نگاهى به مبانى نظرى انرژى هسته اى
دل هر ذره را که بشکافى...
اتم در زبان یونانى به معنى تقسیم ناپذیر است. این ایده، زاده تفکر دموکریتوس فیلسوف یونانى در ۲۳۰۰ سال پیش است. براى او این تصور محال بود که اجسام مادى بتوانند بى حد و حصر تقسیم شوند. اما «جان دالتون» شیمیدان بود که نخستین نظریه اتمى نوین را ارائه کرد. دالتون که کارش پژوهش در مورد هواشناسى بود، به ترکیب گازها علاقه مند شد و خیلى زود ایده تشکیل گازها از واحدهاى کوچک غیرقابل تقسیم در ذهنش شکل گرفت. او این نظریه را در سال ۱۸۰۸ تحت عنوان «سیستم جدید فلسفه شیمى» منتشر کرد. تا دهه پایانى قرن نوزدهم دو جنبه اساسى فیزیک کلاسیک یعنى مکانیک کلاسیک و الکترومغناطیس به خوبى شناخته شده بود و دانشمندان گمان مى کردند که طبیعت براساس دو نیروى گرانشى و الکترومغناطیسى ساخته شده است. درست در همین زمان بود که پدیده هایى مشاهده شد که طى دهه هاى ابتدایى قرن بیستم منجر به بزرگترین انقلاب هاى تاریخ علم یعنى نسبیت عام و مکانیک کوانتومى شدند.
•رادیواکتیویته
در سال ۱۸۹۶ آنتوان هانرى بکرل (Becquerel) فیزیکدان فرانسوى که از کشف اشعه X به وسیله رونتگن مطلع شده بود، به دنبال یک رشته آزمایش روى سنگ معدنى به نام اورانیل، فعالیت هاى پرتوافشانى خود به خودى خاصى را کشف کرد و آن را «رادیواکتیویته» نام گذاشت. پس از او مارى و پى یر کورى هم دو عنصر رادیوم و پولونیوم را کشف کردند که خاصیت رادیواکتیویته بسیار بیشترى داشتند. اما بیشتر پژوهش ها روى رادیواکتیویته به وسیله لرد رادرفورد انجام شد. او کشف کرد که خاصیت رادیواکتیویته ناشى از پراکنش سه نوع اشعه است:
۱- اشعه آلفا که توسط یک برگ کاغذ متوقف مى شود. بار آن مثبت است و در حقیقت همان یون هاى هلیوم دو بار مثبت یا هسته اتم هلیوم است.
۲- اشعه بتا که از ورقه چند میلى مترى آلومینیوم رد مى شود. بار آن منفى است. ماهیت این اشعه الکترون هاى پرانرژى است.
۳- اشعه گاما که از صفحات سربى به ضخامت ده ها سانتى متر هم عبور مى کند، از لحاظ الکتریکى خنثى است. این اشعه فوتون هاى پرانرژى با طول موج بسیار کوتاه است.
دانشمندان با توجه به مجموعه آزمایش هاى رادرفورد به این نتیجه رسیدند که اتم ها برخلاف نامشان از اجزاى کوچکترى هم تشکیل شده اند.
• هسته
افتخار کشف هسته اتم نیز از آن رادرفورد است. او با کمک دو دانشجویش به نام گایگر و مارسدن با انجام آزمایشى که «پراکندگى» نام دارد، به وجود هسته پى برد. رادرفورد فکر مى کرد که اتم ها مثل مدل کیک کشمشى تامسون از تعدادى الکترون تشکیل شده اند که در یک فضاى پیوسته با بار مثبت قرار دارند. به همین دلیل ذرات آلفا را به سمت ورقه نازکى از طلا پرتاب کرد. اما پراکندگى این ذرات از هسته طلا نشان داد که بارهاى مثبت در ناحیه بسیار کوچکى در وسط اتم متمرکز شده اند. شعاع اتم حدود یک آنگسترم (۱۰-۱۰ متر) است ولى اندازه هسته حدود ۱۰ فرمى (۱۴ -۱۰ متر) است.
• نیمه عمر
پس از اینکه رادرفورد ماهیت تشعشع رادیواکتیو را کشف کرد، دانشمندان پى بردند که رادیواکتیویته به علت تلاشى خودبه خود هسته هاى سنگین و تبدیل آنها به هسته هاى سبک تر است. در حین این تبدیل، ذرات آلفا، بتا و گاما ساطع مى شود. در حقیقت پس از خارج شدن این ذرات از هسته، ماهیت آن تغییر مى کند. تعداد هسته هایى که در هر لحظه متلاشى مى شوند با تعداد هسته ها در آن لحظه نسبت مستقیم دارد. زمانى را که نیمى از هسته هاى ماده ابتدایى متلاشى مى شوند، نیمه عمر ماده مى گویند. یعنى اگر در ابتدا یک گرم ماده رادیواکتیو داشته باشیم، پس از یک نیمه عمر نصف و پس از دو نیمه عمر، یک چهارم و پس از سه نیمه عمر، یک هشتم مقدار اولیه را خواهیم داشت. نیمه عمر مواد مختلف متفاوت است و از چند میلیاردیوم ثانیه تا چندین میلیارد سال تغییر مى کند. معمولاً هرچه نیمه عمر بیشتر باشد، انرژى ساطع شده از تلاشى رادیواکتیویته کمتر است. نیمه عمر اورانیوم ۵/۴ میلیارد سال است. نیمه عمر رادیوم ۱۵۹۰ سال و نیم عمر راکتانیوم کمتر از ۱۰ هزارم ثانیه است.
• درون هسته
مدل اتمى رادرفورد بیانگر این مطلب بود که هسته در وسط اتم داراى بار مثبت است و الکترون ها با بار منفى در اطراف آن قرار دارند. مدل اتمى بور هم مدل رادرفورد را کامل کرد و سازوکار منظمى را براى استقرار الکترون ها در اطراف هسته تدوین کرد. اما تفسیر و توجیه رادیواکتیویته تردیدى به جاى نمى گذارد که هسته ها خود مجموعه مکانیکى پیچیده اى هستند که از اجراى سازنده متفاوتى تشکیل شده اند. این واقعیت که وزن اتمى ایزوتوپ هاى اتم هاى مختلف (بعضى از اتم ها درحالى که جرم اندکى متفاوت با هم دارند، خواص شیمیایى کاملاً یکسانى دارند، به این اتم ها ایزوتوپ مى گویند.) با اعداد صحیح (یا لااقل بسیار نزدیک به عدد صحیح) بیان مى شوند، نشان مى دهد که پروتون ها (حاملان بار مثبت) باید نقش یکى از اجزاى اصلى سازنده هسته را داشته باشند. ابتدا فرض مى کردند که درون هر هسته علاوه بر پروتون، الکترون هم هست. یعنى مثلاً کربن که جرم ۱۲ و بار ۶+ دارد، درون هسته خود ۱۲ پروتون و ۶ الکترون دارد و علاوه بر آن در بیرون هسته هم ۶ الکترون به دور آن مى چرخند اما این راه حل از لحاظ نظرى مشکلات عدیده اى را به همراه داشت. اما رادرفورد و بور پیشنهاد کردند که علاوه بر پروتون ذره دیگرى هم جرم آن ولى بدون بار درون هسته است. آنها نام نوترون را براى آن انتخاب کردند و این ذره در سال ۱۹۳۲ توسط چادویک کشف شد.
• اسپین
اتم ها در اثر گرفتن انرژى، تابش مى کنند. این تابش ناشى از این است که الکترون هاى اطراف هسته، انرژى مى گیرند و بعد این انرژى را به صورت یک فوتون با طول موج معین بازمى تابانند. اما خود این طیف در مجاورت میدان الکترومغناطیسى، به چند طول موج جدا از هم تفکیک مى شود. علت این است که الکترون ها در اتم، اندازه حرکت زاویه اى هم دارند. اشترن و گرلاخ نشان دادند که الکترون ها علاوه بر این اندازه حرکت زاویه اى، خاصیت دیگرى هم دارند که فقط در حضور میدان مغناطیسى آن را بروز مى دهند. به دلیل شباهت این خاصیت به اندازه حرکت زاویه اى، نام آن را «اندازه حرکت زاویه اى ذاتى» یا اسپین نهادند. بعدها ثابت شد که علاوه بر الکترون، باقى ذرات بنیادى هم اسپین دارند. مهمترین ویژگى اسپین این است که یک خاصیت کاملاً کوانتومى است و مشابه کلاسیک ندارد. ذراتى که اسپین نیم صحیح دارند (یک دوم، سه دوم، ...) فرمیون مى نامند، مثل الکترون، پروتون، نوترون و... این ذرات تشکیل دهنده ماده هستند. در مقابل ذراتى که اسپین صحیح دارند(صفر، ۱ ، ۲ و...) بوزون گفته مى شوند، مثل فوتون، مزون، گلوتون و... این ذرات حامل نیروها هستند.