به نام خالق یکتا
بررسی انرژی اتمی در جهان امروز
فرنوش یکانی
کلاس: اول راهنمایی 5
استاد راهنما:
سرکار خانم اقبالی
مدرسه راهنمایی شهید مهدوی
منطقه 6
واژه اتم از کلمه یونانی اتموس به معنای ناشکستنی گرفته شده است که بعدها در زبان علمی، به "اتم" تبدیل شد.
اتم کوچکرین ذره هر چیز است. تصور اتم از دو هزار و پانصد سال پیش در ذهن اندیشمندان یوناین پیدا شد. لیوسیپوس Leucippus فیلسوف یونانی قرن پنجم پیش از میلاد نخستین کسی بود که عقیده داشت هر چیزی را می توان به تکه های کوچکتر از خود تقسیم کرد. او نخستین کسی بود که تئوری اتمی را بنیاد نهاد.
شاگرد او دموکریتوس Democritus که در زبان فارسی به دموکریت یا ذیمقراطیس نامیده می شود در اواخر قرن پنجم و اوایل قرن چهارم پیش از میلاد می زیست او همیشه شاد و خوشبین بود، و به فیلسوف خندان شهرت یافت وی نئوری اتم لیپوسیوس را پذیرفت. وی معتقد بود که همه جهان، از انواع گوناگون اتم تشکیل شده است و در فاصله میان اتمها چیزی نیست، اتمهای جدا از هم به قدری کوچکند که دیده نمی شود، اما وقتی بهم بپیوندند چیزی را بوجود می آورند که ممکن است قابل دیدن باشد. چگونگی قرار گرفتن آنها در کنار یکدیگر در اجسام گوناگون فرق می کند.
دموکریتوس می اندیشید که اتمها، اگرچه می توانند آرایش یا شیوه قرار گرفتن خود را کنار یکدیگر تغییر دهند، نه به وجود می آیند و نه از میان می روند. با تغییر آرایش اتمها فقط چیزی به چیز دیگر تبدیل می شود.
وی حدود 70 سال زندگی کرد و نزدیک به 72 جلد کتاب نوشت که با گذشت زمان حتی یک نسخه از کتابهای او در دست نیست و اگر تئوری دموکریتوس بنام اوست به همین سبب است که کتابهای قدیمی دیگری که باقی مانده اند به دموکریتوس و تئوری او در باره اتم اشاره کرده اند.
بعد از دموکریتوس فیلسوفان دیگری چون اپیکوئر Epicurur و لوکریتوس Lucretius نظرات او را پذیرفتند و به هواداران اتمیسم پیوستند. لوکریتوس منظومه ای فلسفی و آموزنده در باره فیزیک که در باره ماهیت اشیا است سروده است. اما با این همه مردم تصور اتم را نپذیرفتند و با از میان رفتن نوشته های آن دو، اتم به فراموشی سپرده شد.
در سال 1417 نسخه آسیب دیده از شعر لوکریتوس پیدا شد و مردم اروپا علاقه زیادی به نوشته های قدیمی پیدا کردند. در نتیجه نسخه های بسیاری از شعر لوکرتیوس رونویسی شد.
در سال 1454 یوهان گوتنبرگ Johann Gutenberg حروف چاپی را برای استفاده در ماشین چاپ در اروپا اختراع کرد، که سبب گردید با سرعت از هر کناب، نسخه های بسیاری تهیه شود و احتمال از بین رفتن کتابها کمتر شود. از جمله کتابهایی که به چاپ رسید شعرهای لوکریتوس بود. در نتیجه عده ای به موضوع اتم علاقمند شدند. که یکی از این علاقمندان پیرگاسندی Pierre Gassendi فیلسوف و ریاضی دان فرانسوی در نیمه قرن 17 میلادی بود. وی با نوشتن چندین کتاب موثر اندیشه اتمیسم را دوباره زنده گردانید و به تئوری اتمی اپیکور و لوکرتیوس جانی دوباره بخشید.
"گاسندی" معتقد بود که برای شناختن جهان، باید دست به آزمایش زد. یکی از کسانیکه با عقیده او آشنایی پیدا کرد شیمیدان انگلیسی بنام "رابرت بویل" Robert Boyle بود. او نخستین کسی بود که برای نشان دادن وجود اتم ها به آزمایش پرداخت. وی می گفت: عنصرهای شیمیایی با مواد مرکب فرق دارند و همچنین در رابطه میان فشار و حجم گازها به قانونی دست یافت، که آن را قانون بویل یا قانون بویل-ماریوت یا قانون ماریوت می نامند.
ادم ماریوت Edme Mariotte فیزیکدان فرانسوی اکتشافهای بسیاری در زمینه فیزیک مایعات کرد پانزده سال پس از بویل، قانون بویل را مستقلاً و به صورت کاملتر کشف کرد و اعلام داشت افزایش دما سبب انبساط هوا می شود و کاهش دما سبب تراکم هوا می شود. بنابراین قانون بویل هنگامی درست است که دما ثابت باشد. بنابراین، در فرانسه، قانون مربوط به رابطه حجم و فشار گازها را قانون ماریوت و گاهی قانون بویل – ماریوت می نامند.
تا اواخر قرن 18 شیمیدان ها با توجه به گفته بویل دست به آزمایش عنصرها زدند و توانستند 30 عنصر گوناگون را کشف کنند. در این دوره کوبالت، نیکل، اورانیوم نیز کشف شد و همچنین دانشمندان قرن هجدهم کشف کردند که هوا مخلوطی است از گاز اکسیژن و نیتروژن، که این دو هر کدام یک عنصرند.
در سراسر قرن هجدهم میلادی بیشتر شیمیدان ها اندیشه اتم را پذیرفته بودند و علاقه ای به اتم نشان نمی دادند و بیشتر به شیوه رفتاری عنصرها توجه می کردند.
در سال 1782 آنتوان لوران و لاوازیه Lavoisier ، Antoine Laurent شیمیدان فرانسوی و بنیانگذار شیمی جدید، قانون بقای ماده را کشف کرد وی با آنکه به اتم و پژوهش در باره آن علاقمند نبود، اما با کشف قانون بقای ماده اندیشه وجود اتم را تایید کرد.
ژوزف لویی پروست Joseph Louis Proust در سال 1799 قانون نسبت های معین را کشف کرد که نشان دهنده این بود که عنصرها همیشه به نسبت های کاملاً معین با هم ترکیب می شوند. او با اینکه به اتم و پژوهش در زمینه اتم علاقه ای نداشت اما قانون نسبت های معین او با اندیشه اتم جور درمی آمد.
در سال 1803 جان دلتون" John Dalton " فیزیکدان و شیمیدان انگلیسی به تئوری اتمی جان تازه بخشید و جدول وزنهای اتمی را تنظیم کرد. و همچنین قانون نسبت های چندگانه یا قانون دالتون را کشف کرد. در این قانون نسبت های چندگانه هنگامی برقرار است که بخواهیم یک اتم یا دو اتم یا سه اتم از یک عنصر را با یک یک اتم از عنصر دیگر ترکیب کنیم. اما هرگز نمی توان با دو نیم اتم و نسبت هایی مانند آن ترکیبی بدست آورد. دالتون فکر کرد که این موضوع آخرین گواه لازم برای نشان دادن این است که عنصرها از اتمهایی ساخته شده اند که به تکه های کوچکتر تقسیم نمی شوند.
دالتون در سال 1808 میلادی کتابی را انتشار داد و در آن اندیشه های خود را در باره اتم بیان کرد.
پس از انتشار کتاب او شیمیدان ها یکی از پس از دیگری تصور وجود اتم را پذیرفتند و سرانجام همه شیمیدانها به وجود اتم معتقد شدند. بهمین سبب او را طراح تئوری اتمی و کاشف اتم می دانند.
در اواخر سال 1890 بتدریج تعدادی از پدیده های مطرح شده آن زمان قابل توجیه شدند و دو حادثه منجر به کشف هایی شد که عبارتند از کشف اشعه ایکس در سال 1895 توسط ویلهلم رونتگن آلمانی Wilhelm Roentgen و کشف یک اشعه غیرعادی ساطع شده از اورانیوم که باعث تیره شدن صفحه حساس عکاسی می گردید. این کشف توسط هنری بکرل فرانسوی Henri Becquerel در پاریس در سال 1896 صورت پذیرفت.
کشف ذره باردار الکتریکی که الکترون نامیده شد توسط ژوزف جان تامسون انگلیسی Joseph John Thomson در سال 1897 که از بررسی و تحقیق تخلیه الکتریکی گازها در آزمایشگاه کاوندیش در کمبریج حاصل شده بود صورت گرفت. این نخستین طرح اتمی از اوست. تامسن اتم را به صورت کره ای پر از ماده می دانست که دارای بار الکتریکی مثبت است و عده ای الکترون در آن موج می زند. عده الکترون ها به اندازه ای است که بار کلی اتم خنثی است.
در سال 1898 دو عنصر جدید دو عنصر رادیواکتیو یعنی رادیوم و پولونیوم که مانند اورانیوم از خود اشعه ساطع می کردند توسط مادام کوری و همسرش پیر کوری Madam Curie و Curie Pierre کشف شد.
این کشف در نتیجه یک بررسی و تحقیق حساب شده از مشاهدات بکرل بدست آمد. آنها این پدیده را رادیواکتیویته نامیدند.
تلاش طولانی خانواده کوری در یک انبار سرد با وسایل ناقص در مدرسه فیزیک در پاریس انجام گرفت آنها برای اثبات وجود "رادیوم" این ماده را از یک تن سنگ معدن اورانیوم جدا نموده و بدین ترتیب وجود این عنصر را مشاهده و اندازه گیری کردند. این موفقیت یک حماسه در تاریخ علوم بشمار می آید.
پس از مرگ پیر کوری در یک حادثه رویای خانواده کوری که تاسیس انستیتو رادیم در پاریس بود محقق شد. او بیشتر وقت خود را در این انستیتو روی رادیواکتیویته صرف کرد.
ارنست راترفورد Ernest Ruther Ford فیزیکدان انگلیسی در زلاندنو بدنیا آمد. وی در سال 1895 از نیوزیلند به کمبریج رفت و در همانجا با کشفیات بکرل و خانواده کوری آشنا شد و در تمام طول عمر به تحقیق در زمینه رادیواکتیویته پرداخت. وی همکاری خودش را با شیمیست جوان و برجسته فردریک سودی Frederick Soddy از دانشگاه آکسفورد آغاز کرد. مهارتهای سودی نقش مهمی در موفقیت او داشت. در طی دو سال که با هم همکاری داشتند بر پایه آزمایشهایی که انجام دادند ثابت کردند که ریشه اصلی ایجاد رادیواکتیویته تغییر خودبخودی یک اتم به اتم دیگر است. این کشف به معنای رد این اعتقاد قدیمی بود که عنوان می کرد اتمها توپهای کوچک غیرقابل تجزیه هستند که هیچوقت ماهیت عوض نمی کنند. در مقابل این ادعا در پدیده رادیواکتیویته مشاهده می کنیم که یک عنصر شیمیایی به عنصر دیگر تبدیل می شود. البته نه تبدیل سرب به طلا بلکه بعنوان مثال تبدیل رادیم به گاز نادر رادون، رادیم که بتدریج از بین می رود گفته می شود که تحت تلاشی رادیواکتیویته قرار گرفته است.
او تابشهای رادیواکتیویته را کشف کرد. وی تابشی را که از اورانیوم و توریوم ساطع می شد به سه دسته تقسیم کرد. و این سه نوع تابش را با نام سه حرف اول الفبای یونانی نامگذاری کرد. تابشی که بر اثر گذشتن از نزدکی آهنربا کمی خم می شود پرتوهای آلفا (= اشعه آلفا) نامید و تابشی را که بر اثر گذشتن از نزدیکی آهنربا خمیدگی بیشتری پیدا می کرد پرتوهای بتا (= اشعه بتا) نامید و تابشی را که گذشتن از نزدیکی آهنربا تاثیری بر آن تاثیر نداشت پرتوهای گاما (=اشعه گاما) نام نهاد.
او در یک لحظه به یاد ماندنی که یکی از همکارانش بمنظور بررسی ساختمان اتم، آنها را با ذرات کوچک باردار (ذرات آلفا) بمباران می کرد، تعدادی از ذرات در برخورد با اتم جهتشان تغییر می کرد و عده ای مخالف جهتی که وارد شده بودند منعکس می شدند. راترفورد این واقعه را با بکاربردن یک محفظه پانزده اینچی و بمباران کردن یک صفحه کاغذ شبیه سازی نمود. پس از انجام این آزمایش او عنوان کرد که تعداد محدودی از ذرات آلفا بایستی با نیروی بسیار قوی که در داخل اتمها وجود دارد رودررو قرار گیرند و این در حالی می تواند اتفاق بیافتد که هسته اتم دارای بار الکتریکی بسیار کوچکی باشد. اکثر ذرات آلفا از فضاهای خالی اطراف هسته اتم تقریباً بطور مستقیم عبور می کنند. اما ذرات آلفایی که شانس رسیدن به هسته اتم را پیدا می کنند منعکس می گردد. بدین وسیله ایده اتم هسته ای بوجود آمد.
وی پروتون را در سال 1919 کشف کرد. او با کسانی چون هانس گایگر Hons Geiger محقق آلمانی که شمارنده گایگر را اختراع کرد و جرج فون هوسی George Von-Hevesy محقق لهستانی که طراح تعداد زیادی از روشهای رادیوشیمی بود و بالاتر از همه، دان نیلز بوهر Dane niels Bohr که شهرتش به پای راترفورد می رسید همکاری داشت. که هر کدام پس از جدا شدن از راترفورد مرکز تحقیقاتی جدیدی در زمینه رادیواکتیویته و هسته اتم تاسیس کردند.
در این مرحله زمانی، در دو زمینه دیگر فیزیک در خصوص علوم اتمی پیشرفت های ارزشمندی رخ داد. اولین پیشرفت، تئوری نسبیت آلبرت انشتاین Albert Enishtein فیزیکدان و ریاضی دان آلمانی بود. در میان نتیجه های مختلف حاصل از این تئوری، معادله معروف مربوط به ارتباد ماده و انرژی است که معمولاً بصورت E=MC2 نشان داده می شود. بر مبنای این معادله می توان کفت که جرم و انرژی دو حالت از یک چیز یکسان هستند. مثلاً اگر یک گرم از ماده ای را به انرژی تبدیل کنیم، مقدار انرژی حاصل باندازه مقدار انرژیی خواهد بود که از یک بمب اتمی حاصل می شود. مقدار بسیار جزیی از این انرژی وقتی آزاد می شود که یک نوع اتم با انجام "تلاشی رادیواکتیو" به نوع دیگر تبدیل شود. مقدار بسیار بیشتری از انرژی حاصل از ماده، در راکتورهای اتمی و سلاحهای هسته ای آزاد می گردد.
اینشتین را از پدران عصر اتم دانسته اند. نظریات او در گسترش پژوهشهای اتمی تاثیر فراوان داشت. این پژوهش ها به ساختن نخستین بمب اتمی انجامید. شهرت انیشتن بیشتر به سبب "تئوری نسبیت" اوست.
دومین پیشرفت در این دوره ماکس پلانک Max Plank بود او با طرح این ایده که اتمها حامل مقداری انرژی هستند و اتمها فقط قادر هستند که مقدار معینی از انرژی را بگیرند یا دفع کنند قوانین تئوری کوانتایی را مطرح کرد.
در خصوص این تئوری نیلز بوهر در سن 26 سالگی از کپنهاک وارد کمبریج شد. او اعتقاد داشت که هسته اتم مطرح شده توسط راترفورد اگر از قانونی که برای دینام و موتورهای الکتریکی بخوبی عمل می کند تبعیت نماید نمی تواند دوام بیاورد. در مدل راترفورد الکترون همانند سیارات که بدور خورشید می گردند بدور هسته اتم در حال گردشند اما یک تفاوت وجود دارد. الکترونها بر خلاف سیاره ها دارای بار الکتریکی هستند. بر مبنای شاخه ای از فیزیک کلاسیک بنام الکترودینامیک، اگر الکترون ها طبق تظر راترفورد بدور هسته در گردش باشند بطور مداوم بایستی انرژی خود را بصورت تشعشعی از دست بدهند و در نهایت پس از تمام شدن انرژیشان در هسته سقوط کنند. در صورتیکه این اتفاق نمی افتد. بنابراین بویر شجاعانه ادعا کرد که الکترودینامیک برای الکترون در یک اتم مصداق ندارد. او چنین عنوان کرد که اتم در یک حالت ایستا قرار دارد که الکترون ها بدون از دست دادن انرژی بدور آن می چرخند.
او مدت چند ماه روی این ایده تعمق کرد تا اینکه در فوریه سال 1913 دانشجویی از کپنهاک توجه او را به قاعده معینی که سی سال قبل در مورد طیف اتم هیدروژن مشاهده شده بود جلب کردو این مسئله مانند پیدا کردن کلیدی برای حل یک معما بود. بر این مبنا بوهر نظریه خود را به این صورت جمع بندی کرد. یک اتم نه تنها در یک حالت ایستا بلکه در چندین حالت ایستا، اما با انرژیهای متفاوت می تواند وجود داشته باشد، که با جذب و یا از دست دادن یک کوانتم انرژی قادر است از یک حالت به حالت دیگر انتقال یابد. بر این اساس او معادلاتی تدیون نمود که برای چندین خط معین طیف اتم هیدروژن بطور دقیق تطبیق داشت.
تئوری بوهر این نظریه فیزیک کلاسیک را که معتقد است در طبیعت جهش وجود ندارد کنار زد.
در اوایل 1920 تئوری کوانتومی اولیه که بر مبنای ایده جهش کوانتومی بوهر قرار داشت به دو نوع مشکل برخورد کرد. اما ورنر هایزنبرگ Werner Heisenberg که به منظور کار با بوهر در سال 1924 از آلمان نزد وی آمده بود توانست راه خروج از این بحران را پیدا کند و ایده ای را مطرح کرد که به زودی به یک تئوری بنام مکانیک کوانتائی تبدیل گشت.
یکی دیگر از برجستگان برنامه هسته ای جان کاک کرافت John Coc Kraft است. او به رادیواکتیویته علاقه مند شد. وی از پیشگامان هسته اتم بود و برای کامل کردن بمب اتم کوشش بسیار کرد. و در شکستن هسته اتم نقش بسیاری داشته است. کاک کرافت و والتون وگامو که با ایده بمباران هسته بوسیله یک ذره با سرعت بالا، آشنا بودند یادداشتی برای راترفورد نوشتند و از آنجایی که ذرات بدون نیاز به عبور از مرز انرژی هسته، قادرند که به درون هسته وارد شوند، انرژی کمتری نیاز خواهند داشت. در این صورت ممکن است پتانسیلی در جدود چندصدهزار ولت کافی باشد.
بنابراین راترفورد به کاک کرافت و والتون اختیار داد تا گرانترین دستگاهی که تا آن زمان ساخته شده بود را جهت شتاب دادن پروتونها با هزینه ای در حدود 500 پاوند بسازند. کاک کرافت از تجربه مهندسی برق خود در این زمینه استفاده کرد.
کاک کرافت و دالتون توانستند هسته اتم لیتیم را توسط پروتون بمباران کنند. ذره آلفای خارج شده از هدف تشخیص داده شد که موید نفوذ پروتون به درون هسته و شکافت هسته لیتیم بود. در نتیجه یک واکنش هسته ای و یک تبدیل هسته ای بصورت مصنوعی انجام گرفته بود.
در این زمان دو محقق آلمانی بنام های والتر بوته Walther Bothe و هربرت بکر Herbert Becker آزمایشهایی با اشعه آلفا بر فلز بریلیم انجام دادند و سپس خاصیت غیرعادی دیگر تشعشع بریلیم توسط داماد کوری "فردریک ژولیت" Fredric Joliot و دخترش ایرن در انستیتو رادیوم در پاریس کشف شد. آنها تصمیم گرفتند که از رادیوم موجود مقدار زیادی عنصر رادیواکتیو پلونیوم تهیه نمایند. آنها پولونیوم را با بریلیم مخلوط نمودند و بدینوسیله یک منبع قوی از تشعشع بریلیم بوجود آوردند و آنرا جهت مطالعه اثر تشعشع بر اتمهای هیدروژن که بطور شیمیایی در واکس پارافین پیوند دارند، مورد بررسی قرار دادند. در این بررسی آنها دریافتند که برخورد این اشعه، هسته هیدروژن (پروتونها) را بطور فوق العاده ای با سرعت زیاد از واکس پارافین بیرون می راند. اما این تشعشع اسرارآمیز بریلیم با این خواص غیرعادی چه بود؟
جیمز چدویک فیزیکدان انگلیسی James Chadwick تحت تاثیر انگیزه های راترفورد تصمیم گرفت این معما را حل نماید. او نشان داد که پدیده مشاهده شده توسط ژولیت می تواند مانند برخورد یک گلوله بیلیارد با گلوله ساکن دیگر باشد. بنابراین، با انجام محاسبات بر این مبنا به این نتیجه رسید که تشعشع بریلیم ذراتی هستند که از نظر جرم تقریباً برابر وزن پروتون هستند ولی بار الکتریکی ندارند. او این ذرات جدید را نوترون نامگذاری کرد. و بدین ترتیب در سال 1913 نوترون را کشف کرد.
اگرچه کشف نوترون در زمان خودش چندان مورد توجه قرار نگرفت ولی باید قبول کرد که پیدا کردن این ذره مرحله ای اساسی جهت کشف راز انرژی هسته ای بود.
در سال 1932 در آمریکا هارولد اوری Harold C.urey و دو نفر دیگر از همکارانش اعلام کردند که ایزوتوپ دیگری از هیدروژن را شناسایی کرده اند که از نظر وزنی دوبرابر وزن هیدروژن معمولی است. وجود هیدروژن سنگین در هیدروژن معمولی و متعاقباً وزن آب سنگین نسبت به آب معمولی باعث تعجب فراوان در جهان علم شد.
مقدار هیدروژن سنگین که به دوتریم نیز موسوم بود در طبیعت بسیار کم است. در سال 1932 کشف دیگری در آمریکا بوقوع پیوست. چهار سال قبل پائول دیراک Paull Dirac بر مبنای تئوری محض پیش بینی کرده بود که ذره ای مانند الکترون اما با بار الکتریکی مخالف (بار مثبت بجای بار منفی) بایستی وجود داشته باشد.اینک در سال 1932 کارل اندرسن با مشاهده این ذرات که در اشعه کیهانی بطور متداوم به زمین می رسند از تئوری دیراک حمایت عملی نمود. وجود این ذرات با روشهای پیش رفته توسط پاتریک بلاکت Patrick Blackett و ژوزف اکشیالینی Guiseppe Occhialini مورد تایید قرار گرفت. این ذرات بنام پوزیترون شناخته شدند.
کشف سال 1932 در واقع دو ذره دیگر به نامهای نوترون و دوترون (هسته اتم هیدروژن سنگین) را نیز جهت بمباران در آزمایشهای علمی در اختیار گذارد. بعلاوه اختراع ماشین شتاب دهنده جدیدی بنام سیکلوترون در سال 1930 توسط محقق آمریکایی بنام ارنست. او. لورنس Ernest O.Lawrence باعث شد که در رسیدن به بمب اتمی موثر افتد. در سال 1933 سیکلوترون بطور موفقیت آمیز جهت شتاب ذرات پروتون و دوترون با انرژی بالا بکار گرفته شد و بدین ترتیب ذرات نوترون بطور غیرمستقیم حاصل گردید که جهت بمباران نوترونی بکار گرفته می شد.
در همین اوان پیشرفت در علوم هسته ای ادامه یافت در سال 1934 کشف مهم دیگری در زمینه بمباران توسط ذره آلفا بوقوع پیوست.
فردریک و ایرن ژولیت یک سری آزمایشهایی را با منبع قوی پولونیمی که در اختیار داشتند انجام دادند. آنها متوجه شدند که بجز ذرات پروتون و نوترون که شناخته شده اند، بعضی از هدف ها پوزیترون تولید می کنند. این برای اولین بار بود که پوزیترون در اثر یک واکنش هسته ای در آزمایشگاه تولید می شد.
ژولیت به یکی از همکارانش گفت که وقتی صفحه آلومینیم بوسیله ذرات آلفای حاصل از منبع پولونیم بمباران می شود، دستگاه کایگر بصدا درمی آید. وقتی منبع پولونیم را دور می کنیم انتظار داریم که دستگاه از صدا بیفتد، ولی بر خلاف انتظار دستگاه برای چند دقیقه بصدا دادن ادامه می دهد و سپس به تدریج متوقف می شود.
آنچه اتفاق افتاده است خارج شدن ذرات پوزیترون از صفحه آلومینیم می باشد. این بدین معنی است که آلومینیوم رادیواکتیو شده است. این اولین ماده رادیواکتیو بود که بطور مصنوعی تهیه شده بود. در واقع ایزوتوپ فسفر رادیواکتیو با نیمه عمر کوتاه از بمباران آلومینیم توسط ذره آلفا بوجود آمده بود. دو عنصر دیگر بر و منیزیم نیز نتیجه یکسانی دادند. پس از این کشف، تعداد زیادی از عناصر رادیواکتیو به صورت مصنوعی از این طریق تهیه شدند.
کاک کرافت و همکارانش شتاب دهنده پروتون را برای تهیه عناصر رادیواکتیو بکار گرفتند. اما آمریکاییها سیکلوترون که چند سال بعد بعنوان قویترین دستگاه برای این منظور شناخته شد مورد استفاده قرار دادند.
در میان کسانیکه تحت تاثیر نتایج ژولیت قرار گرفت انریکو فرمی Enrico Fermi فیزیکدان ایتالیایی بود که هشت سال بعد اولین راکتور هسته ای جهان را ساخت. تفکری که او را به این راه کشاند این بود که او تشخیص داد برای بمباران کردن، نوترون مناسب تر از آلفاست. نوترون بدلیل نداشتن بار الکتریکی توسط هسته، نه جذب و نه دفع می گردد. ذرات آلفا دارای بار الکتریکی مثبت هستند بنابراین ذره آلفا بایستی انرژی زیادی داشته باشد که بتواند به انرژی دافعه هسته غلبه کند و به درون آن نفوذ یابد. بنابراین ذرات آلفا فقط قادرند به هسته هایی با بار الکتریکی کم، که منجر به نیروی دافعه کم خواهد شد، نفوذ کنند. و لذا دامنه تاثیر این ذرات فقط به چند عنصر محدود می گردد.
فرمی یک دستگاه کایگر ساخت و در عین حال در زیرزمین اداره بهداشت عمومی، با یک گرم رادیوم یک منبع نوترونی نیز آماده کرد. سپس او به ترتیب از هیدروژن که سبک ترین عنصر بود شروع به بمباران کرد. در شش آزمایش اولی هیچ اتفاقی نیفتاد و به تدریج فرمی ناامید می شد. تا اینکه در آزمایش هفتم، با عنصر فلوئور تغییرات قابل ملاحظه ای مشاهده کرد و از آن پس عناصر زیادی را مورد بررسی قرار داد. در این موقع فرمی همکاران زیادی را به کمک دعوت کرد. او امیلیوسگره Emilio Segre را به بازار فرستاد تا هر تعداد عنصر شیمیایی که در بازار رم موجود است خریداری نماید.
سگره اولین شخصی بود که با مراجعه به مرکز تامین مواد شیمیایی، خواستار فلزات کمیابی مانند روبیدم و سزیم شد.
در نهایت فرمی آزمایشهای خود را روی شصت عنصر از نود عنصری که تا آن زمان شناخته شده بود انجام داد و موفق شد که با بمباران نوترونی بیش از چهل عنصر را رادیواکتیو کند. او با وارد کردن نوترون در هسته اورانیوم، عنصر 93 را بدست آورد که پنتونیوم نامیده شد. سال بعد برونو پونتی کورو Bruno pontecorvo ایتالیایی و ادوآردو آمالدی Edoardo Amaldi با قرار دادن یک منبع نوترون در درون یک لوه نقره ای آن را بمباران کرد و بدین ترتیب پدیده عجیبی را مشاهده نمودند. آنها متوجه شدند که اگر عمل اکتیو کردن روی یک میز چوبی انجام شود اکتیویته بیشتری در مقایسه با وقتی که بمیاران روی یک ورق فلزی صورت می گیرد، بوجود می آید. پس از انجام چندین آزمایش فرمی پیشنهاد داد که آزمایش را در حفره ای در درون واکس پارافین انجام دهند. در این حالت اکتیویته بسیار زیاد شد و به چندصد برابر افزایش یافت. فرمی عقیده داشت که ابتدا نوترون بکرات با اتمهای هیدروژن موجود در پارافین برخورد کرده و سرعتش کم می شود. در مرحله دوم نوترون ها کند شده و در برخورد با فلز اکتیویته بیشتری در مقایسه با نوترون های سریع بوجود می آورند. او اعتقاد داشت که اتمهای هیدروژن در مقایسه با اتمهای دیگر بهتر نوتورن ها را کند کنند زیرا هیدروژن از نظر جرم تقریباً با نوترون برابر است. آنها آزمایش ساده ای را با آب که در یک لیتر آن تقریباً باندازه یک لیتر واکس پارافین، اتم هیدورژن وجود دارد انجام دادند.
در بعدازظهری منبع نوترونی همراه با لوله نقره ای را در استخر باغی که در پشت آزمایشگاه قرار داشت، قرار دادند و همانند آزمایشهای قبل اکتیویته زیادی بوجود آمد.
انجام یکسری آزمایش بیشتر نشان داد که اثر مشاهده شده به نقره محدود نمی شود و علت اصلی اکتیویته بوجود آمده توسط نوترون، بخاطر مواد هیدروژن دار است.
موادی مانند آب و واکس پارافین که می توانند سرعت نوتورن را کاهش دهند، امروزه کند کننده ها نامیده می شود. و در راکتورهای هسته ای اهمیت فراوانی دارند.
اتوفریش Otto frisch فیزیکدان اتریشی که تکنیک های هسته ای را از بلاکت آموخته بود، با دعوت بوهر همراه بلاکت به انستیتو بوهر آمد. او نقش زیادی در شکافت هسته و راه اندازی پروژه اتمی داشت. وی اعلام نیاز به یک منبع نوترون قوی را پیشنهاد داد و متعاقب آن از مردم درخواست یکصد هزار کرون (در حدود 5000 پاوند) برای خرید 6/0 گرم رادیم را کرد.
وی در 7 اکتبر 1935 بعنوان کادوی پنجاهمین سالگرد بوهر آنرا با انستیتوی وی اهدا کرد. این مقدار رادیم با پودر نرم شده بریلیم مخلوط گردید تا یک منبع نوترونی ساخته شود. فریش بعنوان مسئول این کار انتخاب شد وبه زودی این منبع نوترونی را برای بمباران نوترونی مواد مختلف بکار گرفت.
بوهر با علاقه زیادی نتایج کسب شده را دنبال می کرد. وی در اواخر سال 1935 به این نتیجه رسید که هسته بصورت خوشه ای از کره های کوچک پروتون و نوترون می باشد. این ذرات درتماس با یکدیگر در کنار هم باقی می مانند بطوری که آزادی حرکت خود را حفظ می کنند و می توان آنها را بیک قطره مایع تشبیه کرد. مجموعه ای از ذرات کوچک (اتم ها و مولکولها) بهم پیوسته که بطور مداوم در حرکت هستند.
بنابراین می توان انتظار داشت که هسته مقداری از خواص قطرات مایع را داشته باشد. این ابتدای شکل گیری جدید در مورد هسته اتم بود که بوهر و همکارانش در سال های بعد در مورد آن کار کردند.
چند سال بعد مدل قطره مایع جهت توجیه پدیده فیسیون (پدیده شکافت هسته) بکار گرفته شد.
در سال 1938 دو دانشمند آلمانی بنام اتوهان Otto Hahn و لیزه ماتینر Lise Meitner بانوی فیزیکدان که عمه "اتوفریش" بود، دست به پژوهشهای گسترده ای در زمینه گوناگون فیزیک زدند. اتوهان توانست با کمک ماتینر در سال 1917 عنصر کمیاب رادیوآکتیو پروتاکتینوم را کشف کند، و در سال 1938 و با همکاری فریتس اشتراسمن Fritz Strassman توانستند هسته های اتم اورانیوم را با نوترون بمباران نمایند و به این نتیجه رسیدند که تعدادی از این هسته ها به دو قطعه هم اندازه شکافته می شوند و بدینسان موفق به شکافت هسته اورانیوم شدند. این پژوهش ها در ساخت بمب اتمی موثر بود.
خبر شکافت هسته اورانیوم به گوش لئوزیلادر Leo Szilard فیزیکدان مجارستانی رسید. وی به فیزیک هسته ای علاقمند بود وی با طرح اجرای واکنشی زنجیره ای به این نکته قابل توجه اشاره کرد که در این روند هسته های رادیواکتیو خود به خود فرو نمی پاشند، بلکه نوترونهای نفوذکننده مانند بمبهای کوچکی هسته اتم های بزرگتر را در هم می شکند.
در واقع نوترون شکافت هسته را باعث می شود و نوترون حاصل از شکافت هسته، واکنش زنجیره ای شکافت را ادامه می دهد. نوترون های حاصل از شکافت باعث بوجود آمدن شکافت های جدید شده و نوترون های حاصل مجدداً در شکاف های بعدی شرکت می کنند و این عمل به صورت زنجیره ای ادامه می یابد.
این شبکه زنجیری را می توان با یک شبکه اورژانس اعلام خطر مقایسه کرد به عنوان مثال اگر یک نفر زنگی را به صدا درآورد با شنیدن صدای زنگ پنج نفر دیگر هر یک پنج زنگ را به صدا درمی آورند بهمین ترتیب باز پنج نفر دیگر هر یک پنج زنگ را به صدا درمی آورند و این عمل همچنان ادامه می یابد و به زودی صدای زنگها گسترش وسیعی پیدا خواهند کرد.
دانشمندان دیگری که در باره اتم و ساختن بمب اتمی تلاش کردند می توان از نیلس هنریک داوید بور Niels Henrik David Bohr دانشمند دانمارکی نام برد. شهرت او بیشتر نظریه هایش در زمینه ساختمان اتم است. وی در سال 1913 در باره ساختمان اتم طرحی داد که در آن زمان موفق ترین طرح به شمار می رفت. این طرح نخستین اقدام موفقیت آمیزی بود که ساختمان اتم را در طیف سنجی مورد استفاده قرار می داد. از این گذاشته، اطلاعات به دست آمده از طیف سنجی را برای توضیح ساختمان درون اتم به کار می بست. وی در پژوهشهایی که به ساختن بمب اتمی انجامید همکاری کرد. وی پیوسته در راه گسترش کاربرد انرژی اتمی در راه صلح جویانه می کوشید.
رابرت اپنهایمر Robert Oppenheimer دانشمند آمریکایی در رشته فیزیک نظری بود. وی با گروه دیگری از دانشمندان چند سال وقت صرف کرد تا اورانیوم 235 و پلوتونیوم فراهم آورد و بمب اتمی بسازد.
نخستین انفجار اتمی در نزدیکی پایگاه هوائی الاموگوردو (Alamogordo) در نیومکزیکو انجام گرفت که انفجار گرفت که انفجار مهیبی بود. اپنهایمر، پس از بمباران اتمی ژاپن از هواداران جدی کنترل بین المللی سلاحهای اتمی شد و با ساختن بمب ئیدروژنی مخالفت کرد و بهمین سبب سنای آمریکا، او را برای امنیت کشور خطرناک دانست و از کار برکنار کرد.
دو بمب اتمی دیگر نیز تهیه شده بود. در آن تاریخ آلمان تسلیم شده بود اما ژاپن همچنان به جنگ ادامه می داد. در روز 24 ژوئیه سال 1945 ترومن رئیس جمهور آمریکا دستور پرتاب اتمی را به ژاپن صادر کرد. در روز 26 ژوئیه به ژاپن هشدار داده شد که اگر تسلیم نشود تهدید فوری و تخریب محض در انتظارش است ولی ذکری از سلاحهای هسته ای نشد.
برخی از بزرگان با نفوذ ژاپن درخواست صلح کردند، اما روز 28 ژوئیه نخست وزیر ژاپن اولتیماتوم آمریکا را غیرقابل قبول اعلام کرد.
در روز 6 اوت 1945 بمب اتمی بوسیله بمب افکن 29-B همراه دو هواپیمای همراهی کننده روی هیروشیما پرتاب شد.
خلبان بمب افکن ابتدا شعله انفجار را مشاهده کرد و پس از برخورد دو ضربه که به هواپیمایش وارد آمد. (یکی موج مستقیم و دیگری منعکس شده از زمین) را احساس کرد و متعاقب آن توده عظیمی از ابر به ارتفاع 35000 پا تشکیل شد. این توده ابر تا فاصله 363 مایلی هنوز قابل رویت بود.
آمار روز بعد نشان می داد که 60 درصد شهر تخریب شده است. شهرداری هیروشیما حداقل -/000/140 نفر کشته شدگان را به رئیس سازمان ملل گزارش داد. سپس در روز 9 اوت 1945 بمب پلوتونیوم با بمب افکن 29-B به سمت ناکازاکی پرتاب شد و 44 درصد شهر تخریب گردید. دولت ژاپن به ناچار تسلیم شد و جنگ جهانی دوم پااین پذیرفت.
آنچه حائز اهمیت است این است که حملات بمب اتمی از لحاظ تعداد کشته شدگان و مناطق ویران شده در مقایسه با حملات هوایی معمولی که در هامبورگ و شهرهای دیگر آلمان و کشته شدن 83000 نفر در آاتش سوزی حمله مارس 1945 در توکیو متفاوت نبود. ولی تفاوت در این بود که تنها با یک بمب اتمی در چند ثانیه نتایج مشابهی را به بار آورد. عوارض ناشی از این محصول نهایی حاصل از تشعشعات همراه با جراحات و سوختگیها و خرابی و مرگ و میر بندریج بر اثر گذشت زمان عمق فاجعه را نشان داد.
بسیاری از دانشمندان نظر دادند که بمب اتمی هیروشیما و ناکازاکی تباه کردن یک تجربه بود. دو نفر از کسانی که تصور می شد مشخصاً مسئولیت مستقیم در خلق بمب اتمی را داشتند (فریش و بوهر) پس از جنگ بار سنگینی را بر دوش کشیدند و از هرگونه شوق و ذوقی عاری شدند.
پس از پایان جنگ جهانی دوم کشورهایی چون آمریکا و روسیه به طرح برنامه های هسته ای وسیعی روی آوردند و بمب های هیدروژنی و یا حرارتی هسته ای خود را تحت عنوان سوپربمب آزمایش کردند.
در سالذ 1949 اولین بمب اتمی شوروی منفجر شد. و سپس در اول نوامبر بمب هیدروژنی آمریکا آزمایش شد. این انفجار که مایک نامیده می شد هزارها بار قویتر از انفجار بمبی بود که در هیروشیما بکار برده شده بود.
شوروی سابق در 12 اوت 1963 اولین بمب هسته ای (بمب هیدروژنی) خود را منفجر کرد.
بریتانیا و فرانسه راه آمریکا و شوروی را در توسعه بمب سوپر دنبال کردند و چین کمونیست نیز با انفجار اولین بمب اتمی و سپس بمب هیدروژنی وارد مسابقه تسلیحات هسته ای شدند و چنانکه می بینیم در طی سالها بمب های زیادی توسط این کشورها منفجر و آزمایش شد.
تنها کشور دیگری که سلاح هسته ای اختراع شده خود را منفجر کرد هندوستان بود. ولی در واقع این بمب ویژگیهای بمب های یاد شده را نداشت و هندوستان اعلام کرد که منظورش صرفاً هدایت اهداف صلح آمیز بوده است.
بدین ترتیب جهان از طریق ساخت سلاحهای هسته ای وارد عصر اتمی شد و دانشمندانی که در این دوره خود را وقف کار عملی کرده بودند و از نظر رفاه مالی در مضیقه بودند و توانستند انقلابی در تفکر انسان از ماهیت ماده بوجود آورند، و تلاششان صرفاً علمی بود که در نهایت جهت ساخت بمب اتم و انرژی هسته ای منتهی شد.
در عصر اتم انسان می تواند انرژی هسته ای را به صورت انفجاری در بمبها یا به صورت جریان آرام و کنترل شده در راکتورهای هسته یا برای تولید الکتریسیته مورد استفاده قرار دهد.. و یا برای ساختن بمب های اتمی از شکافت (فیسیون) هسته اتم های بزرگ و سنگین و یا برای ساخت بمب های قوی تر از گداخت (فیوژن) هسته یا کوچک و سبک استفاده نماید.
در اینجا کاربرد صح آمیز نیروی هسته ای را در بکار بردن تولید الکتریسیته تا حدودی بررسی می کنیم.
بعد از جنگ جهانی دوم کشورهای صنعتی سعی کردند قسمتی از برق خود را توسط انرژی اتمی تامین نمایند.
اولین بار در سال 1951 راکتور آزمایشی در آمریکا ایجاد شد.
در سال 1953 در مسکو راکتوری برای تولید برق احداث شد.
در سال 1956 انگلستان به این کار مبادرت کرد و تا سال 1971 فقط ده درصد از برق تولید شده در انگلستان توسط راکتورهای هسته ای تولید شد.
استفاده از راکتورهای کوچک توسط کشورهای آمریکا در سال (1941) کانادا و روسیه (1946) انگلیس (1947) فرانسه در سال 1948 و نروژ (1952) سوئد (1955) بلژیک و هندوستان (1975) احداث شد.
استفاده از راکتورهای بزرگ با کاربردهای تجاری و مختلف توسط:
آمریکا در سال (1945) انگلیس (1951)آمریکا (1952 و 1953) روسیه (1954) فرانسه (1956) انگلیس (1957) آمریکا (1958) فرانسه (1958) روسیه (1960 و 1958) و …
تا سال 1983 تعداد 297 راکتور در 25 کشور در حال کار بوده اند. تولید این راکتور ها 170 میلیارد کیلووات برق بوده است. این مقدار برق بیش از مصرف کشورهای انگلیس – فرانسه و آلمان غربی بوده است.
در فنلاند و فرانسه و سوئد حدود 40% از تولید برق توسط راکتورهای اتمی حاصل می گردد.
بلژیک، بلغارستان، سوئیس حدود 30% تولید برق اتمی دارند.
در حال حاضر بیش از 400 میلیارد کیلووات برق توسط حدود 500 راکتور در سطح جهان تولید می شود.
حدود 55 راکتور اتمی با ظرفیت تولید حدود 44 میلیارد کیلووات توسط کشو.رهای ایران – رومانی و کوبا در حال ساخت می باشند.
در سال 1995 حدود 87% از برق لیتوانی – 78% از برق فرانسه و 59% از برق بلژیک توسط نیروگاههای اتمی تولید می شده است.
راکتورهای اتمی از نوع آبی (سردشونده توسط آب) و گازی (سردشونده توسط گاز) هستند. این نوع راکتورها فقط حدود 1% از اورانیوم موجود را مصرف می کنند که مقدار زیادی اورانیوم 235 و کمی اورانیوم 238 را شامل می شوند. البته روش پلوتونیوم حدود 50% از اورانیوم را به مصرف می رساند. بنابراین می توان حدود 50 برابر انرژی تولید کرد. تکنولوژی لازم برای این مهم توسط راکتورهای زاینده سریع قابل تامین است.
کشورهای انگلیس و فرانسه در این زمینه از دیگر کشورها جلوتر هستند. در حال حاضر به صورت عادی می توان از حدود ده میلیون تن اورانیوم بهره گرفت و با توجه به 40 میلیون تن اورانیوم اقیانوسها مقدار قابل استحصال با روشهای بسیار پیشرفته خیلی بالا خواهد رفت و انرژی جهان را برای چند قرن تامین خواهد نمود.
بحث ایمنی راکتورها یکی از مسائل بسیار مهم بوده است. حوادثی مثل چرنوبیل روسیه در 25 آوریل 1986 و تری مایل آیلند آمریکا در 28 مارس 1979 این مهم را بسیار حساس تر کرده است.
در اینجا به توضیح مختصری از حادثه چرنوبیل می پردازیم.
این حادثه که در تاریخ 26 آوریل 1986 در اوکراین اتفاق افتاد یکی از بدترین و وحشتناک ترین حوادث تاریخ هسته ای و حتی غیرهسته ای جهان بوده است. این حادثه در نیروگاه هسته ای چرنوبیل در خلال انجام یک آزمایش فنی کم قدرت اتفاق افتاد. بهره برداری غیر اصولی و نابجا از راکتور باعث انفجار پی در پی راکتور شد.سیستمهای ایمنی خاموش شده بودند و ساختمان به شدت آسیب دید و راکتور به طور کامل تخریب گردید.
میزان پرتو دریافتی گروههای جمعیتی این حادثه را می توان به سه دسته تقسیم کرد:
الف: کارگرانی که به نحوی در سانحه درگیر بودند.
ب: ساکنان منطقه تخلیه شده
ج: ساکنان مناطق آلوده و تخلیه نشده
الف: کارگرانی که در سانحه درگیر بودند را می توان به دو دسته تقسیم کرد:
1- افرادی که در روز اول سانجه درگیر اقدامات اورژانس بوده اند.
2- کسانیکه بین سالهای 1986 تا 1990 در محوطه نیروگاه و یا در نواحی اطراف آن مشغول پاکسازی مواد پرتوزا و سایر عملیات پاکسازی بوده اند.
1- کارگران اورژانس افرادی بودند که در روز اول حادثه با پیامدها و عواقب سانجه درگیر بوده اند مثل کارکنان نیروگاه، ماموران آتش نشانی که در اولین لحظات سانجه در محل بوده اند، محافظان و تیم پزشکی مستقر در محل. حدود 600 کارگر در محل حادثه حضور داشته اند.
2- کارگران عملیات بازسازی در فدراسیون روسیه حدود 000/600 نفر نظامی و غیرنظامی بوده اند که 000/240 نفر آنها نظامی بوده اند. 226000 نفر از کارگران عملیاتی بازسازی کار در محدوده 30 کیلومتری اطراف راکتور در سالهای 1986 الی 1987 به استخدام درآمدند. سن این افراد که نیمی نظامی و نیمی غیرنظامی بوده اند بین 20 الی 45 سال بوده است.
حدود چهارصد هزار نفر کارگر دیگر هم بمیزان کمتری دچار پرتوگیری شده بودند.
ب: افراد تخلیه شده از مناطق آلوده.
ساکنان روسیه سفید (بلوروس) در سه مرحله تخلیه شدند. در مرحله اول از دوم تا هفتم ماه می 1986 حدود 000/11 نفر تخلیه شدند. در مرحله دوم از سوم تا دهم ژوئن حدود 6000 نفر و در مرحله سوم اوت و سپتامبر 1986 حدود 7350 نفر دیگر تخلیه گشتند. خلاصه تا پائیز همان سال حدود 116000 نفر تخلیه شدند.
علاوه بر انسانها حدود 000/60 راس گاو هم تخلیه گشت.
ج: ساکنان مناطق آلوده اتحاد جماهیر شوروی سابق تقریباً 000/130 نفر از افراد شامل 39500 کودک در مناطق با بیشترین آلودگی درگیر بودند، این جمعیت دچار ناراحتی های شدید تیروئید شده بودند.
ضایعات این حادثه عبارت بوده اند از سرطان تیروئید، سرطان خون که بیشترین تلفات را داشته است. مجموعاً 237 نفر از کارکنان راکتور و کارکنان اورژانس تحت بررسیهای پرتوگیری قرار گرفتند. 134 نفر هم دچار عدم رشد مغز استخوان شده بودند. 37 تن از بیماران دچار آسیب شدید پوستی شده و در پانزده مورد علائم بیماری گوارش دیده شد. 11 تن از این بیماران فوت کردند. و 28 نفر دیگر چهار ماه بعد فوت شدند. عوارض دیگر شامل ریختن شدید موی سر، افتادن ناخن ها، التهاب مخاطی، ورم ملتحمه چشم، آب مروارید، و زخمهای وحشتناک پرتوی بسیار شدیدی شایع بوده. عملیات جنسی در بسیاری از انسانهای مورد آزمایش کاملاً مختل شده بود. 3 سال پس از حادثه چرنوبیل بسیاری از ساکنان شوروی سابق به اسراییل مهاجرت کردند. بین سالهای 1989 و 1996 حدود 000/140 نفر از اهالی مناطق آلوده به اسراییل رفتند، 40% از کودکان انتقال یافته دچار بزرگی غده تیروئید شده بودند.
لازم به توضیح است که بیماریهای مورد بحث در مناطق آلوده که بیش از چند میلیون انسان را در بر می گرفت از قبیل انواع سرطان ها به تدریج باعث تلف شدن بسیاری از آن انسان های بی گناه می شده و خواهد شد.
بطور کلی این حادثه در همان سال اول سبب مرگ حدود 50 نفر موجب تخلیه -/116000 نفر از مناطق اطراف راکتور در سال 1986 و نقل مکان حدود 000/220 نفر از مردم روسیه سفید، فدراسیون روسیه و اوکراین شد.