فیزیک هسته ای چیست؟ – به زبان ساده

فیزیک هسته‌ ای شاخه‌ای از علم فیزیک است که به مطالعه هسته اتم و نیروهای بین اجزای تشکیل‌دهنده آن می‌پردازد و در حوزه‌هایی مانند انرژی هسته‌ای، پزشکی هسته‌ای و فیزیک ذرات کاربرد دارد. در این مطلب از مجله فرادرس با مطالعه هسته اتم، معرفی نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف، مطالعه پرتوزایی و انواع واپاشی و بررسی انواع واکنش‌های هسته‌ای از جمله همجوشی و شکافت، می‌آموزید فیزیک هسته ای چیست و چه کاربردهایی دارد.

فیزیک هسته ای چیست؟

فیزیک هسته‌ ای شاخه‌ای از علم فیزیک است که هسته‌ اتم را مطالعه می‌کند. در علم شیمی و سایر شاخه‌های فیزیک به بررسی رفتار الکترون‌های در حال چرخش به دور هسته می‌پردازیم، در حالی که در فیزیک هسته‌ای خود هسته و اجزای داخل آن مهم‌اند. تصویر زیر نشان می‌دهد موضوعات اصلی در فیزیک هسته‌ ای چیست:

پژوهش‌های فیزیک هسته‌ ای منجر به توسعه فناوری‌های مهمی شده است، از جمله راکتورهای هسته‌ای، سلاح‌های هسته‌ای و دستگاه‌های تصویربرداری پزشکی. همچنین به ما کمک کرده است تا منشا عناصر و تکامل جهان را بهتر درک کنیم.

تفاوت فیزیک اتمی و فیزیک هسته ای چیست؟

فیزیک هسته‌ ای و فیزیک اتمی دو شاخه بسیار مرتبط از فیزیک هستند که ساختار و رفتار ماده را در سطوح اتمی و زیراتمی مطالعه می‌کنند. با این حال این دو گرایش فیزیک تفاوت‌های مهمی دارند.

در فیزیک اتمی به مطالعه ساختار و رفتار اتم‌ها به عنوان واحدهای سازنده ماده می‌پردازیم. فیزیکدانان اتمی ویژگی‌های اتم‌ها را مطالعه می‌کنند، از جمله اندازه، جرم و ترازهای انرژی آن‌ها. آن‌ها همچنین بررسی می‌کنند که اتم‌ها چگونه با یکدیگر و با دیگر شکل‌های ماده برهم‌کنش می‌کنند.

اما موضوع فیزیک هسته‌ ای مطالعه ساختار و رفتار هسته‌های اتم‌ها به عنوان بخش‌ مرکزی اتم‌ها است. فیزیکدانان هسته‌ای ویژگی‌های هسته‌ها از جمله اندازه، جرم و ترازهای انرژی آن‌ها را مطالعه می‌کنند. آن‌ها همچنین بررسی می‌کنند که هسته‌ها چگونه با هم و با دیگر شکل‌های ماده برهم‌کنش می‌کنند.

یادگیری فیزیک هسته ای با فرادرس

پیش از اینکه بررسی کنیم مباحث مختلف در فیزیک هسته ای چیست، در این بخش قصد داریم چند فیلم آموزشی مرتبط در مجموعه فرادرس را به شما معرفی کنیم تا با مشاهده آن‌ها یادگیری و تسلط بهتری در این شاخه کسب کنید:

این مبحث در کتاب‌های فیزیک دبیرستان نیز مطرح شده است و درس بیست و یکم به بعد از کتاب فیزیک پایه دوازدهم (مختص رشته ریاضی) به توضیح کلیات فیزیک هسته‌ای مانند ساختار هسته، پرتوزایی طبیعی و نیمه‌عمر، شکافت و همجوشی هسته‌ای اختصاص داده شده است:

• فیلم آموزش فیزیک پایه دوازدهم فرادرس
• فیلم آموزش فیزیک پایه دوازدهم – مرور و حل تمرین فرادرس

همچنین در سطوح دانشگاهی نیز گرایش فیزیک هسته‌ای به‌ عنوان یکی از مهم‌ترین گرایش‌های رشته فیزیک مطرح می‌شود. به این ترتیب مشاهده این دوره‌ها و بهره‌گیری از آموزش تصویری باعث می‌شود یادگیری شما در این حوزه کامل‌تر شود:

• فیلم آموزش فیزیک هسته ای ۱ – مکانیک کوانتومی تا واپاشی هسته ای + گواهینامه فرادرس
• فیلم آموزش فیزیک هسته‎ ای ۲ فرادرس

هسته اتم چیست و چه اجزایی دارد؟

اولین قدم برای یادگیری فیزیک هسته ای این است که با هسته اتم و اجزای آن آشنا شویم. هسته با قرار گرفتن در مرکز اتم، بیشتر جرم اتم را به خود اختصاص داده است. هسته‌ها از کنار هم قرار گرفتن پروتون‌ها و نوترون‌ها توسط نیروی هسته‌ای قوی ساخته می‌شوند. پروتون‌ها دارای بار مثبت‌اند، در حالی که نوترون‌ها بار الکتریکی ندارند. تعداد پروتون‌های هسته، عدد اتمی عنصر را تعیین می‌کند.

در تصویر بالا هسته اتم به شکل خوشه‌ای از کره‌های قرمز و آبی رنگ که نزدیک هم فشرده شده‌اند، نشان داده شده است. در فیزیک هسته ای به هر ذره‌‌ای که داخل هسته اتم است، نوکلئون گفته می‌شود. پس دو نوع نوکلئون داریم، پروتون با بار مثبت و نوترون بدون بار. علت نامگذاری نوکلئون روی پروتون و نوترون، مستقل بودن اندازه نیروی هسته‌ای از بار ذرات داخل هسته است.

گفتیم تعداد پروتون‌های موجود در هسته همان عدد اتمی یا Z است. تعداد نوترون‌های هسته نیز عدد نوترونی یا N نام دارد. به این ترتیب مجموع پروتون‌ها و نوترون‌ها یا تعداد نوکلئون‌های هسته با عدد جرمی یا A معادل است:

A = Z + N

پس پروتون‌ و نوترون‌ با جرم تقریبا یکسان و در فضای بسیار کوچکی در مرکز اتم و داخل هسته بصورت فشرده کنار هم قرار گرفته‌اند. طبق آزمایش‌های پراکندگی، هسته به شکل کروی یا بیضوی است و اندازه آن حدود یک‌صد هزارم اندازه یک اتم هیدروژن است. در واقع اگر یک اتم را ‌هم‌اندازه با یک ورزشگاه بیسبال در نظر بگیریم، هسته تقریبا معادل یک توپ بیسبال خواهد بود. یک هسته را بصورت نمادین به شکل زیر نمایش می‌دهیم:

$$\ce{^{A}_{Z}X }$$

که در آن X نماد شیمیایی عنصر، A عدد جرمی و Z عدد اتمی آن است. برای مثال، $$^{12}_{6}C$$ نشان‌ می‌دهد هسته کربن دارای ۶ پروتون و ۶ نوترون یا ۱۲ نوکلئون است. نمودار زیر تعداد نوترون‌ها بر حسب تعداد پروتون‌ها را برای هسته‌های اتمی پایدار نشان می‌دهد:

ملاحظه می‌کنید که برای یک مقدار مشخص از Z ممکن است چندین مقدار N (نقاط آبی) وجود داشته باشد. همچنین برای مقادیر کوچک Z تعداد نوترون‌ها با تعداد پروتون‌ها برابر است (N = Z) و داده‌ها روی خط قرمز قرار می‌گیرند. اما برای مقادیر بزرگ Z تعداد نوترون‌ها بیشتر از تعداد پروتون‌ها هستند (N > Z) و نقاط داده بالای خط قرمز قرار دارند. بطور کلی برای Zهای بزرگ، تعداد نوترون‌ها بیشتر از پروتون‌ها است.

ایزوتوپ و یکای جرم اتمی

در بخش قبل آموختیم ساختار کلی هسته در فیزیک هسته‌ ای چیست. در این بخش با دو مفهوم مهم آشنا می‌شویم. اتم‌هایی که هسته آن‌ها تعداد پروتون یکسان (Z) و تعداد نوترون متفاوت (N) دارند، ایزوتوپ نامیده می‌شوند. برای مثال ایزوتوپ‌های هیدروژن عبارت‌اند از:

• هیدروژن معمولی: شامل یک پروتون
• دوتریوم: شامل یک پروتون و یک نوترون
• تریتیوم: شامل یک پروتون و دو نوترون

ایزوتوپ‌های یک عنصر خواص شیمیایی یکسانی دارند، چون این خواص توسط الکترون‌های خارجی اتم تعیین می‌شوند نه نوکلئون‌ها. برای نمونه، آب سنگین که بجای هیدروژن شامل دوتریوم است، از نظر ظاهر و طعم شبیه آب معمولی است. همچنین به دلیل وجود ایزوتوپ‌های پایدار لازم است هنگام بیان جرم یک عنصر دقت ویژه‌ای داشته باشیم. برای مثال، مس (Cu) دو ایزوتوپ پایدار دارد:

• $$\ce{^{63}_{29}Cu }$$ با جرم ۶۲٫۹۲۹۵۹۵ گرم بر مول با فراوانی ۶۹٫۰۹ درصد
• $$\ce{^{65}_{29}Cu }$$ با جرم ۶۴٫۹۲۷۷۸۶ گرم بر مول با فراوانی ۳۰٫۹۱ درصد

با توجه به این دو نسخه از مس، این سوال مطرح می‌شود که جرم این عنصر چیست؟ برای پاسخ دادن به این سوال لازم است کمیتی به نام جرم اتمی را معرفی کنیم. جرم اتمی یک عنصر به‌صورت میانگین وزنی جرم ایزوتوپ‌های آن تعریف می‌شود. بنابراین جرم اتمی مس برابر می‌شود با:

(۶۲٫۹۲۹۵۹۵) (۰٫۶۹۰۹) + (۶۴٫۹۲۷۷۸۶) (۰٫۳۰۹۱) = ۶۳٫۵۵ گرم بر مول

به این ترتیب در فیزیک هسته ای جرم هر هسته منفرد با واحدی به نام amu بیان می‌شود که برابر است با یک‌دوازدهم جرم یک هسته کربن دوازده. در یکای جرم اتمی، جرم هسته هلیوم تقریبا ۴u است.

اندازه هسته چقدر است؟

هسته در ساده‌ترین مدل خود یک کره بطور متراکم فشرده‌ شده از نوکلئون‌ها است. بنابراین حجم هسته متناسب با تعداد نوکلئون‌ها یا A است، که بصورت زیر بیان می‌شود:

$$V = \frac{4}{3} \pi r^3 = kA$$

که در آن $$r$$ شعاع هسته و $$k$$ ثابتی با یکای حجم است. با حل کردن برای $$r$$، داریم:

$$r = r_0 A^{\frac{1}{3}}$$

که در آن $$r_0$$ یک ثابت است. برای هیدروژن ($$A =1$$)، $$r_0$$ متناظر با شعاع یک پروتون منفرد است. آزمایش‌های پراکندگی این رابطه را برای گستره وسیعی از هسته‌ها تایید می‌کند. همچنین این آزمایش‌ها نشان می‌دهند که نوترون‌ها تقریبا همان شعاع پروتون‌ها را دارند.

نیروها در فیزیک هسته ای

قدم بعدی برای اینکه دقیق‌تر بدانیم فیزیک هسته ای چیست، مطالعه نیروهای داخل هسته و پاسخ به این سوال است که چرا در هسته‌‌های سنگین‌‌تر تعداد نوترون‌ها از تعداد پروتون‌ها بیشتر است. نیروهای داخل هسته به دو گروه تقسیم می‌شوند:

• نیروی الکترواستاتیکی (کولنی) با برد بلند که موجب دافعه بین پروتون‌های بار مثبت می‌شود.
• نیروی هسته‌ای قوی با برد کوتاه که همه نوکلئون‌ها را کنار هم نگه داشته است.

البته نیروی هسته‌ای ضعیف نیز در هسته وجود دارد که مسئول برخی واپاشی‌های هسته‌ای است، اما این نیرو نقشی در پایدار نگه داشتن هسته در مقابل دافعه کولنی ندارد. پس پایداری هسته زمانی رخ می‌دهد که نیروهای جاذبه بین نوکلئون‌ها بتوانند نیروی دافعه الکترواستاتیکی بین پروتون‌ها را جبران کنند. به همین علت در هسته‌های سنگین با عدد اتمی بزرگتر از ۱۵، نوترون‌های اضافی لازم هستند تا از شکستن هسته توسط دافعه الکترواستاتیکی جلوگیری شود.

فهرست زیر نشان می‌دهد تفاوت نیروهای ضعیف و قوی در فیزیک هسته‌ ای چیست:

• نیروی هسته‌ای قوی: یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت و قوی‌ترین نیرو است که در فاصله‌های بسیار کوتاه عمل می‌کند. این نیرو مسئول نگه داشتن پروتون‌ها و نوترون‌ها در کنار هم است.
• نیروی هسته‌ای ضعیف: یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت که ضعیف‌تر از نیروی قوی است و در فاصله‌های بزرگتری اثر دارد. این نیرو مسئول برخی انواع واپاشی‌های رادیواکتیو است.

پس پروتون‌ها و نوترون‌ها توسط نیروی هسته‌ای قوی در کنار هم نگه داشته می‌شوند، نیرویی که آنقدر بزرگ است که بر دافعه الکتروستاتیک بین پروتون‌های با بار مثبت غلبه می‌کند.

رادیواکتیویته یا پرتوزایی چیست؟

در این بخش از فیزیک هسته ای توضیح می‌دهیم چرا برخی هسته‌ها ناپایدار هستند، به‌صورت خودبه‌خودی شکسته می‌شوند یا تغییر می‌کنند و انرژی را به شکل تابش پرتوهای آلفا، بتا و گاما آزاد می‌کنند. پرتوزایی (Radioactivity) فرایندی است که در آن هسته‌های ناپایدار با انتشار ذرات یا امواج الکترومغناطیسی از خود، به حالت پایدارتری می‌رسند. این فرایند تصادفی است، چون زمان دقیق واپاشی یک اتم قابل‌پیش‌بینی نیست. اما نرخ واپاشی برای هر ماده ثابت است که به آن نیمه‌عمر می‌گویند.

پیشنهاد می‌کنیم برای تسلط بیشتر به مفهوم نیمه‌عمر و محاسبات آن، فیلم آموزشی رایگان نیمه‌عمر در فیزیک چیست و چگونه محاسبه می‌شود؟ + مثال‌های کاربردی فرادرس را مشاهده کنید که لینک آن نیز جهت دسترسی سریعتر در ادامه برای شما قرار داده شده است:

نیمه‌عمر مدت زمانی است که طی آن نیمی از اتم‌های یک نمونه واپاشی می‌کنند. در ادامه بطور خلاصه بیان کرده‌ایم که انواع واپاشی رادیواکتیو در فیزیک هسته ای چیست:

• واپاشی آلفا: انتشار هسته هلیوم - کم‌نفوذ و متوقف‌شونده توسط کاغذ یا هوا
• واپاشی بتا: انتشار الکترون یا پوزیترون - نفوذ بیشتر و متوقف‌شونده توسط آلومینیوم
• واپاشی گاما: امواج پرانرژی - بسیار نافذ، متوقف‌شونده توسط سرب یا بتن ضخیم

برای مثال، یک نمونه از یک ایزوتوپ رادیواکتیو مانند کربن-۱۴ (C-14) را در نظر بگیرید. کربن-۱۴ دارای نیمه‌عمر ۵۷۳۰ سال است، به این معنا که پس از ۵۷۳۰ سال نیمی از اتم‌های کربن-۱۴ موجود در نمونه واپاشی خواهند کرد. واپاشی کربن-۱۴ را می‌توان با معادله زیر نشان داد:

$$\ce{^{14}_{6}C -> ^{14}_{7}N + \bar{e} +\bar{\nu_e} }$$

که در آن $$\bar{\nu_e}$$ نشان‌دهنده آنتی‌نوترینو است. در این معادله، کربن-۱۴ به نیتروژن-۱۴، یک الکترون و یک پادنوترینو واپاشی کرده است. در واقع الکترون و پادنوترینو با مقدار معینی انرژی گسیل می‌شوند که این انرژی به صورت تابش منتقل می‌شود.

دقت کنید رادیواکتیویته یک فرایند طبیعی است که در تمام اتم‌ها رخ می‌دهد، اما اهمیت آن برای ما به اتم‌هایی با هسته ناپایدار محدود می‌شود. این اتم‌ها نیز به مقدار کم در همه مواد یافت می‌شوند و مسئول تابش زمینه‌ای هستند که همه ما در معرض آن قرار داریم. با این حال، برخی مواد مانند اورانیوم و پلوتونیوم دارای مقدار بسیار بیشتری از اتم‌های رادیواکتیو هستند و اگر به‌درستی آنها را مهار نکنیم، می‌توانند خطرناک باشند.

بنابراین واپاشی رادیواکتیو در اتم‌های سنگین فرایند مهمی است. مقدار رادیواکتیویته در یک ماده با واحدی به نام بکرل (Bq) اندازه‌گیری می‌شود. یک بکرل برابر است با یک واپاشی رادیواکتیو در هر ثانیه. برای محافظت از خود در برابر مواجهه با تابش رادیواکتیو، بهتر است به نکات زیر توجه کنید:

• استفاده از حفاظ (شیلدینگ): می‌توان از حفاظ برای مسدود کردن تابش استفاده کرد. سرب ماده مناسبی برای محافظت در برابر تابش است.
• کاهش زمان مواجهه: هرچه مدت بیشتری در معرض تابش باشید، خطر بروز مشکلات سلامتی بیشتر می‌شود.
• پایش میزان مواجهه: می‌توانید میزان تماس خود با تابش را با استفاده از دوزیمتر اندازه‌گیری و کنترل کنید.

چند نمونه از فرایندهای واپاشی روزمره را در فهرست زیر بیان کرده‌ایم:

• موزها مقدار کمی پتاسیم-۴۰ دارند که یک ایزوتوپ رادیواکتیو از پتاسیم است. هر موز به‌طور متوسط حدود ۰٫۱ میکروگرم پتاسیم-۴۰ دارد.
• صفحات گرانیتی می‌توانند مقدار کمی اورانیوم و توریم داشته باشند که عناصر رادیواکتیو هستند. هر صفحه گرانیتی بطور متوسط حدود ۱ میلی‌رم تابش در سال منتشر می‌کند.
• نیروگاه‌های زغال‌سنگی ایزوتوپ‌های رادیواکتیو از جمله اورانیوم، توریم و رادون را وارد هوا می‌کنند. این ایزوتوپ‌ها موجب آلودگی هوا شده و برای افراد نزدیک این نیروگاه‌ها خطر سلامتی ایجاد می‌کنند.
• نیروگاه‌های هسته‌ای پسماند رادیواکتیو تولید می‌کنند که باید بصورت ایمن و مطمئن ذخیره شود. این پسماندها ممکن است هزاران سال رادیواکتیو باقی بمانند.

فرمول واپاشی رادیواکتیو چیست؟

هنگامی که یک هسته منفرد با گسیل تابش به هسته‌ای دیگر تبدیل می‌شود، می‌گوییم هسته واپاشی کرده است. واپاشی رادیواکتیو برای تمام هسته‌هایی با Z > ۸۲ و برای برخی ایزوتوپ‌های ناپایدار با Z < ۸۳ نیز رخ می‌دهد. نرخ واپاشی متناسب با تعداد هسته‌های اولیه واپاشی‌ نکرده یا N در یک ماده است. تعداد هسته‌هایی که در اثر واپاشی از دست می‌روند، بصورت dN - در بازه زمانی dt بصورت زیر نوشته می‌شوند:

$$\frac{-dN}{dt} = λN$$

λ ثابت واپاشی نامیده می‌شود. علامت منفی نشان می‌دهد که تعداد هسته‌های اولیه با گذشت زمان کاهش می‌یابند. به‌ عبارت دیگر، هر چه هسته‌های بیشتری برای واپاشی در دسترس باشند، تعداد بیشتری از آن‌ها واپاشی می‌کنند. معادله بالا را می‌توان به‌ شکل زیر نیز بازنویسی کرد:

$$\frac{dN}{N} = -λdt$$

با انتگرال‌گیری از هر دو طرف معادله و تعریف $$N_0$$ به‌ عنوان تعداد هسته‌ها در $$t=0$$، خواهیم داشت:

$$\ln {\frac{N}{N_0}} = -λt$$

بنابراین قانون واپاشی رادیواکتیو بیان می‌کند تعداد کل N هسته رادیواکتیوی که پس از مدت زمان t باقی می‌مانند برابر است با:

$$N = N_0 e^{-λt}$$

تعداد کل هسته‌ها در ابتدا بسیار سریع کاهش می‌یابد و سپس آهسته‌تر. تصویر بالا نموداری از قانون واپاشی رادیواکتیو را نشان می‌دهد که در آن تعداد هسته‌های باقی‌‌مانده در یک نمونه واپاشی، در لحظات نخست واپاشی بطور چشمگیری کاهش می‌یابد. گفتیم نیمه‌عمر یا $$T_{\frac{1}{2}}$$ یک ماده رادیواکتیو بصورت مدت زمانی تعریف می‌شود که در آن نیمی از هسته‌های اولیه واپاشی می‌کنند یا زمانی که در آن نیمی از هسته‌های اولیه باقی می‌مانند. بنابراین تعداد هسته‌های رادیواکتیوی که پس از تعداد صحیحی (n) از نیمه‌عمرها باقی می‌مانند برابر است با:

$$N= \frac{N_0}{2^n}$$

اگر ثابت واپاشی بزرگ باشد، نیمه‌عمر کوچک است و برعکس. برای تعیین رابطه بین این کمیت‌ها، توجه کنید زمانی که $$t = T_{\frac{1}{2}}$$ داریم $$N = \frac{N_0}{2}$$. بنابراین طبق $$N = N_0 e^{-λt}$$ خواهیم داشت:

$$\frac{N_0}{2} = N_0 e^{-λT_{\frac{1}{2}}}$$

که در نهایت به $$λ = \frac{0.693}{T_{\frac{1}{2}}}$$ می‌انجامد. بنابراین اگر نیمه‌عمر یک ماده رادیواکتیو را بدانیم، می‌توانیم ثابت واپاشی آن را پیدا کنیم. اگر تا این قسمت به تحصیل در این شاخه علاقه‌مند شده‌اید، پیشنهاد می‌کنیم مطلب «رشته فیزیک هسته ای چیست؟ – معرفی کامل + حقوق، درآمد و بازار کار» از مجله فرادرس را مطالعه کنید.

واپاشی آلفا

در بخش قبل یاد گرفتیم مهم‌ترین فرمول‌ها در فیزیک هسته ای چیست. در این بخش و بخش‌های بعد سه واپاشی رادیواکتیو معروف را بهتر می‌شناسیم. به گسیل یک ذره آلفا واپاشی آلفا گفته می‌شود. ذره آلفا همان هسته هلیوم است، متشکل از دو پروتون و دو نوترون. این نوع واپاشی کم‌نفوذترین نوع تابش است و می‌تواند توسط یک برگ کاغذ یا چند سانتی‌متر هوا متوقف شود. همچنین واپاشی آلفا فقط برای اتم‌های بسیار سنگین مانند اورانیوم و پلوتونیوم ممکن است.

در این واپاشی هسته ذره آلفا دو پروتون و دو نوترون از دست می‌دهد، بنابراین عدد اتمی آن به اندازه دو واحد کاهش می‌یابد، در حالی که عدد جرمی به اندازه چهار واحد کم می‌شود. به هسته پیش از واپاشی، هسته مادر گفته می‌شود. هسته یا هسته‌هایی که در واپاشی تولید می‌شوند نیز با عنوان هسته‌های دختر شناخته می‌شوند. یک واپاشی آلفا بصورت نمادین به شکل زیر نمایش داده می‌شود:

$$\ce{^{A}_{Z}X -> ^{A-4}_{Z-2}X + ^{4}_{2}He }$$

که در آن $$^{A}_{Z}X$$ هسته مادر، $$^{A-4}_{Z-2}X$$ هسته دختر و $$^{4}_{2}He$$ ذره آلفا است. پس در واپاشی آلفا هسته‌ای با عدد اتمی Z به هسته‌ای با عدد اتمی Z -۲ و جرم اتمی A - ۴ واپاشی می‌کند. یک نمونه از واپاشی آلفا، واپاشی اورانیوم-۲۳۸ است:

$$\ce{^{238}_{92}U -> ^{234}_{90}Th + ^{4}_{2}He }$$

که در آن عدد اتمی از ۹۲ به ۹۰ کاهش یافته است. عنصر شیمیایی با Z = ۹۰، توریم است. بنابراین اورانیوم-۲۳۸ با گسیل یک ذره آلفا به توریم-۲۳۴ واپاشی کرده است. پس از آن $$^{234}_{90}Th$$ با نیمه‌عمری برابر با ۲۴ روز از طریق گسیل بتا واپاشی می‌کند. انرژی آزاد شده در این واپاشی آلفا بصورت انرژی‌های جنبشی هسته‌های توریم و هلیوم ظاهر می‌شود، اگر چه انرژی جنبشی توریم به‌ علت جرم بیشتر و سرعت کمتر آن از هلیوم کوچک‌تر است.

واپاشی بتا

واپاشی بتا عبارت است از گسیل یک ذره بتا (الکترون یا پوزیترون). اگر الکترون گسیل شود، واپاشی بتای منفی داریم و اگر پوزیترون گسیل شود، واپاشی بتای مثبت است. این نوع واپاشی از واپاشی آلفا نفوذپذیرتر است، اما می‌تواند توسط چند میلی‌متر آلومینیوم یا چند متر هوا متوقف شود. دقت کنید پوزیترون همان جرم و بار الکترون را دارد، اما علامت بار آن مثبت است. به همین دلیل پوزیترون را پادالکترون هم می‌نامند.

واپاشی بتا به این صورت رخ می‌دهد که الکترون یا پوزیترونی که پیش از واپاشی درون هسته محبوس بوده است، به گونه‌ای از آن می‌گریزد. بطور تجربی مشاهده شده است که الکترون‌های گسیل‌ شده در واپاشی بتا دارای انرژی‌های جنبشی در حد تنها چند MeV هستند. بنابراین نتیجه می‌گیریم که الکترون در هنگام این واپاشی تولید می‌شود، نه اینکه از هسته بگریزد. بطور کلی، واپاشی بتای هسته‌ای شامل تبدیل یک نوکلئون به نوکلئون دیگر است. برای مثال، یک نوترون می‌تواند با گسیل یک الکترون و ذره‌ای تقریبا بدون جرم به نام پادنوترینو به پروتون واپاشی کند. این واپاشی را بتای منفی می‌نامیم:

$$\ce{^{1}_{0}n -> ^{1}_{1}p + ^{0}_{-1}e +\bar{\nu} }$$

نماد $$^{0}_{-1}e$$ برای نمایش الکترون به‌کار می‌رود. عدد جرمی الکترون ۰ است، زیرا نوکلئون نیست و عدد اتمی آن نیز ۱- است تا نشان دهیم که دارای بار e- است. با همین روند، پروتون نیز با $$^{1}_{1}p$$ نمایش داده می‌شود. هنگامی که این فرایند درون یک هسته اتمی رخ دهد، معادله زیر را برای واپاشی بتای منفی خواهیم داشت:

$$\ce{^{A}_{Z}X -> ^{A}_{Z+1}X + ^{0}_{-1}e +\bar{\nu} }$$

این فرایند به دلیل نیروی هسته‌ای ضعیف رخ می‌دهد. به‌ عنوان مثال همان‌طور که در بخش قبل اشاره شد، $$^{234}_{90}Th$$ یک ایزوتوپ ناپایدار است و با نیمه‌عمر ۲۴ روز از طریق گسیل بتای منفی واپاشی می‌کند. این واپاشی را می‌توان بصورت زیر نمایش داد:

$$\ce{^{234}_{90}Th -> ^{234}_{91}Pa + ^{0}_{-1}e +\bar{\nu} }$$

عنصر شیمیایی با عدد اتمی ۹۱ پروتاکتینیوم (Pa) است. دقت کنید فرایند معکوس نیز ممکن است، یعنی یک پروتون می‌تواند با گسیل یک پوزیترون و ذره‌ای تقریبا بدون جرم به نام نوترینو به نوترون واپاشی کند. این واکنش واپاشی بتای مثبت نام دارد و بصورت زیر نوشته می‌شود:

$$\ce{^{1}_{1}p -> ^{1}_{0}n + ^{0}_{+1}e +\nu }$$

پس پوزیترون همراه با نوترینو گسیل می‌شود و نوترون درون هسته باقی می‌ماند. مانند واپاشی بتا منفی، پوزیترون پیش از واپاشی وجود ندارد، بلکه در هنگام واپاشی تولید می‌شود. دقت کنید برای یک پروتون آزاد، این فرایند غیرممکن است، زیرا نوترون از پروتون سنگین‌تر است. با این حال این فرایند درون هسته ممکن است، زیرا پروتون می‌تواند انرژی لازم برای این گذار را از نوکلئون‌های دیگر دریافت کند. به‌ عنوان مثال، ایزوتوپ آلومینیوم $$^{13}_{26}Al$$ با نیمه‌عمر $$7.4 \times 10^5$$ سال از طریق گسیل بتای مثبت واپاشی می‌کند. این واپاشی بصورت زیر نوشته می‌شود:

$$\ce{^{26}_{13}Al -> ^{26}_{12}Mg + ^{0}_{1}e +\nu }$$

فرم کلی این واکنش به صورت زیر است:

$$\ce{^{A}_{Z}X -> ^{A}_{Z-1}X + ^{0}_{+1}e +\nu }$$

واپاشی گاما

واپاشی گاما گسیل یک پرتو گاما است. می‌دانیم پرتو گاما یک فوتون پرانرژی است. پس واپاشی گاما پرنفوذترین نوع تابش است که فقط توسط لایه‌های ضخیم سرب یا بتن متوقف می‌شود. این واپاشی زمانی رخ می‌دهد که یک هسته در حالت برانگیخته با گسیل یک فوتون پرتو گاما به حالتی با تراز انرژی پایین‌تر واپاشی کند. واپاشی گاما بصورت نمادین به شکل زیر نمایش داده می‌شود:

$$\ce{^{A}_{Z}X^* -> ^{A}_{Z}X + γ }$$

که در آن ستاره روی هسته نشان‌ دهنده حالت برانگیخته است. دقت کنید در این واپاشی عدد اتمی و عدد جرمی تغییر نمی‌کنند، بنابراین نوع هسته تغییر نکرده است.

شکافت و همجوشی

در بخش قبل آموختیم مفهوم پرتوزایی در فیزیک هسته ای چیست. در این بخش با برخی دیگر از واکنش‌های هسته‌ای آشنا می‌شویم. بطور کلی واکنش‌ هسته‌ای به فرایندی گفته می‌شود که ترکیب هسته را تغییر دهد و می‌تواند خودبه‌خودی یا القایی باشد. واکنش‌های هسته‌ای خودبه‌خودی به‌صورت طبیعی رخ می‌دهند، در حالی که واکنش‌های هسته‌ای القایی در اثر برهم‌کنش هسته با یک نیروی خارجی مانند باریکه‌ای از ذرات، ایجاد می‌شوند.

این واکنش‌ها می‌توانند در اثر برخورد دو اتم، جذب یک فوتون یا واپاشی یک هسته ناپایدار رخ دهند و مقدار زیادی انرژی آزاد کنند. از این انرژی برای تولید برق در نیروگاه‌های هسته‌ای و یا در ساخت سلاح‌های هسته‌ای استفاده می‌شود. در ادامه در مورد دو واکنش هسته‌ای مهم یعنی شکافت و همجوشی بیشتر توضیح می‌دهیم:

• شکافت (Fission): شکستن یک هسته سنگین مانند اورانیوم که باعث آزاد شدن انرژی شده و در راکتورهای هسته‌ای استفاده می‌شود.
• همجوشی (Fusion): ترکیب هسته‌های سبک مانند هیدروژن که موجب تولید انرژی می‌شود و خورشید و ستارگان را تغذیه می‌کند.

شکافت هسته ای

بطور کلی شکافته شدن یک هسته را شکافت می‌نامیم. در ادامه نمونه‌هایی از واکنش شکافت U-235 را آورده‌ایم. ملاحظه می‌کنید که شکافت یک هسته همیشه محصول یکسانی تولید نمی‌کند:

$$\ce{^{1}_{0}n + ^{235}_{92}U -> ^{141}_{56}Ba +^{92}_{36}Kr + 3 ^{1}_{0}n +Q }$$

$$\ce{^{1}_{0}n + ^{235}_{92}U -> ^{140}_{54}Xe +^{94}_{38}Sr + 2 ^{1}_{0}n +Q }$$

$$\ce{^{1}_{0}n + ^{235}_{92}U -> ^{132}_{50}Sn +^{101}_{42}Mo + 3 ^{1}_{0}n +Q }$$

اگر دقت کنید در هر حالت مجموع جرم‌های هسته‌های محصول کمتر از جرم‌های واکنش‌دهنده‌ها است، بنابراین شکافت اورانیوم یک فرایند گرمازا است. این نکته اساس استفاده از راکتورهای شکافت به‌ عنوان منابع انرژی بوده است. انرژی حمل‌ شده توسط این واکنش بصورت ذراتی با انرژی جنبشی ظاهر می‌شود.

تصویر بالا نشان می‌دهد شکافت اورانیوم در فیزیک هسته ای چیست. یک نوترون که به درون هسته دایروی اورانیوم شلیک می‌شود، می‌تواند هسته را به ارتعاش درآورد. اگر این ارتعاش به اندازه کافی شدید باشد، هسته به هسته‌های کوچک‌تر تقسیم شده و دو یا سه نوترون مجزا نیز گسیل می‌کند. در واقع هسته اولیه پس از شلیک به شکل بیضوی درآمده و ناپایدار می‌شود. سپس یک شکاف در وسط آن شکل می‌گیرد و به دو هسته تقسیم می‌شود. این مرحله همراه با آزادسازی انرژی و نوترون‌ها است.

به‌علاوه شکافت U-235 می‌تواند یک واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای تولید کند. در ترکیبی شامل تعداد زیادی هسته U-235، نوترون‌های حاصل از واپاشی یک هسته U-235 می‌توانند شکافت هسته‌های اضافی U-235 را آغاز کنند. این واکنش زنجیره‌ای می‌تواند بصورت کنترل‌ شده (مانند یک راکتور هسته‌ای در نیروگاه برق) یا بصورت کنترل‌ نشده (مانند یک انفجار) ادامه یابد.

در تصویر بالا ابتدا یک نوترون به هسته U-235 برخورد می‌کند. این هسته به دو هسته 92-Kr و 141-Ba شکافته می‌شود و همراه با آن سه نوترون آزاد می‌شود. هر یک از این سه نوترون به یک هسته جداگانه U-235 برخورد می‌کنند. هر سه هسته به دو هسته 92-Kr و 141-Ba شکافته می‌شوند. در هر شکافت سه نوترون آزاد می‌شود. پس تعداد کل نوترون‌های آزادشده به ۹ می‌رسد.

نکته: اورانیوم دو ایزوتوپ با نام‌های اورانیوم ۲۳۸ و اورانیوم ۲۳۵ دارد. درصد فراوانی اورانیوم ۲۳۸ در اورانیوم طبیعی حدود ۹۹/۳ درصد و درصد فراوانی اورانیوم ۲۳۵ در حدود ۰/۷ درصد است. با توجه به اینکه از بین این دو ایزوتوپ، اورانیوم ۲۳۵ ایزوتوپ مناسب برای شکافت هسته‌ای است، پس  لازم است مقدار این ایزوتوپ طی فرایند غنی‌سازی افزایش یابد.

همجوشی هسته ای

پس از اینکه یاد گرفتیم شکافت در فیزیک هسته ای چیست، در این بخش با تعریف همجوشی هسته‌ای آشنا می‌شویم. فرایند ترکیب هسته‌های سبک‌تر برای ساختن هسته‌های سنگین‌تر، همجوشی هسته‌ای نام دارد. مانند واکنش‌های شکافت، واکنش‌های همجوشی نیز گرمازا هستند و انرژی آزاد می‌کنند. یک نمونه مهم از همجوشی هسته‌ای در طبیعت، تولید انرژی در خورشید است. در سال ۱۹۳۸ «هانس بته» (Hans Bethe) پیشنهاد کرد خورشید زمانی انرژی تولید می‌کند که هسته‌های هیدروژن در هسته مرکزی خورشید با هم همجوشی کرده و هسته‌های پایدار هلیوم را تشکیل دهند. این فرایند که زنجیره پروتون - پروتون نام دارد، در سه واکنش خلاصه می‌شود:

$$\ce{^{1}_{1}H + ^{1}_{1}H -> ^{2}_{1}H + ^{0}_{1}e +\nu^+ + Q}$$

$$\ce{^{1}_{1}H + ^{2}_{1}H -> ^{3}_{2}He + \gamma^+ + Q}$$

$$\ce{ ^{3}_{2}He + ^{3}_{2}He -> ^{4}_{2}He + ^{1}_{1}H + ^{1}_{1}H + Q}$$

بنابراین یک هسته پایدار هلیوم از همجوشی هسته‌های اتم هیدروژن تشکیل می‌شود. همچنین در سال ۱۹۴۲ «رابرت اوپنهایمر» (Robert Oppenheimer) پیشنهاد کرد که دمای بسیار بالای بمب اتمی برای آغاز یک واکنش همجوشی میان دوتریم و تریتیوم قابل‌استفاده است. به این ترتیب بمب همجوشی یا بمب هیدروژنی تولید شد. واکنش میان دو هسته سبک مانند دوتریم و تریتیوم که هر دو ایزوتوپ‌های هیدروژن هستند، بصورت زیر است:

$$\ce{^{2}_{1}D + ^{3}_{1}T -> ^{4}_{2}He + ^{1}_{0}n + Q }$$

انرژی آزاد شده در این واکنش برابر است با ۱۷٫۶ مگا الکترون‌ولت. دقت کنید با اینکه دوتریم در آب اقیانوس‌ها نسبتا فراوان است، اما تریتیوم کمیاب است. با این حال تریتیوم را می‌توان در یک راکتور هسته‌ای از طریق واکنشی شامل لیتیوم تولید کرد. همچنین فرایند بالا یک نوترون آزاد می‌کند که می‌تواند همجوشی‌های بیشتری ایجاد کند و یک واکنش زنجیره‌ای را به راه اندازد. انرژی آزاد شده از همجوشی هسته‌ای بسیار بیشتر از انرژی آزادشده از شکافت هسته‌ای است. با این وجود دستیابی به همجوشی هسته‌ای بسیار دشوارتر از شکافت هسته‌ای است و هنوز نمی‌توان از آن در مقیاس تجاری برای تولید برق استفاده کرد.

کاربردهای فیزیک هسته ای چیست؟

در بخش واپاشی تا حدودی راجع‌به کاربردهای فیزیک هسته ای صحبت کردیم. در آخرین بخش این مطلب از مجله فرادرس با جزئیات بیشتری توضیح می‌دهیم کاربردهای فیزیک هسته ای چیست:

بنابراین فیزیک هسته‌ای فقط به نیروگاه‌ها محدود نمی‌شود، بلکه در دستگاه‌های MRI، درمان سرطان (رادیوتراپی) و سایر بخش‌های پزشکی کاربرد دارد.

تولید انرژی هسته‌ ای

نیروگاه‌های هسته‌ای از شکافت هسته‌ای برای تولید برق استفاده می‌کنند. همان‌طور که توضیح دادیم، در شکافت هسته یک اتم سنگین مانند اورانیوم یا پلوتونیوم به دو یا چند هسته کوچک‌تر تقسیم می‌شود و مقدار زیادی انرژی آزاد می‌کند. این انرژی برای گرم کردن آب و تولید بخار استفاده می‌شود و بخار حاصل، توربین را برای تولید برق به حرکت درمی‌آورد.

بنابراین انرژی هسته‌ای شکلی از تولید برق است که از واکنش‌های هسته‌ای برای تولید گرما استفاده می‌کند. دقت کنید این روش با اینکه انرژی پاک و کارآمدی تولید می‌کند، اما خطراتی نیز به همراه دارد. در ادامه مراحل تولید برق در راکتور هسته‌‌ای بیان شده است:

1. در نیروگاه هسته‌ای شکافت هسته‌ای گرمای زیادی تولید می‌کند.
2. گرما آب را به بخار تبدیل می‌کند.
3. بخار توربین را می‌چرخاند.
4. توربین ژنراتور را به حرکت درمی‌آورد.
5. ژنراتور برق تولید می‌کند.

بنابراین می‌توان گفت که نیروگاه هسته‌ای نیز مانند نیروگاه بخار کار می‌کند، اما منبع گرما به جای سوخت فسیلی واکنش هسته‌ای است. همچنین این تولید انرژی بر پایه تبدیل بخشی از جرم هسته اتم‌ها به انرژی انجام می‌شود. برای اینکه بهتر متوجه شویم مفهوم این تبدیل انرژی در فیزیک هسته ای چیست، بهتر است رابطه معروف انیشتین را بررسی کنیم:

$$E = mc^2$$

که به این معنا است مقدار بسیار کوچکی از جرم می‌تواند به مقدار بزرگی انرژی تبدیل شود، زیرا c یا سرعت نور عدد بسیار بزرگی است.

پزشکی هسته ای

پزشکی هسته‌ای از ایزوتوپ‌های رادیواکتیو برای تشخیص و درمان بیماری‌ها استفاده می‌کند. ایزوتوپ‌های رادیواکتیو اتم‌های ناپایداری هستند که تابش منتشر می‌کنند و این تابش می‌تواند برای ایجاد تصاویر از داخل بدن یا از بین بردن سلول‌های سرطانی استفاده شود. برای مثال، تکنسیوم-۹۹m یک ایزوتوپ رادیواکتیو است که در اسکن استخوان برای تشخیص ناهنجاری‌های استخوانی استفاده می‌شود. همچنین در تمام روش‌های تصویربرداری پزشکی مانند اشعه ایکس، توموگرافی رایانه‌ای (سی‌تی‌اسکن) و تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) می‌توان ردپای فیزیک هسته ای را پیدا کرد.

برای اینکه بهتر متوجه شوید ارتباط پزشکی و فیزیک هسته ای چیست، بطور خلاصه توضیح می‌دهیم در «پت‌اسکن» (PET Scan) چگونه از این علم استفاده می‌شود. PET مخفف Positron Emission Tomography است. در این روش ابتدا ماده رادیواکتیو منتشرکننده پوزیترون وارد بدن می‌شود. سپس پوزیترون با الکترون برخورد کرده و دو پرتو گاما تولید می‌شود. دستگاه محل تولید این پرتوها را مشخص می‌کند. نتایج پت‌اسکن در تشخیص سرطان، بررسی فعالیت مغز، بیماری‌های عصبی و بررسی قلب بسیار مهم است.

پژوهش

از فیزیک هسته‌ ای در طیف گسترده‌ای از حوزه‌های پژوهشی می‌توان استفاده کرد. در ادامه معرفی کرده‌ایم مهم‌ترین شاخه‌های مرتبط با فیزیک هسته ای چیست:

فیزیک ذرات

فیزیک ذرات بخش دیگری از علم فیزیک است که به مطالعه اجزای بنیادین در ماده (مانند کوارک‌ها) و نیروهای بین آن‌ها می‌پردازد. با توجه به اینکه یادگیری فیزیک هسته‌ ای در فهم ساختار هسته و ذرات زیراتمی نقش مهمی دارد، بهتر است پیش از شروع فیزیک ذرات یا همزمان با آن، فیزیک هسته‌ ای را نیز مطالعه کنید. این دانش برای درک جهان در کوچک‌ترین مقیاس‌ها ضروری است و منجر به توسعه شتاب‌دهنده‌های ذرات و آشکارسازهایی شده است که در پژوهش‌های فیزیک انرژی بالا استفاده می‌شوند.

اخترفیزیک هسته‌ ای

فیزیک هسته‌ ای برای مطالعه فرایندهای هسته‌ای که در ستارگان و دیگر اجرام آسمانی رخ می‌دهند استفاده می‌شود که این حوزه پژوهشی، اخترفیزیک هسته ای نام دارد. این شاخه به ما کمک می‌کند تا تکامل ستارگان و هسته‌زایی (ایجاد عناصر) را بهتر درک کنیم.

مهندسی هسته‌ ای

کاربرد فیزیک هسته‌ ای در طراحی و توسعه راکتورها و دیگر فناوری‌های هسته‌ای مربوط است به رشته مهندسی هسته‌ای.

کاربردهای صنعتی

کاربردهای صنعتی فیزیک هسته ای گسترده است. در ادامه بخشی به بخشی از این کاربردها اشاره کرده‌ایم:

رادیوگرافی

در رادیوگرافی از اشعه ایکس یا پرتوهای گاما برای ایجاد تصاویر از داخل اجسام استفاده می‌شود. این روش در تولید، ساخت‌وساز و موارد امنیتی بسیار کاربرد دارد.

آنالیز فعال‌ سازی نوترونی

در این آنالیز از نوترون‌ها برای فعال کردن هسته اتم‌ها استفاده می‌شود تا رادیواکتیو شوند. سپس اتم‌های رادیواکتیو شناسایی و اندازه‌گیری می‌شوند تا ترکیب عنصری یک نمونه تعیین شود. این روش در صنایعی مانند معدن‌، باستان‌شناسی و علوم جنایی استفاده می‌شود.

استریل‌ سازی پرتویی

در استریل‌سازی پرتویی از تابش برای از بین بردن باکتری‌ها و دیگر میکروارگانیسم‌ها استفاده می‌شود. این روش در صنایعی مانند فرآوری مواد غذایی، تولید تجهیزات پزشکی و تولید دارو کاربرد دارد.

امنیت ملی

فیزیک هسته‌ای با طراحی و توسعه سلاح‌های هسته‌ای نقش مهمی در امنیت ملی ایفا می‌کند. در سلاح‌های هسته‌ای از واکنش‌های هسته‌ای برای ایجاد یک انفجار بسیار قدرتمند استفاده می‌شود. در کنار آن لازم است از این شاخه برای توسعه فناوری‌ها و سیاست‌هایی جهت جلوگیری از گسترش سلاح‌های هسته‌ای نیز استفاده کرد. همچنین به منظور اطمینان از عملکرد ایمن تاسیسات هسته‌ای نیاز است که به این حوزه مسلط باشیم.

محیط زیست

از روش‌های فیزیک هسته‌ای در مطالعه فرایندهایی مانند انتقال آلاینده‌ها در هوا و آب و بررسی رفتار مواد رادیواکتیو در محیط زیست استفاده می‌شود. برای مثال، در بررسی آلودگی محیط زیست می‌توان از ایزوتوپ‌های رادیواکتیو به عنوان ردیاب استفاده کرد. در واقع ردیاب ماده‌ای است که مسیر حرکت آن قابل شناسایی باشد. به این ترتیب دانشمندان با استفاده از ردیاب‌های رادیواکتیو می‌توانند مسیر حرکت آلاینده‌ها در هوا، انتشار مواد سمی در رودخانه‌ها، حرکت نفت در دریا و آلودگی خاک را بررسی کنند.