انرژي هسته­اي

 

 

مقدمه

 

 

در تعريف کلي انرژي يعني توانايي انجام کار. بدون انرژي تقريبا" هيچ کاري انجام

پذير نيست اتوموبيلي به حرکت در نمي آيد ـ بخاري ها گرم نمي شوند بطور کلي انرژي نه

وجود مي آيد و نه از بين مي رود. انرژي را مي توان از منابع طبيعي مانند زغال سنگ و

گاز طبيعي بدست آورد انرژي داراي صورتهاي مختلف است مثلا" ماشين در حال حـرکت داراي

انـرژي حـرکتي يا در کمان تير اندازي انرژي کششي نهفته است يا در اورانيم نيز انرژي

اتمي وجود دارد ما براي تامين انرژي مورد نياز خود سه گروه بزرگ ((ناقل انرژي )) در

اختيار داريم .

 

 

 

 

 

سه گروه بزرگ ناقل انرژي

 

 

1ـ گروه اول مواد سوختني فيلي مانند زغال سنگ ـ گاز و نفت اين مواد در صورت تبديل

به انرژي غير قابل باز يافت مي شوند و از دست مي روند از آنجا که توليدات بسيار

مهمي از قبيل دارو ـ کود ـ مواد مصنوعي و رنگ از اين مواد بدست مي آيد سوزاندن آنها

براي توليد انرژي کار تاسف آوري است بعلاوه توليدات سوزاندن اين موادوشش هوايي زمين

را مسموم و آلوده مي سازند.

 

 

2ـ گروه دوم منابع انرژي تجديد شدني مانند خورشيد ـ باد ـ جزر و مد ـ نيروي آب است

که بدون دخالت انسان خود به خود تجديد مي شوند و به محيط زيست نيز صدمه نمي زنند

متاسفانه در استفاده از اين گروه علم و دانش بشري هنوز آنقدر پيشرفت نکرده است که

به اشتهاي سيري ناپذير انسان به مصرف انرژي پاسخ دهد.

 

 

3ـ گروه سوم مواد سوختني هسته اي مانند اورانيم و پلوتونيم است که در واژه دسترسي

به انرژي هاي عظيم و باور نکردني را به روي ما مي گشايد اين انرژي در هسته اي اتم

نهفته است از يک کيلوگرم زغال سنگ تقريبا" 8 کيلو وات ساعت حرارت بدست مي آيد در

صورتي که از يک کيلوگرم اورانيم نوع 235       23000000 کيلو وات ساعت گرما حاصل مي

شود. چون مواد هسته اي عملا" در صنايع شيميايي کار بردي ندارند مي توان براي توليد

انرژي استفاده کرد به هرحال استفاده نادرست اين مواد خطرات غير قابل تصوري را در بر

دارد.

 

 

تاريخچه اي در باره ي مصرفه کشورها

 

 

استفاده از انرژي اتمي در بسياري از کشورها سال به سال در حال افزايش است، بطوري

انرژي اتمي در 1984 سهم ناچيزي ( اندکي کمتر از 10%) در تامين کل انرژي کشور آلمان

به عهده داشت ولي در زمينه توليد برق اين سهم در سال 1984 به 25% و در سال 1985 به

33% رسيد و در کشور فرانسه حتي به 60% رسيد

 

 

چگونگي توليد بيشتر اين انرژي

 

 

ذخاير اورانيم قابل استخراج زمين توانايي توليد 153 ميليارد تن انرژي را دارند اين

مقدار در نگاه نخست ناچيز به نظر مي رسد ولي با استفاده از تکنولوژي جديد (مثلا"

استفاده از راکتورهاي خود سوخد زا) مي توان اين ميزان سوخت هسته اي 9180 ميليارد تن

انرژي بدست آورد.

 

 

تئوري نسبيت

 

 

يکي از مهمترين معادله ها (( تئوري نسبيت انيشتين ))عبارت است از mc = E ( در اين

فرمول : انرژي = E  و m = جرم و c = سرعت نور است) اين فرمول بيان مي دارد که تحت

شرايط خاصي جرم (m) مي تواند به ميزان عظيمي از انرژي (E) تبديل شود بنابراين مي

شود ماده را شکلي از اشکال گوناگون انرژي تصور کرد که مي توان از آن انواع ديگر

انرژي را شامل (گرما و نور) بدست آورد.

 

 

آماري در قدرت انرژي هسته اي

 

 

در راکتورهاي هسته اي موفق شده اند بخش کوچکي از جرم مواد سوختني را به انرژي

گرمايي تبديل کنند. بر حسب اين معادله مقدار انرژي حاصل از يک کيلو گرم اورانيم 235

برابر با انرژي آزاد شده از 93 واگن قطار باري (گنجايش هر واگن 30 تن است ) زغال

سنگ تا 67 تا نگر ( مر تاتکر 30 تن ظرفيت دارد) مواد سوختني نفتي است که اين مقدار

حدود 23000000 کيلو وات ساعت انرژي است . انرژي حاصل از چند کيلو گرم اورانيم نوع

235 در يک بمب اتمي براي تبديل شهر هيدو شيما در ژاپن به تلي از خاک کار مي برد.

 

 

راديو اکتيو

 

 

راديو اکتيو چيست ؟ هسته اي تمام اتمها مانند هسته ي هيدروژن پــايدار نيستند بسيار

از هسته ها ناگهان در هم مي شکنند به اين ترتيب که با شدت و فشار زياد ذرات کوچکتري

را به خارج پرتاب مي کنند و به اين طريق تغيير شکل مي يابند و تبديل به مواد ديگري

مي شوند اين پديده را راديو اکتيو مي نامند اين پديده توسط فيزيکدان فرانسوي هانري

بکرل کشف شد و به وسيله زوج دانشمند پي ميرو ماري کوري دقيق تر مورد بررسي قرار

گرفت براي مدتي طولاني هيچ کس بطور دقيق نمي دانست که راديو اکتيو واقعا" چيست ؟

البته عناصر شيميايي زيادي کشف شدند که از خود پرتوهاي اسرار آميزي ساطع مي گردند

اين پرتوها مي توانستند شيشه هاي فيلم را سياه کنند. امروزه ما مي دانيم که سه نوع

پرتو راديو اکتيو وجود دارد پرتو آلفا (a) که از هسته اتم هليم تشکيل مي شود پرتو

بتا (B) که از جنس الکترون است و پرتو گاما (d) که از پرتو ذره هــاي بـدون جرم يا

کوانتها بوجود مي آيد کوانتها مانند پرتو ذره هايي اند که در نور و در پرتوهاي

رونتگن ( اشعه ايکس ) يافت مي شوند البته کوانتهاي گاما بسيار بر انرژي تر از پرتو 

ذره هاي رونتگن يا نورند .

 

 

نيمه ي عمر

 

 

ورانيم طي 13 مرحله به عنصر سرب تبديل مي شود زمان فرو پاشي هسته ي اتم را نمي توان

پيش بيني کرد مثلا" فرو پاشي يک هسته بخصوص راديم مي تواند يک ثانيه ي ديگر فردا يا

10000 سال ديگر صورت گيرد.

 

 

فرو پاشي نيمي از هسته ها ، در يک قطعه اورانيم 238 ، 5/4 ميليارد سال طول مي کشد

زماني را که در آن هسته ي نيمي از اتمهاي يک ايزو توپ راديو اکتيو فرو مي پاشد نيمه

عمر آن ايزو توپ مي نامند پلو تونيم نيمه عمر بسيار کوتاهتري دارد اين زمان 138 روز

است.

 

 

اکتيوتيه

 

 

اکتيوتيه يعني يک ماده راديو اکتيو به معناي تعداد هسته هايي از آن است که در يک

ثانيه فرو مي پاشد واحد آن Bq نام دارد اگر در يک ماده براي مثال 403 هسته در ثانيه

فرو پاشند اين جسم داراي اکتوتيه Bq403 است پرتوهاي ايجاد شده به هنگام تبديلهاي

هسته اي نوعي جريان انرژي دار توليد مي کنند که تمامي يا قسمتي از آن بوسيله ماده

اي که پرتو به آن مي تابد جذب مي شود. صدمات تشعشعي فراواني را به موجودات زنده

وارد مي کند زيرا اين پرتوها مي تواند مولکولهاي مهم و حياتي بدن را مفهوم سازند

اثر پرتو آلفا 20 بار خطرناک تر از پرتو بتا يا گاماست .

 

 

چگونگي توليد انرژي هسته اي

 

 

هنگاميکه يک قطعه يزرگ اورانيم 235 در زمان کوتاه بمباران نوتروني مي شود روند زير

اتفاق مي افتد نخستين هسته شکافته مي شود 2 تا 3 نوترون را به خارج پرتاب مي

کند.اين نوترونها در مثال ما 2 هسته ديگر را مي شکافند و در مجموع بطور متوسط 5

نوترون آزاد مي شود وقتي 4 تا از اين نوترونها به هسته هاي همجوار برخورد مي کنند

آنها را مي شکافند. 8 تا 12 نوترون بوجود مي آيد با هر شکافت مقدار عظيمي انرژي رها

مي شود در اين ضمن حدود 20 نوترون ايجاد مي شود و دو باره بر خورد و توليد انرژي

صورت مــي گيرد ايــن جــريان را واکنش زنجيره اي مي نامند اين روش غير قابل کنترل

در بمب اتمي بکار گرفته مي شود خوشبختانه واکنش زنجيره اي را مي توان کنترل کرد و

به اين ترتيب که در هر ثانيه امکان انجام تعداد يعني شکافت را فراهم آورد دقيقا"

همين تکنيک در نيروگاههاي اتمي به کار گرفته مي شود.

 

 

غني سازي

 

 

در اورانيم طبيعي معمولا" واکنش زنجيره اي اتفاق نمي افتد بيش از 99% از اورانيم

يافت شده در طبيعت از نوع 238 u است 2 تا 3 نوتروني که در اثر يک شکافت هسته اي

ايجاد مي شود اغلب پرشتابدار از آنند که بتوانند هسته اي نادر در 235 u را بشکافند.

بنابراين واکنش بدون آمادگي و تنها با يک شکافت انجام پذير نيست براي رسيدن به يک

واکنش زنجيره اي مي توان دو راه پيش گرفت 1ـ بايد مقدار 235 u را افزايش داد تا

مواد قابل شکافت بيشتري بدست آيد 2ـ بايد سرعت نوترونهاي ايجاد شده در اثر شکافت را

کندتر کرد مثلا" سوخت هسته اي مطلوب يعني نيروگاههاي هسته اي در صورتي فراهم مي آيد

کــه ميزان 235 u از 7/0% به 3% افزايش يابد اين روش را غني سازي مي نامند.

 

 

هم جوشي

 

 

همجوشي يا ذوب هسته اي يعني چه ؟ براي بدست آوردن انرژي اتمي روش ديگري نيز وجود

دارد مثلا" اگر هسته هاي دوتريم و ترييتم تحت فشار و حرارت فوق العاده زياد در هم

بجوشند هر بار يک هسته ي حليم و يک نوترون ايجاد مي شود اين دود زه ي جديد در مجموع

جرم کمتري به هسته ي اوليه دارد به جرم از دست رفته به مقدار عظيمي انرژي تبديل مي

شود اين روش را همجوشي يا ذوب هسته اي مي نامند. تمام ستارگان خورشيد و همچنين بمب

هيدروژني انرژي خود را از اين راه بدست مي آورند. نيروگاهها وظبفه توليد جريان

الکتريکي را به عهده دارند. در نيروگاه معمولي سوخت فسيلي (نفت ـ زغال سنگ يا گاز)

مي سوزد در يک نيروگاه اتمي انرژي مورد نياز براي توليد بخار نه با سوزاندن سوخت

فسيلي بلکه با انجام شکافت هسته اي بدست مي آيد. در اين نيروگاه راکتور هسته اي

يعني تاسيساتي که در آن انرژي هسته اي توليد مي شود جايگزين ديگ مي شود. در راکتور

واکنش هاي زنجيره اي کنترل شده اي روي مي دهد و طي آنها تعداد هسته هاي که براي

توليد جريان الکتريکي لازم است شکافته مي شوند. در راکتور آب جوش در يک ديگ فشار با

استفاده از انرژي اتمي آب تبخير مي شود اين بخار فشاري حدود 70 بار معادل يک (

اتمسفر) دارد و توربيني را به حرکت در مي آورد. اين تــوربين انرژي لازم را به يک

ژنراتور منتقل مي کند و در ژنراتور برق توليد مي کند. نيروگاههاي اتمي براي ادامه

فعاليت خود بايد از مواد سوختني استفاده کنند اين مواد پس از سوختن نياز به تخليه و

انتقال دارد. هسته هاي شکافت پذيري که هنوز در عناصر سوختني مصرف شده موجود است

بايد باز يافت شود و زباله هاي غير مفيد و خطرناک بايد از بين برود تمام اين مراحل

را در مجموع گردش مواد سوختني مي گويند

توليد پلاستيک از پسماندهاي گياه موز
محققان به تکنيک تازه اي براي توليد پلاستيک از ضايعات گياه موز دست يافتند. اين پژوهشگران از مرکز تحقيقات پردازش پليمري در دانشگاه «کوئين» در ايرلند براي ابداع تکنيک جديد در پروژه اي موسوم به «پروژه موز» شرکت کرده اند. اين پژوهشگران مي گويند:  تقريبا 20درصد از موز مصرفي در اروپا در جزاير قناري توليد مي شود و سالانه حدود 10 ميليون گياه موز فقط در اين ناحيه کشت مي شود. وقتي ميوه موز از روي درخت برداشت مي شود، باقيمانده گياه بلااستفاده مي ماند و مصرفي ندارد و تقريبا 25هزار تن از اين رشته هاي طبيعي هر سال در اطراف جزاير قناري به دور ريخته مي شوند. در پروژه موز دانشگاه «کوئين» محققان در نظر دارند از اين گياهان استفاده کنند. آنها معتقدند که از اين رشته هاي طبيعي مي توان در توليد و قالب ريزي پلاستيک ها براي مصارف روزانه مانند; مخازن نفتي، گالن هاي آب، بسياري از انواع قايق ها و حتي اسباب بازي هاي پلاستيکي استفاده کرد. پژوهشگران مي گويند: اين روش جديد اساسا براي محيط زيست سودمند است. آنها اميدوارند که با استفاده از اين فيبرهاي طبيعي از مقدار مصرف پلي اتلين در پروسه قالب گيري پلاستيک ها کاسته شود.

                        ساخت نخستين سيستم ليزري 532 نانومتري
                        شرکت ژاپني Laser QD موفق به ساخت فناوري ليزري جديدي شده
                        است که مي تواند در نسل جديد ميکروپروژکتورها مورد استفاده
                        قرار گيرد. اين ليزر جديد که در نمايشگاه Ceatec ژاپن به
                        نمايش درآمد، 5/6 ميليمتر قطر دارد و نور سبزي را به
                        اندازه 532 نانومتر توليد مي کند. توليد نور سبز از جمله
                        مباحثي مربوط مي شود که توليدکنندگان ليزر همواره با آن
                        درگير بوده اند. برخلاف نور آبي و قرمز که توليد آن ها
                        بسيار آسان تر است، سيستم توليد نور سبز با پيچيدگي هاي
                        بيشتري همراه است و کارشناسان تاکنون موفق به استفاده از
                        اين سيستم نوري ليزري در تراشه هاي و پراژکتورهاي کوچک
                        نشده بودند. شرکت Laser QD نخستين مرکز جهان محسوب مي شود
                        که موفق به استفاده از نور سبز در سيستم هاي ليزري مربوط
                        به ميکروپروژکتورها با اندازه کمتر از 1064 نانومتر شده
                        است. اندازه 1064 نانومتر طريق دو برابر طول موج اشعه
                        ليزري سبز است که با عبور از يک سطح کريستالي مخصوص، طول 
                        موج آن به 532 نانومتر کاهش ميابد. ديگر توانايي هاي اين
                        سيستم ليزري شامل قابليت کار کردن در دماهاي عملياتي مختلف
                        و پايين بودن مصرف انرژي مي شود و اين فناوري را براي
                        استفاده از دستگاه هاي الکترونيکي کوچک مبتني بر باتري هاي
                        قابل شارژ مناسب مي کند.

 

ساخت باتري اتمي به ضخامت سکه
                        دانشمندان دانشگاه «ميسوري» آمريکا موفق به ساخت باتري
                        اتمي کوچکي شده اند که مي تواند يک ميليون بار بيشتر از
                        باتري هاي کنوني دستگاه هاي الکترونيکي را شارژ کند. اين
                        باتري راديواکتيوي توسط «جي وان» در مرکز مهندسي سيستم هاي
                        رايانه اي و الکترونيکي ساخته شده است و ضخامت آن به
                        اندازه يک سکه است. اين باتري اتمي جديد از نمونه قبلي که
                        هم اکنون در عمليات هاي فضايي و نظامي مورد استفاده قرار
                        مي گيرد، کوچک تر است. سازنده اين باتري اعلام کرده که اگر
                        در جريان توليد اين محصول از مواد مناسب استفاده مي شد،
                        ضخامت آن به کمتر از يک تار موي انسان مي رسيد. باتري اتمي
                        جديد براي سيستم هاي ميکرو; نانوالکترومکانيکي(NEMS/M)
                        توليد شده است. اين باتري نيروي مورد نياز دستگاه هاي
                        الکترونيکي را از ذرات پرتوهاي شيميايي منتشر شده دريافت
                        مي کند. در اين باتري همچنين از يک ماده نيمه رساناي مايع
                        استفاده شده که حجم کلي باتري را کاهش داده است.

 

انرژي هسته اي

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.

2cb8c11db98bfdd5441da3290007a352

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 انكه 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      

پيشنهاد كردند كه علاوه بر پروتون ذره ديگرى هم جرم آن ولى بدون بار درون هسته است. آنها نام نوترون 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 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

هنگامى كه نوترون توسط چادويك كشف شد، اين واقعيت مسلم شد كه علاوه بر نيروى گرانش و الكترومغناطيسى، حداقل يك نيروى ديگر در طبيعت وجود دارد و اين نيرو است كه عامل پيوند نوكلئون ها (پروتون ها و نوترون ها) درون هسته است. زيرا در صورت عدم وجود اين نيرو، در اثر دافعه شديد بارهاى مثبت پروتون ها بر هم، هسته از هم مى پاشد. از اين مثال برمى آيد كه اولاً اين نيرو بايد جاذبه اى باشد تا در مقابل دافعه پروتون ها بايستد و ثانياً برد آن بايد خيلى كوتاه باشد و از ابعاد هسته بيشتر نباشد. زيرا نيروى الكترومغناطيسى (در مدل بوهر) آرايش الكترون ها در مدارهاى اتمى را به خوبى توضيح مى داد. اما واقعيت مهم و جالب تر اين است كه بايد براى اين نيرو، پروتون و نوترون به يك شكل ديده شوند و فارغ از اختلاف بار الكتريكى اين دو ذره يك شكل باشند. هايزنبرگ با استفاده از اين واقعيت و با ايده گرفتن از نظريه اسپين، مفهوم رياضى جديدى به نام «ايزوتوپ اسپين» يا ايزواسپين را معرفى كرد. او پيشنهاد كرد كه همان طور كه در حضور ميدان الكتريكى خطوط طيفى يكى هستند و با ظهور ميدان مغناطيسى به چند خط ديگر شكافته مى شوند، نوكلئون ها (پروتون و نوترون) هم در حقيقت در مقابل نيروى هسته اى يك ذره هستند اما هنگام ظهور نيروهاى الكترومغناطيسى به دو ذره با ايزواسپين متفاوت تبديل مى شوند.

• نيروى هسته اى قوى

يوكاوا فيزيكدان ژاپنى در سال ۱۹۳۵ براى توضيح نيروى هسته اى گفت: اين نيرو بايد در اثر مبادله ذره اى به نام پيون (مزون پى) بين نوكلئون ها به وجود بيايد. چون اين ذره نسبتاً سنگين است، اصل عدم قطعيت هايزنبرگ ايجاب مى كند كه برد اين نيرو كوتاه باشد، به اين ترتيب ايده مبادله ذره، توانست تمام ويژگى هاى نيروى هسته اى را توضيح بدهد. پيون ها هم مثل نوكلئون ها براى نيروى هسته اى يك ذره به شمار مى روند اما ايزواسپين آنها يك است يعنى در مقابل نيروى الكترومغناطيسى ۳ حالت پيون با بار مثبت و با بار منفى و خنثى را دارند. يك پروتون، با از دست دادن يك پيون مثبت به نوترون تبديل مى شود و اين پيون مثبت خود يك نوترون ديگر را به پروتون تبديل مى كند. دوتا نوترون يا دوتا پروتون هم مى توانند با هم پيون خنثى (صفر) مبادله كنند. يك نوترون هم با از دست دادن يك پيون منفى به پروتون تبديل مى شود و اين پيون منفى با يك پروتون ديگر، يك نوترون توليد مى كند. به اين ترتيب با مبادله اين ذرات، نوكلئون ها در هسته پايدار مى مانند.

•  نيروى هسته اى ضعيف

يكى از ويژگى هاى بارز نوترون نيم عمر آن است. نوترون در حالت آزاد پس از ۱۸ دقيقه متلاشى و به يك پروتون و يك الكترون تبديل مى شود. اين مدت بسيار طولانى تر از تمام پديده هايى است كه با نيروى قوى سروكار دارد. نيرو هاى الكترومغناطيسى هم بر نوترون بدون بار عمل نمى كنند. پس واضح است كه تلاشى نوترون، ناشى از يك نيروى جديد در طبيعت است. به علت ضعيف بودن اين نيرو نسبت به نيروى هسته اى آن را نيروى هسته اى ضعيف نام گذاشتند. تلاشى هسته كه نتيجه آن توليد پرتو بتا است هم ريشه در اين نيرو دارد.
• شكافت
فرمى در فاصله كمى بعد از كشف نوترون در سال ۱۹۳۲ بررسى هسته اتم هاى سنگين بمباران شده به وسيله نوترون را آغاز كرد و از انجام اين آزمايش ها با اورانيوم نتايج عجيبى به دست آمد. اتوهان و اشتراسمن در سال ۱۹۳۹ اين معضل را حل كردند.
آنها كشف كردند وقتى كه اورانيوم با نوترون بمباران مى شود، هسته هايى مثل باريو توليد مى شوند كه عدد اتمى آنها خيلى كوچك تر از عدد اتمى اورانيوم است. ليز ميتنر فيزيكدان آلمانى كه در سوئد زندگى مى كرد، اين پديده را به دقت بررسى كرد و نام شكافت را براى آن انتخاب كرد. بور و ويلر با ارائه مقاله اى فهم نظرى شكافت را به طور كامل ممكن كردند و پس از ارائه مقاله آنها كليه پژوهش هاى علمى در مورد شكافت هسته اى تا به امروز جزء اسناد فوق العاده سرى، طبقه بندى مى شود.

•  گداخت    

هسته هاى خيلى سبك مثل هيدروژن يا هليوم انرژى بستگى كمترى نسبت به هسته هاى سنگين دارند. اگر دو هسته سبك در هم ادغام شوند، هسته سنگين ترى را به وجود مى آورند و مقدار زيادى انرژى به صورت انرژى جنبشى آزاد مى شود. براى انجام گداخت بايد هسته ها را بسيار به هم نزديك كرد. دافعه الكترواستاتيكى مانع بزرگى براى اين فرآيند است. اين واكنش با افزايش انرژى جنبشى هسته هاى اوليه انجام مى شود. دسترسى به چنين انرژى هايى در شتاب دهنده ها آسان است اما براى اينكه اين واكنش خودنگهدار باشد، به دمايى حدود ۱۰۸ كلوين نياز است. (دماى سطح خورشيد شش هزار كلوين است.) چنين وضعيتى تنها در حالت پلاسمايى ماده پيش مى آيد كه در آن هسته ها و الكترون ها از هم جدا هستند. پژوهش ها به روى گداخت هسته اى همچنان ادامه دارد و قرار است در رآكتور Iter در فرانسه براى نخستين بار چنين فرآيند خود نگهدارى اى ايجاد شود. اما شايد رسيدن به اين هدف چند دهه طول بكشد.

مقدمه

 

 

 

نانوفناوری، توانمندی تولید و ساخت مواد، ابزار و سیستم های جدید با در دست

 

  گرفتن کنترل در مقیاس نانومتری یا همان سطوح اتمی و مولکولی، و استفاده از

  خواصی است که در این سطوح ظاهر می شوند. یک نانومتر برابر با یک

 

 

میلیاردیم متر(10-9 متر) می باشد. این اندازه 18000 بار کوچکتر از قطر یک

 

تار موی انسان است. به طور میانگین 3 تا 6 اتم در کنار یکدیگر طولی معادل یک

 

نانومتر را میسازند که این خود به نوع اتم بستگی دارد. به طور کلی، فناوری نانو،

 

گسترش،تولید و استفاده از ابزار و موادی است که ابعادشان در حدود 1-100

 

نانومتر میباشد.

 

فناوری نانو به سه سطح قابل تقسیم است: مواد، ابزارها و سیستم ها. موادی که

 

در سطح نانو در این فناوری به کار می رود، را نانو مواد می گویند. ماده ی

 

نانو ساختار، به هر ماده ای که حداقل یکی از ابعاد آن در مقیاس نانومتری (زیر

 

100 نانومتر) باشد اطلاق می شود. این تعریف به وضوح انواع بسیار زیادی از

 

ساختارها، اعم از ساخته دست بشر یا طبیعت را شامل می شود. منظور از یک

 

ماده ی نانو ساختار، جامدی است که در سراسر بدنه آن انتظام اتمی، کریستال های

 

تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی در مقیاس چند نانومتری گسترده شده باشند. در

حقیقت این مواد متشکل از کریستال ها یا دانه های نانومتری هستند که هر کدام از

 

آنها ممکن است از لحاظ ساختار اتمی، جهات کریستالوگرافی یا ترکیب شیمیایی با

 

یکدیگر متفاوت باشند. همه مواد از جمله فلزات، نیمه هادی ها، شیشه ها، سرامیک

 

ها و پلیمرها در ابعاد نانو می توانند وجود داشته باشند. همچنین محدوده

 

فناوری نانو می تواند به صورت ذرات بی شکل(آمورف)، کریستالی، آلی، غیرآلی

 

و یا به صورت منفرد، مجتمع، پودر، کلوئیدی، سوسپانسیونی یا امولسیونی باشد.