این روزها در مجلات,روزنامه ها,تلویزیون وغیره از همه چیز میشنویم ولی بیشتر از همه فعالیت های صلح آمیزوغیر صلح آمیز هسته ای است که ذهنمان را مشغول میسازد.در اینجا سعی بر آن است که مطالب حتی الامکان به صورت عامه فهم وبه گونه ای که حق مطلب ادا شود,برای شما توضیحاتی پیرامون بمب های هسته ای ,تشعشعات هسته ای ونیروگاههای هسته ای عنوان شود.
قبل از اینکه به اصل موضوع بپردازیم خدمت دوستان خوبم باید عرض کنم که این مطالب ممکن است برای عده ای از دوستان بسیار پیش پا افتاده وساده باشه به هر حال شما به بزرگی خودتون ببخشید و اینو هم در نظر بگیرید که مخاطب های این وبلاگ ممکنه از هر قشری باشند پس ما هم مجبوریم که ملاحظه حال اونا رو هم بکنیم....
اما اصل موضوع....
میدانیم که دنیای اطرافمان از 92 عنصر موجود در طبیعت ساخته شده است. به این شکل که عناصر از اتم ها ساخته شده اند وتشکیل مولکول آن عنصر را میدهند و اگر این مولکولها در کنار یکدیگرقرار گیرند ماده بوجود می آید. بسیاری از مواد از عناصر مختلف تشکیل شده اند بنابراین اتم های مختلفی در آنها وجود دارد. لازم به ذکر است قطر اتم 10 به توان منفی ده متر میباشد واندازه هسته در مرکز اتم0001/0 بزرگی اتم کوچکتر است و یا به عبارتی دقیقتر قطر کامل هسته به طور میانگین 10به توان منفی 15 متر میباشد.
ابتدا به تشریح ساختمان اتم میپردازیم:
در داخل هر اتم سه ذره وجود دارد:الکترون با بار منفی , پروتون با بار مثبت و نوترون خنثی. بارهای همنام یکدیگر را دفع و بارهای غیر همنام یکدیگر را جذب میکنند بجز نوترون که هیچ عکس العملی ندارد.
هسته اتم هر عنصر از پروتون و نوترون تشکیل شده است که مجموع تعداد آنها را عدد اتمی آن عنصر ,وبه آنها نوکلئون میگویند. لازم به ذکر است جرم نوترون 675/1ضربدر 10 به توان منفی 27 کیلوگرم ,وجرم پروتون 673/1ضربدر 10 به توان منفی 27 میباشد.
پروتون های تشکیل دهنده هسته اتم چون دارای بار مثبت هستند پس طبیعی است که یکدیگر را دفع کنند برای جلوگیری از این اتفاق نوترون ها مانند چسبی از متلاشی شدن هسته جلوگیری میکنند.الکترون ها نیز در مدارات بیضی شکل و نامنظم در اطراف هسته با سرعت بسیار زیاد در حال گردشند وهر چه این الکترون ها به لایه والانس نزدیکتر میشوند تعلق آنها به هسته کاهش میابد(بر اساس مدل اتمی بور).
اما اگر بخواهیم علمی تر بحث کنیم باید بگوئیم تقریبا سه نیرو در هسته هر اتم وجود داردکه یکی از آنها سعی در انهدام هسته و دو تای دیگر سعی در پایداری هسته دارند. اولی نیروی کولنی یا همان دافعه پروتونی میباشد , دومی نیروی گرانش ناشی از جاذبه بین ذرات جرم دار است وسومی که مهمترین دلیل جلوگیری از متلاشی شدن هسته میباشد همان نیروی هسته ای است. دقت کنید نیروی کولنی بسیار ناچیز است و نمیتواند به تنهایی هسته را متلاشی کند و نیروی گرانش ذرات نیز بسیار کم میباشد و توانایی در تعادل نگه داشتن هسته را ندارد,در واقع این نیروی هسته ای است که اتم را در تعادل نگه داشته و از واپاشیده شدن نوکلئون ها جلوگیری میکند. برای توضیح این نیرو باید گفت اگر فاصله بین پروتون و نوترون از 5 ضربدر 10 به توان منفی 15 متر(5فمتو متر) بیشتر شود نیروی هسته ای وجود ندارد , بر عکس اگر این فاصله از مقدار یاد شده کمتر شود نیروی هسته ای بیشترمیشود بدین طریق هسته از متلاشی شدن نجات میابد.
سال 1905 در یک آپارتمان کوچک در شماره 49 خیابان کرامر گاسه در برلین (منزل مسکونی اینشتین)اتفاق بزرگی افتاد ; کسی چه میدانست با کشف فرمول معروف نسبیت خاص E=mc2 میتوان جان هزاران نفر را در هیروشیما و ناکازاکی گرفت و یا اینکه برای میلیون ها نفر در سرار جهان برق و انرژی تولید کرد ؟!
فرمول E=mc2 به ما میگوید که اندازه انرژی آزاد شده برابر است با تغییرات جرم جسم تبدیل شده در مجذور سرعت نور. به این معنی که اگر ما جسمی به جرم مثلا یک کیلوگرم را با سرعتی نزدیک به سرعت نور به حرکت درآوریم انرژی معادل 9ضربدر10به توان 16 ژول خواهیم داشت که رقم بسیار وحشتناکی است ولی واقعیت این است که چنین چیزی غیر ممکن است !!! چرا ؟
چون بر اساس همان فرمول نسبیت حرکت با سرعت نور برای اجسام غیر ممکن است. برای درک بهتر موضوع فرمول را به شکل دیگری مینویسیم : m=E/C2 اگر C2 ثابت فرض شود به روشنی پیداست که انرژی و جرم نسبت مستقیم با یکدیگر دارند ,حال اگر ما بخواهیم جسمی به جرم m را با سرعت نور © به حرکت درآوریم طبیعتا باید به آن انرژی بدهیم و از آنجا که m و E با یکدیگر نسبت مستقیم دارند پس هر چه انرژی بیشتر شود m نیز بزرگتر میشود ودر واقع قسمت اعظم انرژی صرف ازدیاد جرم میشود تا سرعت دادن به جسم . پس تقریبا به بی نهایت انرژی نیاز داریم واین همان چیزی است که حرکت با سرعت نور را برای اجسام غیر ممکن میکند.
قبل از اینکه توضیحات بیشتری داده شود لازم است کمی هم در مورد راههای آزاد کردن انرژی هسته ای بگوئیم.
به طور کلی انرژی موجود در هسته به دو روش آزاد میشود :
1- روش شکافت هسته ای که در آن یک اتم سنگین مانند اورانیوم تبدیل به دو اتم سبکتر میشود . ویا به عبارتی دیگر وقتی که هسته ای سنگین به دو یا چند هسته با جرم متوسط تجزیه میشود میگویند شکافت هسته ای رخ داده است و وقتی هسته ای با عدد اتمی زیاد شکافته شود , مقداری از جرم آن ناپدید وبه انرژی تبدیل میشود(طبق قانون نسبیت.
2- روش هم جوشی (گداخت هسته ای) ; که در آن دو اتم سبک مانند هید روژن تبدیل به یک اتم سنگین مانند هلیم میشود. درست همانند اتفاقی که در حال حاضر در خورشید می افتد, که در هر دو حالت انرژی قابل توجهی آزاد می شود.
در حال حاضر اکثر بمب های هسته ای ونیروگاههای هسته ای بروش شکافت هسته عمل میکنند .
حال دوباره به توضیحات مربوط اتم بر میگردیم . در اینجا لازم است نکاتی را در مورد پایداری و ناپایداری توضیخ دهیم...
اگرما 13 پروتون را با 14 نوترون ترکیب کنیم هسته ای خواهیم داشت که اگر 13 الکترون در اطراف آن گردش کنند یک اتم آلومینیوم را میسازند .حال اگر میلیاردها عدد از این اتم ها را در کنار هم قرار دهیم آلومینیوم را می سازیم(AL27) که با آن انواع وسایل نظیر قوطی ها و درب وپنجره ها و غیره... را میتوان ساخت.
حال اگر همین آلومینیوم را در شیشه ای قرار دهیم ! وچند میلیون سال به عقب برگردیم این آلومینیوم هیچ تغییری نخواهد کرد ,پس آلومینیوم عنصری پایدار است . تا حدود یک قرن پیش تصور بر این بودکه تمام عناصر پایدار هستند. مساله مهم دیگر اینکه بسیاری از اتم ها در اشکال متفاوتی دیده می شوند . برای مثال : مس دو شکل پایدار دارد , مس 63 ومس 65 که به این دو نوع ایزوتوپ گفته می شود .هر دوی آنها 29 پروتون دارند اما چون در عدد اتمی 2 واحد فرق دارند به سادگی می توان فهمید که تعداد نوترون های اولی 34 ودیگری 36 است وهر دوی آنها پایدار هستند.در حدود یک قرن پیش دانشمندان متوجه شدند گه همه عناصر ایزوتوپ هایی دارند که رادیواکتیو هستند.مثلا : هیدروژن را در نظر بگیرید , در مورد این عنصر سه ایزوتوپ شناخته شده است.
1- هیدروژن معمولی یا نرمال (H1) در هسته اتم حود یک پروتون دارد وبدون هیچ نوترونی. البته واضح است چون نیازی نیست تا خاصیت چسبانندگی خود را نشان دهد چرا که پروتون دیگری وجود ندارد.
2- هیدروژن دوتریم که یک پروتون ویک نوترون دارد و در طبیعت بسیار نادر است. اگرچه عمل آن بسیار شبیه هیدروژن نوع اول است برای مثال میتوان از آن آب ساخت اما میزان بالای آن سمی است.
هر دو ایزوتوپ یاد شده پایدار هستند اما ایزوتوپ دیگری از هیدروژن وجود دارد که ناپایدار است !
3- ایزوتوپ سوم هیدروژن (تریتیوم) که شامل دو نوترون و یک پروتون است. همان طور که قبلا گفته شد این نوع هیدروژن ناپایدار است . یعنی اگر مجددا ظرفی برداریم واین بار درون آن را با این نوع از هیدروژن پر کنیم و یک میلیون سال به عقب برگردیم متوجه میشویم که دیگر هیدروژنی نداریم و همه آن به هلیم 3 تبدیل شده است (2 پروتون و یک نوترون) واین ها همه توضیحاتی ساده در مورد پایداری و ناپایداری بود.