• ویژه هسته: یک هسته خاص با اعداد پروتونی (Z) و نوترونی (N) معین را گویند.
  
• ایزوتوپها: ویژه هسته‌هایی با پروتونهای یکسان و نوترونهای مختلف را گویند. مثال: ایزوتوپ هیدروژن ؛ ²₁H و ³₁H می‌باشند.
  
• ایزوتونها: ویژه هسته‌هایی با نوترون برابر و پروتون مختلف را گویند.
  
• ایزوبارها: ویژه هسته‌هایی با عدد جرمی A برابر (A = Z + N) را می‌گویند.
  
• ایزومر: ویژه هسته‌هایی در حالت بر انگیخته با نیم عمر قابل اندازه گیری را ایزومر می‌نامند.

نوکلئون: ذرات تشکیل دهنده هسته (نوترون یا پروتون) نوکلئون نام دارند.

• مزونها: ذراتی هستند با جرمی بین جرم الکترون و جرم پروتون. شناخته شده‌ترین مزونها عبارتند از: مزونهای پی که نقش مهمی در نیروهای هسته‌ای باز می‌کند و مزونهای مو که در پدیده‌های پرتو کیهانی مهم است.
  
• پوزیترون: الکترون با بار مثبت به عبارتی ذره‌ای با جرمی برابر جرم الکترون و باری برابر بار الکترون با علامت مثبت.
  
• فوتون: کوانتوم تابش الکترومغناطیسی که معمولاً بصورت نور اشعه ایکس یا اشعه گاما ظاهر می‌شود به عبارت دیگر کوچکترین ذرات سازنده نور فوتونها هستند.
  
• اسپین: صرفنظر از انرژی مربوط به چرخش الکترون به دور هسته اتمی الکترون نیز انرژی اضافی دیگری دارد که مربوط به چرخش حول محور خود می‌باشد. علاوه بر الکترون ذراتی دیگر مثل پروتون ، نوترون و فونونها نیز به نوبه خود دارای اسپین می‌باشد.
  
  
• آب سنگین: اصطلاحی که معمولا برای مولکول آب دارای دو اتم هیدروژن سنگین بکار می‌رود در این مولکول دو اتم دوتریوم بجای دو اتم هیدروژن جایگزین می‌شود (D₂o). آب سنگین دارای خواص غیر عادی بوده و در راکتورهای هسته‌ای نقش ایفا می‌کنند.
  
  
• بتاترون: یک شتاب دهنده چرخه‌ای است، این دستگاه شامل یک محفظه حلقوی بدون هوا است، که بین قطبهای یک الکترومغناطیس جای دارد. یک چشمه الکترونی نیز داخل آن محفظه قرار گرفته است.

• سوخت هسته‌ای پلوتونیوم: یک عنصر شیمیائی یا عدد اتمی 92 و جرم اتمی 239 و یک فلز سمی است، به سادگی در هوا آتش می‌گیرد. کاربرد عمده پلوتونیوم در راکتورهای هسته‌ای ، بمبهای هسته‌ای ، چشمه ذره آلفا و اشعه گاما در پزشکی است.
  
  
• کوانتا (Cuonta): در سال 1901 فیزیکدان معاصر آلمانی ماکس پلانک پیشنهاد نمود که در انتقالات فیزیکی و تأثیرات متقابل اتمهای ماده ، انرژی بصورت مقادیر مجزا یا "بسته‌های" کوچک نشر یافته و یا جذب می‌شوند. در نتیجه مطابق این تئوری ، انرژی دارای مقادیر پیوسته‌ای نمی‌باشد. این قسمتهای کوچک نام کوانتوم بخود گرفت.
  
• لباسهای بادی (Pneumatic suit ): لباسهای مخصوص که برای کار در هوای آلوده به مواد رادیو اکتیو (بخارهای گازها ، ذرات بسیار ریز) بکار می‌رود.
  
• مهندسی هسته‌ای: شاخه‌ای از مهندسی مواد که انرژی هسته‌ای و نیز موارد استفاده از آن را برای احتیاجات کلی و دفاعی مطالعه و بررسی می‌کند.
  
• نوترنیو (Neutrino):ذراتی هستند خنثی که تشخیص و حتی به تله انداختن آنها خیلی مشکل است. ضمن واپاشی بتای هسته‌های اتمی همراه الکترون یا پوزیترون گسیل می‌شود.
  
• نیم عمر (Half Life): یکی از مهمترین کمیتهای مشخصه مواد رادیو اکتیو نیم عمر آنها می‌باشد و طبق تعریف مدت زمانی است که فعالیت چشمه به نصف مقدار اولیه می‌رسد.

راکتورهای هسته‌ای: وسیله‌ای که درآن واکنش شکافت زنجیری کنترل شده انجام می‌شود، راکتور هسته‌ای نام دارد. اورانیوم و پلوتونیوم به عنوان سوخت هسته‌ای بکار می‌رود.

• پرتوهای کیهانی:تابشهای کیهانی عبارتست از ذرات مثبت تند (پروتونها) و شماری ذرات آلفا و هسته‌های دیگر ذرات اولیه. پرتوهای کیهانی دارای انرژی عظیم از مرتبه میلیارد الکترون ولت است، گاهی این انرژی به مقادیر حیرت آور از مرتبه ²¹10 ev می‌رسد. این پرتوها قادرند تا عمق اقیانوسها و زمین هم نفوذ کنند.
  
• جرم سکون (Rest Mass): جرم یک ذره ای که سرعت آن صفر بوده و یا صفر می‌شود را جرم سکون گویند.
  
• جرم بحرانی سوخت هسته‌ای (Critical Mass): جرم بحرانی برای انجام یک واکنش زنجیری شکست عبارتست از کمترین مقدار سوخت هسته‌ای بطوری که هر دوره نوترون باعث تولید یک دوره بعدی یا همان تعداد نوترون گردد، یعنی کاهش نوترون در سوخت هسته‌ای بطور کامل جبران شود.
  
• تعریف جرم بحرانی: کمترین مقدار لازم جرم فیزیکی ماده سوختنی جهت سوختن را جرم بحرانی گویند.

کشف پرتو زایی عناصر پرتو زا (رادیو اکتیو)

دید کلی:

توریم و اورانیوم و بعضی از عناصر دیگر بدون هیچ اثر خارجی (یعنی به سبب عوامل داخلی) پیوسته تابش مرئی گسیل می دارند. این تابش مانند اشعه ایکس به درون حائل های کدر نفوذ می کند. و روی فیلمهای عکاسی اثر می گذارد. و اثر یونشی به وجود می آورد.

ویژگی گسیل خود به خودی چنین تابش به پرتوزایی معروف است به عناصر دارای این ویژگی عناصر رادیو اکتیو می گویند و تابشی که این عناصر گسیل می دارند تابش پرتوزایی «تشعشع هسته ای) نامیده می شود. خاصیت پرتوزایی اورانیم را در سال 1896 آنتوان هانری بکرل فیزیکدان فرانسوی کشف کرد. پرتوزایی اندکی پس از کشف اشعه ایکس کشف شد.

عناصر رادیو اکتیو محصول آزمایشات اولیه:

گسیل پرتوهای ایکس اولین بار در بمباران دیواره های شیشه ای لامپ تخلیه گازی با پرتوی کاتدی کشف شد. موثرترین نتیجه این بمباران تابانی شدید شیشه به رنگ سبز یعنی لیانی است. از اینجا معلوم می شود پرتوهای ایکس حاصل لیانی است و با هر لیانی همراهند، از جمله موردی که با نور برانگیخته شود.

بکرل این فرض را از راه آزمایش تحقیق کرد او مواد لیان را در معرض نور قرار داد و آن گاه این مواد را کنار فیلم عکاسی که در لفاف سیاه پیچیده شده بود، قرارداد. پس از ظاهر کردن فیلم عکاسی گسیل تابش نفوذی را از روی سیاه شدن فیلم آشکار ساخت.
از میان تمام مواد لیان که توسط بکرل مورد آزمایش قرارگرفت فقط نمکهای اورانیوم صفحه عکاسی را سیاه کردند.

با وجود این معلوم شد که نمونه ای که قبلا در معرض تابش نور شدید قرارگرفته باشد به همان اندازه نمونه ای که برانگیخته نشده باشد، صفحه عکاسی را سیاه می کند. از این مشاهده چنین استنباط می شود که گسیل تابش توسط نمک اورانیم به لیانی مربوط نیست و به اثرهای خارجی بستگی ندارد. این نتیجه با آزمایش هایی که با ترکیبهای محتوی غیر لیان که همه تابش نفوذ کننده گسیل می دارند انجام شد و مورد تایید قرارگرفت.

بعد از کشف خاصیت پرتوزایی اورانیوم توسط بکرل ، ماری کوری فیزیکدان فرانسوی متولد لهستان که بیشترین تحقیقات خود را همراه با شوهرش پیر کوری انجام داد بیشتر عناصر شناخته شده و خیلی از ترکیبها را مورد بررسی قرارداد. تا ببیند که آیا آنها خاصیت پرتوزایی دارند یا خیر. ماری کوری در آزمایشهایش یونش هوا را به عنوان شاخص خاصیت پرتوزایی مواد پرتو زا به کار می برد. این روش خیلی حساستر از روش مبتنی بر تاثیر روی صفحه عکاسی است. آزمایشهای ماری کوری به نتایج زیرمنتهی شد.

پرتوزایی نه فقط در اورانیوم بلکه در همه ترکیبات شیمیایی آن مشاهده می شود. افزون بر آن خواص پرتوزایی در مورد توریم و همه ترکیبات شیمیایی آن نیز وجوددارد.

• پرتوزایی نمونه ای از هر ترکیب شیمیایی اورانیوم و توریم برابر است با پرتوزایی اورانیم و توریم خالص موجود در آن ترکیب نتیجه اخیر نشان می دهد که خواص مولکول موجود در عنصر پرتوزا روی خاصیت پرتوزایی موثرنیست. بنابر این پرتوزایی خاصیت ذاتی اتمهای عنصرپرتو زا است نه پدیده مولکولی.

• علاوه بر عناصر خالص و ترکیبات آنها ماری کوری تعدادی از سنگهای معدنی را نیز بررسی کرد. و معلوم شد که پرتوزایی کانیها از حضور اورانیم و توریم در آنها ناشی می شود با وجود این خاصیت پرتوزایی بعضی از کانیها به طور غیر قابل انتظار خیلی بالاست. برای مثال پیچ بلند چهار برابر مقدار اورانیم موجود در خود یونش نشان می دهد.

• پرتوزایی بالای پیچ بلند را فقط می شد به عنصر پرتوزای ناشناخته موجود در این مقدار کم نسبت داد که تحلیل شیمیایی نتوانسته بود وجود آن را آشکار سازد. به رغم مقدار کم آن شار تابشی که این عنصرگسیل می کرد، قویتر از اورانیم موجود در یک مقدار بزرگتر بود.
  
  بنابراین پرتوزایی این عنصر باید چند برابر شدیدتر از پرتوزایی اوارنیم باشد. در نتیجه این ملاحظات ، پیر و ماری کوری کوشش کردند این عنصر فرضی را به طور شیمیایی از پیچ بلند جدا کنند. پرتوزایی به ازای واحد جرم محصول نهایی نشانه ای از توفیق در عملیات شیمیایی بود. این مقدار باید با افزایش مقدار عنصر جدید در محصول نهایی افزایش می یافت.
  
  پس از سالها کار سخت آنها سرانجام توفیق یافتند چند دهم از عنصرخالص به دست آورند که خاصیت پرتوزایی آن بیش از میلیون برابر اورانیوم بود. این عنصر به رادیوم یعنی تابان معروف است.

عنصر رادیو اکتیو رادیوم:

رادیم بنا به خواص شیمیایی آن یک فلز قلیایی خاکی است. برای جرم اتمی آن عدد 226 به دست آمد با توجه به خواص شیمیایی و جرم رادیوم در خانه خالی 88 جدول تناوبی قرارداده شد.

• در سنگهای معدنی اورانیم همیشه رادیوم به مقدار خیلی کم وجود دارد (حدود 1 گرم رادیوم در 3 تن اورانیوم). به این سبب استخراج رادیوم فرایند پرزحمتی است.

• رادیوم یکی از فلزات کمیاب و بسیار گرانبهاست. و به عنوان چشمه متمرکز تابش پرتوزا ارزش زیادی دارد.

سایر عناصر رادیواکتیو:

تحقیقات بعدی که توسط کوریها و دیگر دانشمندان انجام گرفت شمار عناصر پرتوزای شناخته شده را به مقدار زیادی افزایش داده است. معلوم شده است که تمام عناصری که عدد اتمی آنها بیش از 83 باشد، پرتوزا هستند. معمولا این عناصر را به مقدار کم از آمیزه های اورانیوم ، رادیوم و توریم به دست آوردند.

ایزوتوپهای پرتوزای تالیم ، سرب و بیسموت نیز از طریق مشابه پیدا شدند. باید توجه داشت که فقط ایزوتوپهای کمیاب این عناصر که با اورانیم ، رادیم و توریم آمیخته باشند، پرتوزا هستند. تالیم ، سرب و بیسموت معمولی پرتوزا نیستند. افزون برعناصر آخر جدول تناوبی ، معلوم شده است که ساماریوم ، سزیم و روبیدیوم نیز پرتوزا هستند. پرتوزایی این عناصر ضعیف و با زحمت آشکارسازی می شود.

کشف مواد رادیواکتیو طبیعی:

در اواخر قرن 19 هانری بکرل دانشمند فیزیکدان فرانسوی مشاهده کرد که ترکیبات اورانیوم از خود اشعه ای صادر می کنند که قادر است مانند اشعه خورشید صفحات عکاسی را متاثر سازند و رد پای خود را بر روی فیلم عکاسی بگذارند اما بر خلاف نور خورشید این اشعه حتی از کاغذ سیاه عبور کرده و بر صفحه اثر می گذارد .

سیر تحولی ورشد :

بعدها تعداد زیادی از دانشمندان کار بکرل را دنبال کردند ماری کوری و شوهرش پیری کوری ثمر بخش ترین آزمایشات را در این زمینه انجام دادند این دو دانشمند از اول نشان دادند که اوانیوم و توریوم قادر به صدور اشعه ای هستند که بکرل برای اولین بار کشف نمود .

دستگاه پیرکوری :

این اشعه در حین عبور از هوا آنرا یونیزه می کند و آنرا هادی الکتریسته می نماید پیرکوری برای کشف این اشعه از خاصیت اخیر استفاده نمود و دستگاه مخصوصی را ساخت دستگاه پیرکوری از دو صفحه فلزی موازی هم تشکیل یافته است که یکی از صفحات به قطب مثبت یک پیل الکتریکی و دیگری به قطب منفی همان پیل وصل شده است اگر جسمی که اشعه را ساتع می کند روی صفحه اول قرارگیرد هوای اطراف آن هادی الکتریسته شده و مدار مسدود می شود و عقربه گالوانومتر بیشتر منحرف می گردد.

هر چه این جسم فعالتر باشد یونیزاسیون هوا بیشتر صورت گرفته و عقربه گالوانومتر بیشتر منحرف می شود ماری کوری ثابت کرد که شدت تشعشع با مقدار اورانیوم موجود در جسم متناسب است بعدها متوجه شدند که فعالیت تشعشعی پیچ بلند که فقط محتوی مقدار ناچیزی اورانیوم است به مراتب بیشتر از اورانیوم خالص است بنابر این پی بردند که در این سنگ باید ماده ای فعالتر از اورانیوم نیز وجود داشته باشد.

پارامترهای مهم دخیل در میزان تشعشع مواد رادیو اکتیو :

ماری و پیر کوری به تحقیق درباره سنگ پیچ بلند پرداختند که فعالتر از اورانیوم خالص بود که پس از دو سال کار مداوم توانستند در سنگ معدنی اورانیوم دو نوع اتم جدیدیعنی رادیوم (Radium) و پلونیوم (Polonium) را کشف کنند عنصر اولی را بعلت تشعشعش رادیوم ، و خود این اشعه را رادیواکتیو نام نهادند عنصر دومی به افتخار میهن اصلی ماری کوری لهستان پلونیوم نامیده شد .

نکته مهم و قابل توجه اینست که درجه حرارت و فشار و عوامل شیمیایی هیچگونه تاثیری روی میزان صدور اشعه رادیو اکتیو توسط اجسام ندارند و این پارامتر ها روشن می سازد که خاصیت رادیو اکتیو فقط مربوط به تغییرات هسته درون اتم می باشد تشعشع صادره از یک قطعه رادیوم در کلیه جهات به خط مستقیم صورت می گیرد سرب جاذب (حاجب) خوبی برای این پرتوهامی باشد از این رو هر گاه در ته یک محفظه سربی که سوراخی در بالای آن تعبیه شده باشد یک قطعه رادیوم گذاشته شود اشعه گذرنده از سوراخ بر روی صفحه حساس عکاسی که در کاغذ سیاه پیچیده شده و مقابل سوراخ قراردارد ، به اندازه لکه کوچکی اثر می گذارد اشعه صادره در سایر جهات توسط سرب متوقف خواهد شد .

تقسیم بندی پرتوهای تشعشعی :

با کمک صفحه عکاسی به سادگی می توان مشاهده کرد که این اشعه پس از عبور از بین دو صفحه فلزی که دارای بار الکتریکی زیادی هستند یا از بین دو قطب یک آهنربا ی قوی به سه شاخه تقسیم می شوند و در روی صفحه عکاسی به جای یک لکه سه لکه دیده خواهد شد یکی دروسط دیگری خیلی نزدیک به آن و سومی در طرف دیگر قرارداد این سه نوع اشعه را آلفا ، بتا و گاما نامیده اند .

• اشعه ای که کمی به طرف صفحه منفی منحرف شده دارای بار مثبت است و به نام ذره آلفا نام گذاری شده است .
• اشعه ای که کاملاً به سمت صفحه مثبت منحرف شده دارای بار منفی است و به نام ذره بتا نام گذاری شده است .
• اشعه وسطی که بدون انحراف عبور کرده است از نظر الکتریکی خنثی است و به نام اشعه گاما نام گذاری شده است .

کشف مواد رادیو اکتیو مصنوعی :

کیمیاگران قرون وسطی برای تبدیل فلزات معمولی به طلا کوشش فراوانی کردند اما تلاش همه آنها بی نتیجه ماند در سال 1919 رادرفورد به این فکر افتاد که از انرژی تشعشعی اجسام رادیو اکتیو ( انرژی هسته ای ) مثلا ذره آلفا برای خورد کردن (شکستن) هسته اتم و تشکیل هسته جدید استفاده کند چون این ذرات سرعت زیادی دارند ومی توانند به عنوان گلوله های توپخانه کوچکی بمنظور خرد کردن هسته اتم و تشکیل هسته جدید به کارروند.

اولین کشف ;تبدیل ازت به اکسیژن:

رادرفورد یک منبع تشعشعی رادیو اکتیو را در یک لوله پر از گاز ازت قرار داده و ملاحظه نمود که ذرات آلفا که بر اتم های ازت برخورد می کنند در هسته آنها وارد شده و آنها را به دو پاره تقسیم می نمایند (یک هسته اتم اکسیژن سنگین 17 و یک هسته اتم هیدروژن یعنی پروتون) بدین ترتیب برای اولین مرتبه تغییر و تبدیل مصنوعی عناصر به حقیقت پیوست بعدها موفق شدند هسته اتم های عناصر ساده دیگر را نیز بشکنند.

کشف پوزیترون :

ایران ژولیوکوری (Irene Joliot Curie) و شوهرش فردریک ژولیوکوری (Frederic Joliot Curie) در سال 1934 هنگام مطالعه بمباران عناصر ساده مختلف بوسیله ذره آلفا به کشف بزرگی نائل شدند آنها مشاهده نمودند وقتیکه آلومینیوم با ذرات آلفا بمباران می شود ذرات پوزیترون گسیل می کند جرم این ذرات مساوی جرم الکترون بوده و دارای بار مثبت هستند و مقدار این بار از لحاظ قدر مطلق مساوی با بار الکترون می باشد.

صدور پوزیترون بلافاصله پس از بمباران شروع می شود اما کم کم ضعیف شده و بالاخره کاملا قطع می گردد بدین ترتیب این زن و شوهر پی بردند که فعل و انفعالات ذرات آلفا با هسته آلومینیوم سبب تولید یک عنصر رادیو اکتیو مصنوعی شده است که نیم عمر این عنصر رادیو اکتیو 3.25 دقیقه است.

واکنش های هسته ای مصنوعی :

فسفر حاصل از واکنش آلومینیوم 27 با هلیوم 4 یک پوزیترون ساتع می کند و تجزیه می گردد و به هسته پایدار سیلیبوم تبدیل می شود ، این پدیده را رادیو اکتیویته مصنوعی و اجسام نا پایداری که بدین ترتیب بدست می آید را عناصر رادیو اکتیو مصنوعی نامیده اند.

Protactinium - Uranium - Neptunium Nd U        جدول کامل عمومی نام, علامت اختصاری, شماره Uranium, U, 92 گروه های شیمیایی اکتینید ها دوره, بلوک 7 , f جرم حجمی, سختی 19050 kg/m3, ND رنگ سفید نقره ای فلزی خواص اتمی وزن اتمی 238.0289 amu شعاع اتمیcalc. 175 ND»pm) شعاع کووالانسی ND pm شعاع وندر والس 186 pm ساختار الکترونی Rn]7s25f26d1] -e بازای هر سطح انرژی 2,8,18,32,21,9,2 درجه اکسیداسیون «اکسید) 5 «باز ضعیف) ساختار کریستالی اورتورومبیک خواص فیزیکی حالت ماده جامد __) نقطه ذوب 1405( K( 2912 °F نقطه جوش 2070( K(7473 °F حجم مولی 12.49 ש»10-6 ««متر مکعب بر مول گرمای تبخیر 477 kJ/mol گرمای هم جوشی 15.48 kJ/mol فشار بخار ND Pa at 2200 K سرعت صوت 3155 m/s at 293.15 K متفرقه الکترونگاتیویته 1.38 «درجه پائولینگ) ظرفیت گرمایی ویژه 120 J/kg·K رسانایی الکتریکی 3.8 106/m اهم رسانایی گرمایی 27.6 W/»m·K) 1st پتانسیل یونیزاسیون 597.6 kJ/mol 2nd پتانسیل یونیزاسیون 1420 kJ/mol پایدارترین ایزوتوپها iso NA نیمه عمر DM DE MeV DP 232U {syn.} 68.9 y α & SF 5.414 228Th 233U {syn.} 159,200 y SF & α 4.909 229Th 234U 0.006% 245,500 y SF & α 4.859 230Th 235U 0.72% 7.038 E8 y SF & α 4.679 231Th

اورانیوم یکی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است که نماد آن U وعدد اتمِی آن 92 می باشد. اورانیوم که یک عنصر سنگین، سمی، فلزی، رادیواکتیو و براق به رنگ سفید مایل به نقره ای می باشد به گروه آستیندها تعلق داشته و ایزوتوپ 235 آن برای سوخت راکتورهای هسته ای وسلاحهای هسته ای استفاده میشود. معمولا اورانیوم در مقادیر بسیار ناچیز درسخره ها خاک آب گیاهانو جانوران از جمله انسان یافت می شود.

خصوصیتهای قابل توجه

اورانیوم هنگام عمل پالایش به رنگ سفید مایل به نقره ای فلزی با خاصیت رادیو اکتیوی ضعیف یباشد که کمی از فولادنرم تر است. این فلز چکش خاررسانای جریان الکتریسیته و کمی Paramagnetic میباشد. چگالی اورانیوم 65% بیشتر از چگالی سرب میباشد. اگر اورانیوم به خوبی جدا شود بشدت از آب سرد متاثر شده و در برابر هوا اکسید میشود. اورانیوم استخراج شده از معادن میتواند به صورت شیمیایی به دی اکسید اورانیوم و دیگر گونه های قابل استفاده در صنعت تبدیل شود.

اورانیوم در صنعت سه گونه دارد:

• آلفا (Orthohombic) که تا دمای 667.7 درجه پایدار است.
  
• بتا (Tetragonal) که از دمای 667.7 تا 774.8 درجه پایدار است.
  
• گاما (Body-centered cubic) که از دمای 774.8 درجه تا نقطه ذوب پایدار است. ( این رساناترین و چکش خوارترین گونه اورانیوم میباشد.)
  

دو ایزوتوپ مهم ان U235 و U238 میباشند که u235 مهمترین برای راکتورهای و سلاحهای هسته ای است. چرا که این ایزوتوپ تنها ایزوتوپی است که طبیعت وجود دارد و در هر مقدار ممکن توسط نوترونهای حرارتی شکافته میشود. ایزوتوپ u238 نیز از این جهت مهم است که نوترونها را برای تولید ایزوتوپ رادیو اکتیو جذب کرده و آن را به ایزوتوپ Pu239 پلوتونیوم تجزیه میکند. ایزوتوپ مصنوعی U233 نیز شکافته شده و توسط بمباران نوترونی Thorium232 بوجود میآید.
اورانیوم اولین عنصر یافته شده بود که میتوانست شکافته شود. برای نمونه با بمباران آرام نوترونی ایزوتوپ U235 آن به ایزوتوپ کوتاه عمر U236 تبدیل شده و بلا فاصله به به دو هسته کوچکتر تقسیم میشود که این عمل انرژی آزاد کرده و نوترونهای بیشتری تولید میکند. اگر این نوترونها توسط هسته u235 دیگری جذب شوند عملکرد حلقه هسته ای دوباره اتفاق می افتد و اگر چیزی برای جذب نوترونها وجود نداشته باشد به حالت انفجاری در می آیند. اولین بمب اتمی با این اصل جواب داد «شکاف هسته ای) نام دقیقتر برای این بمبها و بمب های هیدروژنی«آمیزش هسته ای) سلاحهای هسته ای میباشد.

کاربردها:

فلز اورانیوم بسیار سنگین و پرچگالی میباشد.اورانیوم خالی توسط بعضی از ارتشها برای ساخت محافظ برای تانکها و ساخت قسمتهایی از موشکها و ادوات جنگی استفاده میشود. ارتشها همچنین از اورانیوم غنی شده برای سوخت ناوگان خود و زیردریایی ها و همچنین سلاحهای هسته ای استفاده میکند. سوخت استفاده شده در راکتورهای ناوگان ایالات متحده معمولا اورانیوم U235 غنی شده میباشد. اورانیوم موجود در سلاحهای هسته ای بشدت غنی میشوند که این مقدار بصورت تقریبی 90% میباشد.

مهمترین کاربرد اورانیوم در بخش غیر نظامی تامین سوخت دستگاههای تولید نیروی هسته ای است که در آنها سوخت U235 به میزان 2الی3% غنی میشود. اورانیوم تخلیه شده در هلیکوپترها و هواپیماها به عنوان وزن متقابل بر هر بار استفاده میشود.

دیگر کاربردهای این عنصر عبارتند از :

• لعاب ظروف سفالی از مقدار کمی اورانیوم طبیعی تشکیل شده است (که داخل فرایند غنی سازی نمیشود) که این عنصر برای اضافه کردن رنگ با آن اضافه میشود.
  
• نیمه عمر طولانی ایزوتوپ اورانیوم 238 آن را برای تخمین سن سنگهای آتشفشانی مناسب میسازد.
  
• U235 در راکتورهای هسته ای Breeder به پلوتونیوم تبدیل میشود. و پلوتونیوم نیز در ساخت بمبهای هیدروژنی مورد استفاده قرار میگیرد.
  
• استات اورانیوم در شیمی تحلیلی کاربرد دارد.
  
• برخی از لوازم نوردهنده از اورانیوم و برخی در مواد شیمیایی عکاسی مانند نیترات اورانیوم استفاده میکنند.
  
• معمولا کودهای فسفاتی حاوی مقدار زیادی اورانیوم طبیعی میباشند. چراکه مواد کانی که آنها از آنجا گرفته شده اند حاوی مقدار زیادی اورانیوم میباشند.
  
• فلز اورانیوم برای اهداف اشعه ایکس در ساخت این اشعه با انرژی بالا استفاده میشود.
  
• این عنصر در وسایل Interial Guidance و Gyro Compass استفاده میشود.
  

بارگذاری میله های سوخت اتمی در راکتور

تاریخچه:

استفاده از اورانیوم به شکل اکسیدطبیعی آن به سال 79 میلادی بر می گردد یعنی زمانی که این عنصر برای اضافه کردن رنگ زرد به سفال لعابدار استفاده شد (شیشه زرد با یک در صد اورانیوم در نزدیکی ناپل ایتالیا کشف شده است.)

کشف این عنصر به شیمیدان آلمانی به نام مارتین هنریچ کلاپرس اختصاص داده شد که در سال 1789 اورانیوم را به صورت قسمتی از کانی که آن را pitchblende نامید کشف شد. نام این عنصر را بر اساس سیاره اورانوس که هشت سال قبل از آن کشف شده بود برگزیده شد .این عنصر در سال 1841 به صورت فلز جداگانه توسط eugne melchior peligot استفاده شد.

در سال 1896 Henri Becquerel فیزیکدان فرانسوی برای اولین بار به خاصیت رادیو اکتیویته آن پی برد.
در پروژه Manhattan نامهای Tuballoy و Oralloy برای اورانیوم طبیعی و اورانیوم غنی شده بکار برده شد. این اسامی هنوز نیز برای اورانیوم غنی شده و اورانیوم طبیعی بکار برده میشوند.

در آغاز قرن بیستم تفحص و جستجو برای یافتن معادن رادیو اکتیو در ایالات متحده آغاز شد. منابع رادیوم که حاوی کانی های اورانیوم نیز می بودند برای استفاده آنها در رنگ ساعت های شب نما و دیگر ابزار جستجو شدند. در طی جنگ جهانی دوم اورانیوم از نظر اهداف دفاعی اهمیت پیدا کرد.

• سوخت های فسیلی
• انواع دیگر انرژی
• انواع شتاب دهنده
• در حوزه ذرات
  
  
  
  
  امروز سوخت و انرژی در دنیا به چند دسته کلی تقسیم می شوند. سوخت های فسیلی و سوخت های غیرفسیلی و انرژی های تجدید پذیر و غیرقابل تجدید.

سوخت های فسیلی

سوخت های فسیلی عبارتند از: نفت، گاز و زغال سنگ که با اکسیژن هوا ترکیب می شوند و ایجاد انرژی به شکل حرارت می کنند. این سوخت ها در مقایسه با سوخت های دیگر انرژی کمتر تولید می کنند. مثلاً یک کیلوگرم زغال سنگ حدود ۸ کیلووات ساعت انرژی تولید می کند و یک کیلوگرم نفت حدود ۱۲ کیلووات ساعت انرژی تولید می کنند. این سوخت ها آلوده کننده محیط زیست نیز هستند.

به علاوه جزء ذخایر غیرقابل تجدید بوده و دارای مشکلات زیادی در حمل و نقل ایمنی نیز هستند. مانند گازگرفتگی (خفگی) یا تولید گاز سمی منوکسید کربن. دسته دیگر از سوخت ها شامل سوخت های هسته ای هستند مانند اورانیوم یا پلوتونیوم یا ایزوتوپ های هیدروژن مانند دوتریوم یا تریتیوم یا فلز سبک لیتیوم. این سوخت ها در مقایسه با سوخت های دسته اول دارای امتیازات مثبت و منفی هستند. اول اینکه در این سوخت ها بعضی ایزوتوپ ها توانایی تولید انرژی به وسیله تکنولوژی فعلی بشر را دارد مانند ایزوتوپ های کمیاب اورانیوم ۲۳۵ یا پلوتونیوم ۲۳۹ یا اورانیوم ۲۳۳ که به این ایزوتوپ ها شکاف پذیر می گویند. امتیازات اینها عبارتند از تولید مقادیر زیاد انرژی به وسیله حجم کم ماده سوختنی. مثلاً از یک کیلوگرم اورانیوم ۲۳۵ یا پلوتونیوم ۲۳۹ می توان مقدار ۲۳میلیون کیلووات ساعت گرما ایجاد کرد، اما مشکلاتی نیز دارند از آن جمله این که: غنی سازی و تولید این ایزوتوپ ها مشکلات و هزینه زیادی دارند. دوم اینکه، این سوخت های هسته ای سنگین پس از تولید انرژی مقادیر زیادی ایزوتوپ های پرتوزا از خود به جای می گذارند که به زباله های هسته ای موسوم است.

این زباله ها برای محیط زیست و سلامت افراد خطرناک هستند و باید برای صدها سال در انبار های محکم نگهداری شوند تا رادیواکتیو آن از بین برود. دسته دیگر از سوخت های هسته ای شامل عناصر سبک مانند دوتریوم یا تریتیوم یا لیتیوم هستند که قرار است در راکتور های گداخت یا همجوش هسته ای تولید انرژی کنند. البته تاکنون از اینها در بمب های هیدروژنی بهره برداری نظامی و تسلیحاتی می شد، اما برای تولید انرژی برای مصارف صلح آمیز تکنولوژی راکتور های گداخت باید تکمیل شود، این سوخت ها معایب و مزایای فراوانی دارند. اول تولید نوترون و تشعشعات نوترونی می کنند که باید در راکتور های همجوشی هسته ای به نحوی جذب و کنترل شوند دوم اینکه تریتیوم نباید از راکتور نشت کند زیرا یک ایزوتوپ رادیواکتیو است.مزایای این سوخت ها عبارت از این که فراوان در دسترس هستند و دوم اینکه تولید انرژی زیادتری نسبت به اورانیوم یا پلوتونیوم می کنند. مثلاً انرژی حاصل از گداخت هیدروژن به هلیوم مساوی است با ۱۷۷میلیون کیلووات ساعت در صورتی که انرژی حاصل از اورانیوم برابر است با ۰۰۰/۰۰۰/۲۳ کیلووات ساعت. بنابراین یک کیلوگرم هیدروژن حدود ۸ برابر یک کیلوگرم اورانیوم تولید انرژی می کند.

انواع دیگر انرژی

انواع دیگر انرژی عبارتند از: انرژی خورشیدی، انرژی باد، انرژی زمین گرمایی و انرژی بیوگاز که مشکل بزرگ این انرژی تجدیدپذیر اینکه بازده انرژی اینها پایین است و دوم اینکه دائمی نیستند و سوم اینکه تکنولوژی بشر برای استفاده مقیاس زیاد از اینها تکمیل نیافته است. ما در این مقاله سعی می کنیم جدیدترین طرح تولید انرژی که شاید یکی از منابع انرژی قرن ۲۱ باشد را معرفی کنیم. این طرح تولید انرژی عبارت از شتاب دهنده ذرات اتمی برای تولید انرژی زیاد، عملکرد این سیستم و دستگاه براساس استفاده از میدان های الکتریکی و مغناطیسی برای شتاب دادن و کنترل ذرات باردار الکتریکی تا مرز سرعت نور است. این سیستم ها قادر هستند سرعت الکترون ها و پروتون ها را تا مرز سرعت نور شتاب دهند. وقتی ذرات تا این حد شتاب یافتند سطح انرژی آنها چند میلیون برابر می شود و دارای انرژی عظیم و فراوانی می شود. یک مثال نشان دهنده این مطلب است، به عنوان مثال شتاب دهنده پروتون در آزمایشگاه فرمی آمریکا قادر است ذرات پروتون را تا یک تریلیون الکترون ولت (Tev) شتاب دهد.

اگر ما به وسیله این شتاب دهنده پروتون های یک گرم هیدورژن معمولی که در آب زیاد است را تزریق کنیم و شتاب دهیم انرژی پروتون ها برابر خواهد بود با انرژی ۲۶ میلیارد کیلووات ساعت انرژی، که مساوی است با انرژی تولید شده به وسیله شکافت حدود ۱۲۰۰ کیلوگرم اورانیوم یا ۱۵ میلیون بشکه نفت. همه این انرژی عظیم و غیرقابل باور فقط به وسیله شتاب دادن پروتون های یک گرم هیدروژن تا سطح انرژی یک تریلیون الکترون ولت است. پس با این محاسبات دانستیم که شتاب دهنده ها دارای چه قدرت عظیمی هستند.

انواع شتاب دهنده

شتاب دهنده ها به چند دسته کلی تقسیم بندی می شوند:

1. شتاب دهنده های خطی
2. شتاب دهنده های مداری
3. شتاب دهنده سیلکووترون

علاوه بر آن ساخت و نگهداری شتاب دهنده آسان و کم هزینه است. در ضمن می توان این سیستم های مولد را در ابعاد و مقیاس های مختلف ساخت به عنوان مثال یک شتاب دهنده خطی که طول آن ۱۰۰ متر و ولتاژ آن ۱۰ میلیون ولت است که قادر است انرژی معادل یک گیگا (Gev) الکترون ولت تولید کند. این انرژی معادل است با انرژی ۲۶ میلیون کیلووات ساعت در هر ثانیه. اگر تنها موفق شویم ۵۰ درصد انرژی این شتاب دهنده را استفاده کنیم این شتاب دهنده قادر است معادل ۲۰ هزار نیروگاه اتمی در مقیاس نیروگاه اتمی هزار مگاواتی نیروگاه بوشهر تولید انرژی کند. یعنی قادر خواهد بود ۲۰ میلیون مگاوات انرژی الکتریکی تولید کند.

علاوه بر آن از حرارت و گرمای تولیدی این دستگاه می توان برای بخار کردن آب دریا و تولید آب شیرین استفاده کرد. محاسبات نشان می دهد که این سیستم قادر خواهد بود در سال معادل بارندگی سالیانه کشور آب شیرین تولید کند، بدون اینکه هوا را آلوده کند یا مشکلاتی از قبیل زباله های هسته ای یا پس مانده و آلودگی ایجاد کند، در واقع یکی از بهترین منابع انرژی خواهد بود. سوخت مصرفی این دستگاه تنها چند گرم هیدروژن معمولی است انرژی تولیدی از یک دستگاه شتاب دهنده یک گیگا الکترون ولت (Gev) برابر است با انرژی حاصل از سوختن ۰۰۰/۵۰۰/۲ لیتر بنزین خواهد بود. بنابراین اگر به مدت یک سال کار کند معادل انرژی ۵۰۰ میلیارد بشکه نفت انرژی تولید می کند.

ارزش اقتصادی این مقدار انرژی که ۲ برابر انرژی ذخایر نفت عربستان سعودی است با احتساب قیمت هر بشکه نفت بر مبنای ۲۰ دلار برابر است با ۱۰ تریلیون دلار. در صورتی که ما از این سیستم شتاب دهنده استفاده کنیم نیازی به سوزاندن این حجم عظیم نفت و گاز برای تولید انرژی نداریم. مزایای این سیستم عبارتند از:

1. می توان در ابعاد و اندازه های مختلف ساخت.
2. هزینه ساخت و نگهداری آن کم بوده است.
3. هیچ گونه زباله یا آلودگی محیطی تولید نمی کند. محصول نهایی آن آب خالص یا بخار آب است.
4. با استفاده از این دستگاه عملاً عمر منابع انرژی نامحدود می شود و منبع عظیمی از انرژی در دسترس خواهد بود.

در حوزه ذرات

1. الکترون ولت: واحد انرژی است و برابر انرژی یک الکترون یا پروتون وقتی از اختلاف پتانسیل یک ولت عبور کند برابر است با ۱۹-۱۰*۶/۱ ژول
   
2. یک گرم هیدروژن ۱۰۲۳ * ۰۲/۶ اتم بوده که به آن یک اتم گرم یا یک مول هیدروژن گویند.
   

اگر این مقدار هیدروژن از شتاب دهنده یک (Gev) عبور کند معادل انرژی آن برابر خواهد بود:

ژول ۱۰۱۳*۶/۹=۱۰۹*۱*۱۰۲۳*۰۲/۶* ۱۹-۱۰*۶/۱

یک کیلووات ساعت برابر است با ۰۰۰/۶۰۰/۳ ژول. بنابراین انرژی آن برابر است با ۲۶ کیلووات ساعت.

۱۰۱۳ *۶/۹ ژول تقسیم بر ۰۰۰/۶۰۰/۳ مساوی ۱۰۵*26

ماشین های شتاب دهنده

دید کلی:

ماشین های شتاب دهنده در انواع مختلف ساخته شده برای نمونه کاربردهایی از شتابدهنده های الکترونی را مطرح می کنیم . اشعه ایکس با نفوذ ، حاصل از این شتاب دهنده ها در معالجات بیماریها بکار برده شده و می شود. با بالا رفتن از انرژی اندرکنش تغییرات ذرات باریکه با هسته ها، موارد مهمی مطرح می شود و الکترونها در تمامی جهات پراکنده می شود.

• توزیع زاویه ای ذرات توسط آشکارسازها مورد مطالعه قرار می گیرد.
  
  
• در انرژیهای بالای 200MeV این امر روش قدرتمندی برای دریافت اطلاعات در مورد شعاعهای هسته ای و توزیع پروتونها در داخل هسته است.

• حتی در انرژیهای بالاتر حدود 600MeV نه تنها این الکترونهای شتاب یافته می توانند ساختار هسته را مشخص نمایند بلکه ساختار پروتونها و الکترونهای منفرد و مجزا را نیز می توانند کشف نمایند.

• به عنوان مثال به وسیله همین مطالعات یعنی ارسال کاوه های الکترونی (پوپ) به اطراف یک نوترون معلوم شده است :
  که نوترون بدون بار نیست بلکه دارای یک توزیع بار مثبت منفی است که میانگین آنها صفر است و حتی در مورد آن با محاسبات فرم فاکتور گشتاور مغناطیسی نیز پیدا شده است.

• هنگامی که ستون تابش شتابدار متشکل از ذرات سوای الکترونها پروتونها ، نوترونها و غیره) باشند وضعیت به طور اساسی فرق خواهد کرد. می دانیم که اینها هسته های اتمی اند و در نتیجه دارای بار مثبت می باشند به ترتیبی که توسط هسته های هدف طبق برهم کنش الکترومغناطیسی دفاع می شوند. ذره با عبور از هدف در اثر برخورد با الکترونهای اتمی به تدریج انرژی خود را از دست می دهد.

• دومین اختلاف بسیار اساسی این نوع باریکه ها ناشی از این حقیقت است که نیروهای بین هستک ها فقط الکترومغناطیسی نیستند. همان طور که می دانید این نتیجه گیری از ذرات وجودی هسته های اتمی ناشی می شود. در واقع اگر تنها نیروهای الکتریکی حاضر بودند، پروتونها همدیگر را دفع می کردند و هسته پایدار بجز هسته استثنایی هیدروژن نمی توانست وجود داشته باشد.

ارمغان ماشین های شتاب دهنده:

• نوع دیگری از نیروها که عموما نیروهای هسته ای نامیده می شوند وجود دارد که می بایست عهده دار نگهداری هسته در کنار همدیگر باشند.
• هنگامی که هسته های اتمی به عنوان پرتابه بکار روند، همین نیروهای هسته ای بر پراکندگی آنها اثر خواهند گذاشت در نتیجه اطلاعاتی درباره طبیعت آنها حاصل خواهد شد.

• طبیعت بنیادی نیروهای هسته ای دقیقا بیان نشده است. لیکن چندین واقعیت حتمی به هر صورت اساس قرار گرفته اند و به طور مثال شما می دانید که برد آنها بسیار کوتاه بودند ( از مرتبه ^13-10 سانتی متر).

• قدرت نیروهای هسته ای واقعا زیاد است. زیرا نیروی دافعه الکتروستاتیکی دو پروتون در چنین فاصله ای حدود 23 "کیلوگرم نیرو" است (به اندازه 1028 برابر وزن خودشان است). به سبب همین نیروها ، ماده هسته ای طوری فشرده شده است که چگالی d=3.5x10⁸gr/cm است.

• دو نوع نیرو داریم که بین دو هسته فرودی و هدف موثر است. نیروی الکتروستاتیکی که در فواصل طولانی موثر است و نیروهای هسته ای حاکم در فواصلی که دو ذره فوق العاده برهم نزدیک باشند.

توان ماشین های شتاب دهنده:

روشن است که نیروهای هسته ای بیشتر روی ذرات فرودی که به قدر کافی انرژی دارند که بتوانند بر سد الکتروستاتیکی حاصل از هدف غلبه کند، کنش نشان میدهد. از بین ماشین های شتابدهنده ذرات ، مولد الکترواستاتیک تک مرحله ای واندوگراف برای مثال با ماکزیمم انرژی 8MeV نمیتواند برای تولید اندرکنشها در هسته های هدف با عدد اتمی بیشتر از 28=Z بکار رود، حال آنکه یک سیکلوترون با 20MeV انرژی عملا دارای چنین محدویتی نیست. پس هر ماشین دارای گستره توانایی معین است.