فیزیک هسته‌ای با تاریخچه

تاریخچه
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 ۱۳ پروتون و ۱۴ نوترون، یک هسته را تشکیل دهند و ۱۳ 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 ۲۷ نامیده می‌شوند. عدد ۲۷ 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 ۲۷ یک اتم پایدار نامیده می‌شود.

بسیاری از اتمها در شکل های مختلفی وجود دارند. مثلاً مس دو شکل دارد: مس ۶۳ که ۷۰ درصد کل مس موجود در طبیعت است و مس ۶۵ که ۳۰ درصد بقیه را تشکیل می‌دهد. شکل های مختلف اتم، ایزوتوپ نامیده می‌شوند. هر دو اتم مس ۶۳ و مس ۶۵ دارای ۲۹ پروتون هستند، ولی مس ۶۳ دارای ۳۴ نوترون و مس ۶۵ دارای ۳۶ 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 ۲ یا دو تریوم است که یک پروتون و یک نوترون در هسته خود جای داده است. دوتریوم، فقط ۰۱۵/۰ 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 ۳ نیز خوانده می‌شود، در هسته خود یک پروتون و دو نوترون دارد و طی یک واپاشی رادیواکتیو به هلیوم ۳ 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 ۳ است. هلیوم ۳ از ۲ 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:
۱- واپاشی آلفا
۲- واپاشی بتا

۳- 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:
۱- پرتو آلفا
۲- پرتو بتا
۳- پرتو گاما
۴- پرتوهای نوترون

باز هم برای اینکه بدانید چگونه ، اینجا را بخوانید!
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.