زمانی که اطلاعات انسان در مورد دنیای ریز داخل اتم گسترش یافت و توانست انرژی هسته‌‌ای را بشناسد ، تحولی عمیق در زندگی او به وجود آمد. با وجود این منبع عظیم انرژی ، دیگر نگرانی در مورد تمام شدن ذخائر تجدید ناپذیر انرژی مانند نفت ، گاز طبیعی و زغال اندکی کمتر شد. تمام توجه‌ها به سمت گسترش فناوری لازم برای استفاده از انرژی هسته‌ای جلب شد. و به این ترتیب عصر جدیدی به نام عصر اتمی در زندگی بشر آغاز گردید.

تاریخچه

دقیقا در آخرین ثانیه شمارش معکوس ، در ساعت 5:30 دقیقه بامداد روز شنبه ، 16 ژوئیه سال 1945 ، انرژی از هسته اتم آزاد شد. تاریخ آغاز هیچ عصر جدیدی چنین دقیق به ثبت نرسیده است. آن انفجار بزرگ ، در پایگاه هوایی آلاموگوردو ، در 120 مایلی جنوب آلبوکوک ، نیومکزیکو ، سرآغازی تاریخی بود که از آن پس باید آغاز آینده بشریت تعیین می‌شد.

حیات بر روی زمین ، ناگهان و به نحوی غیر قابل برگشت تغییر یافته بود. آدمی به منبع انرژی جدید ، و به همراه آن به قدرتی دست یافته بود که تکامل انواع خود را بر روی کره زمین مخاطره آمیز کرده و سیاره زیبای خود را به باغ وحشی پرتوزا تبدیل می‌کرد.

آغاز عصر اتمی

در لحظه نخستین انفجار اتمی ، نور ملتهب سفید و شدیدی به وجود آمد. رابرت اوپنهایمر ، فیزیکدان آمریکایی و مغز متفکر در ساختن آن بمب ، 6/6 کیلومتر آن طرف‌تر ، در حالی که خود را به میله محکمی چسبانده بود ، منتظر شوک حاصل از انفجار بود. بعد از انفجار ، بلافاصله گوی آتشینی برخاست. و در پی آن ابری قارچی شکل ایجاد شد که تا ارتفاع 8/14 کیلومتر بلند شد و به داخل آرام سپهر راه یافت. برج فولادی که بمب بر روی آن نصب شده بود ، کاملا به بخار تبدیل شد و سطح بیابان پیرامون آن تا شعاع حدود 730 متری گداخته شده و به حالت شیشه‌ای درآمده بود.

این انفجار آزمونی محرمانه بود. اما در ششم اوت همان سال 1945 ، وقتی یک بمب اتمی معادل 20000 تن ماده انفجاری تی.ان.تی نیرومندترین ماده انفجاری شیمیایی ، بر شهر هیروشیمای ژاپن انداخته شد. خبرش نیز مانند خودش در سطح جهان پخش شد. انفجار این بمب بیشتر از 10 کیلومتر مربع از مرکز شهر را ویران کرد. تعداد بسیار زیادی از مردم این شهر کشته شدند وبیش از 67 درصد ساختمانهای شهر نابود شده یا به شدت آسیب دید.

در نهم اوت همان سال ، بمب دوم بر شهر ناگازاکی فرود آمد ، که در این بمباران نیز انسانهای بسیاری نابود شدند و حدود 40 درصد از ساختمانهای شهر در هم ریخت. بر این ویرانیها و کشتارها ، مصیبت دیگری ، یعنی تابش هم اضافه می‌شد. که نه تنها بر آنان که در معرض آن قرار می‌گرفتند تاثیر می‌گذاشت ، بلکه از طریق جهشهایی ژنتیکی می‌توانست نسلهای آینده را نیز متاثر کند. و به این ترتیب عصر اتمی آغاز شد.

نتایج ویرانگر عصر اتم

عصر اتم بدون هیچ گونه آمادگی و اخطاری شروع شد. زیرا طرح مانهاتان ، که متولی تولید بمب اتمی بود ، در پس دیوارهای سر به فلک کشیده اختفا و بازداری نظامی به مورد اجرا درآمده بود. مطالعات انجام شده توسط سازمان بهداشت جهانی ، وابسته به سازمان ملل ، نشان داد که نه تنها در کشورهای پیشرفته ، بلکه در میان مردم ساده تر سراسر جهان ، این ماجرا آثار عمیقی برجای گذاشته بود. یکی از وحشتناک‌ترین جنبه‌های بمب اتمی در میان مردم جهان ، آثار وخیم ناشی از تابش آن بود. آثاری که نامرئی ، بدون تاثیر بر چشایی ، نامحسوس ، بدون بو ، اما بسیار وسیع و گسترده بود.

سیر تحولی و رشد

بعد از جنگ جهانی دوم ، ایالات متحده آمریکا به آزمایشهای خود در مورد سلاحهای شکافت هسته‌ای در جزایر اقیانوس آرام و صحرای نوادا ادامه داد. انگلستان ، شوروی سابق ، فرانسه ، چین و هندوستان اقدام به تولید و آزمایش بمبهای هسته‌ای کردند. در اوایل سال 1950 ، مردم از وجود نوع دیگری بمب ، که به بمب هیدروژنی معروف شد ، باخبر گردیدند. بمب هیدروژنی با قدرتی معادل 5 تا 7 میلیون تن تی.ان.تی را در اقیانوس آرام آزمایش کرد. این انفجار جزیره‌ای را محو و به جای آن حفره‌ای به عمق 45 متر و قطری بیشتر از 105 کیلومتر ایجاد کرد.

در اول مارس 1952 ، ایالات متحده آمریکا یک بمب هیدروژنی با قدرت 12 تا 14 میلیون تن ، یعنی دو برابر نیروی انفجاری قبلی آزمایش کرد. علی رغم تصور‌هایی رسمی مبنی بر اینکه غبارهای رادیواکتیو (پس مانده‌های رادیواکتیو ناشی از بمب) منحصر به منطقه انفجار خواهد بود. خاکستر رادیو اکتیو یک قایق ماهیگیر ژاپنی را در فاصله حدود 96 کیلومتری مرکز انفجار ، پوشانید. 32 ماهیگیر تحت تاثیر این غبارها قرار گرفتند و یکی از آنها در گذشت.

اتحاد شوروی سابق در 12 اوت سال 1953 ، یک بمب هیدروژنی آزمایش کرد. انگلستان نخستین بمب خود را در جزیره کریسمس واقع در اقیانوس آرام در 17 می سال 1957 به مرحله آزمایش درآورد. به این ترتیب تولید و تکثیر سلاحهای ویرانگر اتمی به صورت مسابقه‌وار توسط کشورهای قدرتمند دنیا ادامه پیدا کرد. به طوری که در حال حاضر این کشورها از عظیم‌ترین ذراتخانه‌های اتمی بر خوردار هستند. جالب توجه است که خود این کشورها همواره بر منع تولید و تکثیر این سلاحهای مرگبار اصرار داشته و قوانین بسیار زیادی را در این زمینه وضع کرده‌اند. قوانینی که خود ، اولین نقض کنندگان این قوانین بودند.

مشخصه کودکانی که در عصر اتم به دنیا آمده‌اند

گاز کریپتون رادیو اکتیو حاصل از انفجار بمب هیدروژنی ، به استرانسیم رادیو اکتیو واپاشیده و وارد جو زمین می‌شود و از طریق جریانهای اقلیمی هوا در تمام نقاط جو زمین پخش می‌شود تا همراه باران در سراسر دنیا فرود آید. استرانسیم شبیه کلسیم است. در غیاب کلسیم می‌تواند نقش آن را بر عهده بگیرد. این عنصر می‌تواند به تشکیل استخوان کمک کند. بنابراین ، نوع رادیو اکتیو آن یک جوینده استخوان است ، وقتی به بدن موجود زنده وارد شود ، قابل شستشو و یا انتقال به بیرون نیست.

نیم عمر فعال آن 97 سال است. بنابراین در اثر آزمایش بمب هسته‌ای و سایر آزمایشها ، استرانسیم رادیو اکتیو به همه جا پخش شد و از طریق شیر و گیاهان آلوده به غبار رادیو اکتیو می‌تواند به بدن موجودات زنده و انسان وارد نشود. این ماجرا چنان جهانی بود که گفته شده است، هر کودکی که در خلال سالهای بعد از آزمایشهای مکرر بمب هسته‌ای در جو ، استخوانهایش در حال شکل گیری و نشو و نما بوده است، در این استخوانها نشانی از استرانسیم رادیو اکتیو مانده است. که هر چند لزوما جنبه معاینه بالینی ندارد ، اما مشخصه کودکان عصر اتم است.

 عناصر رادیواکتیو معمولا سه نوع ذره یا اشعه از خود صادر می‌کنند که شامل ذره آلفا ، ذره بتا و اشعه گاما است. با قرار دادن اشعه رادیواکتیو تحت تاثیر میدان مغناطیسی متوجه شده‌اند که ذره آلفا دارای بار مثبت ، بتا دارای بار منفی و اشعه گاما بدون بار است.

خواص ذره آلفا

جنس ذره آلفا ، هسته اتم هلیوم است که از دو نوترون و دو پروتون تشکیل یافته است. جرم آن حدود 4 برابر جرم پروتون و بار الکتریکی آن 2+ و علامت اختصاری آن (4,2)He است. برد ذره آلفا به عنصر مادر ، انرژی اولیه و جنس محیط بستگی دارد. مثلا برد ذره آلفا صادره از رادیوم در هوا تقریبا 4.8 سانتیمتر می‌باشد. ذره آلفا به علت داشتن 2 بار مثبت هنگامی که از نزدیکی یک اتم عبور می کند، ممکن است تحت تاثیر میدان الکتروستاتیکی خود ، الکترون مدار خارجی آن اتم را خارج سازد و یا به عبارت دیگر اتم را یونیزه کند. همچنین ذره آلفا قادر است محل الکترون را تغییر دهد، یعنی الکترون تحت تاثیر میدان الکتریکی ذره آلفا از مدار پایین تری به مدار بالاتر صعود می‌کند و در نتیجه اتم به حالت برانگیخته در می‌آید. قابلیت نفوذ ذره آلفا بسیار کم است.

خواص ذره بتا

جنس ذره بتای منفی ، از جنس الکترون می‌باشد، بار الکتریکی آن 1- و علامت آن بتای منفی است. برد ذره بتا در هوا در حدود چند سانتیمتر تا حدود یک متر است. البته برد این ذره نیز به انرژی اولیه (عنصر مادر) و جنس محیط بستگی دارد. برخلاف ذره آلفا ، ذره بتا از نظر حفاظت یک خطر خارجی محسوب می‌شود. خاصیت یون سازی این ذره به مراتب کمتر از ذره آلفا است، یعنی بطور متوسط در حدود 100 مرتبه کمتر از ذره آلفا می‌باشد. ذره بتا می‌تواند در اتمها ایجاد برانگیختگی کند، ولی این خاصیت نیز در ذره بتا، به مراتب کمتر از ذره آلفا است. قدرت نفوذ ذره بتا بطور متوسط 100 برابر بیشتر از ذره آلفا است. طیف ذره بتا تک انرژی نیست، بلکه یک طیف پیوسته است که تمام مقادیر انرژی از 0 تا انرژی ماکزیمم را دارا می‌باشد. این ذره همان پوزتیرون است که ضد ماده الکترون می‌باشد. جرم آن با جرم الکترون برابر بوده و دارای باری مخالف با بار الکترون است و علامت اختصاری آن حرف بتای مثبت است.

خواص اشعه گاما

جنس اشعه گاما از جنس امواج الکترومغناطیسی می‌باشد، یعنی از جنس نور است. ولی با طول موج بسیار کوتاه که طول موج آن از 1 تا 0.01 آنگستروم تغییر می‌کند. جرم آن در مقیاس اتمی صفر ، سرعت آن برابر سرعت نور ، بار الکتریکی آن صفر و علامت اختصاری آن حرف گاما می‌باشد. انرژی اشعه گاما از 10 کیلو الکترون ولت تا 10 مگا الکترون ولت تغییر می‌کند. برد آنها بسیار زیاد است. مثلا در هوا چندین متر است. خاصیت ایجاد یونیزاسیون و برانگیختگی در اشعه گاما نیز وجود دارد. ولی به مراتب کمتر از ذرات آلفا و بتا است. مثلا اگر قدرت یونیزاسیون متوسط اشعه گاما را یک فرض کنیم، قدرت یونیزاسیون متوسط ذره بتا 100 و ذره آلفا 104 خواهد بود. قدرت نفوذ این اشعه به مراتب بیشتر از ذرات بتا و آلفا است. طیف انرژی اشعه گاما ، همانند ذرات آلفا تک انرژی است. یعنی تمام فوتونهای گامای حاصل از یک عنصر رادیواکتیو دارای انرژی یکسانی هستند.

 آشکارساز تناسبی نوعی آشکارساز گازی با دو الکترود ، یکی استوانه و یکی سیمی‌ در راستای محور استوانه است. وقتی آشکارساز در ناحیه‌ای (ازلحاظ ولتاژ بین الکترودها) کار کند که در آن شماره یونهای ایجاد شده ، متناسب با انرژی اشعه باشد. در این صورت آشکارساز تناسبی نام دارد. ولتاژ اعمال شده در این آشکارساز بیشتر از ولتاژ اعمال شده در اتاقک یونیزاسیون می‌‌باشد که ولتاژ اعمال شده بین دو الکترود به اندازه‌ای بزرگ است که الکترون یونش یافته یک اتم انرژی کافی درحرکت به سوی الکترود آند بدست می‌‌آورد و انرژی الکترون به اندازه‌ای است که موجب یونش اتمهایی در مسیر خود می‌شود.

مشخصات و طرز کار آشکارساز تناسبی

آشکارساز تناسبی از یک الکترود سیلندری و یک رشته سیم مرکزی که معمولا از تنگستن می‌باشد، ساخته می‌شوند. به دلیل وضع هندسی دستگاه میدان الکتریکی در فاصله x از سیم برابر است با (E=V/xLn(b/a که درآن V ولتاژ وصل شده بین الکترودها و a و b به ترتیب شعاعهای سیم و الکترود خارجی می‌‌باشند. میدان الکتریکی در نزدیک رشته سیم خیلی بزرگتر است و با فاصله از سیم نسبت عکس دارد. بنابراین بیشترین تکثیر در نزدیکی سیم مرکزی انجام می‌‌پذیرد. حدود نصف از زوجهای یون در فاصله‌ای برابر با متوسط طول آزاد و 99% زوجهای یون در هفت برابر متوسط طول آزاد از الکترود مرکزی تشکیل می‌گردند. زمان جمع آوری الکترون‌ها خیلی کوچک است. به هرحال چون الکترون‌ها خیلی نزدیک به الکترود مرکزی ایجاد می‌‌‌شوند، v? مربوط به جمع آوری الکترون در الکترود مرکزی خیلی کوچک می‌باشد.

بنابراین سهم بیشتر سقوط پتانسیل مربوط به یونهای مثبت است. وجود این که یونهای مثبت کندتر از الکترون‌ها هستند، پس از عبور مسافت کمی‌ از سیم مرکزی بیشترین سقوط پتانسیل را درفاصله زمانی کوتاه بوجود می‌‌آورند. درنتیجه ، پالس مربوط به رسیدن یک زوج یون ابتدا خیلی سریع و سپس به کندی صعود می‌نماید. گاهی اوقات وقتی محل تشکیل هر یک از یونها نسبت به الکترود مرکزی متفاوت باشد، زمان تشکیل پالس‌ها نامشخص خواهدبود. در چنین حالتی زمان لازم برای الکترون‌های مختلف در رسیدن به ناحیه تکثیر یکسان نخواهد بود. تقویت کننده‌های مرحله اول یونها را جمع آوری می‌کنند تا این نامعلومی‌ را کاهش دهند.

زمان تفکیک

در آشکارساز تناسبی ، یونیزاسیون محدود به ناحیه اطراف مسیر اشعه می‌باشد. فرض کنیم که تابش 1 در زمان t1 وارد شمارنده می‌شود و تابش مشابه 2 در یک ناحیه دیگر در زمان t2 وارد آشکارساز می‌شود. در الکترود جمع کننده سقوط پتانسیل خواهیم داشت. اگر تقویت کننده دستگاه آشکارساز بتواند این تغیییر ولتاژ را به عنوان دو علامت الکتریکی تشخیص دهد و اگر این کمترین زمان جدایی باشد که این تشخیص امکانپذیر می‌گردد، در این صورت t2-t1 زمان تفکیک (Resolving time) برای آشکارساز تناسبی است. بنابراین زمان تفکیک (T) تابع سیستم الکتریکی است.

اگر زمان تفکیک صفر باشد، تغییر تعداد شمارش برحسب تغییر تعداد تابش باید یک خط مستقیم باشد. به هرحال اگر زمان تفکیک بینهایت باشد، این منحنی در سیستم مختصات y-x به محور x متمایل شده و بالاخره آن را قطع خواهد نمود. یعنی وقتی تعداد تابشهایی که وارد آشکارساز می‌‌شوند افزایش یابد، تعداد شمارش ثبت شده ابتدا افزایش می‌یابد و بعد از رسیدن به یک ماکزیمم به طرف صفر میل می‌کند. در این میزان شمارش صفر ، ولتاژ الکترود جمع کننده ثابت می‌‌ماند. زیرا که میزان جمع آوری یونها برابر میزان نشت یونها خواهد بود.

آشکارساز تناسبی حساس نسبت به محل ورود اشعه

یکی از تفاوتهای اساسی بین آشکارساز تناسبی و آشکارساز گایگر مولر این است که در آشکارساز تناسبی ، یونیزاسیون محدود به ناحیه کوچکی در اطراف مسیر ذره تابشی است. در صورتی که در آشکارساز گایگر یونیزاسیون در تمام حجم آشکارساز انجام می‌شود. بنابراین در آشکارسازهای تناسبی ، امکان این که اطلاعاتی در مورد محل اشعه تابشی بدست آوریم، وجود دارد. در این نوع از آشکارسازها ، آند از یک سیم با مقاومت زیاد (معمولا رشته کوارتز با پوششی از کربن) تشکیل می‌شود. فرض کنیم ذره تابشی در وضعیت x یونهایی در مجاورت آند ایجاد می‌‌نماید. این یونها بوسیله آند جمع آوری شده و باعث جاری شدن جریان در دو جهت در طول آند خواهد شد. مقدار جریانی که از هر جهت جاری می‌شود تابع مقاومت در مسیر می‌باشد. به دلیل تفاوت جریان در دو انتهای آند پالس‌های ایجاد شده در دو انتهای آند در ارتفاع و زمان صعود متفاوت خواهند بود. تفاوت در زمان صعود ، به دلیل تفاوت در ثابت زمانی ، معمولا برای بدست آوردن اطلاعات درباره محل اشعه بکار می‌رود.

شمارش نوترون با آشکارساز تناسبی

علاوه بر اینکه می‌توان از آشکارساز تناسبی برای آشکارسازی ذرات آلفا و بتا استفاده نمود. این آشکارساز می‌تواند در آشکارسازی نوترونها نیز مورد استفاده قرار گیرند. یک آشکارساز واقعی نوترون معمولا گاز BF خالص و یا مخلوطی از BF3 و یکی از گازهای استاندارد آشکارسازهای گازی ، می‌باشد. وقتی که نوترون حرارتی بوسیله هسته جذب می‌شود، دو ذره یونیزه کننده قوی یکی ذره آلفا و دیگری هسته لیتیم که در جهت مخالف حرکت ذره آلفا حرکت می‌‌کند، رها می‌شوند. پالسهای ایجاد شده بوسیله محصولات واکنش هسته‌ای در مقایسه با پالس‌های بوجود آمده بسیله تابشهای نظیر اشعه گاما ، دارای ارتفاع نسبتا بزرگ است.

رابطه ارتفاع پالس با نوع ذره

نکته‌ای که وجود دارد رابطه ارتفاع پالس و نوع ذره است. ارتفاع پالس‌های ایجاد شده با ذرات یونیزه کننده سنگین مانند ذرات آلفا ، ممکن است بطور قابل ملاحظه‌ای از پالس‌های بوجود آمده بوسیله الکترون‌های با انرژی برابر ، متفاوت باشد. این اختلاف تابع نوع اشعه است که معمولا برای آشکارسازهای گازی ، کوچک می‌‌باشد. در مورد آشکارسازهای تناسبی و یونیزاسیون و آشکارساز نیم رسانا این حالت وجود دارد.

میونها که از برخورد پرتوهای کیهانی با جو زمین ایجاد می شوند در تشخیص مواد هسته ای به کار گرفته خواهند شد.

ذرات کوچکی که از برخورد پرتوهای کیهانی با جو زمین ایجاد شده و میون نام دارند، احتمالا از این پس در خدمت مبارزه با تروریسم و قاچاق مواد هسته ای قرار خواهند گرفت.

گروهی از فیزیکدانان در آزمایشگاه ملی لس آلاموس ( محلی که نخستین بمب اتمی در آن ساخته شد) اعلام کردند که می توانند با کمک میونها به بررسی مواردی بپردازند که مشکوک به قاچاق مواد هسته ای نظیر اورانیوم است. این بررسی همانند بررسی است که توسط اشعه ایکس انجام می شود. با بررسی میونی اشیا می توان درون آنها را به شکل کامل بررسی کرد.

پرتوهای کیهانی که از سوی خورشید و فراسوی کیهان به سوی ما گسیل می شوند همواره لایه های فوقانی جو زمین را بمباران می کنند و موجب به وجود آمدن ذرات جدیدی نظیر میونها می شوند. میونها ساختاری مشابه الکترونها دارند با این تفاوت که حدود 200 برابر ازآن سنگین تر است .این ذرات با سرعت معادل 99% سرعت نور به سمت سطح زمین حرکت می کنند و طول آنها تنها حدود یک میلیونیوم ثانیه است. با وجود این عمر کوتاه اکثر این میونها فرصت آن را می یابند که به سطح زمین برسند.چراکه بنابر نظریه نسبیت خاص زمان برای این ذرات آهسته تر اززمان در روی زمین می گذرد. بنابرابن از دید یک میون رسیدن آن تا سطح زمین تنها کسری از عمرش طول خواهد کشید. برای استفاده از این میونها در بررسی موارد مشکوک باید آنها را مهار کرد این مهار توسط دو سری آرایه از حسگرها انجام می شود که در دو سوی بالا و پایین مورد مشکوک (مثلا یک کامیون) قرار داده می شود. هنگامیکه میونها از منطقه هدف می گذرند یک ا لگوریتم کامپیوتری به بررسی میزان انحراف مسیر میونها هنگام عبور از شی مشکوک می پردازد. با کمک محاسبه این انحرافها امکان تهیه تصویری سه بعدی از جسم مورد نظر مهیا می شود. آزمایشها نشان می دهد که این روش می تواند یک بلوک یک لیتری اورانیوم را در بین یک کانتینرمخصوص انتقال بار در یک کشتی، آشکار کند. این روش برای اندازه های بزرگتر با دقت و شفافیت بیشتری عمل می کند.
این روش پیش از این نیز یکبار در سال 1349 به کار گرفته شده بود در آن سال لوییس آلوارز که یک فیزیکدان علاقمند به کاوشهای مصر باستان بود، با استفاده از این روش نقشه ای را از درون دومین هرم بزرگ دشت جیزه موسوم به هرم خفرا (khofre) تهیه کرد. فواید زیادی که این روش دارد دانشمندان را برآن داشته تا با رفع نقاط ضعف آن از آن به عنوان روشی در تشخیص ابزارهای مشکوک استفاده کنند. از آنجا که در ین روش از حسگرهای آشکار ساز میون استفاده می شود ، سرعت تهیه یک اسکن کاامل بستگی به میزان میونهای گذرنده از حسگرها دارد. اما میونها با آهنگی تقریبا یکنواخت از تمامی جهات آسمان به ما می رسند و بنابراین اسکن یک کامیون مشکوک حدود یک دقیقه به طول می انجامداز سوی دیگر مواد اولیه این روش (میونها) به صورت رایگان در تمام زمین در دسترس است.

قابل ذکر است این روش نخستین فناوری جدیدی است که در راستای پروژه افزایش ضریب امنیت ملی و مقابله با حملات تروریستی ایالات متحد به انجام رسیده است.

پیشرفت علم و فناوری ضمن دستاوردهای فراوان برای آسایش و رفاه بشر همواره مشکلات تازه ای را با خود به همراه آورده است. مثال ملموس در این مورد آلودگی های زیست محیطی ناشی از سوختهای فسیلی است.
اهمیت استفاده از این منابع به حدی است که حتی لحظه ای توقف در این کار روند زندگی در جهان مدرن را مختل خواهد کرد.