فیزیک هسته ای

مقدمه

برای بررسی تاریخچه فیزیک هسته‌ای لازم است ابتدا تاریخچه اتم را مطالعه کنیم. تمام مواد پیرامون ما از مولکول تشکیل شده است، مولکول هم به نوبه خود از اتم تشکیل شده است. دانشمندان و فلاسفه یونانی حدس و گمان می‌کردند که اتم تجزیه ناپذیر است. یکی از این دانشمندان از جمله دموکرتیوس (Democritus) کلمه اتم را از کلمه یو نانی «اتوموس» که به معنای «غیر قابل تجزیه» می‌باشد اقتباس کردند. این حدس و گمان دانشمندان یونانی حدود هزار سال دوام آورد، چند دهه طول کشید که نظریه غیر قابل تجزیه بودن اتم رد شد. اولین و اساسی‌ترین نتیجه تحقیقات ثابت کرد که اتم شامل دو جزء اصلی می‌باشد:
هسته سنگین که تقریبا تمام جرم اتم را در خود دارد.

• پوسته‌ای سبک که از ذرات الکتریسیته (الکترون) ساخته شده است. این الکترونها با سرعت فوق العاده زیادی به دور هسته در حرکت بوده و هرگز به روی آن سقوط نمی‌کنند.

ساختار هسته

• تا آنجا که به ساختار هسته‌ای مربوط است می‌توان هسته اتم را به عنوان یک جرم نقطه‌ای و یک بار نقطه‌ای در نظر گرفت.
• هسته ، شامل تمامی بار مثبت و تقریبا تمامی جرم اتم است، در نتیجه مرکزی را تشکیل می‌دهد که الکترونها حول آن می‌چرخند.

فیزیک هسته ای چیست؟

درون هر اتم می‌توان سه ذره ریز پیدا کرد: پروتون، نوترون و الکترون.
پروتونها در کنار هم قرار می‌گیرند و هسته اتم را تشکیل می‌دهند، در حالی که الکترونها به دور هسته می‌چرخند. پروتون بار الکتریکی مثبت و الکترون بار الکتریکی منفی دارد و از آنجا که بارهای مخالف ، یکدیگر را جذب می‌کنند، پروتون و الکترون هم یکدیگر را جذب می‌کنند و همین نیرو، سبب پایدار ماندن الکترونها در حرکت به دور هسته می‌گردد. در اغلب حالت‌ها تعداد پروتونها و الکترونهای درون اتم یکسان است، بنابراین اتم درحالت عادی و طبیعی خنثی است.
نوترون، بار خنثی دارد و وظیفه اش در هسته، کنار هم نگاه داشتن پروتونهای هم بار است.می دانیم که ذرات با بار یکسان یکدیگر را دفع می‌کنند .در نتیجه وظیفه نوترونها این است که با فراهم آوردن شرایط بهتر، پروتونها را کنار هم نگاه دارند. ( این کار توسط نیروی هسته ای قوی صورت می‌گیرد )

تعداد پروتونهای هسته نوع اتم را مشخص می‌کند. برای مثال اگر 13 پروتون و 14 نوترون، یک هسته را تشکیل دهند و 13 الکترون هم به دور آن بچرخند، یک اتم آلومینیوم خواهید داشت و اگر یک میلیون میلیارد میلیارد اتم آلومینیوم را در کنار هم قرار دهید، آنگاه نزدیک به پنجاه گرم آلومینیوم خواهید داشت! همه آلومینیوم هایی که در طبیعت یافت می‌شوند، AL27 یا آلومینیوم 27 نامیده می‌شوند. عدد 27 نشان دهنده جرم اتمی است که مجموع تعداد پروتونها و نوترونهای هسته را نشان می‌دهد.
اگر یک اتم آلومینیوم را درون یک بطری قرار دهید و میلیونها سال بعد برگردید، باز هم همان اتم آلومینیوم را خواهید یافت. بنابراین آلومینیوم 27 یک اتم پایدار نامیده می‌شود.
بسیاری از اتمها در شکل های مختلفی وجود دارند. مثلاً مس دو شکل دارد: مس 63 که 70 درصد کل مس موجود در طبیعت است و مس 65 که 30 درصد بقیه را تشکیل می‌دهد. شکل های مختلف اتم، ایزوتوپ نامیده می‌شوند. هر دو اتم مس 63 و مس 65 دارای 29 پروتون هستند، ولی مس 63 دارای 34 نوترون و مس 65 دارای 36 نوترون است. هر دو ایزوتوپ خصوصیات یکسانی دارند و هر دو هم پایدارند.
اتمهای ناپایدار
تا اوایل قرن بیستم، تصور می‌شد تمامی اتم‌ها پایدار هستند، اما با کشف خاصیت پرتوزایی اورانیوم توسط بکرل مشخص شد برخی عناصر خاص دارای ایزوتوپ های رادیواکتیو هستند و برخی دیگر، تمام ایزوتوپ هایشان رادیواکتیو است. رادیواکتیو بدان معنی است که هسته اتم از خود تشعشع ساطع می‌کند.

هیدورژن مثال خوبی از عنصری است که ایزوتوپ های متعددی دارد و فقط یکی از آنها رادیو اکتیو است. هیدروژن طبیعی ( همان هیدروژنی که ما می‌شناسیم) در هسته خود دارای یک پروتون است و هیچ نوترونی ندارد. ( البته چون فقط یک پروتون درهسته وجود دارد نیازی به نوترون نیست ) ایزوتوپ دیگر هیدروژن، هیدروژن 2 یا دو تریوم است که یک پروتون و یک نوترون در هسته خود جای داده است. دوتریوم، فقط 015/0 درصد کل هیدروژن را تشکیل می‌دهد و در طبیعت بسیار کمیاب است، با این حال مانند هیدورژن طبیعی رفتار می‌کند. البته از یک جهت با آن تفاوت دارد و آن، سمی بودن دوتریوم در غلظت های بالاست. دوتریوم هم ایزوتوپ پایداری است، ولی ایزوتوپ بعدی که تریتیوم خوانده می‌شود، ناپایدار است. تریتیوم که هیدروژن 3 نیز خوانده می‌شود، در هسته خود یک پروتون و دو نوترون دارد و طی یک واپاشی رادیواکتیو به هلیوم 3 تبدیل می‌شود. این بدان معنی است که اگر ظرفی پر از تریتیوم داشته باشید و آن را بگذارید و یک میلیون سال بعد برگردید، ظرف شما پر از هلیوم 3 است. هلیوم 3 از 2 پروتون و یک نوترون ساخته شده وعنصری پایدار است ).

در برخی عناصر مشخص، به طور طبیعی همه ایزوتوپ‌ها رادیواکتیو هستند. اورانیوم بهترین مثال برای چنین عناصری است که علاوه بر رادیواکتیویته زیاد سنگین ترین عنصر رادیواکتیو هم هست که به طور طبیعی یافت می‌شود. علاوه بر آن، هشت عنصر رادیواکتیو طبیعی هم وجود دارند که عبارتند از پولوتونیوم، استاتین، رادون، فرانسیم، رادیوم، اکتینیوم، توریم و پروتاکتسینانیوم. عناصر سنگین تر از اورانیوم که به دست بشر در آزمایشگاه ساخته شده اند، همگی رادیواکتیو هستند.
واپاشی رادیو اکتیو
وحشت نکنید بر خلاف اسمش این فرایند بسیار ساده است! اتم یک ایزوتوپ رادیواکتیو طی یک واکنش خودبخودی به یک عنصر دیگر تبدیل می‌شود. این واپاشی معمولاً از سه راه زیر انجام می‌شود:
1- واپاشی آلفا
2- واپاشی بتا
3- شکافت خودبه خودی

توضیح تفاوت این سه راه کمی مشکل است اما بدون اینکه بدانید این سه راه چه فرقی با هم می‌کنند هم می‌توانید از ادامه مطلب سر در آورید!! اگر خیلی هم علاقمندید بدانید اینجا را کلیک کنید.
در این فرآیندها چهار نوع تابش رادیواکتیو مختلف تولید می‌شود:
1- پرتو آلفا
2- پرتو بتا
3- پرتو گاما
4- پرتوهای نوترون

تابش های طبیعی خطرناک
درست است که واپاشی رادیواکتیو، یک فرآیند طبیعی است و عناصر رادیواکتیو هم بخشی از طبیعت هستند، ولی این تابش های رادیواکتیو برای موجودات زنده زیان بار هستند. ذرات پر انرژی آلفا، بتا، نوترونها، پرتوهای گاما و پرتوهای کیهانی، همگی به تابش های یون ساز معروفند، بدین معنی که بر همکنش آنها با اتم‌ها منجر به جداسازی الکترون‌ها از لایه ظرفیتشان می‌شود. از دست دادن الکترونها، مشکلات زیادی از جمله مرگ سلول‌ها و جهش های ژنتیکی را برای موجودات زنده به دنبال دارد. جالب است بدانید جهش ژنتیکی عامل بروز سرطان است.
درات آلفا، اندازه بزرگتری دارند و از این رو توانایی نفوذ زیادی در مواد ندارند، مثلاً حتی نمی توانند از یک ورق کاغذ عبور کنند. از این رو تا زمانی که در خارج بدن هستند تأثیری روی افراد ندارند. ولی اگر مواد غذایی آلوده به مواد تابنده ذرات آلفا بخورید، این ذرات می‌توانند آسیب مختصری درون بدن ایجاد کنند.
ذرات بتا توانایی نفوذ بیشتری دارند که البته آن هم خیلی زیاد نیست، ولی در صورت خورده شدن خطر بسیار بیشتری دارند. ذرات بتا را می‌توان با یک ورقه فویل آلومینویم یا پلکسی گلاس متوقف کرد.
پرتوهای گاما همانند اشعه X فقط با لایه های ضخیم سربی متوقف می‌شوند. نوترونها هم به دلیلی بی یار بودن، قدرت نفوذ بسیار بالایی دارند و فقط با لایه های بسیار ضخیم بتن یا مایعاتی چون آب و نفت متوقف می‌شوند. پرتوهای گاما و پرتوهای نوترون به دلیل همین قدرت نفوذ بالا می‌توانند اثرات بسیار وخیمی بر سلول های موجودات زنده بگذارند، تأثیراتی که گاه تا چند نسل ادامه خواهد داشت.
پس چه کار می‌شود کرد؟
با توجه به همه چیزهایی که گفتیم ، کنترل و استفاده درست از انرژی هسته ای بیشترین اهمیت را دارد. باید بدانیم چه کارهایی از این انرژی بر می‌آید و چه کارهایی فقط در تصورات ماست تا با آگاهی بیشتر از آن استفاده کنیم. خوب اولخوبهایش را بگوییم یا بدهایش را

شکافت هسته ای

هسته اتم های آزاد شده در فرآیند شکافت مربوط به عناصر شیمیایی مختلفی هستند. چون هسته های تولید شده نیز معمولاً ایزوتوپ های ناپایدار می‌باشند، محصولات شکافت تا حد بالایی رادیواکتیو هستند این ایزوتوپ‌ها هم واپاشی کرده و پرتوهای گاما و بتا تابش می‌کنند. این محصولات شکافت به شدت رادیواکتیو ( یا ضایعات واپاشی آنها که همانند محصولات اولیه شکافت بسیار ناپایدارند و زمان واپاشی بسیار کوتاهی دارند ) زباله های هسته ای به حساب می‌آیند.

شکافت القا شده
با وجود اینکه اغلب اوقات، ساده ترین شکل آغاز شکافت جذب یک نوترون آزاد توسط هسته است، واکنش شکافت را به وسیله برخورد یک هسته قابل شکافت با دیگر ذرات نیز می‌توان القا کرد. این ذرات می‌توانند پروتون، هسته های دیگر و یا حتی فوتون های با انرژی خیلی بالا مثل پرتوهای گاما باشند.
• به ندرت ممکن پیش بیاید که یک هسته قابل شکافت بدون دریافت نوترون شکافت هسته ای خودبه خودی انجام دهد.
• شکافت القایی در عناصر سنگین آسانتر است و به طور کلی هر چه هسته سنگین تر باشد احتمال بیشتری وجود دارد تا شکافته شود . شکافت در عناصر سنگین تر از آهن انرژی تولید می‌کند و در عناصر سبک تر از آهن نیاز به انرژی دارد. خلاف آن در مورد هم جوشی هسته ای صادق است، هم جوشی در عناصر سبک تر از آهن انرژی تولید می‌کند و هم جوشی در عناصر سنگین تر از آهن نیاز به انرژی دارد. بیشترین عناصری که در شکافت هسته ای استفاده می‌شوند اورانیوم و پلوتونیوم هستند. اورانیوم سنگین ترین عنصری است که در طبیعت یافت می‌شود. پلوتونیوم دچار شکافت هسته ای خودبه خودی می‌شود و نیمه عمر نسبتاً کوتاهی دارد. اگر چه عناصر دیگری هم هستند که می‌توان از آنها استفاده کرد. اما این عناصر بهترین ترکیب از لحاظ راحتی شکافت و یکنواختی را دارند.

اثرات ایزوتوپها
اورانیوم طبیعی شامل 3 ایزوتوپ است: U-234 ( %006/0)، U-235 ( %7/0)، U-238(%3/99) سرعت لازم برای یک واکنش شکافت نسبت به یک واکنش غیر شکافت برای ایزوتوپ های مختلف متفاوت است. U-238 با نوترونهایی که انرژی بیشتر از 1Mev دارند شکافته می‌شود چنین نوترونهایی از انفجارهای هم جوشی تولید می‌شوند. اما شکافت اورانیوم چنین نوترونهای پر انرژی تولید کند. در حالتهای نادری u-238 نوترونهای کم انرژی جذب می‌کند اما شکافته نمی شود بنابراین نمی تواند مانند U-235 در واکنش زنجیره ای شرکت کند. U-238 جرم بحرانی ندارد. با این حال وقتی که یک نوترون جذب می‌کند U-239 حاصل ناپایدار است و ابتدا به NP-239 و سپس به PU-239 واپاشیده می‌شود. PU-239 درست مانند U-235 با نوترونهای کند نیز شکافته می‌شود. بنابراین قسمتی از انرژی تولید شده در رآکتورهایی که از سوخت اورانیوم استفاده می‌کنند را شکافت پلوتونیوم تأمین می‌کند.
U-235 نسبت به U-238 با گستره وسیع تری از نوترونهای باانرژی های مختلف واکنش می‌دهد. U-235 بزرگترین سطح مقطع واکنش برای U-235 زمانی است که با نوترونهای کند واکنش می‌دهد. بدین معنی که احتمال شکافت U-235 زمانی که با نوترونهای کند یا ” نوترونهای گرمایی ” برخورد کند بسیار بیشتر است این نوترونها بسیار کم انرژی تر از نوترونهایی هستند که از شکافت U-235 تولید می‌شود. معمولاً از گرافیت یا آب برای کند کردن نوترونهایی که در واکنش شکافت تولید می‌شوند استفاده می‌شود تا با استفاده از این نوترونها U-235 بیشتری شکافته می‌شود. اگر نسبت U-235 بالا باشد، بدون نیاز به کند کننده هم واکنش زنجیره ای ادامه می‌یابد.
نسبت U-235 در اورانیوم طبیعی 1 به 140 است. در ضمن تفاوت جرم بسیار کم بین ایزوتوپ‌ها جداسازی آنها مشکل می‌کند. در پروژه منهتن بود که دانشمندان به امکان جداسازی U-235 پی بردند. جداسازی U-235 مهمترین عامل موفقیت آنها در این پروژه بود.

کند کننده ها
نوترونهای گرمایی که در واقع نوترونهای کند می‌باشند احتمال بیشتری برای شکافتن U-235 دارند، اما نوترونهای آزاد شده در فرآیند شکافت سرعت بالایی دارند و از این نوع نوترونها نمی باشند. احتمال هر دو واکنش های شکافت و غیر شکافت بستگی به سرعت نوترونها دارد. متأسفانه، سرعتی که در آن احتمال انجام واکنش های غیر شکافت بیشترین مقدار است بین سرعت متوسط نوترونهای آزاد شده از فرآیند شکافت و سرعتی لازم برای انجام شکافت می‌باشد.
چند سال قبل از شکافت برای کند کردن نوترونها آنها را از مواد با وزن اتمی کم مثل مواد هیدروژنی عبور می‌دادند. فرآیند کند کردن نوترونها یک برخورد الاستیک ساده بین ذرات بسیار پر سرعت و ذراتی است که عملاً در حالت سکونند می‌باشد. هر چه جرم ذره برخورد کننده با نوترون کمتر باشد، نوترونها انرژی جنبشی بیشتری از دست می‌دهند. بنابراین عناصر سبک کند کننده های بهتری هستند. می‌توان گفت که خصوصیت مهم یک کند کننده خوب این است که وزن اتمی کمی داشته باشد در ضمن تمایل کمی برای جذب نوترون داشته باشد یا بهتر از آن اصلاً تمایلی برای جذب نوترون نداشته باشد. لیتیوم و برن خصوصیت دوم را ندارند. استفاده از هلیوم نیز دشوار است چون اولاً گاز است و ثانیاً ترکیبات پایداری هم ندارد. پس بهترین گزینه برای کند کننده بین هیدورژن، دوتریوم، بریلیوم و کربن می‌باشد. انریکوفرمی و Leo szilard برای اولین بار، استفاده از گرافیت را به عنوان کند کننده در واکنش های زنجیره ای پیشنهاد دادند.

 کاهش جذب نوترون بدون شکافت با جداسازی ایزوتوپ ها
مسئله دیگری که شکافت هسته ای را پیچیده تر می‌کند این است که اورانیوم طبیعی از 3 ایزوتوپ U-234 به میزان 600/0 درصد، U-235 به میزان 0.7 درصد و U-238 به میزان 3/99 درصد تشکیل شده است. همینطور که قبلاً توضیح دادیم احتمال وقوع شکافت برای ایزوتوپ های مختلف و هم چنین نوترونهای باانرژی های متفاوت به یک میزان نیست.
نوترونهای با انرژی های متوسط ( در حدود چند الکترون ولت ) با احتمال زیادی جذب U-238 می‌شوند و U-239 تشکیل می‌شود اما این فرآیند منجر به شکافت نمی شود. احتمال قابل توجهی نیز برای برخورد غیر الاستیک نوترونهای پر انرژی با U-238 وجود دارد اما در یک برخورد غیر الاستیک هیچ نوترونی جذب نمی شود. بنابراین وجود U-238 هم باعث کاهش سرعت نوترونهای پر انرژی می‌شود و هم جذب نوترونهای با سرعت متوسط را تحت تأثیر قرار می‌دهد. اگر چه در مورد U-235 هم احتمال جذب نوترون بدون انجام شکافت هسته ای وجود دارد با این حال مشاهده شده که اگر U-238 را از U-235 جدا کنیم تعداد واکنش های جذب نوترون بدون شکافت کاهش یافته و در نتیجه واکنش زنجیره ای آغاز می‌شود. در واقع ممکن است که احتمال شکافت U-235 با نوترونهای پر انرژی، در غیاب U-238، آنقدر زیاد باشد که دیگری نیازی به یک کند کننده نباشد. متأسفانه در هر 140 واحد اورانیوم طبیعی فقط 1 واحد U-235 وجود دارد. از آنجایی که یکی از روشهای جداسازی ایزوتوپ‌ها استفاده از تفاوت جرم آنها است. جرم بسیار کم بین U-238 و U-235 جداسازی این دو ایزوتوپ را بسیار مشکل کرده است.
کنترل، تسلیحات یا انرژی
مشکلی که از گذشته تا به حال محل بحث بوده واکنش زنجیره ای است. اگر بخواهیم چنین واکنشی داشته باشیم باید بتوانیم آن را کنترل کنیم. مسئله مهم همین کنترل واکنش است و بستگی به این دارد که به تولید یکنواخت انرژی علاقه مند باشیم یا انفجار! به طور کلی برای تولید یکنواخت انرژی به یک واکنش زنجیره ای شکافت القا شده با نوترون کند در مخلوطی از اورانیوم و کند کننده نیازمندیم در حالی یک بمب اتمی به یک واکنش زنجیره ای شکافت القا شده با نوترون کند در U-235 و یا Pu-239 نیاز دارد: البته نمی توان نوترون کند و تند را دقیقاً مجزا کرد و شکافت با نوترونهای کند و تند در هر دو حالت وجود دارد. با استفاده از جذب کننده های نوترون می‌توان یک واکنش زنجیره ای تولید انرژی را کنترل کرد. با قاطعیت نمی توان گفت، اما احتمال زیادی وجود دارد که چنین واکنش های زنجیره ای وقتی به دمای بالاتر می‌رسند با پایین آمدن … احتمال جذب محصولات شکافت به یک حالت خود کنترلی برسند. در غیر این صورت ممکن است که سیستم واکنش زنجیره ای از کنترل خارج می‌شود بنابراین به نظر می‌رسد چنین آزمایش هایی باید در یک منطقه غیر مسکونی انجام شود.
تاکنون درباره این بحث کرده ایم که چگونه می‌توان یک واکنش هسته ای زنجیره ای را تولید و کنترل کرد اما درباره نحوه استفاده از آن هنوز چیزی نگفته ایم. تفاوت تکنولوژی تولید یک واکنش زنجیره ای کنترل شده و تکنولوژی استفاده از آن مثل تفاوت تکنولوژیک آتش و ساخت یک لوکوموتیو بخار است.
مشکل اصلی در اینجا رسیدن به عملکرد مناسب در دمای بالاست. یک موتور گرمایی با کارایی بالا نباید فقط گرما تولید کند، بلکه باید گرما را در یک دمای بالا تولید کند. راه انداختن یک سیستم واکنش زنجیره ای در دمای بالا و تبدیل گرمای تولید شده به کار مفید به مراتب مشکل تر از راه اندازی یک سیستم واکنش زنجیره ای در یک دمای پایین است.
البته، وجود یک زنجیره واکنش برای اینکه بمب هسته ای به خوبی کار کند کافی نیست. برای اینکه یک انفجار با کارایی بالا داشته باشیم لازم است که زنجیره واکنش به سرعت ساخته شود. در غیر این صورت فقط مقدار کمی از انرژی قبل از پرتاب بمب آزاد شده و واکنش زنجیره ای متوقف می‌شود. در ضمن لازم است که هیچ انفجار پیش از موقع نیز رخ ندهد. این مسئله انفجار بمب از گذشته تاکنون یکی از مشکل ترین مسایل در طراحی یک بمب اتمی با کارایی بالا بوده است. سه فاکتور مهم در بالا بردن احتمال شکل گیری یک واکنش زنجیره ای برای شما بیان شد: 1) استفاده از یک کند کننده، 2) رسیدن به خلوص بالا در ماده مورد استفاده، 3) استفاده از مواد خاص مثل U-235 یا PU-239. این سه فرآیند فقط یک روش خاص ندارند و طرحهای مختلفی برای استفاده از مقدار بسیار کمی U-235 یا PU-239 جداسازی شده از بلور اورانیوم معمولی یا اکسید اورانیوم و یا استفاده از یک یا دو کند کننده متفاوت پیشنهاد شده است.

منابع :

سایت اطلاع رسانی دانشنامه رشد :

www.daneshnameh.roshd.ir

سایت اطلاع رسانی آفتاب :

www.aftab.ir

سایت اطلاع رسانی تبیان :

www.tebyan.net