نام فایل : انرژي-هسته-اي-53-ص

فرمت : .doc

تعداد صفحه/اسلاید : 46

حجم : 732 کیلوبایت

نگاهى به مبانى نظرى انرژى هسته اى
دل هر ذره را كه بشكافى...
اتم در زبان يونانى به معنى تقسيم ناپذير است. اين ايده، زاده تفكر دموكريتوس فيلسوف يونانى در ۲۳۰۰ سال پيش است. براى او اين تصور محال بود كه اجسام مادى بتوانند بى حد و حصر تقسيم شوند. اما «جان دالتون» شيميدان بود كه نخستين نظريه اتمى نوين را ارائه كرد. دالتون كه كارش پژوهش در مورد هواشناسى بود، به تركيب گازها علاقه مند شد و خيلى زود ايده تشكيل گازها از واحدهاى كوچك غيرقابل تقسيم در ذهنش شكل گرفت. او اين نظريه را در سال ۱۸۰۸ تحت عنوان «سيستم جديد فلسفه شيمى» منتشر كرد. تا دهه پايانى قرن نوزدهم دو جنبه اساسى فيزيك كلاسيك يعنى مكانيك كلاسيك و الكترومغناطيس به خوبى شناخته شده بود و دانشمندان گمان مى كردند كه طبيعت براساس دو نيروى گرانشى و الكترومغناطيسى ساخته شده است. درست در همين زمان بود كه پديده هايى مشاهده شد كه طى دهه هاى ابتدايى قرن بيستم منجر به بزرگترين انقلاب هاى تاريخ علم يعنى نسبيت عام و مكانيك كوانتومى شدند.
•
راديواكتيويته
در سال ۱۸۹۶ آنتوان هانرى بكرل (
Becquerel
) فيزيكدان فرانسوى كه از كشف اشعه
X
به وسيله رونتگن مطلع شده بود، به دنبال يك رشته آزمايش روى سنگ معدنى به نام اورانيل، فعاليت هاى پرتوافشانى خود به خودى خاصى را كشف كرد و آن را «راديواكتيويته» نام گذاشت. پس از او مارى و پى ير كورى هم دو عنصر راديوم و پولونيوم را كشف كردند كه خاصيت راديواكتيويته بسيار بيشترى داشتند. اما بيشتر پژوهش ها روى راديواكتيويته به وسيله لرد رادرفورد انجام شد. او كشف كرد كه خاصيت راديواكتيويته ناشى از پراكنش سه نوع اشعه است:
۱- اشعه آلفا كه توسط يك برگ كاغذ متوقف مى شود. بار آن مثبت است و در حقيقت همان يون هاى هليوم دو بار مثبت يا هسته اتم هليوم است.
۲- اشعه بتا كه از ورقه چند ميلى مترى آلومينيوم رد مى شود. بار آن منفى است. ماهيت اين اشعه الكترون هاى پرانرژى است.
۳- اشعه گاما كه از صفحات سربى به ضخامت ده ها سانتى متر هم عبور مى كند، از لحاظ الكتريكى خنثى است. اين اشعه فوتون هاى پرانرژى با طول موج بسيار كوتاه است.
دانشمندان با توجه به مجموعه آزمايش هاى رادرفورد به اين نتيجه رسيدند كه اتم ها برخلاف نامشان از اجزاى كوچكترى هم تشكيل شده اند.
•
هسته
افتخار كشف هسته اتم نيز از آن رادرفورد است. او با كمك دو دانشجويش به نام گايگر و مارسدن با انجام آزمايشى كه «پراكندگى» نام دارد، به وجود هسته پى برد. رادرفورد فكر مى كرد كه اتم ها مثل مدل كيك كشمشى تامسون از تعدادى الكترون تشكيل شده اند كه در يك فضاى پيوسته با بار مثبت قرار دارند. به همين دليل ذرات آلفا را به سمت ورقه  نازكى از طلا پرتاب كرد. اما پراكندگى اين ذرات از هسته طلا نشان داد كه بارهاى مثبت در ناحيه بسيار كوچكى در وسط اتم متمركز شده اند. شعاع اتم حدود يك آنگسترم (۱۰-۱۰ متر) است ولى اندازه هسته حدود ۱۰ فرمى (۱۴ -۱۰ متر) است.
• نيمه عمر
پس از اينكه رادرفورد ماهيت تشعشع راديواكتيو را كشف كرد، دانشمندان پى بردند كه راديواكتيويته به علت تلاشى خودبه خود هسته هاى سنگين و تبديل آنها به هسته هاى سبك تر است. در حين اين تبديل، ذرات آلفا، بتا و گاما ساطع مى شود. در حقيقت پس از خارج شدن اين ذرات از هسته، ماهيت آن تغيير مى كند. تعداد هسته هايى كه در هر لحظه متلاشى مى شوند با تعداد هسته ها در آن لحظه نسبت مستقيم دارد. زمانى را كه نيمى از هسته هاى ماده ابتدايى متلاشى مى شوند، نيمه عمر ماده مى گويند. يعنى اگر در ابتدا يك گرم ماده راديواكتيو داشته باشيم، پس از يك نيمه عمر نصف و پس از دو نيمه عمر، يك چهارم و پس از سه نيمه عمر، يك هشتم مقدار اوليه را خواهيم داشت. نيمه عمر مواد مختلف متفاوت است و از چند ميليارديوم ثانيه تا چندين ميليارد سال تغيير مى كند. معمولاً هرچه نيمه عمر بيشتر باشد، انرژى ساطع شده از تلاشى راديواكتيويته كمتر است. نيمه عمر اورانيوم ۵/۴ ميليارد سال است. نيمه عمر راديوم ۱۵۹۰ سال و نيم عمر راكتانيوم كمتر از ۱۰ هزارم ثانيه است.
• درون هسته
مدل اتمى رادرفورد بيانگر اين مطلب بود كه هسته در وسط اتم داراى بار مثبت است و الكترون ها با بار منفى در اطراف آن قرار دارند. مدل اتمى بور هم مدل رادرفورد را كامل كرد و سازوكار منظمى را براى استقرار الكترون ها در اطراف هسته تدوين كرد. اما تفسير و توجيه راديواكتيويته ترديدى به جاى نمى گذارد كه هسته ها خود مجموعه  مكانيكى پيچيده اى هستند كه از اجراى سازنده متفاوتى تشكيل شده اند. اين واقعيت كه وزن اتمى ايزوتوپ هاى اتم هاى مختلف (بعضى از اتم ها درحالى كه جرم اندكى متفاوت با هم دارند، خواص شيميايى كاملاً يكسانى دارند، به اين اتم ها ايزوتوپ مى گويند.) با اعداد صحيح (يا لااقل بسيار نزديك به عدد صحيح) بيان مى شوند، نشان مى دهد كه پروتون ها (حاملان بار مثبت) بايد نقش يكى از اجزاى اصلى سازنده هسته را داشته باشند. ابتدا فرض مى كردند كه درون هر هسته علاوه بر پروتون، الكترون هم هست. يعنى مثلاً كربن كه جرم ۱۲ و بار ۶+ دارد، درون هسته خود ۱۲ پروتون و ۶ الكترون دارد و علاوه بر آن در بيرون هسته هم ۶ الكترون به دور آن مى  چرخند اما اين راه حل از لحاظ نظرى مشكلات عديده اى را به همراه داشت. اما رادرفورد و بور پيشنهاد كردند كه علاوه بر پروتون ذره ديگرى هم جرم آن ولى بدون بار درون هسته است. آنها نام نوترون را براى آن انتخاب كردند و اين ذره در سال ۱۹۳۲ توسط چادويك كشف شد.
•
اسپين
اتم ها در اثر گرفتن انرژى، تابش مى كنند. اين تابش ناشى از اين است كه الكترون هاى اطراف هسته، انرژى مى گيرند و بعد اين انرژى را به صورت يك فوتون با طول موج معين بازمى تابانند. اما خود اين طيف در مجاورت ميدان الكترومغناطيسى، به چند طول موج جدا از هم تفكيك مى شود. علت اين است كه الكترون ها در اتم، اندازه حركت زاويه اى هم دارند. اشترن و گرلاخ نشان دادند كه الكترون ها علاوه بر اين اندازه حركت زاويه اى، خاصيت ديگرى هم دارند كه فقط در حضور ميدان مغناطيسى آن را بروز مى دهند. به دليل شباهت اين خاصيت به اندازه حركت زاويه اى، نام آن را «اندازه حركت زاويه اى ذاتى» يا اسپين نهادند. بعدها ثابت شد كه علاوه بر الكترون، باقى ذرات بنيادى هم اسپين دارند. مهمترين ويژگى اسپين اين است كه يك خاصيت كاملاً كوانتومى است و مشابه كلاسيك ندارد. ذراتى كه اسپين نيم صحيح دارند (يك دوم، سه دوم، ...) فرميون مى نامند، مثل الكترون، پروتون، نوترون و... اين ذرات تشكيل دهنده ماده هستند. در مقابل ذراتى كه اسپين صحيح دارند(صفر، ۱ ، ۲ و...) بوزون گفته مى شوند، مثل فوتون، مزون، گلوتون و... اين ذرات حامل نيروها هستند.
• ايزواسپين و نيروى هسته اى
...