پرسش 16مهر

همه چیز از اتم شروع شد، شاید باور نکنید کوچکترین ذره ی هستی، چنین نقش مهم و بزرگی در دنیای آدم ها بازی کند. برای شروع کار باید به ۲۳ قرن پیش(!!!!) برگردیم و ببینیم سروکله اتم از کجا پیدا شد. زمانی که برای اولین باردموکریت یونانی گفت تمام هستی از ذرات تجزیه ناپذیری به نام اتم ساخته شده اند (خب لابد اینو که همتون از کتابای شیمی مدرسه میدونستین!). اما چنین گفته ی ساده ای چطور به مدل اتمی امروز تبدیل شد؟ این تغییر و تکامل را مدیون انسان های کنجکاو و شجاعی هستیم که بر باورهای غلط زمان خود غلبه کرده و ما را به دنیای تکنولوژی و مدرن قرن ۲۱ رساندند. بعد از دموکریت، نوبت به دالتون انگلیسی رسید که برای نظریه ی تازه متولد شده ی اتم، قواعد و شرایطی را بیان کرد و جان تازه ای به آن بخشید. پس از این الکترون و پروتون کشف شدند و رادرفورد پیشنهاد کرد که اتم باید مثل سیستم منظومه ی شمسی کار کند. یعنی الکترون ها(سیاره ها) به دور هسته(خورشید) می چرخند، در واقع رادرفورد نخستین کسی بود که هسته ی اتم را کشف کرد، اما این نظریه باز هم تناقض هایی داشت، اینبار نیلز بور دانمارکی بود که نظریه ی رادرفورد را به چالش کشیده و مدل اتمی را اصلاح کرد. مدل بور خوب بود ولی فقط برای هیدورژن، و برای اتمهای سنگین تر شکستن خورد!

حالا نوبت تولد جنجالی ترین نظریه ی تاریخ علم، یعنی مکانیک کوانتومی بود. این نظریه چنان عظیم و سنگین بود که تقریباً تمام غول های فیزیک و شیمی قرن ۱۹ از پایه گذاران آن به شمار می آیند. نظریه ی جنجالی دیگری که تنها توسط یک نفر، یعنی اینشتین (که خودش اندازه چند نفر بود!) کشف شد، نسبیت بود. این دو نظریه، واقعیتی بسیار عجیب را آشکار کردند: ماده و انرژی دو روی یک سکه اند! و مشهورترین معادله ی فیزیکی یعنی E=mc² این رابطه را به صورت ریاضی نشان می داد. در این معادله، E انرژی ، m  جرم و c سرعت نوراست که مقدار آن برابر با ۳۰۰.۰۰۰.۰۰۰متر بر ثانیه است (البته مقدار دقیقش ۲۹۹٬۷۹۲٬۴۵۸).

تا اینجا ما فقط سیر تحول تاریخی مدل اتمی را بررسی کرده ایم، اما طی سال هایی که مدل اتمی در حال کامل شدن بود، سه بار اثرات پرتوزایی(رادیو اکتیویته) مشاهده شد: ۱- هانری بکرل که به طور اتفاقی متوجه پرتوزایی سنگ اورانیوم شد ۲- ماری کوری که رادیم و پرتوزایی آن کشف کرد ۳- رادرفورد که پرتوهای آلفا را مشاهده کرد. بنابراین با قرار دادن این مشاهدات در کنار مدل کوانتومی اتم، مشخص شد این پرتوها مربوط به اتفاقاتی در داخل اتم هستند.

حالا بهتر است با معادله ی نسبیت اینشتین(معادله ی بالا) کمی بازی کرده و یک حساب سرانگشتی با آن انجام دهیم، مثلاً این سوال را مطرح می کنیم: یک جسم ۱کیلوگرمی چقدر انرژی دارد؟

ژول  E=1 kg * (300000000)² m/s=90000000000000000

۹۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰ ژول ؛ فوق العاده است! برای اینکه به اصطلاح حساب کار دستتان بیاید، بهتر است بدانید انرژی حاصل از سوختن یک تن (۱۰۰۰ کیلوگرم) ذغالسنگ، تنها ۳۲۰۰۰۰۰۰۰۰۰ ژول بوده، یا انرژی لازم برای برای فرستادن ۱ کیلوگرم جرم به مدار پایینی زمین،۳۲۹۰۰۰۰۰ژول است.

اتم ها اگر چه بسیار کوچک اند، اما انرژی عظیمی در آن ها نهفته است. در واقع با شکافت هسته، چنین انرژی عظیمی به دست می آید، چرا که تقریبا تمام جرم یک اتم مربوط به هسته ی آن است(الکترون ها حدود ۱۸۳۷ بار سبک تر از پروتون ها هستند). از اینجا بود که انرژی هسته ای متولد شد و بشر به فکر استفاده از این منبع عظیم انرژی افتاد و به دنبال راهی بود تا این انرژی ر آزاد کند،  تا زمانی که دو دانشمند آلمانی، هسته ی اتم اورانیوم را با نوترون بمباران کردند. حاصل این بمباران دو عنصر رادیواکتیو با جرم اتمی کمتر از اورانیوم بود. با این فروپاشی، انرژی بسیار زیادی، طبق معادله ای اینشتین آزاد میشد و اینجا بود که برای اولین بار مسئله ی بمب اتمی مطرح شد.

قبل از آغاز جنگ جهانی دوم، افکار به این سمت رفت که احتمالا آلمان با وجود نابغه ای مثل ورنر هایزنبرگ (خالق کوانتوم ماتریسی و البته اصل بسیار مهم عدم قطعیت هایزنبرگ) اقدام به ساخت بمب اتمی کند، بنابراین اینشتین به فرانکلین رزولت، رییس جمهور وقت آمریکا، نامه ای نوشت و در آن از امکان ساخت بمب اتم توسط آلمان سخن گفت و از آمریکا خواست برای ساخت بمب اتم پیشی گیرد. بنابراین دولت آمریکا برای پیشدستی بر دولت آلمان، پروژه ی ساخت بمب اتمی،  یعنی پروژه ی منهتن را به کمک انریکو فرمی راه انداخت. وی نخستین کسی بود که توانست برای اولین بار یک واکنش هسته ای را در راکتور خود واقع در دانشگاه شیکاگو، کنترل کند. سرپرست علمی این پروژه، رابرت اوپنهایمر بود که به وی لقب پدر بمب اتمی را داده اند. سه سال پس آغاز پروژه ی منهتن، نخستین بمب اتمی در مکزیکو تست شد و سه هفته بعد در هیروشیما و ناکازاکی، جان هزاران نفر را گرفت.(جالب اینجاست که ساختن بمب اتمی توسط آلمان توهمی بیش نبود و آلمان هیچگاه بمب اتمی نساخت و البته اینشتین بعدها از حامیان حقوق بشر و مخالفان بمب اتمی شد)

نگاهی مختصر به فرآیندهای هسته ای

قبل از بررسی، باید چند مسئله یادآوری شود. اورانیوم دارای دو ایزوتوپ ۲۳۵ و ۲۳۸ است. خب حالا ایزوتوپ چیست؟ جواب خیلی ساده ی آن می شود دو عنصری که فقط از نظر جرم باهم تفاوت دارند. (به طور ظریف تر تنها اختلاف آنها در تعداد نوترون های هسته است). مثلاً همین آب سنگین که در بحث هسته ای مطرح است، به این معناست که ملکول آب به جای هیدورژن معمولی، از همتای سنگین ترش به نام دوتریم تشکیل شده است. عناصری که ایزوتوپ یکدیگر هستند(مثل همین هیدروژن و دوتریم یا اورانیوم ۲۳۵ و ۲۳۸) خواص شیمیایی یکسانی دارند، اما خواص فیزیکی یکسانی نخواهند داشت! چرا که خواص شیمیایی در واقع بستگی به ماهیت درونی ماده بستگی دارد، اما خواص فیزیکی به ویژگی های فیزیکی مثل جرم، وابسته اند.

در فرآیند شکافت هسته ای اورانیوم ۲۳۵ به اورانیوم ۲۳۸ ترجیح داده می شود، به دلایل زیر:

• هسته ی آن راحت تر شکافته می شود

• پس از شکافت هسته، دو یا سه نوترون هم آزاد می شوند که می توانند با اتم های جدید اورانیوم برخورد کرده و این فرآیند را تکرار کنند، پس با یک پروسه ی زنجیره ای و بنابراین بسیار پربازده تر روبرو هستیم.

اما در این میان مشکلی وجود دارد و آن ناپایداری (نیمه عمر کوتاه) اورانیوم ۲۳۵ است که باعث می شود این ایزوتوپ، به سرعت فروپاشیده شود و به همین خاطر در طبیعت به مقدار کمی موجود است، یعنی تنها ۰.۷ % اورانیوم های موجود در طبیعت، ۲۳۵ هستند و بقیه از نوع سنگین ۲۳۸ هستند. پس باید آن را خالص و غنی کنیم.

راکتور هسته ای در واقع، دستگاهی است که فرآیند شکافت هسته ای در آن، به صورت کنترل شده انجام می گیرد. سوخت راکتورهای هسته ای، اورانیوم است. اما این اورانیوم به صورت خام قابل استفاده نبوده و باید تغییراتی در آن انجام شود. مراحل این تغییر عبارتند از:

فرآوری: پس از اینکه اورانیوم استخراج شد، آن را آسیاب می کنند تا پودر نرمی به دست آید. این پودر طی یک پروسه ی شیمیایی (شستشو با سولفوریک اسید) و خشک کردن، به ماده جامد زرد رنگی به نام کیک زرد (بافرمولU₃O₈ ) تبدیل می شود. پس از آن، کیک زرد به اورانیوم هگزافلورید (UF₆) تبدیل می شود که برای مرحله ی غنی سازی استفاده می شود.

 غنی سازی: همانطور که از نام این فرآیند برمی آید، هدف، خالص سازی اورانیوم ۲۳۵ است. اورانیوم ۲۳۵ راکتورهای هسته ای باید از درصد خلوص ۰.۷ به ۲تا۳ درصد برسد(درصد خلوص اورانیوم بمب اتمی باید بیش از ۹۰ درصد باشد!). حالا چه طور این دو نوع اورانیوم را از هم جدا کنیم؟ اگر یادتان باشد گفتیم خواص شیمیایی دو ایزوتوپ یکسان است، پس باید به سراغ خواص فیزیکی برویم، راه حل، استفاده از سانتریفیوژ است، بچه هایی که مثل من رشته ی شیمی هستند، حتما در آزمایشگاه با سانتریفیوژ کارکرده اند. کلمه ی لاتین سانتریفیوژ به معنای تفکیک کردن است و طرز کار کلی آن این است که یک محفظه با سرعت زیادی حول محور خور می چرخد، بنابراین زمانیکه هگزافلورید به داخل این محفظه تزریق می شود، نیروی گریز از مرکز باعث تمرکز ملکول های حاوی اورانیوم سبکتر ۲۳۵ در مرکز محفظه و ملکول های حاوی اورنیوم سنگین تر ۲۳۸، در قسمت دورتر از مرکز محفظه می شود. اورانیوم ۲۳۵ جدا شده، دوباره در سانتریفیوژ دیگری تفکیک می شود و این عمل آنقدر تکرار می شود تا اورانیوم ۲۳۵ به خلوص لازم برسد.