نگاهی به مبانی نظری انرژی هسته ای

دالتون كه كارش پژوهش در مورد هواشناسی بود، به تركیب گازها علاقه مند شد و خیلی زود ایده تشكیل گازها از واحدهای كوچك غیرقابل تقسیم در ذهنش شكل گرفت. او این نظریه را در سال ۱۸۰۸ تحت عنوان «سیستم جدید فلسفه شیمی» منتشر كرد. تا دهه پایانی قرن نوزدهم دو جنبه اساسی فیزیك كلاسیك یعنی مكانیك كلاسیك و الكترومغناطیس به خوبی شناخته شده بود و دانشمندان گمان می كردند كه طبیعت براساس دو نیروی گرانشی و الكترومغناطیسی ساخته شده است. درست در همین زمان بود كه پدیده هایی مشاهده شد كه طی دهه های ابتدایی قرن بیستم منجر به بزرگترین انقلاب های تاریخ علم یعنی نسبیت عام و مكانیك كوانتومی شدند.
•رادیواكتیویته
در سال ۱۸۹۶ آنتوان هانری بكرل (Becquerel) فیزیكدان فرانسوی كه از كشف اشعه X به وسیله رونتگن مطلع شده بود، به دنبال یك رشته آزمایش روی سنگ معدنی به نام اورانیل، فعالیت های پرتوافشانی خود به خودی خاصی را كشف كرد و آن را «رادیواكتیویته» نام گذاشت. پس از او ماری و پی یر كوری هم دو عنصر رادیوم و پولونیوم را كشف كردند كه خاصیت رادیواكتیویته بسیار بیشتری داشتند. اما بیشتر پژوهش ها روی رادیواكتیویته به وسیله لرد رادرفورد انجام شد. او كشف كرد كه خاصیت رادیواكتیویته ناشی از پراكنش سه نوع اشعه است:
۱- اشعه آلفا كه توسط یك برگ كاغذ متوقف می شود. بار آن مثبت است و در حقیقت همان یون های هلیوم دو بار مثبت یا هسته اتم هلیوم است.
۲- اشعه بتا كه از ورقه چند میلی متری آلومینیوم رد می شود. بار آن منفی است. ماهیت این اشعه الكترون های پرانرژی است.
۳- اشعه گاما كه از صفحات سربی به ضخامت ده ها سانتی متر هم عبور می كند، از لحاظ الكتریكی خنثی است. این اشعه فوتون های پرانرژی با طول موج بسیار كوتاه است.
دانشمندان با توجه به مجموعه آزمایش های رادرفورد به این نتیجه رسیدند كه اتم ها برخلاف نامشان از اجزای كوچكتری هم تشكیل شده اند.
• هسته
افتخار كشف هسته اتم نیز از آن رادرفورد است. او با كمك دو دانشجویش به نام گایگر و مارسدن با انجام آزمایشی كه «پراكندگی» نام دارد، به وجود هسته پی برد. رادرفورد فكر می كرد كه اتم ها مثل مدل كیك كشمشی تامسون از تعدادی الكترون تشكیل شده اند كه در یك فضای پیوسته با بار مثبت قرار دارند. به همین دلیل ذرات آلفا را به سمت ورقه نازكی از طلا پرتاب كرد. اما پراكندگی این ذرات از هسته طلا نشان داد كه بارهای مثبت در ناحیه بسیار كوچكی در وسط اتم متمركز شده اند. شعاع اتم حدود یك آنگسترم (۱۰-۱۰ متر) است ولی اندازه هسته حدود ۱۰ فرمی (۱۴ -۱۰ متر) است.
• نیمه عمر
پس از اینكه رادرفورد ماهیت تشعشع رادیواكتیو را كشف كرد، دانشمندان پی بردند كه رادیواكتیویته به علت تلاشی خودبه خود هسته های سنگین و تبدیل آنها به هسته های سبك تر است. در حین این تبدیل، ذرات آلفا، بتا و گاما ساطع می شود. در حقیقت پس از خارج شدن این ذرات از هسته، ماهیت آن تغییر می كند. تعداد هسته هایی كه در هر لحظه متلاشی می شوند با تعداد هسته ها در آن لحظه نسبت مستقیم دارد. زمانی را كه نیمی از هسته های ماده ابتدایی متلاشی می شوند، نیمه عمر ماده می گویند. یعنی اگر در ابتدا یك گرم ماده رادیواكتیو داشته باشیم، پس از یك نیمه عمر نصف و پس از دو نیمه عمر، یك چهارم و پس از سه نیمه عمر، یك هشتم مقدار اولیه را خواهیم داشت. نیمه عمر مواد مختلف متفاوت است و از چند میلیاردیوم ثانیه تا چندین میلیارد سال تغییر می كند. معمولاً هرچه نیمه عمر بیشتر باشد، انرژی ساطع شده از تلاشی رادیواكتیویته كمتر است. نیمه عمر اورانیوم ۵/۴ میلیارد سال است. نیمه عمر رادیوم ۱۵۹۰ سال و نیم عمر راكتانیوم كمتر از ۱۰ هزارم ثانیه است.
• درون هسته
مدل اتمی رادرفورد بیانگر این مطلب بود كه هسته در وسط اتم دارای بار مثبت است و الكترون ها با بار منفی در اطراف آن قرار دارند. مدل اتمی بور هم مدل رادرفورد را كامل كرد و سازوكار منظمی را برای استقرار الكترون ها در اطراف هسته تدوین كرد. اما تفسیر و توجیه رادیواكتیویته تردیدی به جای نمی گذارد كه هسته ها خود مجموعه مكانیكی پیچیده ای هستند كه از اجرای سازنده متفاوتی تشكیل شده اند. این واقعیت كه وزن اتمی ایزوتوپ های اتم های مختلف (بعضی از اتم ها درحالی كه جرم اندكی متفاوت با هم دارند، خواص شیمیایی كاملاً یكسانی دارند، به این اتم ها ایزوتوپ می گویند.) با اعداد صحیح (یا لااقل بسیار نزدیك به عدد صحیح) بیان می شوند، نشان می دهد كه پروتون ها (حاملان بار مثبت) باید نقش یكی از اجزای اصلی سازنده هسته را داشته باشند. ابتدا فرض می كردند كه درون هر هسته علاوه بر پروتون، الكترون هم هست. یعنی مثلاً كربن كه جرم ۱۲ و بار ۶+ دارد، درون هسته خود ۱۲ پروتون و ۶ الكترون دارد و علاوه بر آن در بیرون هسته هم ۶ الكترون به دور آن می چرخند اما این راه حل از لحاظ نظری مشكلات عدیده ای را به همراه داشت. اما رادرفورد و بور پیشنهاد كردند كه علاوه بر پروتون ذره دیگری هم جرم آن ولی بدون بار درون هسته است. آنها نام نوترون را برای آن انتخاب كردند و این ذره در سال ۱۹۳۲ توسط چادویك كشف شد.
• اسپین
اتم ها در اثر گرفتن انرژی، تابش می كنند. این تابش ناشی از این است كه الكترون های اطراف هسته، انرژی می گیرند و بعد این انرژی را به صورت یك فوتون با طول موج معین بازمی تابانند. اما خود این طیف در مجاورت میدان الكترومغناطیسی، به چند طول موج جدا از هم تفكیك می شود. علت این است كه الكترون ها در اتم، اندازه حركت زاویه ای هم دارند. اشترن و گرلاخ نشان دادند كه الكترون ها علاوه بر این اندازه حركت زاویه ای، خاصیت دیگری هم دارند كه فقط در حضور میدان مغناطیسی آن را بروز می دهند. به دلیل شباهت این خاصیت به اندازه حركت زاویه ای، نام آن را «اندازه حركت زاویه ای ذاتی» یا اسپین نهادند. بعدها ثابت شد كه علاوه بر الكترون، باقی ذرات بنیادی هم اسپین دارند. مهمترین ویژگی اسپین این است كه یك خاصیت كاملاً كوانتومی است و مشابه كلاسیك ندارد. ذراتی كه اسپین نیم صحیح دارند (یك دوم، سه دوم، ...) فرمیون می نامند، مثل الكترون، پروتون، نوترون و... این ذرات تشكیل دهنده ماده هستند. در مقابل ذراتی كه اسپین صحیح دارند(صفر، ۱ ، ۲ و...) بوزون گفته می شوند، مثل فوتون، مزون، گلوتون و... این ذرات حامل نیروها هستند.
• ایزواسپین و نیروی هسته ای
هنگامی كه نوترون توسط چادویك كشف شد، این واقعیت مسلم شد كه علاوه بر نیروی گرانش و الكترومغناطیسی، حداقل یك نیروی دیگر در طبیعت وجود دارد و این نیرو است كه عامل پیوند نوكلئون ها (پروتون ها و نوترون ها) درون هسته است. زیرا در صورت عدم وجود این نیرو، در اثر دافعه شدید بارهای مثبت پروتون ها بر هم، هسته از هم می پاشد. از این مثال برمی آید كه اولاً این نیرو باید جاذبه ای باشد تا در مقابل دافعه پروتون ها بایستد و ثانیاً برد آن باید خیلی كوتاه باشد و از ابعاد هسته بیشتر نباشد. زیرا نیروی الكترومغناطیسی (در مدل بوهر) آرایش الكترون ها در مدارهای اتمی را به خوبی توضیح می داد. اما واقعیت مهم و جالب تر این است كه باید برای این نیرو، پروتون و نوترون به یك شكل دیده شوند و فارغ از اختلاف بار الكتریكی این دو ذره یك شكل باشند. هایزنبرگ با استفاده از این واقعیت و با ایده گرفتن از نظریه اسپین، مفهوم ریاضی جدیدی به نام «ایزوتوپ اسپین» یا ایزواسپین را معرفی كرد. او پیشنهاد كرد كه همان طور كه در حضور میدان الكتریكی خطوط طیفی یكی هستند و با ظهور میدان مغناطیسی به چند خط دیگر شكافته می شوند، نوكلئون ها (پروتون و نوترون) هم در حقیقت در مقابل نیروی هسته ای یك ذره هستند اما هنگام ظهور نیروهای الكترومغناطیسی به دو ذره با ایزواسپین متفاوت تبدیل می شوند.
•نیروی هسته ای قوی
یوكاوا فیزیكدان ژاپنی در سال ۱۹۳۵ برای توضیح نیروی هسته ای گفت: این نیرو باید در اثر مبادله ذره ای به نام پیون (مزون پی) بین نوكلئون ها به وجود بیاید. چون این ذره نسبتاً سنگین است، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ ایجاب می كند كه برد این نیرو كوتاه باشد، به این ترتیب ایده مبادله ذره، توانست تمام ویژگی های نیروی هسته ای را توضیح بدهد. پیون ها هم مثل نوكلئون ها برای نیروی هسته ای یك ذره به شمار می روند اما ایزواسپین آنها یك است یعنی در مقابل نیروی الكترومغناطیسی ۳ حالت پیون با بار مثبت و با بار منفی و خنثی را دارند. یك پروتون، با از دست دادن یك پیون مثبت به نوترون تبدیل می شود و این پیون مثبت خود یك نوترون دیگر را به پروتون تبدیل می كند. دوتا نوترون یا دوتا پروتون هم می توانند با هم پیون خنثی (صفر) مبادله كنند. یك نوترون هم با از دست دادن یك پیون منفی به پروتون تبدیل می شود و این پیون منفی با یك پروتون دیگر، یك نوترون تولید می كند. به این ترتیب با مبادله این ذرات، نوكلئون ها در هسته پایدار می مانند.
• نیروی هسته ای ضعیف
یكی از ویژگی های بارز نوترون نیم عمر آن است. نوترون در حالت آزاد پس از ۱۸ دقیقه متلاشی و به یك پروتون و یك الكترون تبدیل می شود. این مدت بسیار طولانی تر از تمام پدیده هایی است كه با نیروی قوی سروكار دارد. نیرو های الكترومغناطیسی هم بر نوترون بدون بار عمل نمی كنند. پس واضح است كه تلاشی نوترون، ناشی از یك نیروی جدید در طبیعت است. به علت ضعیف بودن این نیرو نسبت به نیروی هسته ای آن را نیروی هسته ای ضعیف نام گذاشتند. تلاشی هسته كه نتیجه آن تولید پرتو بتا است هم ریشه در این نیرو دارد.
• شكافت
فرمی در فاصله كمی بعد از كشف نوترون در سال ۱۹۳۲ بررسی هسته اتم های سنگین بمباران شده به وسیله نوترون را آغاز كرد و از انجام این آزمایش ها با اورانیوم نتایج عجیبی به دست آمد. اتوهان و اشتراسمن در سال ۱۹۳۹ این معضل را حل كردند.آنها كشف كردند وقتی كه اورانیوم با نوترون بمباران می شود، هسته هایی مثل باریو تولید می شوند كه عدد اتمی آنها خیلی كوچك تر از عدد اتمی اورانیوم است. لیز میتنر فیزیكدان آلمانی كه در سوئد زندگی می كرد، این پدیده را به دقت بررسی كرد و نام شكافت را برای آن انتخاب كرد. بور و ویلر با ارائه مقاله ای فهم نظری شكافت را به طور كامل ممكن كردند و پس از ارائه مقاله آنها كلیه پژوهش های علمی در مورد شكافت هسته ای تا به امروز جزء اسناد فوق العاده سری، طبقه بندی می شود.
• گداخت
هسته های خیلی سبك مثل هیدروژن یا هلیوم انرژی بستگی كمتری نسبت به هسته های سنگین دارند. اگر دو هسته سبك در هم ادغام شوند، هسته سنگین تری را به وجود می آورند و مقدار زیادی انرژی به صورت انرژی جنبشی آزاد می شود. برای انجام گداخت باید هسته ها را بسیار به هم نزدیك كرد. دافعه الكترواستاتیكی مانع بزرگی برای این فرآیند است. این واكنش با افزایش انرژی جنبشی هسته های اولیه انجام می شود. دسترسی به چنین انرژی هایی در شتاب دهنده ها آسان است اما برای اینكه این واكنش خودنگهدار باشد، به دمایی حدود ۱۰۸ كلوین نیاز است. (دمای سطح خورشید شش هزار كلوین است.) چنین وضعیتی تنها در حالت پلاسمایی ماده پیش می آید كه در آن هسته ها و الكترون ها از هم جدا هستند. پژوهش ها به روی گداخت هسته ای همچنان ادامه دارد و قرار است در رآكتور Iter در فرانسه برای نخستین بار چنین فرآیند خود نگهداری ای ایجاد شود. اما شاید رسیدن به این هدف چند دهه طول بكشد.
منابع:
۱۹۹۴ ۱-H.Frauenfeldor, E.Henley, Subatomic Physics,
۱۹۸۷ ۲-D.Griffithe, Elementary Particles,
۱۹۸۶ ۳-L.Rayder, Elementary Particles and Symmetries,
,۱۹۹۴ ۳ ۴-R.Feynman, Feynman Lecture on Physics,Vol
مهدی صارمی فر

منبع : روزنامه شرق