واکنش هسته ای چیست؟ – به زبان ساده + تفاوت با واکنش شیمیایی

واکنش‌های هسته‌ای فرآیندهایی هستند که در آن‌ها بر اثر برخورد دو هسته اتمی یا برخورد یک هسته اتمی با یک ذره زیراتمی، یک یا چند نوکلید جدید تشکیل می‌شود. این نوکلیدها، با هسته‌های اولیه که به آن‌ها هسته‌های والد گفته می‌شود، متفاوت هستند. این واکنش‌ها می‌توانند انواع مختلفی مانند واپاشی هسته‌ای، همجوشی هسته‌ای،‌ شکافت هسته‌ای و ... داشته باشند. در این مطلب از مجله فرادرس می‌آموزیم واکنش هسته ای چیست و چگونه انجام می‌شود.

در ابتدای این مطلب می‌آموزیم واکنش هسته ای چیست و فرآیند و روش نوشتن معادله واکنش آن را بررسی می‌کنیم. سپس ساختار هسته اتم و انواع هسته‌های پرتوزا را می‌شناسیم و با واکنش همجوشی هسته‌ای آشنا می‌شویم. پس از آن به بررسی واکنش شکافت هسته‌ای و واکنش‌های زنجیری می‌پردازیم. در ادامه، انواع واکنش‌های واپاشی هسته‌ای را بررسی کرده و در نهایت می‌آموزیم انرژی، ویژگی‌ها، کاربرد و خطرات واکنش هسته ای چیست. با مطالعه این مطلب تا انتها می‌توانید با واکنش‌های هسته‌ای به شکلی کامل آشنا شوید.

واکنش هسته ای چیست؟

واکنش هسته‌ای واکنشی است که طی آن، هسته یک اتم تغییر داده شده و به هسته اتمی جدید تبدیل می‌شود. طی این فرآیند، انرژی قابل توجهی آزاد می‌شود که به آن انرژی هسته‌ای گفته می‌شود. واکنش هسته‌ای می‌تواند انواع مختلفی مانند همجوشی هسته‌ای یا شکافت هسته‌ای داشته باشد. واکنش‌های هسته‌ای می‌توانند شامل اختلاف جرم بین واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها باشند که این جرم از دست رفته به انرژی تبدیل می‌شود.

واکنش هسته‌ای می‌تواند بین دو هسته یا یک هسته و یکی از ذرات زیر اتمی انجام شود. همچنین گاهی این واکنش‌ها به صورت خودبخودی و گاهی به وسیله بمباران ذرات پر انرژی انجام می‌شود. تمامی واکنش‌های هسته‌ای انرژی قابل توجهی آزاد می‌کنند که از آن در فرآیندهای مختلفی مانند تولید برق یا درمان سرطان استفاده می‌شود. مهم‌ترنی واکنش‌های هسته‌ای، شکافت و همجوشی هسته‌ای هستند که در تصویر زیر نمایش داده شده‌اند.

فرآیند واکنش هسته ای

در قسمت قبل آموختیم واکنش هسته ای چیست. واکنش هسته‌ای به شکل کلی و غیرقابل بازگشت به روش‌های ساده، ماهیت و ساختار و ویژگی‌های هسته اتم را تغییر می‌دهد. این فرآیند با استفاده از بمباران ذرات پرانرژی اتفاق میافتد. این ذرات پرانرژی می‌توانند نوترون، الکترون، پروتون، ذرات آلفا، اشعه گاما یا یون سنگین باشند.

در تمامی این موارد، ذراتی که برای بمباران کردن هسته اتم به کار می‌روند باید انرژی زیاد و کافی داشته باشند تا بتوانند نیروهای بسیار قوی بین ذرات هسته اتم غلبه کنند.

نمایش واکنش هسته ای

واکنش هسته‌ای مانند سایر واکنش‌های شیمیایی شامل واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها است و قانون پایستگی جرم باید در آن برقرار باشد. این بدین معنی است که تعداد کل اتم‌ها در دوطرف معادله واکنش هسته‌ای برابر است.

در واکنش‌های شیمیایی پیوندها شکسته و دوباره تشکیل می‌شوند و فقط آرایش اتم‌ها عوض می‌شود، اما در واکنش‌های هسته‌ای ساختار درونی هسته تغییر می‌کند. برای اینکه یک واکنش هسته‌ای موازنه باشد باید دو شرط رعایت شود:

• مجموع عددهای جرمی (تعداد کل نوکلئون‌ها) در دو طرف واکنش برابر باشد.
• مجموع بارهای الکتریکی در دو طرف واکنش یکسان بماند.

اگر عدد اتمی و عدد جرمی همه ذرات به جز یک ذره در واکنش معلوم باشد، می‌توان با موازنه کردن معادله، ذره ناشناخته را پیدا کرد. برای مثال، اگر بدانیم در یک واکنش هسته‌ای یکی از محصولات پروتون است، می‌توان با استفاده از موازنه عدد اتمی و عدد جرمی، نوع ذره یا هسته دیگر را مشخص کرد. به این روش می‌توان نوکلیدهای ناشناخته را در واکنش‌های هسته‌ای تشخیص داد. واکنش زیر، یک نمونه از واکنش‌های هسته‌ای است.

$${^{25}_{12}Mg + ^4_2He \rightarrow ^1_1H + {^{28}_{13}Al}}$$

مثال موازنه واکنش هسته ای

از واکنش یک ذره آلفا با منیزیم - ۲۵ $$(\ce{^{25}_{12}Mg})$$، یک پروتون و هسته یک اتم دیگر تولید می‌شود. اگر ذره آلفا ($$^4_2He$$) باشد، ذره دیگر را پیدا کنید.

پاسخ

معادله واکنش شیمیایی را می‌توان به شکل زیر نمایش داد. در این نمایش، A عدد جرمی و Z عدد اتمی ذره است.

$$\ce{^{25}_{12}Mg + ^4_2He \rightarrow ^1_1H + ^{A}_{Z}X}$$

جمع جرم در دو طرف معادله باید برابر باشد. بنابراین خواهیم داشت:

$$‌{25+4=A+1}$$

A=۲۸

به همین ترتیب مقادیر بار هسته نیز باید موازنه شوند. بنابراین:

$$‌{12+2=Z+1}$$

$$‌{Z=13}$$

بدین ترتیب این ذره اتم آلومینیوم با بار ۱۳+ و عدد جرمی ۲۸ است.

انواع واکنش هسته ای چیست؟

تعداد واکنش‌های هسته‌ای بسیار زیاد است، چند نوع از آن‌ها بیشتر رخ می‌دهند یا شناخته‌شده‌تر هستند. شرایط برای انجام برخی از واکنش‌ها در شرایط فشار و گرمای آزمایشگاه دشوار است و برخی به صورت خودبخودی در خوشید و ستارگان رخ می‌دهند. در ادامه می‌آموزیم مهم‌ترین انواع واکنش هسته ای چیست.

• واکنش‌های همجوشی: دو هسته سبک با هم ترکیب می‌شوند و یک هسته سنگین‌تر تشکیل می‌‌دهند. معمولا ذرات اضافی مثل پروتون یا نوترون نیز به عنوان فرآورده واکنش تابش می‌شوند.
• تابش گامای القایی: در این واکنش‌ها فقط فوتون‌ها وارد عمل می‌شوند و حالت انرژی هسته را ایجاد می‌کنند یا از بین می‌برند. این واکنش‌ها معمولا باعث تخلیه انرژی هسته بدون تغییر عدد جرمی و عدد اتمی آن می‌شوند.
• واکنش‌های شکافت: هسته‌های بسیار سنگین بعد از جذب ذرات سبک، به دو یا گاهی سه بخش تقسیم می‌شوند. این واکنش‌ها القایی هستند. شکافت طبیعی هسته‌های خیلی سنگین (مثل اورانیوم-۲۳۸) یک نوع واکنش هسته‌ای است، ولی برخلاف شکافت القایی، به بمباران ذره نیاز ندارد.
• واپاشی هسته‌ای: واپاشی هسته‌ای فرآیندی است که در آن هسته ناپایدار به هسته‌ای پایدارتر تبدیل شده و انرژی یا ذرات مختلف را تابش می‌کند.

برخی دیگر از انواع واکنش‌های هسته‌ای در ادامه نام برده شده است.

• پراکندگی کشسان
• پراکندگی غیرکشسان
• گسیختگی
• گسیختگی فوتونی
• جذب تابشی
• واکنش مستقیم
• واپاشی خودبه‌خودی
• واکنش‌های اسپالیشن
• واکنش‌های با انرژی بالا
• واکنش‌های یون سنگین

یادگیری شیمی دهم با فرادرس

برای درک بهتر این موضوع که واکنش هسته ای چیست، ابتدا باید با مفاهیمی چون ایزوتوپ‌ها، واحد جرم اتمی، عدد جرمی، ساختار اتم و هسته اتم آشنا شویم. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری بیشتر این مفاهیم، به مجموعه فیلم آموزش دروس پایه دهم، بخش شیمی مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مفاهیم می‌پردازد.

همچنین، با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه واکنش هسته‌ای دسترسی داشته باشید.

• فیلم آموزش علوم تجربی پایه نهم بخش شیمی فرادرس
• فیلم آموزش شیمی ۲ پایه یازدهم رشته علوم تجربی و ریاضی و فیزیک فرادرس
• فیلم آموزش شیمی ۲ پایه یازدهم حل سوالات تشریحی امتحانات نهایی فرادرس

ساختار هسته اتم

هسته اتم از دو نوع ذره به نام‌های پروتون و نوترون تشکیل شده است. تعداد پروتون‌های موجود در هسته را عدد اتمی عنصر می‌نامند و مجموع تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها عدد جرمی آن عنصر است. اتم‌هایی که عدد اتمی برابر اما عدد جرمی متفاوت دارند، ایزوتوپ‌های یک عنصر به شمار می‌آیند. شیمی هسته‌ای شاخه‌ای از علم است که به بررسی واکنش‌هایی می‌پردازد که در آن ساختار درونی هسته اتم دچار تغییر می‌شود.

پروتون‌ها و نوترون‌ها که در مجموع «نوکلئون» نامیده می‌شوند، درون هسته با تراکمی بسیار بالا کنار هم قرار دارند. هسته بخش بسیار کوچکی از حجم کل اتم را تشکیل می‌دهد. چگالی هسته‌ها در مقایسه با مواد معمولی بسیار زیاد است. هر تغییری در هسته که موجب تغییر در عدد اتمی، عدد جرمی یا حالت انرژی آن شود، واکنش هسته‌ای نامیده می‌شود. برای نمایش این واکنش‌ها از معادلاتی استفاده می‌شود که در آن‌ها نوکلیدهای شرکت‌کننده، عدد جرمی و عدد اتمی آن‌ها و همچنین سایر ذرات درگیر در واکنش مشخص می‌شوند.

انواع هسته پرتوزا

سه دسته کلی از هسته‌های رادیواکتیو بر اساس نوع واکنش واپاشی یا مجموعه‌ای از واکنش‌ها مشخص می‌شوند. این هسته‌ها می‌توانند غنی از نوترون، کم نوترون یا سنگین باشند. این موارد در ادامه معرفی شده‌اند.

• هسته‌های غنی از نوترون: این هسته‌ها نسبت نوترون به پروتون بالایی دارند و برای رسیدن به پایداری، یک نوترون را به پروتون تبدیل می‌کنند تا نسبت نوترون به پروتون کاهش یابد.
• هسته‌های کم نوترون (فقیر از نوترون): این هسته‌ها نسبت نوترون به پروتون پایینی دارند و با تبدیل یک پروتون به نوترون، نسبت نوترون به پروتون افزایش یافته و پایدارتر می‌شوند.
• هسته‌های سنگین: هسته‌های با عدد جرمی A ≥ ۲۰۰ یا عدد اتمی Z > ۸۳ به‌طور ذاتی ناپایدارند، زیرا نیروهای دافعه بین پروتون‌ها بیش از نیروی هسته‌ای قوی است. این هسته‌ها از طریق تابش آلفا واپاشی می‌کنند که تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها را هر کدام ۲ واحد کاهش می‌دهد و نسبت نوترون به پروتون را افزایش می‌دهد.

همجوشی هسته ای

همجوشی هسته‌ای واکنشی است که در آن دو هسته کوچک‌تر باهم ترکیب شده و (به اصطلاح جوش میخورند) تا یک هسته بزرگ‌تر را تشکیل دهند. طی این واکنش نیز انرژی هسته‌ای آزاد می‌شود. واکنش همجوشی هسته‌ای برای دو ایزوتوپ دوتریم و تریتیم هیدروژن به صورت مداوم در خورشید و ستارگان انجام می‌شود. طی این واکنش، هلیوم و نوترون آزاد می‌شوند.

مقدار انرژی آزاد شده از واکنش همجوشی هسته‌ای بسیار بیشتر از واکنش شکافت هسته‌ای است. انجام واکنش همجوشی هسته‌ای در زمین بسیار دشوار است زیرا انجام این واکنش به دما و فشار بسیار بالایی برای غلبه بر نیروهای دافهعه الکترواستاتیک بین ذرات مثبت هسته‌های اتم احتیاج دارد.

شکافت هسته ای

شکافت هسته‌ای نوعی از واکنش هسته‌ای است که طی آن یک اتم بزرگ (سنگین) با ذرات نوترون مورد هدف قرار می‌گیرد. این فرآیند باعث ناپایداری هسته اتم شده و آن را به دو قسمت تقسیم می‌کند. همچنین از این واکنش دو یا سه نوترون دیگر نیز آزاد می‌شود.

با انجام شکافت هسته‌ای، مقداری از جرم اتم از مجموعه واکنش خارج می‌شود و مستقیما به انرژی تبدیل می‌شود. این انرژی نوعی از انرژی گرمایی است که می‌تواند برای استفاده در تولید برق در نیروگاه‌های هسته‌ای مورد استفاده قرار گیرد.

واکنش شکافت هسته ای زنجیره ای

واکنش شکافت هسته‌ای می‌تواند طی چندین مرحله از شکافت‌های پی‌درپی صورت گیرد. طی این واکنش‌ها ، سرعت واکنش و سرعت آزادسازی انرژی بیشتر می‌شود. طی مراحل دوم، سوم و چهارم شکافت هسته‌ای، انرژی بسیار زیادی در زمان کمی آزاد می‌شود که با نام انفجار هسته‌ای شناخته می‌شود.

تنها هسته اتم‌های بسیار بزرگ و سنگین با نسبت نوترون به پروتون بالا می‌توانند دچار شکافت هسته‌ای زنجیری شوند. در این واکنش اتم به قسمت‌های کوچک‌تر با عدد اتمی و عدد جرمی کوچک‌تر تقسیم می‌شود. این فرآیند برای اتم‌های فوق سنگین با عدد اتمی بالاتر از ۱۰۴ بسیار مهم است.

در یک راکتور هسته‌ای، واکنش‌های شکافت زنجیره‌ای باید با استفاده از نوارهای بور کنترل شوند. این نوارها می‌توانند نوترون‌ها را جذب کرده و تعداد نوترون‌هایی را که با اتم‌ها برخورد می‌کنند کاهش دهند در نتیجه مقدار انرژی آزاد شده کنترل شده و از انفجار جلوگیری می‌شود. یکی از مثال‌های مهم واکنش شکافت زنجیری، واکنش هسته‌ای شکافت هسته اتم کالیفرنیم است که فرآورده‌های زیر را تولید می‌کند.

$$^{254}_{98}\textrm{Cf}\rightarrow \,^{118}_{46}\textrm{Pd}+\,^{132}_{52}\textrm{Te}+4\:^{1}_{0}\textrm{n}$$

فرآیند واکنش زنجیری

واکنش‌های شکافت هسته‌ای با تقسیم هسته اتم‌های سنگین مانند اورانیوم و پلوتونیم به دو قسمت که تقریبا جرم برابری دارند، انجام می‌شوند. این فرآیند با آزادسازی مقدار زیادی انرژی همراه است. این فرآیند می‌تواند خودبخود اتفاق بیافتد یا با برانگیخته کردن اجزای هسته مانند نوترون، پروتون، ذرات آلفا و ... همراه باشد. همچنین این فرآیند می‌تواند با استفاده از پرتوهای الکترومغناطیسی به شکل امواج گاما همراه باشد. به همین دلیل تعداد بسیار زیادی نوترون و ذرات پرانرژی طی این واکنش آزاد می‌شوند.

این ذرات می‌توانند به راحتی با سایر اتم‌های موجود (یا باقی‌مانده فرآیند شکافت هسته‌ای) واکنش برقرار کرده و دوباره وارد یک واکنش شکافت دیگر شوند. بدین ترتیب تعداد نوترون‌های حاصل از هر واکنش افزایش یافته و احتمال ادامه یافتن واکنش‌ها افزایش می‌یابد. بدین ترتیب اگر این ذرات نوترون در راکتورهای هسته‌ای جذب نشوند، می‌توانند باعث انفجاری اتمی شوند.

شکافت هسته اتم اورانیوم

یکی از مهم‌ترین مثال‌های واکنش شکافت هسته‌ای، شکافت هسته اورانیوم - ۲۳۵ به وسیله بمباران نوترونی است. از این واکنش شکافت، فراورده‌های متفاوتی می‌تواند تولید شود. مهم ترین واکنش‌های شکافت هسته اورانیوم - ۲۳۵ در ادامه آورده شده است.

$$^{235}_{92}{U} + ^{1}_{0}‌{n} \rightarrow ^{146}_{57}‌{La} + ^{87}_{35}‌{Br} + 3\,^{1}_{0}‌{n}$$

$$^{235}_{92}{U} + ^{1}_{0}‌{n} \rightarrow ^{137}_{52}‌{Te} + ^{97}_{40}‌{Zr} + 2\,^{1}_{0}‌{n}$$

$$^{235}_{92}‌{U} + ^{1}_{0}‌{n} \rightarrow ^{137}_{55}‌{Cs} + ^{96}_{37}‌{Rb} + 3\,^{1}_{0}‌{n}$$

یکی دیگر از مثال‌های واکنش شکافت هسته‌ای، شکافت هسته پلوتونیوم - ۲۳۹ است. پیشنهاد می‌کنیم برای درک بهتر تفاوت همجوشی و شکافت هسته‌ای، مطلب تفاوت بین شکافت و هم‌جوشی هسته‌ای چیست مجله فرادرس را مطالعه کنید.

واکنش واپاشی هسته ای

واکنش واپاشی هسته‌ای (واپاشی رادیواکتیو)، فرآیندی است که در آن یک هسته ناپایدار با تابش ذرات پرانرژی به پایداری می‌رسد. این ناپایداری که به دلیل وجود ذرات نوترون یا پروتون اضافی در هسته است،می‌تواند با تابش ذرات آلفا، بتا، نوترون، تابش پرتو گاما و ... همراه باشد. فرآورده واکنش واپاشی هسته‌ای می‌تواند اتمی پایدار باشد یا با واپاشی مجدد به پایداری برسد.

در واکنش‌های واپاشی هسته‌ای مانند واکنش‌های شیمیایی، تعداد و نوع ذرات برای برقراری تعادل معادله در نظر گرفته می‌شود. در اینجا هم با توجه به تعداد و نوع نوکلئون‌ها می‌توان معادله‌ای موازنه نوشت. به این ترتیب اگر تنها یکی از هسته‌ها یعنی هسته مادر یا هسته دختر شناخته شود می‌توان دیگری را پیش‌بینی کرد. در همه واکنش‌های هسته‌ای صرف‌نظر از نوع واپاشی مجموع نوکلئون‌ها در دو طرف معادله ثابت می‌ماند.

نماد ذرات هسته ای

برای توضیح واکنش‌های واپاشی هسته‌ای شیمیدانان نماد نوکلیدها را گسترش داده‌اند تا ذرات تابشی حاصل از واپاشی را هم نشان دهد. در جدول زیر، نام و نماد هر نوع تابش نوشته شده است. یکی از مهم‌ترین این ذرات، پوزیترون است که جرمی برابر با جرم الکترون دارد اما بار آن مثبت است در حالی که بار الکترون منفی است. این نمادها در ادامه آورده شده است.

از آنجا که الکترون و پوزیترون هیچ پروتون یا نوترونی ندارند، عدد جرمی آن‌ها صفر در نظر گرفته می‌شود. البته این عدد به معنی جرم صفر واقعی نیست. بلکه فقط نشان می‌دهد خروج یک ذره بتا (الکترون) تاثیر قابل توجهی بر جرم هسته ندارد. در بعضی موارد، برای ذراتی که از نظر ماهیت یکسان‌اند اما به روش‌های متفاوتی تولید می‌شوند، نمادهای مختلفی به‌کار می‌رود.

برای نمونه، نماد $$^0_{-1}\textrm e$$ نشان‌دهنده یک الکترون آزاد یا وابسته به اتم است، در حالی که نماد $$^0_{-1}\beta$$ که به شکل ساده تر $$\beta ^-$$ نمایش داده می‌شود، به الکترونی اشاره دارد که از درون هسته تابش شده و ذره بتا نامیده می‌شود.

انواع واکنش واپاشی هسته ای چیست؟

چندین نوع واکنش واپاشی هسته‌ای وجود دارد که هر یک مقدار انرژی و ذرات متفاوتی آزاد می‌کنند. رایج ترین انواع این واکنش‌ها واپاشی آلفا و بتا و پرتو گاما هستند. این واکنش‌ها و معادلات آن‌ها در تصویر زیر نمایش داده شده است. در ادامه می‌آموزیم مفهوم هر یک از این انواع واکنش هسته ای چیست.

پیشنهاد می‌کنیم برای درک بهتر این نوع واکنش‌ها، فیلم آموزش واپاشی رادیواکتیو چیست فرادرس که لینک آن در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید.

واپاشی آلفا

بسیاری از هسته‌ها با جرم بالاتر از ۲۰۰، دچار واپاشی آلفا می‌شوند. این واپاشی باعث تابش هلیوم -۴ (ذره آلفا) می‌شود. واکنش کلی واپاشی آلفا به شکل زیر است.

$$\underset{\textrm{parent}}{^A_Z \textrm X}\rightarrow \underset{\textrm{daughter}}{^{A-4}_{Z-2} \textrm X'}+\underset{\textrm{alpha}\\ \textrm{particle}}{^4_2 \alpha}$$

در این واکنش (Parent) نماد هسته والد، (Daughter) نماد هسته دختر و (Alpha particle) ذره آلفا است. هسته دختر شامل ۲ پروتون و ۲ نوترون کمتر از هسته والد است. بنابراین عدد اتمی آن ۲ واحد و عدد جرمی آن ۴ واحد کمتر از  هسته والد است. برای مثال، واکنش زیر یک واپاشی آلفا است.

$$^{226}_{88}\textrm{Ra}\rightarrow ^{222}_{86}\textrm{Rn}+^{4}_{2}\alpha$$

واپاشی بتا

هسته‌هایی که دارای تعداد بسیار زیادی نوترون هستند، معمولا دچار واپاشی بتا می‌شوند. در این واپاشی، یک نوترون به یک پروتون و یک الکترون پر انرژی تبدیل می‌شود.

$${^1_0 \textrm n}\rightarrow{^{1}_{1} \textrm p}+{^0_{-1} \beta}$$

این الکترون تابش شده، ذره بتا نام دارد. واکنش کلی پاواشی بتا به شکل زیر نوشته می‌شود.

$$\underset{\textrm{parent}}{^A_Z \textrm X}\rightarrow \underset{\textrm{daughter}}{^{A}_{Z+1} \textrm X'}+\underset{\textrm{beta particle}}{^0_{-1} \beta}$$

در این واکنش (Parent) نماد هسته والد، (Daughter) نماد هسته دختر و (Beta particle) ذره بتا است. با وجود اینکه واپاشی بتا عدد جرمی هسته را تغییر نمی‌دهد، اما باعث افزایش عدد اتمی به اندازه +۱ می‌شود. زیرا در هسته دختر یک پروتون جدید به وجود می‌آید. در نتیجه، واپاشی بتا نسبت نوترون به پروتون را کاهش می‌دهد و هسته را به سمت پایداری نزدیک‌تر می‌کند. برای مثال، کربن - ۱۴ با واپاشی بتا به نیتروژن - ۱۴ تبدیل می‌شود.

$$^{14}_{6}\textrm{C}\rightarrow ^{14}_{7}\textrm{N}+\,^{0}_{-1}\beta$$

تابش پوزیترون

از آنجا که پوزیترون جرمی برابر با الکترون دارد اما بار آن مثبت است، تابش پوزیترون برخلاف واپاشی بتا عمل می‌کند. این نوع تابش در هسته‌هایی که کمبود نوترون دارند رخ می‌دهد و در آن، یک پروتون به نوترون تبدیل شده و یک پوزیترون پرانرژی تابش می‌شود. معادله این واکنش هسته‌ای به شکل زیر است.

$$^{1}_{1}\textrm{p}^+\rightarrow ^{1}_{0}\textrm{n}+\,^{0}_{+1}\beta^+$$

مانند تابش بتا، این تابش نیز جرم هسته را تغییر نمی‌دهد. در این مورد، عدد اتمی هسته دختر ۱ واحد از عدد اتمی هسته والد کمتر است. بنابراین نسبت نوترون به پروتون افزایش می‌یابد. برای مثال، کربن - ۱۱ با واپاشی پوزیترونی، به بور - ۱۱ تبدیل می‌شود.

$$^{11}_{6}\textrm{C}\rightarrow ^{11}_{5}\textrm{B}+\,^{0}_{+1}\beta^+ $$

دام اندازی الکترون

هسته‌هایی که تعداد زیادی نوترون ندارند، می‌تواند دچار واپاشی جذب الکترون یا به‌دام‌اندازی الکترون شوند. در این واکنش، الکترونی که در لایه‌های درونی اتم وجود دارد با یک پروتون واکنش داده و یک نوترون تولید می‌کند. فرم کلی این واکنش هسته‌ای به شکل زیر است.

$$^{1}_{1}\textrm{p} +\; ^{0}_{-1}\textrm{e}\rightarrow \, ^{1}_{0}\textrm n$$

پس از این اتفاق، در لایه‌های درونی الکنرونی اتم، اوربیتال خالی ایجاد شده و الکترون‌های لایه‌های بیرونی به لایه‌های داخلی‌تر می‌روند. با این جابجایی الکترون، یک پرتو ایکس تابش می‌شود. بنابراین، واکنش کلی برای جذب الکترون به صورت زیر نوشته می‌شود.

$${^A_Z \textrm X}+{^0_{-1} \textrm e}\rightarrow {^{A}_{Z-1} \textrm X'}+\textrm{x-ray}$$

جذب الکترون عدد جرمی هسته را تغییر نمی‌دهد، زیرا پروتونی که تبدیل می‌شود و نوترونی که به وجود می‌آید هر دو عدد جرمی برابر با یک دارند. با این حال، مانند تابش پوزیترون، عدد اتمی هسته دختر یک واحد کمتر از هسته والد است. در نتیجه نسبت نوترون به پروتون افزایش می‌یابد. برای مثال، ایزوتوپ آهن - ۵۵ از طریق جذب الکترون واپاشی می‌کند و منگنز - ۵۵ تولید می‌شود. در این واکنش، عدد اتمی هسته والد و هسته دختر متفاوت است، اما عدد جرمی آن‌ها یکسان است.

$$^{55}_{26}\textrm{Fe}+\,^{0}_{-1}\textrm{e}\rightarrow \, ^{55}_{25}\textrm{Mn}+\textrm{x-ray}$$

تابش پرتو گاما

در بسیاری از واکنش‌های واپاشی هسته‌ای، هسته‌های دختر در حالت انرژی بالاتر قرار دارند، یعنی انرژی بیشتری نسبت به حالت پایه دارند. این حالت، مشابه حالتی است که یک الکترون در اتم به یک اوربیتال بالاتر رفته است. همان‌طور که الکترون هنگام بازگشت به سطح پایه انرژی خود را به صورت فوتون آزاد می‌کند، هسته نیز به هنگام بازگشت به حالت پایه، انرژی را به صورت فوتون آزاد می‌کند. این فوتون‌های پرانرژی پرتو گاما نام دارند.

تابش گاما می‌تواند بسیار سریع رخ دهد، مانند واپاشی اورانیوم - ۲۳۸ به توریم - ۲۳۴ که در آن علامت ستاره (*) نشان‌دهنده هسته با انرژی بالاتر است.

$$^{A}_{Z}\textrm{X*} \rightarrow\, ^{A}_{Z}\textrm{X}+^{0}_{0}\gamma$$

$$^{234}_{88}\textrm{Th*} \rightarrow\, ^{234}_{88}\textrm{Th}+^{0}_{0}\gamma$$

سری واپاشی رادیواکتیو

هسته‌های تمام عناصر با عدد اتمی بیشتر از ۸۳ ناپایدار هستند. بنابراین همه ایزوتوپ‌های عناصری که بعد از بیسموت در جدول تناوبی قرار دارند، رادیواکتیو هستند. از آنجا که تابش آلفا عدد اتمی را تنها ۲ واحد کاهش می‌دهد و تابش پوزیترون یا جذب الکترون آن را تنها ۱ واحد کاهش می‌دهد، هیچ هسته‌ای با عدد اتمی بالای ۸۵ نمی‌تواند در یک مرحله به هسته‌ای پایدار تبدیل شود. تنها روش رسیدن به این پایداری واکنش شکافت هسته‌ای است.

در نتیجه، ایزوتوپ‌های رادیواکتیو با عدد اتمی بالای ۸۵ معمولا به هسته دختر رادیواکتیو تبدیل می‌شوند که خود آن نیز واپاشی می‌کند و این روند تا رسیدن به یک هسته پایدار ادامه می‌یابد. این سری از واکنش‌های متوالی آلفا و بتا را سلسله (سری) واپاشی رادیواکتیو می‌نامند. تصویر زیر، نمودار سری واپاشی رادیواکتیو را برای اتم اورانیوم - ۲۳۸ نمایش می‌دهد.

مثال سری واپاشی رادیو اکتیو

رایج‌ترین مثال این سری، سلسله واپاشی اورانیوم - ۲۳۸ است که در ۱۴ مرحله متوالی آلفا و بتا، هسته پایدار سرب - ۲۰۶ را تولید می‌کند. تقریبا می‌توان برای هر ایزوتوپ با عدد اتمی بالای ۸۵ یک سری واپاشی نوشت، اما تنها دو سری واپاشی رادیواکتیو دیگر به‌طور طبیعی رخ می‌دهند. این موارد واپاشی اورانیوم - ۲۳۵ به سرب - ۲۰۷ در ۱۱ مرحله، و واپاشی توریم - ۲۳۲ به سرب - ۲۰۸ در ۱۰ مرحله هستند.

نوشتن معادله واکنش واپاشی هسته ای

پس از درک این موضوع که انواع واکنش واپاشی هسته‌ای چیست، باید بتوانید معادله واکنش واپاشی هر یک را بنویسید. این کار با استفاده از توجه به نوع ذرات تولید شده در این واکنش‌های (آلفا، بتا و ...) و مقدار عدد جرمی و عدد اتمی آن‌ها است. با کم کردن عدد جرمی و عدد اتمی ذره‌های تولید شده از اتم مادر، می‌توان اتم تولید شده حاصل از واپاشی را پیدا کرد. برای مثال، فرض کنید می‌خواهیم معادله واکنش واپاشی بتای اتم $$^{35}_{16}\textrm{S}$$ را بنویسیم.

در واپاشی بتا، یک ذره بتا از اتم مادر جدا می‌شود. در نتیجه مقدار عدد اتمی هسته دختر تغییر نکرده و مقدار عدد جرمی آن ۱ واحد بیشتر است. خواهیم داشت:

$$^{35}_{16}\textrm{S}\rightarrow\,^{A}_{Z}\textrm{X}+\,^{0}_{-1}\beta$$

پس عدد جرمی اتم تولید شده برابر با ۳۵ و عدد اتمی آن ۱ واحد بیشتر و برابر ۱۷ است. عنصر با عدد اتمی برابر ۱۷، عنصر کلر است. بنابراین معادله بالا به شکل زیر نوشته می‌شود.

$$^{35}_{16}\textrm{S}\rightarrow\,^{35}_{17}\textrm{Cl}+\,^{0}_{-1}\beta$$

در نهایت نیز مقدار اعداد جرمی و اتمی را برای موازنه بودن بررسی می‌کنیم. برای درک بهتر این روش نوشتن معادله، به مثال‌های زیر دقت کنید.

مثال ۱

معادله واکنش واپاشی اتم جیوه - ۲۰۱ ($$^{201}_{80}\textrm{Hg}$$) را با استفاده از روش واپاشی جذب الکترون بنویسید.

پاسخ

در واکنش جذب الکترون، عدد جرمی فرآورده تغییر نکرده و عدد اتمی آن یک واحد کاهش می‌یابد و یک الکترون نیز در سمت واکنش دهنده‌ها نوشته می‌شود. بنابراین، فرآورده این واکنش، اتمی با عدد جرمی ۲۰۱ و عدد اتمی ۷۹ (عنصر طلا) است.

$$^{201}_{80}\textrm{Hg}+\,^{0}_{-1}\textrm e\rightarrow\,^{201}_{79}\textrm{Au}$$

مثال ۲

معادله موازنه شده واکنش واپاشی آلفا و همراه با تابش پرتو گاما را برای اتم $$^{185}_{74}\textrm{W}$$ بنویسید.

پاسخ

فرم کلی واکنش واپاشی هسته‌ای پرتو گاما به همراه واپاشی آلفا به شکل زیر خواهد بود.

$$^{A}_{Z}\textrm{X*} \rightarrow\, ^{A}_{Z}\textrm{X}+^{4}_{2}\alpha +^{0}_{0}\gamma$$

در نتیجه، اتم فرآورده این واکنش، ۴ واحد عدد جرمی کمتر و ۲ واحد عدد اتمی کمتری خواهد داشت. عدد جرمی آن ۱۸۱ و عدد اتمی آن ۷۲ (عنصر هافمیم) است و واکنش به شکل زیر نوشته می‌شود.

$$^{185}_{74}\textrm{W}\rightarrow\,^{181}_{72}\textrm{Hf}+\,^{4}_{2}\alpha +\,^{0}_{0}\gamma$$

تشخیص نوع واپاشی هسته ای

برای تشخیص نوع واپاشی هسته‌ای، باید به نسبت نوترون به پروتون اتم دقت کنیم. هسته‌هایی که نسبت نوترون به پروتون کمی دارند، با تبدیل پروتون به نوترون، دچار واپاشی می‌شوند. بنابراین واکنش‌های واپاشی تابش پوزیترون و جذب الکترون می‌تواند برای این اتم‌ها اتفاق بیافتد.

برای تشخیص انواع واکنش واپاشی هسته‌ای، به نکات زیر دقت کنید.

• هسته‌هایی با عدد اتمی بزرگتر از ۸۳، ناپایدار هستند و معمولا دچار واپاشی آلفا می‌شوند که همزمان مقدار عدد جرمی و عدد اتمی آن‌ها را کاهش می‌دهد.
• اتم‌هایی که در آن‌ها نسبت نوترون به پروتون بسیار بیشتر از ۱ است، با تبدیل نوترون به پروتون و الکترون دچار واپاشی می‌شوند. بنابراین این اتم‌ها با واپاشی بتا به اتمی تبدیل می‌شوند که مقدار نسبت نوترون به پروتون در آن کمتر است.
• اتم‌هایی با عدد اتمی بزرگتر از ۲۰۰، دار واپاشی آلفا و شکافت هسته‌ای زنجیری می‌شوند.

پس برای تشخیص و تخمین نوع واکنش هسته‌ای اتم‌های مختلف باید به هسته آن‌ها دقت کنیم و نوع آن را تشخیص دهیم.

مثال تشخیص نوع واپاشی هسته‌ ای

برای درک بهتر نکات قسمت قبل، پیش‌بینی کنید، اتم‌های $$^{45}_{22}\textrm{Ti}$$، $$^{256}_{100}\textrm{Fm}$$ و $$^{12}_{5}\textrm{B}$$ در چه نوع واکنش‌های هسته‌ای شرکت می‌کنند.

پاسخ

برای پاسخ به این سوال، باید نسبت نوترون به پروتون را در اتم‌های ارائه شده بررسی کنیم.

• در اتم $$^{45}_{22}\textrm{Ti}$$، نسبت نوترون (۲۳) به پروتون (۲۲) برابر با ۱٫۰۴ است. این نسبت زیاد نیست در نتیجه این اتم باید یک پروتون را به نوترون نبدیل کند تا نسبت نوترون به پروتون افزایش یابد. بنابراین این واکنش می‌تواند در واکنش‌های تابش پوزیترون و جذب الکترون شرکت کند.
• اتم $$^{256}_{100}\textrm{Fm}$$ دارای عدد جرمی بیشتر از ۲۰۰ است که می‌تواند دچار واکنش شکافت هسته‌ای زنجیری و واپاشی آلفا شود.
• در اتم $$^{12}_{5}\textrm{B}$$، نسبت نوترون (۷) به پروتون (۵) برابر با ۱٫۴ است که به نسبت اندازه اتم، مقدار بالایی است. در نتیجه، اتم با استفاده از واپاشی بتا به پایداری می‌رسد.

واکنش هسته ای القایی

در شکافت هسته‌ای القایی با نوترون، برخورد یک نوترون با هسته قابل شکافت می‌تواند هسته را به دو هسته کوچک‌تر با جرم‌های یکسان یا متفاوت تقسیم کند. در این فرآیند نوترون‌های اضافی نیز آزاد می‌شوند و مقدار زیادی انرژی تولید می‌شود. هر ایزوتوپی که بتواند تحت بمباران نوترون دچار شکافت هسته‌ای شود، ایزوتوپ قابل شکافت (fissile) نامیده می‌شود.

برخی هسته‌ها به هسته‌هایی با تعداد پروتون متفاوت تبدیل می‌شوند و در نتیجه عنصر متفاوتی تولید می‌کنند. امکان انجام عکس این واکنش نیز وجود دارد. یعنی با بمباران یک هسته پایدار با ذرات زیراتمی می‌توان آن را به هسته‌ای سنگین‌تر تبدیل کرد که این فرآیند به عنوان واکنش دگرگونی هسته‌ای شناخته می‌شود.

انرژی واکنش هسته ای

واکنش‌های هسته‌ای معمولا مقدار انرژی هسته‌ای بسیار زیادی را آزاد می‌کنند. این پدیده به این علت است که جرم هسته اتم همواره کمتر از جرم ذرات زیر اتمی است که هسته اتم را تشکیل می‌دهند. این اختلاف انرژی ربوط به نیروهای متصل کننده ذرات هسته اتم است. این انرژی در واقع انرژی مورد نیاز برای متصل نگه داشتن ذرات هسته اتم مانند پروتون‌ها و نوترون‌ها است.

طی انجام واکنش هسته‌ای، این انرژی (اخلاف جرم) آزاد می‌شود و مقدار آن با استفاده از معادله انیشتین (هم‌ارزی جرم و انرژی) قابل توضیح است.

$$E = (Δm)c^2$$

در این معادله، E مقدار انرژی، $$(Δm)$$ اختلاف جرم فرآورده‌ها و واکنش‌دهنده‌ها و c سرعت نور است.

مثال محاسبه انرژی واکنش هسته ای

برای درک بهتر نحوه محاسبه مقدار انرژی آزاد شده از واکنش‌های هسته‌ای، به مثال ارائه شده، دقت کنید. مقدار انرژی آزاد شده از واکنش واپاشی آلفا هسته $$^{239}\text{Pu}$$ را محاسبه کنید. جرم‌های اتمی مربوط به هر یک از ذرات به شکل زیر است.

• $$m(239^Pu)=239.052157 u$$
• $$m(235^U)= 235.043924 u$$
• $$m(4^He) = 4.002602 u$$

پاسخ

ابتدا واکنش واپاشی آلفا این اتم را می‌نویسیم. در واپاشی آلفا، یک هلیوم تولید شده و مقدار عدد جرمی اتم ۴ واحد کاهش می‌یابد. پس این واکنش به شکل زیر خواهد بود.

$$^{239}\text{Pu}\rightarrow{^{235}}\text{U}+{^4}\text{He}\\$$

مقدار اختلاف جرم ناشی از این واکنش را به دست اورده و در معادله انیشتین می‌گذاریم.

$$\begin{array}{lll}\Delta{m}&=&m\left({^{239}}\text{Pu}\right)-\left[m\left({^{235}}\text{U}\right)+m\left({^4}\text{He}\right)\right]\\\text{ }&=&239.052157\text{ u}-239.046526\text{ u}\\\text{ }&=&0.0005631\text{ u}\end{array}\\$$

همچنین، مقدار واحد جرم اتمی نیز باید بر حسب گرم در معادله انیشتین گذاشته شود تا بتوان معادله را حل کرد. هر واحد جرم اتمی برابر با یک دوازدهم جرم اتم کربن ۱۲ است. بنابراین خواهیم داشت:

$$1\,u = 1.6605\times10^{-27}\,\text{kg}$$

$$E = (1.6605\times10^{-27}\,\text{kg})(3.00\times10^{8}\,\text{m/s})^{2}$$

$$E = 1.492\times10^{-10}\,\text{J}$$

$$\frac{1.492\times10^{-10}}{1.602\times10^{-13}} = 931.5\,\text{MeV}$$

$$E = (Δm)c^2 = (0.005631 u)c^2 = (0.005631)(931.5 MeV/c^2)(c^2) = 5.25 MeV$$

ویژگی واکنش هسته ای چیست؟

در قسمت‌های قبل آموختیم واکنش هسته ای چیست. این واکنش‌ها همواره با آزاد شدن انرژی همراه هستند و طی آن‌ها، عدد اتمی و عدد جرمی مواد واکنش‌دهنده تغییر کرده و به اتم‌های جدیدی تبدیل می‌شوند. در ادامه برخی از خواص و ویژگی‌های واکنش هسته‌ای بررسی می‌کنیم.

• در واکنش‌های هسته‌ای همواره پایداری ماده و انرژی برقرار است و مقادیر جرم تغییر یافته، به انرژی تبدیل می‌شوند.
• این واکنش‌ها می‌تواند مقادیر قابل توجهی انرژی دریافت یا آزاد کنند.
• واکنش‌های هسته‌ای با تغییر هسته اتم همراه هستند و فرآورده آن‌ها، اتمی جدید یا ایزوتوپ‌های دیگر اتم اولیه است.
• برخی از واکنش‌های هسته‌ای به شکل خودبه‌خود انجام می‌شوند و برخی به نیروی خارجی مانند بمباران الکترونی نیاز دارند.
• ذراتی مانند نوترون، پروتون، آلفا یا بتا معمولا طی واکنش‌های هسته‌ای آزاد می‌شوند.
• منبع انرژی بسیار زیاد واکنش هسته‌ای، نیروهای قوی بین ذرات تشکیل دهنده نوکلئیدها است.
• واکنش هسته‌ای یکی از روش‌های تولید اتم‌ها و ایزوتوپ‌های جدید برای انجام کارهای تحقیقاتی است.

واکنش هسته ای در طبیعت

واکنش‌های هسته‌ای به طور طبیعی وقتی رخ می‌دهند که پرتوهای کیهانی با ماده برخورد کنند. این واکنش‌ها را می‌توان به طور مصنوعی نیز انجام داد تا انرژی هسته‌ای به صورت کنترل‌شده و با سرعت دلخواه تولید شود. در مواد قابل شکافت، واکنش‌های زنجیره‌ای باعث ایجاد شکافت القایی می‌شوند. همچنین، همجوشی هسته‌ای عناصر سبک منبع اصلی انرژی خورشید و دیگر ستارگان است.

واکنش همجوشی هسته‌ای انجام شده در مرکز خورشید و برخی ستارگان، واکنش بین دوتریم و تریتیم است که هلیوم و یک نوترون را تولید می‌کند. از این واکنش مقدار حدودا $$1.69\times10^{9}$$ کیلوژول انرژی به ازای هر مول هلیوم تولید می‌شود.

یادگیری شیمی عمومی ۲ با فرادرس

برای درک بهتر این موضوع که واکنش هسته ای چیست، ابتدا باید با مفاهیمی کلیدی چون شیمی هسته‌ای، ساختار کوانتومی اتم، ذرات زیر اتمی، پرتوزایی و ایزوتوپ پرتوزا آشنا شویم. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری بهتر این مفاهیم، به مجموعه فیلم آموزش دروس شیمی از دروس دانشگاهی تا کاربردی فرادرس بخش شیمی عمومی ۲ مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مفاهیم می‌پردازد.

همچنین، با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه واکنش هسته‌ای دسترسی داشته باشید.

• فیلم آموزش شیمی عمومی ۱ و ۲ مرور و حل مساله
• فیلم آموزش فیزیک هسته‎ ای ۲
• فیلم آموزش فیزیک هسته‌ای ۱ مکانیک کوانتومی تا واپاشی هسته‌ای و گواهینامه

کاربرد واکنش هسته ای چیست؟

واکنش‌های هسته‌ای برای کارهای مختلفی مانند تولید برق در نیروگاهای هسته‌ای، سیستم عملکرد دستگاه آشکارساز دود (Smoke Detector)، درمان سرطان با رادیوتراپی و پیدا کردن سن یافته‌های باستان‌شناسان استفاده می‌شود. برای مثال، برای یافتن سن یافته‌های باستان‌شناسی، از کربن - ۱۲ و کربن - ۱۴ استفاده می‌شود. کربن ۱۴ نیمه عمری برابر ۵۷۳۰ سال دارد و دچار واپاشی می‌شود اما کربن - ۱۲ پایدار است و تغییری نمی‌کند. در نمونه‌های آلی باستان‌شناسی مانند فسیل‌ها نسبت حضور این دو ایزوتوپ کربن بررسی شده و سن آن‌ها تخمین زده می‌شود.

در ادامه برخی دیگر از کاربردهای واکنش‌های هسته‌ای را نام می‌بریم.

• تامین انرژی نور و گرما در خورشید و ستارگان
• یافتن سن یافته‌های باستان شناسی
• پزشکی
• تولید انرژی در نیروگاه‌ها
• استفاده در کشاورزی برای دفت آفت
• از بین بردن باکتری‌های مواد غذایی یخ زده
• ضدعفونی برخی از تجهیزات آزمایشگاهی
• تولید برق موردنیاز فضاپیماها
• تولید انرژی موردنیاز نمک زدایی آب
• شناسایی نشتی و مشکلات تجهیزات صنعتی با کمک رادیوایزوتوپ‌ها
• اندازه‌گیری قطر اجسام در برخی از تولیدات

خطرات واکنش هسته ای چیست؟

در این مطلب از مجله فرادرس آموختیم واکنش هسته ی چیست. یکی از مهم‌ترین خطرات واکنش‌های هسته‌ای، تابش‌های پرتوزای ساطع شده از این واکنش‌ها است. استفاده از واکنش‌های هسته‌ای برای کاربردهای مختلف و تولید انرژی، با استفاده از واکنش‌های شکافت هسته‌ای به صرفه‌تر است و انرژی بیشتری تولید می‌کند. با این وجود، این واکنش‌ها، زباله‌های هسته‌ای بسیار خطرناکی را از خود بجا می‌گذارد که باید دفع شوند.

این زباله‌ها می‌توانند از نوع سطح پایین مانند زباله‌های هسته‌ای کاربردهای پزشکی، متوسط مانند پسماند هسته‌ای نیروگاه‌ها و سطح بالا مانند پسماند تولید شده توسط هسته راکتورها باشد. هریک از این پسماندها باید نسبت به میزان سطح خطرناک بودنشان، به روش‌های مختلفی دفع شوند.