انرژي هسته اي

دل هر ذره را كه بشكافى…
 

مهدى صارمى فر

اتم در زبان يونانى به معنى تقسيم ناپذير است. اين ايده، زاده تفكر دموكريتوس فيلسوف يونانى در ۲۳۰۰ سال پيش است. براى او اين تصور محال بود كه اجسام مادى بتوانند بى حد و حصر تقسيم شوند. اما «جان دالتون» شيميدان بود كه نخستين نظريه اتمى نوين را ارائه كرد. دالتون كه كارش پژوهش در مورد هواشناسى بود، به تركيب گازها علاقه مند شد و خيلى زود ايده تشكيل گازها از واحدهاى كوچك غيرقابل تقسيم در ذهنش شكل گرفت. او اين نظريه را در سال ۱۸۰۸ تحت عنوان «سيستم جديد فلسفه شيمى» منتشر كرد. تا دهه پايانى قرن نوزدهم دو جنبه اساسى فيزيك كلاسيك يعنى مكانيك كلاسيك و الكترومغناطيس به خوبى شناخته شده بود و دانشمندان گمان مى كردند كه طبيعت براساس دو نيروى گرانشى و الكترومغناطيسى ساخته شده است. درست در همين زمان بود كه پديده هايى مشاهده شد كه طى دهه هاى ابتدايى قرن بيستم منجر به بزرگترين انقلاب هاى تاريخ علم يعنى نسبيت عام و مكانيك كوانتومى شدند.

2cb8c11db98bfdd5441da3290007a352

در سال ۱۸۹۶ آنتوان هانرى بكرل (Becquerel) فيزيكدان فرانسوى كه از كشف اشعه X به وسيله رونتگن مطلع شده بود، به دنبال يك رشته آزمايش روى سنگ معدنى به نام اورانيل، فعاليت هاى پرتوافشانى خود به خودى خاصى را كشف كرد و آن را «راديواكتيويته» نام گذاشت. پس از او مارى و پى ير كورى هم دو عنصر راديوم و پولونيوم را كشف كردند كه خاصيت راديواكتيويته بسيار بيشترى داشتند. اما بيشتر پژوهش ها روى راديواكتيويته به وسيله لرد رادرفورد انجام شد. او كشف كرد كه خاصيت راديواكتيويته ناشى از پراكنش سه نوع اشعه است:
۱- اشعه آلفا كه توسط يك برگ كاغذ متوقف مى شود. بار آن مثبت است و در حقيقت همان يون هاى هليوم دو بار مثبت يا هسته اتم هليوم است.
۲- اشعه بتا كه از ورقه چند ميلى مترى آلومينيوم رد مى شود. بار آن منفى است. ماهيت اين اشعه الكترون هاى پرانرژى است.
۳- اشعه گاما كه از صفحات سربى به ضخامت ده ها سانتى متر هم عبور مى كند، از لحاظ الكتريكى خنثى است. اين اشعه فوتون هاى پرانرژى با طول موج بسيار كوتاه است.
دانشمندان با توجه به مجموعه آزمايش هاى رادرفورد به اين نتيجه رسيدند كه اتم ها برخلاف نامشان از اجزاى كوچكترى هم تشكيل شده اند.
 

  •  هسته

افتخار كشف هسته اتم نيز از آن رادرفورد است. او با كمك دو دانشجويش به نام گايگر و مارسدن با انجام آزمايشى كه «پراكندگى» نام دارد، به وجود هسته پى برد. رادرفورد فكر مى كرد كه اتم ها مثل مدل كيك كشمشى تامسون از تعدادى الكترون تشكيل شده اند كه در يك فضاى پيوسته با بار مثبت قرار دارند. به همين دليل ذرات آلفا را به سمت ورقه نازكى از طلا پرتاب كرد. اما پراكندگى اين ذرات از هسته طلا نشان داد كه بارهاى مثبت در ناحيه بسيار كوچكى در وسط اتم متمركز شده اند. شعاع اتم حدود يك آنگسترم (۱۰-۱۰ متر) است ولى اندازه هسته حدود ۱۰ فرمى (۱۴ -۱۰ متر) است.
 

  •  نيمه عمر

پس از اينكه رادرفورد ماهيت تشعشع راديواكتيو را كشف كرد، دانشمندان پى بردند كه راديواكتيويته به علت تلاشى خودبه خود هسته هاى سنگين و تبديل آنها به هسته هاى سبك تر است. در حين اين تبديل، ذرات آلفا، بتا و گاما ساطع مى شود. در حقيقت پس از خارج شدن اين ذرات از هسته، ماهيت آن تغيير مى كند. تعداد هسته هايى كه در هر لحظه متلاشى مى شوند با تعداد هسته ها در آن لحظه نسبت مستقيم دارد. زمانى را كه نيمى از هسته هاى ماده ابتدايى متلاشى مى شوند، نيمه عمر ماده مى گويند. يعنى اگر در ابتدا يك گرم ماده راديواكتيو داشته باشيم، پس از يك نيمه عمر نصف و پس از دو نيمه عمر، يك چهارم و پس از سه نيمه عمر، يك هشتم مقدار اوليه را خواهيم داشت. نيمه عمر مواد مختلف متفاوت است و از چند ميليارديوم ثانيه تا چندين ميليارد سال تغيير مى كند. معمولاً هرچه نيمه عمر بيشتر باشد، انرژى ساطع شده از تلاشى راديواكتيويته كمتر است. نيمه عمر اورانيوم ۵/۴ ميليارد سال است. نيمه عمر راديوم ۱۵۹۰ سال و نيم عمر راكتانيوم كمتر از ۱۰ هزارم ثانيه است.

  •  درون هسته

مدل اتمى رادرفورد بيانگر اين مطلب بود كه هسته در وسط اتم داراى بار مثبت است و الكترون ها با بار منفى در اطراف آن قرار دارند. مدل اتمى بور هم مدل رادرفورد را كامل كرد و سازوكار منظمى را براى استقرار الكترون ها در اطراف هسته تدوين كرد. اما تفسير و توجيه راديواكتيويته ترديدى به جاى نمى گذارد كه هسته ها خود مجموعه مكانيكى پيچيده اى هستند كه از اجراى سازنده متفاوتى تشكيل شده اند. اين واقعيت كه وزن اتمى ايزوتوپ هاى اتم هاى مختلف (بعضى از اتم ها درحالى كه جرم اندكى متفاوت با هم دارند، خواص شيميايى كاملاً يكسانى دارند، به اين اتم ها ايزوتوپ مى گويند.) با اعداد صحيح (يا لااقل بسيار نزديك به عدد صحيح) بيان مى شوند، نشان مى دهد كه پروتون ها (حاملان بار مثبت) بايد نقش يكى از اجزاى اصلى سازنده هسته را داشته باشند. ابتدا فرض مى كردند كه درون هر هسته علاوه بر پروتون، الكترون هم هست. يعنى مثلاً كربن كه جرم ۱۲ و بار ۶+ دارد، درون هسته خود ۱۲ پروتون و ۶ الكترون دارد و علاوه بر آن در بيرون هسته هم ۶ الكترون به دور آن مى چرخند اما اين راه حل از لحاظ نظرى مشكلات عديده اى را به همراه داشت. اما رادرفورد و بور پيشنهاد كردند كه علاوه بر پروتون ذره ديگرى هم جرم آن ولى بدون بار درون هسته است. آنها نام نوترون را براى آن انتخاب كردند و اين ذره در سال ۱۹۳۲ توسط چادويك كشف شد.

  •  اسپين

اتم ها در اثر گرفتن انرژى، تابش مى كنند. اين تابش ناشى از اين است كه الكترون هاى اطراف هسته، انرژى مى گيرند و بعد اين انرژى را به صورت يك فوتون با طول موج معين بازمى تابانند. اما خود اين طيف در مجاورت ميدان الكترومغناطيسى، به چند طول موج جدا از هم تفكيك مى شود. علت اين است كه الكترون ها در اتم، اندازه حركت زاويه اى هم دارند. اشترن و گرلاخ نشان دادند كه الكترون ها علاوه بر اين اندازه حركت زاويه اى، خاصيت ديگرى هم دارند كه فقط در حضور ميدان مغناطيسى آن را بروز مى دهند. به دليل شباهت اين خاصيت به اندازه حركت زاويه اى، نام آن را «اندازه حركت زاويه اى ذاتى» يا اسپين نهادند. بعدها ثابت شد كه علاوه بر الكترون، باقى ذرات بنيادى هم اسپين دارند. مهمترين ويژگى اسپين اين است كه يك خاصيت كاملاً كوانتومى است و مشابه كلاسيك ندارد. ذراتى كه اسپين نيم صحيح دارند (يك دوم، سه دوم، …) فرميون مى نامند، مثل الكترون، پروتون، نوترون و… اين ذرات تشكيل دهنده ماده هستند. در مقابل ذراتى كه اسپين صحيح دارند(صفر، ۱ ، ۲ و…) بوزون گفته مى شوند، مثل فوتون، مزون، گلوتون و… اين ذرات حامل نيروها هستند.

  •  ايزواسپين و نيروى هسته اى

هنگامى كه نوترون توسط چادويك كشف شد، اين واقعيت مسلم شد كه علاوه بر نيروى گرانش و الكترومغناطيسى، حداقل يك نيروى ديگر در طبيعت وجود دارد و اين نيرو است كه عامل پيوند نوكلئون ها (پروتون ها و نوترون ها) درون هسته است. زيرا در صورت عدم وجود اين نيرو، در اثر دافعه شديد بارهاى مثبت پروتون ها بر هم، هسته از هم مى پاشد. از اين مثال برمى آيد كه اولاً اين نيرو بايد جاذبه اى باشد تا در مقابل دافعه پروتون ها بايستد و ثانياً برد آن بايد خيلى كوتاه باشد و از ابعاد هسته بيشتر نباشد. زيرا نيروى الكترومغناطيسى (در مدل بوهر) آرايش الكترون ها در مدارهاى اتمى را به خوبى توضيح مى داد. اما واقعيت مهم و جالب تر اين است كه بايد براى اين نيرو، پروتون و نوترون به يك شكل ديده شوند و فارغ از اختلاف بار الكتريكى اين دو ذره يك شكل باشند. هايزنبرگ با استفاده از اين واقعيت و با ايده گرفتن از نظريه اسپين، مفهوم رياضى جديدى به نام «ايزوتوپ اسپين» يا ايزواسپين را معرفى كرد. او پيشنهاد كرد كه همان طور كه در حضور ميدان الكتريكى خطوط طيفى يكى هستند و با ظهور ميدان مغناطيسى به چند خط ديگر شكافته مى شوند، نوكلئون ها (پروتون و نوترون) هم در حقيقت در مقابل نيروى هسته اى يك ذره هستند اما هنگام ظهور نيروهاى الكترومغناطيسى به دو ذره با ايزواسپين متفاوت تبديل مى شوند.

  • نيروى هسته اى قوى

يوكاوا فيزيكدان ژاپنى در سال ۱۹۳۵ براى توضيح نيروى هسته اى گفت: اين نيرو بايد در اثر مبادله ذره اى به نام پيون (مزون پى) بين نوكلئون ها به وجود بيايد. چون اين ذره نسبتاً سنگين است، اصل عدم قطعيت هايزنبرگ ايجاب مى كند كه برد اين نيرو كوتاه باشد، به اين ترتيب ايده مبادله ذره، توانست تمام ويژگى هاى نيروى هسته اى را توضيح بدهد. پيون ها هم مثل نوكلئون ها براى نيروى هسته اى يك ذره به شمار مى روند اما ايزواسپين آنها يك است يعنى در مقابل نيروى الكترومغناطيسى ۳ حالت پيون با بار مثبت و با بار منفى و خنثى را دارند. يك پروتون، با از دست دادن يك پيون مثبت به نوترون تبديل مى شود و اين پيون مثبت خود يك نوترون ديگر را به پروتون تبديل مى كند. دوتا نوترون يا دوتا پروتون هم مى توانند با هم پيون خنثى (صفر) مبادله كنند. يك نوترون هم با از دست دادن يك پيون منفى به پروتون تبديل مى شود و اين پيون منفى با يك پروتون ديگر، يك نوترون توليد مى كند. به اين ترتيب با مبادله اين ذرات، نوكلئون ها در هسته پايدار مى مانند.

  •  نيروى هسته اى ضعيف

يكى از ويژگى هاى بارز نوترون نيم عمر آن است. نوترون در حالت آزاد پس از ۱۸ دقيقه متلاشى و به يك پروتون و يك الكترون تبديل مى شود. اين مدت بسيار طولانى تر از تمام پديده هايى است كه با نيروى قوى سروكار دارد. نيرو هاى الكترومغناطيسى هم بر نوترون بدون بار عمل نمى كنند. پس واضح است كه تلاشى نوترون، ناشى از يك نيروى جديد در طبيعت است. به علت ضعيف بودن اين نيرو نسبت به نيروى هسته اى آن را نيروى هسته اى ضعيف نام گذاشتند. تلاشى هسته كه نتيجه آن توليد پرتو بتا است هم ريشه در اين نيرو دارد.
• شكافت
فرمى در فاصله كمى بعد از كشف نوترون در سال ۱۹۳۲ بررسى هسته اتم هاى سنگين بمباران شده به وسيله نوترون را آغاز كرد و از انجام اين آزمايش ها با اورانيوم نتايج عجيبى به دست آمد. اتوهان و اشتراسمن در سال ۱۹۳۹ اين معضل را حل كردند.
آنها كشف كردند وقتى كه اورانيوم با نوترون بمباران مى شود، هسته هايى مثل باريو توليد مى شوند كه عدد اتمى آنها خيلى كوچك تر از عدد اتمى اورانيوم است. ليز ميتنر فيزيكدان آلمانى كه در سوئد زندگى مى كرد، اين پديده را به دقت بررسى كرد و نام شكافت را براى آن انتخاب كرد. بور و ويلر با ارائه مقاله اى فهم نظرى شكافت را به طور كامل ممكن كردند و پس از ارائه مقاله آنها كليه پژوهش هاى علمى در مورد شكافت هسته اى تا به امروز جزء اسناد فوق العاده سرى، طبقه بندى مى شود.

  •  گداخت

هسته هاى خيلى سبك مثل هيدروژن يا هليوم انرژى بستگى كمترى نسبت به هسته هاى سنگين دارند. اگر دو هسته سبك در هم ادغام شوند، هسته سنگين ترى را به وجود مى آورند و مقدار زيادى انرژى به صورت انرژى جنبشى آزاد مى شود. براى انجام گداخت بايد هسته ها را بسيار به هم نزديك كرد. دافعه الكترواستاتيكى مانع بزرگى براى اين فرآيند است. اين واكنش با افزايش انرژى جنبشى هسته هاى اوليه انجام مى شود. دسترسى به چنين انرژى هايى در شتاب دهنده ها آسان است اما براى اينكه اين واكنش خودنگهدار باشد، به دمايى حدود ۱۰۸ كلوين نياز است. (دماى سطح خورشيد شش هزار كلوين است.) چنين وضعيتى تنها در حالت پلاسمايى ماده پيش مى آيد كه در آن هسته ها و الكترون ها از هم جدا هستند. پژوهش ها به روى گداخت هسته اى همچنان ادامه دارد و قرار است در رآكتور Iter در فرانسه براى نخستين بار چنين فرآيند خود نگهدارى اى ايجاد شود. اما شايد رسيدن به اين هدف چند دهه طول بكشد.
منابع:
۱۹۹۴ ۱-H.Frauenfeldor, E.Henley, Subatomic Physics,
۱۹۸۷ ۲-D.Griffithe, Elementary Particles,
۱۹۸۶ ۳-L.Rayder, Elementary Particles and Symmetries,
,1994 ۳ ۴-R.Feynman, Feynman Lecture on Physics,Vo

روزنامه شرق

Share

4 فکر می‌کنند “انرژي هسته اي”

  1. با سلام در رشته ي فيزيك هسته اي قبول شدم ايا پس از فارغ التحصيلي شغلي بجز دبيري پيدا مي كنم با تشكر

    [پاسخ]

  2. كاربردهاي تكنولوژي هسته اي در بخش معدن:
    – چگاليسنجي موادمعدني با اشعه
    – كشف عناصر ناياب در معادن
    – عمريابي صخرهها و معادن با كربن 14.
    با كربن 14 ميتوان طول عمر را با دقت بسيار بالايي تعيين كرد
    – جداسازي فلزات سنگين از گياهان دارويي
    در عمليات اكتشاف و استخراج معادن زيرزميني، از راديوايزوتوپها به عنوان وسيلهاي مطمئن و آسان براي تعيين جريانهاي زيرزميني استفاده ميشود.
    – تعيين مشخصات و تشكيلات زيرزميني براي تعيين محل دقيق حفاريها.

    كاربردهاي تكنولوژي هسته اي در بخش صنعت:
    – نشستيابي با اشعه و بررسي جوشكاري در لولههاي نفت وگاز
    – دبيسنجي پرتوي (سنجش شدت تشعشات، نور و فيزيك امواج)
    – سنجش پرتويي ميزان سائيدگي يا خوردگي قطعات در حين كار از جمله پيستونهاي هواپيما
    – تهيه و توليد چشمههاي پرتوزائي كبالت و ايريديم براي مصارف صنعتي
    – بررسي كورههاي مذاب و شيشهسازي براي تعيين اشكالات آنها
    – بهبود فرآيندها، اندازهگيري دقيق در مورد سطحسنجي، ضخامتسنجي، رديابي، آزمايشهاي كنترل كيفي، ايجاد واكنشهاي شيميايي موردنظر و كاهش هزينه توليد در فرآيند توليد
    – افزايش كيفيت قطعات اتومبيل.
    به عنوان مثال در صنعت خودروسازي از مواد راديواكتيو براي كنترل كيفيت ورق استيل استفاده ميشود.
    – كاربرد در صنايع غذايي
    به عنوان مثال پرتوافكني روي مواد غذايي بدون اينكه حالت فيزيكي يا مزه ماده خوراكي را تغيير دهد، ميتواند آنرا به طور كامل استريليزه كند.
    كشتن حشرات كوچك و يا ميكروگانيزمها در مواد غذايي و طولانيتر كردن عمر مواد غذايي از ديگر كاربردها در صنايع غذايي است.

    [پاسخ]

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *