شیمی هسته ای، به زبان ساده

شکافت هسته ای از چیز هایی است که زیاد می شنویم. امروز قرار است مفصل راجب آن و موضوعات مرتبط صحبت کنیم.

مطمئنم این روز ها، اسمِ شکافت هسته ای زیاد به گوشتان خورده است. اما برایتان سوال نشده، که اصلا منظور از شکافتِ هسته ای چیست؟ یا این حجم از انرژی شکافت هسته ای از کجا است و بمب اتم چگونه از این شکافت استفاده می کند و...؟ امروز قرار است با هم، به زبان ساده توضیح دهیم.

برای شروع، رادیو اکتیویته مورد نظر ما را، زوالِ خود به خودی هسته ناپایدار فرض کنید. یک هسته ناپایدار(در اتم) ممکن است در اثر کاهش انرژی، به دو، سه، و... بخش تقسیم شود. این اتفاق ممکنه در چند راه، بسته به اتمی که رو به زوال و نابودی است، اتفاق بی افتد. اگر بدانید یکی از ذرات ناشی از زوال رادیواکتیو چه چیزی خواهد بود، می توانید ذرات دیگر را پیشبینی کنید. نام روش این کار، موازنه‌ی واکنش های هسته‌ای است. اما قبل از توضیح کامل تر، بگویم تمام واکنش ها از جمله این واکنش که ما روی آن تمرکز داریم، این گونه در شیمی نمایش داده می شود: واکنشگر ها⬅️محصولات

در واکنش هسته ای موازنه شده، مجموع تمامِ اعدادِ اتمی(تعداد پروتون(+) در اتم و پائین سمت چپِ نماد اتم) و همچنین مجموعِ تمامِ اعدادِ جرمی(مجموع تعداد پروتون(+) و نوترون(خنثی) در اتم و در بالا سمت چپ نماد اتم) در دو طرفِ واکنشگر ها و محصولات باید برابر باشد.[در مورد پروتون و نوترون و الکترون کمی بعد صحبت می کنیم] برای مثال، فرض کنید یک شیمی دان، واکنش هسته ای ای را از طریق بمباران ایزوتوپِ(یکی از شکل های یک عنصر که تعداد نوترون هایش با شکل اصلی فرق دارد) کلر،(Cl_35) توسط نوترون انجام داده. می بیند، یک ایزوتوپِ هیدروژن، (H_1) و ایزوتوپ دیگری تشکیل شده. اما نمی داند چه ایزوتوپی است! حتی از چه عنصری! کافی است از روشی که بهتون قول اش را دادم استفاده کند: (35/17_Cl)+(1/0_n)⬅️?+(1/1_H) خب، اول، باید عنصر را مشخص کنیم. برای مشخص کردن عنصر، نیاز به عدد اتمی یا خعداد پروتون هایش داریم! خب چگونه بدست اش بیاوریم؟ کافی است، یک معادله ساده حل کنید! اون عدد های پائینی در سمت واکنشگر ها را ببینید!(0 و 17) همان اعدادِ اتمی. گفتیم مجموعِ اعدادِ اتمی در دو طرف باید برابر باشه. پس این یعنی چی؟ آفرین! یعنی: 0+17=1+? 17=1+? ?=16 این یعنی عنصر ۱۶ پروتون دارد! که یعنی عنصر، با توجه به جدول تناوبی، سولفات یا گوگرد است!(S). حالا باید بفهمیم کدام ایزوتوپِ گوگرد است. همان کار را با اعدادِ جرمی می کنیم: 35+1=?+1 ?=35 این یعنی، این ایزوتوپ، دقیقاً (35/16_S) است! دیدین چقدر ساده بود؟ حالا که اینها را یاد گرفتید، وقتِ یادگیری نیمه عمر است.

اگر تنها یک اتم تنها را از یک ایزوتوپِ رادیواکتیو(که رو به زوال است)، مانند اورانیوم_۲۳۸ داشته باشید، هیچگاه نمی توانید زمانِ نابود شدن آن یک دانه را حدس بزنید. ممکنه در چشم بر هم زدن، یا تا آخر عمر جهان هستی طول بکشد. اما اگر خیلی از یک اتم از این نوع کنار هم داشته باشید، یک الگوی زیبا تشکیل می شود. این الگو اینگونه است که از این x اتم، اگر t_(1/2) مدت بگذرد تا x/2 از بین برود، همان مدت طول می کشد تا 1/2×x/2 از اتم ها نابود شود و همان مدت طول می کشد تا 1/2×1/2×x/2 از اتم ها نابود شوند و الی آخر. جالب نیست؟ مثلا اگر 1000 تا از عنصرِ فرضی و رو به زوالِ F, داشته باشیم، و نیمه عمر اش، که همان t_(1/2) ما است، 10 دقیقه باشد، پس از ده دقیقه، 500 تا باقی می ماند. پس از 20 دقیقه، 250 تا باقی می ماند. پس از 30 دقیقه، 125 تا باقی می ماند. پس از 40 دقیقه، 62 یا 63 اتم باقی می ماند. آن یک اتم، همان اتمی است که گفتیم نمی توانیم مدت عمر اش را مشخص کنیم. و الی آخر.

حالا رسیدیم به بخش جذاب داستان. در دهه‌ی ۳۰ قرنِ ۲۰ ام، دانشمندان کشف کردند که می توان بعضی واکنش های هسته ای را ایجاد و کنترل کرد. برای این منظور، آنها با بمباران کردن یک ایزوتوپ بزرگ به وسیله ایزوتوپی کوچک(معمولاً نوترون) استفاده می کردند. اضمحلال باعث می شد که ایزوتوپ بزرگتر به دو یا چند عنصر شکسته شود و این، شکافتِ هسته ای است! معادله زیر، معروف ترین واکنشِ هسته ای، روی اورانیومِ 235 است: (235/92_U)+(1/0_n)⬅️(142/56_Ba)+(91/36_Kr)+3×(1/0_n)

شاید با خود بگوئید این همه انرژی از کجا می آید که با این فرایند، بمبِ اتمی و انرژی می سازند؟ خب، اگر خیلی دقیق اندازه گیری کنید، می فهمید بعد از شکافتِ هسته ای، مقداری جرم از دست رفته! این جرم، کم است اما صفر نیست و کلید انرژی است! معادله معروف انیشتن رو شنیدید؟ E=mc^2 اینجا، m= جرم از دست رفته. c=سرعت اتفاق، که برابر با سرعت نور است! وقتی سرعت نور به توان دو می رسد عددی بسیار بزرگ حاصل می شود که حتی با ضرب در جرم بسیار کم، نیروی زیادی حاصل می کند و حاصل، می شود E یا انرژی فوق العاده زیاد که بخاطر همین اگر پیش یک بمب اتم، که حجم بسیاری از این اتم های اورانیوم در خودش دارد و هر کدام همزمان شکافت می کنن قرار بگیرید، به سرعت نور که همان سرعت اتفاق است، یک انرژی فوق العاده فوق العاده فوق العاده زیاد، در لحظه، پودرِ بدنِ شما را نابود می کند، چون قبل از لحظه شما را پودر کرده.

یک چیز دیگر هم وجود دارد به اسمِ همجوشی هسته ای! مخالف شکافت است. بجای اینکه اتم بزرگ به اتم های کوچک تبدیل شود، اتم های کوچک، به اتم های بزرگ تبدیل می شوند! و این باعث افزایش جرم میشه و باز همان داستان انرژی زیاد اتفاق می افته. در اصل، این فرایند به خورشید قدرت می بخشد. در خورشید، ۴ ایزوتوپِ هیدروژن_۱، تبدیل به یک هلیوم_۴ می شود و انرژی زیادی آزاد می کند. روی زمین، از دو ایزوتوپِ دیگر هیدروژن استفاده میکنیم. دوتریم یا هیدروژن_۲ و تریتیم یا هیدروژن_۳. معادله زیر، این واکنش همجوشی در زمین و خورشید به ترتیب نشان می دهد: (3/1_H)+(2/1_H)⬅️(4/2_He)+(1/0_n) و: 4×(1/1_H)⬅️(4/2_He)+2×(1/1_p)