بمب هسته ای چگونه کار می کند؟

همه عناصر و موادی که در جهان و کیهان وجود دارند، از ذراتی بسیار ریز به نام اتم تشکیل شده اند که حتی با قوی ترین میکروسکوپ های موجود هم نمی توان آنها را دید و فقط با بررسی پدیده ها و تاثیرات اتم ها است که دانشمندان توانسته اند به ساختار آنها پی ببرند.

در جدول تناوبی مندلیف، اتم ها با تعداد پروتون های هسته خود مشخص شده اند. به این صورت که اتم ساده هیدروژن با داشتن تنها یک پروتون، در خانه شماره یک جدول جای گرفته است و پس از آن، عناصر سبکی چون هلیم (2)، کربن (6)، نیتروژن (7)، اکسیژن (8) و… در ادامه فلزاتی چون منیزیم (12)، آلومینیوم (13)، آهن (26)، منگنز (27)، نیکل (28)، روی (30) و… قرار دارند و در نهایت آخرین عنصری که بطور طبیعی در جهان وجود دارد، اورانیوم (با 92 پروتون در هسته) است.

بشر توانسته است بطور مصنوعی و به کمک واکنش های هسته ای، در راکتورهای اتمی یا شتاب دهنده های قوی، بیش از 20 عنصر دیگر (از جمله پلوتونیوم 94) را بسازد که تمامی آنها ناپایدار هستند و به سرعت متلاشی و به عناصر سبک تر تجزیه می شوند.

هسته هر اتم از تعدادی پروتون و نوترون تشکیل شده است، اما تعداد نوترون ها در هسته اتم های مختلف یک عنصر همواره یکسان نیست. دانشمندان برای مشخص کردن تعداد نوترون های هسته از کلمه ایزوتوپ (isotopes) استفاده می کنند. برای مثال، عنصر هیدروژن سه ایزوتوپ دارد. هسته اتم هیدروژن معمولی که فقط یک پروتون دارد و فاقد نوترون است؛ هسته هیدروژن سنگین (دوتریوم) یک پروتون و یک نوترون دارد؛ و در نهایت هسته هیدروژن تریتیوم که از یک پروتون و دو نوترون تشکیل شده است. ایزوتوپ هیدروژن سنگین یعنی دوتریوم در نیروگاه های اتمی کاربرد دارد و از الکترولیز آب بدست می آید.

عنصر اورانیوم هم چند نوع ایزوتوپ دارد، اما فقط دو ایزوتوپ آن یعنی اورانیوم 235 و اورانیوم 238 به علت داشتن عمر بالا، در طبیعت و سنگ معدن یافت می شوند. شماره ایزوتوپ ها، با مجموع پروتون ها و نوترون های هسته خوانده می شود. برای مثال ایزوتوپ اورانیوم 235، یعنی اورانیومی که در هسته ی خود 92 پروتون و 143 نوترون دارد. اورانیوم 238 نیز شامل 92 پروتون و 146 نوترون است.

در این مقاله شما می توانید با کارکرد و ساختار اتمی بمب هسته ای و رادیواکتیو آشنا شوید.

دانشمندان هسته ای با جوش دادن یا شکافتن هسته این اتم ها، انرژی بدست می آورند. بطورکلی دو روش برای کسب انرژی از اتم ها وجود دارد:

1. گداخت (هم جوشی) هسته ای
2. شکافت هسته ای

گداخت هسته ای (Fusion)

واکنش اتمی است که در آن هسته اتم های سبک با هم ترکیب می شوند و هسته اتم سنگین تری را می سازند. در این روش با جوش دادن هسته اتم های سبکی همچون هیدروژن، عنصر سنگین تری چون هلیم بدست می آورند. از آنجا که جرم هسته سنگین به دست آمده کمتر از جرم هسته دو اتم سبک تر است، این تفاوت جرم (حدود 0.3 جرم اولیه) هم طبق فرمول اینشتین به انرژی عظیم تبدیل می شود.

راهنمایی: اینشتین ماده را به صورت بسته متراکمی از انرژی می دید. از نظر او ماده و انرژی می توانستند به یکدیگر تبدیل شوند. او با ارائه فرمول E = MC² ثابت کرد که با شکافت هسته جسمی به جرم M، می توان انرژی معادل جرم ماده ضرب در سرعت نور به توان دو کسب کرد.

البته برای انجام دادن واکنش گداخت هسته ای به انرژی و فشار زیادی نیاز است؛ چرا که پروتون ها با بار مثبت، همدیگر را دفع می کنند و باید آنقدر آنها را تحت فشار قرار داد تا به هم نزدیک شوند و بتوانند بر نیروی دافعه کولنی خود غلبه کنند.

عمل گداخت (هم جوشی) هسته ای در مرکز ستاره ها و از جمله خورشید صورت می گیرد. در هسته ستاره ها به علت وجود فشار زیاد حاصل از نیروی جاذبه، اتم های گازی به شدت متراکم و در نتیجه داغ و ملتهب می شوند. در این گرما و فشار غیر قابل تصور، هسته اتم های سبک به هم می چسبند و هسته اتم های سنگین تر را به وجود می آورند.

تصویر فوق، عمل گداخت هسته ای؛ دو ایزوتوپ هیدروژن تحت فشار و حرارت زیاد به هلیم تبدیل می شوند. در این حالت انرژی زیادی به صورت نور، اشعه گاما و حرارت آزاد می شود.

شکافت هسته ای (Fission)

در این روش با شکافتن هسته عناصر سنگین و تبدیل آنها به عناصر سبک تر، انرژی تولید می شود. از آنجا که عناصر سنگین (مثل اورانیوم و پلوتونیوم) به راحتی قابل شکافته شدن هستند، در صنایع تولید حرارت و برق مثل نیروگاه های هسته ای، از این شیوه برای کسب انرژی استفاده می شود.

تصویر فوق، عمل شکافت هسته ای؛ در این حالت با برخورد یک ذره پُر انرژی مانند نوترون، هسته اتم سنگین به دو اتم سبک تر تقسیم می شود. از آنجا جرم دو هسته کوچکتر، از هسته سنگین اولیه کمتر است، بخشی از جرم به انرژی تبدیل می شود.

عمل شکافت هسته ای در قلب راکتور نیروگاه با پرتاب شدن تعدادی نوترون به هسته اورانیوم 235 انجام می گیرد. وقتی یک نوترون به هسته این ایزوتوپ برخورد می کند، توسط هسته اتم جذب و اتم به ایزوتوپ 236 تبدیل می شود. از آنجا که هسته این ایزوتوپ بسیار ناپایدار است، اتم اورانیوم به سرعت فرو می پاشد و به دو اتم سبک تر (باریم و کریپتون) تبدیل می شود. حین این فرآیند تعدادی نوترون هم آزاد می شوند که با برخورد به هسته اورانیوم های همجوار، باعث شکافته شدن هسته آنها می شوند.

ورود نوترون به درون هسته اورانیوم و شکسته شدن آن، با انتشار انرژی معادل 200 میلیون الکترون ولت همراه است. این مقدار انرژی در سطح یک اتم بسیار ناچیز، ولی در مورد یک گرم از اورانیوم در حدود صدها هزار مگاوات است. اگر کنترلی در مهار کردن نوترون ها نباشد، واکنش شکافت در داخل توده اورانیوم به صورت زنجیره ای انجام می شود که در زمانی بسیار کوتاه (چند هزارم ثانیه) مثل یک بمب اتم منفجر خواهد شد. از طرفی ایزوتوپ اورانیومی که در راکتور نیروگاه قرار دارد، بر اثر جذب نوترون های سرگردان و تبدیل آنها به پروتون، به عنصر جدید پلوتونیوم 239 تبدیل می شود که خود از اورانیوم 235 شکست پذیرتر است. در چنین حالتی می توان از پلوتونیوم به دست آمده را از میله های سوخت جدا کرد و برای ساخت بمب اتمی به کار برد. به عبارت ساده تر، نیروگاه هسته ای محلی است که هم می توان از آن جهت تامین انرژی برق استفاده کرد و هم از تفاله سوخت آن، بمب اتم ساخت!

فرآیند زنجیره ای شکافت هسته ای؛ با برخورد نوترون ها به هسته ایزوتوپ اورانیوم 235، هسته این اتم شکافته می شود و به دو اتم کوچکتر تبدیل می شود. در این فرآیند، نوترون های دیگری نیز آزاد می شوند که با برخورد به ایزوتوپ های 235 عمل شکافت هسته ای به شکل زنجیره وار عمل می کند. دقت کنید که با وجود ایزوتوپ های ناخالص 238، عمل شکافت هسته ای انجام نمی گیرد و این ایزوتوپ به نوعی ترمز شکافت های زنجیره ای پیاپی عمل می کند. در بمب های اورانیوم، ناخالصی ایزوتوپ 238 بسیار کم است.

در آخرین سال جنگ جهانی دوم (1945) دولت آمریکا دو بمب اتمی – پسر کوچک و مرد چاق – را بر سر مردم ژاپن انداخت. سوخت بمبی که در هیروشیما منفجر شد از اورانیوم غنی شده و بمبی که در ناکازاکی منفجر شد از نوع پلوتونیوم 239 بود.

تصویر مشخصات بمب پسر کوچک (Little Boy) – محل انفجار: هیروشیما

تصویر مشخصات بمب مرد چاق (Fat Man) – محل انفجار: ناکازاکی

شیوه کار هر دو بمب به این صورت بود که در لحظه برخورد بمب به زمین، یک دستگاه مولد نوترون به صورت ماشه وارد محفظه سوخت شود. هنگامی که نوترون های آزاد شده به اتم های اورانیوم یا پلوتونیوم برخورد کردند، در کمتر از هزارم ثانیه همه اتم ها زنجیره وار متلاشی شدند و به اصطلاح بمب منفجر شد. در این لحظه، حرارت عظیم حاصل از شکافت هسته ای، در محل انفجار به 300 میلیون درجه سانتیگراد رسید و به یکباره هزاران انسان بر اثر حرارت شَدید به خاکستر تبدیل شدند. موج حاصل از انفجار هم چنان شَدید بود که همه شهر را با خاک یکسان کرد و تشعشعات آن باعث ابتلای صدها هزار انسان دیگر به سرطان شد.

تشعشعات رادیواکتیو

عناصر رادیواکتیو معمولاً سه نوع ذره یا اشعه از خود صادر می کنند که شامل ذره آلفا، ذره بتا و اشعه گاما هستند. با قرار دادن اشعه رادیواکتیو تحت تاثیر میدان مغناطیسی متوجه شده اند که ذره آلفا دارای بار مثبت، بتا دارای بار منفی و اشعه گاما بدون بار است.

ذره آلفا

جنس ذره آلفا، هسته اتم هلیم است که از دو نوترون و دو پروتون تشکیل یافته است. جرم آن حدود 4 برابر جرم پروتون و بار الکتریکی آن 2+ است. بُرد ذره آلفا به عنصر سازنده، انرژی اولیه و جنس محیط بستگی دارد. مثلاً بُرد ذره آلفا صادره از عنصر رادیوم در هوا تقریباً 5 سانتیمتر می باشد. ذره آلفا به علت داشتن 2 بار مثبت هنگامی که از نزدیکی یک اتم عبور می کند، ممکن است تحت تاثیر میدان الکترواستاتیکی خود، الکترونی را از مدار خارجی اتم خارج سازد و یا به عبارت دیگر اتم را یونیزه کند. ذره آلفا همچنین قادر است محل الکترون را تغییر دهد، یعنی الکترون تحت تاثیر میدان الکتریکی ذره آلفا از مدار پایین تری به مدار بالاتر صعود می کند و در نتیجه اتم به حالت برانگیخته در می آید. قابلیت نفوذ ذره آلفا بسیار کم است.

ذره بتا

ذره بتای منفی از جنس الکترون می باشد. بار الکتریکی آن 1- و علامت آن بتای منفی است. برد ذره بتا در هوا حدود یک متر است. البته برد این ذره نیز به انرژی اولیه (عنصر مادر) و جنس محیط بستگی دارد. بر خلاف ذره آلفا، ذره بتا از نظر حفاظت یک خطر خارجی محسوب می شود. خاصیت یون سازی این ذره به مراتب کمتر از آلفا است. ذره بتا همچنین می تواند در اتم ها ایجاد برانگیختگی کند، ولی این خاصیت نیز به مراتب کمتر از ذره آلفا است. قدرت نفوذ ذره بتا بطور متوسط 100 برابر بیشتر از ذره آلفا است.

اشعه گاما

جنس اشعه گاما از نوع امواج الکترومغناطیسی؛ یعنی از جنس نور است. تفاوت آن با امواج نوری در این است که طول موج اشعه گاما بسیار کوتاه (از 1 تا 0.01 آنگستروم) می باشد. انرژی اشعه گاما نیز از 10 کیلو الکترون ولت تا 10 مگا الکترون ولت تغییر می کند. برد آنها بسیار زیاد است؛ مثلاً در هوا چندین متر است.

خاصیت ایجاد یونیزاسیون و برانگیختگی در اشعه گاما نیز وجود دارد. ولی به مراتب کمتر از ذرات آلفا و بتا است، ولی قدرت نفوذ این اشعه به مراتب بیشتر از ذرات بتا و آلفا است. طیف انرژی اشعه گاما همانند ذرات آلفا تک انرژی است؛ یعنی تمام فوتون های گامای حاصل از یک عنصر رادیواکتیو دارای انرژی یکسانی هستند.

به این ترتیب تشعشعات هسته ای دارای مزایای قدرتمندی مانند انرژی هسته ای برای تولید برق و پزشکی هسته ای برای تشخیص و درمان بیماری ها می باشد و همچنین خطرات قابل توجهی نیز دارد.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «بمب هسته ای چگونه کار می کند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله وب سایت HowStuffWorks ترجمه شده توسط بهنام زاده به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.