در سال 1919 رادرفورد نشان داده بود که با استفاده از ذرات آلفا که از عنصر رادیوم به صورت خود به خود صادر می‌شوند، که می تواند هسته نیتروژن را بشکافد، یک هسته هیدروژن از آن خارج شده، و نیتروژن به اکسیژن تبدیل می‌شود. آنچه را که کیمیاگران قرون وسطی ، به قیمت شکنجه شدن یا قرار گرفتن در معرض خطر سوزانده شدن ، بدان اعتقاد داشتند، رادرفورد به اثبات رسانیده بود و بنابراین او کیمیاگری نوین را پایه‌گذاری کرده بود.
شتابدهنده کاک کرافت والتون
در سال 1982 کاک ، کرافت و والتون شتابگری با ولتاژ زیاد را اختراع کرده بودند که با حدود 750000 ولت بر یک پروتون وارد آمد و سپس این پروتون به عنوان پرتابه برخورد با هدف لیتیوم مورد استفاده واقع شد. پروتون اتم لیتیوم را می‌شکافد، و به این ترتیب انرژی معادل 15 میلیون الکترون ولت از آن آزاد می‌کند. این کار یک امتیاز نسبت به کار رادرفورد به نظر می‌رسید. رادرفورد با بی اعتنایی آن را منبع بالقوه‌ای از انرژی مفید تلقی کرد. او خاطرنشان ساخت که از هر 10 میلیون پروتون پرتابی فقط یکی به هدف اصابت می‌کند. رادرفورد گفت : «مثل این است که بخواهیم پشه ای را در یک شب تاریک با استفاده از 10 میلیون گلوله و شانسی در تالار آلبرت (لندن) شکار کنیم».
سیکلو ترون
ارنست لارنس (E.Lawrence) در ایالات متحده با اختراع شتابدهنده حلقوی (سیکلوترون) ، اتم شکن را تکامل بخشید. در شتابدهنده حلقوی ذرات به کمک میدان مغناطیسی به یک دایره بی‌انتها هدایت کردند که می‌توانست سرعتهای بالا و بالاتری به وجود آورد و بنابراین به همین نسبت انرژیهای بیشتر تولید کنند. اما هنوز شکار پشه در شب تاریک به قوت خود باقی بود همه این قضایا در طی دو سال بعد از مرگ رادرفورد تغییر یافت.
تعبیر شکافت
اولین بار فردریک کرولیوت کوری و ایرن ژولیوت کوری ، اورانیوم را در معرض بمباران نوترونی قرار داده و به نتایج شگفت انگیزی رسیدند. اتوهان ، شیمیدان جوان آلمانی ، که در دانشگاه مک گیل کار می‌کرد و شاگرد رادرفورد بود، به کمک همکارش فریتس اشتراسمان Fritz strassmann ، توانست با تاباندن نوترون بر اورانیوم سبب استحاله آن به دو عنصر شد. این کار نشان داد که اورانیوم بر اثر مداخله نوترون شکافته می‌شود.
لیزامایتنر (Lise Meitner) ، فیزیکدان اتریشی تبار و پسر عمویش اوتوفریش (Otto Frisch) ، برای این موضوع تعبیر شایسته شکافت را به کار بردند. واژه شکافت اصطلاحی است که در زیست شناسی برای تقسیم یاخته به کار می‌رود، لذا از زیست شناسی به عاریت گرفته شده بود.
واکنش زنجیره ای
واقعیت مهم دیگر در مورد شکافت اورانیوم توسط بمباران نوترونی این است که این نوترون می‌تواند سایر اتمهای اورانیوم را نیز بشکافد و این کار می‌تواند زنجیروار ادامه پیدا کند. مفهوم روشن واکنش زنجیره‌ای این است که هر رویداد ، رویداد دیگری به وجود می‌آورد و این عمل تا آخر به همین ترتیب ادامه پیدا می‌کند.
اگر یک واکنش زنجیره‌ای بتواند به صورت مستمر ادامه پیدا کند، نوترونهای ناشی از یک اتم اورانیوم را بتوان به وسیله هسته اتم اورانیوم دیگر گیر انداخت، شکافتن دیگری و رهایی نوترونهای بیشتری به وجو د خواهد آمد. انرژی بیشتری نیز آزاد خواهد شد. اگر تعداد معینی از اتمها (جرم بحرانی) در لحظه‌ای از زمان ، فرآیند یاد شده استمرار یابد، منجر به انفجار خواهد شد.
تولید پلوتونیوم
ذره موثر در واکنش بمباران اورانیوم ، ذره‌ای که خود به خود نوترونها را آزاد می‌کرد، اورانیوم 235 بود که در اورانیوم طبیعی به نسبت 140/1 اتمهای اورانیوم 238 ظاهر می‌شود. اگر بتوان به اندازه کافی U235 جدا کرد، انفجار مقدور است. اما به طوری که فرمی در پیل اتمی در دانشگاه شیکاگو نشان داد، می‌توان فرایند به نحوی تنظیم کرد که نوترونهای سریع U235 به اندازه کافی کند شده و به تسخیر اتمهای U238 در آیند. این قضیه منجر به تولید عنصر دست ساز انسان موسوم به پلوتونیم شد که ناپایدار بوده و در صورتی که تعداد آن به حد معینی برسد، به انفجار می‌انجامد.
بمب هیدروژنی
بمب هیدروژنی بر پایه فرآیند هسته گرمایی استوار است، که همان ابزار تولید انرژی در خورشید است. فرآیند یاد شده نه تنها به شکافتن اتمها ، بلکه به همجوشی آنها نیز ارتباط پیدا می‌کند. هسته اتم هیدروژن از یک ذره تشکیل یافته است. اگر گرما کافی باشد (مثلا در حد 2x104 ) چها اتم هیدروژن با یکدیگر گداخته شده و به هلیوم تبدیل می‌شوند. مازاد انرژی در این فرآیند میلیونها بار بیشتر از انرژی شیمیایی و هزاران مرتبه بیشتر از انرژی شکافت میباشد.
به چنین دماهایی در روی زمین در لحظه انفجار بمب اتمی می‌توان دست یافت. بنابراین ، شگرد کار در این بود که این دیگ زودپز برای تولید بمب هیدروژنی به کار گرفته شد. بنابراین غول دیگری ، نیرومندتر از غول فرآیند شکافت، بیدار شد و سریعا تلاش برای رام کردن آن آغاز شد.
تولد پلاسما
کاربرد صلح آمیز انرژی همجوشی هسته‌ای به سهولت بهره برداری صلح آمیز از انرژی شکافت هسته‌ای نبود. بنابراین ، دانشمندان پی‌بردند که اطلاعات کمی درباره رفتار ذرات وجود دارد و برای جبران این نقص بازهم علم جدیدی پا به میدان گذاشت که فیزیک پلاسما نام گرفت. این مورد مثال جالبی از چگونگی تحریف کلمات در کاربرد علمی بود.
انرژی هسته ای
آنچه خداوند در طبیعت به ودیعه نهاده است، اگر بصورت صحیح و در جهت درست مورد استفاده قرار گیرد، وسایل رفاه و آسایش بیشتر را تأمین خواهد کرد. اما اگر این امکانات خدادادی در جهت نادرست و نامشروع مورد بهره برداری قرار گیرند، نه تنها وسیله‌ای برای آرامش و آسایش او نخواهد بود، بلکه بلای جان او شده و وسیله‌ای برای تهدید هستی او تبدیل خواهد شد. یکی از این منابع طبیعی سنگ معدن اورانیوم است که اگر بصورت درست مورد استفاده قرار گیرد، بسیار مفید بوده و به تعداد فوق‌العاده‌ای می‌تواند انرژی برق مورد استفاده بشر را تأمین کند، اما متأسفانه استفاده‌های نادرست سبب شده است که این عنصر خدادادی ماده اولیه سلاحهای مرگبار باشد که بمب اتمی یکی از این نمونه‌ها میباشد.
تاریخچه
استفاده از انرژی هسته‌ای به مقیاس زیاد بین سالهای 1939 تا 1945 میلادی در ایالات متحده آمریکا انجام شد. این امر زیر فشار جنگ جهانی دوم ، بصورت نتیجه تلاشهای مشترک تعداد زیادی از دانشمندان و مهندسان صورت گرفت. دست اندرکارانی که در ایالات متحده به این کار اشتغال داشتند، آمریکایی ، بریتانیایی و پناهندگان اروپایی کشورهایی بودند که زیر سلطه فاشیسم قرار داشتند. تلاش آنان این بود که قبل از آلمانیها به یک سلاح هسته‌ای دست پیدا کنند ، این سلاح هسته‌ای همان بمب اتمی بود.
وقتی که صحبت از مفهوم انرژی به میان می‌آید، نمونه‌های آشنای انرژی مثل انرژی گرمایی ، نور و یا انرژی مکانیکی و الکتریکی در شهودمان مرور می‌شود. اگر ما انرژی هسته‌ای و امکاناتی که این انرژی در اختیارش قرار می‌دهد، آشنا شویم، شیفته آن خواهیم شد.
آیا می‌دانید که
انرژی گرمایی تولید شده از واکنشهای هسته‌ای در مقایسه با گرمای حاصل از سوختن زغال سنگ در چه مرتبه بزرگی قرار دارد؟
منابع تولید انرژی هسته‌ای که بر اثر سیلابها و رودخانه از صخره شسته شده و به بستر دریا می‌رود، چقدر برق می‌تواند تولید کند؟
کشورهایی که بیشترین استفاده را از انرژی هسته‌ای را می‌برند، کدامند؟ و ... .
نحوه آزاد شدن انرژی هسته‌ای
می‌دانیم که هسته از پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار الکتریکی) تشکیل شده است. بنابراین بار الکتریکی آن مثبت است. اگر بتوانیم هسته را به طریقی به دو تکه تقسیم کنیم، تکه‌ها در اثر نیروی دافعه الکتریکی خیلی سریع از هم فاصله گرفته و انرژی جنبشی فوق العاده‌ای پیدا می‌کنند. در کنار این تکه‌ها ذرات دیگری مثل نوترون و اشعه‌های گاما و بتا نیز تولید می‌شود. انرژی جنبشی تکه‌ها و انرژی ذرات و پرتوهای بوجود آمده ، در اثر برهمکنش ذرات با مواد اطراف ، سرانجام به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود. مثلا در واکنش هسته‌ای که در طی آن 235U به دو تکه تبدیل می‌شود، انرژی کلی معادل با 200MeV را آزاد می‌کند. این مقدار انرژی می‌تواند حدود 20 میلیارد کیلوگالری گرما را در ازای هر کیلوگرم سوخت تولید کند. این مقدار گرما 2800000 بار برگتر از حدود 7000 کیلوگالری گرمایی است که از سوختن هر کیلوگرم زغال سنگ حاصل می‌شود.