شکافت هسته ای، رویای کیمیاگران

سال ها کیمیاگران به دنبال اکسیری بودن که بتواند فلزان دیگر را به طلا تبدیل کند. این رویا چندین قرن پابرجا بود و جویشگران سرسختی نیز داشت. اما پس از گذشت قرن ها شکست، آن ها پذیرفتند که این خواسته همانند اسمش تنها یک رویاست. غافل از اینکه اکسیر مورد نظر آن ها چیزی نبود جز همان نوترون خودمان! افتخار این کشف به هیچ یک از کیمیاگران نرسید، حتی خود جیمز چادویک که کاشف نوترون بود نمی دانست چه گوهری را یافته است! اکسیری که باعث شکافت هسته ای می شود و کیمیا می کند.

در حدود سال 1939 سه دانشمند به نام های لیز مایتنر، اُتو هان و فریتز استراسمن، به هنگام بمباران نمک های ارانیوم با نوترون ها به پدیده عجیبی برخورند. پس از بمباران نوترون، دو فلز جدید بوجود آمده بود. چند هفته بعد مایتنر به همراه خواهر زاده اش فریش متوجه شدند که هسته ارانیوم باجذب یک نوترون، می شکند و انرژی منتقل شده را با تقسیم شدن به دو فلز کم جرم تر آزاد می کند. معادله ی آن چنین است:

توصیف فیزیک مسئله به لطف اقدامات نیلز بور و جان ویلر آسان است. درون هسته، نیروی بنیادین قرار دارد. همان نیرویی که از پس دافعه ی کولنی بار های مثبت پروتون بر آمده و آن ها را کنار هم نگه داشته. این نیرو مانند هر نیروی جاذب دیگری در اطراف خودش یک چاه پتانسیل ساخته و نوترون ها و پروتون هایی که نزدیکش می شوند را جذب می کند. درست مثل قطره ی آبی که به دریا سقوط می کند. مقدار آبی را به بالا می کشد و سر انجام قطره ی بزرگ تری را از میدان جدا می کند.

در این مدل هم پس از بخورد نوترون، انرژی نوترون به انرژی نوسانی تبدیل می شود، هسته ی مورد نظر را قلقلک می دهد، بخش های آن را از هم دور می کند، در این مرحله دافعه ی کولنی نیز به کمک ما می آید و حین جدا شدن بر طبق معروف ترین رابطه ی فیزیک، بخشی از جرم تبدیل به انرژی می شود. البته دقت شود که در این فرآیند سرعت نوترون ها نباید آنچنان هم زیاد باشد. چنانچه انرژی جنبشی آن ها چیزی در حدود 0.04 الکترون ولت خواهد بود. (الکترون ولت یا ev یک واحد بسیار کوچک برای اندازه گیری انرژی است. هر الکترون ولت حدودا برابر 10 به توان منفی 19 ژول است)

در راکتور های هسته ای، همواره کندگر هایی را طراحی می کنند که نوترون های خارج شده از تفنگ نوترونی را به سرعت مورد نظر برساند. نوترون ها در ابتدا با سرعتی نزدیک به نور شلیک می شوند و در گذر از کندگر ها ، کند شده و به سرعتی بسیار پایین تر می رسند. البته میزان انرژی استخراجی از یک اتم چیزی حدود 200Mev (مگا الکترون ولت) است. که به واقع هیچی نیست! با این مقدار حتی نمی توان مگسی را از روی سیمی بلند کرد.

در راکتور ها ما با یک زنجیره ی شکاف مواجه ایم. نوترونی بر خورد می کند، یک هسته می شکافد، نوترون آزاد می کند، نوترون های آزاد شده به هسته های دیگر می خورند و … تا اینکه سرانجام انرژی سرسام آوری تولید می شود. برای تصویر سازی کلی و انرژی حاصل شده بهتر است مقایسه ای انجام دهیم. با انرژی حاصل از سوختن یک کیلوگرم زغال سنگ تنها می توانید به مدت 8 ساعت یک لامپ 100 واتی را روشن نگه دارد. حال که انرژی آزاد شده از یک کیلوگرم ارانیوم در این فرآیند توانایی روشن نگه داشتن لامپ را به مدت 690 سال دارد.