مقاله درباره چیستی شکافت هسته ای، چگونگی کشف و توصیف این فرآیند می گوید. استفاده از آن به عنوان منبع انرژی و سلاح های هسته ای آشکار شده است.
اتم "تقسیم ناپذیر"
قرن بیست و یکم مملو از عباراتی مانند "انرژی اتم"، "فناوری هسته ای"، "ضایعات رادیواکتیو" است. هرازگاهی در عناوین روزنامه ها پیام هایی در مورد احتمال آلودگی رادیواکتیو خاک، اقیانوس ها، یخ های قطب جنوب منتشر می شود. با این حال، یک فرد معمولی اغلب تصور خوبی از اینکه این رشته علمی چیست و چگونه در زندگی روزمره کمک می کند ندارد. شاید ارزش شروع را با تاریخ داشته باشد. از همان اولین سوالی که از سوی یک فرد سیراب و لباس پوشیده پرسیده شد، او به نحوه کار دنیا علاقه مند شد. چشم چگونه می بیند، چرا گوش می شنود، تفاوت آب با سنگ - این چیزی است که از زمان های بسیار قدیم حکیمان را نگران کرده است. حتی در هند و یونان باستان، برخی از ذهن‌های کنجکاو پیشنهاد می‌کردند که ذره‌ای حداقلی وجود دارد (به آن «تقسیم ناپذیر» نیز می‌گفتند) که ویژگی‌های یک ماده را دارد. شیمیدانان قرون وسطی حدس حکیمان را تأیید کردند و تعریف امروزی اتم چنین است: اتم کوچکترین ذره یک ماده است که حامل خواص آن است.
قطعات یک اتم
با این حال، توسعه فناوری (دربه ویژه، عکاسی) منجر به این واقعیت شده است که اتم دیگر کوچکترین ذره ممکن از ماده در نظر گرفته نمی شود. و اگرچه یک اتم از نظر الکتریکی خنثی است، اما دانشمندان به سرعت متوجه شدند که از دو بخش با بارهای مختلف تشکیل شده است. تعداد قطعات دارای بار مثبت تعداد قطعات منفی را جبران می کند، بنابراین اتم خنثی می ماند. اما هیچ مدل بدون ابهامی از اتم وجود نداشت. از آنجایی که فیزیک کلاسیک هنوز در آن دوره تسلط داشت، فرضیات مختلفی مطرح شد.
مدل های اتم
در ابتدا، مدل "رول کشمش" پیشنهاد شد. بار مثبت، همانطور که بود، تمام فضای اتم را پر کرد و بارهای منفی مانند کشمش در یک نان در آن پخش شد. آزمایش معروف رادرفورد موارد زیر را مشخص کرد: یک عنصر بسیار سنگین با بار مثبت (هسته) در مرکز اتم قرار دارد و الکترون های بسیار سبک تر در اطراف آن قرار دارند. جرم هسته صدها بار سنگین‌تر از مجموع تمام الکترون‌ها است (۹/۹۹ درصد جرم کل اتم است). بنابراین، مدل سیاره ای بور از اتم متولد شد. با این حال، برخی از عناصر آن در تضاد با فیزیک کلاسیک پذیرفته شده در آن زمان بود. بنابراین، مکانیک کوانتومی جدید توسعه یافت. با ظهور آن دوره غیر کلاسیک علم آغاز شد.
اتم و رادیواکتیویته
از همه موارد فوق، مشخص می شود که هسته یک بخش سنگین و بار مثبت از اتم است که بخش عمده آن را تشکیل می دهد. وقتی کوانتیزاسیون انرژی و موقعیت الکترون ها در مدار یک اتم به خوبی درک شد، زمان آن فرا رسیده بود که درک کنیم.ماهیت هسته اتم رادیواکتیویته مبتکرانه و غیرمنتظره کشف شده به کمک آمد. این کمک کرد تا ماهیت بخش مرکزی سنگین اتم آشکار شود، زیرا منبع رادیواکتیویته شکافت هسته ای است. در آغاز قرن نوزدهم و بیستم، اکتشافات یکی پس از دیگری بارید. حل نظری یک مسئله نیاز به آزمایشات جدیدی داشت. نتایج آزمایش‌ها باعث ایجاد نظریه‌ها و فرضیه‌هایی شد که نیاز به تأیید یا رد داشتند. اغلب بزرگ‌ترین اکتشافات صرفاً به این دلیل است که محاسبه فرمول آسان شده است (مثلاً، کوانتوم ماکس پلانک). حتی در آغاز دوران عکاسی، دانشمندان می دانستند که نمک های اورانیوم یک فیلم حساس به نور را روشن می کنند، اما آنها شک نداشتند که شکافت هسته ای اساس این پدیده باشد. بنابراین، رادیواکتیویته به منظور درک ماهیت فروپاشی هسته ای مورد مطالعه قرار گرفت. بدیهی است که تابش توسط انتقال کوانتومی ایجاد شده است، اما کاملاً مشخص نیست که کدام یک. کوری ها برای پاسخ به این سوال رادیوم و پلونیوم خالص را استخراج کردند و تقریباً با دست در سنگ معدن اورانیوم کار می کردند.
بار پرتوهای رادیواکتیو
رادرفورد کارهای زیادی برای مطالعه ساختار اتم انجام داد و در مطالعه چگونگی شکافت هسته اتم مشارکت داشت. این دانشمند تابش ساطع شده از یک عنصر رادیواکتیو را در یک میدان مغناطیسی قرار داد و نتیجه شگفت انگیزی گرفت. مشخص شد که تشعشع از سه جزء تشکیل شده است: یکی خنثی بود و دو جزء دیگر دارای بار مثبت و منفی بودند. مطالعه شکافت هسته ای با تعریف آن آغاز شداجزاء. ثابت شد که هسته می تواند تقسیم شود و بخشی از بار مثبت خود را رها کند.
ساختار هسته
بعداً مشخص شد که هسته اتم نه تنها از ذرات با بار مثبت پروتون، بلکه از ذرات خنثی نوترون نیز تشکیل شده است. آنها با هم نوکلئون نامیده می شوند (از انگلیسی "nucleus"، هسته). با این حال، دانشمندان دوباره با مشکل مواجه شدند: جرم هسته (یعنی تعداد نوکلئون ها) همیشه با بار آن مطابقت نداشت. در هیدروژن، هسته دارای بار 1+ است و جرم آن می تواند سه، دو، و یک باشد. هلیوم بعدی در جدول تناوبی دارای بار هسته ای +2 است، در حالی که هسته آن شامل 4 تا 6 نوکلئون است. عناصر پیچیده تر می توانند جرم های بسیار متفاوت تری برای بار یکسان داشته باشند. چنین تغییراتی از اتم ها ایزوتوپ نامیده می شود. علاوه بر این، برخی از ایزوتوپ ها کاملاً پایدار بودند، در حالی که برخی دیگر به سرعت تجزیه شدند، زیرا آنها با شکافت هسته ای مشخص شدند. کدام اصل با تعداد نوکلئون های پایداری هسته ها مطابقت داشت؟ چرا افزودن تنها یک نوترون به یک هسته سنگین و کاملاً پایدار منجر به شکافتن آن و انتشار رادیواکتیویته شد؟ به اندازه کافی عجیب، پاسخ این سوال مهم هنوز پیدا نشده است. از نظر تجربی، مشخص شد که پیکربندی های پایدار هسته های اتمی با مقادیر خاصی از پروتون ها و نوترون ها مطابقت دارد. اگر 2، 4، 8، 50 نوترون و/یا پروتون در هسته وجود داشته باشد، هسته قطعاً پایدار خواهد بود. این اعداد حتی جادو نامیده می شوند (و دانشمندان بالغ، فیزیکدانان هسته ای، آنها را به این نام می نامند). بنابراین، شکافت هسته ها به جرم آنها، یعنی به تعداد نوکلئون های موجود در آنها بستگی دارد.
رها کردن، پوسته، کریستال
در حال حاضر نمی توان عاملی را که عامل پایداری هسته است تعیین کرد. نظریه های زیادی در مورد مدل ساختار اتم وجود دارد. سه مورد معروف و توسعه یافته اغلب در مورد مسائل مختلف با یکدیگر در تضاد هستند. طبق اولی، هسته قطره ای از مایع هسته ای ویژه است. مانند آب، سیالیت، کشش سطحی، ادغام و پوسیدگی مشخص می شود. در مدل پوسته، سطوح انرژی خاصی نیز در هسته وجود دارد که با نوکلئون پر شده است. سوم بیان می کند که هسته محیطی است که قادر به شکست امواج ویژه (de Broglie) است، در حالی که ضریب شکست انرژی پتانسیل است. با این حال، هیچ مدلی هنوز نتوانسته است به طور کامل توضیح دهد که چرا در جرم بحرانی خاصی از این عنصر شیمیایی خاص، شکافت هستهای آغاز می‌شود.
جدایی چگونه است
همانطور که در بالا ذکر شد، رادیواکتیویته در موادی یافت شد که در طبیعت یافت می شوند: اورانیوم، پلونیوم، رادیوم. به عنوان مثال، اورانیوم خالص تازه استخراج شده رادیواکتیو است. فرآیند تقسیم در این مورد خود به خود خواهد بود. بدون هیچ گونه تأثیر خارجی، تعداد معینی از اتم‌های اورانیوم ذرات آلفا منتشر می‌کنند و خود به خود به توریم تبدیل می‌شوند. شاخصی به نام نیمه عمر وجود دارد. نشان می دهد که برای چه مدت زمانی از شماره اولیه قسمت حدود نیمی باقی می ماند. برای هر عنصر رادیواکتیو، نیمه عمر متفاوت است - از کسری از ثانیه برای کالیفرنیا تاصدها هزار سال برای اورانیوم و سزیم. اما رادیواکتیویته اجباری نیز وجود دارد. اگر هسته اتم ها با پروتون ها یا ذرات آلفا (هسته هلیوم) با انرژی جنبشی بالا بمباران شوند، می توانند "شکاف" شوند. البته مکانیسم تغییر شکل با نحوه شکستن گلدان مورد علاقه مادر متفاوت است. با این حال، قیاس خاصی وجود دارد.
انرژی اتمی
تاکنون به یک سوال عملی پاسخ نداده ایم: انرژی در طی شکافت هسته ای از کجا می آید. برای شروع، باید روشن شود که در هنگام تشکیل یک هسته، نیروهای هسته ای ویژه ای عمل می کنند که به آنها تعامل قوی می گویند. از آنجایی که هسته از تعداد زیادی پروتون مثبت تشکیل شده است، این سوال باقی می ماند که چگونه آنها به هم می چسبند، زیرا نیروهای الکترواستاتیک باید آنها را به شدت از یکدیگر دور کنند. پاسخ هم ساده است و هم نه در یک زمان: هسته با تبادل بسیار سریع بین نوکلئون‌های ذرات خاص - پی مزون‌ها در کنار هم نگه داشته می‌شود. این ارتباط بسیار کوتاه است. به محض اینکه تبادل پی مزون متوقف شود، هسته تجزیه می شود. همچنین مشخص است که جرم یک هسته کمتر از مجموع تمام نوکلئون های تشکیل دهنده آن است. این پدیده نقص جرم نامیده می شود. در واقع جرم از دست رفته انرژی است که صرف حفظ یکپارچگی هسته می شود. به محض جدا شدن بخشی از هسته اتم، این انرژی آزاد شده و در نیروگاه های هسته ای به گرما تبدیل می شود. یعنی انرژی شکافت هسته ای نمایش واضحی از فرمول معروف اینشتین است. به یاد داشته باشید که فرمول می گوید: انرژی و جرم می توانند به یکدیگر تبدیل شوند (E=mc2).
نظریه و عمل
اکنون به شما خواهیم گفت که چگونه از این کشف صرفا نظری در زندگی برای تولید گیگاوات برق استفاده می شود. ابتدا باید توجه داشت که واکنش های کنترل شده از شکافت هسته ای اجباری استفاده می کنند. اغلب اورانیوم یا پلونیوم است که توسط نوترون های سریع بمباران می شود. ثانیاً نمی توان درک نکرد که شکافت هسته ای با ایجاد نوترون های جدید همراه است. در نتیجه، تعداد نوترون ها در ناحیه واکنش می تواند خیلی سریع افزایش یابد. هر نوترون با هسته های جدید و هنوز دست نخورده برخورد می کند، آنها را می شکافد، که منجر به افزایش انتشار گرما می شود. این واکنش زنجیره ای شکافت هسته ای است. افزایش کنترل نشده در تعداد نوترون ها در یک راکتور می تواند منجر به انفجار شود. این دقیقا همان چیزی است که در سال 1986 در نیروگاه هسته ای چرنوبیل اتفاق افتاد. بنابراین، در منطقه واکنش همیشه ماده ای وجود دارد که نوترون های اضافی را جذب می کند و از یک فاجعه جلوگیری می کند. این گرافیت به شکل میله های بلند است. سرعت شکافت هسته ای را می توان با غوطه ور کردن میله ها در منطقه واکنش کاهش داد. معادله واکنش هسته ای به طور خاص برای هر ماده رادیواکتیو فعال و ذراتی که آن را بمباران می کنند (الکترون ها، پروتون ها، ذرات آلفا) جمع آوری شده است. با این حال، انرژی خروجی نهایی بر اساس قانون پایستگی محاسبه می شود: E1+E2=E3+E4. یعنی انرژی کل هسته و ذره اصلی (E1 + E2) باید برابر با انرژی هسته حاصل و انرژی آزاد شده به صورت آزاد (E3 + E4) باشد. معادله واکنش هسته ای نیز نشان می دهد که در نتیجه پوسیدگی چه نوع ماده ای به دست می آید. به عنوان مثال، برای اورانیوم U=Th+He، U=Pb+Ne، U=Hg+Mg. ایزوتوپ های عناصر در اینجا فهرست نشده اند.با این حال، این مهم است. به عنوان مثال، سه احتمال برای شکافت اورانیوم وجود دارد که در آن ایزوتوپ های مختلف سرب و نئون تشکیل می شوند. تقریباً در صد در صد موارد، واکنش شکافت هسته ای ایزوتوپ های رادیواکتیو تولید می کند. یعنی تجزیه اورانیوم توریم رادیواکتیو تولید می کند. توریم می تواند به پروتاکتینیم، به اکتینیم و غیره تجزیه شود. هر دو بیسموت و تیتانیوم می توانند در این سری رادیواکتیو باشند. حتی هیدروژن که حاوی دو پروتون در هسته است (به میزان یک پروتون) به طور متفاوت - دوتریوم نامیده می شود. آبی که با چنین هیدروژنی تشکیل می شود، آب سنگین نامیده می شود و مدار اولیه راکتورهای هسته ای را پر می کند.
اتم غیر صلح آمیز
عباراتی مانند "مسابقه تسلیحاتی"، "جنگ سرد"، "تهدید هسته ای" ممکن است برای یک فرد مدرن تاریخی و بی ربط به نظر برسد. اما روزی روزگاری تقریباً در سراسر جهان هر خبری منتشر می شد با گزارش هایی در مورد تعداد انواع سلاح های هسته ای اختراع شده و نحوه مقابله با آنها. مردم پناهگاه‌های زیرزمینی می‌ساختند و در صورت وقوع زمستان هستهای انبار می‌کردند. تمام خانواده ها برای ساختن این پناهگاه تلاش کردند. حتی استفاده صلح آمیز از واکنش های شکافت هسته ای می تواند منجر به فاجعه شود. به نظر می رسد چرنوبیل به بشریت آموخت که در این زمینه مراقب باشد، اما عناصر سیاره قوی تر بودند: زلزله در ژاپن به استحکامات بسیار قابل اعتماد نیروگاه هسته ای فوکوشیما آسیب زد. استفاده از انرژی یک واکنش هسته ای برای تخریب بسیار آسان تر است. فناوران فقط باید نیروی انفجار را محدود کنند تا به طور تصادفی کل سیاره را نابود نکنند. "انسانی ترین" بمب ها، اگر بتوان آن ها را اینگونه نامید، محیط اطراف را با تشعشعات آلوده نمی کند. به طور کلی، آنها اغلب استفاده می کنندواکنش زنجیره ای کنترل نشده آنچه آنها در نیروگاه های هسته ای به هر طریقی از آن اجتناب می کنند، در بمب ها به روشی بسیار ابتدایی به دست می آید. برای هر عنصر رادیواکتیو طبیعی، توده بحرانی خاصی از ماده خالص وجود دارد که در آن یک واکنش زنجیره ای به خودی خود ایجاد می شود. برای مثال اورانیوم فقط پنجاه کیلوگرم است. از آنجایی که اورانیوم بسیار سنگین است، تنها یک توپ فلزی کوچک به قطر 12-15 سانتی متر است. اولین بمب اتمی که بر روی هیروشیما و ناکازاکی انداخته شد دقیقاً بر اساس این اصل ساخته شد: دو بخش نابرابر اورانیوم خالص به سادگی با هم ترکیب شدند و انفجاری هولناک را ایجاد کردند. سلاح های مدرن احتمالاً پیچیده تر هستند. با این حال، نباید جرم بحرانی را فراموش کرد: در طول ذخیره سازی باید موانعی بین حجم های کوچک مواد رادیواکتیو خالص وجود داشته باشد که از اتصال قطعات جلوگیری می کند.
منابع تشعشع
همه عناصر با بار هسته ای بیشتر از 82 رادیواکتیو هستند. تقریباً تمام عناصر شیمیایی سبک تر، ایزوتوپ های رادیواکتیو دارند. هر چه هسته سنگین تر باشد، عمر آن کوتاه تر است. برخی از عناصر (مانند کالیفرنیا) را فقط می توان به طور مصنوعی به دست آورد - با برخورد اتم های سنگین با ذرات سبک تر، اغلب در شتاب دهنده ها. از آنجایی که آنها بسیار ناپایدار هستند، در پوسته زمین وجود ندارند: در طول شکل گیری سیاره، آنها خیلی سریع به عناصر دیگر تجزیه شدند. موادی با هسته های سبک تر مانند اورانیوم را می توان استخراج کرد. این فرآیند طولانی است، اورانیوم مناسب برای استخراج، حتی در سنگ معدن بسیار غنی، حاوی کمتر از یک درصد است. راه سوم،شاید نشان دهنده این باشد که یک دوره زمین شناسی جدید از قبل آغاز شده است. این استخراج عناصر رادیواکتیو از زباله های رادیواکتیو است. پس از مصرف سوخت در یک نیروگاه، بر روی یک زیردریایی یا ناو هواپیمابر، مخلوطی از اورانیوم اصلی و ماده نهایی، نتیجه شکافت، به دست می آید. در حال حاضر، این زباله جامد رادیواکتیو محسوب می شود و این سوال حاد وجود دارد که چگونه آنها را دفع کنیم تا محیط زیست را آلوده نکنند. با این حال، این احتمال وجود دارد که در آینده نزدیک، مواد رادیواکتیو غلیظ آماده (مثلاً پلونیوم) از این زباله ها استخراج شود.
