نویسنده: محمد ارزنده نیا
الف ـ مدل لایه ای هسته
در حالی که الکترون های اتم، آزادانه در فضا حرکت می کنند و فواصلی نسبت به هم دارند که چند هزار برابر بزرگتر از قطر آنهاست، پروتون ها و نوترون ها که هسته(1) را تشکیل می دهند، همچون ماهی های ساردین در قوطی، به هم فشرده اند.
برخی از فیزیکدان ها معتقدند که هستک ها(2) یعنی پروتون ها و نوترون ها در داخل هسته، نظیر الکترون ها در اتم، در مدارهای مختلفی حرکت می کنند. ولیکن در مقایسه با الکترون ها، مدارهای حرکت هستک ها به خوبی مشخص نشده و ماهیت آنها به خوبی درک نشده اند. از آنجا که نیروی بین هستک ها به مراتب قویتر از نیروهای بین الکترون ها و هسته می باشد، در نتیجه انرژی بین ترازها در هسته ها به مراتب بزرگتر از انرژی بین ترازها در اتم ها می باشد. هسته های تحریک شده ممکن است با تابش فوتونی (به انرژیی برابر با اختلاف بین تراز اولیه و تراز انتهایی) به تراز پایین تر برود. این فوتون های پر انرژی را اشعه گاما می نامند. که این اشعه گاما در مسیر خروج از اتم ممکن است الکترونی را هم با خود از اتم خارج نماید. (در جابجایی الکترون از مداری به مدار پایین تر، ممکن است اشعه ایکس تابش شود.)
برای اتم هایی که عدد اتمی یا تعداد پروتون هایشان بیش از عدد 20 است تعداد نوترون ها بیشتر از تعداد پروتون ها می باشد. این نوترون های اضافی برای پایداری هسته های سنگین تر لازم اند. در این حالت نوترون های اضافی شبیه ماده چسبان و یا ماده عایقی جهت خنثی کردن نیروی دافعه بین پروتون ها می باشد. پیداست که فقط ترکیب معینی از نوترون ها و پروتون ها باعث پایداری هسته می شود. اگر در برابر تعداد معینی از پروتون ها، تعداد نوترون ها خیلی کم یا خیلی زیاد باشد، هسته حاصله پایدار نبوده و تجزیه رادیواکتیو می شود. برای مثال ایزوتوپ های اکسیژن که دارای تعداد نوترون های 8 و 9 و 10 می باشند پایدار، ولی ایزوتوپ های 5 و 6 و 7 و 11 و 12 آن رادیواکتیو هستند.
هسته هایی که کمبود نوترون دارند از طریق تجزیه بتای مثبت، خود را پایدار می سازند. یعنی یکی از پروتون های هسته آنها به نوترون و پوزیترون و نوترینو تجزیه می شود.
مانند هسته ناپایدار اکسیژن 16 که به هسته پایدار ازت 15 تبدیل می شود. در مقابل، هسته هایی که دارای نوترون اضافی هستند، تجزیه بتای منفی انجام می دهند، و یک الکترون و یک آنتی نوترینو تابش می کنند.
«همچنین هسته هایی که با کمبود نوترون مواجه هستند، می توانند با جذب الکترون تعداد نوترون هایشان را زیاد کنند، در این عمل یکی از الکترون های اتم با یکی از پروتون های هسته برخورد می کند، که از ترکیب آنها یک نوترون بوجود می آید. این عمل باعث می شود تا یک جای خالی در ابر الکترونی اطراف اتم پدید آید که به زودی به وسیله یکی از الکترون های دیگر پر می شود. این عمل منجر به تابش اشعه ایکس می شود. به طور معمول چون الکترونی که به وسیله هسته، جذب می شود از داخلی ترین لایه الکترون ها، یعنی لایه k می باشد بنابراین، این عمل را جذب k می نامند. از آنجا که هسته دختر، حاصل از جذب الکترون همان هسته حاصل از تجزیه بتای مثبت می باشند، اغلب این دو عمل با یکدیگر رقابت می کنند.» (3)
«طریق دیگر که بعضی از هسته های ناپایدار تجزیه رادیواکتیو انجام می دهند تابش ذرات آلفاست. (شامل دو پروتون و دو نوترون که همان هسته هلیوم است.) تابش ذره آلفا باعث کاهش عدد اتمی به اندازه دو واحد و جرم اتمی به اندازه چهار واحد می شود. برای مثال اورانیوم 238 با تجزیه آلفا به توریوم 234 تبدیل می شود.»(4)
جرم تمام هسته ها کمی کمتر از مجموع جرم نوترون ها و پروتون های تشکیل دهنده آنهاست. این کسر جرم برابر با انرژی لازم جهت یکپارچه نگه داشتن هسته اتم است، که به انرژی بستگی یا انرژی پیوندی(5) موسوم است.
از طرف دیگر، یک هسته هم هنگامی که به هستک های خود تجزیه می شود همین مقدار انرژی را آزاد می نماید. «انرژی بستگی کل هسته ها تابع فزاینده ای از عدد جرمی (A) اتم است. اما این انرژی با یک نسبت ثابت افزایش نمی یابد. با توجه به منحنی شکل 2 هسته های با انرژی بستگی کم را می توان به آسانی شکست. در نتیجه هنگام تشکیل هسته نیز انرژی کمتری آزاد می شود.»(6)
در ناحیه هسته های با جرم اتمی بزرگ از شکسته شدن یک هسته به دو قسمت هسته های پایدارتری به وجود می آید. زیرا که انرژی های پیوندی هسته های با عدد جرمی بیش از 50، با افزایش عدد جرمی کم می شود. این بدان معنی است که نظام هستک ها وقتی پایدارتر است که یک هسته سنگین شکسته شود، مانند شکسته شدن هسته اورانیوم در نیروگاه های اتمی که به عمل شکافت یا فیسیون(7) معروف است.
را با انرژی بستگی کلی Mev 48/8 بوجود می آورند
که ازدیاد خالص انرژی بستگی دستگاه برابر است با: (Mev) 02/4=46/4-48/8 در این حالت این انرژی به صورت انرژی جنبشی هسته های تولید شده
و
در می آید. چنین واکنش هایی را که در آنها حداقل یکی از هسته های حاصل سنگینتر و پایدارتر از دو هسته سبکتر و کم پایدارتر است، واکنش های گداخت یا فیوژن(8) می نامند.هیدروژن خورشید نیز به طور پیوسته از طریق فیوژن به هلیوم تبدیل شده و گرمای بسیار زیادی را نیز ایجاد می کنند.
چون برای واکنش های فیوژن حرارت و فشار بسیار زیادی لازم است، به همین دلیل بمب های هیدروژنی حامل یک بمب اتمی هستند که از هیدروژن سنگین (دوتریوم) و هیدروژن فوق سنگین (تری تیوم) احاطه شده است. در ابتدا بمب اتمی منفجر شده و سپس شرایط لازم حرارت و فشار برای انفجار هیدروژنی آماده می شود.
به هر حال یک روز ممکن است منابع نامحدود انرژی را از طریق فیوژن یا واکنش حرارتی ـ هسته ای(9) بدست آورد. با آنچه که گفته شد می توان نتیجه گرفت که در عمل شکافت، انرژی به وسیله تجزیه هسته بدست می آید، در صورتی که در عمل گداخت، هسته ها با هم ترکیب می شوند. در شکافت، کنش و واکنش های زنجیره ای به وسیله نوترون ها، که هیچ بار الکتریکی ندارند، انجام می شود. و چون هیچ نیرویی از هسته به نوترون ها وارد نمی شود، آنها به آسانی وارد هسته هایی مانند اورانیوم می گردند. ولی در گداخت، ذرات باید به هم جوش بخورند در نتیجه ذرات سنگینتر با جرم کمتر از جرم مجموع ذرات اولیه تولید می شود، که این تفاوت جرم به انرژی بسیار عظیمی تبدیل می گردد.
«در پدیده گداخت، هسته اتم ها با سرعت بالایی که بر اثر گرمای خیلی زیاد کسب می کنند با هم برخورد می نمایند و عمل ترکیب انجام می شود. با این سرعت زیاد، انرژی جنبشی ذرات، سد پتانسیلی را که در اثر نیروی کولونی بوجود آمده است خنثی می کنند (زیرا که بار مثبت هسته ها در شرایط معمولی باعث رانش هسته ها از هم می شود). کشف گداخت از سال های 1930 به بعد صورت گرفت و برای نخستین بار این پدیده در شتاب دهنده ذرات مشاهده شد.»(10)
معلوم شده است، هسته هایی که تعداد نوترون ها یا پروتون های آنها 2، 6، 8، 14، 20، 28، 50، 82 یا 126 می باشد، دارای پایداری ویژه ای هستند. این اعداد و این گونه هسته را اسرارآمیز یا ماژیک(11) می نامند. این اعداد که مربوط به تعداد نوترون ها یا پروتون های لازم برای پر کردن قشرها یا لایه های هستک ها از هسته به شمار می روند، مشابه با تعداد الکترون های اتم های کامل و خنثی هستند. وجود هسته های ماژیک دارای نتایج عملی زیادی در مهندسی هسته ای است. برای مثال هسته هایی که تعداد نوترون هایشان برابر با یکی از اعداد ماژیک است، نوترون را خیلی کم جذب می کنند.
مطالعه بسیاری از بی نظمی های هسته ای به این نتیجه گیری رسیده است که در هسته های ماژیک، پوسته های فرضی هسته سخت به یکدیگر فشرده می شوند. در حالی که پوسته های الکترونی همگی خارج از یکدیگرند و تشکیل یک ساختمان پیازی شکل را می دهند. اما در مورد هسته های ماژیک پوسته های نوترونی و پروتونی در هم فرو می روند و هر یک از آنها تمام فضای هسته ای را اشغال می کنند. این عدم تمایز هندسی میان پوسته های هسته ای از شدت تأثیر آنها می کاهد و مطالعه و توضیح آنها را دشوارتر می کند. تا اینکه ماریاگوپرت ـ مایر(12) (1972-1906) از آمریکا و هانس ژنسن(13) (1973-1907) از آلمان همزمان با یکدیگر این اشکال را از میان برداشتند و هر دو توانستند منظومه کاملی از پوسته های هسته ای بسازند که با واقعیت های مشهود سازگار درآید.
ب ـ مدل قطره ای هسته
در پی مدل لایه ای هسته، عده ای از فیزیکدانان همانند جورج گاموف(14) (1904-1868) مواد هسته ای را به قطره مایعی تشبیه می کنند که در آن مولکول ها به وسیله نیروهای چسبندگی به هم متصلند.چگالی هسته به نسبت
مرتبه بیشتر از چگالی آب است، و یک ظرف معمولی که از آن پر شده باشد، چند بیلیون تن وزن دارد. کشش سطحی سیال هسته ای بی اندازه بزرگتر از کشش سطحی سیال های معمولی است. به علت همین کشش سطحی است که هسته های اتم مثل قطرات باران، شکلی بسیار نزدیک به شکل کره دارند. ارتعاشات و دوران های این قطره های کوچک باید جوابگوی نشر اشعه گاما بر اثر تحریک هسته ها باشند. اما جان ویلر،(15) فیزیکدان آمریکایی معلوم داشته است که سیال هسته ای ممکن است به شکل کره های کوچک نباشد، بلکه می تواند اشکالی مختلف را بپذیرد. در این مورد نکته مهم این است که علاوه بر نیروهای چسبندگی هسته ای، نیروهای دافعه کولونی نیز میان بارهای الکتریکی مثبت پروتون ها وجود دارد که برعکس نیروهای کشش سطحی سعی بر انبساط حجم هسته دارند.از آنجا که نیروهای کشش سطحی متمایل به این هستند که قطره های مایع را یکپارچه نگاه دارند، و دو قطره ای را نیز که با هم تماس پیدا می کنند به صورت یک قطره بزرگتر در آورند؛ باید انتظار داشت که در مورد عناصر سبک در فرایندهای همجوشی هسته ای انرژی آزاد شود. از طرف دیگر در مورد هسته های سنگین، نیروهای کولونی برتری خود را خواهند داشت، و فرایند همجوشی هسته ای یک فرایند انرژی زا خواهد بود. محاسبات نشان می دهد که ناحیه همجوشی تا حدود یک سوم راه جدول مندلیف (از سنگین ترین عناصر رو به عناصر سبک) گسترش یافته است. و هر چه به حد این ناحیه نزدیکتر می شویم، آزاد شدن انرژی مورد انتظار رفته رفته کوچکتر می شود.
اگر بخواهیم کمی دقیق تر مطلب را بیان کنیم باید بگوییم که پیدا کردن تعریفی برای ابعاد اتم به علت ابر الکترونی اطراف آن که بعد مشخصی ندارد تا اندازه ای مشکل است. زیرا که الکترون ها گاهی ممکن است از هسته دور شوند و گاهی از نزدیکی هسته عبور کنند از این نظر اندازه معقول یک اتم فاصله متوسط بین هسته و دورترین الکترونی است که در اطراف اتم پیدا می شود. جز چند اتم سبک، این شعاع متوسط تا حدودی برای تمام اتم ها یکی است: یعنی حدود
سانتیمتر. از آنجا که تعداد الکترون های دور اتم با افزایش عدد اتمی زیاد می شود واضح است که دانسیته متوسط الکترونی در ابر الکترونی اطراف هسته نیز افزایش می یابد.«هسته نیز شبیه اتم دارای یک مرز خارجی مشخص نیست. سطح آن مانند سطح اتم، منتهی با میزان کمتری تغییر می کند. اندازه گیری پراکندگی نوترون در برخورد با هسته ها نشان می دهد که با تقریب درجه اول، هسته را می توان کره ای درنظر گرفت که شعاع آن از رابطه زیر بدست می آید:
که R برحسب سانتیمتر و A عدد جرم اتمی است. از آنجا که حجم یک کره نیز متناسب با مکعب شعاع است. یعنی:
بنابراین حجم یک هسته متناسب با A می باشد. این هم بدان معنی است که نسبت A/V یعنی تعداد هستکها در واحد حجم برای هسته ها عدد ثابتی است. این یکنواختی دانسیته یا چگالی ماده هسته ای نشان می دهد که هسته ها شبیه قطرات مایع می باشند که بستگی به بزرگی و کوچکی هسته ندارد.»(16)
با اینکه مدل لایه ای کمک زیادی به شناسایی هسته و خواص آن کرده است ولی مدل قطره ای نیز جوابگوی مسائل بسیاری است، که در چارچوب مدل قبلی بی پاسخ می نمودند. حقیقت آن است که اگر لایه های هسته ای به راستی موجود باشند، با لایه های الکترونی اتم اختلاف زیادی خواهند داشت.
«تصور لایه برای هسته، تا حدودی غیر طبیعی به نظر می رسد. زیرا در درجه اول در هسته قسمت مرکزی موجود نیست، که ذرات در اطراف آن قرار گیرند. در ثانی گروه های تکمیل شده هسته ای با گروه های تکمیل یافته الکترونی متفاوتند. و سرانجام لایه های هسته ای از دو نوع ذره پروتون و نوترون اشغال می گردند.»(17)
در مورد هسته های سبک که از تعداد ناچیزی ذرات هسته ای تشکیل شده اند، اصطلاح لایه، چندان اشتباه نیست. ولی در هسته های بزرگ، ترازهای انرژی، جدایی خود را از دست می دهند، و هسته از نظر ساختمانی تا حدودی یکنواخت می گردد. در این حالت به خاطر فراوانی ذرات هسته ای ابرهای آنها در هم فرو می رود و حرکت مشخصی برای آنها قابل تصور نیست. به این جهت ذرات اخیر، از قوانین کوانتا متابعت نخواهند کرد و شباهت ترازهای هسته و اتم پایان می یابد.
«در سال 1938 سه پژوهشگر آلمانی اتوهان،(18) فریتز اشتراسمان و لیز مایتنر(19) با بمباران هسته های اورانیوم با یک دسته نوترون، ظهور هسته باریوم و تکنتیوم را مشاهده کردند. جرم اتمی باریوم وقتی به جرم اتمی تکنتیوم افزوده می شد، برابر بود با جرم اتمی اورانیوم. بنابراین در اثر برهمکنش نوترون ها، هسته اتم اورانیوم شکافته می شد. بدین گونه، آنها کشف کردند که برخی از فرآورده های تاباندن نوترون بر اورانیوم، دارای جرم کمتری هستند که غالباً به نصف جرم اتمی اورانیوم می رسند. در این هنگام معلوم شد که نه تنها ذره ای از اتم خارج نشده، بلکه اتم شکافته شده است.»(20)
بور، جان ویلر، فرمی و عده ی دیگری از فیزیکدانان در پی تفسیر واکنش بالا براساس مدل قطره ای هسته دریافتند که بر اثر اصابت نوترون به هسته، آن را به ارتعاش در آورده و شکل آن را کشیده تر می کند. تعادل میان کشش سطحی و نیروهای الکتریکی به هم می خورد. نیروهای کشش سطحی سعی می کنند که هسته را به شکل کروی آن باز گردانند و حال آن که نیروهای الکتریکی می خواهند دامنه شکل را افزایش دهند. هرگاه نسبت بین محورهای بلند و کوتاه بیضی واره از حد معینی تجاوز کند، شکافی در امتداد سطح استوایی آن پدید می آید و هسته به طور کامل دو پاره می شود.
اورانیوم طبیعی شامل 3/99% اورانیوم 238 و 7/0% اورانیوم 235 است، که تنها اورانیوم 235 اشتهای شدیدی به نوترون دارد. «با این همه راه انداختن فعل و انفعال در اورانیوم طبیعی توسط انریکو فرمی فراهم شد. که براساس اصل کندسازی (21) بنا شده بود.
در آن زمان می دانستند که ایزوتوپ های سنگین اورانیوم اشتهای زیادی به جذب نوترون های تند و سریع دارند. حال آنکه ایزوتوپ سبک، نوترون های کندرو را ترجیح می دهد. از آنجا که نوترون هایی که در شکافت هسته ای اورانیوم نشر می شوند سرعت بسیار زیادی دارند، لازم بود که سرعت آنها به سطح اشتهای اورانیوم 235 کاهش داده شود، تا اورانیوم 238 نتواند آنها را ببلعد. انجام دادن این کار با مخلوط کردن اورانیوم طبیعی با مقدار زیادی مواد کندساز(22) امکان یافت. کندساز یعنی عنصری که اتم های آن چون گرایشی به جذب نوترون ها ندارند، قسمتی از انرژی جنبشی نوترونی را از فرایند تصادم دور نگاه می دارند.»(23) معلوم شده است که ایزوتوپ سنگین هیدروژن و اتم کربن از بهترین کندسازهایند.
نخستین پیل اتمی که در آن از کندساز کربنی (آجرهای گرافیت) استفاده شده بود توسط گروهی، زیر نظر فرمی در دانشگاه شیکاگو ساخته شد و در دوم دسامبر 1942 بکار افتاد. بدیهی است که فعل و انفعال زنجیری هسته ای در پیل های کند شده به کندی پیش می رود و انرژی تولید شده نمی تواند نه به مصارف جنگی و نه به مصارف عادی برسد. اما پلوتونیوم حاصل از این واکنش ها از اورانیوم 235 به مراتب نوترون خواهی شدیدتری را دارد. و در اثر اصابت نوترونی به آن آسانتر شکسته می شود و شکافت آن، نوترون های فرعی بیشتری همراه دارد (به طور متوسط در هر بار 9/2 نوترون)، و از طرفی چون پلوتونیوم خواص شیمیایی متفاوتی با اورانیوم دارد به آسانی می توان پس از اتمام فعل و انفعالات پیل اتمی، آن را از بقیه اورانیوم جدا ساخت.
بدین وسیله از یک طرف بمب اتمی ساخته شد و از طرف دیگر رؤیای کیمیاگران مبنی بر تبدیل عناصر به یکدیگر تا حدودی به واقعیت پیوست.
بنا به اهمیت کار فرمی و همکارانش مطالب بالا را با توجه به یادداشت های لارافرمی (همسر فرمی) و لئونا مارشال (همکار فرمی) به طور دقیقتر بیان می کنیم: آنچنان که می دانیم در سال 1919، راترفورد از اشعه آلفا (متصاعد شده از رادیوم) برای شکافتن اتم ازت استفاده نمود. سپس در سال 1932 چادویک، برلیوم را با اشعه آلفا بمباران کرد و کربن و نوترون را بدست آورد. در همین راستا ژولیو و ایرن کوری نیز در سال 1933 با کمک دستگاه های شتاب دهند، ذرات آلفای شتاب داده شده را بر آلومینیوم تاباندند و فسفر رادیواکتیو بدست آوردند (رادیواکتیویته مصنوعی).
با رسیدن خبر کشف رادیواکتیویته مصنوعی به محافل علمی جهان، فرمی در سال 1934 بر آن شد که همراه با گروهش (آمالدی،(24) سگره،(25) رازتی،(26) آگوستینو و...) همه عناصر را یکی یکی با کمک نوترون بمباران بنماید. نوترون برخلاف ذره آلفا دارای بار الکتریکی نیست و به راحتی می تواند به هسته اتم نزدیک گردد. (از اینرو این کشف فرمی گامی بزرگ در روند تحقیقات اتمی بود.) ولی از آنجا که در تمام بمباران ها، هر عنصری به عنصر نزدیک به خودش تبدیل می شد، آنان پنداشتند که از بمباران اورانیوم با نوترون عنصر جدید 93 را بدست آورده اند. (در آن زمان عنصر 92 آخرین عنصر کشف شده بود.)
به زودی در سال 1934 اوتوهان (1968-1879) و لیز مایتنر (کاشفان عنصر 91 یعنی پروکتانیوم) با کمک روش های شیمیایی دریافتند که موضوع عنصر 93 صحت ندارد. در پی سیاست ضد یهودی نازی ها مایتنر مجبور شد به سوئد برود، در نتیجه اتوهان، بقیه آزمایش های خود را با کمک فریتز اشتراسمان(27) دنبال نمود. آنان در سال 1938 طی نامه ای برای مایتنر توضیح دادند که نوترون، اورانیوم را در حقیقت به دو پاره می شکافد. پاره هایی در حدود نصف عدد اتمی اورانیوم.
در سال های 37-1935 بور و فریتز کالکار(28)، مدل قطره مایعی هسته را ابداع و تکمیل نموده بودند. بر اساس این مدل، بور، می بایستی مسئله عملی شکافت هسته ای را حدس می زد. ولی سرنوشت این مسئله به این شکل شد که مایتنر خبر شکافت هسته اورانیوم را با پسر عمه اش اوتوفریش(29) در میان گذاشت. فریش که برحسب تصادف در کنفرانسی از زبان بور مدل قطره مایعی هسته را شنیده بود، مقدار کشش سطحی قطره مایع و نیروی دافعه الکتریکی پروتون ها را محاسبه نموده و پاره های شکافت اورانیوم را با استفاده از اصطلاحی پزشکی در مورد تکثیر سلولی، «فیش یافیسیون» نامید. مایتنر نیز ضمن محاسبات خود پی برد که در هر شکافت می بایستی 200 میلیون الکترون ولت انرژی گرمایی آزاد گردد. سپس فریش با موافقت مایتنر خود را به کپنهاک رساند تا موضوع شکافت هسته ای را به بور خبر دهد. در آن زمان بور به خاطر دیدار با آینشتاین عازم آمریکا بود، او به محض ورود به آمریکا، جامعه علمی آمریکا را از این خبر آگاه ساخت. از آن طرف فرمی از دست فاشیست های ایتالیا در ژانویه 1939 (یعنی یک هفته قبل از بور) به آمریکا مهاجرت کرده و بلافاصله در دانشگاه کلمبیای نیویورک مشغول تدریس و تحقیق شده بود. چون فرمی و همکارانش می دانستند که نازی های آلمان مشغول بررسی ساخت بمب اتمی (یا به عبارت دقیق تر بمب هسته ای) می باشند، پس لئوزیلارد(30) و اوژن ویگنر(31) را نزد آینشتاین (مشهورترین دانشمند آن روز) فرستادند تا فرضیه شکافت هسته ای و انرژی آزاد شده از این شکافت ها را (که از فرمول
نیز قابل محاسبه بود) برای او توضیح بدهند. آینشتاین نیز در آگوست 1939 نامه ای به روزولت رئیس جمهور وقت آمریکا نوشت و او را از اهمیت کار، آگاه ساخت. در نتیجه با دستور روزولت امکانات مالی و فنی مناسبی برای دانشمندان اتمی فراهم گردید.سرانجام فرمی و گروهش (کسانی چون لئوزیلارد، جیمز فرانک،(32) والتر زین،(33) آلبرت واتنبرگ،(34) هربرت آندرسون،(35) جان مارشال،(36) اوژن ویگنر، ادوارد تلر،(37) جان ویلر،(38) و لئونا مارشال لیبی(39) با استفاده از نتایج پژوهشی زیر:
1ـ چشمه نوترونی: به عنوان شکافنده هسته های اورانیوم
2ـ صفحه های گرافیتی (صد تن زغال در 51 لایه): به عنوان کند کننده نوترون های حاصل از شکافت اورانیوم (که در ضمن جاذب نوترون هم نبودند).
3ـ میله های کادمیومی: به عنوان کنترل کننده واکنش زنجیره ای (زیرا که کادمیوم یک جاذب قوی نوترون بود.)
4ـ گلوله های کروی شکل اورانیوم که می بایستی بر روی صفحات گرافیتی به صورت پراکنده قرار داده شوند.
در دوم دسامبر 1942، اولین پیل اتمی(40) دنیا را بکار انداختند. (چون صفحات زغالی همراه با گلوله های اورانیومی لایه لایه و تناوبی بر روی هم قرار گرفته بودند به آنها در مجموع پیل می گفتند.) و از آنجا که هدف بدست آوردن برق نبود در این پیل فقط انرژی گرمایی بدست آمد.
به هر حال از نظر تئوری، انرژی حاصله از این آزمایش فقط یک لامپ را می توانست روشن نماید. در نهایت گروه فرمی ثابت نمود:
1ـ واکنش زنجیره ای امکان پذیر است (تکنولوژی بمب های هسته ای).
2ـ واکنش زنجیره ای قابل کنترل است (تکنولوژی نیروگاه های هسته ای).
در سال 1945 در آمریکا، اولین بمب هسته ای جهان به سرپرستی رابرت اوپنهایمر(41) به طور آزمایشی منفجر گردید. در سال 1949 شوروی ها اولین بمب هسته ای خود را منفجر کردند و سپس در سال 1953 اولین بمب هیدروژنی خود را نیز به سرپرستی ایگور واسیلیوویچ کورچاتف(42) (1960-1902) به طور آزماشی منفجر کردند. (البته آمریکا اولین بمب هیدروژنی خود را به سرپرستی ادوارد تلر در سال 1952 مورد آزمایش قرار داده بود). در همین راستا اولین نیروگاه هسته ای جهان در سال 1954 در شوروی، دومین نیروگاه در سال 1956 در انگلستان و سومین آن در سال 1958 در آمریکا شروع به کار نمودند.
امروزه در رآکتورهای اتمی (نیروگاه های هسته ای)(43) که جهت تولید برق ساخته شده اند، در محفظه های تحت فشار(44) با کمک چشمه های نوترونی(45) هسته های اورانیوم شکافته می شوند. سپس گرمای حاصله به موادی مانند آب منتقل می گردد. با کمک دستگاه کنترل فشار(46) آب این مدار(47) حتی در دماهای 200-300 درجه سانتیگراد به صورت مایع نگاه داشته می شود.
سپس آب این مدار وارد دستگاه مولد بخار(48) می شود تا آب مدار دوم را به بخار آب تبدیل کند. در این حالت از یک طرف آب مدار اول با کمک پمپ هایی، دوباره وارد دستگاه محفظه تحت فشار می شود، تا عمل قبلی خود را تکرار کند. و از طرف دیگر بخار آب مدار دوم هم وارد توربین ها می شود تا پره توربین ها را به حرکت در آورد، سپس از چرخش محور توربین(49) در یک میدان مغناطیسی، در محور توربین برق تولید می شود. به عبارت دیگر انرژی مکانیکی، به انرژی الکتریکی تبدیل می گردد. آب مدار دوم نیز وارد دستگاه چگالنده(50) شده و با کمک آب رودخانه یا دریا خنک شده و سپس توسط پمپ هایی به دستگاه مولد بخار برگردانده می شود. آب دریا یا رودخانه نیز که مدار سوم را تشکیل می دهد پس از خنک کردن آب مدار دوم به جای اول خود باز گردانیده می شود.
برای کنترل تعداد و سرعت نوترون های شکافنده هسته های سوخت،(51) از کند کننده هایی چون آب سبک، آب سنگین و گرافیت استفاده می شود. در نتیجه، نیروگاه های هسته ای با توجه به نوع کند کننده، نوع خنک کننده مدار اول (گاز یا آب سبک یا آب سنگین یا فلز مذاب) و نوع سوختشان، به سه دسته کلی تقسیم می شوند:
1ـ رآکتورهای آب سبک (LWR)
2ـ رآکتورهای گازی (GCR)
3ـ رآکتورهای آب سنگین (HWR)
در حال حاضر در دنیا دو نوع رآکتور آب سبک وجود دارد.
1ـ رآکتورهای با آب تحت فشار (RWR) که در بالا شرح داده شد.
2ـ رآکتورهای با آب جوشان (BWR) که در این نوع نیروگاه ها آب مدار اول تحت فشار زیاد نبوده و در همان مدار به صورت بخار در می آید.
در ساده ترین فرایند گداز یا گداخت، چهار هسته هیدروژن معمولی یا سبک در هم ادغام می شوند و یک هسته هلیوم با مقدار زیادی انرژی تولید می کنند. در این واکنش هفت هزارم از جرم، مطابق رابطه آینشتاین، به انرژی تبدیل می شود. اما در گداخت دوتریوم
با دوتریوم، یا دوتریوم با تریتیوم
، یا دوتریوم با هلیوم 3 انرژی های بیشتری آزاد می شود.یعنی:
رآکتوری که به وسیله گداز هسته ای، انرژی مفید تولید می کند، برای شروع به مقداری انرژی اولیه نیاز دارد تا شرایط مناسب برای انجام واکنش های گرما ـ هسته ای با آهنگی قابل ملاحظه در آنها ایجاد گردد. در این دماهای زیاد (حدود 000/000/100 درجه کلوین) هیدروژن به پلاسما تبدیل می شود. یعنی به ترکیبی از هسته ها و الکترون های آزاد. با کمک میدان های قوی مغناطیسی پلاسما را محصور و کنترل می کنند. در این حالت است که هسته های دوتریوم و تریتیوم به راحتی به یکدیگر نزدیک می شوند و گداخته می گردند. در فرایند گداز، تریتیوم، یک پروتون از دوتریوم می رباید و به هلیوم تبدیل می شود، و نوترون گسیل می گردد. در ضمن مقدار زیادی انرژی (6/17 میلیون الکترون ولت) به ازای هر واکنش آزاد می شود، که بیشتر این انرژی را نوترون ها حمل می کنند. در واکنشگر گدازی این انرژی جنبشی باید به گرما تبدیل شود. تا با ایجاد بخار، توربین مولد الکتریسیته را به کار اندازد.
یکی از روش های تبدیل انرژی نوترون ها به گرما آن است که رآکتور گداختی را با پوششی بپوشانیم، تا نوترون ها را کند و سپس جذب نماید، و خود نیز در ضمن این فرایند گرم شود. ماده این پوشش از لیتیوم است. این فلز علاوه بر تولید گرما، در واکنش با نوترون ها موجب زایش تریتیوم بیشتری می شود که به کار سوخت اصلی می آید.
بدین ترتیب لیتیوم که تا 1100 درجه سانتیگراد گرم شده، گرمایش توسط سیکل پتاسیم مایع به اولین توربین برده می شود تا در آنجا الکتریسیته تولید گردد.
مسئله محصور کردن پلاسما (برای مثال از طریق محصور کردن مغناطیسی)(53) یکی از مشکلات تکنیکی این نوع رآکتورهاست. ساخت و بهره برداری از این نوع رآکتورها از نظر تکنیکی و اقتصادی هنوز مورد رضایت نیست. و در حال حاضر دانشمندان جهان مشغول بررسی و تحقیق بر روی این زمینه اند.
پ ـ مدل قطره ای ـ لایه ای هسته
پس از عرضه مدل های قطره ای و لایه ای در مورد ساختمان هسته اتم، در هر دو مدل نارسایی های چندی دیده می شد. «مدل لایه ای، نمودها و ویژگی هسته آرام و معمولی را روشن می ساخت. مدل قطره ای بازگو کننده مشخصات هسته تحریک شده ای بود که ذرات وابسته به آن در جوش و خروشند. و امکان متلاشی شدن، آن را تهدید می کند.»(54)یکی از ضعف های مدل قطره ای این است که چگالی بار الکتریک در هسته اتم عناصر مختلف نمی تواند یکسان و ثابت باشد (مانند همه قطرات مایع). چگالی بار الکتریک فقط به تعداد پروتون های موجود در هسته بستگی دارد. برای مثال، هسته اتم هیدروژن که فقط از یک پروتون تشکیل شده و نوترون ندارد، باید دارای زیادترین چگالی بار الکتریک باشد. در هسته هایی که تعداد نوترون ها و پروتون ها با یکدیگر برابرند، چگالی بار باید نصف چگالی بار الکتریک در هسته اتم هیدروژن باشد، و سرانجام در سنگین ترین هسته ها، که تعداد پروتون ها 39% کل ذرات هسته را تشکیل می دهد، چگالی بار باید کمترین مقدار را داشته باشد. اما یک چنین کاهش تدریجی بار الکتریک، با ساختمان منفصل و محدود ماده، که حجم معین و مشخصی را اشغال کرده باشد، تطبیق نمی کند. «به علاوه نمی توان یقین داشت که سطح خارجی هسته، همان قدر مشخص و معین باشد که برای قطره مایع مشخص است. زیرا قبول این فرض ایجاب می کند که بار الکتریک که به طور یکسان در داخل هسته توزیع شده و دارای مقدار ثابت و معینی است، به ناگهان در سطحی که هسته را محدود کرده است صفر شود.
تئوری کوانتیک جدید نشان می دهد که بار الکتریک در هسته، ناگهان در یک سطح معینی صفر نمی شود، بلکه در قشر نازکی به تدریج شروع به کاهش می کند و کم کم به صفر نزدیک می شود.»(55)
سرانجام در سال 1972 مدل واحدی از ترکیب مدل های قطره ای و لایه ای، به وسیله فیزیکدان دانمارکی اوج بور(56) فرزند نیلز بور، بنیان نهاده شد و مدل تعمیم یافته نام گرفت.
تئوری تعمیم یافته بر این اساس است که اگر تعداد پروتون ها و نوترون های موجود در هسته برابر اعداد ماژیک و یا نزدیک به آنها باشد، خواص لایه ای ظاهر می شود. در غیر این صورت به ویژه اگر در لایه تکمیل نشده به اندازه
تعداد ذرات لایه تکمیل شده قبلی، ذره موجود باشد، خواص قطره ای آشکار می گردد.به نظر می رسد که ذرات واقع در خارج لایه های تکمیل شده، عامل تمام بی نظمی ها و اغتشاشات هسته ای می باشند. برعکس، ذراتی که در لایه های تکمیل شده قرار دارند، آرام ترند و به طور مستقیم در فعالیت های هسته شرکت نمی کنند.
میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی و بسیاری دیگر از نمودهای هسته که براساس مدل تعمیم یافته محاسبه شده اند، با تجربه موافق هستند. ولی به هر حال مشکل اصلی این مدل و دیگر مدل های هسته ای، عدم شناسایی نیروهای هسته ای است. این نیروها فوق العاده قوی بوده و با بار الکتریکی ارتباط ندارند. نیروهای یاد شده در فواصل بسیار نزدیک اعمال می گردند و مانند تمام نیروهای داد و ستدی به جهت اسپین ذرات وابسته اند.
اطلاعات بیشتر، در مورد نیروهای هسته وقتی حاصل می شود که فیزیکدان ها به درون خود ذرات هسته ای نیز راه یابند. و ساختمان آنها را بررسی نمایند. دانش فیزیک، این برنامه را تازه آغاز کرده است.
پی نوشت ها :
1ـ Nucleus
2ـ Nucleon
3ـ مقدمه ای بر مهندسی هسته ای، جان، آر، لامارش، ترجمه علی پذیرنده، انتشارات دانشگاه تهران، صفحه 23
4ـ مقدمه ای بر مهندسی هسته ای، جان، آر، لامارش، صفحه های 23 و 24
5ـ Binding Energy
6ـ مقدمه ای بر مهندسی هسته ای، جان، آر، لامارش، صفحه های 34 و 35
7ـ Fission
8ـ Fusion
9ـ Thermo-Nuclear
10ـ گداخت، چشمه انرژی فردا، اثر مسعود نراقی، انتشارات سازمان انرژی اتمی ایران، صفحه 10
11ـ Magic
12ـ Maria Goeppert-Mayer
13ـ J.Hans D.Jensen
14ـ Gamov
15ـ John Wheeler
16ـ مقدمه ای بر مهندسی هسته ای، جان، آر، لامارش، ترجمه علی پذیرنده، انتشارات دانشگاه تهران، صفحه 13
17ـ الفبای مکانیک کوانتا، اثر ویتالی رایدنیک، ترجمه مجتبی جعفرپور، انتشارات گوتنبرگ، صفحه 183
18ـ Otto Hahn
19ـ Lise Meitner
20ـ مجله دانشمند، ویژه نامه فیزیک، خرداد 65، صفحه 120
21ـ Moderation
22ـ Moderator
23ـ سرگذشت فیزیک، اثر جورج گاموف، ترجمه رضا اقصی، انتشارات سکه، صفحه 259
24ـ E.Amaldi
25ـ E.Segre
26ـ Rasetti
27ـ Fritz Strasman
28ـ Fritz Kalkar
29ـ Otto Frich
30ـ Leo Szilard
31ـ Eugen Wigner
32ـ James Franck
33ـ Walter Zinn
34ـ Albert Wattenberg
35ـ Herbert Anderson
36ـ John Marshall
37ـ E.Teller
38ـ John Wheeler
39ـ Leona M.Libby
40ـ Atomic Pile
41ـ Robert Oppenheimer
42ـ Igor Vasilievich Kurchatov
43ـ Nuclear Power Plant
44ـ Pressuer Vessel
45ـ Neutron Sources
46ـ Pressurizer
47ـ Loop
48ـ Steam Generator
49ـ Shaft
50ـ Condensor
51ـ Fuel
52ـ Hans Albrecht Bethe
53ـ Magnetic Confinement
54ـ الفبای مکانیک کوانتا، ویتالی رایدنیک، صفحه 191
55ـ اتم و انرژی اتمی (جلد دوم)، اثر کاظم عضوامینیان، انتشارات جانزاده، صفحه 129
56ـ Oge Bohr
ارزنده نیا، محمد، (1387) اتم و الفبای کتاب طبیعت، تهران: اطلاعات، کتابهای سپیده، چاپ سوم
