در مدرسه با سه شکل ماده آشنا میشویم: گاز، مایع و جامد. ولی این‌ها نیمی از حالات ماده اند. شش شکل ماده وجود دارد: جامد، مایع، گاز، پلاسما، ماده چگال باس-اینشتین و حالت تازه کشف‌شده: ماده چگال فرمیونی. تمام دانش‌آموزان راهنمایی خصوصیات حالات معمول ماده روی زمین را می‌شناسند. مواد جامد در برابر تغییر شکل مقاومت می‌کنند، آنها سفت و گاهی شکننده اند. مایع‌ها جاری می‌شوند و به سختی متراکم می‌گردند و شکل ظرف خود را می‌گیرند.

گاز‌ها کم چگال‌تر اند و ساده‌تر متراکم می‌شوند و نه‌تنها شکل ظرف محتویشان را می‌گیرند، بلکه آن‌قدر منبسط می‌شوند تا کاملا آن را پر کنند.

حالت چهارم ماده، پلاسما، شبیه گاز است و از اتم‌هایی تشکیل شده‌است که تمام یا تعدادی از الکترون‌های خود را از دست داده‌اند (یونیده شده‌اند). بیشتر ماده جهان در حالت پلاسماست، مثل خورشید که از پلاسما تشکیل شده‌است. پلاسما اغلب بسیار گرم است و می‌توان آن را در میدان‌های مغناطیسی به دام انداخت.

حالت پنجم با نام ماده چگال بوز-اینشتین (Bose-Einstein condensate) که در سال 1995 کشف شد، در اثر سرد شدن ذراتی به نام بوزون‌ها (Bosons) تا دما‌هایی بسیار پایین پدید می‌آید. بوزون‌های سرد در هم فرومی‌روند و ابر ذره‌ای که رفتاری بیشتر شبیه یک موج دارد تا ذره‌ای معمولی شکل می‌گیرد. ماده چگال بوز-اینشتین شکننده‌است و سرعت عبور نور در آن بسیار کم است.

حالت تازه هم ماده چگال فرمیونی (Fermionic condensate) است. دبورا جین (Deborah Jin) از دانشگاه کلورادو که گروهش در اواخر پاییز سال 1382 موفق به کشف این شکل تازه ماده شده‌است، می‌گوید: وقتی شکل جدیدی از ماده روبرو می‌شوید باید زمانی را صرف شناخت ویژگی‌هایش کنید. آنها این ماده تازه را با سرد کردن ابری از پانصدهزار اتم پتاسیم – 40 تا دمایی کمتر از یک میلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق پدیدآوردند. این اتم‌ها در چنین دمایی بدون گران‌روی جریان می‌یابند و این نشانه ظهور ماده‌ای جدید بود. در دما‌های پایین‌تر چه اتفاقی می‌افتد؟ هنوز نمی‌دانیم.

ماده چگال فرمیونی بسیار شبیه ماده چگال بوز-اینشتین (BEC) است. ذرلت بنیادی و اتمها در طبیعت می نوانند به شکل بوزون یا فرمیون باشند. یکی از تفاوتهای اساسی میان آنها حالتهای کوانتومی مجلز برای ذرلت است. تعداد زیلدی بوزون می توانند در یک حالت کوانتومی باشند ، مثلا انرژی ، اسپین و ... آنها یکی باشد ، اما مطابق اصل طرد پائولی دو فرمیون نمی توانند همزمان حالتهای کوانتومی یکسان داشته باشند. برای همین مثلا در آرایش اتمی ، للکترونها که فرمیون هستند نمی توانند همگی در یک تراز انرژی قرار گیرند.در هر اربیتال تنها دو الکترون که اسپینهای متفاوت داشته باشند جا می گیرد و الکترونهای بعدی باید یه اربیتال دیگری با انرژی بالاتر بروند. ینابراین اگر فرمیونها را سرد کنیم و انرژی آنها را بگیریم ، ابتدا پایینترین تراز انرژی پر می شود ، اما ذره بعدی باید به ترازی با انرژی بالاتر برود. وجود ماده چگال فرمیونی همانند ماده چگال یوز- اینشتین سالها قبل پیش بینی شده و خواص آن محاسبه شده بود ، اما رسیدن به دمای نزدیک به صفر مطلق که برای تشکیل این شکل ماده لازم است تا کنون ممکن نشده بود. هر دو از فرورفتن اتم‌ها در دماهایی بسیار پایین ساخته‌می‌شوند. اتم‌های BEC بوزون اند و اتم‌های ماده چگال فرمیونی، فرمیون. اما این‌ها به چه معنی اند؟

بوزون‌ها می توانند همگی در یک تراز انرژی قرارگیرند. به طور کلی اگر تعداد الکترون + پروتون + نوترون اتمی عددی زوج باشد، آن اتم یک بوزون است. مثلا اتم‌های سدیم معمولی بوزون ‌اند و می‌توانند به حالت فاز چگال بوز-اینشتین ادغام شوند.

اما فرمیون‌ها مطابق اصل طرد پائولی نمی‌توانند در یک حالت کوآنتومی هم ادغام شوند. هر اتمی که تعداد الکترون‌ها + پروتون‌ها + نوترون‌هایش عددی فرد باشد، مثل پتاسیم – 40 یک فرمیون است.

گروه جین برای مقابله با خواص ادغام‌ناپذیری فرمیون‌ها از تأثیر میدان مغناطیسی بر آنها استفاده‌کردند. میدان مغناطیسی سبب می‌شود ) فرمیونهای تنها جفت شوند. قدرت این پیوند را میدان مغناطیسی تعیین می‌کند. جفت‌های اتم‌های پتاسیم برخی از خواص فرمیونیشان را حفظ می‌کنند، ولی کمی شبیه بوزون‌ها عمل خواهند‌کرد. یک جفت فرمیون می‌تواند در جفت دیگری ادغام شود - و جفت تازه در جفتی دیگر ...- تا سرانجام ماده چگال فرمیونی شکل‌گیرد.

در اثر این پدیده، گران‌روی (Viscosity) ماده به وجود آمده باید بسیار کم باشد.

مشابه این پدیده را در ابررسانایی می‌بینیم. در یک ابررسانا، جفت‌های الکترون (الکترون‌ها فرمیون اند) می‌توانند بدون هیچ مقاومتی جریان یابند. متأسفانه مطالعه و دسترسی به ابررسانا‌ها بسیار مشکل است. گرم‌ترین ابررسانای امروزی باید در دمای 135- درجه سانتیگیراد عمل می‌کند و این بزرگ‌ترین مشکل برای مطالعه و استفاده از آنهاست. قدرت جفت‌شدن شگفت‌انگیز در حالت جدید، دانشمندان را امیدوار کرده‌است که بتوانند از یافته‌های خود درباره حالت تازه ماده، برای تولید ابررساناها در دمای اتاق استفاده‌کنند.

ابررساناها کاربردهای فراوانی در علوم و فن‌آوری فضایی دارند. برای مثال ژیروسکوپ‌هایی که برای هدایت فضاپیما‌ها در مدار استفاده می‌شوند، با آهن‌ربا‌های ابررسانا بسیار دقیق‌تر کارمی‌کنند. همچنین چون ابررسانا‌ها می‌توانند حامل جریان‌های بیشتر در اندازه‌های کوچکتری نسبت به یک سیم مسی باشند، حجم موتورهایی که از آنها ساخته‌می‌شود 4 تا 6 برابر کوچک‌تر از موتورهای امروزی فضاپیماها خواهدبود.

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!!!!!!!!

نسبیت خاص پیش بینى هایى مى کند که براى ما بسیار عجیبند. مثلاً اینکه ساعت هاى متحرک کندتر کار مى کنند، خط کش هاى متحرک کوتاه ترند. یا اینکه ممکن است مقدارى جرم به انرژى تبدیل شود (E=mc2) . تمام پیش بینى هاى نسبیت خاص با دقت بسیار آزموده شده اند و امروزه تقریباً هیچ فیزیک پیشه مطرحى هیچ شکى درباره درست بودن نسبیت خاص ندارد. انگیزه اینشتین از پرداختن نسبیت خاص آشتى دادن نظریه الکتریسیته و مغناطیس مکسول با اصل نسبیت گالیله بود. در واقع نسبیت خاص کامل شده نسبیت گالیله اى است. از سال 1905 به این طرف همه فیزیک پیشه ها متقاعد شده اند که هر نظریه فیزیکى اى باید با نسبیت خاص سازگار باشد.

چهار قرن و نیم پیش در سال 1543 نیکلاس کوپرنیکوس مرد و در همان سال کتاب معروف او De revolutionibus منتشر شد. در این کتاب نظامى جدید براى هیئت پیشنهاد شده بود، نظامى که در آن خورشید در مرکز بود و زمین و دیگر سیاره ها به دور آن مى گشتند. گالیله این ایده را پذیرفت و براى آن تبلیغ بسیار کرد. این که زمین به دور خودش و به دور خورشید مى گردد، با فلسفه رسمى آن دوران نمى خواند. استدلالى که مخالفان نظام کپرنیکى مى کردند این بود که چرا ما متوجه حرکت زمین نمى شویم. گالیله در این باره فکر کرد و کشفى کرد که بسیار مهم است. گالیله کشف کرد که با هیچ آزمایشى نمى توان حرکت یکنواخت را آشکار کرد. امروزه همه این تجربه را داریم که اگر قطارى با سرعت ثابت حرکت کند، در داخل قطار همه چیز همان طورى است که در ایستگاه است، با هیچ آزمایشى نمى توان فهمید قطار حرکت مى کند یا نه (تنها با نگاه کردن به بیرون است که مى توان این را فهمید). فیزیک پیشه ها این را اصل نسبیت گالیله مى نامند.

پس از گالیله، نیوتن سه قرن پیش دو چیز بسیار مهم کشف کرد: 1- قوانین مکانیک را کشف کرد؛ قوانینى که براساس آنها مى توان فهمید که یک سیستم مکانیکى (مثلاً منظومه شمسى) در زمان هاى آینده چه وضعیتى دارد، مشروط بر آن که وضعیت آن در یک زمان مثلاً الان معلوم باشد. 2- قانون گرانش عمومى را کشف کرد؛ قانونى که مى گوید در طبیعت هر دو جسمى یکدیگر را با نیروى جذب مى کنند و این نیرو متناسب است با عکس مجذور فاصله و متناسب با جرم هر کدام از جسم ها. فیزیک پیشه ها این پدیده را گرانش و این نیرو را نیروى گرانشى مى نامند. به دلیل این نیروى گرانشى است که ماه به دور زمین و زمین به دور خورشید مى گردد. ضمناً مکانیکى که نیوتن ساخت با اصل نسبیت گالیله سازگار است.

دقیقاً صد سال پیش آلبرت اینشتین با انتشار چند مقاله تاریخ ساز، انقلاب یا در واقع انقلاب هایى در علم فیزیک راه انداخت. یکى از این مقاله ها با عنوان «درباره الکترودینامیک جسم هاى متحرک» ارائه نظریه اى است که به نسبیت خاص معروف شد.

نسبیت خاص پیش بینى هایى مى کند که براى ما بسیار عجیبند. مثلاً اینکه ساعت هاى متحرک کندتر کار مى کنند، خط کش هاى متحرک کوتاه ترند. یا اینکه ممکن است مقدارى جرم به انرژى تبدیل شود E=mc2 . تمام پیش بینى هاى نسبیت خاص با دقت بسیار آزموده شده اند و امروزه تقریباً هیچ فیزیک پیشه مطرحى هیچ شکى درباره درست بودن نسبیت خاص ندارد.

انگیزه اینشتین از پرداختن نسبیت خاص آشتى دادن نظریه الکتریسیته و مغناطیس مکسول با اصل نسبیت گالیله بود. در واقع نسبیت خاص کامل شده نسبیت گالیله اى است. از سال 1905 به این طرف همه فیزیک پیشه ها متقاعد شده اند که هر نظریه فیزیکى اى باید با نسبیت خاص سازگار باشد.

تقریباً بلافاصله پس از تکمیل نسبیت خاص این سئوال مطرح شد که آیا گرانش عمومى نیوتن با نسبیت خاص سازگار هست و پاسخ منفى بود. پس لابد نظریه گرانش نیوتن کامل نیست. بعضى از فیزیک پیشه ها به دنبال نظریه کامل ترى براى گرانش گشتند، نظریه اى که با نسبیت خاص سازگار باشد. هیچ کس نتوانست نظریه شسته رفته و موفقى براى گرانش بیابد که هم نسبیت خاصى باشد، هم با تجربه بخواند.

آزمایش هاى بسیارى موید این هستند که اگر نیرویى جز گرانش در کار نباشد همه اجسام با یک شتاب مى افتند! در 1911 اینشتین از این واقعیت تجربى نتیجه گرفت1 که اگر در اتاقکى باشیم که از بالاى برجى رها شده باشد (ول شده باشد)، با هیچ آزمایشى نمى توانیم گرانش زمین را حس کنیم.2 امروزه فیزیک پیشه ها این را اصل هم ارزى مى نامند. اینشتین فهمید که کلید نظریه نسبیتى گرانش همین اصل هم ارزى است. با استدلال هایى که نبوغ از آنها مى بارد، اینشتین از این اصل چند نتیجه گرفت: 1- اینکه اگر نورى از زمین به بالا فرستاده شود وقتى به ارتفاع هاى بالاتر مى رسد طول موجش بیشتر مى شود. 2- اینکه ساعت ها در نزدیکى سطح زمین کندتر کار مى کنند تا ساعت هایى که در ارتفاع هاى بالاتر هستند. 3- اینکه اگر پرتوى نورى از کنار یک جسم سنگین مثلاً از کنار خورشید بگذرد، کمى خم مى شود. در مورد خورشید این خم شدگى حدود 1 ثانیه قوس است.

پس از آن با پنج سال کار طاقت فرسا اینشتین نظریه اى براى گرانش ساخت و آن را نسبیت عام نامید. بنابر نسبیت عام گرانش عبارت است از خمیده بودن فضازمان علت سخت فهم بودن نسبیت عام این است که مبتنى است بر دو ساختار ریاضى که هنوز جزء برنامه هاى درسى مدارس و دبیرستان هاى ما نشده: خمیدگى و فضازمان.

در قرن نوزدهم هندسه پیشرفت زیادى کرد. از جمله کارل فردریش گاوس هندسه سطح هاى خمیده را بررسى کرد. منظور از سطح هاى خمیده چیز هایى است مثل سطح یک توپ یا سطح یک تیوب، چرخ ماشین (که ریاضى پیشه ها به آن چنبره مى گویند) یا سطح یک زین اسب. ریاضیاتى را که گاوس پیش کشیده بود گئورگ فردریش برنهارد ریمان ریاضى پیشه دیگر آلمانى بسیار پیش برد.3 ریمان کشف کرد که آنچه در هندسه مهم است چه در هندسه اقلیدسى، چه در هندسه رویه هاى خمیده قضیه فیثاغورث براى مثلث هاى کوچک است. در هندسه اقلیدسى صفحه قضیه فیثاغورث مى گوید که اگر مثلث قائم الزاویه اى داشته باشیم که یک ضلع آن dx و ضلع دیگرش dy باشد، طول وترش ds است و داریم ds2=dx2+dy2 که در اینجا x و y مختصه هاى دکارتى متداول صفحه اند و dx2 یعنى 2(dx). ریمان کشف کرد که تمام هندسه اقلیدسى صفحه نتیجه این تساوى ds2=dx2+dy2 است. این فرمول ریاضى را ریاضى پیشه ها متریک ریمانى مى نامند. در مورد سطح خمیده کره زمین این اصطلاح متریک به شکل ds2=R2cos2dldj درمى آید. که در اینجا R شعاع زمین، l عرض جغرافیایى و j طول جغرافیایى است.

Ds فاصله دو نقطه نزدیک روى سطح زمین است که عرض جغرافیایى آنها به اندازه dl و طول جغرافیایى آنها به اندازه dj فرق دارد. ضمناً این نکته بسیار مهم است که در این فرمول dj و dl باید بسیار کوچک باشند؛ اگر نه براى محاسبه فاصله باید از فرمولى پیچیده تر استفاده کرد.) تعمیم به ابعاد بیش از دو براى ریاضى پیشه اى مثل ریمان سرراست بود.

در 1908 هرمان مینکفسکى که زمانى در پلى تکنیک زوریخ استاد ریاضى اینشتین بود، کشف کرد که آنچه نسبیت خاص مى گوید در واقع این است که فضا و زمان موجودیت مستقلى ندارند. آنچه موجودیت مستقل دارد چیزى است که مینکفسکى آن را فضازمان نامید. مینکفسکى در واقع براى نسبیت خاص یک تعبیر هندسى کشف کرد: فضازمان یک پیوستار چاربعدى است و ساختار این پیوست ها تعمیمى است از چیزى که هندسه اقلیدسى مى نامیم. در واقع آنچه مینکفسکى کشف کرد این بود که اولاً عنصر بنیادى که در هندسه اقلیدسى نقطه است، در نسبیت خاص رویداد است، یعنى اتفاقى که در یک لحظه خاص در یک جاى خاص روى مى دهد- براى مشخص کردن یک نقطه در صفحه اقلیدسى باید x و y آن را داد؛ حال آنکه براى مشخص کردن یک رویداد در نسبیت خاص باید x، y، z و t آن را داد. ثانیاً مینکفسکى کشف کرد که تمام نسبیت خاص در واقع بیان این است که در این فضازمان قضیه اى شبیه قضیه فیثاغورث درست است که باعث مى شود بتوان فضازمان را مثل یک هندسه ریمانى در نظر گرفت، منتها با متریک شبه ریمانى ds2=dx2+dy2+dz2-c2dt2 که در آن c سرعت نور است (سرعتى که بنابر نسبیت خاص یکى از ثابت هاى طبیعت است، همان c اى که در E=mc2 ظاهر مى شود.) به دلیل علامت منفى در کنار dt2 است که به این متریک شبه ریمانى مى گویند.

اینشتین متوجه شد که گرانش یعنى اینکه متریک شبه ریمانى فضازمان به شکل ساده اى که در نسبیت خاص مى آید نیست. این گام که اینشتین برداشت گام بسیار سختى بود. اینشتین با نبوغ خود از اصل هم ارزى نتیجه گرفت که فضازمان خمیده است. اما این تازه شیوع نسبیت عام بود. اینشتین فهمید وجود ماده در فضا باعث مى شود متریک فضازمان عوض شود، اما چقدر و چگونه؟ براى یافتن پاسخ اینشتین مى بایست هندسه ریمانى فرا بگیرد. در این کار دوست ریاضى پیشه اش مارسل گرسمان (که اینشتین در 1905 پایانه نامه دکترایش را به او تقدیم کرده بود) به کمکش آمد. اینشتین از گرسمان هندسه یاد گرفت4، و توانست معادله هایى به دست آورد که با حل کردن آنها مى توان متریک را به دست آورد. این معادله ها که معادله هاى اینشتین نام دارند، مى گویند که وجود جرم و انرژى در فضا چگونه فضازمان را مى خماند. معادله هاى اینشتین بسیار پیچیده اند.

نتیجه هاى فیزیکى

یکى از نخستین حل هاى معادله اینشتین را فیزیک پیشه منجمى به نام کارل شوارتس شیلد به دست آورد.5 شوارتس شیلد متریک اطراف یک کره مثلاً اطراف یک ستاره را به دست آورد. این متریک که امروزه متریک شوارتس شیلد نام دارد، خاصیت بسیار عجیبى دارد: اگر شعاع ستاره از حدى کوچک تر شود، دیگر حتى نور هم از آن نمى تواند بیرون بیاید. در این حالت ستاره تبدیل به شىء عجیبى مى شود که سیاهچاله نام گرفته است. درک فیزیک سیاهچاله ها یکى از چالش هایى است که فیزیک پیشه ها بیش از نیم قرن است با آن دست و پنجه نرم مى کنند. امروزه تقریباً اکثر اخترفیزیک پیشه هاى فعال اعتقاد دارند که در دنیا از جمله در مرکز کهکشان راه شیرى سیاهچاله هست. بعد از تکمیل نسبیت عام اینشتین به این مسئله پرداخت که معادله هایى که نوشته چه چیزى براى کل جهان یا کیهان پیش بینى مى کنند. فرض هایى بسیار معقول و کلى براى کل کیهان کرد. مثلاً اینکه کیهان در مقیاس هاى بزرگ نه مرکز مرجحى دارد نه امتداد. مرجحى معادله ها را حل کرد و در کمال تعجب دید که حل ایستا ندارند: یا جهان در حال بزرگ شدن است یا در حال کوچک شدن، در گذشته اى متناهى از یک نقطه آغاز شده و ممکن است در آینده اى متناهى به یک نقطه بینجامد! از این حل خوشش نیامد. دستى در معادله هایش برد. جمله اى به آنها افزود. در این جمله ثابتى ظاهر مى شود که آن را ثابت کیهان شناختى نامگذارى کرد. اگر این ثابت که آن را با l نشان مى دهند، صفر باشد، معادله ها مى شوند همان معادله هاى قبلى اگر l مثبت باشد، جلوى انبساط عالم گرفته مى شود و اگر l منفى باشد، جهان به نحو فزاینده اى منبسط مى شود. چند سال بعد ادوین هابل منجم آمریکایى انبساط جهان را کشف کرد! پس از آن اینشتین گفت این افزودن جمله کیهان شناختى به معادله هایش بزرگ ترین اشتباه زندگى اش بوده. امروز یک نظریه بسیار موفق براى کیهان شناخت داریم موسوم به مدل استاندارد کیهان شناخت.6 یکى از سنگ هاى اصلى این بناى بسیار عظیم و زیبا نسبیت عام است.

برای اولین بار، نامساوی ِ مشهور ِ بل Bell در کوانتوم مکانیک، در یک آزمایش فیزیک انرژی زیاد آزموده شد. این نامساوی در آزمایش هایی با مزون های B در آزمایشگاه کـِک KEK ِ ژاپن، تا حد سه انحراف معیار نقض شد و ضمنا این آزمایش ها باز هم پیش بینی های کوانتوم مکانیک را تأیید کردند. قبلا بیشتر آزمایشهای مربوط به نامساوی بل با فوتون ها یا یون ها انجام می شدند. در آزمون های نامساوی بل، ویژگی های زوج ذره هایی را می سنجند که فاصله شان، از نظر نسبیت خاص، فضاگونه است: یعنی طی آزمایش، زمان کافی برای این که نور از یکی به دیگری برسد نیست. مثلا در یک آزمایش نوعی نامساوی بل، قطبش یک زوج فوتون را بر حسب زاویه محورهای قطبیگرها نسبت به هم می سنجند. کوانتوم مکانیک پیش بینی می کند بین ذره ها هم بستگی های ناموضعی هم می تواند باشد. این یعنی اگر یک فوتون مثلا در جهت عمودی قطبیده شده باشد، فوتون دیگر زوج آن حتما در جهت افقی قطبیده است، حال فاصله ی دو فوتون هر چه می خواهد باشد. اما بعضی از فیزیک پیشه ها معتقدند این نمی تواند درست باشد، و ذره های کوانتومی باید کمیت های موضعی یی (به اسم ِ متغیرهای نهانی) داشته باشند، که نمی توانیم بسنجیم شان. بل و دیگران نشان دادند با نوعی آزمایش که پارامتری به اسم S را می سنجد، می شود بین کوانتوم مکانیک و این نظریه های متغیرهای نهانی فرق گذاشت. به بیان ساده، نظریه های موضعی پیش بینی می کنند S همواره کوچکتر از دو است، در حالیکه پیش بینی کوانتوم مکانیک S=sqr(2)*2 است. وقتی S بزرگتر از 2 می شود، می گویند نامساوی بل نقض شده است. آپولو گو Apollo Go از دانشگاه مرکزی ملی تایوان و همکارانش در گروه بـِله Belle این آزمایش را در کارخانه ی B ی کـِک انجام دادند. در این شتابدهنده باریکه های الکترون و پوزیترون با هم برخورد می کنند و ذرات B مزونها و پادذره هایشان را تولید می کنند که اینها هم به ذرات سبک دیگر وامی پاشند. روج مزونها مثل روج فوتون رفتار می کنند. اما گروه بله Belle، به جای تحلیل هم بستگی بین جهت های قطبش، هم بسته گی های ذره-پادذره را با روشی به اسم برچسب طعم گذاری بررسی کرد. گو Go و همکارانش حساب کردند S=2.725 و خطای این سنجش چنان است که نامساوی تا حد سه انحراف ِ معیار نقض می شود. گو به فیزیکس وب Physicsweb گفت: "اگر کوانتوم مکانیک یک توصیف بنیادی ِ طبیعت باشد، با هر عدد کوانتومی یی باید هم بستگیهای ناموضعی دیده شود. در این آزمایش عدد کوانتومی ذره-پادذره کمیت ی بسیار بنیادی در فیزیک ِ ذرات است، و شاید نتایج ِ حاصل پی آمدهایی هم در این زمینه داشته باشند. منتظر نظر ذره نظریه پردازهای دیگرم." این گروه بنا دارد هم بستگی های ذره-پادذره را با جزئیات بیشتری بررسی کند و مرز بین مکانیک کلاسیک و کوانتوم مکانیک را بکاود.