عدد كتلي
العدد الكتلي أو عدد الكتلة أو عدد الكتلة الذري هو عدد البروتونات والنيوترونات في النواة. يوجد عدد الكتلة وحيد لكل نظير من نظائر العنصر ويكتب إما بعد اسم العنصر أو في أعلى يساره بحجم أصغر. فمثلا كربون-12 أو (formula_1) وهنا يكون الكربون له 6 بروتونات، و6 نيوترونات. كما أن الرمز الكامل للنظير يحتوى العدد الذري (formula_2) على أسفل يسار اسم العنصر formula_3. ويعتبر استخدام كل من العدد الذري وعدد الكتلة نادرا، إلا في حالة الرغبة في معرفة عدد البروتونات والنيترونات في النواة، وغالبا ما يكون في التفاعلات التي تهتم بدراسة النواة والتي تتغير خلالها أعداد البروتونات والنيوترونات.
الفرق بين عدد الكتلة والعدد الذري :
حيث يعطى العدد formula_5 عدد النيوترونات الموجودة في النواة.
لدى بعض ذرات العناصر خاصية التحلل الذاتي فيما يسمى تحلل إشعاعي ويكون ذلك التحلل مصحوبا بتغير عدد البروتونات والنيوترونات فيها (تحلل ألفا و تحلل بيتا)، بالإضافة إلى ذلك يمكن أن تتحلل الذرة بإصدار أشعة غاما وفي تلك الحالة لا يحدث تغير لأعداد البروتونات والنيوترونات فيها لأن أشعة غاما هي أشعة كهرومغناطيسية ذات طاقة عالية.
فمثلا، يتحلل يورانيوم-238 عن طريق تحلل ألفا، أي تفقد النواة جسيم ألفا يتكون من 2 بروتون و 2 نيوترون .بحيث ينقص العدد الذري للنواة بمقدار 2 (formula_6 ) وينخفض عدد النيوترونات بمقار 2 ( formula_7). جسيم ألفا المتكون من 2 بروتون و 2 نيوترون هو نواة ذرة الهيليوم، أما ماتبقى من نواة اليورانيوم-238 فيكون قد تحول إلى عنصر آخر وهو الثوريوم-234 .
formula_8
كما يتحلل كربون-14 بطريقة طبيعية عن طريق تحلل بيتا حيث يتحول أحد نيوترونات النواة إلى بروتون ويكون ذلك مصحوبا بإصدار إلكترون وجسيم خفيف جدا جدا وربما ليست له كتلة يسمى نقيض نيوترينو.
أي أن العدد الذري يزيد بمقدار 1 (formula_9) ويبقى عدد الكتلة كما هو (formula_10), ويقل عدد النيوترونات بمقدار 1 (formula_11).
الذرة الناتجة هي النيتروجين-14 ويوجد في نواتها 7 بروتونات و 7 نيوترونات.
يوجد نوع ثالث لتحلل النواة يجري من دون تغير في عدد الكتلة وهو تحلل غاما وهذا يحدث عادة لحالة شبه مستقرة لبعض أنوية الذرات. ونظرا لكون عدد البروتونات وعدد النيوترونات لا يتغير خلال هذا النوع من التحلل فلا يتغير خلاله عدد الكتلة.
يعطي عدد الكتلة كتلة الذرة أو كتلة النظير بوحدات وحدة ذرية التي يرمز لها بالرمز (u). فمثلا formula_1 تساوي كتلته الذرية 12، بوحدات وحدة ذرية ، وتعرف الوحدة الذرية (u) بأنها 1/12 من الكتلة الذرية لـ formula_1 ، حيث يؤخذ الكربون-12 كمرجع قياسي. بالنسبة إلي نظائر أخرى فهي تختلف قليلا في حدود formula_15 عن عدد الكتلة. ومثلا : formula_16 له عدد كتلة 35 وكتلة النظير
34.96885.
ويرجع الاختلاف بين عدد الكتلة وكتلة النظير، والذي يسمى نقص الكتلة إلى سببين:
حيث formula_18 الكتلة و formula_19 سرعة الضوء في الفراغ.
بالنسبة إلى formula_16 تكون كتلة النظير أقل قليلا من 35، ولكننا نأخذها على أنها 35.
الكتلة الذرية التي تسمى أحيانا الوزن الذري هي متوسط كتل النظائر في هذا العنصر بسحب نسبها فيه.
وهذا الوزن المتوسط يمكن أن يختلف قليلا عن عدد صحيح بسبب وجود عدة نظائر في عنصر .
وبالنسبة إلى الكلور فهو مكون من نظيرين :الكلور-35 و الكلور-37. ففي أي عينة طبيعية لم تتعرض لفصل النظائر، سنجد فيها 75% من ذرات الكلور من نوع كلور-35، و 25% فقط من نظير الكلور-37. وهذا يعطي للوزن الذري للكلور 5و35 (أو بالضبط 35.4527 جرام/مول.)
نعني بانقسام الذرة في الحقيقة انقسام النواة، وتحدث تلك الظاهرة في أنوية بعض العناصر الثقيلة جدا مثل اليورانيوم والبلوتونيوم عند اصطدامها وامتصاصها نيوترون، ينتج عن الانقسام طاقة كبيرة جدا، وهي طاقة ارتباط الجزئين المنقسمين ببعضهما البعض. يكون الجزئين المنقسمين عنصرين جديدين ويكونان بالطبع أخف من النواة الاصلية، أي يكون لكل منهما عدد كتلة أخف من عدد كتلة النواة الأم. يسمى هذا التفاعل انشطار نووي.
ينتج عن نواة اليورانيوم-235 عند امتصاصها لنيوترون أن تنقسم أوتنشطر إلى نواتين (هذا في أغلب الأحوال) ، كما من الممكن أن ينتج عن الانشطار أكثر من نواتين. وغالبا تنتج نواة لها كتلة ذرية خفيفة نسبيا (نحو 90 ) وتكون النواة الأخري ذات كتلة ذرية أكثر قليلا 140 . كما تتحرر من هذا التفاعل عدة نيوترونات : بين 2 أو 3. ويبقى مجموع البروتونات والنيوترونات قبل التفاعل وبعده ثابتا. كذلك ينشطر بلوتونيوم-239 عند امتصاصة نيوترون ويحدث له ما يحدث لليورانيوم-235.
وعلى سبيل المثال نذكر هنا تفاعلا انشطاريا للبلوتونيوم-239 بواسطة اصتدامه وامتصاصه لأحد النيوترونات :
formula_21
وكما نرى فقد انشطرت نواة البلوتونيوم أثناء تفاعلها مع النيوترون وتكوّن من هذا التفاعل عنصرين آخرين لكل منهما عدد كتلة أصغر من عدد كتلة البلوتونيوم-239. هذان العنصران الناتجان من التفاعل هما الباريوم-144 و سترونشيوم-94. كما نلاحظ تحرر 2 نيوترون من هذا التفاعل.
ينتج عن كل عملية انشطار قدر هائل من الطاقة يبلغ نحو 200 مليون إلكترون فولت، و تظهر تلك الطاقة في صورة حرارة وإشعاع. وتعادل الطاقة المتحررة من الانقسام طاقة ارتباط نواتي الذرة الناتجتان. لهذا فالطاقة النووية أكبر كثيرا من طاقة ارتباط إلكترون في غلاف الذرة، إذتبلغ طاقة ارتباط الإلكترون نحو 13 كيلو إلكترون فولط فقط.