خطرات پرتو ايکس را مهارکنيم

خطرات پرتو ايکس را مهارکنيم

بشر از دير باز ارتباطي ويژه با نور داشته است و همواره سعي داشته از اين نعمت پروردگار بيشتر در زندگي خود استفاده نمايد و با گذشت زمان دريافت، اين نيروي خارق العاده قابليتهايي فراوان دارد و كمر به كشف آنها بست و امروزه سعي كرده از اين آفريده ايزد منان به عنوان فن‌آوري برتر در بخشهاي مختلف علمي، صنعتي، ارتباطي، پزشكي و... استفاده نمايد. به طور مثال در زمينه پزشكي از اشعه ايكس كه سرمنشايي از نور دارد جهت تشخيص و درمان  بيماران استفاده مي‌گردد.

همانطور كه مي‌دانيم تابش به‌صورت انرژي و يا ماده حامل انرژي است و اگر ماده اي كه تحت واكنش قرار مي‌گيرد، ارگانيسم زنده باشد، اثرات به هم كنش مي‌تواند تا مرحله بيماري شديد و يا مرگ به بافت زنده آسيب برساند. مردم تا حدي به‌طور تصادفي به طبيعت زيان بخش تابش بر روي بافت زنده آگاهي يافتند. ابتدا سوختگيهاي بر روي پوست كارگراني كه تحت تابش قرار مي‌گرفتند مشاهده شد و متاسفانه قبل از اينكه صدمات ناشي از تابش شناخته شود، مواردي از مرگ و جراحات شديد در اثر پرتو گيري اتفاق افتاد.‏

در سالهاي 1299/1920 (25 سال پس از كشف پرتوهاي ‏X‏) بود كه معيارهاي ايمني براي كار با مواد پرتوزا پيشنهاد شد. و در سالهاي 1309/1930 قوانيني جهت اطلاع از مقدار ماكزيمم سطوح مجاز پرتوگيري وضع شد به مقدار تابش معمولا به عنوان "دوز" اشاره مي‌شود. نكته حايز اهميت تشخيص تفاوت بين پرتوگيري و دز دريافتي است. براي حفاظت شخصي، پرتوگيري مورد توجه قرار مي‌گيرد، در حاليكه براي صدمات زيست شناختي (يا ساختماني) دز جذب شده حائز اهميت است.‏

دوز فيزيكي جذب شده پرتوها- ‏kvx‏ 250براي ايجاد يك اثر معين ‏
دو.ز فيزيكي جذب شده توسط تابش مقايسه اي براي ايجاد اثر مشابه

حداكثر پرتوگيري مجاز براي هر فرد را مي‌توان بدون توجه به نوع تابش بر حسب ‏rem‏ بيان كرد.‏
دز بر حسب راد×‏rem = QF‏
پرتو گيري تابش به دو طريق صورت مي‌گيرد : 1 - پرتوگيري خارج بدن يا البسه به طور مستقيم از يك چشمه.‏
‏2 - پرتوگيري داخلي چشمه هايي كه از طريق استنشاق، فرو بردن و يا جذب وارد بدن شده اند.‏
‏ پرتودهي يك سلول ممكن است باعث صدمة هسته سلول يا اجزاي ديگر آن  شود. در اين صورت ممكن است كه سلول از بين برود و يا كروموزمهاي سلولي كه در حال توليد مثل هستند تغيير يابد و باعث تحول در سلول شود و اين بدان معناست كه فرزندان كم و بيش معيوب خواهند بود و اين عيوب ممكن است به نسلهاي بعد منتقل شود. راهنماي حفاظت در مقابل تابش‏‎ NCRP‎‏ (راهنماي تابش براي پرتو گيري مجاز افرادي كه در نواحي تابش كار مي‌كنند ) براي افرادي كه بواسطه شغل خود در معرض تابش قرار    مي‌گيرند، به قرار زير است :‏
‏1- كل دوز دريافتي تمام بدن در طي سالها بايد حداكثر برابر (18-‏‎  n‎‏)5 ‏rem ‎‏ باشد كه در آن ‏n‏ =عمر شخص است بايد توجه كرد كه افراد كمتر از 18 سال مجاز نيستند در محلي كه در معرض تابش قرار دارد، كار كنند،
‏2 - دوز دريافتي نبايد از 5 ‏rem ‎‏  در سال تجاوز نمايد و‏
‏3 - همچنين ماكزيمم پرتوگيري بجز براي پوست، دستها و ساعد نبايد در مدت 13 هفته از 5  ‏rem ‎‏ بيشتر باشد.
قسمتهاي خاصي از بدن مي‌توانند تابش بيشتري دريافت دارند، ولي راهنما معمولاً براي تمام بدن در نظر گرفته شده است. در حال حاضر مسئله اساسي ايجاد حفاظت در مقابل   "1- اشعه گاماي اوليه 2 - تابش ايجاد شده در نتيجه واكنشهاي  r ‏- ‏n‏ در حفاظ. 3- نوترونهاي سريع" است حفاظ در ساده ترين شكل، متضمن ايجاد فاصله و قرار دادن مواد بين اشعه و گيرنده تابش است.‏
اگر فاصله كافي بين شخص و چشمه وجود داشته باشد، شدت تابش به سطوح ايمن كاهش مي‌يابد. با وجود اين اگر ماده اي بين ما و چشمه قرار بگيرد مي‌توان از امتياز تضعيف ايجاد شده توسط ماده استفاده كرد.‏
با توجه به مطالب ذكر شده لزوم استفاده از تجهيزات حفاظتي در برابر تاثيرات مضر پرتوهاي يونيزان روز به روز در حال افزايش است. در اين راستا آژانس بين المللي انرژي اتمي ‏IAEA‏ با تدوين آيين نامه ها و راهكارهاي اساسي در جهت استفاده درست و بي خطر از دستگاها و تجهيزات و منابع توليد كننده پرتوهاي يونيزان و خطرناك كمك شاياني را در پيشگيري از اثرات پرتوها به عمل آورده است.‏
همان‌طور كه گفته شد جهت مهار كردن اشعه اي كه در فضا انعكاس پيدا مي‌كند، بايد سرعت آنرا با استفاده از عناصري كه داراي عدد جرمي بالايي است به حد اقل برساند مانند عناصر طلا يا سرب كه البته با توجه به مقرون به صرفه بودن بيشتر از سرب استفاده مي‌شود و به همين جهت در بخشهايي از مراكز درماني مانند بخشهاي راديولوژي، آنژيوگرافي و اتاق عمل كه مستقيماً با اشعه سرو كار دارند براي حفظ امنيت اطرافيان در ديوارها و دربها در اطراف دستگاه از سرب استفاده مي‌شود. اما پزشكان يا تكنسيني كه در داخل اتاق اشعه به سر مي‌برند چه بايد بكنند ؟ مشخصاً عوامل حفاظتي ويژه اي براي اين افراد طراحي گرديده است. مثلا از پاراوانهاي سربي و همچنين روپوشها و شيلدهاي سربي جهت حفاظت در برابر اشعه استفاده مي‌شود. در اين راستا شركت نويد پرتو نما با داشتن سالها تجربه و كادري مجرب و متخصص در زمينه توليد، واردات و صادرات تجهيزات و لوازم راديولوژي و پوشش‌هاي محافظ اشعه ‏X‏ افتخار دارد تا خود را به عنوان يكي از شركتهاي مطرح در اين عرصه به شما متخصصان، پزشكان و كارشناسان محترم كه در تماس با پرتوهاي يونيزان خطرناك مي‌باشيد معرفي كند.‏

شيشه سربي
يكي ديگر از مواردي كه لزوم استفاده آن در بخشهايي شامل دستگاه پرتوزا ضروري مي‌نمايد شيشه سربي است. در اينجا جهت آشنايي شما خوانندگان محترم با اين محصول خلاصه اي از ساخت آنرا تشريح مي‌نمائيم.‏
ابتدا سرب را در كوره‌هاي صنعتي به صورت مذاب درآورده، سپس آنرا درون مخازن پيستوله مانندي ريخته و با توجه به قطر و سايز مورد نظر ميزان فشار و روزنه خروج عنصر را تنظيم مي‌كنند تا آنرا به صورت غبار و گرده خارج كنند. به حجم غبار سرب نيز "مش" گفته مي‌شود به طور مثال براي توليد سرب 1/0 با مش 400، ميزان فشار را تنظيم كرده سپس سرب را درون حوضچه‌هاي آب سرد اسپري مي‌كند و تمام اين گرده ها با همان اندازه و حجم سرد شده و به صورت خاك سرب در ته حوضچه جمع مي‌گردد. بعد از جمع‌آوري خاك سرب، سيليس را در مخازن ديگر ذوب كرده آن را به داخل قالب‌هاي مورد نظر با قطر و اندازه مشخص هدايت مي‌كند و دوباره گرده‌هاي سرب را كه با اكسيد سرب بي‌رنگ شده به گونه‌اي در فضا پخش مي‌كنند كه به‌صورت يكنواخت و ميزان مورد نظر در ميان سيليس ذوب شده قرار گيرد، بدين ترتيب پس از سرد شدن سيليس، شيشه‌اي سربي با شفافيت بسيار بالا خواهيم داشت. البته اين پروسه توليد در عين سادگي بيان بسيار پيچيده است و مي‌بايست دقت عمل زيادي را در توليد آن به‌كار گرفت. از معروف‌ترين كمپاني‌هايي كه اين كالا را با كيفيتي بي نظير در جهان توليد مي‌كند كمپاني ‏SCHOTT‏ آلمان را مي‌توان نام برد. لازم به ذكر است اين كمپاني آلماني داراي استانداردهاي معتبر و قابل اطمينان زيادي از جمله ‏CE،TUV‏ و... است.بيمارستان‌ها و مراكز تخصصي زيادي در حال حاضر در ايران از اين شيشه‌هاي سربي در بخشهاي خود استفاده مي‌كنند و تا كنون هيچ شواهدي مبني بر عدم كيفيت اين شيشه‌ها گزارش نشده است. استفاده از اين شيشه‌هاي سربي در بخش ها باعث مي‌شود كه علاوه بر توانايي عبور نور، جلوي عبور اشعه ايكس را بگيرد.‏
شركت نويد پرتونما با داشتن سالها سابقه در واردات اين نوع شيشه سربي نماينده انحصاري كمپاني ‏SCHOTT‏ آلمان است. ميزان سرب استاندارد جهت شيشه‌هاي سربي كه مورد تائيد سازمان انرژي اتمي ايران ميباشد 2 ميليمتر است كه شيشه‌هاي سربي وارد شده از كمپاني ‏SCHOTT‏ آلمان توسط شركت نويد پرتو نما داراي 1/2 ميليمتر سرب است.‏

روپوش و اپرون‏
روپوشها و اپرون‏هاي سربي از ديگر پوشش‌هاي حفاظتي در برابر اشعه است كه توسط كاربران و يا بيماران مورد استفاده قرار مي‌گيرد. روپوشهاي سربي مكانيزم ساختاري شبيه به شيشه سربي دارد اما با توجه به اين مسئله كه روپوش را خود شخص بايد استفاده كند و گاه تا ساعت‌ها بايد آنرا به تن داشته باشد. ميزان وزن و انعطاف پذيري آن بسيار مهم است. و علاوه بر آن چون اين نوع شيلدهاي سربي جهت محافظت در برابر اشعه متفرق شده استفاده مي‌شود. استاندارد ميزان سرب تعريف شده از طرف سازمان انرژي اتمي ايران 5/0 ميليمتر است. ميزان سربي كه در لاستيك قرار مي‌گيرد بستگي به اكيوالان لاستيك دارد يعني هر چه كيفيت حجم لاستيك بالاتر باشد ميزان جرم بيشتري را قبول مي‌كند. به طور مثال هنگامي كه لاستيك مذاب جهت نورد شدن به داخل دستگاه ريخته مي‌شود و از بين غلطكها عبور مي‌كند چنانچه اكيوالان قطر لاستيك 1 ميلي متر باشد فاصله غلطكها به آن ميزان تنظيم مي‌شود و به همان ميزان به آن خاك سرب اضافه مي‌شود. بالاترين مكانيزمي كه در ايران به آن دست يافته‌اند 13/0 اكيوالان براي 75/0 ميلي متر   است.در صورتي كه اين مكانيزم در خارج از كشور 5/0 اكيوالان براي 1 ميلي متر سرب است. سپس با توجه به اين ضخامت مي‌توان از قطر كمتري از لاستيك استفاده كرد در نتيجه وزن روپوش توليد شده كمتر و انعطاف آن بيشتر خواهد شد.‏
البته امروزه در كشور‌هاي اروپايي از لاستيكهايي با ساختاري سبك و كيفيت بالا بيشتر استفاده مي‌شود كه قيمت بالايي دارد اما شخص استفاده كننده بسيار با آن راحت بوده و مي‌تواند به راحتي با آن كار نمايد.‏
از جمله اين كمپاني‌هاي اروپايي ‏Dr.Goos‏ و‏CAWO‏ و ‏MAVIG‏ از كشور آلمان و ‏Am r ay ‎‏ از كشور ايرلند است. كه نوعي لاستيك سربي بسيار سبك با نام ‏Supra Light‏ استفاده مي‌نمايند.‏
شركت نويد پرتونما نماينده انحصاري كليه كمپاني‌هاي فوق بوده و سال‌ها است كه با واردات روپوش و جليقه و دامن سربي از اين كمپانيها جديدترين و مرغوب ترين نوع شيلد سربي را در اختيار كاربران قرار مي‌دهد.‏
نسل جديد روپوشهاي محافظ در برابر اشعه ‏X‏ روپوشهاي بدون سرب است كه از يك لايه لاستيك حاوي آلومينيم، صفحه اي كه با مغناطيس باردار شده و پلي اتيلن ساخته شده است. در اين شيلدها ابتدا لاستيك حاوي آلومينيم اشعه را جذب و از طريق لايه مغناطيسي، اشعه منحرف مي‌گردد و توسط محيط جذب مي‌گردد كه به علت داشتن چنين ساختماني بسيار سبك و قابل انعطاف است.شركت نويد پرتونما  با واردات اين محصول كاملاً جديد                  (روپوشهاي ‏Lead Free‏) به ايران از كمپاني‌هاي آلماني ‏Dr.Goos‏ و‏‎ MAVIG‎‏ سعي نموده است در جهت راحتي هر چه بيشتر كاربران قدمي مثبت بردارد.‏

عينک
عينك‌ها از جمله پوشش‌هاي ديگري است كه درتمام بخشهايي كه در دستگاه‌هاي توليد كننده اشعه ايكس در آن قرار دارد بايد توسط كاربران استفاده شود.‏
نسل ديگري از اين محصول عينكهايي است كه در قاب كنار عينك  نيز سرب به‌كار رفته است و معمولاً در آنژيوگرافي و اتاق عمل استفاده مي‌شود. شركت نويد نماينده انحصاري چند شركت آلماني از جمله ‏CAWO‏ و همين‌طور چند كمپاني آمريكايي جهت عينك‌هاي سربي از اين نمونه است.‏

توليد در ايران
دامنه فعاليتهاي شركت نويد تنها به همين موضوع محدود نمي‌‌شود اين شركت با داشتن كادري مجرب و دوره ديده از سازمان انرژي اتمي ايران جهت سربكوبي با خالص ترين نوع سرب كه در كشور ما مرغوب ترين سرب، سرب زنجان است، اقدام نموده است.‏
شركت نويد همينطور با توليدات متنوع و با كيفيت بسيار بالا در انواع روپوشهاي سربي و كليه شيلدهاي محافظ و همينطور تجهيزات مورد نياز تاريكخانه در بخش‌هاي راديولوژي (ميز تاريكخانه، چراغ اخطار، چراغ تاريكخانه و انواع پاراوان‌هاي سربي، پاس كاست، كاست استند و...) تنها صادركننده موفق اين اقلام نيز است. در حال حاضر توليدات اين شركت با داشتن معتبر ترين استانداردهاي روز، از مراكز مختلفي مانند سازمان انرژي اتمي ايران، اداره تجهيزات پزشكي،وزارت بهداشت و درمان و آموزش پزشكي و... به شكل وسيعي توسط مراكز تصويربرداري و بيمارستان‌ها و مطب‌‌هاي راديولوژي مورد استقبال قرار گرفته است.‏
در پايان سپاس بر پروردگار كه قدرت و همت پيمودن اين راه سخت و طولاني را در اين مدت به ما ارزاني داشت تا بتوانيم مجموعه حاضر را تقديم متخصصان و كارشناسان محترم رشته راديولوژي و كليه كاربران و مصرف‌‌كنندگان اين محصولات بنماييم.‏

منبع:سایت مهندسی پزشکی وتجهیزات آزمایشگاهی 

مدلهای اتمی

مقدمه:

فيزيك اتمي- مولكولي زماني متولد شد كه دانشمندان متوجه شدند كوچكترين جزء در طبيعت اتم نيست بلكه اتم از اجزاي كوچكتري به نام الكترون‌ها و هسته تشكيل شده است. يعني اتم از هسته‌اي تشكيل شده است كه الكترون‌هايي در اطراف آن مي‌گردند.

 فيزيك اتمي به بررسي نقل و انتقال‌هاي الكترون‌هاي اطراف هسته مي‌پردازد و خواص آنها را مورد بررسي قرار مي‌دهد. يعني ما در فيزيك اتمي كاري به اين نداريم كه هسته از چه تشكيل شده است بلكه هسته برايمان مركزي با بار مثبت است و بيشتر توجه ما جلب الكترون‌هاي اطراف هسته مي‌شود. و فیزیک هسته ای به مطالعه ی هسته ی اتم می پردازد. برای شناخت و مطالعه ی بیشتر مدلهای اتمی مختلفی ارائه شد و سرانجام به نتیجه رسیدند که که مدلهای پیشنهادی چندان با تجربه سازگار نیست. مهمترین ویز"ی مدل های پیشنهادی ایست که باید طیف اتمی آنها با تجربه سلزگار باشد.

 

مدل اتمی تامسون

تامسون پس از کشف الکترون ساختاري براي اتم پيشنهاد کرد که در آن الکترون ها با بار منفي در فضاي ابر گونه با بار مثبت پراکنده اند و جرم اتم را مربوط به جرم الکترون ها  مي دانست ، حال آنکه فضاي ابرگونه مثبت را بدو ن جرم مي پنداشت.

 

 

یکی از موارد بسیار مهمی که یک مدل اتمی باید توضیح دهد، مسئله جذب و تابش انرژی توسط الکترونها است. در مدل اتمی تامسون الکترونها در مکانهای تعادلشان ثابت می مانند. در اتمهای برانگیخته، مانند اتمهای اجسام در دمای زیاد، الکترونها حول مکانهای تعادلشان ارتعاش می کنند. چون نظریه الکترومغناطیس کلاسیک پیشگویی می کند که یک ذره باردار، هنگامی که دارای شتاب است، مانند الکترون مرتعش، امواج الکترومغناطیسی گسیل می کند. درک کیفی تابش گسیل یافته توسط اتمهای برانگیخته بر پایه ی الگوی تامسون امکان پذیر بود. اما از نظر کمی نمی توان طیفهایی را که از راه تجربه مشاهده می شد توجیه کند.

 

مدل اتمی لنارت

این مدل اتمی را در سال ۱۹۰۷ میلادی، فیلیپ لنارت، فیزیکدان آلمانی، طرح کرد. مدل اتمی لنارت با مدل اتمی تامسون و مدل اتمی رادرفورد متفاوت است. لنارت مشاهده کرد که ذرات پرتو کاتودی در ماده نفوذ می‌کنند. از این رو، معتقد شد که بیشتر حجم اتم نباید مانع نفوذ این پرتوها شوند. در مدل لنارت الکترون و بار مثبتی جدا از آن وجود ندارد. اتم در این مدل از ذراتی به نام دینامید (dynamide) تشکیل شده‌اند و هر دینامید یک دوقطبی الکتریکی با جرمی معین است. فرض لنارت بر این است که همهٔ دینامیدها یکسان هستند، و یک اتم شامل آن عده دینامید است که برای ساختن جرم آن ضروری است. دینامیدها در سراسر حجم اتم توزیع شده‌اند، ولی شعاع هر یک در مقایسه با شعاع اتم به قدری کوچک است که بخش عمدهٔ اتم خالی است.

آزمایش رادرفورد

رادرفورد که از شاگردان تامسون بود، نتوانست تشکيل تابشهاي حاصل از مواد پرتوزا را به کمک مدل اتمي تامسون توجيه کند. و پس از آزمايشهاي بسيار ، نادرست بودن مدل تامسون را اثبات کرد. او در سال 1911 نتایجی از آزمایشهای خود را که در آنها از ذرات آلفا برای پژوهش در ساختار اتم استفاده شده بود منتشر کرد. آزمایش از این قرار بود که:

 باریکه‌ای از ذرات  a  به ورقه بسیار باریکی از طلا ، نقره یا مس به ضخامت  cm 0.0004 تابانده شد. اکثر ذرات a بطور مستقیم از ورقه بیرون رفتند ولی بعضی از آنها از مسیر مستقیم منحرف شده و معدودی بطرف منبع خود بازگشتند.

.                 

 

 

پس نتيجه گرفت که حتماً يک هسته کوچک در مرکز اتم وجود دارد که محل تمرکز بارهاي مثبت است و تقريباً تمام جرم اتم نيز در درون اين هسته است که توانايي به عقب راندن ذره هاي سنگين و پرانرژي آلفا را دارد.

رادرفورد با استفاده از نتايج اين آزمايش مدل «اتم هسته دار» را پيشنهاد کرد. در این مدل، هسته دارای بار الکتریکی مثبت است. رادرفورد نتایج این آزمایشها را با طرح این فرض که هر اتم مرکب از دو بخش است توضیح داد:

   یک - هسته در مرکز اتم وجود دارد. بیشترین جرم و تمام بار مثبت اتم در هسته متمرکز است. اکنون باور ما این است که هسته شامل پروتونها و نوترونهایی است که بر روی هم جرم هسته را در بر دارند و بار هسته ناشی از پروتونهای هسته است.

  دو- الکترونها که بیشترین حجم اتم را اشغال می‌کنند خارج هسته هستند و به سرعت دور هسته حرکت می‌کنند. چون یک اتم از لحاظ الکتریکی خنثی است بار مثبت کل هسته (که ناشی از پروتونهای آن است) برابر بار منفی همه الکترونهای اتم است. بنابراین عده الکترونها با عده پروتونها برابر است.

 

مدل اتمی بور

در سال 1913 نیلز بور مدل اتمی خود را ارائه کرد که با برخی از داده های طیف نمایی مثلاً طیف اتم هیدروژن از نظر کمی تطبیق می کرد. مدل اتمی بور مشتمل بر اصول موضوع زیر بود:

1- الکترون درون اتم، تحت تاثیر نیروی الکتریکی بین الکترون و هسته، در یک مدار دایره ای شکل به دور هسته می چرخد و این حرکت تابع قوانین مکانیک کلاسیک است.

2- به جای بینهایت مداری که در مکانیک کلاسیک امکان پذیر است، برای الکترون تنها این امکان وجود دارد که در مداری حرکت کند که برای آن اندازه ی حرکت زاویه ای L مضرب درستی از h ثابت پلانک تقسیم بر دو پی باشد.

3- علی رغم این واقعیت که الکترون دایماً شتابدار است، اما در این مدار مجاز، انرژی الکترومغناطیسی تابش نمی کند. به این ترتیب، انرژی کل آن، E ثابت باقی می ماند.

4- تابش الکترومغناطیسی در صورتی گسیل می شود که الکترونی که در آغاز در مداری با انرژی E_i در حرکت است، حرکتش را به طور ناپیوسته چنان تغییر می دهد که در مداری با انرژی E_j حرکت کند، بسامد تابش گسیل یافته از رابطه ی زیر تبعیت می کند:

 

E_i-E_j=hf

 

اصول موضوع مدل اتمی بور نکات مهمی را مطرح می کند که زمینه ی مکانیک کوانتوم جدید را فراهم ساخت.

 

  ترازهای انرژی در اتم

 بور با توجه به اصول موضوعه که برای اتمها داد، مدل اتمی هیدروژن را بصورت زیر تشریح کرد:

اتم هیدروژن از یک پروتون در هسته و یک الکترون که در حالت انرژی پایه روی مدار ثابتی به دور هسته می چرخد، تشکیل شده است.

نیروی الکتریکی بین هسته (پروتون) و الکترون برابر است با:

(1)                  

نیروی الکتریکی بین هسته (پروتون) و الکترون، نیروی جانب مرکز را تامین می کند.

(2)                

پس خواهیم داشت:

(3)        

انرژی کل سیستم (هسته و الکترون) برابر است با:

  (4)            

(5)                      

از رابطه های (2) و (5) می توان نتیجه گرفت:

(6)         

 

این رابطه انرژی را به شعاع r  ربط می دهد. اما چگونه r  را می توان محاسبه کرد؟ طبق اصل موضوع بور الکترون در مدارهای ثابتی به دور هسته می گردد و اندازه حرکت زاوبه ای آن برابر  L=mvr است که ضریبی از h تقسیم بر 2 است، یعنی:

m v_n r_n = n ( h / 2 ) , n = 1, 2, 3, . . .

h = 6.63 x 10^-34 J s

در اینجا شعاع r و سرعت v وابسته به n هستند (v_n and r_n ) که n عدد کوانتوم اصلی نامیده می شود. بنابراین اندازه حرکت زاویه ای L=mvr یک کمیت کوانتومی است و نمی تواند هر مقداری را داشته باشد. همچنین انرژی نیز کوانتیده است که از رابطه ی زیر به دست می آید:

 

 (7)            

با توجه به رابطه ی نیرو (1) می توان شعاع هر مدار r_n را حساب کرد:

 

 (8)          

          n=1, 2, 3,...

برای n=1  داریم:

علامت منفی به دلیل مقید بودن بودن است. برای جدا کردن الکترون از ید هسته مقدار انرژی  13.6 eV انرژی لازم است تا الکترون و پروتون را از هم جدا کنیم.

برای آنکه الکترون از یک حالت به حالت پائین تر برود، فوتونی برابر با انرژی حالت این دو پایه منتشر یا جذب می شود. اگر الکترون انرژی جذب کند، از مدار پائین تر به مدار بالاتر می رود، در نتیجه انرژی مقید بودن آن کاهش می یابد. هرگاه انرژی تابش کند، انرژی مقید بودن افزایش می یابد و الکترون از مدار بالتر به مدار پائین تر سقوط می کند. هرگاه الکترون در دو مدار مختلف جهش کند، انرژی هایی تابشی (یا جذبی) متفاوت خواهند بود. (شکل زیر).

جذب فوتون درست معکوس حالت انتشار آن است. فرض کنیم الکترون با انتشار یک فوتون از مدار n=2 به مدار n=3  برود. اگر الکترون بار دیگر با از دست دادن یک فوتون از مدار n=2 به مدار n=4 برود، این دو فوتون انرژی متفاوتی خواهند داشت. اما انرژی فوتونی که جذب می کند تا از مدار n=2 به مدار n=4 برود، برابر است با انرژی تابشی برای بازگشت از مدار n=4 به مدار n=2.

پروتون، نوترون و طیف های اتمی

 

مقدمه: کشف الکترون و محاسبه نسبت بار به جرم آن، نشان داد که اتم ذره ی بنیادی نیست و خود اتم نیز از ذرات دیگری تشکیل شده است. از سال 1820 که وابستگی نیروهای الکتریکی و مغناطیسی  مطرح شد تا 1920 که اجزای تشکیل دهنده ی هسته ی اتم مورد بحث واقع شد، آغازی برای شناخت سنگ بنای اولیه ی جهان شد. نگاهی کوتاه به تاریخ کشفیات مهم فیزیک بخوبی نشانگر شتاب رو به رشد این کشفیات است. در سال 1932 ذرات زیر اتمی به الکترون، پروتون و نوترون خلاصه می شد و چند سال بعد جدول بندی ذرات زیر اتمی ضروری به نظر می رسید. این جدول چنان سریع رشد کرد که جدول استاندارد ذرات بنیادی از آن میان پدیدار گشت.    اشعه ی آندی و پروتون در سال 1886 گولد اشتاین مشاهده کرد که اگر کاتود لامپ تخلیه شکافهایی داشته باشد، تابش دیگری در جهت مخالف اشعه ی کاتودی جریان می یابد. وی این اشعه را اشعه ی کانالی نامید. چون اشعه ی کانالی در جهتی مخالف با اشعه ی کاتدی که بار منفی دارد حرکت می کند، تامسون پیشنهاد کرد که این تابش را اشعه ی مثبت بنامند. تامسون به محاسبه نسبت  q/m یعنی نسبت بار به جرم پروتون پرداخت. تامسون برای اندازه گیری نسبت q/m پرتوهای مثبت روشی جدید ابداع کرد. وی فرض کرد که هر ذره ی پرتو مثبت دارای باری مساوی و متضاد با بار الکترون است. همچنین ثابت کرد که نسبت بار به جرم اندازه گیری شده برای اتم هیدروژن، برابر با مقداری است که از تقسیم بار الکترون بر جرم یک اتم به دست می آید. از مقدار q/m هیدروژن معلوم شد که جرم ذرات مثبت 1837 برابر جرم الکترون است. در سال 1911 ارنست رادرفورد، در آزمایشهایی که در آنها که نیتروژن با ذرات آلفا بمباران می شد، دوباره با چنین ذرات باردار مثبتی روبرو شد و آنرا به عنوان هسته هیدروژن شناسایی کرد. تا سال 1920، او به این نتیجه رسیده بود که این ذره ، ذره بنیادی است و با توجه به این که واژه "protos" ، در زبان یونانی به معنی نخستین است، آنرا پروتون نامید تا موقعیت اولیه در خور اهمیت آن را در میان هسته‌های اتمی عناصر نشان دهد. جرم پروتون برابر است با mp = 938.272 MeV/C^2 = 1.6726X10^-27 Kg که 1836 برابر جرم الکترون است. برای مشاهده واپاشی پروتون به ذرات سبکتر ، جستجوی تجربی فراوانی انجام شده ، ولی تا به حال نتیجه‌ای حاصل نشده است. مستقل از مد واپاشی ، حد پایین طول عمر میانگین پروتون ، τ ، را می توان حدود 10^25 سال دانست. عمر میانگین پروتون در بعضی از مدهای واپاشی خاص به حد بالاتری می‌رسد، برای مثال در واپاشی p → e^+ + π0  مقدار τ بزرگتر از 10^32 سال است. که در آن e+ , n0 نوترینو و پوزیترون هستند. (به ذرات بنیادی مراجعه کنید).  بار الکتریکی پروتون مثبت است. این بار در مقایسه با بار الکترون مقداری مساوی و علامتی مخالف دارد.  qp = -qe = -e شواهد تجربی نشان می‌دهد که ماده (از لحاظ بار الکتریبکی) خنثی است.   اشعه ی ایکس و عناصر رادیو آکتیو در سال 1895 رونتگن که روی لامپ تخلیه الکتریکی کار می کرد به طور ناگهانی متوجه تابش عجیبی شد. این تابش در میدان الکتریکی یا مغناطیسی منحرف نمی شد. همچنین رونتگن مشاهده کرد که این پرتو به طور محسوسی شکسته یا پراکنده نمی شود. بنابراین نتیجه گرفت که این پرتو از جنس ذرات باردار و نور معمولی نیست. رونتگن این اشعه را طول موج آن کوتاهتر از طول موج های بالای بنفش بود، اشعه ایکس نامید. پس از کشف اشعه ایکس بسیاری از دانشمندان به بررسی این تابش جدید و فوق العاده نافذ علاقه مند شدند. یکی از این افراد بکرل بود. پدر بکرل نسبت به فلوئورسانس علاقه مخصوصی داشت. از مواد فلوئورسانسی که بکرل بزرگ به کار می برد، سولفات اورانیل پتاسیم بود. بکرل عقیده داشت که ممکن است در تابش فلوئورسانس این ماده اشعه ی ایکس وجود داشته باشد. وی مقداری از این ماده را که حاوی اورانیوم است روی کاغذ سیاهی که در زیر آن صفحه ی حساس عکاسی بود گذاشت و آنرا در معرض نور خورشید قرار داد. ساختمان دستگاه تولید اشعه ایکس بسیار ساده است. تفنگ الکترونی، الکترونهایی با انرژی زیاد شلیک می کند. الکترونها بر اثر برخورد به هدف، اشعه ایکس تابش می کنند.   بکرل چنین استدلال می کرد که نور خورشید نمی تواند از کاغذ سیاه بگذرد، اما اگر در تابش فلوئورسانسی که این ماده تولید می کند اشعه ایکس باشد، این اشعه بر صفحه عکاسی اثر خواهد کرد. با ابری شدن هوا کار خود را متوقف کرد و تا بازگشت آفتاب صفحات را عکاسی را که تکه های حاوی اورانیوم روی آن بود در کشو میز قرار داد. پس از چند روز تصمیم گرفت به هر صورت صفحات عکاسی را ظاهر کند. با این عمل متوجه شد که صفحه ی عکاسی بر اثر تابش اشعه ای بسیار قوی بکلی سیاه شده است. وی نظر داد که این تابش بایستی بوسیله اورانیوم پدید آمده باشد. در اثر این دقت و کنکاش بیشتر در آن، عناصر رادیو آکتیو به طور اتفاقی کشف شد. به دنبال این کشف تحقیقات گسترده ای برای یافتن عناصر رادیو آکتیو و خواص آنها صورت گرفت. پژوهش های فشرده ای که توسط ماری کوری و پیر کوری و رادفورد و دیگران صورت گرفت منجر به کشف چندین عنصر رادیو آکتیو گردید. در تحقیقات بعدی مشخص شد که عناصر رادیو آکتیو سه نوع تابش منتشر می کنند. ارنست رادرفورد ماهیت سه نوع پرتو گسیل یافته از مواد پرتوزای موجود در طبیعت را توضیح داد. این سه نوع پرتو با سه حرف نخستین الفبای یونانی آلفا (α) ، بتا (β) و گاما (γ)  مشخص می‌شوند. در میدان میغناطیسی پرتو گاما منحرف نمی شود. اشعه بتا زیاد منحرف می شود و اشعه آلفا کم منحرف می شود یک - اشعه گاما، یک موج الکترومغناطیسی با فرکانس زیاد است، یعنی انرژی زیادی دارد. تابش گاما اصولا صورتی از نور با انرژی بسیار زیاد است. پرتوهای گاما بدون بار و شبیه پرتوهای ایکس‌اند. دو - اشعه بتا، اشعه ی بتا متشکل از الکترونها است. تابش بتا مرکب از جریانی از الکترونهاست که تقریبا با سرعت km/s 130000  سیر می‌کنند. بعدها مشخص شد که همراه با اشعه بتا ذره دیگری به نام پاد نوترینو گسیل می شود. سه - اشعه آلفا، که هسته ی اتم هلیوم است. تابش آلفا مرکب از ذراتی است که بار الکتریکی 2+2و جرمی تقریبا 4 برابر پروتون دارند. ذرات آلفا با سرعتی حدود  km/s 16000  از ماده پرتوزا بیرون می‌جهند. نخستین بار که ذرات α مورد مطالعه قرار گرفتند نوترون هنوز کشف نشده بود. امروزه ما می‌دانیم که ذره آلفا مرکب از دو پروتون و دو نوترون است. رادیو آکتیویته و اکتشافات مربوط به آن سبب معرفی منبع جدیدی از انرژی شد که غنی تر از همه منابع شناخته شده بود. نوترون و ایزوتوپ اكتشافات  مواد راديواكتيويته و ايزوتوپها پرسشهاي جديدي را درباره ساختمان اتمها  مطرح كرد و پرسشهايي كه هسته اتمي را در بر مي‌گرفت.  در سال 1919 رادرفورد دريافت كه وقتي گاز نيتروژن با ذرات حاصل از بيسموت 214 بمباران مي‌شود، ذرات سريعي توليد می گردد که می ‌تواند بيشتر از خود ذرات آلفای بيسموت در گاز سير كند. رادرفورد نتيجه گرفت كه يك ذره  مي‌تواند موجب فروپاشي مصنوعي هسته نيتروژن شود كه يكي از محصولات فروپاشي آن پروتون باشد. ليكن اين فرايند به آساني صورت نمي‌گيرد. نتايج تجربي نشان داد كه تقريباً از هر یک ميليون ذره   كه از ميان گاز عبور مي‌كند فقط يك پروتون توليد مي‌شود. در سال 1920 رادرفورد اظهار داشت كه پروتون درون هسته ممكن است داراي يك الكترون باشد و در چنين صورتي اين الكترون چنان محكم به آن بسته شده كه يك ذره خنثي ايجاد كرده است. رادرفورد حتي براي اين ذره فرضي و خنثی نام نوترون را پيشنهاد كرد. در سال 1930 دانشمندان در آلمان دريافتند كه وقتي نمونه‌هايي از بور يا بريليم با ذرات آلفا بمباران شود، تابشهايي از آنها گسيل مي‌يابد كه در آن وقت به نظر مي‌رسيد كه از همان نوع پرتون‌هاي گاما هستند. دست كم از اين لحاظ كه پرتوهاي گاما بار الكتريكي ندارند. در سال 1932چادويك در رساله خود تحت عنوان «وجود نوترون» مي‌گويد: «اگر ما فرض كنيم كه تابش مورد نظر تابش كوانتومي {پرتو گاما} نيست، بلكه مركب از ذره‌هايي است با جرم بسيار نزديك به جرم پروتون، تمام اشكالات مربوط به برخورد از ميان مي‌رود، هم در مورد فركانس آنها و هم در مورد انتقال انرژي به جرمهاي متفاوت. براي توضيح قدرت نفوذ زياد اين تابش، بايد فرض كنيم كه اين ذرات بار مؤثري ندارند. بايد فرض كنيم كه هر يك از آنها تركيب نزديك به همي از يك پرتون و يك الكترون است، و همان «نوتروني» است كه رادرفورد در سخنراني سال 1920 خود آن را مورد بحث قرار داد.»  پس، بر طبق فرضيه چادويك، وقتي عنصري همچون بريليم با ذره آلفا بمباران شود واكنش هسته‌اي صورت مي‌گيرد كه نوترون توليد مي‌كند.   نمايانگر نوترون است نوتروني كه بنا بر فرض چادويك بار صفر و جرمي برابر 1 دارد.  كشف نوترون با جرم نزديك به يك واحد بدون بار الكتريكي، نظر رادرفورد را مبني بر اينكه هسته اتمي از پروتون و نوترون ساخته شده است، تأييد كرد. اين فرضيه بعد از مدتي كوتاه در سال 1932 به وسيله‌ هايزنبرگ به عنوان مبناي يك تئوري هسته‌اي مفصلتر قرار گرفت و هنوز هم مبناي تلاشهايي است كه براي بيان خواص و ساختار هسته به عمل مي‌آيد. بر طبق فرضيه پروتون – نوتروني هسته بك اتم با عدد اتمي z و عدد جرمي A مركب از Z پروتون و A-Z نوترون است. با كشف نوترون در سال 1932 اين تصور حاصل شد كه اجزاي اصلي ساختمان ماده سه ذره «بنيادي» است: پروتون، نوترون و الكترون.   فیزیک هسته ای چیست؟ درون هر اتم می توان سه ذره ریز پیدا کرد: پروتون، نوترون و الکترون. پروتونها در کنار هم قرار می گیرند و هسته اتم را تشکیل می دهند، در حالی که الکترونها به دور هسته می چرخند. پروتون بار الکتریکی مثبت و الکترون بار الکتریکی منفی دارد و از آنجا که بارهای مخالف ، یکدیگر را جذب می کنند، پروتون و الکترون هم یکدیگر را جذب می کنند و همین نیرو، سبب پایدار ماندن الکترونها در حرکت به دور هسته می گردد. در اغلب حالت ها تعداد پروتونها و الکترونهای درون اتم یکسان است، بنابراین اتم درحالت عادی و طبیعی خنثی است. اندازه گيري جرم اتمها با کمک دستگاه طيف سنج نشان مي دهد که همه اتمهاي يک عنصر جرم يکساني ندارند. از آنجا که عدد اتمي در واقع تعداد پروتونها در همه اتمهاي يک عنصر يکسان است، پس تفاوت جرم بايد مربوط به تعداد نوترونهاي موجود در هسته ي اتم باشد. اين مطالعات به معرفي مفهوم ايزوتوپ انجاميد. ايزوتوپها اتمهاي يک عنصر هستند که عدد اتمي يکسان و عدد جرمي متفاوت دارند. براي مثال آزمايشها وجود دو ايزوتوپ کلر 35 (CL^۳۵۱۷) و کلر37 (CL^۳۷۱۷) را به اثبات رسانده است. اگر 13 پروتون و 14 نوترون، یک هسته را تشکیل دهند و 13 الکترون هم به دور آن بچرخند، یک اتم آلومینیوم بوجود خواهد آمد. همه آلومینیوم هایی که در طبیعت یافت می شوند، AL27 یا آلومینیوم 27 نامیده می شوند. عدد 27 نشان دهنده جرم اتمی است که مجموع تعداد پروتونها و نوترونهای هسته را نشان می دهد. بسیاری از اتمها در شکل های مختلفی وجود دارند. مثلاً مس دو شکل دارد: مس 63 که 70 درصد کل مس موجود در طبیعت است و مس 65 که 30 درصد بقیه را تشکیل می دهد. شکل های مختلف اتم، ایزوتوپ نامیده می شوند. هر دو اتم مس 63 و مس 65 دارای 29 پروتون هستند، ولی مس 63 دارای 34 نوترون و مس 65 دارای 36 نوترون است. هر دو ایزوتوپ خصوصیات یکسانی دارند و هر دو هم پایدارند.   اتمهای ناپایدار تا اوایل قرن بیستم، تصور می شد تمامی اتم ها پایدار هستند، اما با کشف خاصیت پرتوزایی اورانیوم توسط بکرل مشخص شد برخی عناصر خاص دارای ایزوتوپ های رادیواکتیو هستند و برخی دیگر، تمام ایزوتوپ هایشان رادیواکتیو است. رادیواکتیو بدان معنی است که هسته اتم از خود تشعشع ساطع می کند. هیدورژن مثال خوبی از عنصری است که ایزوتوپ های متعددی دارد و فقط یکی از آنها رادیو اکتیو است. هیدروژن طبیعی ( همان هیدروژنی که ما می شناسیم) در هسته خود دارای یک پروتون است و هیچ نوترونی ندارد. ( البته چون فقط یک پروتون درهسته وجود دارد نیازی به نوترون نیست) ایزوتوپ دیگر هیدروژن، هیدروژن 2 یا دو تریوم است که یک پروتون و يک نوترون در هسته خود جای داده است. دوتریوم، فقط 015/0 درصد کل هیدروژن را تشکیل می دهد و در طبیعت بسیار کمیاب است، با این حال مانند هیدورژن طبیعی رفتار می کند. البته از یک جهت با آن تفاوت دارد و آن، سمی بودن دوتریوم در غلظت های بالاست. دوتریوم هم ایزوتوپ پایداری است، ولی ایزوتوپ بعدی که تریتیوم خوانده می شود، ناپایدار است. تریتیوم که هیدروژن 3 نیز خوانده می شود، در هسته خود یک پروتون و دو نوترون دارد و طی یک واپاشی رادیواکتیو به هلیوم 3 تبدیل می شود. این بدان معنی است که اگر ظرفی پر از تریتیوم باشد، پس از یک میلیون سال، ظرف پر از هلیوم 3 خواهد بود. هلیوم 3 از 2 پروتون و یک نوترون ساخته شده وعنصری پایدار است . در برخی عناصر مشخص، به طور طبیعی همه ایزوتوپ ها رادیواکتیو هستند . اورانیوم بهترین مثال برای چنین عناصری است که علاوه بر رادیواکتیویته زیاد، سنگین ترین عنصر رادیواکتیو هم هست که به طور طبیعی یافت می شود. علاوه بر آن، هشت عنصر رادیواکتیو طبیعی هم وجود دارند که عبارتند از پولوتونیوم، استاتین، رادون، فرانسیم، رادیوم، اکتینیوم، توریم و پروتاکتسینانیوم. عناصر سنگین تر از اورانیوم که به دست بشر در آزمایشگاه ساخته شده اند، همگی رادیواکتیو هستند.   تابش های طبیعی خطرناک درست است که واپاشی رادیواکتیو، یک فرآیند طبیعی است و عناصر رادیواکتیو هم بخشی از طبیعت هستند، ولی این تابش های رادیواکتیو برای موجودات زنده زیان بار هستند. ذرات پر انرژی آلفا، بتا، نوترونها، پرتوهای گاما و پرتوهای کیهانی، همگی به تابش های یون ساز معروفند، بدین معنی که بر همکنش آنها با اتم ها منجر به جداسازی الکترون ها از لایه ظرفیتشان می شود. از دست دادن الکترونها، مشکلات زیادی از جمله مرگ سلول ها و جهش های ژنتیکی را برای موجودات زنده به دنبال دارد. جالب است بدانید جهش ژنتيکي عامل بروز سرطان است. درات آلفا، اندازه بزرگتری دارند و از این رو توانایی نفوذ زیادی در مواد ندارند، مثلاً حتی نمی توانند از یک ورق کاغذ عبور کنند. از این رو تا زمانی که در خارج بدن هستند تأثیری روی افراد ندارند. ولی اگر مواد غذایی آلوده به مواد تابنده ذرات آلفا بخورید، این ذرات می توانند آسیب مختصری درون بدن ایجاد کنند. ذرات بتا توانایی نفوذ بیشتری دارند که البته آن هم خیلی زیاد نیست، ولی در صورت خورده شدن خطر بسیار بیشتری دارند. ذرات بتا را می توان با یک ورقه فویل آلومینویم متوقف کرد. پرتوهای گاما همانند اشعه X فقط با لایه های ضخیم سربی متوقف می شوند. نوترونها هم به دلیلی بی یار بودن، قدرت نفوذ بسیار بالایی دارند و فقط با لایه های بسیار ضخیم بتن یا مایعاتی چون آب و نفت متوقف می شوند. پرتوهای گاما و پرتوهای نوترون به دلیل همین قدرت نفوذ بالا می توانند اثرات بسیار وخیمی بر سلول های موجودات زنده بگذارند، تأثیراتی که گاه تا چند نسل ادامه خواهد داشت.   طيف اتمي همانطور كه مي‌دانيم نيوتون براي نخستين بار با گذراندن نور خورشيد از منشور ، طيف نور سفيد را تشكيل داد. نيوتون نشان داد كه نور سفيد آميزه‌اي از رنگهاي مختلف است و گسترده طول موجي اين رنگها از 0.4 ميكرومتر (بنفش) تا 0.7 ميكرومتر (قرمز) است. طيف نور سفيد يك طيف پيوسته است. به همين ترتيب مي‌توان طيف هر نوري را توسط پاشندگي در منشور شناسايي كرد.  طيف نور گسيل شده از بخار هر عنصری را طيف اتمي آن عنصر مي‌نامند. پس مي‌توان گفت كه طيف اتمي عنصرهاي مختلف با هم تفاوت دارد. اما علت اينكه در طيف اتمي خطوط مختلفي ديده مي‌شود، چيست؟   خطوط طيفي طيف اتمي مستقيما به ترازهاي انرژي اتم نسبت داده مي‌شود. هر خط طيفي متناظر يك گذار خاص بين دو تراز انرژي يك اتم است. پس آنچه در طيف نمايي داراي اهميت است، تعيين ترازهاي انرژي يك اتم به كمك اندازه گيري طول موجهاي طيف خطي گسيل شده از اتمها است. پايين ترين تراز انرژي ، حالت پايه و همه ترازهاي بالاتر حالتهاي برانگيخته ناميده مي‌شوند. موقعي كه يك اتم از حالت بر انگيخته بالاتر به يك حالت برانگيخته پايين تر گذاري را انجام مي‌دهد. يك فوتون متناظر به يك خط طيفي گسيل مي‌شود.   طيف نشري اگر جسمي بتواند نور توليد كند و نور توليد شده را از منشوري عبور دهيم، طيفي بدست مي‌آيد كه طيف نشري ناميده مي‌شود. اگر رنگهاي طيف حاصل بهم متصل باشند، طيف نشري اتصالي و اگر فاصله‌اي بين آنها باشد، طيف نشري انفصالي يا خطي مي‌نامند. به عنوان مثال لامپ حاوي بخار بسيار رقيق را در نظر بگيريد. اين لامپ بصورت لوله باريك شيشه‌اي است كه درون آن يك گاز رقيق در فشار كم وجود دارد.   دو الكترود به نامهاي كاتد و آند در دو انتهاي لوله قرار دارند.  اگر بين اين دو الكترود ، ولتاژ بالايي برقرار شود، اتمهاي گاز درون لامپ شروع به گسيل نور مي‌كنند. اگر اين بخار مربوط به بخار جيوه باشد، اين گسيل به رنگ نيلي - آبي است. اگر اين نور را از منشور بگذرانيم و طيف آن را تشكيل دهيم مي‌ينيم كه اين طيف پيوسته نيست. بلكه تنها از چند خط رنگي جدا از هم با طول موجهاي معين تشكيل شده است.

واپاشی پرتو زا

واپاشی پرتو زا

 واپاشی پرتوزا ی هسته ها

یکی از خواص هسته واپاشی است که وابسته به زمان است. بعد از کشف پرتوزایی هسته توسط بکرل مشخص شد که هسته های ناپایدار سه نوع انرژی تابش می کنند طبقه بندی این تشعشعات از روی انرژی می باشد.

 تقسیمات واپاشی های پرتوزا:

ذره آلفا: توسط ورقه ای از کاغذ متوقف میشوند.

ذره بتا:توسط ورقه سربی به ضخامت 16/1 اینچ متوقف میشوند.

اشعه گاما: می توانند در چندین اینچ از سرب نفوذ کنند.

جنس پرتوهای واپاشیده:

پرتوهای آلفای هسته از جنس اتم های یونیزه هلیوم He هستند.

پرتوهای بتا از جنس الکترون می باشند.

پرتوهای گاما از جنس امواج الکترو مغناطیسی هستند.

هر یک از مدهای واپاشی، جنبه های متفاوتی از ساختار هسته ای را روشن می کنند.هسته های پرتوزای اولیه در هر مد واپاشی را هسته مادر و هسته نهایی را هسته دختر می نامند.
 

واپاشی آلفایی:

اغلب  هسته هایی با عدد جرمی بزرگتر از 15 نسبت به واپاشی ناپایدارند.
برای  هسته های سبکتر ، احتمال واپاشی آلفا بسیار کم است.
 

 واپاشی بتایی:

واپاشی بتا متداولترین نوع واپاشی پرتو زاست تمام  هسته هایی که در روی خط پایداری نیستند آمادگی گسیل بتا را دارند این فرایند مشتمل بر گسیل مستقیم یک الکترون از هسته است . در هنگام گسیل بتا عدد اتمی ویژه هسته به اندازه یک واحد افزایش پیدا می کند.
=
مشاهده می شود در گسیل بتا از هلیوم (واکنشی که در آن اتم هلیوم به ذره بتا و لیتیوم 6 تبدیل می شود) عدد اتمی از 2 به 3 تغییرمی یابد. بتا با بار الکتریکی منفی همان الکترون می باشد.
 

 واپاشی گامایی :

یک هسته می تواند به طرق مختلف به حالتهای برانگیخته درآید یک هسته برانگیخته می تواند با گسیل امواج الکترو مغناطیسی به حالت کم انرژی تر واپاشی نماید.
 

 واپاشی پوزیترون :

یک هسته زمانی که پوزیترون گسیل می کند عدد اتمی هسته آن به اندازه یک واحد کاهش می یابد.

واکنش های هسته ای

واکنش های هسته ای

 

 تعریف واکنش های هسته ای:

تبدیلات خود بخودی یا مصنوعی بعضی از هسته های اتمی به هسته دیگر که نتیجه بهم خوردن ترکیب ساختمان هسته یا تغییر در تعداد نوکلئون ها (ذرات هسته ای ) است واکنش های هسته ای نام دارند.
 

 روش های انجام واکنش های هسته ای:

شکست هسته به دو هسته غیر مساوی توام با انتشار پروتون ، نوترون، ذرات آلفا، اشعه گاما و واکنش های ترکیب هسته ای که تشکیل یک هسته سنگین تر در اثر تجدید ساختمان هسته عناصر سبک تر که همراه با ازاد شدن مقادیر زیاد انرژی است ، صورت می گیرد.

انرژی حاصل از واکنش های ترکیب یا (همجوشی) 8 برابر بیشتر از انرژی هسته ای واکنش های شکست هسته ای است.

 راه های مختلف تولید انرژی هسته ای:

شکافت هسته‌ای

همجوشی هسته ای

 شکافت هسته‌ای (Nuclear Fission):

فرض می شود نوترون منفردی به یک قطعه ایزوتوپ اورانیوم235 نفوذ کند در اثربرخورد به هسته اتم اورانیوم 235 ، اورانیوم بدو قسمت شکسته می شود مقادیر زیادی نیز انرژی ازاد می گردد در حدود (200Mev) اما مسئله مهمتر اینکه نتیجه شکستن هسته اورانیوم 235 آزادی دو نوترون است که می تواند دو هسته دیگر را شکسته و چهار نوترون را بوجود آورد.

این چهار نوترون نیز چهار هسته اورانیوم 235 را می شکند چهار هسته شکسته شده تولید هشت نوترون می کنند که قادر به شکستن همین تعداد هسته اورانیوم می باشند سپس شکست هسته ای و آزاد شدن نوترون ها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه می یابد.

در هر دوره تعداد نوترونها دو برابر می شود در یک لحظه واکنش زنجیری خود بخودی شکست هسته ا ی شروع می گردد. در واکنش های کنترل شده تعدادشکست در واحد زمان و نیز مقدار انرژی به تدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگهداشته می شود.

فرض کنیم یک ذره(a) به یک هسته ساکن(x) برخورد کند در نتیجه در واکنش های هسته ای هسته(y) و ذره (b) تولید می شود که این واکنش را بصورت زیر می نویسم:
a+x→b+y
 

 مراحل شکست اورانیوم 235 :

¹n+²³⁵U→²³⁴U→¹⁴⁴Ba+⁸⁹Kr+3 ¹n
در واکنش اخیر در نتیجه برخورد نوترون حرارتی به اورانیوم 235 آن را به اورانیوم 234 تحریک شده تبدیل می کند. نهایتا اورانیوم تحریک شده نیز بعد از شکافت ، به باریم و کریپتون و سه تا نوترون تبدیل می شود.

 

 مواد قابل شکست ( Fissionable Materials):

موادی که وقتی تحت تابش نوترون قرار می گیرند انجام یک واکنش شکست هسته ای را ممکن می سازند شامل موارد زیرمی شود : اورانیوم 235، اورانیوم238، پلوتنیوم239، ایزوتوپ اورانیوم 233، (اورانیوم233 بطور مصنوعی در راکتورهای هسته ای با تاباندن نوترون به توریوم233 بوجود می آید).
 

 محصولات شکست اورانیوم (Uranium Fission Puroducts):

زمانی که هسته اتمی اورانیوم 235 بدو قسمت شکسته می شود عناصر زیر تولید می شوند:
استرتیوم 90 ، کریپتون 91 ، ایتریوم 91 ، زیرکونیوم 95 ، ید 126 ، سزیم 137 ، باریم 142 ، سریم 144 قابل ذکر هستند.


 

 همجوش هسته ای (Nuclear Fusion) :

همجوشی هسته ای عبارت است از اتحاد عناصر سبک برای تشکیل عناصر سنگین تر که نوع واکنش را واکنش همجوشی گویند تا بحال در انفجار بمب هیدروژنی قوی و بسیار خوب تشخیص داده شده است. این واکنش برای انسان چندان مفید نیست و بنابر این دانشمندان بطور جدی کوشش می کنند تا واکنش همجوشی را کنترل کنند یعنی در کیف کاهش سرعت واکنش به درجه ای که بتواند برای مقاصد صلح جویانه مفید باشد.
در مرحله اول ازاین واکنش ها بصورت کنترل شده برای تولید برق استفاده می شود. همچنین انرژی تولید شده در این واکنش 8 برابر انرژی تولیدشده  در شکافت هسته‌ای می باشد.
منشا انرژی تابشی خورشید و دیگر ستاره ها یک سری از واکنش های هسته ای انرژی زا است اتم هایی که دراین واکنش ها در درون ستاره شرکت می کنند کاملا یونیزه اند.یعنی تمامی الکترون ها از آن کنده شده است.چنین مجموعه ای از ذرات باردار را پلاسما می نامند.

دو تریوم و تریتیوم ایزوتوپ های هیدروژن مواد قابل احتراق همجوشی هسته ای را تشکیل می دهند .
هسته دو تریوم از یک نوترون و یک پروتون تشکیل می یابد. هسته تریتیوم دارای دو نوترون و یک پروتون است.

 سوخت های همجوشی :

ملاحظات فرایند های طبیعی و نتایج حاصل از آنها نشان داده است که واکنش های همجوشی گوناگونی وجود دارد. از جمله از واکنش های همجوشی هسته ای واکنش دوترون با تریتیوم می باشد.

 معادله واکنش های همجوشی هسته ای :

نخستین واکنش همجوشی قابل کنترل توسط رابطه زیر ارائه شد (ترکیب ایزوتوپ های هیدوژن)

²H+³H→¹n+⁴He
در این واکنش انرژیی معادل 17.6 Mev آزاد می شود.که از آن می شود در کادبردهای صنعتی و نظامی استفاده نمود.

هسته

هسته

             تعریف هسته:

هسته مجموعه ای از ذرات باردار با بار مثبت می باشد که در یک حجم فوقالعاده کوچک تمرکز یافته اند وبا نیروی بسیار قوی و برد کوتاه (نیروی برهمکنش قوی هسته ای) به هم مقید شده اند که این مجموعه متراکم کل جرم اتم را در خود دارد و الکترون ها در اربیتال هایی حول این نقطه چگال مرکزی در حال دوران هستند .
 

 اجزای اصلی هسته :

ذرات اساسی که کلیه هسته ها از آنها ترکیب شده است عبارتند از:

پروتون ها

نوترون ها

 

 خواص اساسی هسته :

این خواص بر دونوع است که عبارتند از :

خواص مستقل از زمان : خواصی هستند که وابسته به زمان نیستند . مانند جرم ، اندازه ، بار خواص وابسته به زمان : خواصی هستند که وابستگی به زمان دارند .مانند واپاشی پرتوزا و واکنش های هسته ای

 جرم و بار هسته:

جرم هسته را می توان با فرمول زیر پیدا کرد : M=Z×Mh+N×Mn که در آن
M جرم هسته ، Mh جرم یک اتم هیدروژن یا جرم پروتون و Mn جرم نوترون می باشند .
 

 شعاع هسته:

آزمایش های دقیق تر با بهره گیری از پراکندگی ذرات هسته ای دیگر و الکترون ها نشان داده اند شعاعی که در ان آثار هسته ای ظاهر می شود از رابطه زیر بدست می آید :
R=R₀ A^1/3 که در آن R0 ثابت شعاع دارای مقادیر زیر است R₀=1.2 F , 1.4 F که در آن F نماد فرمی واحد طول هسته ای است و A جرم اتمی می باشند .
 

 

 خواص دینامیکی هسته :

هسته ها مانند اتم ها می توانند در حالت برانگیخته با انرژی های معین باشند. گذارهای بین حالت های برانگیخته با گسیل تابش الکترو مغناطیسی صورت می گیرد (اشعه گاما).

هسته ها همچنین می توانند به یگدیگر تبدیل شوند بعضی از تبدیل ها خود به خود با گسیل الکترون های مثبت یا منفی (ذره بتا) یا گسیل ذره آلفا صورت می گیرد .

 

اشعه گاما

تبدیل های متنوعی را می توان توسط بمباران هسته ای القاء کرد .

قانون بقای ذرات: تعداد نوکلئون ها تحت هر شرایطی و هر تبدیلی پایسته است(مجموعشان ثابت است).

پروتون

پروتون

پروتون

اگر یک یا چند الکترون از یک اتم خنثی جدا شود ، باقی مانده که یون (از واژه یونانی به معنی رفتن) نامیده می شود ، دارای باری مساوی با مجموع بار الکترونهای جداشده از آن اتم ، ولی با علامت مخالف، خواهد بود. وقتی که سبکترین اتمها یعنی هیدروژن ، تنها الکترونش را از دست می دهد ، یون تولید شده یک ذره بنیادی است که پروتون (از واژه یونانی به معنی نخستین) نام دارد. جرم پرتون 1836 برابر جرم الکترون و بار مثبت آن از لحاظ بزرگی برابر با بار منفی الکترون است. دریک لوله تخلیه الکتریکی ، اشعه کاتدی بر اثر برخورد با اتمهای گاز درون لوله، الکترونهای آنها را جدا کرده، یونهایی با بار مثبت ایجاد می کنند.

 

اشعه کاتدی

این یونها به علت مثبت بودن در جهتی خلاف جهت حرکت اشعه کاتدی (که بار منفی دارند) حرکت می کنند، یعنی از قطب مثبت دور و به قطب منفی نزدیک می شوند.بسیاری از این یونها با جذب الکترون (از اشعه کاتدی) مجددا به اتمهای خنثی تبدیل می شوند. ولی بعضی از آنها به کاتد می رسند و اگر کاتد سوراخی داشته باشد، از آن عبور می کنند. این جریان یونهای مثبت که اشعه مثبت یا اشعه کانالی نامیده می شوند، نخستین بار توسط یوجین گلدشتاین در 1886 مشاهده شد.
 

 

اشعه کانالی

انحراف اشعه مثبت در میدان الکتریکی و مغناطیسی توسط ویلهم وین (1898) و جی.جی.تامسون (1906) مورد مطالعه قرار گرفت و مقادیر e/m برای یونهای مثبت، که این اشعه را تشکیل می دهند، معین شد.

یونهای تشکیل دهنده این اشعه همیشه یکسان نبوده ، بلکه به نوع گاز درون لوله تخلیه بستگی دارند.

 

جی جی تامسون

مقدار e/m  یک بار مثبت به بار یون (که متناسب است با تعداد الکترونهایی که اتم برای تشکیل یون از دست می دهد) و به جرم یون مورد مطالعه بستگی دارد. برای یونهایی که بار مساوی دارند، هنگامی که جرم یون نسبتا کوچک است، مقدار e/m نسبتا بزرگ است. e/m برای آنها بزرگترین مقدار مشاهده شده برای یونهای مثبت است. این یونها که همان پروتونها هستند، کمترین جرم مشاهده شده برای یک یون مثبت را دارند. چون بار مثبت پروتون برابر یک واحد بار مثبت است، پس جرم پروتون را می توان از مقدار e/m آن محاسبه کرد.

شکافت هسته‌ای

شکافت هسته‌ای

 

تعریف شکافت هسته ای:

اگر نوترون منفردی به یک قطعه ایزوتوپ اوارنیوم235 نفوذ کند در اثربرخورد به هسته اتم اورانیوم 235 ، اورانیوم بدو قسمت شکسته می شود. مقادیر زیادی نیز انرژی آزاد می گردد در حدود (200Mev).

اما مسئله مهمتر اینکه نتیجه شکستن هسته اورانیوم 235 آزادی دو نوترون است که می تواند دو هسته دیگر را شکسته و چهار نوترون را بوجود آورد.این چهار نوترون نیز چهار هسته اورانیوم 235 را می شکند. چهار هسته شکسته شده تولید هشت نوترون می کنند که قادر به شکستن همین تعداد هسته اورانیوم می باشند. سپس شکست هسته ای و آزاد شدن نوترون ها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه می یابد.

در هر دوره تعداد نوترونها دو برابر می شود در یک لحظه واکنش زنجیری خود بخودی شکست هسته ا ی شروع می گردد. در واکنش های کنترل شده تعدادشکست در واحد زمان و نیز مقدار انرژی به تدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگهداشته می شود.
 

 انرژی شکافت هسته ای:

کشف انرژی هسته ای در جریان جنگ جهانی دوم صورت گرفت و اکنون برای شبکه برق بسیاری از کشورها هزاران کیلو وات تهیه می کند (نیرو گاه هسته ای).

بحران انرژی بر اثر بالارفتن قیمت نفت در سال 1973 استفاده از انرژی شکافت هسته ای را بیشتر وارد صحنه کرد. در حال حاضر ممالک اروپایی انرژی هسته ای را تنها انرژی می دانند. که می تواند در اکثر موارد جایگزین نفت شود. استفاده از انرژی شکافت هسته ای که بر روی یک ماده قابل احتراق کانی که بصورت محدود پایه گذاری می شود برای سایر کشورها خطرات بسیار دارد در حال حاضر تولید الکتریسته با استفاده از شکافت هسته ای کنترل شده به میزان زیادی توسعه یافته و مورد قبول واقع شده است. تولید انرژی هسته ای در کشورهای توسعه یافته بخش مهمی از طرح انرژی ملی را تشکیل می دهد.

 

رآکتور

 انرژی بستگی هسته ای:

می توان تصور کرد که جرم هسته M با جمع کردن Z تعداد پروتون ها ضربدر جرم پروتون و N تعداد نوترون ها ضربدر جرم نوترون بدست می آید.

M=ZxM_p+NxM_n از طرف دیگر M همیشه کمتر از مجموع جرم های تشکیل دهنده های منزوی هسته است. این اختلاف به توسط فرمول انیشتین توضیح داده می شود که رابطه بین جرم و انرژی (هم ارزی جرم و انرژی) را برقرار می سازد.اگر یک دستگاه مادی دارای جرم باشد در این صورت دارای انرژی کلی E است. E=M C² که در آن C سرعت نور در خلا و M جرم کل هسته مرکب از نوکلئون ها و E مقدار انرژیی است که در اثر فروپاشی جرم M تولید می شود.
 

بنابر این اصول انرژی هسته ای بر آزاد سازی انرژی پیوندی هسته استوار است. هر سیستمی که دارای انرژی پیوندی بیشتر باشد پایدار می باشد.در واقع جرم مفقود شده در واکنش های هسته ای طبق فرمول E=M C² به انرژی تبدیل می شود. پس انرژی بستگی اختلاف جرم هسته و جرم نوکلئون های تشکیل دهنده آن است. که معرف کاری است که باید انجام شود تا نوکلئون ها از هم جدا شوند.
 

 مواد شکافتنی :

در طبیعت دونوع مواد پرتوزا است به علت اینکه این مواد نا پایدار و باید به پایداری برسند، انرژی گسیل می کنند تا به حالت پایدار برسد. معمولا عناصری شکافت پذیر هستند که جرم اتمی آنها بالای 150 باشد اورانیوم 238 اورانیوم 235 در معادن یافت می شود.

99.3 درصد اورانیوم معادن اورانیوم 238 می باشد.و تنها 7% آن اورانیوم 235 می باشد. از طرفی اورانیوم 235 با نوترون های کند پیشرو واکنش نشان می دهد. اورانیوم 238 تنها با نوترونهای تند کار می کند، البته خوب جواب نمی دهد بنابر این در صنعت در نیروگاه های هسته ای اورانیوم 235 به عنوان سوخت محسوب می شود. ولی به دلایل اینکه در طبیعت کم یافت می شود بایستی غنی سازی اورانیوم شود یعنی اینکه از 7% به 1الی 3 درصد برسانند.
 

 شکافت اورانیوم 235:

در این واکنش هسته ای وقتی نوترون کند بر روی اورانیوم 235 برخورد می کند به اورانیوم 236 تحریک شده تبدیل می شود. نهایتا تبدیل به باریم و کریپتون و 3 تا نوترون تند و 177 Mev انرژی آزاد می شود. پس در واکنش اخیر به ازای هر نوکلئون حدود 1 Mev انرژی آزاد می شود.
 

 

در واکنش های شیمیایی مثل انفجار به ازای هر مولکول حدود 30 Mev انرژی ایجاد می شود. لازم به ذکر است در راکتورهای هسته ای که با نوترون کار می کند طبق واکنش های به عمل آمده 2الی3 نوترون سریع تولید می شود. حتما این نوترون های سریع باید کند شوند.

نوترون

نوترون

 

 تاریخچه:‏

از آنجا که اتمها از نظر الکتریکی خنثی هستند، تعداد الکترونها و پروتونها در هر اتم بایستی برابر باشند. برای توجیه جرم کل اتمها ، ارنست رادرفورد در 1920 وجود ذراتی بدون بار را در هسته اتم مسلم دانست. چون این ذرات بدون بارند، تشخیص و تعیین خواص آنها مشکل است. ولی در 1932 جیمز چادویک نتیجه کارهای خود را درباره اثبات وجود این ذرات که نوترون (از واژه لاتین به معنای خنثی) نامیده می شوند، منتشر کرد.

او توانست با استفاده از داده های به دست آمده بعضی از واکنش های هسته ای مولد نوترون جرم نوترون را محاسبه کند. چادویک با در نظر گرفتن جرم و انرژی تمامی ذراتی که در این واکنشها مصرف و تولید می شوند، جرم نوترون را محاسبه کرد. جرم نوترون ^24-10×6749/1 g است که اندکی بیش از جرم پروتون (^24-10×6726/1 گرم) می باشد.

 

 معادله واکنش نوترونی:‏

گسیل نوترون برای اولین بار در سال 1932 در ضمن بمباران بریلیم با ذرات ‏آشکار شد در نتیجه گیراندازی ذره آلفا توسط هسته بریلیم هسته کربن ‏تشکیل و نوترون گسیل شد. بعدها شمار زیادی ‏واکنش های هسته ای کشف شد که نوترون آزاد می کردند. ‏
 

 انواع نوترون:

‏

نوترونهای سرد

نوترونهای کند نوترونهای حرارتی

نوترونهای تند نوترونهای سریع

نوترونهای فوق سریع نوترونهای نسبیتی

 

 چشمه تولید نوترون:‏

برای به دست آوردن نوترون مثل سابق واکنش ذره آلفا با بریلیم معمول ‏است. حتی اکنون نیز آمپولهای محتوی آمیزه ای از ماده پرتوزای آلفا و گرد ‏بریلیم به عنوان چشمه تراکم نوترون به کار می رود. چنین چشمه نوترونی ‏را در نزدیکی اتاقک ابر ویلسون در حال کار قرار می دهیم که در آن لایه ‏نازکی از ماده محتوی هیدروژن مثلاً پارافین قراردارد.

روی عکسی که از این اتاقک گرفته شود ردهایی مشاهده می شود که از ‏این لایه خارج می شوند چنان که می توان از روی جنس یونش پی برد که ‏اینها ردهای پروتون هستند. تمام ردها به طرف جلو هستند. آنها با پروتونهایی ‏ایجاد شده اند که به علت برخورد نوترونهای تند گسیل شده از چشمه از ‏لایه خارج شده اند. خود نوترونها که از اتاقک می گذرند ردی ندارند.

بنابر این ، نوترونها یونش ‏قابل ملاحظه ای تولید نمی کنند، یعنی برخلاف ذرات باردار آنها با الکترونها ‏عملاً اندر کنش ندارند. نوترونها با گذر از میان ماده فقط با هسته های اتمی ‏اندرکنش می کنند. ولی نظر به اینکه اندازه هسته ها خیلی کوچک است، ‏برخورد نوترونها با آنها خیلی به ندرت صورت می گیرد. ‏
 

‏ آشکارسازی باریکه نوترونی:‏

برای اینکه نوترون یک ذره خنثی می باشد از مکانیزمهای آشکارسازی ذرات باردار نمی توان برای آشکار سازی نوترون استفاده کرد. اخیرا دانشمندان به کمک آشکارسازهای کوانتومی ، تداخل سنجهای نوترونی ، اسپکترومتر جرمی کوانتومی ، برخوردهای ذرات بنیادی ، بمباران نوترونی مواد و نیز واکنش های هسته ای از جمله واکنش زنجیری شکافت ، نوترونها را آشکارسازی نموده اند.

اورانیوم

اورانیوم

 

 خصوصیتهای قابل توجه

اورانیوم هنگام عمل پالایش به رنگ سفید مایل به نقره ای فلزی با خاصیت رادیو اکتیوی ضعیف میباشد که کمی از فولادنرم تر است. این فلز چکش خاررسانای جریان الکتریسیته و کمی Paramagnetic میباشد. چگالی اورانیوم 65% بیشتر از چگالی سرب میباشد. اگر اورانیوم به خوبی جدا شود بشدت از آب سرد متاثر شده و در برابر هوا اکسید میشود. اورانیوم استخراج شده از معادن میتواند به صورت شیمیایی به دی اکسید اورانیوم و دیگر گونه های قابل استفاده در صنعت تبدیل شود.

 اورانیوم در صنعت سه گونه دارد:

آلفا (Orthohombic) که تا دمای 667.7 درجه پایدار است.

 

ساختارکریستالی اورانیوم آلفا

بتا (Tetragonal) که از دمای 667.7 تا 774.8 درجه پایدار است.

 

ساختار اورانیوم بتا

گاما (Body-centered cubic) که از دمای 774.8 درجه تا نقطه ذوب پایدار است. ( این رساناترین و چکش خوارترین گونه اورانیوم میباشد.)

 

Body-centered cubic ساختار

دو ایزوتوپ مهم آن U235 و U238 میباشند که u235 مهمترین برای راکتورها و سلاحهای هسته ای است. چرا که این ایزوتوپ تنها ایزوتوپی است که در طبیعت وجود دارد و در هر مقدار ممکن توسط نوترونهای حرارتی شکافته میشود. ایزوتوپ u238 نیز از این جهت مهم است که نوترونها را برای تولید ایزوتوپ رادیو اکتیو جذب کرده و آن را به ایزوتوپ Pu239 پلوتونیوم تجزیه میکند. ایزوتوپ مصنوعی U233 نیز شکافته شده و توسط بمباران نوترونی Thorium232 بوجود میآید.

 

توریم

اورانیوم اولین عنصر یافته شده بود که میتوانست شکافته شود. برای نمونه با بمباران آرام نوترونی ایزوتوپ U235 آن به ایزوتوپ کوتاه عمر U236 تبدیل شده و بلا فاصله به دو هسته کوچکتر تقسیم میشود که این عمل انرژی آزاد کرده و نوترونهای بیشتری تولید میکند. اگر این نوترونها توسط هسته u235 دیگری جذب شوند عملکرد حلقه هسته ای دوباره اتفاق می افتد و اگر چیزی برای جذب نوترونها وجود نداشته باشد به حالت انفجاری در می آیند. اولین بمب اتمی با این اصل جواب داد (شکاف هسته ای) نام دقیقتر برای این بمبها و بمب های هیدروژنی(آمیزش هسته ای) سلاحهای هسته ای میباشد.

 

 کاربردها:

فلز اورانیوم بسیار سنگین و پرچگالی میباشد.اورانیوم خالی توسط بعضی از ارتشها برای ساخت محافظ برای تانکها و ساخت قسمتهایی از موشکها و ادوات جنگی استفاده میشود. ارتشها همچنین از اورانیوم غنی شده برای سوخت ناوگان خود و زیردریایی ها و همچنین سلاحهای هسته ای استفاده میکنند. سوخت استفاده شده در راکتورهای ناوگان ایالات متحده معمولا اورانیوم U235 غنی شده میباشد. اورانیوم موجود در سلاحهای هسته ای بشدت غنی میشوند که این مقدار بصورت تقریبی 90% میباشد.

مهمترین کاربرد اورانیوم در بخش غیر نظامی تامین سوخت دستگاههای تولید نیروی هسته ای است که در آنها سوخت U235 به میزان 2الی3% غنی میشود. اورانیوم تخلیه شده در هلیکوپترها و هواپیماها به عنوان وزن متقابل بر هر بار استفاده میشود.

دیگر کاربردهای این عنصر عبارتند از :

لعاب ظروف سفالی از مقدار کمی اورانیوم طبیعی تشکیل شده است (که داخل فرایند غنی سازی نمیشود) که این عنصر برای اضافه کردن رنگ به آن اضافه میشود.

نیمه عمر طولانی ایزوتوپ اورانیوم 238 آن را برای تخمین سن سنگهای آتشفشانی مناسب میسازد.

U235 در راکتورهای هسته ای Breeder به پلوتونیوم تبدیل میشود. و پلوتونیوم نیز در ساخت بمبهای هیدروژنی مورد استفاده قرار میگیرد.

 

رآکتورBreeder

استات اورانیوم در شیمی تحلیلی  کاربرد دارد.

برخی از لوازم نوردهنده از اورانیوم و برخی در مواد شیمیایی عکاسی مانند نیترات اورانیوم استفاده میکنند.

 

نیترات امونیوم

معمولا کودهای فسفاتی حاوی مقدار زیادی اورانیوم طبیعی میباشند. چراکه مواد کانی که آنها از آنجا گرفته شده اند حاوی مقدار زیادی اورانیوم میباشند.

ازفلز اورانیوم برای اهداف اشعه ایکس در ساخت این اشعه با انرژی بالا استفاده میشود.

ازاین عنصر در وسایل Interial Guidance و Gyro Compass استفاده میشود.

 

 

 تاریخچه:

استفاده از اورانیوم به شکل اکسیدطبیعی آن به سال 79 میلادی بر می گردد یعنی زمانی که این عنصر برای اضافه کردن رنگ زرد به سفال لعابدار استفاده شد (شیشه زرد با یک در صد اورانیوم در نزدیکی ناپل ایتالیا کشف شده است.)

کشف این عنصر به شیمیدان آلمانی به نام مارتین هنریچ کلاپرس اختصاص داده شد که در سال 1789 اورانیوم را به صورت قسمتی از کانی که آن را pitchblende نامید کشف شد. نام این عنصر بر اساس سیاره اورانوس که هشت سال قبل از آن کشف شده بود برگزیده شد .این عنصر در سال 1841 به صورت فلز جداگانه توسط eugne melchior peligot استفاده شد.

 

pitchblende

در سال 1896 Henri Becquerel فیزیکدان فرانسوی برای اولین بار به خاصیت رادیو اکتیویته آن پی برد.
در پروژه Manhattan نامهای Tuballoy و Oralloy برای اورانیوم طبیعی و اورانیوم غنی شده بکار برده شد. این اسامی هنوز نیز برای اورانیوم غنی شده و اورانیوم طبیعی بکار برده میشوند.

در آغاز قرن بیستم تفحص و جستجو برای یافتن معادن رادیو اکتیو در ایالات متحده آغاز شد. منابع رادیوم که حاوی کانی های اورانیوم نیز  بودند برای استفاده آنها در رنگ ساعت های شب نما و دیگر ابزار جستجو شدند. در طی جنگ جهانی دوم اورانیوم از نظر اهداف دفاعی اهمیت پیدا کرد. در سال 1943 Union Mines Development Corporation کنگره ای را در کلرادو به منظور استفاده ارتش از قدرت اتمی در پروژه Manhattan تشکیل داد.
 در دهه 1960 ملزومات ارتش تزلزل یافت و در اواخر سال 1970دولت برنامه تهیه اورانیوم خود را کامل کرد. همزمان با همین مساله بازار دیگری بوجود آمد که درواقع همان کارخانه های نیروگاه های هسته ای اقتصادی بود.

 

 ترکیبات:

تترا فلوروئید اورانیوم UF₄که به نمک سبز معروف است یک محصول میانی هگزافلورید اورانیوم میباشد. هگزا فلورید اورانیوم UF₆ جامد است که در دمای بالای 56 درجه سانتیگراد بخار میشود. UF₆ ترکیب اورانیوم است که برای دو فرایند غنی سازی Gaseous Diffusion و Centrifuge استفاده میشود. و در صنعت با نام ساده Hex خوانده میشود.

 

هگزا فلورید اورانیوم

Yellowcake اورانیوم غلیظ شده است. نام این عنصر بدلیل رنگ و شکل آن در هنگام تولید میباشد اگرچه تولید امروزه Yellowcake بیشتر به رنگ سبز مایل به سیاه میگراید تا زرد. Yellowcake تقریبا 70 تا 90 درصد اکسید اورانیوم دارد. (U₃O₈₎

Diuranate آمونیوم محصول جنبی تولید Yellowcake میباشد که رنگ آن زرد درخشان میباشد. که گاهی اوقات باعث اشتباه شده و Yellowcake نامیده میشود اما این نام درست این محصول نمیباشد.

 

کیک زرد یا اکسید اورانیوم

 

 پیدایش:

 اورانیوم عنصر طبیعی است که تقریبا در تمام سنگها آب و خاک به میزان کم یافت میشود. و بنظر می رسد که مقدار آن از Antimony، برلیوم، کادمیوم، جیوه، طلا، نقره و تنگستن بیشتر باشد و این فراوانی در حد آرسنیک و مولیبدنیوم است. این عنصر در بیشترکانی های اورانیومی از قبیل Pitchblende،Uraninite ،Autunite,، Uranophane, tobernite و Coffinite یافت میشود.

 

 Uranophan

مقدار بیشتری از اورانیوم در موادی از قبیل صخره های فسفاتی و کانیهای مانند Lignite و Monazite یافت میشود. که بیشتر برای مصارف اقتصادی از همین منابع استخراج می شود. از آنجا که اورانیوم نیمه عمر رادیو اکتیوی طولانی 4.47x10⁹ سال برای U-238 دارد مقدار آن همیشه در زمین ثابت میماند.
بنظر میرسد که فرو پاشی اورانیوم و واکنشهای هسته ای آن با توریوم همان منبع گرمایی عظیمی است که در هسته زمین، باعث ذوب شدن قسمت خارجی هسته زمین گردیده و باعث ایجاد حرکت پوسته ای زمین می شود.

معدن اورانیوم صخره ای است که تمرکزهای اورانیومی میباشد که مقدار اقتصادی آن یک تا چهار پوند اکسید اورانیوم در هر تن میباشد که تقریبا 0.05 تا 0.20 درصد اکسید اورانیوم دارد.

 

اکسید اورانیوم

 

 تولید و توزیع:

اورانیوم اقتصادی از طریق تقلیل هالیدهای اورانیوم با خاک فلزات قلیایی تولید می شود. همچنین فلز اورانیوم می تواند از طریق عمل الکترولیز 5KUF یا Uf₄ که در CaCl₂ و NaCl حل شده است بدست آید. اورانیوم خالص نیز از طریق تجزیه حرارتی هالیدهای اورانیوم حاصل میشود.

در سال 2001 مالکان راکتورهای هسته ای غیر نظامی آمریکا از این کشور و منابع خارجی 21300 تن اورانیوم خریداری کردند. قیمت پرداخت شده برای هر کیلوگرم اورانیوم حدودا 26.39 دلار بود که در مقایسه با سال 1998 16% کاهش داشت. در سال 2001 ایالات متحده 1018 تن اورانیوم از 7 عملیات معدنی در غرب رود میسیسیپی تولید کرد.
اورانیوم بیشتر توسط فرانسوی ها در کشورهای جهان توزیع شده است.

معمولا کشورهای بزرگتر اورانیوم بیشتری در مقایسه با کشورهای کوچکتر تولید میکنند. چراکه گسترش و توزیع اورانیوم در جهان یک شکل و یکنواخت است. کشور استرالیا ذخایر بسیار زیادی از این عنصر دارد که تقریبا 30% ذخایر دنیا را شامل میشود.



 

 ایزوتوپها:

اورانیوم طبیعی از 3 ایزوتوپ U-238, U-235, U-234 تشکیل شده است که U-238 فراوان ترین آنها (99.3%) میباشد. این سه ایزوتوپ رادیو اکتیو بوده که نیمه عمر آنها عبارت است از U-235 4.5x10⁹ سال که پایدارترین آنها میباشد. U-235 7x10⁸ سال و U234 2.5x10⁵ سال.

 

ایزوتوپهای اورانیوم میتوانند از هم جدا شوند تا تمرکز یک ایزوتوپ بر دیگری را افزایش دهند. این فرایند "غنی سازی" نام دارد. وزن U-235 برای غنی شدن باید0.711 درصد افزایش یابد.اورانیوم 235 برای استفاده در سلاحهای هسته ای و نیروگاه های اتمی مناسب تر است. این فرایند مقادیر بسیاری اورانیوم بوجود می آورد که در U-235 تخلیه میشوند و خالصترین اورانیوم یعنی U238 اورانیوم خالی یا DU نام دارد. اگر ایزوتوپ 235 بخواهد تخلیه شود باید وزنش 0.711 درصد کم شود.

 

 هشدار ها:

تمام ترکیبات اورانیوم سمی و رادیو اکتیو هستند. سمی بودن این عنصر میتواند کشنده باشد. در مقادیر بسیار کم خاصیت سمی بودن این عنصر به کلیه آسیب میرساند. خواص رادیو اکتیوی این عنصر نیز سیستماتیک و نظام بند است. در کل ترکیبات اورانیوم به سختی جذب روده و ریه میشوند و خطرات رادیولوژیکی آن باقی میماند. فلز خالص اورانیوم نیز خطر آتش سوزی به همراه دارد.

فرد ممکن است با تنفس غبار اورانیو م در هوا یا خوردن و آشامیدن آب و غذا در معرض این عنصر قرار بگیرد. البته بیشتر این عمل از طریق خوردن آب و غذا صورت میگیرد. جذب روزانه اورانیوم در غذا 0.07 تا 1.1 میکروگرم میباشد. مقدار اورانیوم در هوا معمولا بسیار ناچیز است. افرادی که در کنار تاسیسات هسته ای دولت و یا معادن استخراج اورانیوم زندگی میکنند بیشتر در معرض این عنصر قرار می گیرند.

اورانیوم ممکن است که درطریق تنفس یا بلع و یا در موارد استثنایی از طریق شکافی روی پوست وارد بدن شود. اورانیوم توسط پوست جذب نمیشود و ذرات آلفای ساتع شده از این عنصر نمیتواند به پوست نفوذ کند. بنابر این اورانیومی که خارج از بدن باشد نمیتواند به اندازه اورانیوم داخل بدن مضر و خطرناک باشد. اگر اورانیوم به بدن وارد شود ممکن است موجب سرطان شده یا به کلیه ها آسیب برساند.