شیمی هسته ای

ماهیت رادیواکتیویته

هنری بکرل (Henri Beequerel) در سال 1896 بطور اتفاقی کشف کرد که ترکیبات اورانیوم ، تشعشعاتی که ماهیت آن شبیه اشعه ایکس می‌باشد، منتشر می‌کنند. به عناصری از قبیل اورانیوم که بطور خود به خود بدون آنکه انرژی جذب نمایند، انرژی صادر می‌کنند، مواد رادیواکتیو طبیعی گفته می‌شود. آزمایشهایی که در آنها از میدانهای الکتریکی یا مغناطیسی استفاده می‌گردد، نشان داده‌اند که اشعه انتشار یافته از نوع متمایز تشکیل شده است. یک میدان الکتریکی که بر یک پرتو باریک اشعه موازی اشعه انتشار یافته از یک منبع رادیواکتیو طبیعی اعمال شده است، آنرا به سه دسته جدا می‌سازند که با آلفا (α) ، بتا (β) و گاما (γ) علامت گذاری شده است.

• پرتو α: این پرتو که به طرف منفی صفحه فلزی منحرف می‌شود، باید از ذرات با بار مثبت تشکیل شده باشد. ذره آلفا که به صورت ⁴₂He⁺² نیز شناخته می‌شود، دو واحد بار مثبت حل نموده و دارای جرم یک هسته هلیوم می‌باشد.
  
  
• پرتو β: این پرتو که دارای انحراف شدیدتری به طرف صفحه فلزی مثبت می‌باشد، باید از ذرات سبکتری با بار منفی تشکیل شده باشند. بار الکتریکی و جرم یک ذره بتا همانند بار یک الکترون بود.
  
  
• پرتو γ: خواص اشعه گاما مشابه خواص اشعه X می‌باشد ما با این تفاوت که طول موج آنها از طول موج اشعه X کوتاهترند. اشعه گاما فوتونهایی هستند که فرکانسهای آنها چندین میلیون برابر فرکانسهای نور مرئی می‌باشد.

علت رادیواکتیویته

همچنین کشف گردید که ایزوتوپهای رادیواکتیو (رادیو ایزوتوپها) به کرات عناصر دیگر را تولید می‌نمایند به عنوان مثال ، "رادرفورد" دریافت که رادیم ، ذرات α و رادون ، که یک گاز رادیواکتیو می‌باشد، را بطور خود به خود منتشر می‌نماید. برای توجیه این مشاهدات ، "رادرفورد" و "فردریک ساری" در سال 1902 فرض نمودند که رادیواکتیویته نتیجه یک تغییر خود به خود در اتمهای یک عنصر می‌باشد که به اتمهای عنصر دیگر تبدیل می‌گردند. این واکنشهای هسته‌ای (تغییرات و تبدیلات) مشمول یک تغییر در عدد اتمی یا عدد جرمی (یا هر دو) ، رادیو ایزوتوپها می‌باشد.

واکنشهای شیمیایی و واکنشهای هسته‌ای

در واکنشهای شیمیایی ، اتمها ، نظم جدید پیدا می‌کنند. آنها بوجود نمی‌آیند و از بین نمی‌روند و منهدم نمی‌گردند. از اینجاست که در واکنشهای هسته‌ای ، اعداد جرمی ثابت باقی می‌مانند. مجموع اعداد جرمی هسته‌ها و ذرات واکنش دهنده باید با مجموع اعداد جرمی هسته‌ها و ذرات واکنش دهنده باید با مجموع اعداد جرمی هسته‌ها و ذراتی که حاصل می‌گردند، برابر باشد. بقای بار ایجاب می‌کند که مجموع اعداد اتمی هسته‌ها و ذرات واکنش دهنده با مجموع اعداد اتمی هسته‌های محصولات برابر باشد.

لطفا به ادامه مطلب مراجعه فرمایید****با تشکر****

پرتو گاما

با توجه به اینکه اشعه گاما دارای تشعشع الکترومغناطیسی می‌باشد، آن فاقد بار و جرم سکون است. اشعه گاما موجب برهمکنشهای کولنی نمی‌گردد و لذا آنها برخلاف ذرات باردار بطور پیوسته انرژی از دست نمی‌دهند. معمولا اشعه گاما تنها یک یا چند برهمکنش اتفاقی با الکترونها یا هسته‌های اتم‌های ماده جذب کننده احساس می‌کند. در این برهمکنش‌ها اشعه گاما یا بطور کامل ناپدید می گردد یا انرژی آن بطور قابل ملاحظه‌ای تغییر می‌یابد. اشعه گاما دارای بردهای مجزا نیست، به جای آن ، شدت یک باری که اشعه گاما بطور پیوسته با عبور آن از میان ماده مطابق قانون نمایی جذب کاهش می‌یابد.
 

فروپاشی گاما

در فروپاشی گاما ، هنگامی که یک هسته تحت گذارهایی از حالات برانگیخته بالاتر به حالات برانگیخته پایین‌تر یا حالت پایه آن می‌رود، تشعشع الکترومغناطیسی منتشر می‌گردد. معادله عمومی فروپاشی گاما بصورت زیر است:
 

که در آنX و X^* به ترتیب نشان دهنده حالت پایه (غیر برانگیخته) و حالت با انرژی بالاتر است. قابل ذکر است که این فروپاشی با هیچ گونه تغییر در عدد جرمی (A) و عدد اتمی (Z) همراه نیست.

حالت برانگیخته هسته و حالت با انرژی پایین حاصل شده در اثر نشر پرتو گاما ، فقط زمانی به عنوان ایزومر هسته‌ای در نظر گرفته می‌شود که نیمه عمر حالت برانگیخته به اندازه‌ای طولانی باشد که بتوان آن را به سادگی اندازه گیری نمود. زمانی که این حالت وجود داشته باشد، فروپاشی گاما به عنوان یک گذار ایزومری توصیف می‌گردد. اصطلاحات حالت نیمه پایدار یا حالت برانگیخته برای توصیف گونه‌ها در حالات انرژی بالاتر از حالت پایه نیز به کار می‌رود.
 

لطفا به ادامه مطلب مراجعه فرمایید.****با تشکر****

همجوشی طبیعی

همجوشی به صورت طبیعی هم رخ می‌دهد. انرژی گرمایی که هر روزه زمین و منظومه شمسی را گرم می‌کند ناشی از واکنشهای همجوشی در خورشید است به این نحو که در خورشید (یا در ستارگان دیگر) نیروهای گرانشی قوی باعث می‌شوند ایزوتوپهای هسته‌های هیدروژن به اندازه کافی به هم نزدیک و با هم ترکیب شوند تا هسته هلیوم و مقداری انرژی تولید شود.البته برای آغاز همجوشی باید هسته‌های مورد نظر را باید به اندازه کافی به هم نزدیک کنیم.برای نزدیک کردن هسته‌ها به هم باید بر نیروی دافعه کولنی میان هسته‌ها غلبه کنیم که این کار نیاز به انرژی بسیار بالایی دارد.بطور مثال برای آغاز همجوشی مخلوطی از دوتریوم و تریتیوم باید دمای سوخت را تا دمای 100 میلیون درجه سانتیگراد بالا ببریم

مزیت‌ها

مزیت همجوشی هسته‌ای نسبت به شکافت هسته‌ای مقایسه می‌شود:

• منابع سوخت آن بسیار فراوان است. به عنوان مثال دوتریوم حدود ۱۵۳ ۰/۰ درصد اتمی ازهیدروژنهای آب اقیانوسها را تشکیل می‌دهد. تریتیوم نیز در فرآیند جذب نوترون توسط لیتیوم قابل تولید است.
• به ازاء هر نوکلئون از ماده سوخت، انرژی تولیدی نسبت به روش شکافت بیشتر است.
• معضل پسماندهای هسته‌ای را ندارد.
• اینکه در هنگام وقوع حوادث احتمالی، راکتور همجوشی از کنترل خارج نمی‌شود.

به عنوان مثالی از انرژی تولیدی در یک راکتور همجوشی می‌توان گفت اگر یک گالن از آب دریا را که دارای مقدارکافی دوترون است در واکنش همجوشی استفاده کنیم معادل ۳۰۰ گالن گازوئیل انرژی بدون آلودگی تولید می‌کند.

روش‌های همجوشی

لیزر نوا در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در تحقیقات همجوشی

محصورسازی به روشهای متفاوتی انجام پذیر است. مهمترین این روشها عبارتند از:

محصور سازی مغناطیسی

در این روش از میادین پرقدرت برای حفظ یک پلاسما استفاده می‌گردد.دو نوع رآکتور توکوماک و اسفرومک بر اساس این روش طراحی شده است.

همجوشی هسته‌ای کنترل شده توسط لیزرهای پر توان

در این روش از لیزرهای پرتوانی جهت محصورساختن ساچمه‌های کوچکی استفاده می‌شود که در آنها سوخت هسته‌ای فشرده سازی شده باشد.

همجوشی هسته‌ای توسط کاتالیزور میونی

همجوشی هسته‌ای توسط کاتالیزور میونی (Muon-catalyzed fusion (μCF

همجوشی (گداخت) هسته‌ای یا فیوژن فرآیندی عکس عمل شکافت هسته‌ای است. در فرآیند همجوشی هسته‌ای هسته‌های سبک مانند هیدروژن، دوتریوم و تریتیوم با یکدیگر همجوشی داده شده و هسته‌های سنگین‌تر و مقداری انرژی تولید می‌شود.

برای اینکه همجوشی امکان پذیر باشد هسته‌هایی که در واکنش وارد می‌شوند باید داریای انرژی جنبشی کافی باشند تا بر میدان الکترواستاتیکی پیرامونشان فائق آیند. بنابر این دما‌های وابسته به واکنش‌های همجوشی فوق العاده بالاست.

در سال ۱۹۵۲ اولین انفجار آزمایشی گرماهسته‌ای باعث آزاد شدن مقدار زیادی انرژی کنترل‌نشده شد. این آزمایش نشان داد که اگر دمای یک گاز متشکل از ذرات باردار - پلاسما - با چگالی بالا تا حد ۵۰ میلیون درجه کلوین افزایش یابد، انرژی همجوشی زیادی آزاد شد. این افزایش دما باعث ایجاد واکنش همجوشی هسته‌ای در گاز یونیده می‌شود. پس از انفجار موفقیت آمیز بمب هیدروژنی جستجو برای آزاد کردن کنترل شده انرژی همجوشی شروع شد.