با ظهور مکانیک کوانتومی دیدگاه به جهان به شکل عمیقی تغییر کرد. مفاهیم فیزیک کلاسیک نظیر ذرات ، ذرات پرتابه‌ها ، سرعتها ، اسپین و انرژی دیگر رسا نبودند. انقلاب در مفاهیم فیزیک که بوسیله "فیزیک نوین" رخ داد (و در واقع در دهه 1920 گسترش یافته بود) چنان عمیق بود که هنوز ، جز برای فیزیکدانهای حرفه‌ای ، برای عامه مردم آنچنان قابل فهم نیست. بنابراین ، بسیار جالب خواهد بود که به نمایشنامه تئاتری "کپنهاک" نوشته میشل فراین اشاره کنیم که در تئاترهای مهم جهان نظیر لندن ، نیویورک و استکهلم به روی صحنه رفت.

این نمایشنامه به روش بسیار استادانه و مارهانه‌ای مقوله‌های ظریف و در هم آمیخته اخلاقی و سیاسی که منجر به ساختن بمب اتمی شد، همراه با سوالهای پیچیده مربوط به تفسیر مکانیک کوانتومی را مطرح می‌سازد. نمایشنامه حول ملاقات سری هایزنبرگ در آزمایشگاه بور در دانمارک که اشغال شده و در سپتامبر 1941 اتفاق افتاد متمرکز شده است و تنها سه نفری که روی صحنه ظاهر می‌شوند ورنر هایزنیرگ ، نیلس بور و مارگارت بور (همسر نیلس بور) هستند. در تلاش برای بازسازی رویدادهای دهه‌های بعد از ملاقات هایزنبرگ ، گفتگوها گاهی به جزئیات نشیبها و فرازها و رنجها و پیروزیهای مربوط به توسعه فیزیک نوین می‌پردازد.

استخراج اورانیوم از معدن

اورانیوم که ماده خام اصلی مورد نیاز برای تولید انرژی در برنامه های صلح آمیز یا نظامی هسته ای است، از طریق استخراج از معادن زیرزمینی یا سر باز بدست می آید. اگر چه این عنصر بطور طبیعی در سرتاسر جهان یافت میشود اما تنها حجم کوچکی از آن بصورت متراکم در معادن موجود است.

هنگامی که هسته اتم اورانیوم در یک واکنش زنجیره ای شکافته شود مقداری انرژی آزاد خواهد شد.

برای شکافت هسته اتم اورانیوم، یک نوترون به هسته آن شلیک میشود و در نتیجه این فرایند، اتم مذکور به دو اتم کوچکتر تجزیه شده و تعدادی نوترون جدید نیز آزاد میشود که هرکدام به نوبه خود میتوانند هسته های جدیدی را در یک فرایند زنجیره ای تجزیه کنند.

مجموع جرم اتمهای کوچکتری که از تجزیه اتم اورانیوم بدست می آید از کل جرم اولیه این اتم کمتر است و این بدان معناست که مقداری از جرم اولیه که ظاهرا ناپدید شده در واقع به انرژی تبدیل شده است، و این انرژی با استفاده از رابطه E=MC۲ یعنی رابطه جرم و انرژی که آلبرت اینشتین نخستین بار آنرا کشف کرد قابل محاسبه است.

اورانیوم به صورت دو ایزوتوپ مختلف در طبیعت یافت میشود. یعنی اورانیوم U۲۳۵ یا U۲۳۸ که هر دو دارای تعداد پروتون یکسانی بوده و تنها تفاوتشان در سه نوترون اضافه ای است که در هسته U۲۳۸ وجود دارد. اعداد ۲۳۵ و ۲۳۸ بیانگر مجموع تعداد پروتونها و نوترونها در هسته هر کدام از این دو ایزوتوپ است.

برای بدست آوردن بالاترین بازدهی در فرایند زنجیره ای شکافت هسته باید از اورانیوم ۲۳۵ استفاده کرد که هسته آن به سادگی شکافته میشود. هنگامی که این نوع اورانیوم به اتمهای کوچکتر تجزیه میشود علاوه بر آزاد شدن مقداری انرژی حرارتی دو یا سه نوترون جدید نیز رها میشود که در صورت برخورد با اتمهای جدید اورانیوم بازهم انرژی حرارتی بیشتر و نوترونهای جدید آزاد میشود.

اما بدلیل "نیمه عمر" کوتاه اورانیوم ۲۳۵ و فروپاشی سریع آن، این ایزوتوپ در طبیعت بسیار نادر است بطوری که از هر ۱۰۰۰ اتم اورانیوم موجود در طبیعت تنها هفت اتم از نوع U۲۳۵ بوده و مابقی از نوع سنگینتر U۲۳۸ است.

دانشمندان هسته ای برای دست یابی هرچه بیشتر به ایزوتوپ نادر U۲۳۵ که در تولید انرژی هسته ای نقشی کلیدی دارد، از روشی موسوم به غنی سازی استفاده می کنند. برای این کار، دانشمندان ابتدا کیک زرد را طی فرایندی شیمیائی به ماده جامدی به نام هگزافلوئورید اورانیوم تبدیل میکنند که بعد از حرارت داده شدن در دمای حدود ۶۴ درجه سانتیگراد به گاز تبدیل میشود.

	کیک زرد دارای خاصیت رادیو اکتیویته است و ۶۰ تا ۷۰ درصد آنرا اورانیوم تشکیل میدهد

هگزافلوئورید اورانیوم که در صنعت با نام ساده هگز شناخته میشود ماده شیمیائی خورنده ایست که باید آنرا با احتیاط نگهداری و جابجا کرد. به همین دلیل پمپها و لوله هائی که برای انتقال این گاز در تاسیسات فراوری اورانیوم بکار میروند باید از آلومینیوم و آلیاژهای نیکل ساخته شوند. همچنین به منظور پیشگیری از هرگونه واکنش شیمیایی برگشت ناپذیر باید این گاز را دور از معرض روغن و مواد چرب کننده دیگر نگهداری کرد.

غنی سازی

هدف از غنی سازی تولید اورانیومی است که دارای درصد بالایی از ایزوتوپ U۲۳۵ باشد.

اورانیوم مورد استفاده در راکتورهای اتمی باید به حدی غنی شود که حاوی ۲ تا ۳ درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد، در حالی که اورانیومی که در ساخت بمب اتمی بکار میرود حداقل باید حاوی ۹۰ درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد.

یکی از روشهای معمول غنی سازی استفاده از دستگاههای سانتریفوژ گاز است.

سانتریفوژ از اتاقکی سیلندری شکل تشکیل شده که با سرعت بسیار زیاد حول محور خود می چرخد. هنگامی که گاز هگزا فلوئورید اورانیوم به داخل این سیلندر دمیده شود نیروی گریز از مرکز ناشی از چرخش آن باعث میشود که مولکولهای سبکتری که حاوی اورانیوم ۲۳۵ است در مرکز سیلندر متمرکز شوند و مولکولهای سنگینتری که حاوی اورانیوم ۲۳۸ هستند در پایین سیلندر انباشته شوند.

اورانیوم ۲۳۵ غنی شده ای که از این طریق بدست می آید سپس به داخل سانتریفوژ دیگری دمیده میشود تا درجه خلوص آن باز هم بالاتر رود. این عمل بارها و بارها توسط سانتریفوژهای متعددی که بطور سری به یکدیگر متصل میشوند تکرار میشود تا جایی که اورانیوم ۲۳۵ با درصد خلوص مورد نیاز بدست آید.

آنچه که پس از جدا سازی اورانیوم ۲۳۵ باقی میماند به نام اورانیوم خالی یا فقیر شده شناخته میشود که اساسا از اورانیوم ۲۳۸ تشکیل یافته است. اورانیوم خالی فلز بسیار سنگینی است که اندکی خاصیت رادیو اکتیویته دارد و از آن برای ساخت گلوله های توپ ضد زره پوش و اجزای برخی جنگ افزار های دیگر از جمله منعکس کننده نوترونی در بمب اتمی استفاده میشود.

یک شیوه دیگر غنی سازی روشی موسوم به دیفیوژن یا روش انتشاری است.

دراین روش گاز هگزافلوئورید اورانیوم به داخل ستونهایی که جدار آنها از اجسام متخلخل تشکیل شده دمیده میشود. سوراخهای موجود در جسم متخلخل باید قدری از قطر مولکول هگزافلوئورید اورانیوم بزرگتر باشد.

در نتیجه این کار مولکولهای سبکتر حاوی اورانیوم ۲۳۵ با سرعت بیشتری در این ستونها منتشر شده و تفکیک میشوند. این روش غنی سازی نیز باید مانند روش سانتریفوژ بارها و باره تکرار شود.

راکتور هسته ای

اورانیوم غنی شده ، معمولا به صورت قرصهائی که سطح مقطعشان به اندازه یک سکه معمولی و ضخامتشان در حدود دو و نیم سانتیمتر است در راکتورها به مصرف میرسند. این قرصها روی هم قرار داده شده و میله هایی را تشکیل میدهند که به میله سوخت موسوم است. میله های سوخت سپس در بسته های چندتائی دسته بندی شده و تحت فشار و در محیطی عایقبندی شده نگهداری میشوند.

در بسیاری از نیروگاهها برای جلوگیری از گرم شدن بسته های سوخت در داخل راکتور، این بسته ها را داخل آب سرد فرو می برند. در نیروگاههای دیگر برای خنک نگه داشتن هسته راکتور ، یعنی جائی که فرایند شکافت هسته ای در آن رخ میدهد ، از فلز مایع (سدیم) یا گاز دی اکسید کربن استفاده می شود.

برای تولید انرژی گرمائی از طریق فرایند شکافت هسته ای ، اورانیومی که در هسته راکتور قرار داده میشود باید از جرم بحرانی بیشتر (فوق بحرانی) باشد. یعنی اورانیوم مورد استفاده باید به حدی غنی شده باشد که امکان آغاز یک واکنش زنجیره ای مداوم وجود داشته باشد.

برای تنظیم و کنترل فرایند شکافت هسته ای در یک راکتور از میله های کنترلی که معمولا از جنس کادمیوم است استفاده میشود. این میله ها با جذب نوترونهای آزاد در داخل راکتور از تسریع واکنشهای زنجیره ای جلوگیری میکند. زیرا با کاهش تعداد نوترونها ، تعداد واکنشهای زنجیره ای نیز کاهش میابد.

حدودا ۴۰۰ نیروگاه هسته ای در سرتاسر جهان فعال هستند که تقریبا ۱۷ درصد کل برق مصرفی در جهان را تامین میکنند. از جمله کاربردهای دیگر راکتورهای هسته ای، تولید نیروی محرکه لازم برای جابجایی ناوها و زیردریایی های اتمی است.

برای بازیافت اورانیوم از سوخت هسته ای مصرف شده در راکتور از عملیات شیمیایی موسوم به بازفراوری استفاده میشود. در این عملیات، ابتدا پوسته فلزی میله های سوخت مصرف شده را جدا میسازند و سپس آنها را در داخل اسید نیتریک داغ حل میکنند.

در نتیجه این عملیات، ۱% پلوتونیوم ، ۳% مواد زائد به شدت رادیو اکتیو و ۹۶% اورانیوم بدست می آید که دوباره میتوان آنرا در راکتور به مصرف رساند.

راکتورهای نظامی این کار را بطور بسیار موثرتری انجام میدهند. راکتور و تاسیسات باز فراوری مورد نیاز برای تولید پلوتونیوم را میتوان بطور پنهانی در داخل ساختمانهای معمولی جاسازی کرد. به همین دلیل، تولید پلوتونیوم به این طریق، برای هر کشوری که بخواهد بطور مخفیانه تسلیحات اتمی تولید کند گزینه جذابی خواهد بود.

کلاهک هسته ای شامل گوی پلوتونیومی است که اطراف آنرا پوسته ای موسوم به منعکس کننده نوترونی فرا گرفته است. این پوسته که معمولا از ترکیب بریلیوم و پلونیوم ساخته میشود، نوترونهای آزادی را که از فرایند شکافت هسته ای به بیرون میگریزند، به داخل این فرایند بازمی تاباند.

استفاده از منعکس کننده نوترونی عملا جرم بحرانی را کاهش میدهد و باعث میشود که برای ایجاد واکنش زنجیره ای مداوم به پلوتونیوم کمتری نیاز باشد.

برای کشور یا گروه تروریستی که بخواهد بمب اتمی بسازد، تولید پلوتونیوم با کمک راکتورهای هسته ای غیر نظامی از تهیه اورانیوم غنی شده آسانتر خواهد بود. کارشناسان معتقدند که دانش و فناوری لازم برای طراحی و ساخت یک بمب پلوتونیومی ابتدائی، از دانش و فنآوری که حمله کنندگان با گاز اعصاب به شبکه متروی توکیو در سال ۱۹۹۵ در اختیار داشتند پیشرفته تر نیست.

چنین بمب پلوتونیومی میتواند با قدرتی معادل ۱۰۰ تن تی ان تی منفجر شود، یعنی ۲۰ مرتبه قویتر از قدرتمندترین بمبگزاری تروریستی که تا کنون در جهان رخ داده است.

بمب اورانیومی

هدف طراحان بمبهای اتمی ایجاد یک جرم فوق بحرانی ( از اورانیوم یا پلوتونیوم) است که بتواند طی یک واکنش زنجیره ای مداوم و کنترل نشده، مقادیر متنابهی انرژی حرارتی آزاد کند.

یکی از ساده ترین شیوه های ساخت بمب اتمی استفاده از طرحی موسوم به "تفنگی" است که در آن گلوله کوچکی از اورانیوم که از جرم بحرانی کمتر بوده به سمت جرم بزرگتری از اورانیوم شلیک میشود بگونه ای که در اثر برخورد این دو قطعه، جرم کلی فوق بحرانی شده و باعث آغاز واکنش زنجیره ای و انفجار هسته ای میشود.

کل این فرایند در کسر کوچکی از ثانیه رخ میدهد.

جهت تولید سوخت مورد نیاز بمب اتمی، هگزا فلوئورید اورانیوم غنی شده را ابتدا به اکسید اورانیوم و سپس به شمش فلزی اورانیوم تبدیل میکنند. انجام این کار از طریق فرایندهای شیمیائی و مهندسی نسبتا ساده ای امکان پذیر است.

قدرت انفجار یک بمب اتمی معمولی حداکثر ۵۰ کیلو تن است، اما با کمک روش خاصی که متکی بر مهار خصوصیات جوش یا گداز هسته ای است میتوان قدرت بمب را افزایش داد.

در فرایند گداز هسته ای ، هسته های ایزوتوپهای هیدروژن به یکدیگر جوش خورده و هسته اتم هلیوم را ایجاد میکنند. این فرایند هنگامی رخ میدهد که هسته های اتمهای هیدروژن در معرض گرما و فشار شدید قرار بگیرند. انفجار بمب اتمی گرما و فشار شدید مورد نیاز برای آغاز این فرایند را فراهم میکند.

طی فرایند گداز هسته ای نوترونهای بیشتری رها میشوند که با تغذیه واکنش زنجیره ای، انفجار شدیدتری را بدنبال می آورند. اینگونه بمبهای اتمی تقویت شده به بمبهای هیدروژنی یا بمبهای اتمی حرارتی موسومند.

  برای اولین بار رادیواکتیویته زمین اندازه گیری شد. این اندازه گیری ها به زمین شناسان کمک خواهد کرد تا بفهمند واپاشی هسته ای به چه میزان عامل گرمای زیاد زمین است.

گرمای خروجی از زمین باعث میشود که آهن مذاب به قسمت های خارجی تر رانده شود و موجب افزایش میدان مغناطیسی زمین بشود. سوال اصلی این است که این حرارت دقیقا از کجا میآید. اندازه گیری های گرادیان حرارت از صخره های معادن به تخمینی در حدود 30 تا 44 تراوات گرمای تولیدی این سیاره منتهی شده است.

قسمتی از این گرما توسط عناصر رادیواکتیو تولید میشود. زمین شناسان با مطالعه سنگ های آسمانی قدیی مقدار اورانیوم و توریم (thorium) را تخمین زده و محاسبه کرده اند که 19 تراوات گرما از رادیواکتیویته بوجود میآید.

بیل مک دانو (Bill McDonough ) زمین شناس دانشگاه میریلند (Maryland ) میگوید: " تا کنون چیز دقیقی در مورد مقدار اورانیوم داخل این سیاره نمیدانیم. نامعلومات بنیادی هستند". یک راه برای کم کردن این نامعلومی ها وجود دارد و آن پیداکردن آنتی نوترینو ها (antineutrinos) است. این ذرات معادل ضد ماده ای ذرات بی بار و تقریبا بر جرم نوترینو هستند و وقتی اورانیوم یا توریم تبدیل به سرب میشوند بوجود میآیند. اگرکه آنتی نوترینو های زیادی از زمین در حال تولید هستند باید بشود آنها را آشکار سازی کرد چونکه تقریبا از همه مواد عبور میکنند.

اکنون در کامیوکای ژاپن (Kamioka, Japan) یک آشکارساز آنتی نوترینو به نام KamLAND توانسته این آنتی نوترینو ها را بشمارد. تیمی از دانشمندان بین المللی با آنالیز داده ها ی این آشکارساز فهمیدند که 16.2 میلیون آنتی نوترینو بر سانتیمترمربع بر زمان از هسته زمین بیرون میآید. آنها محاسبه کردند که فعالیت های هسته ای بوجود آورنده این ذرات میتوانند تا 60 تراوات گرما تولید کنند اما معمولا حدود 24 تراوات است. جان لیرند (John Learned) از دانشگاه هاوایی (Hawaii in Manoa) میگوید :" ما برای اولین بار اندازه گیری رادیو اکتیویته کل زمین را انجام داده ایم. "

با آشکارسازی آنتی نوترینو های بیشتر در طول زمان ، KamLAND قادر خواهد بود یکبار برای همیشه تعیین کند که آیا رادیواکتیویته مسئول اصلی گرمایش زمین است یا منابع دیگری مثل جامد شدن آهن و نیکل مایع در بیرون هسته .

آنتی نوترینو ها میتوانند ساختار ترکیبی پوسته و جبه زمین را مشخص کنند و از این طریق سرنخ هایی به دست زمین شناس دهند که چگونه و چه موقع تشکیل شده اند. اما برای انجام این کار ، آنها باید بفهمند که آنتی نوترینو ها دقیقا از کجا میآیند و خود این هم مجموعه ای از آشکارساز های را میطلبد.

جان لیرند میگوید " ما به سوی توموگرافی (tomography) کل زمین پیش میرویم و هنوز در اولین گام ها هستیم.

 یک سال بعد از ارائه نظریه نسبیت عام توسط آلبرت اینشتین ،سال 1916م فلام متوجه شد که ازحل شوارتزشیلد معادلات اینشتین میتوا ن جواب کرمچاله ای بدست آورد . این نوع کرمچاله ،«کرمچاله شوارتزشیلد » نامیده شد .

کرمچاله ها ساختارهای فضازمانی پل مانندی هستند که دو ناحیه مجزا از یک فضا زمان یا دوفضا زمان مجزا را به یکدیگر وصل می کنند . کرمچاله ها باعث کوتاه شدن مسافت و زمان لازم برای رسیدن از یک نقطه به نقطه دیگر می شوند .در دهه 1930م اینشتین و روزن با استفاده از غوطه ورکردن متریک شوارتزشیلد در فضای استوانه ای ، معادله غوطه وری یک کرمچاله گذر ناپذیر وغیر ایستا موسوم به « پل اینشتین - روزن » را بدست آوردند .

یکی از جنبه های جالب کرمچاله ها ، استفاده از آنها برای انجام سفر در فضازمان است . می دانیم که فاصله زمین تا نزدیک ترین ستاره غیر از خورشید ، حدود 4سال نوری می باشد . یعنی نور با سرعت 300 هزار کیلومتر بر ثانیه حدود 4 سال طول می کشد تا به این ستاره برسد . حال ما با تکنولوژی امروزه ممکن است بیش از یک میلیون و سیصد هزار سال طول زمان نیاز داشته باشیم تا به این ستاره برویم که برای انسان امر غیر ممکنی است . بنظر می رسدکه با فرض وجود کرمچاله ، می توان از یک طرف وارد آن شد و تقریبا بلافاصله پس از خروج از طرف دیگر ، در ناحیه ای دوردست از جهان سردرآورد . در این طرح امکان سردرآوردن از جهانی دیگر نیز وجود دارد .

بعضی افراد به اشتباه سیاهچاله ها را به عنوان ابزارهایی برای مسافرت های فضایی می شناسند . اما باید بدانیم که سیاهچاله ها دارای افق هستند و وقتی جسمی ، حتی نور ، وارد آنها شد ، علاوه بر نابودی ، امکان خروج برایش وجود ندارد . امم برخی از کرمچاله ها این امکان را به ما می دهند که بدون صدمه دیدن از آنها عبور کنیم .

در این مقاله ضمن آشنایی با این ساختارها ، امکان عبور از آنها را نیز بررسی می کنیم .

هندسه یک کرمچاله :

یک کرمچاله در صورت وجود ، خود بخشی از فضازمان چهار بعدی عالم می باشد . همانطور که می دانید اینشتین در سال 1905 م ثابت کرد که جهان تنها از سه بعد فضایی تشکیل نشده و زمان صرفآ یک پارامتر در حال تغییر نیست . بلکه زمان خود نیز به عنوان بعد چهارم عالم به حساب می آید . در این فضازمان چهار بعدی ، کرمچاله ها می توانند سوراخی به جهانی دیگر یا ناحیه ای دیگر از همین جهان باشند . پس باید در نظر داشته باشیم که این اجسام چهاربعدی هستند و ما تنها برای ساده سازی آنها را به صورت دو بعدی نشان می دهیم .

به عنوان مثالی ساده ، یک صفحه کاغذ تخت را در نظر بگیرید که از چهار طرف تا فواصل بسیار دور گسترده شده باشد . هر دو طرف صفحه که آنها را « رو » و « زیر » صفحه می نامیم ، بطور مستقل یک فضای دوبعدی راتشکیل می دهند که می توانیم آن را یک جهان دوبعدی فرض کنیم . ساکنان این جهانها خود موجودات دو بعدی هستند . واضح است که این دو جهان هیچ ارتباطی با هم ندارند و ساکنان آنها از وجود همدیگر بی خبرند .اکنون تصور کنید یک سوراخ دایره ای در این صفحه ایجاد شود . به این ترتیب دو جهان بطور پیوسته با هم ارتباط دارند . ما این حفره تونل مانند را یک کرمچاله می نامیم .

حال بیائید به جای یک سوراخ ، دو سوراخ درصفحه ایجاد کنیم . سپس لبه های این دو سوراخ را بکشیم تا به صورت دو لوله درآید وبا ادامه دادن این کار دو لوله را به هم وصل کنیم. این نیز یک کرمچاله است . با این تفاوت که بر خلاف حالت قبلی دو ناحیه از یک جهان را به هم وصل می کند . در حالتی که فضای ما خمیده باشد مسافرت از طریق این کرمچاله بسیار سریع تر امکان پذیر است . چون مسافت کوتاهتر است .

اگردر هر یک از دو ورق تخت موازی نیز یک سوراخ ایجادکنیم ، با کشیدن لبه های سوراخ و رساندن دو لوله ایجاد شده به هم می توانیم یک کرمچاله ایجاد کنیم که صفحه بالایی یکی از ورق ها را به صفحه پائینی ورق دیگر وصل کند

 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....

و 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 همجوشی (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.

در یک پاراگراف ساده میتوان گفت که هر چه هسته اتم سنگین تر شود تعداد ایزوتوپ ها بیشتر میشود و هر چه تعداد ایزوتوپ ها بیشتر شود امکان بوجود آمدن هسته های ناپایدار نیز بیشتر خواهد شد و در نتیجه احتمال وجود نوع رادیواکتیو نیز بیشتر میشود.

در طبیعت عناصر خاصی را میتوان یافت که همه ایزوتوپ هایشان رادیو اکتیو باشند.برای مثال دو عنصر سنگین طبیعت که در بمب ها ونیروگاههای هسته ای از آنها استفاده می شود را نام میبریم : اورانیوم و پلوتونیوم.

اورانیوم به طور طبیعی فلزی است سخت,سنگین,نقره ای و رادیواکتیو,با عدد اتمی 92.سالهای زیادی از آن به عنوان رنگ دهنده لعاب سفال یا تهیه رنگهای اولیه در عکاسی استفاده میشد و خاصیت رادیواکتیو آن تا سال 1866 ناشناخته ماند و قابلیت آن برای استفاده به عنوان منبع انرژی تا اواسط قرن بیستم مخفی بود.

خصوصیات فیزیکی اورانیوم

اورانیوم طبیعی (که بشکل اکسید اورانیوم است) شامل3/99% از ایزوتوپ اورانیوم 238 و7/0% اورانیوم 235است. که نوع 235 آن قابل شکافت است و مناسب برای بمب ها ونیروگاههای هسته ای است. این عنصر از نظر فراوانی در میان عناصر طبیعی پوسته در رده 48 قراردارد. از نظر تراکم و چگالی باید گفت 6/1 مرتبه متراکم تر از سرب است.وهمین تراکم باعث سنگین تر شدن آن می شود.برای مثال اگر یک گالن شیر وزنی حدود 4 کیلوگرم داشته باشد ,یک گالن اورانیوم 75 کیلوگرم وزن دارد!!!

انواع اورانیوم

اورانیوم با غنای پایین که میزان اورانیوم 235 آن کمتر از 25% ولی بیشتر از7/0% است که سوخت بیشتر راکتورهای تجاری بین 3 تا 5 درصد اورانیوم 235 است.

اورانیوم با غنای بالا که در اینجا بیشتر از 25% وحتی در مواردی آن را تا98% نیز غنی میکنند و مناسب برای کاربردهای نظامی وساخت بمب های هسته ای است.

و اما منظور از غنی سازی اورانیوم چیست؟

بطوربسیار خلاصه غنی سازی عبارت است از انجام عملی که بواسطه آن مقدار اورانیوم 235 بیشتر شود و مقدار اورانیوم 238 کمتر. که پس از جمع آوری اورانیوم 238 ,آن را زباله اتمی می نامند.

غنی سازی اورانیوم به روشهای مختلفی انجام می شود که چند مورد از آن را خدمت شما یادآور می شویم: 1-استفاده از اصل انتشار گازها 2-استفاده از روش فیلترینگ 3-استفاده از میدانهای مغناطیسی 4- استفاده از دستگاه سانتریفوژ که در حال حاضر روش چهارم متداولترین,باصرفه ترین و مطمئن ترین روش به شمار میآید.

در اواخر سال 1938 هان,مایتنر و اشتراسمن به اکتشافی دست یافتند که دنیا را تحت تاثیر قرار داد ,آنها متوجه شدند که میتوان کاری کرد که هسته های اورانیوم 235 شکسته شوند.

فرض کنید که نوترونی در اطراف یک هسته اورانیوم 235 آزادانه در حال حرکت است,این هسته تمایل زیادی دارد که نوترون کند را به درون خود بکشاند وآن راجذب کند.هسته اورانیوم پس از گیر اندازی این نوترون,دیگر هسته ای پایدار نیست وناگهان از هم شکافته می شود این هسته در طی فرآیند شکافت به دو یا چند هسته با جرم کوچکتر ,یعنی به صورت هسته های عناصر نزدیک به مرکز جدول تناوبی تجزیه می شود.به طور کلی در فرآیند شکافت اگر یک نوترون به هسته اصابت کند به طور میانگین 5/?نوترون در اثر شکافت آزاد می شود حال اگر ما تعداد نوترون های آزاد شده را 3 عدد فرض کنیم و مدت زمان لازم برای تحقق هر شکافت 01/0 ثانیه باشدمقدار اورانیوم مصرف شده در طی زمان یک ثانیه در حدود 10به توان 23 کیلوگرم خواهد بود !!! واضح است که واکنش زنجیره ای شکافت میتواند مقادیر قابل توجهی از اورانیوم را در مدت زمان ناچیزی به انرزی تبدیل کند.با توجه به توضیحات داده شده به وضوح مشخص است که ما نیازی به تولید مستمر نوترون نداریم بلکه با اصابت اولین نوترون به هسته وآزاد شدن نوترون های ناشی از فرآیند شکافت ما میتوانیم نوترون مورد نیاز خود را بدست آوریم که مسلما این تعداد نوترون بسیار بیشتر از نیاز ما خواهد بود. لازم به ذکر است که به حداقل مقدار اورانیومی که برای فرآیند شکافت لازم است جرم بحرانی یا مقدار بحرانی می گویند واز به هم پیوستن دو یا چند جرم بحرانی یک ابر جرم بحرانی حاصل می شود.

حال اگر بخواهیم واکنش زنجیره ای ادامه پیدا کند,حفظ یک اندازه بحرانی برای ماده اولیه اورانیوم ضرورت دارد .در صورتی که مقدار اورانیوم را خیلی کمتر از جرم بحرانی بگیریم ,بیشتر نوترون های تولیدی فرار خواهند کرد زیرا این فرار به عواملی چون : شکل فیزیکی اورانیوم و جرم آن وابسته است و در نتیجه واکنش متوقف می شود. از سوی دیگر اگر مقدار اورانیوم را فوق العاده زیاد بگیریم مثلا به اندازه یک ابر جرم بحرانی,تمام نوترون های تولیدی در واکنش های بعدی شرکت خواهند کرد وانرژی آزاد شده در یک فاصله زمانی کوتاه آنچنان زیاد خواهد شد که نتیجه ای جز انفجار نخواهد داشت!! بین این دو حالت یک خط فاصل وجود دارد:اگر بزرگی کره اورانیومی شکل را درست برابر اندازه بحرانی بگیریم آنگاه از هر شکافت فقط یک نوترون برای شرکت در شکافت بعدی باقی می ماند در این صورت واکنش با آهنگ ثابتی ادامه می یابد. از خاصیت حالت سوم برای توجیح عملکرد نیروگاههای هسته ای استفاده می کنند. حال اگر به اندازه کافی اورانیوم 235 در اختیار داشته باشیم به آسانی می توانیم یک بمب ساده بسازیم !!!!! به این شکل که دو نیم کره از اورانیوم 235 را که هر کدام به اندازه جرم بحرانی است در دو انتهای یک استوانه قرار میدهیم و این دو قطعه را بوسیله ساز وکاری که خود طراحی کرده ایم ناگهان به یکدیگر متصل می کنیم که در این حالت ابر جرم بحرانی تشکیل می شود,حال اگر توسط دستگاه نوترون ساز نوترونی به هسته نزدیک کنیم وقوع انفجار حتمی است!!

در عمل برای آنکه انفجاری بزرگ و موثر حاصل شود ریزه کاری های زیادی را باید رعایت کرد.

در هر حال برای توضیح عملکرد نیروگاههای هسته ای لازم به ذکر است راکتورهای هسته ای را چنان طراحی میکنند که در آنها واکنش شکافت در شرایطی نزدیک به حالت بحرانی تحقق یابد. قلب راکتور اساسا متشکل است از سوخت(در این مورد اورانیوم 235) که در استوانه های مخصوص در بسته ای جا سازی شده اند. این استوانه ها در ماده ای که کند کننده نامیده می شوند غوطه ورشده اند.کند کننده به منظور کند سازی و باز تاباندن نوترونهایی که در واکنش شکافت تولید میشوند مورد استفاده قرار میگیرد که متداول ترین آنها عبارتند از:آب,آب سنگین وکربن. که در اینجااگر در آب معمولی (H2O) به جای ایزوتوپ هیدروژن معمولی از ایزوتوپ هیدروژن دوتریم استفاده شود آب سنگین بدست می آید.

سرعت واکنش را نیز می توان به کمک چند میله کنترل کرد که این میله ها در قلب راکتور قرار می گیرند. این میله ها معمولا از ماده ای مانند کادمیوم که نوترون ها را بخوبی جذب میکند ساخته می شوند. برای آنکه آهنگ واکنش افزایش یابد میله ها را تا حدودی از قلب راکتور بیرون می آورند ,برای کاستن از سرعت واکنش و یا متوقف ساختن آن,میله ها را بیشتر در قلب راکتور فرو میبرند.در نهایت واکنش صورت گرفته در راکتور به صورت گرمای بسیار زیادی ظاهر می شود بنابراین طبیعی است که راکتور ها همانند یک کوره عمل کنند وسوختش به جای گاز,نفت ویا ذغال سنگ ,اورانیوم 235 باشد. گرمای تولید شده را به کمک جریان سیالی که از قلب راکتور میگذرد به محفظه مبادله کننده گرما که در آن آب وجود دارد منتقل میکنند و درآنجا آب داخل مبادله کننده را تبخیر میکنند ;بخار متراکم شده پس از به گردش درآوردن توربین ژنراتورهای مولد برق,مجددا به داخل محفظه مبادله کننده باز میگردد.البته سیال گرم شده چون از قلب راکتور می گذرد و درآنجا در معرض تابش پرتوهای رادیواکتیو قرار میگیرد مستلزم مراقبت های ویژه است.

و اما نکاتی جالب در مورد بمب های هسته ای

منطقه انفجار بمب های هسته ای به پنج قسمت تقسیم میشود:1- منطقه تبخیر 2- منطقه تخریب کلی 3- منطقه آسیب شدید گرمایی 4- منطقه آسیب شدید انفجاری 5- منطقه آسیب شدید باد وآتش . که در منطقه تبخیر درجه حرارتی معادل سیصد میلیون درجه سانتیگراد !!! بوجود می آید و اگر هر چیزی از فلز گرفته تا انسان وحیوان در این درجه حرارت قرار بگیر آتش نمیگیرد بلکه بخار می شود!!!!

اثرات زیانبار این انفجار حتی تا شعاع پنجاه کیلومتری وجود دارد و موج انفجار آن که حامل انرژی زیادی است می تواند میلیون ها دلار از تجهیزات الکترونیکی پیشرفته نظیر: ماهواره ها و یا سیستم های مخابراتی را به مشتی آهن پاره تبدیل کند و همه آنها را از کار بیندازد.

اینها همه اثرات ظاهری بمب های هسته ای بود پس از انفجار تا سال های طولانی تشعشعات زیانبار رادیواکتیو مانع ادامه حیات موجودات زنده در محل های نزدیک به انفجار می شود.

رادیو اکتیو از سه پرتو آلفا,بتا و گاما تشکیل شده است که نوع گامای آن از همه خطرناک تر است و با توجه به فرکانس بسیار بالا ,جرم و انرژی بالایی که دارد اگر به بدن انسان برخورد کند از ساختار سلولی آن عبور کرده و در مسیر حرکت خود باعث تخریب ماده دزوکسی ریبو نوکلوئیک اسید یا همان DNA و سرانجام زمینه را برای پیدایش انواع سرطان ها,سندرم ها ونقایص غیر قابل درمان دیگر فراهم می کند وحتی این نقایص به نسلهای آینده نیز منتقل خواهد شد.

و اما کاربرد تشعشعات رادیواکتیو چیست؟

بسیاری از محصولات تولیدی واکنش شکافت هسته ای شدیدا ناپایدارند و در نتیجه ,قلب راکتور محتوی مقادیر زیادی نوترون پر انرژی ,پرتوهای گاما,ذرات بتا وهمچنین ذرات دیگر است. هر جسمی که در راکتور گذاشته شود ,تحت بمباران این همه تابشهای متنوع قرار میگیرد. یکی از موارد استعمال تابش راکتور تولید پلوتونیوم 239 است .این ایزوتوپ که نیمه عمری در حدود24000سال دارد به مقدار کمی در زمین یافت می شود . پلوتونیوم 239 از لحاظ قابلیت شکافت خاصیتی مشابه اورانیوم دارد.برای تولید پلوتونیوم239,ابتدا اورانیوم 238 را در قلب راکتور قرار می دهند که در نتیجه واکنش هایی که صورت می گیرد ,اورانیوم239 بوجود می آید.اورانیوم 239 ایزوتوپی ناپایدار است که با نیمه عمری در حدود 24 دقیقه,از طریق گسیل ذره بتا ,به نپتونیوم 239 تبدیل می شود . نپتونیوم 239 نیز با نیمه عمر 2/4 روز و گسیل ذره بتا واپاشیده و به محصول نهایی یعنی پلوتونیوم 239 تبدیل می شود.در این حالت پلوتونیوم239 همچنان با مقادیری اورانیوم 238 آمیخته است اما این آمیزه چون از دو عنصر مختلف تشکیل شده است ,بروش شیمیایی قابل جدا سازی است.امروزه با استفاده از تابش راکتور صدها ایزوتوپ مفید میتوان تولید کردکه بسیاری از این ایزوتوپ های مصنوعی را در پزشکی بکار میبریم. در پایان باید بگوئیم اثرات زیانبار انفجار های اتمی و تشعشعات ناشی از آن باعث آلودگی آبهای زیر زمینی ,زمین های کشاورزی و حتی محصولات کشاورزی می شود ولی با همه این مضرات اورانیوم عنصری است ارزشمند;زیرا در کنار همه سواستفاده ها می توان از آن به نحوی احسن و مطابق با معیارهای بشر دوستانه استفاده نمود. فراموش نکنید از اورانیوم و پلوتونیوم می توان استفاده های صلح آمیز نیز داشت چرا که از انرژی یک کیلوگرم اورانیوم 235 می توان چهل هزار کیلو وات ساعت ! الکتریسیته تولید کرد که معادل مصرف ده تن ذغال سنگ یا 50000گالن نفت است!!!!!!!!