حتى يسهل على الإنسان فهم ما يجري حوله والتعامل مع الحدث بطريقة صحيحة.
العشوائية الكيميائية
المنهجية العلمية في القياس الكيميائي
وتتحدد بما يلي:
⦁-;- في مجموعة الخطوات (العلمية المنتظمة) (Scienific Method) والمتسلسلة التي تفضي إلى الاجابة في محصلة بالخطوات وتأشير الملاحظات منها: الملاحظات الوصفية، مثل ملاحظة العلاقة بين حجم الغاز وضغطه عند درجة حرارة ثابتة، حيث نلاحظ أن حجم الغاز يقل بإزدياد ضغطه عند درجة حرارة ثابتة.
⦁-;- الملاحظات الكمية أو العمليات الرقيمة مثال على ذلك ( كتل المواد المتفاعلة ـ وكل المواد الناتجة ، ومقدار الضغط الغازي أو دلالة حجمه. وإذا كان ذلك متوفر يلجأ المجرب إلى تغيير فعلي في ظروف العملية التجريبية ، وإلى السيطرة والتحكم فيها، ذلك للتأكد من إمكانية إعادة الحصول على هذه الاشكالية في الملاحظات. .
من هنا تكون صحة الملاحظات = تثبيت شكل القوانين العامة مثل قوانين الغازات وتكتب بشكل وصفي أو توضع على شكل معادلات رياضية ليسهل التعامل مع تلك الخطوات.()
شكل الفرضية
وهي محاولة تفسير تلك القوانين ، وهنا يأتي الاحتمال العشوائي في البحث داخل العملية التجريبية من عدم وجود خطأ في منطق الفرضية، فإنها تصبح نظرية ، إما إذا وجد نوع من الخطأ فإنها يجب أن تعدّل أو تلغي بشكل نهائي لأنها أصبحت في إطار العشوائية الكيميائية وعليه يجب أن يستعاض عنها بفرضية جديدة، وهناك أمثلة عديدة على ذلك العلافة بين حجم الغاز وضغطه عند درجة حرارة ثابتة، والملاحظ أن حجم الغاز يقل بإزدياد ضغطه عند ثبوت درجة الحرارة. وعند قياس الضغط والحجم يتبين أن الضغط يتناسب عكسياً مع الحجم حسب المعادلة التالية:

(A): حجم الغاز , (P) : ضغط الغاز
وهذه العملية تسمى بقانون (بويل للغازات) ويفسر هذا القانون وغيره من القوانين للغازات حسب الفرضية الجزئية الحركية للغازات العشوائية التي صمدت أمام الاختبارات الكثيرة حتى أصبحت نظرية للغازات الجزئية
الحركية (Kinetic Molecular Theory) .
القياس في ضبط الحالة العشوائية
القياس Measurement هناك فرق بين القياس الذي يكون صحيحاً كاملاً معاً، والقياس الذي يكون صحيحاً، لكنه غير كامل، أما القياس الكامل فهو الذي تجيء فيه المقدمات صارخة بضرورة توليد النتيجة التي تلزم عنها، دون حاجة إلى برهان يقام على صحة تلك النتيجة، فكلما قل التفاوت بين القيم المقاسة كان القياس أكثر صحة. ولا توجد في العادة علاقة مباشرة بين دقة القياس وصحته. وإن كان القياس الاكثر دقة أكثر صحة في العادة لكن هناك دائماً أحتمال العكس وقد يكون عشوائياً أي أن يكون القياس دقيقاً دون أن يكون دقيقا من القيمة الرقمية الصحيحة، وعليه يجب الانتباه عند الاعتماد على الارقام المقاسة. من جهة أخرى ترتبط دقة القياس بعدد الارقام التي يتم تسجيلها عند البرهنة باستعمال أداة قياس معينة. وعند القياس يجب أن تسجل جميع الارقام التي تقرأ على أداة القياس دون زيادة أو نقصان ، إضافة إلى ذلك يجب أن تكون جميع هذه الارقام مؤكدة ما عدا الرقم الاول من اليمين الذي تكون قيمته مقدرة، ولذا يحتمل الشك فيه من الناحية العشوائية. وجميع هذه الارقام المؤكدة مضافاً إليها الرقم الوحيد المشكوك فيه تسمى أرقاماً معنوية (Significant Figures).()
ويمكن إيضاح ذلك بدراسة المثال المتعلق بقياس درجة الحرارة فهو الذي يبين الشكل(1) في أداتين لقياس درجة الحرارة ، ميزان درجة الحرارة . حيث تختلف الاداتان في دقة التدريج. فالميزان الأول (الأيمن) يمكن بواسطته قياس درجة الحرارة إلى أقرب درجة (سليزي Celsius) (الدرجة المئوية) بينما يمكن تقدير أعشار الدرجة. ففي القراءة المبينة 38.6CO تكون الأرقام 3 و 8 مؤكدة، أما الرقم 6 ، الذي يمثل أعشار الدرجة فمشكوك فيه وقد يكون عشوائياً، وقد يكون تقريبي يتحمل أن يكون 5 أو 7 والأرقام 6 و 8 و3 والارقام 38.6 هي بالنتيجة أرقام معنوية . أما ميزان الحرارة الذي يظهر إلى اليسار ، فهو مدرج بأعشار الدرجة، أي أجزاء من مائة من الدرجة، فنقرأ تقديراً ، ولذلك يحتمل العشوائية . ففي القراءة المبينة 38.45CO تكون الارقام 3 و 8 و 4 مؤكدة، أما الرقم 5 الذي يمثل أجزاء من مائة من الدرجة فيكون عشوائياً ، وجميع هذه الارقام الاربعة أرقاماً معنوية.
والملاحظ من المثال السابق، أنه كلما إزداد عدد الارقام التي تقرأ على أداة القياس، أي عدد الارقام المعنوية، كان القياس بالضرورة أكثر برهنة ودقة. فعند إستعمال ميزان الحرارة الايمن كما في الشكل (1) لقياس درجة الحرارة، تكون الفروق في درجة الحرارة المقاسة في حدود عشر الدرجة، أما عندما نستعمل ميزان الحرارة الايسر، فإن الفروق في درجة الحرارة في حدود أجزاء من المائة من الدرجة، أي أن التفاوت في القراءات في الحالة الثانية أقل مما هو في الحالة الاولى، وبالتالي فإن القياس الثاني أكثر دقة من الحالة العشوائية الاولى().












الشكل (1)
يوضح ميزان الحرارة الأيسر وهو أكثر دقة من ميزان الحرارة الايمن
كذلك يجب التأكد من أن عدد الأرقام المسجلة، يجب أن لا يقل ولا يزيد عن عدد الأرقام التي تقرأ على منظومة القياس مباشرة، فلا يمكن على سبيل المثال أن تسجل قراءة درجة الحرارة على أنها 38.62CO بإستمعمال الميزان الايمن إذ إن الرقم 6 أخذ المنحى العشوائي ، كذلك الحال في الرقم 2، ولا يجوز أن يزيد عدد الأرقام غير المؤكدة أو المشكوك فيها من الناحية العشوائية عن رقم واحد . وفي المقابل لا يجوز قراءة درجة الحرارة على أنها 38Co باستعمال الميزان نفسه، لأن هذه القراءة تعني أن الرقم 8 مشكوك فيه، وهذا غير صحيح. ()
ومع أن ميزان الحرارة الأيسر في الشكل (1) يعطي قراءة لدرجة الحرارة أكثر دقة من الميزان الحراري الآخر، إلا أنه ليس بالضرورة أكثر دقة وصحة، فلو كانت القراءة الصحيحة لدرجة الحرارة 38.7Co على سبيل المثال، لكان ميزان الحرارة الأقل دقة هو الأكثر صحة، وعكس ذلك صحيح لو كانت درجة الحرارة الحقيقية 38.3Co.
شروط التعامل بالصياغات الرقمية
إن عملية التعامل مع الصياغات الرقمية داخل الحسابات المختلفة، علينا أن نميز بين حالات الجمع والطرح هذا من جهة وحالات الضرب القسمة من جهة أخرى. وحتى نوضح هذا الأمر سنلجأ في بعض الأمثلة إلى وضع خط تحت أخر رقم إلى اليمين وهو الرقم العشوائ أو الرقم غير المؤكد، ويجب أن نتذكر أن جميع الارقام المكتوبة يجب أن تكون مؤكدة ماعدا واحداً منها، وهو أول الرقم من جهة اليمين.
عملية الجمع والطرح Addition and Subtraction
القانون لا يصح أن يزيد عدد الايقونات العشرية في حاصل الجمع أو الطرح عن عدد الايقونات العشرية في العدد الذي يحتوي على أقل عدد من الايقونات العشرية (أو يجب أن تساوي الدقة في حاصل الجمع أو حاصل عملية الطرح لأقل دقة في الارقام الداخلة في العملية الرياضية) . ولتوضيح ذلك نسوق المثال التالي في استخدام هذه القاعدة:
ذذذذذذذ ما هو حاصل جمع 2.271 + 107.4 ؟
الحل: حاصل الجمع هو 109.7 ، ونتوصل إليه في الطريقة الآتية:
2.271
107.4 +
109.671
فالرقم العشوائي في العدد الأول هو الرقم (1) في الايقونة العشرية الثالثة، أما في العدد الثاني ، العشوائية تقع في الرقم (4) في الايقونة العشرية الاولى، لذا فإن الرقم (6) في حاصل الجمع مشكوك فيه عشوائياً، وكذلك جميع الارقام التي تقع إلى اليمين منه لذلك نقرب إلى الايقونة العشرية الأولى فيصبح 109.7 ويمكن الوصول إلى محصلة نفسها لو قربنا العدد 2.271 إلى الايقونة العشرية الاولى 2.3 ثم قمنا بعملية الجمع بعد ذلك.()
2.3
107.4 +
109.7
وهنا لابد من الوقوف قليلاً عند التقريب، فخلال هذه العملية ننظر إلى الرقم الذي نعمل على الاحتفاظ به، إلى أقصى يمين العدد:
A: إذا كان الرقم الذي يليه من اليمين 5 أو أكثر من العدد 5 ثم نضيف وأحداً إلى ذلك الرقم، كما جرى في المثال (1:1).
B: إذا كان الرقم الذي يليه إلى اليمين أقل من 5 نجري أي تغيير على الرقم الذي نريد الاحتفاظ به:
عملية الضرب والقسمة Multiplication and Division
القاعدة: في عملية الضرب والقسمة، لا يجوز أن يكون الحاصل أكثر دقة من الاعداد الداخلة في عملية الضرب أو القسمة، وعليه فإن عدد الارقام المعنوية في حاصل الضرب والقسمة يجب أن لا يزيد عن عدد الارقام المعنوية في العدد الذي يحتوي على أقل عدد منها ويوضح المثال التالي ذلك:
ما هو حاصل ضرب 3.2× 14.321؟
الحل: عند أستعمال الآلة الحاسبة نحصل على حاصل ضرب فيه ستة أرقام:
14.321× 3.2= 45.8272
ونأتي إلى السؤال هنا: ما هي الدقة في هذا الرقم ؟ وكيف يجب أن ندونه؟
الشك والعشوائية في العدد 3.2 هو في الايقونة العشرية الاولى ، أي في حدود 0.1 أي أن نسبة الشك والعشوائية المئوية هي:

أما العدد 14.321 ، فإن الشك والعشوائية فيه يقعان في الايقونة العشرية الثالثة، أي أنه 0.001 فنسبة الشك والعشوائية المئوية فيه هما:

وبالمقابل يجب أن لا تقل نسبة الشك المئوية في حاصل الضرب عن نسبة الشك المئوية في العدد الاقل دقة، أي انها يجب ان تقل عن (3%) فإذا كانت نسبة الشك والعشوائية المئوية في العدد 45.8272 هي (3%) نحسب مقدار الشك والعشوائية كما يلي:

وعليه فإن نسبة الشك والعشوائية يقعان في منزلة الآحاد . أي أن 5 الذي يقع إلى يسار الفاصلة العشرية مشكوك فيه، وكذلك جميع الارقام الواقعة إلى يمينه . لذلك يقرب حاصل الضرب إلى رقمين معنويين،فيصبح (46).
أي القياسين، 24.41cm ، 4.41 cm أكثر دقة؟
الحل: حاصل القسمة باستعمال الآلة الحاسبة هو 0.0068571 فما هي الدقة في هذا العدد ؟ وكيف نكتبه؟ وماهو عدد الارقام المعنوية في العدد 0.024 الذي تقرر على أساسه النتيجة؟.()
هناك قاعدة حساب الاصفار أرقاماً معنوية إذا لم يكن الهدف من كتابتها مجرد تحديد مكان الفاصلة العشرية. ففي العدد 3.500 هناك أربعة أرقام معنوية ، حيث إن الصفرين الواقعين إلى يمين الرقم 5 (أو أي رقم غير الصفر) ، هما أيضا من الارقام المعنوية ، أما في العدد 0.024 فإن عدد الارقام المعنوية هو (2) . إذ إن الصفر يقع إلى اقصى يسار العدد أي لا توجد أرقام غير الصفر إلى يسار الرقم (2) . لذا فإن الصفر رقم غير معنوي، والهدف من وجوده هو تحديد مكان الفاصلة العشرية. وفي تلك الارقام العشرية عموماً ، تعتبر الاصفار التي تقع إلى يمين أي رقم غير الصفر أرقاماً معنوية ، أما الاصفار التي تقع إلى يسار الارقام (غير الصفر) فإن الغرض من وجودها، هو تحديد موقع الفاصلة العشرية، لذلك فهي أرقام غير معنوية إذا نحن نريد أن نخرج في محصلة، إن عدد الارقام المعنوية في العدد 0.024 هو (2). أما في العدد 3.500 فهو (4) وحسب قاعدة القسمة يجب أن يكون عدد الارقام المعنوية في حاصل القسمة (2)، لذلك يقرب حاصل القسمة إلى رقمين معنويين، فيصبح 0.0069 .
نقول: أن هناك طريقة تسهل الأمر وتجنبنا الوقوع في العملية العشوائية، وهي كتابة الاعداد التي تحوي على الاصفار بالطريقة العلمية للكتابة Exponnential Method أو Scientific Notation وبموجب هذه العملية يكتب رقم واحد (غير الصفر) إلى يسار الفاصلة فتكتب باقي الارقام إلى يمينها. وتستعمل الأسس (القوى) العشرية لإظهار قيمة العدد، بحيث لا يتغير عدد الارقام المعنوية ولا الدقة في الرقم. وجميع الأرقام التي تكتب في هذه الحالة هي أرقام معنوية ولبيان ذلك نعود إلى تلك الاعداد في المثال السابق حيث يتم كتابتها كما يلي:

ما هو الجواب في كل من العمليات الحسابية التالية؟
⦁-;- 41.8 + 2.416


الحل:
⦁-;- 2.416+41.8 =
= 44.216
= 44.2
وبما أن الجانب العشوائي في العدد 41.8 هو في الايقونة العشرية الاولى، والعشوائية في العدد 2.416 هو في الايقونة العشرية الثالثة. فإن العشوائية في حاصل الجمع الذي يقع في الايقونة العشرية الاولى. وعليه يقرب ناتج الجمع بحيث يتم الابقاء على منزلة عشرية واحدة، ويصبح 44.2 الذي يكتب حسب العملية .
⦁-;- 1.26 + 4.824 =
= 3.828571425
= 3.83
والعدد الذي يحتوي على أقل عدد من الأرقام المعنوية هو 1.26 لذلك فإن الأرقام المعنوية التي تقع في ناتج القسمة هي ثلاث فقط وعليه يقرب إلى 3.83.
C.
في مثل هذه الحالة نقوم بعمليات حسابية داخل هذه الاقواس:

وقبل الجمع يجب توحيد الأسس في العددين كما يلي:
وناتج الجمع في هذه العملية هو وبعد ذلك نعود إلى عملية القسمة في محتويات الاقواس().








الفصل الأول
المتن البنائي في الكيمياء (العضوية ـ غير العضوية ـ الفراغية)
لمحة تاريخية
في نهاية القرن التاسع عشر، كان الاعتقاد السائد عند الكيميائيين، أن المركبات التي تأتي من الكائنات الحية هي شديدة التعقيد، ولها قوة حيوية، كما أنها فريدة ويمكن أن تتوالد . وقد أطلقوا عليها اسم (عضوية) ولم يتقربوا منها نظراً لتعقيدها الشديد في تلك الفترة.
وتلقت الكيمياء العضوية أول دعم لها عندما تم إدراك أنه يمكن التعامل مع مركباتها مثل الكيمياء غير العضوية كما أنه يمكن تصنيعها بطرق أخرى غير طريقة (القوة الحيوية) وفي العام 1816 قام مايكل شيفرويل بدراسة الصابون المصنوع من عديد من الدهون والقلويات ، حيث قام بفصل الأحماض المختلفة والتي بإتحادها مع القلويات تنتج الصابون ، وحيث أن هذه كانت مركبات مفردة، قام بفرض ، أنه يمكن عمل تغييرات في الدهون المختلفة (والتي تأتي من أصل عضوي) لإنتاج مركبات جديدة بدون (القوة الحيوية).
الحدث الثاني
أما الحدث الحقيقي الذي تم فيه هدم خرافة (القوة الحيوية) كان في العام 1828 بواسطة فريدريك فوهلر حيث قام بتصنيع اليوريا (كاربامايد)، وهو مركب أساسي للبول من مادة غير عضوية (الامنيوم سيانات) NH4Ocn والذي يطلق عليه حالياً تصنيع فوهلر، أما الحدث الآخر والهام حدث في العام 1856 حدث بواسطة ويليام هيزي بيركن بينما كان يحاول تصنيع (الكيونين) حيث وصل بالصدفة لتصنيع ما يسمى الآن (بنفسجي بيركن) والذي بتصنيعه إستطاع ربح الكثير من المال مما ساعد على زيادة الاستثمارات الموجهة لدراسة الكيمياء العضوية . والخطوة الأخرى كانت التصنيع المعملي (للدي دي لي) بواسطة (اوثمر زيدكر) في العام 1874، ولكن لم يتم إكتشاف قوة هذا المركب لإبادة الحشرات إلا بعد مرور وقت كبير.
وإستمر تاريخ الكيمياء العضوية بإكتشاف البترول وتقطيره إلى مكوناته طبقاً لدرجات الغليان، وأدى الوصول إلى تحويل المركبات من وإلى بعضها إلى ميلاد صناعة (البتروكيمياويات).()
والتي تم عن طريقها تصنيع المطاط الصناعي ، واللواصق العضوية المتعددة، والتحكم في خواص البترول عن طريق الإضافات المختلفة، كما بدأت صناعة الأدوية في العقد الآخير من القرن التاسع عشر عندما تم تصنيع حمض (الايتيل) (الاسبرين) في المانيا بواسطة (باير).
الكيمياء الحيوية
وهي كيمياء الكائنات الحية، والتفاعلات التي تتم بداخلها، انشاء المنظومات الكيميائية الحية، وقد بدأت في القرن العشرين، فاتحة بذلك باب آخر من أبواب الكيمياء العضوية وكان له مدى واسع من التطبيقات.
تصنيف المواد العضوية
الوصف والتسمية
لا يمكن القيام بعملية التقسيم دون الحصول على وصف كامل للمكونات المفردة للمركب العضوي. وعلى عكس الكيمياء غير العضوية، والتي يمكن فيها وصف المركب الكيميائي بواسطة معرفة الرموز الكيميائية للعناصر الموجودة في المركب وعدد كل منها، فإنه في الكيمياء العضوية يجب معرفة تركيب هذه الذرات بالنسبة لبعضها البعض أيضاً ليكون هناك توصيفاً كاملاً.
وأحدى طرق وصف الجزئي هو رسم المعادلة البنائية، ونظراً لتعقيد هذه الطريقة، فقد تم تغييرها ، وتبسيطها عبر السنين، وآخر هذه التعديلات هو المعادلة الخطية، والتي تتضمن السهولة بدون حدوث لبس أو غموض، وهنا يتم تمثيل كل من الكربون والهيدروجين بصورة ضمنية ، وعيوب هذه الطريقة، أنه لا يمكن وصفها بالكلمات كما يصعب طباعتها، وهكذا يمكن التغلّب عليه بواسطة تسمية المواد العضوية . ونظراً لوجود صعوبة ناتجة من وجود عدد كبير ومتعدد من المركبات العضوية، إعتمد الكيميائيين على نظام عالمي موحد لتسمية المركبات العضوية، وقد تم ميلاد هذه التسمية في جنيف في العام 1822 بعد عدة لقاءات دولية متعلّقة بهذا الموضوع. ()
كما تم إدراك أنه ينمو أعضاء عائلة المركبات العضوية ، يجب أن يتم تعديل هذا النظام, وقد تم الإتفاق على أن يقوم بهذه المهمة الأتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية Iupac.
وبالوصول إلى حقيقة، أن تعقيد المركبات يزيد في فرع الكيمياء الحيوية، قررت منظمة (الأيوباك) الحاق Iubmb الإتحاد الدولي للكيمياء والجزئيات الحيوية بها للوصول إلى تسميات للمركبات المختلفة.
وبمرور الوقت وبزيادة تعقيد المركبات، كانت هناك محاولات عديدة من (الأيوباك) لتبسيط طرق التسمية، وقد كانت أول هذه التوصيات في العام 1951 عندما تم تسمية (البنزين الحلقي) (سيكلوفان )، وبعد ذلك كانت هناك توصيات عديدة لتبسيط تسمية المركبات الحلقية الأخرى والتي تحتوي على ذرات غير متجانسة، مثل (الغازات) ولكن في الواقع لا يزال الاسم التقليدي (غالباً ما يكون مشتق من أصل المركب) لكثير من المركبات يستخدم نظراً لتعقيد الاسم المقترح من (الأيوباك) إلا في حالة الحاجة لوصف دقيق ومحدد لأحد المركبات، فإنه يتم الرجوع لإسم (الأيوباك) ، أو في حالة أن الإسم المقترح من (الأيوباك) يكون أسهل من الاسم التقليدي للمركب على سبيل المثال: (تسمية الأيوباك للكحول الأثيلي هي الإثانول).
تصنيف المواد العضوية
بإيجاز شديد يتم تصنيف المواد العضوية طبقاً لترتيب بنائها الجزئي وبطريقة تواحد الذرات الأخرى بالنسبة لذرة (الكاربون الرئيسية) بينما يفترض أن ذرات (الهيدروجين) تشغل كل التكافؤات الفارغة لذرات الكربون، والتي مازالت باقية بعد الأخذ بالاعتبار التفريعات المختلفة، الذرات الأخرى، الرواط المتعددة().
المركبات الألفاتية
تنقسم الهيدروكربونات الاليفاتية إلى ثلاثة مجموعات، السلاسل المتجانسة طبقاً لحالة تشبعها: البارفينات (الألكانات) والتي لا يكون فيها أي روابط ثنائية أو ثلاثية، (الأولفينات) (الألكينات) والتي لا تحتوي على روابط ثنائية، والتي يمكن أن تكون أولفين (أحادي) يحتوي على رابطة ثنائية واحدة (أولفين ثنائي) ويحتوي على رابطين، (أولفين) متعدد ويحتوي على عدة روابط ثنائية.
المجموعة الثالثة
هي (الألكاينيات) كما توجد تقسيمات أخرى للمركبات (الأليفاتية) أعتماداً على المجموعات الفعالة الموجودة بها. كما أن المركبات (الأليفاتية) يمكن أن ينظر لها عن طريق استقامة أو تفرع السلسلة المكونة للمركب، ودرجة التفرع أيضا لأن هذا يؤثر على خواصها ، مثل : رقم (الاوكتان في صناعة البترول).
المركبات الاروماتية والحلقية الأليفاتية
يمكن للمركبات الحلقية أن تكون مشبعة أو غير مشبعة ، ونظراً لقيمة الزاوية بين الروابط بين ذرات الكربون، فإن الشكل الذي يحتوي على (6) ذرات كربون يعتبر أكثر الأشكال الحلقية ثباتاً، ولكن ذلك لا يمنع وجود بعض الحلقات التي تحتوي على (5) ذرات كربون، وفيما عدا ذلك يعتبر نادر الحدوث . وتنقسم (الهيدروكربونات) الحلقية إلى حلقية (أليفاتية، وأروماتية) والتي يطلق عليها أيضاً (أرينية) ومن المركبات (الحلقية الأليفاتية) التي لا تحتوي على روابط ثنائية الألكانات الحلقية (البارفينات الحلقية) بينما تحتوي (الألكينات الحلقية، الأوليفينات الحلقية) على روابط ثنائية . واصغر عضو في عائلة (الألكانات الحلقية هو البزوبان الحلقي) كما توجد مجموعة هامة ضمن الحلقات (الأليفاتية) هي مجموعة (التربينات).()
والشيء المختلف في الهيدروكربونات الاروماتية هو إحتوائها على روابط ثنائية متبادلة أو مترافقة، وأحد أبسط الأمثلة على ذلك هو حلقة (البنزين) وبناء البنزين تم إقتراحه بواسطة (كوكل) والذي كان أول من إفتراض مبدأ عدم التمركز أو الرنين لتوضيح هذا البناء.
وتتغير صفات الهيدروكربونات الحلقية في حالة وجود مجموعات فعالة، ولكن في بعض الحالات يمكن أن تصنّف بعض العناصر التي تكون مجموعات فعالة ضمن الحلقة نفسها، ويطلق على المركبات التي تحتوي على الكربون والهيدروجين فقط في تركيبها بالحلقات المتجانسة، بينما يطلق على التي تحتوي على عناصر أخرى حلقات غير متجانسة وتسمى (الذرة المتبدلة) مكان (ذرة الكربون) بذرة غير متجانسة.
وبشكل عام فإن الذرة غير المتجانسة تكون ذرة أكسجين نيتروجين كبريت، ولكن غالباً ما تكون (نيتروجين) وتتكون الحلقات غير المتجانسة في الكائنات الحية من (النيتروجين) ومن الأمثلة الموجودة للحلقات غير المتجانسة صبغة (الانيلين) ومعظم المركبات التي يتم مناقشتها في الكيمياء الحيوية مثل (الألكالويد) ومركبات عديدة من (الفيتامينات الأحماض النووية) وعديد من المركبات الطبية. ومن هذه المركبات البنائية (البيرول) ، (خماسي الحلقة) و(الاندول) (سداسي الحلقة).
البوليمرات
أحد الخواص الهامة للكربون في الكيمياء العضوية ، أنه يستطيع تكوين مركبات معينة، تستطيع الجزيئات المفردة لهذه المركبات ربط نفسها ببعض، وبالتالي تكوين سلسلة أو شبكة، وتسمى هذه العملية (بلمرة)، ويسمى السلاسل أو الشبكات المتكونة (بوليمرات) ، بينما يطلق على الجزئي المكوّن لها(بالمونومر).()
وتوجد مجموعتان رئيسيتان لهذه المركبات: المجموعة التي يتم تصنيعها وتسمى (البوليمرات) الصناعية، (والبوليمرات) التي توجد بصورة طبيعية وستمى (بوليمرات حيوية).
وبمجرد الحصول على أول (بوليمر) بطريقة صناعية: الباكالايت، إتجهت صناعة (البوليمرات) نحو النمو بصورة كبيرة. ومن (البوليمرات العضوية الشائعة الإستخدام بولي إثيلين) أو (البوليثين)، (البولي بروبيلين) النايلون التيفلون أو pfe البولي استر، البولي ميثيل ميثا أكربلات (البلاستك الشفاف) بولي فينيل كلوريد PVC.
وكل هذه الانواع عامة ولكن يوجد لكل منها تفرعات كثيرة بخواص فيزيائية مختلفة الإستخدامات. وبتغيير عملية (البلمرة) يتغير التركيب الكيميائي (للبوليمر) الناتج، وذلك بحدوث تعديلات في طول السلسلة أو التفرع، أو الترتيبية، وعند البدء (بمولومر) واحد فإن (البوليمر) الناتج يكون متجانس ويمكن إستخدام أكثر من (مونومر) لإنتاج (بوليمر) مشترك، كما يمكن التحكم في درجة إتحاد مكونات (البوليمر) ببعضها البعض. وتعتمد الخواص الفيزيائية مثل الصلابة الكثافة قوة الشد مقاومة الإحتكاك مقاومة الحرارة اللون على التركيب النهائي .
المادة الوحيدة الاخرى التي يمكن أن ينتج منها (بوليمرات) هي (السيليكون . وللسيليكونات ) إختلافات رئيسية عن (البوليمرات) الكربونية كربون ـ كربون، ترتبط ذرات السيليكون، ترتبط معاً بطريقة غير مباشرة عن طريق روابط من (الجزيئات الحيوية) الجزيئات الحيوية هي أحد التصنيفات الرئيسية في الكيمياء العضوية. وتمثل العديد من الجزيئات المعقدة الكبيرة أهمية بالغة في الكائنات الحية. وبعضها يحتوي على سلاسل كبيرة من (البوليمرات) الحيوية. وتنقسم الجزيئات الحيوية لأقسام رئيسية مثل (الكربوهيدرات) الأحماض الامينية السكريات المتعددة الليبيدات الأحماض النووية. ()
المركبات العضوية التي تحتوي على روابط بين الكربون ، النتروجين، الاكسجين، الهالوجينات، ويتم تقسيمها منفردة. وتوضع المركبات الأخرى في مجموعات رئيسية ضمن الكيمياء العضوية ويتم مناقشتها تحت عناوين مثل:








المركبات الأروماتية للبنزين
أطلق قديماً على المركبات التي تتكون من روائح عطرية لفظ (أروماتي) ومن ضمنها وبشكل خاص (البنزين) ومشتقاته التي تحمل رائحة عطرية طيبة مثل الألدهيدات والأثيرات الأروماتية. ولكن مع الزمن وبعد أكتشاف العديد من المشتقات للبنزين والتي لا رائحة لها، لم تعد هذه التسمية مجدية، وأصبحت المركبات الأروماتية تشمل كل المركبات الحلقية الاخرى التي تشابه البنزين في تركيبته الكيميائية وخاصة فيما يتعلق بالثبات الكيميائي غير الطبيعي لتلك المركبات الأروماتية ، البنزين ومشتقاته والمركبات الاروماتية عديدة الحلقة مثل النفثالين ، والمركبات الحلقية غير المتجانسة مثل البيريدين وغيرها.









يتضح من مقارنة الصياغات الكيميائية العامة للبنزين أو الصيغ الكيميائية العامة للمركبات الاروماتية بشكل عام والصياغات الكيميائية العامة للألكينات أن البنزين والمركبات الأروماتية الأخرى يفوق الألكينات في خاصية عدم التشبع، حيث تحتوي تلك المركبات على أكثر من رابطة مضاعفة، ومع ذلك لا تتفاعل بالإضافة كما في حالة الألكينات، حيث أنها لا تزيل لون (البرومين) ولا لون برمنجانات البوتاسيوم، وإنما تتفاعل عن طريق عملية الاستبدال بدلا من الإضافة، وذلك راجع إلى ثبات الروابط المضاعفة في (البنزين) والمركبات الأروماتية الاخرى مقارنة بالالكينات.
تركيب جزئي البنزين Kekule s proposal حسب ككيولي في العام 1865
لقد اقترح ككيولي أن البنزين عبارة عن حلقة سداسية الاضلاع، تتكون من ست ذرات كربون وست ذرات هيدروجين كل واحدة من ذرات الهيدروجين متصلّة بذرة كربون، واقترح كذلك أن البنزين يحتوي على ثلاثة روابط مضاعفة لكي تنطبق القاعدة التي تنص على أن الكربون رباعي التكافؤ، وأن تلك الروابط المضاعفة تتحرك إلى الإمام وإلى الخلف بشكل سريع لكي تكون الأشكال الآتية التي من المحال فصلها.





إن اقتراح ككيولي يفسر الحقيقة التي تنص على وجود مركب واحد فقط لكلوروبنزين أي أنه لا يوجد متشابهات أخرى، كما أنه يوجد ثلاث متشابهات فقط لثنائي (كلوروبنزين) وهذا دليل على أنّ جميع ذرات الهيدروجين الست متكافئة.
وبالرغم من أن إقتراح ككيولي منسجم مع كثير من نتائج التجارب الخاصة بالبنزين إلاّ أنه لم يحل المشكلة بشكل نهائي فيما يتعلّق بالثبات الكيميائي غير العادي للبنزين مقارنة بالأوليفينات . فإذا كان البنزين يحتوي على ثلاثة روابط مضاعفة، كما إقترح ككيولي فإنه يجب أن يتفاعل مع البروم (Br2) كما لو كان أوليفين، ولكن في الواقع نجد أن البنزين إلى حدّ ما خامل تجاه البروم، ولذلك فإن البنزين لا يمكن أن يكون لديه ثلاثة روابط مضاعفة كما هو مقترح :















الخاصية الجمعية للمركبات الأروماتية
وتحدد بما يلي:
⦁-;- هو أن يحتوي المركّب الأروماتي على شكل حلقي يحتوي على سحابة في مساره الدائري من الألكترونات بأي اللاموضعية فوق وتحت مستوى الحلقة الناتجة عن تداخل بين الإلكترونات الموجودة في مدارات P المتجاورة بمعنى أخر حتى نحصل على سحابة إلكترونية في مسار دائري يجب ألا تكون الذرات في الحلقة مفصولة بذرّة كربون مشبعة. .
⦁-;- لكي يحصل أقصى تداخل بين مدارات P يجب أن تقع ذرّات المركب الأروماتي على مستوى واحد.
⦁-;- تؤدي هذه السحابة من إلكترونات بأي اللاموضعية إلى ثبات الحلقة الأروماتية وبالتالي، فإن الحلقة ذات الصفة الأروماتية تخضع لتفاعلات الاستبدال بدلاً من تفاعلات الإضافة التي بدروها تؤدي إلى تدمير الصفة الاروماتية.
يجب أن تحتوي السحابة الإلكترونية على مجموعة من إلكترونات بأي، حيث n تساوي عدداً صحيحاً موجباً أو صفراً أي أنه يجب أن تحتوي على أعداد خاصة من هذه الالكترونات مثل: (2، 6، 10) وهكذا حتى يكون المركب أروماتياً، تسمى هذه القاعدة بقاعدة هوكل Huckel نسبة إلى مكتشفها وهي تعتمد على ميكانيكا الكم. ففي حالة جزئي البنزين على سبيل المثال نعتبر n يساوي واحداً. وبالتالي يصبح القانون:
6= 2+4(1)
وهذا ينطبق على عدد إلكترونات بأي في حلقة البنزين، حيث إنه يوجد ستة إلكترونات باي، ويمكن تطبيق هذه القاعدة على المركبات الاروماتية التي تشمل أكثر من حلقة بنزين، كالنفثالين (عشرة إلكترونات باي) والفينثرين (اربعة عشر إلكترون باي) وكذلك فإن المركبات غير المتجانسة مثل:
البيرول والإندول وغيرها تعتبر أروماتية مثلها مثل البنزين في خواصه.() كما إن قاعدة هوكل تنطبق عليها حيث إن (البيرول) على سبيل المثال يحتوي على ستة إلكترونات بأي أربعة منها على مدارات P2 لذرات الكربون الأربع وإثنان على مدار P2 للذرة غير المتجانسة.
كما أن هذه القاعدة تنطبق على المركبات الحلقية التي تحوي عدداً من ذرات الكربون يزيد أو يقل عن ست ذرات.










Pheneathrene

14 إلكترون بأي Naphthalene

10 إلكترونات باي





Indole Pyrrole
4(2)+2=10
10 إلكترونات باي 4(1)+2= en s
6 إلكترونات باي
من جهة أخرى نجد أن مركب (السيكو أكتاتترائين) cyclooctatraene الذي يحتوي على ثمان إلكترونات باي يعتبر مركباً غير أروماتياً، لأن قاعدة (هوكل) لا تنطبق عليه، حيث إنه لا يوجد عدداً صحيحاً يمكن تعويضه عن الزمر (n) لكي نحصل على العدد ثمانية طبقا لقاعدة (4n+2) . لذلك نجد أن جزئي السيكوأوكتانترائين يتفاعل مع البروم وبرمنجات البوتاسيوم بالإضافة كما في حالة الأوليفينات . قد بينت الاشعة السينية أن ذراته لا تقع على مستوى واحد، وكما نعرف أنه شرط أساسي للمركبات الاروماتية أن تقع ذراتها على مستوى واحد.



Cyclooctatetraene

بالإضافة إلى ذلك فإن مركب (السيكلوبيرتادايئين) لا يعتبر مركباً أروماتياً على الرغم من وجود التأرجح وذلك بسبب عدم إنطباق قاعدة (هوكل)،حيث إن عدد إلكترونات باي فيه تساوي أربعة.




وهذا يفسر عدم ثبات مركب (السيكلوبيوتادايئين) حيث أنه لا يتم الحصول عليه إلا مبرداً في الأرجوان الصلب عند (-260co).
من جهة أخرى فإنه يوجد أيونات تتمتع بثبات خاص وذلك لكونها مركبات أروماتية حيث تنطبق عليها قاعدة (هوكل).


مثال على ذلك أينون (سايكلوبنتادائئينل)():



كاتيون سايكلوبيوتينيل الثنائي cyclobutenyidication







Cyclopentadienylanion






Ropenylcation cyclop


مشتقات الانظمة الاروماتية
على سبيل المثال: نيتروبنزين الذي يحمل مجموعة ساحبة للإلكترونات أصعب قابلية للهجوم اللإلكتروفيلي من البنزين نفسه أي أقل فاعلية منه، والسبب هو أن مجموعة النيترو تقلل من كثافة الشحنة السالبة على الحقلة، أما إذا وجدت مجموعة مطلقة للإلكترونات مثل:

متصلة بحلقة البنزين فإنها تزيد من ثبات الكاتيون الموجب بأن تساعد في نشر الشحنة الموجبة فيكون المركب اكثر فاعلية من البنزين.














الانشطار المتجانس والانشطار غير المتجانس للروابط التساهمية
قبل الحديث عن التفاعلات يجب أن نشير إلى ما يعرف باسم الانشطار المتجانس (المتعادل) وغير المتجانس (غير التعادل) للرابطة التساهمية.






والانشطار المتجانس (المتعادل) وغير المتجانس (غير المتعادل) للرابطة التساهمية، فمن المعروف أن التفاعلات العضوية تشمل إنشاء الروابط التساهمية أو كسرها فالرابطة التساهمية بين ذرتين X ، Y على سبيل المثال أن تنكسر بأحد الطريقتين التاليتيتين:
طريقة الإنشطار المتجانس Homolysis
نتيجة هذا الأنشطار هو تكوّن كيانات وسطية تدعي الجذور الحرة Free radicals وتحدث نتيجة تكسر الرابطة التساهمية بين الذرتين بحيث تحتفظ كل ذرة بألكترون مفرد Oddelectron .

جذور حرة
تتفاوت الجذور الحرة في درجات ثباتها كما انها فقيرة إلكترونيا ، فالجذر الحر يحتوي على سبعة إلكترونات في مستوى التفكافؤ ، ولهذا عادة ما يكون شديد النشاط ويبحث عن مصدر لاستكمال ثمانيته الإلكترونية وهناك عدة طرق يمكن بواسطتها تكوّن الجذور الحرة قصيرة الامد منها الانشطار الضوئي والحراري للروابط كما يتضح من الأمثلة التالية():




قد يكون أمد الجذور الحرة قصير Short lived radicals وتحدث فقط ككيانات وسطية Intermediate في التفاعلات الكيميائية ومن أمثلة ذلك جذور ألكيل وتتفاوت في درجات ثباتها حسب النسق التالي:


أما جذرا الأثيل والبنزين فيظهران ثباتاً عالياً نسبياً، فهما يفوقان حتى الجذور الثالثية، وذلك راجع إلى ظاهرة إزاحة الإلكترونات عبر أفلاك أي التأثير الرنيني.







اما النوع الثاني من الجذور فهي جذور طويلة الأمد Long – lived وفيما يلي أمثلة على ذلك وطرق الحصول عليها():



لقد دلت التجارب أن المحلول الأصفر الذي يحتوي على جذر ثلاثي فينيل ميثان يتفاعل بسرعة كبيرة مع أكسجين الهواء ويكوّن أو مع اليود معطيا وهذه دلائل كافية على ثبات الجذور في المحلول الاصفر.
ومن الأمثلة على جذور طويلة الامد أيضا:

وتحضر كما يلي:



وتدخل الجذور الحرة تفاعلات ، إضافة وإحلال مثل: تفاعل الألكانات مع الهالواجينات وتفاعل بروميد الهيدروجين مع المركبات غير المشبعة في وجود بيروكسيدات peroxides :

طريقة الانشطار غير المتجانس Heterolysis
يحدث هذا الإنشطار نتيجة تكسير الرابطة التساهمية بطريقة غير متجانسة أي أن إحدى الذرتين تستحوذ على إلكتروني الرابطة بسبب السالبية الكهربائية، وفي كلا الحالتين تتكون الأيونات ومعظم التفاعلات العضوية في وجود مذيبات قطبية تتم بهذه الطريقة().



عندما يكون الأيون عبارة عن ذرة كربون تحمل شحنة موجبة فأنه يسمى كاتيون كربوني caybocation (يعرّف قديماً باسم ايون كربونيوم carboniumion ) ويعتبر فقيراً إلكترونياً، وبالعكس عندما تكون الشحنة السالبة على ذرة الكربون فيسمى أنيون كربوني carbanion ويعتبر غنياً إلكترونياً.

المتشكلات الفراغية (المجسامية) Stereoisomers
وفيها الذرات الداخلية في تكوينها متصلة بنفس التتابع إلا أنها تختلف في ترتيب هذه الذرات في الفراغ ومنها:
المتشكلات الهندسية Geometrical isomers
اهم أنواع المتشكلات الفراغية ما يعرف باسم المتشكلات الهندسية (متشكلات سيس متجاورم ) وترانس (متضاد ض) وعلى سبيل المثال (2ـ بيوتين ) له متشكلان هندسيان (I, II) في (م -2 – بيوتين) نجد مجموعتين مثيل على نفس الجانب من الجزئي بينما نجدها على جانبين مختلفين في (ض – 2 - بيوتين ) الأكثر ثباتاً ، لماذا؟().



ويظهر هذا النوع من التشكيلات في الألكانات الحلقية.




الألكانات Alkanes
المركبات التي تحتوي على عنصري الكربون + الهيدروجين فقط تسمى بالهيدروكربونات، والألكانات هي نوع من الهيدروكربونات ، تتميز عن غيرها بأن الروابط بين جميع ذرات الكربون في جزئياتها روابط أحادية، أي أن كل ذرة كربون في الجزيء ترتبط إلى الحد الأقصى من الذرات وهو أربع ذرات، تسمى بالهيدروكربونات المشبعة، وتصنف إلى ألكانات مفتوحة السلاسل (Cycloalkanes).
البناء الجزيئي في الأكانات
إن البناء الجزئي للميثان (CH4) هو أبسط الألكانات، وما قيل عن الميثان من حيث عملية التهجين في ذرة الكربون وزوايا الربط وشكل الجزئي ينطبق على جميع الالكانات. فلكل ذرة كاربون تهجين sp3 وبالتالي فكل منها والذرات الأربع المرتبطة معها تمثل شكلاً رباعي السطوح منتظم وبزوايا ربط قيمة الواحدة منها (109.5o) تقريباً وفيما يلي صيغ لونيس والصيغ المجسمة لكل من الميثان والإيثان.









تسمية الالكانات العادية
إن الصيغة العامة للألكانات المفتوحة السلاسل هي :

حيث n تمثل عدد ذرات الكربون بالجزئي. وأبسط الألكانات هو الميثان (n=1) المكون الرئيسي للغاز الطبيعي، يليه الإيثان (n=2) فالبروبان (n=3) فالبيوتان (n=4) والجدول أدناه يبين أسماء بعض الألكانات العادية (غير متفرعة السلاسل).
الصيغ الجزئية
اسم الهيدروكربون عدد ذرات الكربون الصيغة الجزيئية
ميثان Ethane 1 CH4
إيثان Ethane 2 C2H6
بروبان Propane 3 C3H8
بيوتان Butane 4 C4H10
بنتان Pentane 5 C5H12
هكسان Hexane 6 C6H14
هبتان Heptane 7 C7H18
أكتان Octane 8 C8H18
نونان Nonane 9 C9H20
ديكان Decane 10 C10H22
أونديكان Undecane 11 C11H24
دوديكان Dodecane 12 C12H26
ترايديكان Tridecane 13 C13H28
تيتراديكان Tetradecane 14 C14H30
بنتاديكان Pentadecane 15 C15H32

الشكل البنائي والتسمية
إن الصياغات البنائية تبين نمط تتابع الربط بين الذرات في الجزئي، وبالتالي يقود الاختلاف في عمليات التتابع للربط إلى تكوين مركبات مختلفة لنفس الصيغة الجزيئية، وتعرف هذه الظاهرة بالتشكل البنائي، ويطلق على المركبات التي لها نفس الصيغة الجزيئية ولكنها تختلف في تتابع ترابط ذراتها لفظ متشكلات بنائية.
وتختلف المتشكلات البنائية في العديد من خواصها الفيزيائية (نقطة الانصهار ، نقطة الغليان) ونجد مثل هذا التشكل في (الألكانات) التي يزيد عدد ذرات الكربون في جزيئاتها عن ثلاث ذرات ، ففي حين هنا إلكان واحد لكل من الصيغ C3H8, C2H6, CH4 نجد أن الصيغة C4H10 تمثل ألكانين مختلفين وتمثل الصيغة C5H12 ثلاثة ألكانات مختلفة وهكذا يزيد عدد المتشكلات البنائية بزيادة عدد ذرات الكربون.




للصيغة C4H10 متشكلان هما():


بيوتان عادي
n.Butane
(1)
ايسوبيوتان
ISO.Butane
(2)
والصيغة ثلاثة متشكلات هي:


بنتان عادي
n.Pentane
(1)
ايسوبيوتان
ISO.Butane
(2)






طرق تسمية الألكانات
هناك طريقتان للتسمية هما:
التسمية الشائعة أو الاعتيادية common names
وفيها تعرف الألكانات المتفرعة بالألكنات العادية، فيقال عادي بيوتان وعادي بنتان وعادي هكسان...، وغالباً ما تختصر كلمة عادي إلى (( عـ (n) فتكتب : عـ ـ بيوتان أو عـ ـ بنتان ...، ويضاف المقطع (أيسو ـ (iso إلى اسم الالكان إذا اكان أحد طرفي السلسلة يحتوي على مجموعتي ميثيل (CH3) ، والمقطع (نيو ـ neo) إذا احتوى على ثلاث مجموعات ميثيل))():

نيوهكسان ايسوبيوتان

عـ ـ هكسان




أيسوهكسان

التسمية النظامية
وتعرف أيضا بتسمية (أيوباك) (Iupac ) وذلك لأنها الطريقة المتفق عليها في الإتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية، ولها قواعد يجب إتباعها وتتخلص بما يلي:
⦁-;- يعطي اسم الالكان المقابل لأطول سلسلة متصلة من ذرات الكربون (السلسلة الأم) ويعتبر هو الإسم الأساسي.
⦁-;- ترقم السلسلة تلك من الطرق الأقرب للتفرع وذلك لإعطاء الفرع أصغر أرقام ممكنة.
⦁-;- يكتب أسم الفرع مسبوقاً برقمه قبل الإسم الأساسي.
⦁-;- إذا تكرر نفس الفرع يشار إلى العدد باالمقاطع ثنائي (أثنين) ، ثلاثي (ثلاثة) ، رباعي (أربعة) ...مع تحديد مواضعها بأرقام.
⦁-;- الفروع الجانبية القصيرة تعتبر مشتقات للسلسلة الطويلة وترتب أبجدياً حسب الحروف الأنكليزية قبل اسم أطول سلسلة مع الرقم الذي يبين نقطة الإتصال.



وهذه الأمثلة أدناه توضح تسمية بعض الألكانات ، طبقاً لهذه القواعد.

















تسمية مجموعة ألالكيل Alkylgroups
من الأهمية بمكان معرفة أسماء المجموعات الألكيلية الهامة وكيف تشتق أسماءها، فالمجموعة (الهيدروكربونية) المشتقة من ألكان (ألكان ينقصه هيدروجين واحد) تسمى مجموعة ألكيل ويرمز له بالحرف R.
ألكان ـ ذرة هيدروجين مجموعة ألكيل

ألكيل ألكان
ويشتق أسمها من الألكان المقابل بكتابة المقطع (يل ـ yl) بدلاً من المقطع (ane) في اسم الألكان فالمجموعة المشتقة من الميثان تسمى مجموعة ميثيل وتلك المشتقة من الإيثان مجموعة إيثيل الخ.والجدول أدناه يبين أسماء أهم المجموعات وأكثرها شيوعاً().
ألكان مجموعة ألكيل الرمز
ميثان CH4 ميثيل CH3- Me
إيثان CH3CH3 ميثيل CH3CH2- Et
بروبان CH3CH2CH3 بروبيل CH3CH2CH2- Pr
بيوتان CH3CH2CH2CH3 بيوتيل CH3CH2CH2CH2- Bu


بنية المتن في الكيمياء الفراغية
إن إعداد التناسق المختلف في بنية معقدات الأيونات الفلزية المختلفة، وتأثير هذه النواحي البنائية على الخواص (الفيزيائية والكيميائية) .
تترواح أعداد تناسق الأيونات الفلزية بين واحد، كما في الأزواج الايونية، مثال على ذلك إلى اثني عشر، كما في مخاليط الأكاسيد الفلزية ولا يمكن اعتبار عدد التناسق واحداً ضمن الكيمياء التناسقية، ذلك لأن الزوج الايوني لا يدخل في إطار المركبات التناسقية ، لكن أيول الفناديل يظهر إتحاد مجموعة عددا تناسقياً مساوياً لواحد، إلا أن هذا الأيون لا يبقى طويلاً في الحالة الحرة، إذ يرتبط بسهولة بأربعة أو خمسة ليكاندات أخرى ليعطي مركبات مثل :

ويمثل العدد (12) الحد الأعلى لأعداد التناسق وهو غير مهم مثل حالة عدد التناسق واجد ويمكن ملاحظة أعلى وأوطأ أعداد التناسق النموذجية في المركبات التناسقية بكونها (Vander Waals)9,2، وتعزى وجهة نظر آصرة التكافؤ بنية رباعي السطوح إلى تهجين sp3 ، وقد تم ملاحظة ذلك إستناداً إلى وجهة نظر نظريتي (المجال البلوري والاوربتال الجزيئي) عدم استقرار بنية رباعي السطوح الليكاندات الكبيرة مثل: أيونات الكلوريد ـ والبروميد ـ واليوديد مع أيونات فلزية صغيرة من الأنواع الثلاثة الاتية:
A : الأيونات التي تأخذ ترتيب الغاز الخامل مثل أيون البريليوم الثنائي الموجب.
B: أيونات الفلزات الإنتقالية التي لا تفضل بنية أخرى بسبب تأثير طاقة إستقرار المجال البلوري ، مثل ايون الكوبلت الثنائي الموجب d7. ولنا عودة إلى هذا الموضوع . نأتي الآن إلى بنية المتن في():
بنية المتن في البلمرة المشتركة copolymerization
وهي حالات البلمرة التي تتضمن وجود واشتراك أكثر من نوع واحد من المونوميز في عملية البلمرة ونتيجة البلمرة تدخل في سلسلة لبولمبر الذي يتكون من نوع واحد من الوحدات التركيبية بالبولمبر المتجانس Homopolymer.
بينما في حالة تعداد أنواع الوحدات التركيبية في السلسلة ، فيسمى (البوليمر) أو البوليمر المشترك أو الكوبوليمر، إن الكيفية التي ترتبط بها هذه الوحدات التركيبية المختلفة، هي التي تحدد نوع الكوبوليمر ويكون لها تأثير كبير على خصائص البولبمر الفيزيائية والميكانيكية . وتمتاز الكوبوليمرات الصناعية بميزات تطبيقية جيدة، إذ بواسطة البلمرة المشتركة يمكن جمع العديد من المزايا والخصائص الجيدة في بوليمر واحد وبواسطة البلمرة المشتركة تتحسن الكثير من المساوئ الموجودة في بعض البوليمرات المتجانسة سواء أكانت بوليمرات طبيعية أو صناعية . ويمكن تحضير عدد غير قليل من البوليمرات من نفس المونوميرات وذلك بتغير نسبة المونوميرات المستخدمة.
ولغرض توضيح اهيمة البوليمرات المشتركة نأخذ مثالاً صناعياً مهماً وهو المطاط (Acrylonitrile Butadiene – styrene copolymer ABS) المكون من ثلاث مونوميرات هي الستايرين، والبيوتادايين، والاكريلونايتريل.
ومن الجدير بالذكر إن صفات البولي العضوية المختلفة أو ملاحظة الدهون والزيوت . فصفات البولي ستايرين هذه تحدد من استخداماتها الصناعية. ولكن بالمقابل فإن البلمرة المشتركة للستايرين مع مونوميرات أخرى، مثل البيوتادايين لتكوين مطاط (SBR) أو عند اشتراكه في البلمرة مع البيوتادايين والاكريلونتريل لتكوين المطاط ABS ، فإنه يعطي كوبوليمرات عظيمة الأهمية صناعياً.
أنواع البنية المتنية للكوبوليمرات
ويتشكل من هذا:
A: الكوبوليمرات العشوائية Random Copolymers ويتضح من خلال هذه القضية هو أن الوحدات التركيبية المختلفة في هذه الكوبوليمرات متنوعة بشكل اعتباطي أو عشوائي Randomly في السلاسل البوليمرية . لو مثلنا الوحدات التركيبية المتنية المتكون منها الكوبرليمرات عبر التكوين و فيمكن تمثيل تركيب الكوبوليمر العشوائي بالشكل التالي:

إن صفات الكوبوليمرات العشوائية تكون عادة وسطا بين صفات البوليمرين المتجانسين المتكونين من بلمرة وبلمرة لوحدهما على التوالي.
B: الكوبوليمرات المتنية التناوبية Nternative copolymers إن المتن التناوبي في هذه الكوبوليمرات ووحداتها التركيبية المختلفة في الترتيب وفي السلاسسل البوليمرية ، وتختلف الكوبوليمرات عن البوليمرات المتجانسة المناظرة من حيث درجة أنتقالها الزجاجية وقابليتها للتبلور ولهذه الكوبوليمرات التركيب التالي():

C: البنية الكتلية للكوبوليمر Blck copolymer تكون البنية المتنية للوحدات التركيبية في هذه الكوبوليمرات ، متراصفة في كتل (Bloks) والكتل مرتبطة بعضها بالبعض الآخر ويقصد بالكتل (Block) مجموعة من الوحدات المتكررة والمتجانسة والتي تتكرر في السلسلة البوليمرية بالتناوب مع بلوك أخر من الوحدات المتكررة للمونومير الثاني وكما يلي:

D: البنية المتنية للكوبوليمرات المطعّمة Graftcopolymr تتكون البنية المتنية لهذه الكوبوليمرات من سلسلة رئيسية متكونة من وحدات تركيبية متماثلة، وترتبط بهذه السلاسل الرئيسية تفرعات جانبية متكونة من نوع آخر من الوحدات التركيبية، وتمثل الكوبوليمرات المطعمّة كما يلي:

البنية المتنية للكوبوليمرات التكثفية condensation copolymers الكوبوليمرات التكثفية تشبه البوليمرات التكثفية العادية في معظم الخصائص :
⦁-;- كالتركيب الكيميائي.
⦁-;- ميكانيكا البلمرة.
⦁-;- حركية البلمرة.
وهنا لابد من التمييز بين الكوبوليمرات التكثفية والبوليمرات التكثفية المتجانسة التي يتم تحضيرها من مونوميرين ذي مجاميع فعّالة.
على سبيل المثال (تيرفثالات الاثيلين Terphthalate Polyetheylene ) التي تحضر من جلايكول الأثيلين وحامض الترفثاليك فالبوليمر الناتج لا يعتبر من الكوبوليمرات ، لأن السلسلة البوليمرية تحتوي على نوع واحد من الوحدات التركيبية Structure unit وهي تيرفثالات الاثيلين . اما الكوبوليمر فستكوّن من نوعين أو أكثر من الوحدات التركيبية كما هو الحال مع الكوبوليمر الناتج من بلمرة جلايكول الأثيلين وجلايكول البروبلين وحامض التيرفثاليك ، حيث هنا يوجد نوعان من الوحدات التركيبية وهي:
⦁-;- ثيرغثالات الأثيلين
⦁-;- تيرفثالات البروبيلين
نعود الآن إلى معقدات رباعي السطوح الايسومرات الهندسية (Geometrical isomers) إلا أنها تعد نشطة ضوئياً، تماماً مثل الكاربون رباعي السطوح فعالة جداً بحيث لا يمكن فصلها، أي أنها تصبح رأسمية (racemic) بسرعة وبصورة عامة، تكون الجزيئة نشطة ضوئياً، إذا لم تمتلك سطحاً مرآتيا للتماثل (mirror plane of symmetry) يوضح الشكل الايسومرين الضوئيين للمعقد يس( بنزويل اسيتونيتو) (بريليوم (2)) (bis [benzoyl acetonato ] beryllium) .

ولغرض أن يكون الايسومات قابلة للإنفصال، ينبغي أن يكون المركب الكيليتي غير متماثل (بالنسبة لنهايتي الجزيئة الكيليتية) وهكذا ، لا يمكن اعتبار المركب المعقدين (أستيل إسيتو نيتو) بريليو (2) [Be(acac)2] نشطاً ضوئياً().
التهجين







الفصل الثاني
منظومة الفلزات واللافلزات

ربط خواص العناصر في الكيمياء غير العضوية
المحاولة في ربط هذه الخواص من العناصر
أهم هذه المحاولات، وهو القيام بتقسيم العناصر إلى فلزات ولا فلزات من خلال الفروق الواضحة بين الفلزات واللافلزات وكما يلي:
⦁-;- كل الفلزات صلبة ما عدا الزئبق ـ والجاليوم، أما اللافلزات فهي عكس ذلك، منها الصلب ، والسائل، والغازي.
⦁-;- للفلزات كثافة عالية، أما اللافلزات فلها كثافة منخفضة .
⦁-;- الفلزات لها درجة مرتفعة للإنصهار والغليان بينما تكون درجات إنصهار وغليان اللافلزات منخفضة بصفة عامة .
⦁-;- الفلزات تكون عادة جيدة التوصيل للحرارة والكهرباء، أما اللافلزات فهي رديئة التوصيل للحرارة والكهرباء.
⦁-;- للفلزات بريق معدني، ويمكن من خلال التجربة سحب الفلزات وطرقها حيث يظهر البريق المعدني، أما اللافلزات فهي هشة وليس لها بريق معدني.
⦁-;- عند ذوبان الفلزات في المحاليل تكون أيونات موجبة التكهرب، أما اللافلزات فأنها تكون أيونات سالبة عند ذوبانها في المحاليل .
⦁-;- تكون أغلب مركبات الفلزات مع الهالوجينات هي مركبات صلبة ومتبلورة، وثابتة، بينما تكون مركبات اللافلزات سائلة أو غازية وهي سهلة الذوبان في الماء.
⦁-;- تكون الفلزات مع الايدروجين مركبات صلبة مثل ايدريد الصوديوم
( ص يد) أو محاليل صلبة مع الحديد والنيكل أما اللافلزات ، فإنها تكون أيدزيدات غازية ثابتة مثل: (يد كل، يد2 كب، ك يد4).
⦁-;- جزئي الفلز يتكون من ذرة واحدة، بينما يتكون جزئي اللافلزات من عدة ذرات ، وهو الفارق في هذه المنظومة .
⦁-;- تتميز أكاسيد الفلزات بأنها قاعدية، ويكوّن ما يذوب منها في الماء محلولاً قلوياً، أما أكاسيد اللافلزات فتعطي نتائج مع الماء أحماضاً.
⦁-;- تتميز الفلزات عن اللافلزات بأن الفلزات تحل محل أيدروجين المحمّض . رغماً عن ذلك فإن كثير من العناصر ذات صفات متناقضة وكما يلي:
الليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم أخف من الماء إضافة إلى درجة الانصهار لهذه الفلزات تكون منخفضة إضافة إلى هذا تكون الأكاسيد العالية للفلزات مثل كر2 31 ، من 21 7 محاليل حامضية قوية وهذه الأكاسيد تتفاعل مع القلويات مكونة أملاحاً ثابتة.
والعناصر المترددة مثل الالومنيوم والزنك تكون أكاسيد تذوب في كل من الأحماض والقلويات أي أنها تشمل الخواص القاعدية الخاصة بالفلزات والخواص الحمضية الخاصة باللافلزات ، من جهة أخرى يشبه اليود والجرافيت الفلزات من حيث بريقها، كما أنها جيدة التوصيل للحرارة والكهرباء ، بينما فلزم البزموث ردئ التوصيل للحرارة والكهرباء.
من هنا فإنه لا توجد حدود فاصلة بين الفلزات واللافلزات، على سبيل المثال فإن الزرنيخ يشبه الفلزات في خواصه الطبيعية، وهو لا فلزي في خواصه الكيميائية، إذ يكوّن أكسيدين حامضين ويكون نوعين من الاملاح تعرف بالزرخينات Arsenate والزر نيخيت Arsenite .()
ووفق هذه الأمثلة. نلاحظ أن بعض العناصر التي عرفت (بأشباه الفلزات) حيث لها خواص الفلزات واللافلزات ومن أمثلتها الزرنيخ والانتيمون.
أغلب العناصر المعروفة هي فلزات
من جهة أخرى فإن تقسيم العناصر إلى فلزا ولا فلزا تكون قليل الفائدة من الناحية الكيميائية .
المراحل الهامة للتطور الترتيبي الدوري لهذه العناصر
هناك الترتيب الذي أشره (بروت) وسمي بفروض بروت Prout s Hypothesis ، هناك ملاحظات قديمة قدمها علماء الكيمياء، بأن هناك عناصر يمكن تقسيمها إلى مجموعات، وهذا يأتي نظراً لما بين أفراد كل مجموعة من تشابه في الخواص ومن أمثلة هذه المجموعات نستطيع أن نذكر ما يلي:
A: المجموعة الخاصة بالمعادن القلوية Alkali Metals وتشمل عناصر الليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم.
B: مجموعة المعادن الاراضي القلوية Alkali eath Metals وتشمل عناصر الكالسيوم والسترنشيوم والباريوم.
C : مجموعة الهالوجينات Halogenb وتشمل عناصر الغلوص والكلور والبروم واليود.
نظرية دالتون
إضافة إلى هذا فإن نظرية دالتون لم تتعرض لموضوع تقسيم العناصر إلى مجموعات لكنها أثارت من الناحية الموضوعية عدداً من الاسئلة وقد جاء في أهميتها:
⦁-;- هو هل أن ذرات العناصر تحتوي رغم إختلافها في الخواص الكيميائية على المادة الأساسية نفسها؟.
⦁-;- وهل من الممكن أن يكون للتشابه الملحوظ بين بعض العناصر أي علاقة بتركيب ذرات هذه العناصر؟.()
ملاحظات بروت الوزن الذري
لقد لاحظ بروت أن الوزن الذري لمعظم العناصر التي فحصها فهي تتكون من أعداد صحيحة أو هي تقترب من الأعداد الصحيحة، وهذه أمثلة على ذلك:
لي = 9.6
ط = 9.02
ك = 12
ن = 14.08
1 = 16
فل = 19
ص = 22.97
وعلى أثر هذه الخلاصة من الملاحظات، تقدم (بروت) بنظريته في العلم (1815) للرد على السؤال الأول، ومضمون هذه النظرية (أن ذرات العناصر المختلفة تتكون من تجمع عدد من ذرات الايدروجين، وبذلك يصبح الايدروجين وحدة البناء في ذرات العناصر على إختلافها). ولقد دفعت نظرية بروت العلماء إلى معاودة تقييم النظرية وتقدير الاوزان الذرية بطرق علمية دقيقة، وأثبتت أبحاث ستاس Stass خطأ فرض بروت، لأن الاوزان الذرية لعدد كبير من العناصر تحيد عن قاعدة العدد الصحيح، لأن نظرية بروت نبهت من الناحية العملية هذه القضية الاختلافية وشططها من الناحية العشوائية هو أن:
( كل = 35.46)
(مخ = 24.32)
(ستر = 87.62)
ورغماً من ذلك فإن الابحاث الذرية بين تشابه العناصر وتركيب ذراتها فلم يفحص بدقة إلا بعد عدة سنوات، ومنذ العام 1839 إتخذ للوزن الذي للعناصر أساساً للتقسيم وذلك لايجاد علاقة بين خواص العناصر وأوزانها الذرية().
ثلاثيات دوبرينر
في العام 1817 استنتج دوبرينر قاعدة الثلاثيات، وطبقاً لهذه القاعدة يمكن تقسيم العناصر التشابه إلى مجموعات تحتوي كل مجموعة ثلاثة أفراد فقط. وقد أشار دوبرينر ، أن الأوزان الذرية للعناصر الثلاثية أما متساوية تقريباً مثل :


العنصر الحديد الكوبلت النيكل
الوزن الذري 55.8 58.94 58.69
أو أن الوزن الذري للعنصر الأوسط في المجموعة الثلاثية يساوي تقريباً المتوسط الحسابي للأوزان الذرية الخاصة بالعنصرين الآخرين.
العنصر الليثيوم الصوديوم البوتاسيوم
الوزن الذري 6.94 22.97 39.10
10.03 16.12

العنصر كل بر ي
الوزن الذري 35.46 79.92 126.33
44.46 47.01
غير أنه في العام 1850 بين (كوك Cook) أن ثلاثيات دوبريز ما هي إلا أجزاء من سلاسل. فالكلور والبروم واليود ما هي إلا ثلاثة أفراد من عائلة رباعية تشمل الفلور أيضا.()
وعليه كانت القاعدة الثلاثية لدوبرينر غير صالحة لأن تكون أساس تقسيم عام لجميع العناصر ولو أنها مثلت أول محاولة علمية منشورة لتقسيم العناصر وتصنيقها . نأتي الآن إلى قانون الثمانيات لنيولند .
قانون الثمانيات لنيولند Newland s Law of Octaves
في العام 1864 رتب لينولند العناصر ترتيباً تصاعدياً بالنسبة إلى أوزانها الذرية ولاحظ أن التشابه في الخواص الطبيعية والكيميائية العناصر يتكرر بعد كل دورة مكونة من ثمانية عناصر.
العنصر الثامن يشبه العنصر الأول
والعنصر التاسع يشبه العنصر الثاني
وهكذا، وخاصة في حالة العناصر ذات الوزن الذري الصغير، والجدول التالي يوضح العملية التراتبية:
رقم العنصر الهيدروجين الليــثيوم اللـبريليوم الــبورون الكــربون النيتروجين الاوكسجين
وزنه الذري 1
1 2
7 3
9 4
11 5
12 6
14 7
16
رقم العنصر الفلــــور الصـودـيوم المغنيسـيوم الالمـومنيوم السلــيكون الفوسفــور الكــبريـت
وزنه الذري 8
19 9
23 10
24 11
27 12
28 13
31 14
32
رقم العنصر الكلــــور البوتاسيـوم الكالســيوم
وزن الذري 15
35.5 16
36 17
40

وجاء هذا الترتيب مشابها مع السلم الموسيقي فقد استخدم نيولند الاصطلاح (قانون الثمانيات) للتعبير عن مشاهداته في الجدول الذي حصل عليه. ولقد قوبل هذا القانون باعتراض شديد في بادئ الأمر، ولكن سرعان ما ظهرت أهميته الأساسية. ()
كان قصور قانون نيولند يرجع إلى خطأ في خواص الأوزان الذرية التي أستعملها نيولند وعدم إكتشافه للكثير من العناصر مما جعل القانون عدم المنفعة.
التقسيم الدوري للعناصر
جدول مندليف Mendeleef s periodic
لقد لاقت فكرة نيولند، في ترتيب العناصر تصاعدياً وفقاً لاوزانها الذرية تشجيعاً كبيراً على يد مندليف ولوثرماير. ففي شهر مارس من العام 1869 أعلن مندليف أنه إذا رتبت العناصر وفقا لتزايد أوزانها الذرية، فإن العناصر المتماثلة في صفاتها الكيميائية تتابع دورياً، أي أن الخواص الكيميائية للعناصر ومركباتها تندرج دورياً بزيادة أوزانها الذرية.
وفي شهر ديسمبر من العام 1869 أعلن (لوثرماير) أن كثيراً من الخواص الطبيعية للعناصر تندرج كذلك تدرجاً دورياً بزيادة الوزن الذري.
وقد اتخذ مندليف من الخواص الكيميائية أساساً لتقسيم العناصر وترتيبها، بينما أستعمل (لوثرماير) الخواص الطبيعية كوسيلة أخرى لتقسيم العناصر، ومع ذلك فقد توصل كل منهما على حدة إلى الجدول نفسه تقريباً . وبهذا يعود الفضل الأكبر في إستنتاج الترتيب الدوري للعناصر إلى (مندليف) دون (لوثر ماير)، لما أمتازت به أبحاث (مندليف) من الدقة والوضوح ونجاحها في توضيح خاصية دورية للعناصر، ونجاحها في ترتيب العناصر في أنساق فردية وسياقات زوجية وفي وضع العناصر الانتقالية في مكانها المناسب.
وقد أجريت على جدول مندليف بعض التعديلات، وذلك نتيجة الابحاث الحديثة وأهمها، هو أكتشاف مجموعة عناصر الغازات الخاملة، وهي المجموعة التي تحمل الرقم صفر. وأكتشاف الكثير من العناصر بعد ظهور جدول مندلف الدوري، وقد نجم عن ذلك هو ملء الخانات الخالية في الجدول الدوري. ()
المنهجية في القانون الدوري لمندليف
ويمكن تلخيص القانون الدوري لمندليف وفق النقاط التالية:
⦁-;- إذا تم ترتيب العناصر تصاعدياً حسب أوزانها الذرية، فإن صفاتها تتدرج دورياً.
⦁-;- إن العناصر المتشابهة في خواصها الكيميائية، إما أن تتقارب أوزانها الذرية مثل ( الحديد = 55.85 ، الكوبلت = 58.94 ، النيكل = 58.69 ) أو يتم التدريج في الزيادة بالنظام مثل (البوتاسيوم = 39.09 والبروبيديوم=85.45 والسيزيوم = 132.8) .
⦁-;- ترتيب العناصر أو مجموعات العناصر حسب أوزانها الذرية المطردة في الزيادة يتفق مع تكافؤاتها.
فعناصر الصوديوم البوتاسيوم والروبيديوم هي أحادية التكافؤ وتقع في المجموعة الأولى.
أما عناصر الكالسيوم والسترنشيوم والباريوم هي ثنائية التكافؤ وتقع في المجموعة الثانية:
⦁-;- إن العناصر المنتشرة بكثرة في الطبيعة ذات أوزان ذرية صغيرة.
⦁-;- إن قيمة الوزن الذري هي التي تحدد صفات العنصر.
⦁-;- ينتظر إكتشاف كثير من العناصر لتملأ الخانات الخاوية ولكي يستكمل الجدول الدوري هيئة. وقد نجح مندليف منهجياً بإستعمال الجدول الدوري في إستنتاج خواص العناصر للمشابهة للإلمنيوم والسليكون ولم تكن قد اكتشفت بعد.
⦁-;- بالإمكان تصحيح الوزن الذري للعنصر أحياناً عند فحص خواص العناصر المجاورة له في الجدول الدوري.
⦁-;- يمكن إستنتاج الخواص المميزة للعناصر إذا عرفت أوزانها الذرية().
المنهجية في الكيمياء العضوية (النشأة والأهمية)
إن المواد التي كان يعتقد أنها تتكون في جسم الكائم الحي (نباتاً وحيواناً)، وأنه لا مجال للحصول عليها إلا منه، وذلك لتمييزها عن المواد التي يحصل عليها من المعادن والصخور والمعرفة بالمواد غير العضوية.
وقد تأكد خطأ هذا الاعتقاد بعد أن يمكن العالم الالماني (فوهلر) (1828) Wohler من تحضير مادة عضوية وهي اليوريا من مادتين غير عضويتين هما: ثاني أكسيد الكربون (CO2) والامونيا (NH3) :


وأيضا بتسخين مادة غير عضوية أخرى هي سيانات الأمونيوم :

ومنذ ذلك الوقت تم تحضير ما يزيد عن مليون مركب عضوي، وآلاف المركبات الجديدة تحضر كل عام وذلك لما للمركبات العضوية من أهمية في حياتنا، كعقاقير طبية، وأصباغ ولدائن ، وآلياف صناعية وطلاء، ومساحيق غسيل ، ووقود وغيرها.
عنصر الكاربون
ولأن العنصر الأساسي في كل هذه المركبات العضوية هو عنصر الكاربون حيث أصبحت الكيمياء العضوية تعرف فيما بعد وحتى الآن بأنها، مركبات الكاربون.
خواص ذرة الكاربون
تتميز ذرة الكاربون في:
⦁-;- قدرتها على تكوين سلاسل أو حلقات ثابتة تحتوي على أعداد هائلة من ذرات الكربون ، وبأنماط ترابطية مختلفة.





⦁-;- قدرتها على تكون روابط متعددة مع ذرات كربون أو ذرات عناصر أخرى كالأكسجين والنيتروجين مكونة مركبات ذات ثباث وأستقرار عالٍ بينما ذرات عناصر أخرى مثل السليكون (Si) والبورون (B) والفسفور (P) إما أنها لا تكون مركبات ثابتة مماثلة للكربون أو مركبات نشطة كيميائياً (غير ثابتة أو مستقرة).

⦁-;- صغر ذرة الكربون واحتوائها على الكترونين في المستوى الرئيسي الاول للطاقة (n=1) وأربع إلكترونات في المستوى الثانين (n2) بالتوزيع الإلكتروني ( 1s2 2s2 2p2 ) حيث يمكن للإلكترونات الأربعة الخارجية أن تختلط وتتهجن مكونة هجيناً (Sp3) مبتعدة عن بعضها بأقصى بعد مكونة شكلاً هندسياً رباعي السطوح (Tetranedron) وهو أكبر أشكال الاستقرار والثبات، وتستطيع أن تكون روابط تساهمية مع ذرة أخرى للكربون أو ذرات عناصر أخرى مثل (الهيدروجين) كما هو الحال في غاز الميثان.()

المنهجية الذرية غير العضوية (تركيب الذرة)
The Structure of The Atom
حيث تنص نظرية دالتون على أن المادة تتكون من جسيمات صغيرة تعرف بالذرات، وأنه لا يمكن أنقسام ذرات أي مادة أو تحويلها إلى مادة أخرى. ولقد أدى التقدم العلمي المستمر إضافة إلى البحث المتواصل خلال القرن الحالي إلى أدلة تثبت أن الذرات نفسها معقدة التركيب كما أنه أصبح من الممكن تحويل ذرة إلى أخرى.
التركيب التفصيلي للذرات
إفتراضات بروت Prout s Hypothesis
في العام 1815 إقترح بروت بأن الأوزان الذرية للعناصر المختلفة ما هي إلا مضاعفات بسيطة للوزن الذري للإيدروجين، وتبعاً لذلك إعتبر الايدروجين هو المادة الأساسية الداخلية في بناء ذرات جميع العناصر الأخرى، وبالرغم من خطأ هذه النظرية إلاّ أنها تحوي فكرة جديدة، وهي أن الذرات نفسها معقدة التركيب وإنها لابد من أن تتكون من جسيمات أبسط تركيباً.
خلاصة قانون فراداي Faraday s Law
خلاصة النتائج في القانونين التاليين :
A: تتناسب كمية الإنحلال الكيميائي (أي الكمية التي تذوب أو ترسب من مادة مع كمية الكهرباء التي تمر خلال المحلول الألكتروليتي).
B: إن كميات المواد المختلفة التي تنفرد ـ عند إستعمال الكمية نفسها من الكهرباء تتناسب مع أوزانها المكافئة . وتعرف كمية الكهرباء التي تلزم لإنفراد الجرام المكافئ من أي مادة بالفراداي، ويرمز لها بالحرف (ف) ويساوي (96.500) كولوم.()
الايقونة الذرية للكهرباء


1 جم /ايون = تكافؤ الأيون × الجرام المكافئ للأيون
= م × الجرام المكافئ للأيون
الشحنة التي يحملها (1) جم أيون = م × الشحنة التي يحملها (1) جم مكافئ
= م × ف
وحيث أن (1) جم أيون يحتوي على عدد ثابت من الأيونات يعرف بعدد أفوكادرو (ن) .
ن =
فإن الشحنة التي يحملها (ن) أيون = م × ف
الشحنة التي يحملها أيون واحد = م × (ف-ن)
وبذلك تكون الشحنة التي يحملها أيون أحادي الشحنة (ف-ن)
كولوم
= وحدة اليكتروستاتيكية
وتكون الشحنة التي يحملها أيون ثنائي الشحنة
2 (ف-ن) = كولوم
وتكون الشحنة التي يحملها أيون ثلاثي الشحنة
3 (ف-ن) = كولوم
ويعني ذلك أن الكهرباء ذات طبيعة ذرية. ولقد أطلق ستوني Stonoy على وحدة الكهرباء (ف-ن) اسم الإليكترون().
المنهجية في بنية المركب العضوي
الذرة والتوزيع الإلكتروني
الذرة تتكوّن من نواة صغيرة تحتوي على عدد من البروتونات الموجبة والنيترونات المتعادلة، محاطة بفضاء أوسع تتوزع فيه إلكترونات سالبة مساوية في عددها لعدد البروتونات بالنواة، ولذا فالذرة لا تحمل شحنة كهربائية.
تتوزع الإلكترونات حول النواة في مستويات تعرف بمستويات الطاقة الأساسية وتعطي أعداد الكم الرئيسة (1، 2، 3، 4) وهكذا ولكل منها سعة إستيعابية لا تزيد عن (2n2) إلكتروناً، حيث (n) ترمز لعدد الكم لذلك المستوى .
فمستوى الطاقة الأول (n=1) يستوعب إلكترونين ، والمستوى الثاني (n=2) يستوعب (8) إلكترونات وهكذا وتتوزع إلكترونات على مستوى الطاقة على أفلاك Orbitals بحيث لا يزيد عدد إلكترونات كل فلك عن إثنين ، فمستوى الطاقة الأول به فلك واحد يعرّف بفلك (1s) ومستوى الطاقة الثاني به أربعة أفلاك أحدهما من نوع (s) وثلاثة من نوع (p) وتعرّف بأفلاك
ومستوى الطاقة الثالث تسعة أفلاك (واحد 3S و ثلاثة 3P وخمسة 3d)

وأدناه جدول يبين التوزيع الإلكتروني لذرات العناصر العشرة الأولى:
رمز العنصر العدد الذري 1s 2s 2px 2py
H 1 1
HE 2 2
Li 3 2 1
Be 4 2 2
B 5 2 2 1
C 6 2 2 1 1
N 7 2 2 1 1
O 8 2 2 2 1
F 9 2 2 2 2
Ne 10 2 2 2 2
وتعتمد الخواص الكيميائية للعنصر على إلكترونات غلافه الخارجي، فيها يدخل في تفاعلات كيميائية وتكوين الروابط الكيميائية، ويسمى ذلك الغلاف بغلاف التكافؤ. فعناصر المجموعة الثامنة والمعروفة بالغازات الخاملة أو النبيلة وهي أكثر العناصر ثباتاً وأقلها نشاطاً كيميائياً، فهي تدخل في تفاعلات كيميائية إلا نادراً وبصعوبة شديدة وذلك لأن جميعها أغلفة خارجية ممتلئة تماماً بالإلكترونات، فالغلاف الخارجي للهيليوم (الغلاف الأول) به إلكترونات وهو الحد الأقصى، ولكل من الغازات الخاملة الأخرى ثمانية إلكترونات بالغلاف الخارجي (الثمانية المستقرة) وهو الحد الأقصى.
أغلفة التكافؤ لكل العناصر الأخرى غير ممتلئة، لذا فهي نشطة كيميائياً وتدخل في تفاعلات كيميائية لتكتسب أغلفة خارجية مماثلة للغازات الخاملة.()
نصف قطر الذرة Atomic radius (r)
يعرّف نصف قطر الذرة: هو المسافة بين مركز النواة وإلكتروناتها الخارجية ويقاس بالانكستروم وتعمد قوة الجذب بين النواة والكتروناتها على نصف قطر الذرة، فكلما صغر هذا النصف القطر كلما زادت قوة الجذب، وقوة الجذب تعتمد على عدد البروتونات داخل النواة وعدد المستويات الرئيسة التي تحوي إلكتروناتها. ولذلك كلما زاد عدد بروتونات النواة كلما زاد جذب الذرة لإلكتروناتها.
ولو نظرنا لعناصر الصف الثاني من اليسار إلى اليمين في الجدول الدوري لوجدنا أن نصف القطر يقل.



وبالمقابل لو نظرنا إلى عناصر المجموعة في الجدول الدوري من أعلى إلى أسفل حيث يزداد عدد المتسويات الرئيسة للطاقة، نلاحظ إزدياد نصف قطر الذرة.
H
0.31
Li
1.225 Be
0.889 B
0.8 C
0.771 N
0.14 O
0.14 F
0.72
Na
1.572 Mg
1.364 Al
1..248 Si
1.173 P
1.1 S
1.04 Cl
0.994
Br
1.142
l
1.334
السالبية الكهربائية
يمكن تعريفها، بأنها مقياس لمقدرة الذرة لجذب إلكتروناتها الخارجية حيث أن هذه الإلكترونات هي التي تقوم بعمل الروابط بين الذرات وهي تتأثر بعدد البروتونات في النواة وبعدد مستويات الطاقة الرئيسة (Shells) التي تحوي إلكترونات الذرة.وعليه تزداد السالبية الكهربائية من الشمال إلى اليمين للدورة الواحدة لأن عدد البروتونات يزداد بينما الإلكترونات تدخل لنفس مستوى الطاقة الرئيس، فيكون التجاذب بين النواة والإلكترونات أقوى().



من جهة أخرى تقل السالبية الكهربائية من أعلى إلى أسفل للمجموعة الواحدة في الجدول الدوري رغم تزايد شحنة النواة وذلك لابتعاد مستوى الطاقة الرئيسي الخارجي أكثر فأكثر عن النواة فيصبح معزولاً عنها بإلكترونات المستويات الأدنى فيقل التجاذب بين الإلكترونات والنواة.



ولقد تم وضع قيم عددية لهذه السالبية الكهربائية بناء على حسابات طاقة الرباط Bond energy لبعض العناصر المختلفة المرتبطة برباط تساهمي قطبي كما في الجدول الآتي:
H
2.1
Li
1.0 Be
1.5 B
2.0 C
2.5 N
3.0 O
3.5 F
4.0
Na
0.9 Mg
1.2 Al
1..5 Si
1.8 P
2.1 S
2.5 Cl
3.0
Br
2.8
l
2.5
ومن هذا الجدول نرى أن ذرة الفلور (F) هي أكبر العناصر سالبية بقيمة (4) بينما ذرات الفلزات أقل العناصر سالبية إذ لا تزيد سالبيتها عن (1).()
الروابط الكيميائية Chemical Bonds
تترابط الذرات مع بعضها البعض بحيث تتمكن كل ذرة داخلة في ذلك الترابط من الحصول على مستوى طاقة رئيسي خارجي، به عدد من الإلكترونات مماثل للغاز النبيل الأقرب لها في الجدول الدوري. ويتم لها ذلك كالآتي:
مثل: الرابطة التساهمية Covalent bond
وتنشأ عن أشتراك ذرتين في زوج أو أكثر من الإلكترونات ، ونجد هذا النوع من الروابط عندما يكون الفرق في السالبية الكهربائية بين العنصرين ليس كبيراً أي لا يزيد عن جوالي (> 10) وحدة، كما هو الحال في إتحاد عنصرين لافلزين ويعبر عنها إما بصيغة النقط أو بمد خط قصير (شرطة) بين رمزي العنصرين المعنيين، بحيث تمثل الشرطة زوج واحد من الإلكترونات.
وللرابطة التساهمية طول محدد وإتجاه والروابط التساهمية هي الأكثر شيوعا في المركبات العضوية وذلك لأن معظم هذه المركبات تنشأ عن إتحاد عناصر لافلزية مع بعضها البعض، وتتكوّن المركبات التساهمية من جزيئات ولكل جزئي ذراته الخاصة به، والداخلة في تكوينه، ويشكل وحدة واحدة ثابتة في جميع حالاته، له شكل محدد بأطوال روابط وزوايا ربط محددة.
الرابطة التساهمية تنقسم إلى قسمين:
⦁-;- تساهمية غير قطبية Nonpolar Covalent Bond



CH4ميثان







الفصل الثالث
نظرية الكم
إن ميكانيكا الكم هي منطوق رياضي لدراسة الخواص الذرية والجزئية ونتائج هذه النظرية يمكن أن تفسر النتائج العلمية المشاهدة والتي لا يمكن تفسيرها بإستخدام الفيزياء الكلاسيكية.
لمحة تاريخية
يعود فهمُنا المتراكم للعلم الفيزيائي من مبدأ تعريفي لغاية بداية القرن العشرين (بالفيزياء التقليدية) (الكلاسيكية)، تم إختبار هذه الفيزياء المبنية أساساً على صياغة إسحق نيوتن ـ وبشكل متكرّر في آلاف التجارب التي أجريت خلال فترة مئتي سنة وبنيت صحتها.
أضيفت إلى قوانين نيوتن لاحقاً خلال القرن التاسع عشر قوانين الكهرباء، والمغناطيسية التي تم وضعها وإثباتها خلال عدة عقود، وأمكن إيجاز ذلك بشكلٍ جميل من خلال الصياغات الرياضية (لجميس كلارك ماكسويل).
مع ذلك لم تتلاءم المعطيات التجريبية عن المحتوى الطاقي للضوء ولا فكرة الذرّة مع الصورة التقليدية (الكلاسيكية) وبدأ عدد كبير من الاسئلة يتراكم شيئاً فشيئاً . أثار لون الضوء الذي تشعّه قطعة حديد حارّة غيظ الفيزيائي الألماني (ماكس بلانك) (Max Planck) في العام 1900 إذ يتوهج الحديد بلونٍ أحمر عند درجات الحرارة المعتدلة، بينما يغدو لونه أزرق ـ أبيض عندما نسخنه إلى درجات أعلى. هذا مع أنّ حسابات بلانك التفصيلية والمبنية على فيزياء نيوتن ـ ماكسويل تنبأت بأن لون وهج الحديد يجب أن يكون دوماً أزرق بغض النظر عن درجة الحرارة، فهو أزرق باهت عند درجات الحرارة الأعلى. لقد أدرك بلانك أن هناك مشكلة جدية في النظرية الماكسويلية عن الضوء، فهي لا تعطي نتيجة صحيحة بخصوص المحتوى الطاقي لحزمة ضوئية . أطلق حل هذه المسألة الثورة التي قادت إلى الفيزياء الجديدة والتي ندعوها اليوم، بميكانيك الكّم.
تم تطوير ميكانيك الكم خلال فترة إمتدت لثلاثين عاماً من العام 1900 تقريباً ولغاية ثلاثينيات القرن الماضي ـ حققت عند نهايتها النظرية الجديدة نجاحاً باهراً، حيث أعادت تعريف طريقة تفكيرنا عن العالم الفيزيائي. ولم يكن ذلك مجرّد تمرين نظري أكاديمي حول الفلفسة الوجودية، لأن ميكانيك الكمّ ـ مع الإدراك العميق الذي يجلبه عن مفاهيم:
⦁-;- الإلكترون .
⦁-;- الـذرة.
⦁-;- والضوء يعتبر مسؤولاً فعلياً عن جزءٍ كبيرٍ من الناتجج المحلّي الإجمالي في الولايات المتحدة الأمريكية، وهو أساس جميع القوانين الفيزيائية المعروفة، والمفتاح الرئيسي لفكّ الألغاز العميقة عن المادة والكون.()
تظهر آثار ميكانيك الكم في المنظومات الفيزيائية بالغة الصغر، وما نعنيه بتعبير (المنظومة الصغيرة) هو تكوُّنها من أشياء صغيرة جداً تمتلك قياساتها مقادير ضئيلة إلى أبعد حدّ من الطاقة وتتم حركتها خلال فترات زمنية فائقة القصر. تظهر الآثار الكمومية بشكل درامي عندما نصل لمقاييس طويلة من رتبة السعة للذرة، أي حوالي جزء من عشرة آلاف مليون جزء من المتر. وفي واقع الأمر نستطيع القول ببساطة بأنه لا يمكننا فهم الذرة من دون ميكانيك الكمّ.
فهم الذرة من فهم ميكانيك الكم
لا يمكن فهم مداخلات المتن الذري أو الذرة دون نظرية ميكانيك الكمّ، لا يعني هذا أنّ الطبيعة (توقف وتطفئ) فجأة الميكانيك التقليدي ثم (تشغِّل وتشعل) ميكانيك الكم عندما ندخل العالم دون المجهري هذا، فميكانيك الكمّ صالح دوماً ويبقى صحيحاً على جميع المقاييس في الطبيعية، لكنّ الآثار الكمومية بالاحرى تصبح جليّة وواضحة بشكل تدريجي عندما ننزل في مقاييسنا إلى عالم الذرّات يمثّل ميكانيك الكمّ المجموعة الأساسية والنهائية ـ على حد معرفتنا بالقواعد التي تحكم عمل الطبيعة، ورغم ذلك فهو غريب جداً ومختلف بشكل كبير عمّأ نألفه لقد قيل إنه لا يوجد فرد واحد من كلّ الناس (يفهم) فعلاً ميكانيك الكمّ، وما فعله العلماء ببساطة هو مجرّد الاعتياد على إستعمال متون القواعد الغريبة تلك. وبشكل عام، نقول كلما كبرت المنظومة الفيزيائية بدت في سكوكها أقرب إلى السلوك الوسطي لمكوناتها، وبالتالي غدت أكثر تقليدية (كلاسيكية) ومع ذلك يعجز هذا المثال البسيط عن الإستحواذ على كنه ميكانيك الكمّ وجوهره، فآثار ميكانيك الكمّ كما نتمنى وبشكل جلي، لكنها أكثر إبهاماً وشبحية من مجرّد عملية أخذ وسطيّ إحصائي.
آثار ميكانيك الكم
تتجلى آرُ ميكانيك الكمّ أحياناً بشكل درامي في منظومات عيانية وعند مقاييس مسافات ليست صغيرة بل قد تكون بالغة الكبر، وهي تمثل:
⦁-;- ظواهر النجوم النترونية.
⦁-;- إنفجارات السوبرنوفا.
⦁-;- ومجموعات أدوات العدة المنزلية الحديثة التي تستخدم ضوء الليزر (مثلاً قارئات الاقراص المدمجة (CD) وأقراص الفيديو (DVD) بالإضافة إلى ظاهرة الناقلية الفائقة (مرور التيار الكهربائي من دون أي مقاومة) وهذه التجارب كلها آثار مباشرة لميكانيك الكم.
الكيمياء والبيولوجيا وميكانيك المكم
إستناداً إلى ذلك تعتبر الكيمياء ـ والبيولوجيا أيضا منحوته بواسطة ميكانيك الكمّ إذ إنّ بنية المادة وتوزيعها في مختلف أرجاء الكون هما على ما يبدو ـ نتيجتان لميكانيك الكمّ، نحن إذاً نعيش في عالمٍ() يحكمه تماماً ميكانيك الكمّ.
شبكات الأتصال في الجزيئات
يتم الاستقلاب ـ تلك (الصناعة المجهرية في الخلية) على مستوى البيولوجيا، بواسطة الأنزيمات، تصنع هذه الأنزيمات، بالعمل (المُسلسل) ، المواد الكيميائية التي تحتاجها الخلية دوماً والتي نسميها (مستقلبات M etabolites ) وعندما يصل تركيز الجزيئات داخل الخلية إلى مستوى أمثل، يجب على سلاسل التركيب أن تتمكن من التوقف ، بمعنى أخر، يجب على الإنتاج أن يتوقف طالما يتجاوز العرض الطلب، وأن يستمر في الحالة العكسية.
الشكل الرابع ـ أدناه ـ يمثل الرسم التخطيطي الخلوي المنظم ذاتيا (رسم الحوض) إن القوانين التي تحكم هذه الاجهزة ذات التغذية الراجعة هي نفسها، تنقل جينات بنية حمض الديوكسي ريبونوكلينيك بواسطة الرنا المرسال ، التعليمات الضرورية لصنع الأنزيمات، وتنتج الأنزيمات، بعملها المُسلسل، الجزيئات الضرورية لحياة الخلايا : المستقلبات، يرتقع تركيز المستقلبات في الخلية.









كما يمكن لها إما أن توقف مباشرة سلسلة التركيب التي تصنعها وإما أن تؤثر في جهاز التنظيم الكيميائي الذي يغلق قاطع تيار حمض الديوكسي ريبونوكلييك ويراقب جينات البنية، وبالتالي يتوقف تخليق الانزيمات توقف منتجات المصنع الكيميائي الخلوي صنعها الذاتي. فإن عمل هذا النظام لا يتوقف أبداً (سوى عند الموت).()
جزيئات (كيميائية)
للحموض الأمينية جهاز تعلّق كيميائي مزدوج يسمح لها بالاتحاد مع جزيئات بسيطة من نفس النوع لتكوين سلاسل طويلة : البروتونات، وقد توصل اليوم العديد من المختبرات إلى إثبات أن هذه الجزيئات العملاقة يمكن لها أن تتكون في غياب الكائنات الحية بشكل إتحاد في شكل سلسلة، وعلى سطوح منشطة، للحموض الأمينية المصنوعة في الغلاف الجوي البدائي للأرض.
توصل الاستاذ س، ف فوكس S.W.Fox من جامعة ميامي بفلوريدا إلى الحصول على (أسلاف البروتينات ) ( التي سمّاها شبيهات البروتين Prot eninoides )() عن طريق تسخين خليط من الحموض الأمينية . وتمتلك بعض شبيهات البروتين نشاطاً تحفيزيا ضعيفاً، ويعتقد فوكس أن الانتقاء الطبيعي قد حفظ الخفازات الأكثر تكيفاً من غيرها لهذه الوظيفة الكيميائية أو تلك للوصول في نهاية المطاف إلى هذه الآلات الجزيئية الحيقية ألا وهي الانزيمات وحتى اليوم لم يتضح أصل البروتينات تماماً. ويعتقد بعض الباحثين أن البروتينات قد تمكنت من التكوّن مباشرة بدون حموض أمينية وسيطة، وذلك من خلال إتحاد جزيئات صغيرة، مثل حَمْض السيانيدريك في شكل سلسلة. وقد ذهب بعضهم الآخر إلى أن البروتينات كان بإمكانها أن تتطور إثر تضاعف متعاقب لنماذج أصلية وبسيطة جداً، مركبّة فقط من بعض الحموض الأمينية ومكوّنة في ظروف منافية للحياة. كيف أمكن للنشاط البيولوجي للانزيمات أن ينطلق؟.
يمكن تشبيه سلسلة متواصلة من الحموض الأمينية المرتبطة الواحدة بالأخرى ، بشكل تقريبي، بسناد ليّن تتعلّق فوقه أدوات متنوعة يتكوّن سناد الجزيئات تبعاً لتسلسل منظّم من الحموض الامينية. والواقع أنّ هذه السلسلة الجزيئية والأدوات التي تحملها لا تنتظم بصفة عشوائية في الفضاء: ففي الظروف العادية، الملائمة لوجودها، تتلف السلسلة عموماً حول نفسها مشكلّة نوعاَ من (النابض) يسمى هذا النابض (لولب ألفا) وهذا الشكل الخاص يجعل الجُزيء الضخم أكثر استقراراً فتزيد إذاً حظوظ وجوده.
يبقى النابض في وضعية مضغوطة ببعض المجموعات من الذرات التي تتواجد بصفة دورية الواحدة أمام الأخرى وتلعب دور متشابك صغيرة وبدوره يمكن لهذا النابض (أو السلسلة الملتفة) أن يتكوّم في شكل كُريَّة صغيرة جداً تمتلك شكلاً خاصاً بكل نوع من البروتينات ، يحدث هذا التكوّم بسبب بعض الحموض الأمينية القادرة على خلق (جسوركيميائية) في بعض الأماكن ، بين التفافات السلسلة.
ولكن الأهم من ذلك هو أن طية السلسلة هذه تجبر بعض الأدوات الكيميائية، التي توجد بالرغم من ذلك بعيدة جداً الواحدة عن الأخرى على السلسلة المبسوطة، على أن تكون مجتمعة في المكان نفسه من الكُريّة : بذلك يمكن أن يتكوّن مقر فاعل أو نشط تحصل فيه بعض التفاعلات الكيميائية بسرعة هائلة إنها قاعدة حركة الانزيمات().











التطور الجزيئي
في مرحلة أولى من التطور الجزيئي، ومن المحتمل جداً أن تكون بعض الحفازات المعدنية قد لعبت هذا الدور، يكون للبعض من السطوح أو الأيونات المعدنية فعلاً خاصية تثبيت الجزيئات العضوية وترتيبها وفق نظام يسّهل إطلاق تفاعلات التعلّق الكيميائي، ويمكن للأيونات الموجودة في الماء، مثل أيونات المغنيسوم أو الزنك أو الكلسيوم أو النحاس، أن توّجه جزيئات الحموض الأمينية، مثلاً، إلى بنى منظّمة، فهي تقرب بعض المجموعات المتفاعلة، وتلعب بهذه الطريقة دوراً تحفيزياً، يمكننا العثور على الايونات المعدنية في أغلبية تميمي الأنزيمات co-enzymes ، تلك العناصر المرتبطة بالانزيمات والضرورية لعملها، ففي هذه الأمكنة المحددة التي سمّاها العالم الفيزيائي البريطاني برنال J.D.Bernal ، وحدات دون حياتية ستسود إذاً حركة كيميائية كبيرة.
وقد تمكنت طبقات من الطين أو التراب أو الحمم من لعب دور السطوح المنشِّطة ، ففي العام 1970، أبرز (أ.كاتشلسكي) من معهد وإيزمان في (فلسطين المحتلة) دور بعض أنواع الطين مثل المونموريوليت، في تكاثف الحموض الأمينية في شكل سلاسل متعددة الأمينات، وهذا ما جرى تأكيده في العام 1978 بواسطة لاهان ومن بعده في العام 1980 بواسطة لسلي أورجل فيما يتعلّق بالحموض النووية. إذ إنه من الممكن، كما إقترح برنال، أن تكون الحركة التحفيزية للطين أو الصوان قد أدت ، أعتباراً من هذه المرحلة، إلى تكوين جزئيات لا متماثلة ، تعتبر من ميزات المادة الحية. وكما قال (أ. دوفيلييه A.Dauphillier ) ، فإن ( اللاتماثل الجزيئي) الذي يعتبر أساس الحياة، كان مشروطاً بالوجود المسّبق للاتماثل الموجود في الشبكة البلورية ويتوافق ذلك تماماً مع التطور الجيولوجي، تجدر الأشارة في النهاية إلى الدور الأساسي للشحوم (الدهنيات) التي تكون قطيرات مستحلبة في الماء تشكل حويصلات مجوّفة لا تحصى، حيث يمكن لبعض الجزيئات أن تتركز وتتفاعل بداخلها. ما هي مواد آلاف التفاعلات التي تحدث في الوقت نفسه على الارض أو في البحار؟ إنها جزيئات معقدة تجسّد خصائصها مقدّماً جزيئات الحياة؟()
الجزيئات اليمنى والجزيئات اليسرى
مثلما توجد يد يمنى وأخرى يسرى، توجد أيضاً جزيئات يمنى ويسرى، صيغها ليست قابلة للتراكب، تكون الجزيئات التي تكوّن المادة الحيّة من نفس النوع، لكن أسباب هذا اللاتماثل الجزيئي لم توضّح بعد، ولكن من المؤكد كما قلنا في الصفحات السابقة أنها مرتبطة حصرياً بنظرية الكم، هذه النظرية هي التي تحدد كل المسارات على مستوى الفيزياء ـ والكيمياء والبيولوجيا، نعود الآن إلى نظرية الكم وبنية المادة كما قلنا نتيجتان لميكانيك الكم.
فروض نظرية الكم والمنطق الاحتمالي التفاضلي
الفرض الأول:
حالة النظام والدالة الموجية State of The System and Wave -function- يمكن وصف حالة النظام وصفاً كاملاً بإستخدام دالة رياضية يرمز لها بالرمز وهي دالة في الاحداثيات (x,y,z) وكذلك دالة في الزمن t وتسمى دالة الحالة State -function- أو دالة الموجة Wave -function- وهذه الدالة تحتوي على جميع المعلومات الخاصة بالنظام يفترض أن لهذه النظام عدة حالات محدودة ومعروفة ومستقلة تماماً عن الحالات الأخرى ويوصف هذا النظام وصفاً رياضياً بإستخدام دالة الحالة في الاحداثيات والزمن وهي تحتوي على جميع المعلومات الخاصة بالنظام إذا كانت خواص النظام في أحدى حالاه موقوفه Stationay State وتسمى الدالة في هذه الحالة دالة الموجة للحالة الموقوفة وهي اختصار رياضي لحالة النظام ولتحديد المعنى الفيزيائي نجد أنه مرتبط بمربع هذه الدالة ويمثل الاحتمالية أو إذا كانت الدالة معقدة عند زمن ما فإذا أفترضنا أن النظام هو جسم متحرك في الاتجاه x فإن مربع هذه الدالة 2 عند النطقة x يمثل إحتمالية وجود الجسيم عند هذه النقطة.
إذا كنا نبحث على الاحتمالية في المنطقة المتناهية الصغر الواقعة بين فإنه يعبر عنها بالتعبير وفي حالة الدوال المعقدة لابد أن تكون الاحتمالية حقيقة وذلك بضرب الدالة في مرافقها المعقد والمرافق المعقد هو الدالة نفسها وإذا كان الجسم يتحرك في جميع الاتجاهات xyz فإن الاحتمالية في وصف الجسم التفاضلي dr :
dr = dx . dy. dz
أي أن الاحتمالية ويكون بمجموع هذه الاحتمالات في الفراغ كله لابد أن يساوي الوحده ونظرية الكم كما يعقتد بعض العلماء هي أصعب النظريات، لأنها عبارة عن مجموعة قوانين في الفيزياء والكيمياء والبيولوجيا ، تقوم بدراسة جزيئيات الذرة المتناهية في الصغر، والتي لا ترى بالعين المجردة أو بإحدث التليسكوبات الضوئية . ونظرية الكم صعبة الفهم، وكانت هناك دراسات وكتب عديدة، تثبت أن هذه النظرية ومن مؤلفيها حصراً هي صعبة الفهم. ونظرية الكم وهي تبدو من القضايا العلمية التي تؤخذ على وقائعها وتفاصيلها مادامت تأتي بنتائج لا ضرر فيها وهي نتائج إيجابية.
وكما قال (نيل بور) أي شخص لا يصدم بنظرية الكم، هو في الواقع شخص لا يفهم هذه النظرية مطلقاً، وقال آخر وهو (جون جرين) : (طالما أنت لا تسأل ولا تستفسر عن نظرية الكم، فإن كل شيء على مايرام) ، وكما علقت بعض الصحف : هناك (12) عالماً هم يفهمون (النظرية النسبية) ولكن في الوقت نفسه لم يكن أحد يفهم نظرية الكم.
نظرية الكم + النظرية النسبية الخاصة والنسبية العامة لأينشتاين تعتبر أساسيات علم الفيزياء اليوم، حيث تعتمد عليها كل الدراسات الخاصة بالذرة وجزيئياتها الصغيرة وهذا حدث منذ بداية القرن العشرين وقد تطورت على أيدي عظمام مثل:
⦁-;- ماكس بلانك.
⦁-;- ووارنز هيزبنيرج.
⦁-;- ونليز بور.
⦁-;- وماكس بورن.
⦁-;- وايروين شرودنجر.
ولكن بقيت نظرية الكم بمهمة في قوانينها . ()
عمليتا التفكير والتجريب
لم يصل الاغريق في بداية القرن الخامس قبل الميلاد إلى المنطق التجريبي بل كان الفيلسوف الاغريقي القديم وعلى رأسهم ديموقريطس الذي كان يعتقد بأن كل شيء مكون من ذرات صغيرة جداً لا تنفسم ، وتأتي في أحجام وكتل والوان مختلفة، كل الأشياء نراها أمامنا هي مجرد خليط من هذه الذرات وهذا المنحى هو منحى فيزيقي.
ولهذا لم تنجح فكرة الذرة عند الاغريق ، ثم جاء أرسطو لكي يبسط هذه الفكرة، حيث قال: أن كل شيء مكون من عناصر أربعة فقط:
⦁-;- الماء. 2) الهواء. 3) التراب. 4) الغاز.
وكانت هذه الفكرة هي أبسط وأسهل في الفهم، لذلك لاقت إستحسان ونجحت ، ولكنها فكرة خاطئة لأنها سطحية، حيث أستمرت آلآف السنين بينما فكرة ديموقريطس وهي الأقرب للصواب فشلت، والخطأ والصواب نسبي، معلومة أخرى، مركزية الارض وتفلطحها أستمرت أيضاً آلاف السنين، في العام 1808م، جاء عالم الكيمياء جول دالتون ليحيى النظرية الذرية من جديد بناء على منطق تجريبي كيميائي، حيث جاء في هذه النظرية التي تقول: كل الأشياء التي أمامنا مكونة من عناصر أحادية مثل:
⦁-;- الذهب.
⦁-;- ومن إتحاد عناصر مختلفة مثل: ملح الطعام.
⦁-;- كل عنصر مكون من ذرات صغيرة متساوية في الحجم والكتلة، تختلف في الحجم والكتلة عن العناصر الأخرى مثال على ذلك:
⦁-;- ذرة الذهب تختلف عن ذرة الكربون.
⦁-;- الذرات المختلفة يمكن أن تتحد مع بعضها لتكون مواد أخرى على سبيل المثال: ذرة واحدة من عنصر الصوديوم تتحد مع ذرة واحدة من عنصر الكلور لتكون جزئي من كلوريد الصوديوم المعروف بملح الطعام وذرة واحدة من غاز الاكسجين تتحد مع ذرتين من غاز الهيدروجين لتكون جزيئ من الماء غاز يتحد مع غاز ليكونا سائلاً في درجات الحرارة العادية، ويبقى الجمود في الكيمياء هذه التي لا تقارن بالغرائب والعجائب التي طرحتها نظرية الكم. ()
في أواخر القرن التاسع عشر، بدأ العلماء في دراسة الكهرباء وعلاقتها بالمغناطيسية وهي علاقة وطيدة من خلال عملية الدلك حبة السبحة عندما ندلكها بقطعة صوف، نجدها تجذب قصاصات الورق لماذا؟ لأنها فقدت بالدلك إلكترونات سالبة الشحنة وأصبح سطح حبة السبحة مشحون بشحنة موجبة في الوقت نفسه.
إكتسبت قطعة الصوف إلكترونات ، وأصبح سطحها مشحون بشحنة سالبة، كل جسم مشحون بشحنة كهربائية ، يخلق حوله مجالاً كهربياً، داخل هذا المجال، إذا وضعت شحنة أخرى، فإنها تنجذب أو تتنافر مع الشحنة الاصلية. المغناطيس أيضا يجلب برادة الحديد والمسامير، وله أيضا مجال حوله على هيئة أقواس وخطوط تخرج من القطب الشمالي للمغناطيس وتذهب إلى القطب الجنوبي، ويمكن رؤية شكل هذا المجال يوضع ورقة فوق المغناطيس ونثر برادة الحديد فوقها.
كذلك وجد أنه إذا تحرك مغناطيس فوق أو تحت سلك معدني، فأثناء الحركة يتولد في السلك تيار كهربائي. هذه هي (فكرة الدينامو) وطريقة توليد الكهرباء من السدود ومساقط المياه، كذلك أيضاً أن المجال المغناطيسي، أثناء حركة المغناطيس فوق السلك يوّلد مجالاً كهربائياً حول السلك ، والمجال الكهربائي يولد هو الآخر مجالاً مغناطيسياً، أي أن كل منها يولد الآخر في تسلسل، ينتج عنه موجات نسميها (الموجات الكهرومغناطيسية)، منها الضوء والرادار وموجات الراديو والتلفاز والاشعة السينية وغيرها، كلها موجات كهرومغناطيسية.
دراسة الكهرباء بمعزل عن الهواء
العلماء قاموا بتصنيع أنبوبة زجاجية مفرغة من الهواء لها قطبين معدنيين في بدايتها ونهايتها، وقاموا بتوصيل القطب الأول بسلك معدني يصل القطب الموجب لبطاريقة سائلة مثل البطاريات المستخدمة في السيارات، ثم قاموا بتوصيل قطب الأنبوبة الآخر بالقطب السالب للبطارية بعدها حدث الآتي: القطب السالب للانبوبة بدأ يتوهج ويشع ضوءاً غريباً لونه أخضر، لا أحد يعرف عنه أي شيء القطب السالب تم تسميته (كاثود) والقطب الموجب (أنود) ، والأشعة أطلق عليها اسم أشعة (كاثود) والأنبوبة أطلق عليها اسم أنبوبة أشعة (الكاثود ـ CRT) شاشات التلفزات القديمة، والكمبيوترات كلها عبارة عن أنابيب أشعة (كاثود ـ CRT) الشاشات الجديدة المفلطحة مثل البلازما والـ (LCD) .()
تعتمد على تكنولوجيات متعددة ومختلفة ، لكنها ليست غريبة على فكرة الـ(CRT)، في العام 1897 م وفي جامعة كامبرج بانكلترا ، قام جي جي طومسون بعمل تجربة لمعرفة تلك الأشعة الغريبة الخضراء هذه، ومن الجدير بالذكر هو أن طومسون كان لديه (20) باحثا تحت أشرافه يعملون فقط لمعرفة الاشعة الخضراء هذه، وقد توصلوا إلى أن هذه الاشعة لها شحنة سالبة، وقام طومسون بقياس مقدار شحنتها وكتلتها وأسماها إلكترونات، وقياساته دلت على أن كتلة الإلكترون أصغر الفين مرة من كتلة ذرة الهيدروجين.
هذا يعني أن الذرة ليست هي أصغر جزيئات المادة كما قال دالتون في بداية القرن ، ربما تكون الذرة مكونة من إلكترونات ؟ لكن الإلكترونات لها شحنة سالبة ، والذرة متعادلة الشحنة، وهذا يعني : لا هي موجبة ولا هي سالبة.
وقد يحتاج طومسون لشيء أخر داخل الذرة لكي يعادل شحنة الإلكترون السالبة، لذلك إقترح طومسون، بأن الذرة قد تكون على شكل كرة صلبة من المادة، لها شحنة موجبة ومطعمّة بالكترونات سالبة داخلها، وبذلك تصبح الذرة متعادلة الشحنة الكهربية.
المنطق التجريبي للعملية
أحد تلاميذ طومسون، وهو إيرنت راذرفورد، لقد وجد راذرفورد، أن أشعة الراديو، التي تنبعث من المواد المشعة والتي إكتشفها العلماء الفرنسيين عبارة عن نوعين أحد الأشعة يمكن وقفها بإستخدام شريحة رقيقة من الالومينيوم أطلق عليها راذرفورد (اشعة إلفا) لها شحنة موجبة، أما النوع الآخر من الاشعة فنحتاج إلى عدة رقائق من الألمينيوم لوقفها، أطلق عليها راذرفورد (أشعة بيتا) ولها شحنة سالبة، فيما بعد، تم إكتشاف أشعة ثالثة أطلق عليها راذرفورد (أشعة جاما) وهي متعادلة الشحنة. ()
البحث في مكونات الذرة
البحث في مكونات الذرة دون إستخدام (الميكرسكوب الضوئي) نقوم بالافتراض التالي، بأننا داخل غرفة مظلمة، ونريد أن نعرف الحائط والباب والمفروشات معنا فقط كرات مشعة، إننا سوف نقوم بإلقاء الكرات المشعة داخل الغرفة، ومن خلال دراسة مساراتها نستطيع أن نعرف أبعاد الغرفة وطبيعة مفروشاتها ، وهذا ما فعله راذرفورد. ()
فقد استخدم أشعة إلفا الموجبة الشحنة كقذائف على رقائق من الذهب، وقام بدراسة سلوكها عندما تصطدم بهذه الرقائق أشعة إلفا كانت تعمل مثل طلقات المسدّس على رقائق الذهب، فكانت تنفذ خلالها وتنعكس في إتجاهات مختلفة. حيث قام راذرفورد بدراسة مسارات أشعة إلفا بعد تصادمها برقائق الذهب فوجدها تسلك سلوكاً لا يمكن تفسيره، إلا إذا قمنا بإعادة تصميم نموذج جديد للذرة، وعليه فقد أقترح راذرفورد ، بأن الذرة، لابد أن يكون لها نواة في المركز صغيرة جداً، ولها شحنة موجبة، وتحتوي على معظم كتلة الذرة.
مع بداية القرن العشرين كان للدراسات المختبرية والمعملية التي قام بها أرنست برذفورد وزملاؤه الفضل في أرساء تركيب بنائي جديد للذرة، وبالتالي أستبعاد نموذج (ج. ثومسون ) المقترح في أواخر القرن التاسع عشر، والذي يفيد بأن الذرة عبارة عن إلكترونات مدفونة داخل كرة ذات شحنة موجبة، إن تجربة راذرفورد كانت تشمل تعريض رقائق من الذهب لقذائف من جسيمات إلفا.
لقد لوحظ من خلال هذه التجربة أن مجموعة من جسيمات إلفا إخترقت الرقائق وأخرى إرتدت والبقية إنحرفت عن مسارها. لذا فإن التركيب الحديث للذرة يشمل وجود نواة في مركز الذرة ذات شحنة موجبة تلف من حولها مجموعة من الإلكترونات.لقد جاء هذا النموذج المقترح من قبل راذرفورد نتيجة إنبهاره بحقيقة إرتداد بعض جسيمات إلفا حيث قال: ( لقد كان أكثر حدث صعُب عليّ تصديقه في حياتي، فهل كنت لتصدق لو أنك أطلقت قذيفة خمس عشرة بوصه صوب نسيج ورقي وأرتدت لتصدمك).
معادلات التبعثر (الاستطارة)
لقد تمكن راذرفورد من إستنتاج أن قطر مركز الاستطارة (النواة) اصغر (1000) مرة من قطر الذرة بحيث يكون نصف قطر النواة الذرية في حدود ، وبالتالي يقارب حجم النواة من . فإذا كانت كتلة (والتي أغلبيتها في النواة) تقدر بحوالي وذلك للنوى الخفيفة، فإن ذلك يعني أن الكثافة تقارب من ، والشكل التالي يوضح استطارة إلفا.()







الشكل يمثل استطارة أشعة إلفا بالنسبة للذرات في تجربة راذرفورد
إذاً بمتابعة التاريخ، نجد أن الفيلسوف ديموكريتس في القرن الخامس قبل الميلاد قد فسر البناء الاولى للطبيعة، بكون أن كل المواد يمكن تقليصها إلى ذرة غير قابلة للإنقسام وتحمل مواصفات المادة، وفي العشرينيات من القرن العشرين أنهى راذرفورد التساؤل عن ماهية هذه الذرة، إلا أنه لم يتسن لأي أحد أن يلقي بنظرة إلى ذرة بذاتها إلا بحلول العام 1970، وبحلول العام 1990 تمكن أحد العلماء من إصدار صورة مباشرة لبناء ذري معقد المادة.
هذا العالم هو ستيفن بينيكوك (Stephen Pennycook) من معمل أوكريدج القومي بأمريكا. لقد قام هذا العالم بإقتراح تقنية جديدة وهي التصوير بتباين z((Z-contrast Imagin حيث إن هذه التقنية تعد تطويراً جذرياً في مجال المجهرية الإلكترونية ، فلقد كانت قبل هذه التقنية أساليب صعبة لإصدار الصورة مع صعوبة تفسيرها، إلا أنه بإستخدام اسلوب بينيكوك سيتمكن العلماء من النظر إلى التركيب الذري مباشرة بالمجهر الإلكتروني الذي يميز ذرة ما عن أخرى بناء على عدد البروتونات أو قيمة (z) وبالتالي فإنه بإستخدام هذه الطريقة يمكن التحليل التفصيلي للمادة التي ستفتح آفاقاً جديدة من أجل خزف قوى وحواسيب سريعة وأجهزة إلكترونية متضامنة أكثر، وكفاءة عالية لتقنيات الطاقة، لقد تم تسويق نظام بينيكوك تحت اسم (HB50lux) بمجاهر VG ، حيث إن النظام يرصد صورة بقدرة تمييز قدرها شعرة الإنسان = حيث إن هذه القدرة تفوق بـ (35%) المعايير الصناعية.
إلا إن سباق الانجستروم لا ينتهي هنا، بحيث أن الهدف المطموح للمجهرية ، هو التعرف على ابعاد تصل إلى ، ويتوقع بينيكوك أنه بإستخدام تقنيته سيتمكن مستقبلا من رؤية المعالم الصغيرة ذات الأبعاد المطموح لرؤيتها بتكلفة تقارب ( 1- 1.5) مليار دولار.
الاختلاف في تقنية التصوير
في تقنية التصوير بتباين Z، يتم الحصول على الصورة بعد تمرير شعاع دقيق من الإلكترونات لمسح مادة ما، وبالتالي فإن الإلكترونات المبعثرة بزوايا كبيرة تستخدم لتخريط (MAPPING) تركيبة المادة. إما إذا كان الشعاع الإلكتروني دقيقاً جداً بدرجة أقل من التباعد بين ذرات المادة ، فإن التخريط ينتج صور على مستوى الذرات ، والشكل التالي يمثل رسما توضيحياً لمفهوم تصوير الذرات بالمجهر الإلكتروني.













شكل توضيحي لتصوير الذرات بالمجهر الإلكتروني
مـن خلال راذرفورد، فإن حجم الذرة يكبر عن حجم النواة بما يزيد عن ضعفاً ومن ثم فإن معظم حجم الذرة فراغ بحيث تدور الإلكترونات تحت تأثير قوتين متساويتين، وهما جذب النواة والقوة المركزية الطاردة الناشئة عن دوران الإلكترونات. إن تفسير راذرفورد الكواكب للذرة لم يكن صحيحاً، فالمقارنة بين حركة عالم الكواكب وحركة عالم الذرات مختلفة. ()
وعليه، وتبعاً للديناميكا الكهربية، فإن أي شحنة مسرعة (تشمل الإلكترون) متحركة في دائرة حول النواة، يجب أن تفقد طاقة بالإشعاع وسوف تنقص المنظومة في الطاقة، وأخيراً يسقط الإلكترون في النواة. إن طبيعة فقدان الطاقة هذه تجعل الضوء المنبعث له طيف مستمر، ولكنه لوحظ أن الضوء المنبعث مميز Discrete ، مما أدى بالعالم بوهر في العام 1913 لإستحداث نظرية المشهورة لحل تلك المعضلة، فقد بين نيلز بوهر أنه بإستخدام الميكانيكا التقليدية والديناميكا الكهربائية لا يمكن إستنتاج مواقع مستقرة للإلكترونات في الذرة.
إن كل من نظرية بلانك لإشعاع الجسم الأسود وكذلك التأثير الكهروضوئي أكدتا لزوم تعديل قوانين الديناميكا الكهربائية. وبالتالي قدرة بوهر صلاحية تطبيق الميكانيكا التقليدية للذرات، في حين وجوب تعديل الديناميكا الكهربائية. لقد إفترض بوهر وجود مدارات إلكترونية مستقرة غير مشعة في الذرة بقيم معينة للزخم الزاوي، ويحدث إنبعاث أو إمتصاص الفوتونات في الانتقالات بين الحالات السلكنة أو المستقرة، كما أن تردد الإشعاع ليس ذلك التردد الدوراني للإلكترونات في أي من المدارين، ولكن له علاقة بطاقة كل من المدارين أي أن:
hv= E1-E2
حيث أن هما الطاقة الكلية في المدارين، والثابت h هو ثابت بلانك، هذا الافتراض يعد المدخل الأساسي لنظرية بوهر والشكل أدناه يوضح النماذج التي أفترض للذرة إنتهاء بنموذج بوهر.






هذه هي نماذج الذرة()، لقد افترض بوهر للتبسيط بأن الإلكترون يدور في مدار دائري وهو بدوره واقع تحت تأثير قوتين لبقائه في هذا المدار، هاتان القوتان هما القوة الطاردة المركزية وقوة كولوم الجاذبة، والشكل أدناه يوضع ذلك.




إن القوة الطاردة المركزية يمكن إيجادها بإستخدام قانون نيوتن:

حيث m هي الكتلة و هي العجلة الدورانية و r نصف القطر و السرعة الزاوية ، كما أن القوة الجاذبة الكولومية يعبر عنها بالمعادلة التالية:

حيث إن الثابت :
=
شحنة الإلكترون
q= Ze شحنة النواه
إن التوازن بين القوتين يؤدي إلى إستنتاج المعادلة التالية:

وحيث إن السرعة الزاوية تتناسب مع السرعة الخطية من خلال:
فإن المعادلة السابقة يمكن كتابتها كما يلي:

أو بطريقة أخرى():

كما أن طاقة الوضع u للإلكترون يمكن التدليل عنها بالمعادلة التالية:

إذاً في حالة المدارات الدائرية ومن خلال المعادلتين الاخيرتين يمكن إستنتاج أن طاقة الحركة تساوي نصف القيمة المطلقة لطاقة الوضع. وحيث إن الطاقة الكلية يمكن التعبير عنها بحاصل جمع الطاقة الحركية مضافاً إليها طاقة الوضع، أي أن:

أو بإستخدام المعادلة التي حررناها سابقاً:

ولادة نظرية الكم
إن نظريتي النسبية الخاصة والعامة لم تكونا أعظم إنجازات إينشاتين بل أن أبحاثه الأخرى والمتواصلة، جعلت نظرية الكم حقيقة واقعة، لقد ولدت نظرية في العام 1905، مع أول بحث قام به إينشاتين في العام نفسه بخصوص طبيعة الضوء، وطريقة إنتقاله، ولكن بعد ولادة نظرية الكم ترجع إينشاتين وكانت كلمته لا يعتقد إن الله عندما أسس القوانين الفيزيائية بناء على رمي الزهر، وكان يعتقد أن نظرية الكم هي مجرد مرحلة إنتقالية إلى أن تظهر في المستقبل نظرية حقيقة الذرة.
إلتقاء نظرية الكم بالنسبية الخاصة
ماذا يحدث عندما يلتقي ميكانيك الكم بالنسبية الخاصة؟ نذكر من النسبية، أن مقادير الطاقة والاندفاع والكتلة لجسيم ما مرتبطة بالعلاقة :

وهذا نتيجة من نتائج التناظر التي يتمتع بها الزمكان في النسبية الخاصة مع نظرية نوثر، من أجل حساب طاقة الجسيم، فإننا نكتب أولاً شكلاً مكافئاً للصيغة السابقة:

ثم لحساب الطاقة يجب أن نأخذ الجذر التربيعي لهذا التعبير الرياضي لـE.
مـع ذلك نعلم أنّ أيّ عدد له جذران تربيعيان إثنان. على سبيل المثال، للعدد (1) الجذر لأن ، وكذلك الجذر لأن ، والجذر التربيعي (الآخر) لعدد موجب هو عدد سالب. ولكن كيف لنا أن نتأكد من أن الطاقة المشتقة من صيغ إينشاتين يجب أن تكون موجبة؟ كيف يمكن للطبيعة معرفة ذلك؟ ما هو مصير الحّل الآخر ذي الطاقة السلبية؟ تخبرنا الفطرة السليمة أن الطاقة ـ خاصة الطاقة السكونية mc2 لجسيمات ذات كتلة يجب أن تكون موجبة دوماً.
من أجل ذلك رفض الفيزيائيون في الأيام الأولى للنسبية الخاصة وبكّل بساطة ـ الكلام عن الإمكانية الموافقة للجذر التربيعي السالب محتجين بأن هذه الطاقة السالبة لابدّ أن تكون (زائفة) لا تصف أيّ جسيمات فيزيائية ولكن هل يمكن وجود جسيمات بطاقة سالبة، حيث نأخذ الجذر التربيعي السالب ؟ إذا قبلنا بذلك سنجد أنه في حالة كان الاندفاع مساوياً لقيمة الصفر، يكون لهذه الجسيمات طاقة سكونية سالبة قيمتها (-mc2) .
وإذا ما إزداد الاندفاع ستنقص الطاقة في الحقيقة، وبالتالي مع فقدان هذه الجسيمات للطاقة من خلال عملية التصادم مع الجسيمات الأخرى أو من خلال إشعاعها لفوتونات فإنها سوف تزداد سرعة ! في الواقع ستصبح طاقتها سالبة أكثر فأكثر، لتغدو في نهاية المطاف مقداراً سالباً لا متناهياً. إن مثل هذه الجسيمات لن تتوقف عن التسارع، وستسقط في هاوية الطاقة السالبة اللانهائية، وسيغدو كوننا ملئيا بمثل هذه الجسيمات الغريبة ذات الطاقة اللانهائية سالبة الاشارة.()
ما قاله إينشاتين في رسالته في العام 1905 م والتي حصل بسببها على جائزة نوبل في الفيزياء في العام 1922 الضوء، وكذلك كل الموجات الكهرومغناطيسية، عبارة عن جيوب من الطاقة (كوانتا) أو (فوتونات) تعتمد على طول الموجة الضوئية. وكلما قصر طول الموجة كلما زادت طاقة الضوء أو الفوتونات. والفوتونات لا يمكن تجزيئها. هذا يعني أن الضوء ليس موجات، بعكس ما أثبته من قبل (توماس ينج وهيجنز وماكسويل).
الضوء كما يقول إينشاتين عبارة عن جيوب من الطاقة، (كوانتا) أو (فوتونات) شبيهة بالجزيئيات، هذه (الفوتونات) ليست بالضبط مثل حبة الرمل، ولكن لها خاصية الجزيئيات الفوتون له كمية طاقة ثابتة تتوقف على طول الموجة (أي اللون) ، (ويستطيع أن يضغط على أشياء أخرى، الضوء طاقة تنتشر في تدفقات متوالية مثل قطرات المطر التي تسقط على الأرض ولا تأتي على شكل سيل مائي، وقطرات المطر هذه هي شبيهة (الكوانتا) أو (الفوتون) .
معضلة اللانهائية في الطاقة السالبة الأشارة
إن هذه المعضلة مدفونة في عمق بنية نسيج النسبية الخاصة، ولا يمكن تجاهلها، وهي تغدو صعبة المراس وأكثر عسرة عندما نحاول إبتكار نظرية (كمومية) للإلكترون، إذ يتبين هنا في نهاية المطاف إننا لا نستطيع أبداً تجنب الإشارة السالبة للجذر التربيعي، تُجبر إذاً (النظرية الكمومية) الإلكترونات على إمتلاك كلتا القيمتين الموجبة والسالبة للطاقة من أجل القيمة معطاة للإندفاع.
وعليه نقول إن الإلكترون بطاقة سالبة يمثل كمومية مسموحة أخرى للإلكترون . ولكن هذا الأمر بدوره سيجلب كارثة معه، لأنه يعني أن الذرات المألوفة ـ وحتى ذرات الهيدروجين البسيطة ـ لن تكون مستقرة ، إذ يمكن للإلكترون ذي الطاقة الموجبة أن يصدر فوتونات مجموع طاقاتها 2mc2 لينتهي الأمر كإلكترون سالب الطاقة ، ثم يوكمل مسيرة السقوط نحو الهاوية المحددة بالطاقة السالبة اللانهائية في الكبر.
من البديهي إذاً أن مجمل الكون لن يكون مستقراً إذا وجدت حالات الطاقة السالبة صداعاً من الدرجة الاولى عند المحاولات الأولى لإبتكار نظرية كمومية لإلكترونات تتفاعل مع الضوء تكون منسجمة مع نظرية إينشاتين في نسبيته الخاصة.()

الضوء (الحيود والتداخل)
إن الضوء موجات وهذا ما يفسر خاصيتي الحيود والتداخل، والحيود بمعنى أن الضوء يحيد عن مساره وإتجاهه قليلاًً عند حافة الأجسام، والتداخل بمعنى أن موجات الضوء تتداخل مع بعضها وتكوّن مناطق مضيئة وأخرى معتمة، والضوء كونه جزيئيات يضعنا في إشكاليات كثيرة، منها كيف نفسر معادلات ماكسويل التي تقول بأن الضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية؟ والموجات ليست جزيئيات، الفرق بين الحالتين مهم، والاختلاف بين الموجة والجزيئي مثل الاختلاف بين تعاقب الليل والنهار ، كون الضوء أحد الحالتين يلغي الحالة الأخرى.
الضوء (موجات أم جزيئيات)؟
والضوء يقع في كلا الحالتين، وهذه أحدى إشكاليات النظرية الكمية. والضوء موجة وجزيء في آن معاً، ولكن قبل إينشاتين يعتبر ضرب من الخيال، لكن النظرية الكمية التي بدأها إينشاتين إستندت إلى المنطق العلمي وتجادل طويلاً العلماء أبتداءً من إسحق نيوتن وروبرت هوك، حول موضوع طبيعة الضوء وعما إذا كان موجة أم مجموعة جسيمات . والضوء بشكل عام يتحرك بخطوط مستقيمة ويعطي ظلالا كأنه يتوقف عندما يصطدم بالإجسام المختلفة، وهذا يتوافق مع ما نتوقعّه لو كان الضوء حزمة من كريات صغيرة. فالضوء يعاني أيضا ظاهرتي التداخل والانعراج مولداً عينات وأنماطاً تتماشى مع طبيعة موجية ـ عندما يحاول المرور من شق ضيق أو عبر حافة حادة.
إذ بعد وجود الانماط والعينّات الخاصة بالظاهرتين السابقتين علامة مميزة للموجة ـ مثل موجة الماء عندما تمر بالقرب من جسم يسبب تشويشاً للسطح، وبالنتيجة بقي السؤال قائماً حتى بداية القرن العشرين: هل الضوء جسيم أو موجة؟ وقد تعلّّمنا من جيمس كلارك ماكسويل في القرن التاسع عشر ، ومن نظريته عن الكهرومغناطيسية ، أن الضوء عبار عن موجة متحركة لحقول كهربائية ومغناطيسية، وبالتالي أعتقد كثير من الفيزيائيين أنه قد تم حلًّ الاحجية وأنّ الضوء ـ من دون شك موجة تتحرك بسرعة الضوء، حاملة الطاقة من منبع الضوء إلى المستلم أو المستقبل ، أثبتت النظرية أن الضوء يتم إصداره من شحنات كهربائية متسارعة، بينما يتم إمتصاصه بسبب تسارع جسيمات مشحونة بعيدة.
وتم اختبار هذه الأمور تجريبياً ومن ثمًّ التحقق من صحتها، حتى إنّ إرسالات البث الراديوي الأولى تمّ بناؤها في أواخر القرن التاسع عشر إعتماداً على هذه النظرية الناجحة يمكن لمنبع الضوء أن يكون أي شيء يرجّ ـ أي يهز ـ أو يصدم الإلكترونات مسبباً بذلك تسارعها.
إنتاج النيوترونات Production of neutrons
إن التفاعلات النووية تعد المصدر الوحيد للنيوترونات، حيث إن تفاعلات (a,n) على النوى الخلفية التي أدت إلى إكتشاف النيوترون لازالت مصدراً مهماً لإنتاج هذه الجسيمات. إن ما قيمته جرام واحد من الراديوم ((1: كوري- 1c1) أي الكمية التي لها نشاط إشعاعي لجسيمات إلفا يناظر إنحلال لكل ثانية)) مضافاً إليه عدد من الجرامات من مسحوق البريليوم سيؤدي إلى إنتاج من النيوترونات السريعة لكل ثانية.




حيث أن الراديوم ينحل إلى الرادون بإشعاعه لجسيمات إلفا كما أن الرادون ينحل بدوره إلى البولونيوم مشعاً جسيمات إلفا تتفاعل جسيمات إلفا مع البريليوم لتنتج الكربون والنيوترونات، ويمكن صياغة التفاعل رمزيا بـ وحيث أن الراديوم له عمر النصف (الزمن اللازم لإنحلال نصف عدد ذرات العينة) حوالي 1600 سنة فإن خليط الراديوم ـ بريليوم Ba –Be يمكنه إنتاج() النيوترونات بمعدل ثابت (أي التغير في عدد الذرات خلال إعداد التجارب والقياسات الإشعاعية غير ملحوظ وبالتالي فالنشاط الاشعاعي تعد ثابتة لأن عدد الذرات N يكاد يكون ثابتاً و ، حيث تمثل عمر النصف) ومن ثم يمكن إستخدام هذا كمصدر قياسي Standard Source .
أيضا هناك مصدر الرادون ـ بريليوم Bn- Be ، والذي له عمر النصف يقارب 38 أيام مما سنفه من المصادر سريعة الانحلال، مصدر آخر هو البولونيوم ـ بريليوم Po-Be (ينتج حوالي نيوترون لكل ثانية ويستخدم هذا المصدر عند الرغبة في الحصول على إشعاعات جامية ضئيلة مصاحبة الانحلال، ولكن لهذا المصدر عيوب متمثلة في قصر عمر النصف (حوالي 140يوم) كما أن عناية فائقة ومطلوبة لتحضير البولونيوم بدرجة نقاوة عالية. وعند الرغبة في الحصول على نيوترونات أحادية الطاقة Monoener getic فإن المصادر الفوتونيوترونية يمكن إستخدامها . هذه المصادر لا تعتمد بالضرورة على المادة المشعة طبيعياً، ومثال ذلك

كما إن الطاقة الترابطية للنيوترون الاخير ضعيفه بالنسبة لكل من و أيضا تعد طاقة الاستحثاث للتفاعل تساوي 2.23Mev، في حين تلك للتفاعل تساوي إن مشعات جاما الكثيفة جداً يمكن إنتاجها برخص في المفاعلات النووية وبالتالي يمكن إستخدامها لتضيع مصادر نيوترونات كثيفة تفوق تلك المنتجة من المشعات الجامعية الطبيعية.
هناك طريقة أخرى لإنتاج النيوترونات وذلك عبر المعجلات، مثال على ذلك التفاعلات التصادمية التالية :
(احد تفاعلات الاندماج النووي)
لاحظ أن التفاعل الاول يعد أحد التفاعلات الاساسية في المفاعلات الاندماجية النووية، في حين أن التفاعل الثاني يمكن إستخدامه في المفاعلات الاندماجية فيما يسمى ببطانية اليوارنيوم-238 لإنتاج البلوتونيوم -239.
النيوترونات البطيئة يمكن إنتاجها من التفاعلات السابقة بعد تمرير النيوترونات السريعة خلال مهدئ مثل البارفين أو الجرافيت أو الماء.
إن المصدر الأكثر أهمية لإنتاج النيوترونات بلا منازع هو المفاعلات النووية، فإذا كان المفاعل مصمماً بحيث يحدث الانشطار فيه بسبب النيوترونات البطيئة، فإن خليط من النيوترونات السريعة + المتوسطة + البطيئة سينتج، وهذا التعدد في طاقات النيوترونات يناسب إنتاج النوّيات المشعة الإصطناعية داخل ذلك المفاعل، إلاّ أنه هناك كثير من التجارب تتطلب النيوترونات البطيئة، وهذه يمكن الحصول عليها عبر ما يسمى بالعمود الحراري Thermal column وهو ببساطة عبارة عن كتلة ضخمة من الجرافيت المهدئ توضع بجوار المفاعل، ومن ثم فالنيوترونات الهاربة إليه ستهدأ سرعتها وبعد الإنتشار في مسافة محددة تدعى الطول الانتشاري Diffusion Length داخل العمود الحراري تتحول إلى نيوترونات بطيئة والشكل إدناه يوضح ذلك.()







المفاعلات كمصدر رئيسي للنيوترونات
تفاعل النيوترون وإختراقه للنواة
⦁-;- تعادل النيوترون لكونه لا يحمل شحنة كهربائية تجعله متميزاً في تفاعله مع المادة، على خلاف تفاعلات الجسيمات المشحونة وأشعة (جاما) مع المادة.
⦁-;- إن النيوترون معدوم الشحنة، فليس هناك دور للقوة الكولومية في قدرة هذا التفاعل سواء مع الإلكترونات الدوارة أو النواة ذاتها.
⦁-;- وعليه حتى يتفاعل النيوترون مع المادة، عليه أن يخترق النواة أو يقترب كثيراً منها ليمكّن القوة النووية من التأثير.
⦁-;- عندما يمص النيوترون داخل النواة الهدف تتكون النواة المركبة compound nucleus في حالة مثارة، وتتوزع طاقة الإثارة (المتضمنة طاقة الترابط والحركة للنيوترون) على مكونات النواة المركبة.
⦁-;- وبعد إنقضاء العمر الإفتراضي للنواة المركبة والذي يتراوح بين إلى من الثواني، فإن الطاقة الزائدة تتحرر بإنبعاث جسيم أو أكثر من النواة المركبة لأي نواة مركبة في حالة إنارة.
⦁-;- هناك العديد من التفاعلات النووية المحتملة والتي تعتمد على طاقة الإثارة وموقع ومستويات الطاقة في النواة المركبة والنواة الناتجة.
⦁-;- إحتمال أي نوع من الامتصاص للنيوترون يعتمد على طاقة النيوترون الساقط وتركيبة المادة الماصة.
⦁-;- والاحتمالات تتغير كثيراً حتى بين النظائر المختلفة لنفس العنصر.
⦁-;- إن كل نوية لها خواصها النووية الخاصة بها، وعليه ونظراً لأهمية طاقة النيوترون في تفاعلات النيوترون مع المادة، فإن تميز النيوترونات من وجهه نظر الطاقة يعد مهماً، فهناك النيوترونات البطيئة والتي تترواح طاقتها بين والمتوسطة والسريعة أكبر من 100kev.
تفاعل النيوترونات هو أساس الكشف عن النيوترونات في عملية الانشطار
⦁-;- الاستطارة المرنة (n,n) Flastie Scattering .
⦁-;- الاستطارة اللامرنة (n,n) , (n, yn) , (n, zn) Inelastic scattering ؛ هذا التفاعل ممكن طاقيا فقط للنيوترونات السريعة في التفاعل (n,n) تترك النواة في حالة إثارة وفي التفاعل (n,zn) ممكن عند سقوط النيوترون بطاقة تساوي أو أكبر من (10 Meve) .
⦁-;- الأسر الإشعاعي (n,y( Radiative capture ؛ هذا التفاعل يعد من أهم تفاعلات النيوترون مع المادة، حيث إن النيوترونات البطيئة يمكنها إستحداث هذا التفاعل تقريباً في كل النويدات . كما أن إحتماليته عالية بالنسبة لبعض النويدات ولبعض طاقات معنية للنيوترونات في مدى الطاقات المتوسطة ، وهذا النوع يسمى بالأسر الرنيني Resonance capture .
⦁-;- تحرير الجسيمات المشحونة ...(n,p) ,(n,d) , (n,a) ؛ وحيث أن هذا التفاعل يتطلب من الجسيم المشحون، التغلّب على الحاضر الكولوجي قبل الإنفلات من النواة، فتتميز هذه التفاعلات بإحتمالية عالية للنوى الخفية، وكذلك بالطاقة العالية للنيوترونات الساقطة يستثنى من ذلك (n,a) الباعث للطاقة Exoergic حيث تحرر جسيمات إلفا بسقوط نيوترونات بطيئة على النوى الخفية مثل الليثيوم -6 والبورون -10.
⦁-;- الإنشطار Fission (n,f) ؛ في هذا التفاعل تنشطر النواة المركبة إلى شظيتين مع تحرر نيوترون أو أكثر . الإنشطار يحدث بسبب النيوترونات البطيئة في في حين أن النيوترونات السريعة تحدث إنشطاراً لكثير من النوى الثقيلة .
⦁-;- التفاعلات عالية الطاقة ؛ تكون عند سقوط نيوترونات بطاقة عالية تزيد عن (100 Mev) فقد تسبب في إنبعاث رش من الجسيمات المختلفة. ()







الفصل الرابع
اليورانيوم وخواصه التفاعلية
اليورانيوك فلز مشع أبيض فضي اللّون، رمزه الكيميائي U وهو مصدر الطاقة المستخدمة في توليد الطاقة الكهربائية في كل :
⦁-;- محطات القدرة النووية الكبيرة
فبإمكان قطعة من اليورانيوم في حجم كرة المضرب إطلاق كمية من الطاقة تساوي كمية الطاقة التي تطلقها حمولة من الفحم الحجري يبلغ وزنها ثلاثة ملايين ضعف وزن قطعة اليورانيوم. كذلك ينتج اليورانيوم أيضاً الانفجارات الهائلة لبعض الاسلحة النووية وهذا ما سوف نناقشه في الصفحات السابقة عن القنابل النووية وخاصة القنبلة (الهيدروفراغية).
واليورانيوم هو ثاني أثقل عنصر موجود في الطبيعة بعد البلوتونيوم ، ويستغل المهندسون ثقل اليورانيوم في عدد من التطبيقات، حيث يستخدمون اليورانيوم في البوصلات الدوارة في الطائرة، لحفظ توازن أجنحة الطائرات وغيرها من السطوح التي تتحكم بالطائرات والمركبات الفضائية، وللوقاية من الاشعاع بإستخدام اليورانيوم غطاء. واليورانيوم المستخدم في هذه التطبيقات ذو خاصية إشعاعية ضعيفة جداً. ويستخدم العلماء اليورانيوم أيضاً لتحديد أعمار الصخور والمياه الجوفية وترسبات الترافرتين وهو أحد أشكال الحجر الجيري في المواقع الأثرية.
أين يوجد اليورانيوم ؟
⦁-;- يوجد اليورانيوم أساساً في الصخور ، ولكن بتركيزات منخفضة جداً.
⦁-;- ففي المتوسط يوجد 26 رطلاً فقط من اليورانيوم في كل مليون رطل من القشرة الأرضية.
⦁-;- ويوجد اليورانيوم بتركيزات أقل من ذلك في الأنهار، والبحيرات والمحيطات وغيرها من الأجسام المائية، حيث يوجد ما بين (0.1 ) رطل و(10) أرطال من اليورانيوم في كل بليون رطل من الماء، بما تحتويه من مواد محتوية على اليورانيوم.
⦁-;- أكتشف الكيميائي الألماني مارتن كلابروث اليورانيوم في العام 1789م، حيث وجده في البتشبلند وهو معدن داكن، أسود مزرق اللون، وسمي كلابروث اليورانيوم على أسم كوكب أورانوس ، الذي كان قد أكتشف في العام 1781 . وفي العام 1841 م فصل الكيميائي الفرنسي يوجين بليجو اليورانيوم النقي من البتشبلند.()
مصادر اليورانيوم
يوجد اليورانيوم في معظم القارات وتمتلك الولايات المتحدة الامريكية أكبر الرواسب تليها كندا ثم استراليا. ولا تتوفر معلومات دقيقة عن رواسب اليورانيوم في بعض الدول.
المصدر الأساسي لليورانيوم
هو اليورانينيت، ومن أهم أنواعه البتشبلند، الذي أكتشف فيه اليورانيوم لأول مرة، ومن الخامات الرئيسية الأخرى اليورانوفان والكوفينيت والكارنوتيت.
وقد يحتوي الحجر الجيري والطفل والفوسفات على ترسبات قيمّة من خامات اليورانيوم، بينما يحتوي الجرانيت عادة على كميات قليلة من اليورانيوم.
وفي أوائل القرن الحادي والعشرين بلغ إجمالي وزن اليورانيوم القابل للتعدين وبتكاليف معقولة حوالي (3,100,000) طن متري، ويبلغ إنتاج العالم السنوي من اليورانيوم حوالي (40,200) طن متري ، وتأتي كندا في مقدمة الدول المنتجة لليورانيوم في العالم، حيث تنتج منطقة ساسكاتشوان أكثر من نصف ما تنتجه كندا من اليورانيوم.
نظائر اليورانيوم
يوجد اليورانيوم في الطبيعة في ثلاثة نظائر (أشكال)، عددها الذري عدد البروتونات في النواة 92. ولكل من هذه النظائر عدد مختلف من النيوترونات، ولذلك تختلف هذه النظائر في العدد الكتلي الذري ( مجموع عدد البروتونات والنيوترونات في النواة) ويحتوي أخف هذه النظائر على (92) بروتوناً و (142) نيوتروناً بعدد إجمالي قدره (234) من الجسيمات النووية.
ويسمى هذا النظير اليورانيوم 234 . والنظيران الطبيعيان الآخران لليورانيوم هما اليورانيوم 235 واليورانيوم 238 ، ويحتيوان على 143 نيوتروناً و 146 نيوتروناً على التوالي . ويشكل اليورانيوم 238 حوالي 99.28 % من إجمالي اليورانيوم الطبيعي، بينما يمثل اليورانيوم 235 حوالي 0.71% ، واليورانيوم 234 حوالي 0.006% . ويعرّف اليورانيوم 238 باليورانيوم المستنفد، أو الخامد، أو المنضبّ. واليورانيوم 235 هو النظير الطبيعي الوحيد الذي يمكن إخضاع نواته لعملية الانشطار، أي الأنشقاق إلى نصفين . وتنطلق عن عملية الإنشطار الطاقة النووية المستخدمة في محطات القدرة وفي الاسلحة. ()
عملية الإنشطار
إنشطار النوى الثقيلة يحدث نتيجة إمتصاص هذه النوى للنيوترونات البطيئة أو النيوترونات السريعة، حيث تتنوع إحتمالية الانشطار بناءً على المقاطع المستعرضة للنواة القابلة للإنشطار ، فنجد أن نواة اليورانيوم -235 لها إحتمالية تبدأ من طاقات ضئيلة للنيوترونات ، في حين أن نواة اليورانيوم -338 تحتاج إلى نيوترون سريع بطاقة حوالي (1Mev) حتى تنشطر.
ونتيجة لهذا الإنشطار تنتج نويدات متوسطة الكتل تسمى نواتج الإنشطار ، حيث تتعدد هذه الشظايا ولها توزيع جاوسي بقمتين أحدهما حول نويدة خفيفة نسبياً A=95 وأخرى حول نويدة ثقيلة نسبياً A=135 . إن عملية الإنشطار تنتج ايضاً نيوترونات فورية في زمن يقارب من (10-4) إلى (10-6) ثانية، في حين أن هناك نوع أخر من النيوترونات يسمى بالنيوترونات المتأخرة والذي ينتج نتيجة إنحلال نواتج الإنشطار أو ما يسمى بإمهات النيوترونات المتأخرة Delayed evutrons precursors ، ويعبر عن هذه النيوترونات بست مجموعات وهي تلعب دوراً أساسياً في ديناميكية المفاعلات النووية .
الطاقة الناتجة من الانشطار تقارب من (200 Mev) وتتضمن الطاقة الحركية للنويدات الناتجة من عملية الإنشطار. وطاقة النيوترونات، وطاقة (بيتا)، وطاقة أشعة (جاما) الفورية والمتأخرة وأيضاً طاقة النيوترونات، وهذه الاخيرة ضائعة لا يمكن استردادها.()
الخواص التي يتمتع بها اليورانيوم
⦁-;- الوزن الـذري لليورانيوم 238,0289 ،
⦁-;- الكثافة عند 1.132co .
⦁-;- درجة الغليان عند 3.818co .
⦁-;- الانتماء ينتمي إلى مجموعة العناصر المسماة سلسلة الاكتينيدات.
العنصر الكيميائي
ويتحدد اليورانيوم بسهولة من العناصر الأخرى، ويوجد في الطبيعة عادة مكونا:
⦁-;- مركبات مع الاكسجين.
⦁-;- وفي معظم المياه السطحية + الجوفية.
⦁-;- يوجد اليورانيوم على شكل أكسيد أو كربونات أو فوسفات أو فلوريد أو كبريتات.
⦁-;- يتفاعل اليورانيوم مع الاحماض مكوناً مركبات تسمى أملاح اليورانيل.
⦁-;- كل مركبّات اليورانيوم عالية السمية.
⦁-;- النشاط الإشعاعي كل نظائر اليورانيوم مشعة، حيث تنحل (تتفتت) نوى ذراتها مطلقة جسيمات الطاقة، وخاصة جسيمات (إلفا) وجسيمات (بيتا) وأشعة (جاما).
⦁-;- عندما ينحل النظير يتحول إلى نظير أخر وبحدوث سلسلة من الانحلالات يتحول اليورانيوم في النهاية إلى نظير للرصاص غير المشع.
⦁-;- ويقيس العلماء معدل إشعاع أي نظير على أساس عمره النصفي أي الفترة الزمنية التي يتبقى بعدها نصف عدد الذرات المكونة لعينة من النظير على شكل ذرات لذلك النظير.
⦁-;- لنظائر اليورانيوم أعمار نصفية طويلة، فالعمر النصفي لليورانيوم -238 يبلغ حوالي (4.5) بليون عام، ولليورانيوم -235 حوالي (700) مليون عام، ولليورانيوم -234 حوالي (250,000) عام. ويعتقد أن جزءاًَ كبيراً من حرارة باطن الأرض ينتج الإشعاع الصادر عن اليورانيوم.
⦁-;- قابلية الانشطار ، ينشظر اليورانيوم -235 إلى شظيتين عند قذفه بنيوترون ، وتنطلق عن ذلك طاقة، كما ينطلق نيوترونان أو أكثر وتسبب هذه النيوترونات بدورها إنشطار نوى أخرى، مطلقة أيضاً طاقة ونيوترونات. وتحت ظروف معينة يمكن لهذه العملية أن تستمر في سلسلة من الانشطارات ذاتية الإستمرار وتسمى التفاعل التسلسلي.
⦁-;- ولا تنشطر نواة اليورانيوم -238 عند قذفها بنيوترون إلا نادراً، وذلك لأنها عادة تمتص النيوترونات التي تصدم بها.
تعدين اليورانيوم
تعدين اليورانيوم يتطلب ثلاث طرق تقوم بها شركات التنقيب وهي طرق رئيسية لإستخراج اليورانيوم من الارض وكما يلي:
⦁-;- التعدين المحلولي.
⦁-;- التعدين المكشوف.
⦁-;- التعدين الأرضي.
التعدين المحلولي المكاني، يبدأ التعدين المحلولي المكاني يضخ محلول خاص عبر ثقوب تحفر في باطن الأرض لتذويب أكاسيد اليورانيوم. ويضخ المحلول المحتوى على الأكاسيد بعد ذلك إلى حاويات موضوعة على السطح. وفي كل الحالات تقريباً تكون الثقوب المستخدمة في التعدين المحلولي المكاني محفورة مسبقاً ضمن جهود التنقيب عن ترسبات اليورانيوم، حيث يستخدمها المنقبون، أثناء عمليات الاستكشاف الأولية لإنزال كاشفات الإشعاع.
التعدين المكشوف ، في هذا النوع من التعدين تستخدم المتفجرات لتفتيت الصخور والتراب التي تغطي ترسبات اليورانيوم قرب سطح الارض يحفر المنقبون ثقوباً تملأ بالمتفجرات وبعد الانفجارات تستخدم جرافات ضخمة لإبعاد الكتل الصخرية، ثم تستخدم جرافات أصغر لإستخراج خام اليورانيوم.
التعدين الارضي، يستخدم التعدين الارضي في حالة وجود خام اليورانيوم بعيداً عن السطح، تحفر شركات التنقيب إنفاقاً داخل الترسبات، وبعد ذلك يحفر المنقبون ثقوباً داخل جدران الأنفاق لملئها بالمتفجرات التي تخلخل الخام، ثم يضعون الخام في دلاء ترفع إلى السطح.
الدول التي تنتج اليورانيوم
إنتاج اليورانيوم السنوي بالطن المتري()
اسم الدولة 2001 2002 2003 2004
كندا 12.520 11.604 10.457 11.597
استراليا 7.756 6.854 8.982 7.572
كازاخستان 2.050 2.800 3.300 3.719
النيجر 2.920 3.075 3.143 3.282
روسيا 2.500 2.900 3.150 3.200
ناميبيا 3.038 2.036 2.333 2.239
أوزبكستان 1.962 1.860 1.598 2.016
الولايات المتحدة 1.011 919 779 846
أوكرانيا 750 800 800 800
جنوب أفريقا 873 824 758 755
الصين 655 730 750 750
تشيكيا 456 465 452 412
البرازيل 58 270 310 300
الهند 230 230 230 230
المانيا 27 212 150 150
رومانيا 85 90 90 90
باكستان 46 38 45 45
فرنسا 195 20 Zero 7
اسبانيا 30 37 Zero Zero
البرثتغال 3 2 Zero Zero
اجمالي انتاج العالم 36.366 36.063 35.613 40.219


تكرير ومعالجة خام اليورانيوم ينقل الخام من المنجم إلى مطحنة لتركيز اليورانيوم وفي المطحنة يستخدم العاملون حمض الكبريتيك أو محاليل الكربونات لإنتاج ملح من أملاح اليورانيوم يسمى الكعكة الصفراء وتنقى الكعكة الصفراء إلى أكاسيد يسمى أيضا الكعكة الصفراء، وصيغته الكيميائية U-308 ويخضع الاكسيد في معمل تحويل إلى تفاعل كيميائي مع الفلور، لإنتاج ساسد فلوريد اليورانيوم (UF6) وينقل سادس فلوريد اليورانيوم إلى محطة تخصيب لفصل اليورانيوم 235 عن اليورانيوم -238.
وينتج عن هذا الفصل يورانيوم مخصب، يحتوى على نسب من اليورانيوم -235 أعلى من النسبة التي يحتويها اليورانيوم الموجود في الطبيعة. وتستخدم معظم المفاعلات النووية في محطات القدرة النووية وقوداً يحتوي على اليورانيوم -235 بنسبة تتراوح بين 2% و 4% تقريباً.
أما الاسلحة النووية ومفاعلات السفن التي تعمل بالقدرة النووية فتتطلب نوعاً من اليورانيوم تحتوي على اليورانيوم -235 بنسب أعلى من ذلك. وينقل اليورانيوم المخصب، الذي يراد إستخدامه في المفاعلات ، إلى محطة صنع الوقود، لتحويل سادس فلوريد اليورانيوم إلى ثاني أكسيد اليورانيوم ، الذي يضغط على كريات إسطوانية الشكل، تستخدم وقوداً.
طريقة الانتشاري الغازي لفصل النظائر
وتستخدم فيها حواجز مسامية لفصل نظائر اليورانيوم. ويحدث الفصل لأن جزيئات غاز سادس فلوريد اليورانيوم المحتومة على نظير اليورانيوم -235 تمر خلال الحواجز أسرع من الجزيئات المحتومة على اليورانيوم -238 . لقد طور العلماء طرقاً لفصل نظائر اليورانيوم . وتستخدم شركات التخصيب طريقتين من هذه الطرق هما:
⦁-;- طريقة الانتشار الغازي.
⦁-;- وطريقة الطرد المركزي.
⦁-;- وهناك طريقة ثالثة تحت التجريب تسمى طريقة فصل النظائر بالليزر.
طريقة الانتشار الغازي
وتستخدم هذه الطريقة في الولايات المتحدة الامريكية، وفي هذه الطريقة تضخ جزيئات سادس فلوريد اليورانيوم خلال حواجز تحتوي على ملايين الثقوب الدقيقة، حيث تمر جزيئات الغاز الخفيفة عبر ثقوب الحواجز أسرع من الجزيئات الثقيلة، وتحتوي الجزيئات الخفيفة على ذرات اليورانيوم -235، ولذلك يحتوي الغاز الذي يمر عبر الحاجز على نسبة من اليورانيوم -235 أعلى من الغاز الأصلي. ونظراً لأن هذه الزيادة طفيفة جداً، فإن الغاز يجب أن يمر عبر الحاجز عدة آلاف مرة لإنتاج اليورانيوم المخصب الذي يراد إستخدامه في محطات القدرة النووية.
طريقة الطرد المركزي
طريقة الطرد المركزي لفصل النظائر، تستخدم فيها أسطوانة ذات حركة دوامية، يجبر دوران الإسطوانة غاز سادس فلوريد اليورانيوم إلى الخروج. ويتجمع الغاز المحتوي على اليورانيوم -238 على الجدران لثقله، بينما يتركز الغاز الأخف المحتوى على اليورانيوم -235 قرب المركز. ()
وتستخدم طريقة الطرد المركزي في عدد من المحطات في أوروبا ـ واليابان. ويتكون جهاز الطرد المركزي في هذه الطريقة من أسطوانات عمودية ذات حركة دوامية سريعة، ويضخ غاز سادس فلوريد اليورانيوم في كل أسطوانة عبر أنبوبة عمودية ثابتة داخل كل أسطوانة.
وتجبر الحركة الدوامية للإسطوانات كل الغاز الخارجي تقريباً في إتجاه الجدران المنحية، وبالإضافة إلى ذلك، تساعد مغرفة متصلة بقاعدة الأنبوبة الثابتة في إنسياب الغاز عمودياً، كما تساهم الفروق في درجات الحرارة داخل الأسطوانة في إحداث هذا الإنسياب العمودي، وبسبب هذه التأثيرات ـ الحركة الدوامية للأسطوانة حركة المفرغة وفروق درجات الحرارة ـ ينساب الغاز بنمط معقد، ويصبح الغاز القريب من قاعدة الإسطوانة مركزاً باليورانيوم-238 أكثر من الغاز العلوي.
وتزيل المفرغة السفلية النفايات الغازية، التي تحتوي على تركيزات أعلى نسبياً من اليورانيوم -238 بينما تزيل المفرغة العلوية الغاز المخصب الذي يحتوي على اليورانيوم -235 بتركيز أعلى . وتتكرر العملية حتى يتم الحصول على التركيز المطلوب من اليورانيوم -235.
فصل النظائر بالليزر
في هذه الطريقة تستخدم حزمة ليزرية واحدة أو أكثر يسبب هذا الضوء إكتساب ذرات اليورانيوم -235 فقط في غاز اليورانيوم لشحنات كهربائية وتجذب ألواح ذات شحنة مغايرة لهذه الذرات، ولكنها لا تؤثر على ذرات اليورانيوم -238، وهكذا ينفصل الغاز إلى إتجاهين.
⦁-;- فصل النظائر بالليزر في هذه الطريقة تستخدم توليفه من ضوء الليزر وشحنة كهربائية لفصل نظائر اليورانيوم.
⦁-;- والليزر نبيطة تنتج حزمة رفيعة من الضوء ذات مدى ترددي ضيق جداً (تردد الضوء هو معدل اهتزاز موجات الضوء).
⦁-;- وفي طريقة لفصل النظائر بالليزر تسمى طريقة البخار الذري، تسخن حزمة من الإلكترونات قطعة من اليورانيوم عند قاعدة حاوية مغلقة، محولة اليورانيوم إلى بخار (غاز) ، ثم يخترق الغاز بنبضات من حزمة ليزرية ويوالف تردد الحزمة بحيث تستطيع الإلكترونات في ذرات اليورانيوم -235 إمتصاص الضوء، ولا تستطيع إلكترونات ذرات اليورانيوم -235 ذلك.()
وعندما يمتص إلكترون اليورانيوم -235 هذا الضوء، يحصل على طاقة تكفيه لترك الذرة. وتغير هذه العملية التوازن الكهربائي للذرة، فالإلكترون يحمل شحنة كهربائية سالبة، بينما تحمل النواة شحنة كهربائية موجبة واحدة أو أكثر. وفي الذرة العادية يكون عدد الشحنات الموجبة مساوياً لعدد الشحنات السالبة، ولذلك تكتسب الذرة شحنة موجبة عندما يتركها إلكترون، وتعليق العلماء على هذه الحالة:
إن الذرة تحولت إلى أيون موجب، وهكذا يؤين ضوء الليزر ذرات اليورانيوم-235 ، ولا يؤين ذرات اليورانيوم -238. وعند صعود البخار الساخن إلى أعلى تجذب ألواح تجميع سالبة الشحنة في قمة الحاوية أيونات اليورانيوم -235 الموجبة. ولأن ألواح التجميع أبرد من الغاز، فإن اليوراينوم -235 يتكثف عليه (يتحول من غاز إلى سائل) , ويتقطر اليورانيوم -235 من ألواح التجميع إلى حاويات خاصة، مكوناً كتلة صلبة ثم تجمع الكتل الصلبة وتنقى وتؤكسد لإستخدامها وقودا نووياً.
وفي الوقت نفسه ينتقل اليورانيوم -238 ، المتعادل كهربائياً عبر الألواح المشحونة ثم يتكثّف فوق لوحة نفايات قرب قمة حاوية. وفي أحدى التقنيات الليزرية تسخن وحدة كهربائية قطعة من اليورانيوم منتجة بخاراً.
وتعمل حزمتان ليزريتان معاً لتأيين ذرات اليورانيوم -235 في البخار، ثم تجمع لوحة موجبة الشحنة أيونات اليورانيوم -235 في البخار، ثم تجمع لوحة موجبة الشحنة أيونات اليورانيوم -235 ، تاركة بخار ذرات اليورانيوم -238 تخرج عبر فتحة في قمة الحاوية.
وتستهلك طريقة فصل النظائر بالليزر طاقة كهربائية أقل بكثير من الطاقة التي تستهلكها طريقة الإنتشار الغازي، كما أن تكلفة معدات طريقة الفصل بالليزر أقل بكثير من تكلفة معدات طريقة الطرد المركزي . ولذلك تجري الشركات المدعومة حكومياً في (فرنسا واليابان والولايات المتحدة الامريكية ) التجارب لاستخدام طريقة فصل النظائر بالليزر. ()
نظرية الإنشطار Fission Theory
تحدث عملية الإنشطار في النوى لنظائر بعض العناصر الثقيلة مثل اليورانيوم والبلوتونيوم عند أسرها للنيوترونات، هذه النوى بالكاد تكون مستقرة ومن ثم فإن إمتصاصها للنيوترون يضيف إليها طاقة تمكنها من الإنشطار فوراً إلى جزئين متساويين تقريباً بطاقة مصحابة آنيا قدرها حوالي (180 Mev)، وكذلك عدد من النيوترونات (2.52 ليوراينوم ـ 235 و 2.95 لبلوتونيوم ـ 239) .
النيوترونات قد تكون فورية أو نيوترونات متأخرة التي تنتج في أحد مراحل إنحلال نواتج الإنشطار المسبوقة بإشعاع جسيمات (بيتا) . يصاحب عملية الإنشطار جاما وكذلك النيوترنات في عملية مصاحبة لإنحلال( بيتا). إذا، في المتوسط ، تكّمن نيوترون واحد ناتج من عملية الانشطار من إحداث إنشطار موالي، فإن تفاعلاً متسلسلاً ينشأ عن ذلك، أما إذا ما تمكن أكثر من نيوترون ناشئ من الإنشطار من إحداث إنشطارات تالية، فإن عدد النيوترونات وكذلك معدل الطاقة المولدة تتزايد أسياً، والشكل أدناه يبين عملية إنشطار أحد النوى الثقيلة.










هذا الشكل يبين عملية انشطار النوى
إن النواة في الذرة يمكن أن تتفاعل مع النيوترون الذي يمر بجوارها بطريقتين أساسيتين، أما باستطارته وبالتالي إنحراف النيوترون. لذا فالنواة تتأثر بعدة طرق؛ أهمها إمتصاص النيوترون أو الإنشطار. إن إحتمالية إستطارة النيوترون (Scattering) أو أسره (Capturing) تقاس بالمقاطع المستعرضة للإستطارة أو الأسر، كما أن المقطع المستعرض للأسر يمكن أن ينطوي تحته المقطع المستعرض للإمتصاص وكذلك المقطع المستعرض للإنشطار.
إن استقرار نواة ذرة ما يعتمد على طاقة ترابطها (Bindnig Energy) (أي الطاقة اللازمة لتفكيكها) فعندما يؤسر نيوترون أو بروتون قبل نواة الذرة، فإن النواة تعيد ترتيب بنائها، وعليه فإذا تحررت طاقة بسبب إعادة الترتيب، فإن طاقة الترابط تقل، وفي حالة إمتصاص الطاقة، فإن طاقة الترابط تزيد.
والنظائر ذات الاهمية في تحرير طاقة ذات مستوى تطبيقي ملموس مثل:
اليورانيوم بنوعية U-232 و U-233 وكذلك البلوتونيوم Pu-239 لها طاقة ترابط ضعيفة بحيث إذا ما أسرت إحداها نيوترون، فإن الطاقة التي ستحرر بسبب إعادة ترتيب النواة تفوق طاقة الترابط، ومن ثم فإن النواة لن تعد مستقرة، وعليها إما تحرير الطاقة الزائدة أو الانشطار إلى جزئين، وحيث إن الانشطار يحدث في هذه الحالة دون الحاجة إلى الطاقة الحركية للجسم الساقط، فيدعى هذا الانشطار بالانشطار البطيء.
وعلى نقيض هذا فإن النظير U-238 عندما يأسر نيوترون فإن طاقة الترابط لاتزال تفوق الطاقة المحررة نتيجة إعادة ترتيب النواة بمقدار (1Mev) ، لذا فعندما ما يحمل النيوترون المأسور طاقة أعلى من (1Mev) ، فإن هذه الطاقة مضافة إليها الطاقة المحررة نتيجة إعادة الترتيب تتفوق على طاقة الترابط، ومن ثم يحدث الإنشطار ، وحيث إن النيوترون بهذه الطاقة الحركية العالية مطلوب لإحداث الإنشطار ، فإن مثل هذا الانشطار يسمى بالانشطار السريع بوهر ويلر إستطاعا التنبأ بالانشطار الذاتي Spontaneous Fission وذلك بإستخدام نموذج قطرة السائل، وأيضا إنشطار النوى الثقيلة بواسطة النيوترونات البطيئة والسريعة.()
إن شكل قطرة السائل الممثلة للنواة تعتمد على التوازن بين قوى الشد السطحي وقوة التنافر الكولومية .فإذا أضيفت الطاقة إلى النواة (القطرة) في صورة طاقة إثارة بسبب أسرها لنيوترون بطئ، فإن تذبذباً Oscilation ينشأ داخل القطرة، هذه التذبذبات تسعى لتشويه الشكل الكروي للنواة وتتحول إلى شكل (اهليلجي) بيضاوي Ellipsoid الشد السطحي يسعى إلى أعادة الشكل إلى الشكل الأصلي الكروي، في حين أن طاقة الإثارة تسعى إلى تشويه الشكل أكثر، إذا كانت طاقة الإثارة كبيرة فإن القطرة ربما تأخذ شكل الدّمبل Dumb bell مثل (ثمرة الفول السوداني بحبتين) ومن ثم فإن القوة الكولومية تأخذ دورها في فصل النوتؤين إلى كرتين ، بحيث تقوم قوة الشد السطحي لكل منهما بالحفاظ على الشكل الكروي ومن ثم تنجز مهمة الإنشطار .
أما إذا كانت طاقة الإثارة ضعيفة، فإن الشكل الاهليلجي قد يرجع إلى الشكل الكروي، وتتحرر طاقة الإثارة في شكل أشعة (جاما) ويسمى هذا الحدث بالأسر الإشعاعي والذي شكل نسبة حدوثه حوالي (18%) لنواة اليورانيوم ـ235 . والشكل أدناه يوضح آلية الانشطار الذاتي أو الانشطار بنويترون سريع أو نيوترون بطيء.







الانشطار الذاتي والمستحدث
وهذا الشكل يوضح أن تاثير مجال القوة الكولومية يبدأ من الحالة الحرجة المتثلة في مساوة البعد بين النويتين الجديدتين إلى r= R1+R2 كما هو الحال الموضح في الشكل السابق: وذلك يناظر طاقة وضع تساوي Ee . ومن ثم ففي الجانب الايسر للمنحنى، هناك إحتمالين؛ Ee أكبر من Ef وهذا يتطلب طاقة لسلق المنحني وذلك يعني أنشطار مُحفّز أو مستحث، أما إذا ما كانت Ee اصغر من Ef فإن الشكل المنحني الإنسيابي يدل على إنشطار ذاتي().
نتائج الإنشطار Fission products
نتائج الانشطار هي تلك النوى الناتجة من إنشطار النواة المركبة مثال على ذلك الناتجة من إمتصاص النيوترون. إن نواة تحوي عدد 144 من النيوترونات وعدد 92 من البروتونات بنسبة ، في حين أن لنواتج الانشطار تتراوح بين إلى .
وعليه فإن بإنشطار النواة المركبة المثارة فإنه على الأقل إحدى نواتج الانشطار تكون لها زيادة في عدد النيوترونات مقارنة بعدد البروتونات ، وبالتالي فهي غير مستقرة وتسعى إلى الاستقرار إما بإنبعاث نيوترون إذا كانت النواة الناتجة من الإنشطار تحمل طاقة إثارة عالية، أو تشع جسيم بتحول أحد النيوترونات إلى بروتون عبر التفاعل أدناه:







الفصل الخامس
القنابل الهيدروفراغية
هناك ثلاثة أنواع رئيسية من الاسلحة النووية وهي:
الاسلحة النووية الإنشطارية Fission weapons
وتشمل الأنواع الفرعية:
قنابل الكتلة الحرجة Critical Mass
قنابل المواد المخصبة Fnriched Materials
الاسلحة النووية الاندماجية Fusion Weapons
وأهم أنواعها:
⦁-;- القنابل الهيدروجينية Hydrogen Bombs التي تعرف أيضا القنابل النووية.
⦁-;- الحرارية Thermonuclear Bombs
⦁-;- القنبلة النيوترونية Neutron Bomb
الاسلحة النووية التجميعية Combination Methods
وتشمل الأنواع الفرعية .
⦁-;- القنابل ذات الإنشطار المصوبGun – type Fission Weapon
⦁-;- قنابل الإنشطار ذات الاضغاط الداخليImplosion Method
⦁-;- القنبلة النووية (الذرية( (Atomic) Bomb Nuclear (يمكن أن يحدث الإنشطار النووي Nuclear Fission في عنصري اليورانيوم -235 والبلوتونيوم -239 وذلك عندما يتعرضان لسيل من نيوترونات بطيئة. وهذا الانشطار ينتج عنه إنطلاق نيوترونات تهاجم ذرات أخرى وتنشطر ، وهكذا يحدث التفاعل المتسلسل النووي:
التفاعل المتسلسل مع اليورانيوم يعتمد على التوازن بين أربعة أحداث متنافسة وهي:
⦁-;- إنشطار نوى اليورانيوم مع إنبعاث نيوترونات أكثر مما يؤسر.
⦁-;- أسر اليورانيوم للنيوترونات دون إحداث إنشطار.
⦁-;- أسر مواد أخرى للنيوترونات ، وبالطبع دون حدوث عملية الإنشطار.
⦁-;- إفلات النيوترونات دون أسرها.
فإذا كانت العمليات (2، 3، 4) أصغر أو تساوي الحدث (1)، فإن التفاعل المتسلسل ممكن بحيث يكون إما فوق الحرجي، أو تفاعل متسلسل حرجي. إما إذا ماحدث العكس، فإن المنظومة تكون تحت الحرجية ولا يمكن الحفاظ على تسلسل التفاعل.
وتجدر الإشارة إلى أن الفكرة الأساسية في صناعة القنبلة الذرية هي، الحصول على طاقة كبيرة جداً في زمن قليل جداً، وتوضع المادة القابلة للإنشطار النووي مثل البلوتونيوم أو اليورانيوم على هيئة قطع صغيرة الحجم، كل قطعة أقل من حجم معين يطلق عليه (الحرج) Critical Mass ، وتحفظ على أبعاد متساوية عن بعضها حتى لا يحدث الانشطار النووي إلا عندما يراد تفجير القنبلة، وفي هذه الحالة تجمع القطع الصغيرة الحجم بطريقة خاصة وسرعة فائقة.
ويمكن كذلك الوصول إليها بإحداث إنفجار قوي بإستخدام مادة شديدة الإنفجار مثل: TNT ، خلف هذه القطع بتجميعها والوصول بها إلى الحجم الحرج فحيث التفاعل في زمن قصير جداً وبسرعة فائقة، حيث تنطلق طاقة الانفجار الهائلة المكونة من موجة ضغط وموجة حرارية وإشعاعات مؤقتة (خارقة) وإشعاعات مستمرة (تلوث بالمواد المشعة) (وتستخدم مادة البلوتونيوم 239 أو اليورانيوم -235) ، وقد أستخدمت المادة الاولى في صناعة قنبلة (ناغازاكي) بينما إستخدمت الثانية في صناعة قنبلة (هيروشيما) .
ويطلق على أقل حجم من المادة القابلة للإنقسام التي تسمح بإستمرار الإنشطار المتسلسل الذي يؤدي إلى حدوث طاقة الانفجار الذري الهائلة.
إصطلاح الحجم + الكتلة الحرجة، ويعتمد هذا الحجم على كل نوع المادة الإنشطارية يورانيوم-35 أو بلوتونيوم -239 وشكل حجم العبوة شديدة الإنفجار وكثافة المادة الإنشطارية ووفرة النيوترونات.()
مقدار الطاقة الناتجة عن الانفجار
يعتمد مقدار الطاقة الناتجة عن إنفجار القنبلة النووية بشكل عام على نوعية التقنية المستخدمة في صنع القنبلة النووية، فعلى سبيل المثال:
⦁-;- القنبلة البدائية الأولى التي القيت على مدنية هيروشيما، تزن 4 طن وتحتوي على قدرة تدميرية تعادل 20 الف طن من ثلاثي نيروتولوئين TNT بينما طورت حالياً هذه القنابل النووية. بحيث أصبحت تزن (0.1) طن فقط وبقوة تدميرية تعادل (200) الف طن من TNT، وكما هو معروف، فإنه كلما زادت القوة التدميرية للقنبلة وقل وزنها كلما كانت أكثر كفاءة، بحيث يمكن حملها بسهولة على شكل رؤوس نووية بواسطة الصواريخ.
⦁-;- تستخدم مثل هذه القنابل النووية كاسلحة إستراتيجية للهجوم على أهداف كبيرة مثل المدن.
⦁-;- يمكن تصنيع قنابل نووية صغيرة تكون قدرتها التدميرية في حدود ألف إلى خمسة آلاف طن من TNT تستخدم كأسلحة تكتيكية يتم قذفها بمقاتلات أو صواريخ للهجوم على أهداف صغيرة مثل المطارات ومصانع الاسلحة ومواقع الصواريخ وغيرها.
القنبلة الهيدروجينية
تعتمد فكرة القنبلة الهيدروجينية أو القنبلة النووية الحرارية على عملية الإندماج النووي Nuclear Fusion بين نظري الهيدروجين (التريتيوم الديوتيريوم) لتكوين ذرة هيليوم ويكون الفرق في كتلة المواد المتفاعلة والمواد الناتجة من هذا التفاعل النووي حوالي 0.4% تنبعث على شكل طاقة هائلة تعادل ما ينتج من إنفجار عشرين مليون طن من مادة ثلاثي نيتروتولوئين TNT أي أن إنفجار قنبلة هيدروجينية يزيد عن إنفجار قنبلة نووية بمائة إلى ألف مرة.
وتدعى القنبلة الهيدروجينية بالقنبلة الحرارية النووية Theermonuclear Bomb لأن تفاعل التحام النوى عبارة عن تفاعلات نووية حرارية وذلك لأنها لا تبدأ إلا إذا إرتفعت درجة حرارة المواد المتفاعلة إلى درجة حرارة عالية جداً. والذي يجعل هذا التفاعل يستمر حتى تنتهي المكونات هو أن هذه التفاعلات نفسها تفاعلات طاردة للحرارة مولد للطاقة Exothermic .
تفاصيل عن القنابل الهيدروجينية
القنابل الهيدروجينية هي عبارة عن أحد أنواع الاسلحة النووية وبالتحديد يعتبر من نوع الاسلحة النووية الاندماجية ويعرّف أيضاً باسم H-Bomb أو القنبلة النووية الحرارية.
صناعتها
تصنع هذه القنابل بواسطة تحفيز عملية الاندماج النووي بين نظائر عناصر كيميائية لعنصر الهيدروجين وبالاخص النظيرين التريتيوم Tritium و الديتيريوم Deuterium حيث ينتج من إتحاد هذين النظيرين للهيدروجين ذرة هليوم مع نيترون صافي. ()
ويكون الهيليوم الناتج من هذه العملية أثقل كتلة من الهيليوم الطبيعي، وتقاس قوة هذه القنبلة الهيدروجينية بالميجا طن (بالمليون طن من مادة TNT).
وتسريع هذا الاتحاد يتطلب كميات هائلة من الحرارة، لذلك جاءت التسمية القنابل النووية الحرارية، ينتج عن إنفجار القنبلة الهيدروجينية حرارة شديدة واهتزاز هائل ورياح عاتية شديدة السرعة وإنبعاث هائل للأشعة لاسيما أشعة (جاما).
جدل حول الاختراع لهذه القنابل
لايزال هناك جدل حول من توصل أول مرة إلى إختراع لهذا النوع من القنابل. حيث أنه في فترة زمنية متقاربة جداً في العام 1955 رغم اندريه ساخروف من الاتحاد السوفياتي السابق وإدوارد تيلر مع ستانيسلو اولام من الولايات المتحدة الامريكية بإختراعهم لأول قنبلة هيدروجينية.
مقارنة بين القنبلة الهيدروجينية والقنبلة الذرية
القنبلة الهيدروجينية تقوم على عكس القنبلة الذرية، حيث أن القنبلة الذرية تعتمد على الانشطار بينما الهيدروجينية تعتمد على الاندماج فعند دمج نظائر الهيدروجين ( الديتيريوم + التريتيويوم) ينتج طاقة هائلة وعملية الدمج تحتاج إلى تسخين بعدة ملايين من الدرجات، وكان يستعمل قنبلة ذرية لتقوم بعملية التسخين هذه وسميت القنبلة بالقنبلة القذرة تم تصنيع قنبلة تقوم بالتسخين بالليزر سميت بالقنبلة النظيفة وإن أول تجربة للقنبلة الهيدروجينية كان في المحيط الهادئ ويذكر أن صياداً كان قد تأثر بالاشعاعات على بعد مئة كيلومتر وتوفى على أثرها بعد حوالي عشرة أيام ، وفي يوم التفجير قامت القداسات في الولايات المتحدة الامريكية على أرواح الاسماك مما استدعى تعليق ستالين على ذلك:
(عجباً كيف يصلون إلى الاسماك في البحر ولا يصلون إلى البشر في اليابان ، مشيراً إلى القنبلتين اللتين ألقيتا على [هيروشيما وناغازاكي] )
والقنبلة الهيدروجينية قياساً بالقنبلة الذرية التي لا تساوي شيء أمامها.
⦁-;- أشعاعها يغطي مساحة قطرها (200) كيلومتر.
⦁-;- كل من يتعرض لهذه الاشعة يموت بفترة وجيزة.
⦁-;- قوتها التدميرية تتفاوت بين (1000) قنبلة ذرية (50000) الف قنبلة ذرية.
⦁-;- والقنبلة الهيدروجينية التي جربتها الولايات المتحدة الامريكية كانت قوتها 3.5 ميكاطن، واستطاعت هذه القنبلة أن تبخّر ثلاث جزر بكاملها حيث اختفت بالكامل عن وجه البسيطة.
وكان الرد الروسي على هذه التجربة
وهي التجربة الأكبر في العالم، وسميت بتجربة برافو، وحيث أن القنبلة الهيدروجينية التي حركتها روسيا كانت بقوة 50 ميكاطن.
حيث أن قوتها إستطاعت أن تدمر مساحة قطرها 800 كيلومتر أي تستطيع تدمير دولة مثل مصر بكاملها، وقد تحققت هذه التجربة فوق القطب الشمالي. وهناك من يقول بأن إسرائيل إمتلكت تكنولوجيا دمج النواة وهي بصدد بناء قنبلتها الهيدروجينية الاولى.
وإسرائيل وحسب المعلومات أن لديها (400) رأس نووي وربع تلك الرؤوس هي استراتيجية معدة لتدمير المدن الرئيسية للدول العربية.
وروسيا لديها قنبلة هيدروجينية قوتها (5000) ميكاطن وتستطيع محو ثلاث قارات:
⦁-;- آسيا.
⦁-;- أوروبا.
⦁-;- وأفريقيا لو انجرت هذه القنبلة . ()
القنبلة النيوترونية
وهي التي تسمى قنبلة الإشعاع المعزز لقتل جنود العدو، دون الاضرار بالمباني المجاورة، وتحدث القنابل النيوترونية مقادير هائلة من الإشعاع ، لكنها تحدث تفجيراً او حرارة طفيفين.
فالقنبلة النيوترونية ذات الكيلوطن واحد تحدث نفس مقدار الاشعاع في القنبلة الذرية ذات (10) كيلوطن. كما يمكن إطلاق الاسلحة النيوترونية بالمدفعية ، أو حملها في الصواريخ ، أو إسقاطها من الطائرات. ()






صورة تبين عملية التفجير للقنبلة النيوترونية
تحطيم الكتلة ينتج عنه طاقة
وهو مبدأ تكهّن به إينشتاين، وقد أوضح أينشتاين أنه إذا تم تدمير أونس ـ يساوي (28.35) جرام واحد من المادة، فإنه يمكن إنتاج (1000) مليون كيلو واط/ ساعة من الطاقة.
وتنتج الحرارة والطاقة الهائلتين للقنبلة الهيدروجينية ، من تفاعل تدمر فيه المادة، وهذا التفاعل مكرر لا حصر له من ملايين المرات هو التحام أو إندماج ذرتي إيدروجين ثقيل (ديوتيريوم) لإعطاء نواة هيليوم واحدة. وليس هذا تفاعلاً كيميائياً، بل هو تفاعل نووي ، يتحول فيه عنصر الايدروجين، إلى عنصر الهيليوم. ومع ذلك، فإن نواة ذرة الهيليوم التي تنتج، لا يكون لها وزن الديوتيريوم الذي استنفذ ، والوزن المفقود تنتج عنه طاقة.
كيفية صناعة القنبلة الهيدروجينية
هناك أسرار تفصيلية تحتفظ بها الدول الكبرى في صناعة القنبلة الهيدروجينية والعلماء يعرفون المبدأ الذي تقوم عليه هذه الصناعة ولديهم فكرة لا بأس بها عن كيفية صنع القنبلة الهيدروجينية.
المواد الخام للتفجير
هي:
⦁-;- نوى ذرة الديوتيريوم.
⦁-;- الفرق بين ذرات الايدروجين العادي وبين ذرات الديوتيريوم.
⦁-;- نواة ذرة الايدروجين العادي تتكون من بروتون فقط في حين أن نواة ذرة الديوتيريوم تتكون من بروتون ونيترون.
⦁-;- يجب حشو الديوتيريوم حول المفجّر.
⦁-;- ومن المحتمل إستعمال مركب ديوتيريوم أبيض جامد (ديوتريد الليثيوم) ومن الممكن أن يتضمن أيضا الإلتحام النووي ذرة الليثيوم (وهي مثل ذرة الديوتيريوم لكنها صغيرة جداً).
⦁-;- مما يضيف إلى قدرة القنبلة . ويجب إيداع كل هذه في غلاف متين جداً، حتى تحصر حرارة المفجر، أطول وقت ممكن لحدود الالتحام.()
عملية تفجير القنبلة الهيدروجينية
يتطلب تفاعل الإلتحام الهيدروجيني، مقداراً كبيراً من الطاقة لبدئه. وكل نوى الأيدروجين الذي يلزم تضمينه معاً له شحنات موجبة، وبذلك يتنافر بعضه بسرعات بالغة العلو. ولا يمكن إكسابها هذه السرعة إلا بتسخين مادة التلاحم إلى درجة حرارة عالية جداً. وهي درجة حرارة تبلغ من الإرتفاع ، بحيث لا يمكن أن تنتجها إلا قنبلة إنشطار، لذلك تستعمل قنبلة من هذا النوع (قنبلة ذرية) بمثابة مفجر كما شرحنا في الصفحات السابقة.
ويستعمل في القنبلة الذرية، كما في القنبلة الهيدروجينية ، تفاعل نووي لخلق الطاقة، ولكنها تنبني على إنشطار نواة واحدة بدلاً من تلاحم نواتين. وفي هذه الحالة ينشطر نوى اليورانيوم -225 أو البلوتونيوم -239 إلى عدد من الشظايا (منتجات الإنشطار) ويكون الوزن الاجمالي لمنتجات الانشطار . اقل من وزن النواة الاصلية، وهنا نجد أيضا أن المادة المفقودة قد تحولت إلى طاقة.














القدرة والتأثير للقنبلة الهيدروجينية
إن القنبلة الهيدروجينية سلاح فتاك لكنه لم يستعمل في الحروب، رغم أن كلاً من الولايات المتحدة الأمريكية والاتحاد السوفياتي السابق، كانا السباقين في تفجير القنابل الهيدروجينية التجريبية.
لقد فجر الامريكان أول قنبلة هيدروجينية على جزيرة انيوتوك أتول في المحيط الهادي في العام 1952م وكانت الطاقة الناتجة من الضخامة، بحيث أدت إلى تبخّر الجزيرة. وقد قدرت درجة الحرارة في وسط القنبلة، كانت صغيرة إذا قورنت بقنابل تالية، وتقاس القنابل الهيدروجينية بوحدات الميكاطن أي ما يعادل ملايين الأطنان من الـ TNT .
ولقد كانت القدرة المتفجرة لتلك القنبلة الهيدروجينية الأولى رغم صغرها تفوق جميع القنابل الكيميائية المألوفة في ذلك الوقت، والتي اسعملت في الحرب العالمية الثانية.
المكان وتأثير القنبلة الهيدروجينية
تتوقف تأثيرات القنبلة الهيدروجينية على المنطق المكاني الذي يتم التفجير فيه، فإذا كان التفجير في الهواء، فستدمر جميع المباني العادية في نطاق 6 كليومترات، ويتم تحطيم النوافذ في نطاق (32) إلى (160) كيلومتر من حولها. أما إذا كان تفجيرها في أعماق الأرض ، فإن التأثير الوحيد يكون هزة أرضية طفيفة. ومع ذلك فإن عصف الانفجار ، هو أقل أهوال القنبلة لأنها حين ينفجر، يصدر عنها وميض مروع من الحرارة ، والضوء، والاشعاع ، ويؤدي الوميض الحراري، إلى إشعال الستائر في دائرة نصف قطرها 16 كيلومترا ويسبب حروقاً متفرقة للأشخاص الذين تعرضوا له، في نطاق هذه الدائرة. ()
ولكن أكثر التأثيرات تدميراً ودواماً للقنبلة الهيدروجينية، هو الغبار الذري، ذو النشاط الاشعاعي، المتساقط من السحابة القاتلة التي تشبه النواة المركبة من البروتونات والنترونات هي المركز الكثيف المكتنز للذرة. وترتبط البروتونات والنترونات معاً بواسطة القوة الشديدة والشكل أدناه يوضح ذلك:









هذا الشكل هو منظر تخطيطي للذرة

هذا هو الشكل الناتج عن الانفجار، وفيما لا يزيد عن (18) ساعة يكون الناس الذين يعيشون في نطاق (200) كليومتر قد تلقوا جرعة مميتة من الاشعاع وقد تمر سنين عديدة، لتصبح الأرض القريبة من الانفجار صالحة للسكن.
وفيما يلي جدولاً يبين التدمير الذين يمكن أن يلحقه تفجير قنبلة هيدروجينية في قلب مدينة ما:
نطاق التدمير آثار التدمير
0-5 Km تدمير في المباني لا يمكن إصلاحه.
5-18 Km منطقة حرائق كبرى تصاب بخسائر فادحة.
18-32 Km تدمير المباني الضعيفة .
32- 160 Km تكسير زجاج النوافذ والسيارات.
200-0 Km إنتشار جرعة مميتة من الإشعاع .
لقد ناقشنا القنبلة الهيدروجينية ، والآن ننتقل إلى مناقشة القنبلة الفراغية.















































القنبلة الهيدروجينية


















نمط بداني لقنبلة انشطارية
(الصبي الصغير التي القيت على هيروشيما عام 1945)


















القنبلة الفراغية
وتسمى بالانكليزية Thermobaric weapon ، وتضّع هذه القنبلة من قبل الولايات المتحدة الامريكية وتطلق عليها (أم القنابل) بينما تطلق عليها روسيا اسم (ابو القنابل) نكاية بالولايات المتحدة الامريكية.
الاسم التقني
القنبلة الحرارية الضغطية (Thermobaric) لكونها تحتوي على ذخيرة من وقود صلب يحترق بالتسامي وبسرعة فائقة متحولاً إلى غاز أو رذاد ملتهب ينفجر صاعداَ إلى الأعلى مسبباً تخلخلاً هائلاً في الضغط في موقع الإنفجار . وسميت أيضاً بالقنبلة الفراغية لما تولده من ضغط سلبي (تفريغ) في موقع الإنفجار يدوم لبعض أجزاء من الثانية، وهذه القضية تسبب تفريغاً في البداية يعقبه هجوم ضغط جوي من جميع الجهات، أي الضغط من كل الاتجاهات لتعويض الضغط السلبي الناجم عن الانفجار مما يؤدي إلى تدمير مضاعف بالمنطقة المحيطة بالهدف وعلى عكس القنابل التقليدية، التي تؤدي بسبب تعاظم الضغط الإنفجاري الايجابي في منطقة الهدف إلى تدمير السطوح والمواقع المواجهة للقنبلة فقط من دون تأثير يذكر على الجزء الخلفي من الهدف.
عمل القنبلة الفراغية
⦁-;- تعمل القنبلة الفراغية على تدمير الهدف من جميع الاتجاهات وليس فقط من الجهة المقابلة للقنبلة، والسؤال هو ما الداعي إلى استخدام هذا النوع من القنابل؟
⦁-;- والجواب على ذلك ما حددته منظمة الأمن الكوني العسكري على مواقعها في الانترنت وقد أشارت إلى ان الاهداف التي تقع تحت الارض كالمخابئ + المخازن + الانفاق التي لا تصل لها الاعتدة التقليدية غير قادرة على إختراق مثل هذه التحصينات، وعليه يمكن استهدافها بهذه القنبلة الفراغية ، ولاسيما في مداخل الانفاق أو مخارجها فتؤدي إلى إنفجارات ثانوية داخل النفق بسبب عاملي:
⦁-;- التفريغ.
⦁-;- التعويض السريعين في ضغط الهواء.مما يؤدي إلى تدمير البنية الهيكلية للنفق وما تحتويه من مخازن أو غرف للقيادة، مهما كان شكل النفق أو عدد طبقاته، وما يمكن أن يحتويه من الاجهزة والمعدات والاحياء.
⦁-;- كما أن توقف الأداء التكتيكي لبنية النفق أو التكوين تحت الارض بعد التفجر الفراغي يطلق باللغة العسكرية (القتل الوظيفي) -function-a Kill ويكون القتل الوظيفي دائمياً مثله مثل القتل الهيكلي Structural Kill الذي يتحقق بالتفجيرات التقليدية اعتماداً على دور المنشأة الحربية ومستوى التدمير الحاصل فيها.
⦁-;- تعد القنبلة المسماة BLu -188 أولى القنابل الفراغية التي كشف عنها جهاراً في الترسانة الامريكية لاسلحة التدمير، وذلك في 21 كانون الاول ـ ديسمبر في العام 2001 عندما استخدمت في الحرب التي شنتها على افغانستان.
⦁-;- هذه القنبلة هي غير بنت عمها كما يقولون (BLu-18 [500LB]) الحارقة التي استخدمتها امريكا في حربها ضد فيتنام، على الرغم من تشابه الاسماء .
يلحق الرأي الحربي في القنبلة (Blu- 118/B) الفراغية عادة بمنظومة توجيه بالليزر نوع GBU أو GBU-24 لتصبح قنبلة جو ارض ذكية ودقيقة الاصابة أو إلى صاروخ ناقل نوع (130AGM) عندما يتطلب توجيهها إلى مناطق بعيدة .
ويذكر أن القنبلة BLU-118/B طورت خلال 67 يوماً لاستخدامها في إفغانستان ضمن عملية (الحرية الدائمة) Endurhng Freedom بعد أن أجريت عليها الاختبارات في انفاق طبيعية في صحراء نيفادا. ويشير فيكتورينو ماتوماس ، (رئيس التحرير المساعد لمجلة ذي ويكلي ستاندارد The Weekly Standard ) في عددها الصادر في 3 ديسمبر كانون الاول 2002، إلى استخدام الولايات المتحدة الامريكية القنبلة الفراغية 118-BLU فوق كهف يقع على بعد 90 ميلاً جنوبي كابول في تشرين الأول من العام 2001 خلال عملية سميت (أناكوندا ANACONDA)().
تقنيات الرأس الحربي لهذه القنبلة
⦁-;- يحتوي الرأس الحربي لهذه القنبلة على سائل رذاذي مشتعل مثل: أوكسيد الإثيلين (Ethylene oxide) ينطلق بكثافة بعد الانفجار الاول للرأس الحربي، ويسمح بتفجير القنبلة التي تحتوي على شحنة محددة من المتفجرات لا يزيد وزنها عن 280 كيلوغراماً وعلى ارتفاع معين.
⦁-;- إحداث غيمة تفجيرية ينتج عنها كرة نارية هائلة وتفريغ كبير في الضغط.
⦁-;- تبلغ درجة الحرارة الناتجة عن عملية التفجير نحو (3) آلاف درجة مئوية وهي بالتالي تفوق مرتين الحرارة الناتجة عن القنابل التقليدية.
⦁-;- تنتقل موجة الصدمة بعد الانفجار الثاني بسرعة تبلغ نحو 10 آلاف قدم في الثانية . ويوضح ماتوس: أن القوات الروسية استخدمت هذا النوع من الاسحلة ضد الشيشان ما بين الاعوام 1994 و 1996 وفي داغستان في العام 1999 ، وتلفت مجلة جينز الدفاعية (Janes Defence) إلى أن قنبلة Blu-118/B أنتجتها (وكالة التقليل من الاخطار الدفاعية (Defence Threat Rebuciton Agency) (DTRA) .
⦁-;- وقد عرضت أول مرة من خلال مناورة في صحراء نيفادا في 14 كانون أول ديسمبر من العام 2001 ، حيث اسقطتها طائرة من طراز F-15E فوق مجموعة من الكهوف الصخرية. ويذكر انه في الثالث من آذار ـ مارس من العام 2002 اسقطت قنبلة فراغية زنتها 2000 باوند مطورة من BLu-118/B لاول مرة على مجموعة كهوف متصلة بإنفاق إحتمى فيها مقاتلوالقاعدة وطالبان في منطقة غارديز في أفغانستان أدت إلى تدمير الانفاق بالكامل().
هذا وتشيع البحرية والطيران الامريكيان أنهما يعملان على تطوير هذه القنابل لتدمير عوامل الحرب الكتلوية، أو ما يسمى باسلحة التدمير الشامل، وهي لا تزال في مخازنها تحت الارض، لتقليل الخسائر الناجمة عن استخدامها فوق الارض. وفي هذا المسعى تطور هاتان الجهتان أعتدة حرارية أخرى مشابهة لفعل القنبلة الفراغية وذلك بإستخدام وقود الهالوجين المؤكسد Halogenoxidizer – interr ، وكذلك دقائق الألمنيوم في الوقود الصلب.



ما تحدثه القنبلة الفراغية
⦁-;- يؤدي إنفجار القنبلة الفراغية إلى توليد حرارة عالية وضغط إيجابي سريع من استهلاك الاوكسجين داخل المنطقة المحصورة كالكهف أو النفق.
⦁-;- وإذا نجا الأحياء داخل هذه المواقع من إنهيار النفق ومحتوياته فإنهم سيلاقون الهلاك بسبب فرق الضغطين المتولدين، أو مخنوقين بسبب إستهلاك الاكسجين ، وربما بسبب هذه العوامل مجتعمة.
مواصفات القنبلة الفراغية BLu-118/B
⦁-;- الرأس الحربي حراري ضغطي (Therom-banic) .
⦁-;- التوجيه ليزري بمنظومة QBu-15 أو QBu-24 أو صاروخي AQM-140 .
⦁-;- الوزن الاجمالي 1975-2000 باوند.
⦁-;- الطول inc 98.5
⦁-;- القطر 14.5 inc
⦁-;- وزن العتاد المتفجر pound 560
⦁-;- الصاعق (الفيوز) : 143 – Fmu مع منشط ومؤخر صعقة لتحقيق إنفجارين: اولي ـ وثانوي.
⦁-;- الطائرة القاذفة : F-15E. ()









الخاتمة والمراجع
الخاتمة
إننا في هذه الخاتمة، نقول: إن الانماط اللامتناهية من العلم على مستوى الكيميافيزيائية ونظرياتها المختلفة كلها تصب في علاقة جدلية علمية غير متناهية من الكيمياء والفيزياء والبيولوجيا، والفيزيولوجيا والفلك وكلها تسير بقنوات مشتركة تجمعها نظرية الكم وتتجلى آثار ميكانيكا الكم بشكل منظومات عيانية وعند مقايسس مسافات ليست صغيرة بل قد تكون بالغة الكبر.
وهي تمثل ظواهرُ النجوم النترونية وإنفجارات السوبرنوفا ومجموعات أدوات العُدة المنزلية الحديثة التي تستخدم ضوء الليزر (مثلاً قارئات الاقراص المدمجة) إضافة إلى ظاهرة الناقلية الفائقة (مرور التيار الكهربائي من دون أي مقاومة) كلها آثاراً مباشرة لخواص ميكانيك الكم، استناداً إلى ذلك تعتبر الكيمياء والبيولوجيا أيضا منحوتة بواسطة ميكانيكا الكم.
إذ إن بنية المادة وتوزيعها في مختلف أرجاء الكون هما على ما يبدو ـ نتيجتان لميكانيك الكم، وبشكل عام كلّما كبرت المنظومتان الكيميافيزيائية بدتا في سلوكهما أقرب إلى السلوك الوسطي لمكوناتهما ، وبالتالي غدت أكثر تقليدية ، ومع ذلك يعجز أي مقياس تفصيلي لوضع علامات ثابتة وكافلة للإستحواذ على كنه ميكانيك الكم وجوهره ، فآثاره واضحة حتى على مستوى صنع الاسلحة النووية وبالاخص القنابل الهيدروجينية والفراغية .
وسوف يتضح العلم الذي تديره ميكانيك الكم، كما نأمل أن يتضح ذلك للإنسان ولكن بشكل أكثر إبهاماً وشبحية من مجرد أخذ وسطي وإحصائي.
اخيراً وليس أخراً نقول: إن الخاصية في استقرار المادة لا يأتي بشكل أعتباطي إنما عن طريق أرضية أساسية تجمع المنظومات النظرية من كيميافيزيائية إلى نظريات بيولوجية وفيزيولوجية.
وشكراً...















المراجع
أولا: المراجع باللغة العربية
ث.و.جراهام سولومونز: الكيمياء العضوية ، ترجمة : د. عادل أحمد جرار، دار جون وايلي وأولاده، 1980م.
جويل دو روزناي: مغامرة الكائن الحي، ترجمة: د.أحمد ذياب، دار الطليعة ، بيروت، ط1، 2003م.
س.م.أوين وأ.ت. بروكر : ترجمة مهى حمد القنيط، ط1، جامعة الملك سعود، 2007م.
سي شامبرز، إي .ك هوليدي: الكيمياء اللاعضوية، ترجمة: د. وسام إبراهيم عزيز، والسيد إدريس عبد القادر خطاب، معهد الانماء ،ط1، 1993م.
علاء هاشم مناف: نسبية الزمكان في هندسة الفيزياء النووية، دار صفاء ، عمان، ط1، 2012.
فونفغانغ بك: الكيمياء للسنة الجامعية الاولى، ترجمة: د. علي الازرق وآخرون، منشورات معهد الانماء العربي ، لبنان، 1992م.
الكيمياء الفراغية: أعداد، لينا صدقي يوسف عبد القادر، دار صفاء ، عمان، ط1، 2010م.
ليون م. ليديرمان ، كريستوفر ت. هيل: التناظر والكون الجميل ، ترجمة نضال شمعون، بدعم من مؤسسة محمد بن راشد آل مكتوم ، المنظمة العربية للترجمة ، ط1، بيروت، 2009م.
محمد بن إبراهيم، عبد العزيز الحسن ، سالم بن سليم سالم الذيب ، محمد بن عبد الله فهد اللحيحان، جامعة الملك سعود، ط1، 1992م.
هربرت مايسليش ، هوارد نيخامكين، جاكوب شارفكين : الكيمياء العضوية، ترجمة: د. أحمد مدحت إسلام، الدار الدولية للإستثمارات الثقافية ، جمهورية مصر العربية، 2004م.
وجدي محمد الشارف الرتيمي: اساسيات الهندسة النووية، كلية الهندسة، جامعة الفاتج، دار الكتاب الجديد، ط1، 2004م.
ثانيا: المجلات
مجلة عالم الفكر الكويتية ، العدد (2)، المجلد (37)، اكتوبر ـ ديسمبر/ 2008م.
ثالثا: المواقع الالكترونية (النت)
محمد زكريا توفيق: الحوار المتمدن، العدد 2630، 2009م.
موقع الجزيرة نت، 2011م.
موقع مصدر معلومات اليورانيوم، نت، 2011م.
رابعا: المراجع الاجنبية
Gel- Mann, Murray. The Quark and the Jaguar: Adventures in the simple and the complex, New York, with freeman, 1994.
Inorgaric chemistry , Fritz Ephraim (1990).
J.march, Aduanced organicehemisty , 2nd ed, McGraw – Hill, NewYork, 1977.
Kintic Theory of Gases by w.kauzmann (Benjamin, 1987).
Krane , K.S., in introductory Nuclearphysics, Jhonwiley and sonsin, Canada , 1988.
Nature of the chemical Bond by L.Pauling (cornell, 1990).
Nuclear and Radiochmistry by. G. Friedlander, J.W.Kennedy, and J.Miller. (Wiley 1991).
Nuclearand Radiochemistry, G.Friedlan der and J.W. Kennedy.
O.T.Benfey, introducation to organic Mechanisms, McGrawll(NewYork) , 1970.
Partington (Macmillan, 1986 .
Principles of chemistry, Hill debrand (1991).
Sybil parker , chemical terms, McGraw hiill, (1984).
T.W.G.Solomons, org, Chemisstry, 1997.
Text book of inorganic chemistry by J.R.
Whittaker, stereochemistry and mechan is m, clarend on press oxford , 1937.

#علاء_هاشم_مناف (هاشتاغ)      

---

اشترك في قناة ‫«الحوار المتمدن» على اليوتيوب
حوار مع الكاتبة انتصار الميالي حول تعديل قانون الاحوال الشخصية العراقي والضرر على حياة المراة والطفل، اجرت الحوار: بيان بدل	حوار مع الكاتب البحريني هشام عقيل حول الفكر الماركسي والتحديات التي يواجهها اليوم، اجرت الحوار: سوزان امين

كيف تدعم-ين الحوار المتمدن واليسار والعلمانية على الانترنت؟

تابعونا على:

الفيسبوك

التويتر

اليوتيوب

RSS

الانستغرام

لينكدإن

تيلكرام

بنترست

تمبلر

بلوكر

فليبورد

الموبايل

كيفية إشراك-إيصال مواضيعكم أو مواضيع تهمكم  إلى اكبر عدد ممكن من القراء والقارئات