بيان ساده‌ي انرژي هسته‌اي (Nuclear Energy) براي دانش‌آموزان
:idea: درون هر اتم می‌توان سه ذره ریز پیدا کرد: پروتون، نوترون و الکترون.
[align=justify:e4c32aaa77]پروتونها در کنار هم قرار می‌گیرند و هسته اتم را تشکیل می‌دهند، در حالی که الکترونها به دور هسته می‌چرخند. پروتون داراي بار الکتریکی مثبت و الکترون داراي بار الکتریکی منفی هستند و از آنجا که بارهای مخالف ، یکدیگر را جذب می‌کنند، پروتون و الکترون هم یکدیگر را جذب می‌کنند و همین نیرو، سبب پایدار ماندن الکترونها در حرکت به دور هسته می‌گردد. در اغلب حالت‌ها تعداد پروتونها و الکترونهای درون اتم یکسان است، بنابراین اتم درحالت عادی و طبیعی خنثی است.
نوترون، بار خنثی دارد و يكي از وظایف آن در هسته، کنار هم نگاه داشتن پروتونهای هم بار است.می دانیم که ذرات با بار یکسان یکدیگر را دفع می‌کنند. در نتیجه وظیفه نوترونها این است که با فراهم آوردن شرایط بهتر، (با داشتن جرم نسبتاْ زياد و ايجاد نيروي جاذبه) پروتونها را کنار هم نگاه دارند. ( این کار توسط نیروی هسته‌ای قوی صورت می‌گیرد )[/align:e4c32aaa77]
ايزوتوپ و اتم پايدار
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]تعداد پروتونهای هسته نوع اتم را مشخص می‌کند. برای مثال اگر 13 پروتون و 14 نوترون، یک هسته را تشکیل دهند و 13 الکترون هم به دور آن بچرخند، یک اتم آلومینیوم خواهید داشت و اگر یک میلیون میلیارد میلیارد اتم آلومینیوم را در کنار هم قرار دهید، آنگاه نزدیک به پنجاه گرم آلومینیوم خواهید داشت! همه آلومینیوم هایی که در طبیعت یافت می‌شوند، AL-27 یا آلومینیوم-27 نامیده می‌شوند. عدد 27 نشان دهنده جرم اتمی است که مجموع تعداد پروتونها و نوترونهای هسته را نشان می‌دهد.
اگر یک اتم آلومینیوم را درون یک بطری قرار دهید و میلیونها سال بعد برگردید، باز هم همان اتم آلومینیوم را خواهید یافت. بنابراین آلومینیوم 27 یک اتم پایدار نامیده می‌شود.
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 می‌دهد.اتم‌هاي يك عنصر كه جرم‌هاي مختلفي دارند، ایزوتوپ نامیده می‌شوند. 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.[/align:e4c32aaa77]
اتم‌هاي ناپايدار
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]تا اوایل قرن بیستم، تصور می‌شد كه تمام اتمها پایدار هستند، اما با کشف
خاصیت پرتوزایی اورانیوم توسط بکرل مشخص شد برخی عناصر خاص دارای ایزوتوپهای رادیواکتیو هستند و برخی دیگر، تمام ایزوتوپ هایشان رادیواکتیو است. Radio به معني تابش و ساطع كردن و Active به معني فعاليت است، بنابراين مواد راديواكتيو از خو تابش دارند.
هیدورژن مثال خوبی از عنصری است که ایزوتوپ های متعددی دارد و فقط یکی از آنها رادیو اکتیو است. هیدروژن طبیعی در هسته‌ي خود دارای یک پروتون است و هیچ نوترونی ندارد. ایزوتوپ دیگر هیدروژن، هیدروژن-2 یا دو تریوم است که یک پروتون و یک نوترون در هسته خود جای داده است. دوتریوم، فقط 015/0 درصد کل هیدروژن را تشکیل می‌دهد و در طبیعت بسیار کمیاب است، با این حال مانند هیدورژن طبیعی رفتار می‌کند. 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 می‌شود، ناپایدار است. تریتیوم که هیدروژن-3 نیز خوانده می‌شود، در هسته خود یک پروتون و دو نوترون دارد و طی یک واپاشی رادیواکتیو به هلیوم-3 تبدیل می‌شود. این بدان معنی است که اگر ظرفی پر از تریتیوم داشته باشید و آن را بگذارید و یک میلیون سال بعد برگردید، ظرف شما پر از هلیوم-3 است. هلیوم-3 از 2 پروتون و یک نوترون ساخته شده وعنصری پایدار است.[/align:e4c32aaa77]
[align=justify:e4c32aaa77]در برخی عناصر مشخص، به طور طبیعی همه ایزوتوپ‌ها رادیواکتیو هستند.
اورانیوم بهترین مثال برای چنین عناصری است که علاوه بر رادیواکتیویته زیاد سنگین‌ترین عنصر رادیواکتیو هم هست که به طور طبیعی یافت می‌شود. علاوه بر آن، هشت عنصر رادیواکتیو طبیعی هم وجود دارند که عبارت‌اند از پولوتونیوم، استاتین، رادون، فرانسیم، رادیوم، اکتینیوم، توریم و پروتاکتسینانیوم. عناصر سنگین‌تر از اورانیوم که به دست بشر در آزمایشگاه ساخته شده‌اند، همگی رادیواکتیو هستند.[/align:e4c32aaa77]
واپاشی رادیو اکتیو
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]اتم یک ایزوتوپ رادیواکتیو طی یک واکنش خودبه‌خودی به یک عنصر دیگر تبدیل می‌شود. این واپاشی معمولاً از سه راه زیر انجام می‌شود:
1- واپاشی آلفا
2- واپاشی بتا
3- شکافت خودبه‌خودی
در این فرآیندها چهار نوع تابش رادیواکتیو مختلف تولید می‌شود:
1- پرتو آلفا
2- پرتو بتا
3- پرتو گاما
4- پرتوهای نوترون[/align:e4c32aaa77]
تابش های طبیعی خطرناک
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]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، همگی به تابش های یون ساز معروفند بدین معنی که بر هم‌کنش آنها با اتمها منجر به جداسازی الکترونها از لایه ظرفیتشان می‌شود. از دست دادن الکترونها، مشکلات زیادی از جمله مرگ سلول‌ها و جهش‌های ژنتیکی را برای موجودات زنده به دنبال دارد. جالب است بدانید جهش ژنتیکی عامل بروز سرطان است.
درات آلفا، اندازه بزرگتری دارند و از این رو توانایی نفوذ زیادی در مواد ندارند، مثلاً حتی نمی‌توانند 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 می‌توانند 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 می‌توان با یک ورقه فویل آلومینویم یا پلکسی گلاس متوقف کرد.
پرتوهای گاما همانند اشعه X فقط با لایه های ضخیم سربی متوقف می‌شوند. نوترونها هم به دلیلی بی یار بودن، قدرت نفوذ بسیار بالایی دارند و فقط با لایه‌های بسیار ضخیم بتن یا مایعاتی چون آب و نفت متوقف می‌شوند. پرتوهای گاما و پرتوهای نوترون به دلیل همین قدرت نفوذ بالا می‌توانند اثرات بسیار وخیمی بر سلول های موجودات زنده بگذارند، تأثیراتی که گاه تا چند نسل بعد
نيزادامه خواهد داشت.[/align:e4c32aaa77]
آشنايي با اورانيوم
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]اورانیوم (Uranium) یکی از چگالترین فلزات رادیو اکتیو است که در طبیعت یافت می‌شود. این فلز در بسیاری از قسمتهای دنیا در صخره ها، خاک و حتی اعماق دریا و اقیانوس ها وجود دارد. اگر بخواهید از میزان موجودیت آن ایده‌ای بدست آورید باید بگوییم که میزان وجود و پراکندگی آن از طلا، نقر یا جیوه بسیار بیشتر است.
اورانیوم در طبیعت بصورت اکسید و یا نمک های مخلوط در مواد معدنی (مانند اورانیت یا کارونیت) یافت می شود. این نوع مواد اغلب از فوران آتشفشانها بوجود می آیند و نسبت وجود آنها در زمین چیزی معادل دو در میلیون نسبت به سایر سنگها و مواد کانی است. این فلز به رنگ سفید نقره ای است و کمی نرم تر از استیل بوده و تقریبآ قابل انعطاف است.
اورانیوم در سال 1789 توسط مارتین کلاپورت (Martin Klaproth) شیمی دان آلمانی از نوعی اورانیت بنام Pitchblende (قير خالص) کشف شد. وجه تسمیه این فلز به کشف سیاره اورانوس بازمی‌گردد که هشت سال قبل از آن، ستاره شناسان آن را کشف کرده بودند.
اورانیوم یکی از اصلی ترین منابع گرمایشی در مرکز زمین است و بیش از 40 سال است که بشر برای تولید انرژی از آن استفاده می کند.
دانشمندان معتقد هستند که اورانیوم بیش از 6.6 بیلیون سال پیش در اثر انفجار یک ستاره بزرگ بوجود آمده و در منظومه شمسی پراکنده شده است.
اورانیم را درواقع می توان سنگین‌ترین (به بیان دقیقتر چگالترین) عنصر در طبیعت نامید. شاید بد نباشد بدانید که در این میان هیدروژن سبکترین عناصر طبیعت است.
اورانیوم خالص حدود 18.7 بار از آب چگال‌تر است و همانند بسیاری از دیگر مواد رادیو اکتیو در طبیعت به صورت ایزوتوپ‌هاي مختلف یافت می‌شود.
اورانیوم شانزده ایزوتوپ دارد. حدود 99.3 درصد از اورانیومی که در طبیعت یافت می شود ایزوتوپ اورانيوم-238 (U-238) است و حدود 0.7 درصد اورانيوم-235 (U-235) مي‌باشد، سایر ایزوتوپ‌ها بسیار نادر هستند.
در این میان ایزوتوپ 235 برای به دست آوردن انرژی از نوع 238 آن بسیار مهمتر است چرا که U-235 (با فراوانی تنها 0.7 درصد) آمادگی آنرا دارد که تحت شرایط خاص شکافته شده و مقادیر زیادی انرژی آزاد کند. به این ایزوتوپ Fissil Uranium ، به معنای اروانیوم شکافتنی گفته می‌شود و برای این عملیات از Nuclear Fission يا شكافت هسته‌اي استفاده می‌شود.
اورانیوم نیز همانند سایر مواد رادیواکتیو دچار پوسیدگی و زوال می شود. مواد رادیو اکتیو دارای این خاصیت هستند که از خود بطور دائم ذرات آلفا و بتا و یا اشعه گاما منتشر می کنند.
U-238 باسرعت بسیار کمی فسیل می شود و نیمه عمر آن چیزی در حدود 4,500 میلون سال (تقریبآ معادل عمر زمین) است.
این موضوع به این معنی است که با فسیل شدن اورانیوم با همین سرعت کم انرژی معادل 0.1 وات برای هر یک تن اورانیوم تولید می‌شود و این برای گرم نگاه داشتن هسته زمین کافی است. [/align:e4c32aaa77]
شكافت هسته‌ي اورانيوم
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]گفتیم که U-235 قابلیت شکاف هسته ای دارد. این نوع از اتم اورانیوم دارای 92 پروتون و 143 نوترون است (بنابراین جمعآ 235 ذره در هسته خود دارد و به همین دلیل U-235 نامیده می‌شود)، کافی است یک نوترون دریافت کند تا بتواند به دو اتم دیگر تبدیل شود.
این عمل با بمباران نوترونی هسته انجام می گیرد، در این حالت یک اتم U-235 به دو اتم دیگر تقسیم می شود و دو ، سه و یا بیشتر نوترون آزاد مي‌گردد. نوترونهای آزاد شده خود با اتمهای دیگر U-235 ترکیب می‌شوند و آنها را تقسیم کرده و به همین منوال یک واکنش زنجیره‌ای از تقسیم اتم های U-235 تشکیل می شود.
براي ديدن انيميشن واكنش زنجيره‌اي مي‌توانيد روي لينك زير كليك كنيد:[/align:e4c32aaa77]
:?:
مشاهده‌ی واکنش زنجیره‌ای
:arrow:
[align=justify:e4c32aaa77]اتم U-235 با دریافت یک نوترون به اورانیوم 236 تبدیل می شود که ثبات و پایداری نداشته و تمایل دارد به دو اتم با ثبات تقسیم شود. انجام عمل تقسیم باعث آزاد شدن انرژی می‌شود بگونه‌ای که جمع انرژی حاصل از تقسیم زنجیره اتمهای U-235 بسیار قابل توجه می‌شود. [/align:e4c32aaa77]
مجموع این عملیات ممکن است در محلی بنام رآکتور هسته ای انجام گیرد. رآکتور هسته ای می‌تواند انرژی آزاد شده را برای گرم کردن آب استفاده نماید تا در نهایت از آن برای راه اندازی توربین های بخار و تولید برق استفاده شود.
براي ديدن انيميشن رآكتور هسته‌اي و فرآيند آن روي لينك زير كليك كنيد:
:?:
یک نیروگاه اتمی کامل
:arrow:
کاربرد های انرژی هسته‌ای
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]سالهای سال است که استفاده از ایزوتوپهای مواد رادیواکتیو در به دست آوردن اطلاعات از گذشته، اندازه گیری های صنعتی، کنترل کیفی محصولات، تغییر ویژگیهای محصولات و ... کاربرد دارد. خصیصه اصلی که باعث استفاده از این نوع مواد در صنعت می‌شود ویژگی پرتو افکنی مواد رادیو اکتیو است که در اینجا به برخی از این کاربردها اشاره می کنیم. لازم به ذکر است که مواد رادیو اکتیوی که در این گونه از موارد استفاده می‌شود، بسیار ضعیف و با طول عمر بسیار کم است، به گونه‌ای که هیچ گونه خطری را متوجه انسان نمی‌کند. [/align:e4c32aaa77]
اندازه گیری ضخامت
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]از آنجایی عبور پرتوهای رادیو اکتیو از مواد به تدریج باعث کاهش انرژی آنها می‌شود، با ساخت دستگاه‌های اندازه‌گیری دقیق انرژی می‌توان ضخامت اجسامی را که این پرتوها به آن تابیده می‌شود را اندازه‌گیری کرد. از همین خاصیت می‌توان برای مشخص کردن کیفیت برخی از مواد یا اجناس تولیدی و بررسي وجود ترک (Craze) و شکستگی (Crack) در آنها نیز استفاده کرد. [/align:e4c32aaa77]
اندازه گیری سرعت
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]استفاده از مقادیر بسیار کم و ضعیف از مواد رادیو اکتیو در کنترل فرايندهاي تولید محصولات تقریبآ کاری عادی در تمامی کشورهای صنعتی جهان است. برای مثال افزودن مقدار کمی از این مواد به مایعی که از درون شبکه لوله ای به هم پیچیده عبور می‌کند، اجازه می‌دهد تا به سادگی بتوان با اندازه‌گیری تشعشعات از بیرون لوله، به شكل حركت مايع، سرعت درون لوله و از آنجا دبی مایع پی برد.[/align:e4c32aaa77]
کنترل کیفی
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]کاربرد بسیار جالب دیگر هنگامی است که می خواهیم محلولهای کاملآ همگن تهیه کنیم. فرض کنید می خواهید دو مایع که از لحاظ فیزیکی کاملآ مشابه هم هستند را با یکدیگر بصورت کاملآ یکنواخت - با هر نسبتی - مخلوط کنید. برای حصول اطمینان از اینکه این دو ماده خوب با یکدیگر مخلوط شده اند کافی است به یکی از آنها مقدار کمی ماده رادیو اکتیو اضافه کنید و در انتهای مسیر تولید نمونه گیری کنید. بدیهی است اگر میزان مواد رادیو اکتیو در نمونه ها یکی باشد این دو ماده بصورت یکنواخت با یکدیگر مخلوط شده‌اند. [/align:e4c32aaa77]
استفاده بعنوان حساسه
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]در بسیاری از موارد که امکان تماس مستقیم حساسه (Sensor) با موادی که قرار است اندازه گیری شوند وجود ندارد و یا سنسور لازم بسیار گرانقیمت است (مانند فلزات مذاب، شیشه مذاب و ...) ساده ترین روش، برای اندازه‌گیری مقدار ماده، دما يا تغييرات دلخواه استفاده از مواد رادیواکتیو است. کافی است همانند مثالهای قبل مقدار بسیار کمی از مواد رادیو اکتیو را با فلز مخلوط کنید و میزان - یا در واقع سطح مایع - آنرا بدون تماس مستقیم اندازه گیری کنید. [/align:e4c32aaa77]
تغییر در ویژگیهای مواد
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]تاباندن اشعه رادیو اکتیو به ماده می‌تواند باعث بالارفتن کیفیت یا میزان برخی ویژگیهای مواد شود. به عنوان مثال خصوصیاتی چون سختی، مقاومت و چگالی از جمله شاخص‌هایی هستند که اشعه رادیو اکتیو می تواند روی آن تاثیر بگذارد. [/align:e4c32aaa77]
چند مثال کاربردی در صنعت
8)
[align=justify:e4c32aaa77]• در صنعت اتومبیل سازی از مواد رادیواکتیو برای کنترل کیفیت ورق استیل استفاده می شود.
• در صنعت ساخت و نگهداری هواپیما برای کنترل وجود شکاف یا نشتی در موتورهای جت از مواد رادیو اکتیو استفاده می کنند.
• برای برآورد میزان سنگهای معدنی در معادن یا مواد نفتی در چاه‌های نفت یا حفاری‌ها از این مواد استفاده می کنند.
• برای مشخص کردن کیفت جوشکاری در لوله‌های که در زیر زمین کار گذاری شده اند نیز مواد رادیو اکتیو راه حل مناسبی است.
• ببسیاری از دستگاه‌های فتوکپی برای جلوگیری از به هم چسبیدن کاغذها بر اثر الکتریسیته ساکن و در نهایت جمع شدن در دستگاه از مقادیر بسیار کمی مواد رادیو اکتیو استفاده می‌کنند.
• استفاده از مواد رادیو اکتیو برای تمیز کردن و زدودن آلودگی در بسیاری از لوازم مانند لنزهای چشم یا برخی مواد آرایشی.
• و .... [/align:e4c32aaa77]
استفاده از انرژي هسته‌اي در کشاورزی
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]استفاده از میزان بسیار کم مواد رادیو اکتیو یکی از ساده ترین روشها برای از بین بردن آفت‌های مختلف است. جالب اینجاست که بدانید این روش برخلاف استفاده از سموم شیمایی اثرات منفی بر محصولات نخواهد داشت. به خصوص در مواردی که حشرات و آفت‌ها در مقابل سموم مقاوم شده باشند با استفاده از مواد رادیو اکتیو به سادگی می‌توان آنها را از بین برد.
همچنین با استفاده از مواد رادیو اکتیو می توان خاصیتی در گیاهان ایجاد کرد که آنها از حد اکثر آب موجود در خاک استفاده کنند. به این ترتیب علاوه بر کاهش میزان آب مصرفی و هزینه‌های تولید؛ مانع از به هدر رفتن آب خواهیم شد.[/align:e4c32aaa77]
استفاده در صنایع غذایی
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]استفاده از مواد رادیو اکتیو در صنایع غذایی در کشورهای پیشرفته بسیار متداول است. باید دقت کرد که نوع مواد و نحوه استفاده از آنها در این روشهای کاربردی به گونه‌ای است که به هیچ وجه خطری مواد غذایی را تهدید نمی‌کند. در ادامه به نمونه‌هایی از این موارد اشاره می‌شود. [/align:e4c32aaa77]
از بین بردن میکروب و طولانی تر کردن عمر مواد غذایی
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]تشعشع مواد رادیو اکتیو ضعیف بر روی مواد غذایی باعث از بین بردن باکتری های خطرناک شده و طول عمر بیشتر غذا را موجب می‌شوند. استفاده از این روش برای کشتن میکروب وبا سالهاست که کاربرد دارد و نیز حمل و نقل در مسیرهای طولانی یا نگهداری دراز مدت مواد غذایی بدون استفاده از این مواد کاری بسیار دشوار است. [/align:e4c32aaa77]
استرلیزه کردن بدون ایجاد تغییر فیزیکی
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]پرتو افکنی بر روی مواد غذایی بدون آنکه حالت فیزیکی یا مزه ماده خوراکی را تغییر دهد می‌تواند آن را به طور کامل استرلیزه کند. یادآور در روشهای قدیمی با گرم کردن ماده سعی در کشتن میکروب‌های آن می‌کردند. بدیهی است که این روش تنها برای برخی از مواد غذایی می‌تواند کاربرد داشته باشد ضمن اینکه می تواند کیفیت فیزیکی مواد را تحت تاثیر خود قرار دهد.[/align:e4c32aaa77]
مثالهای کاربردی در صنایع غذایی
8) :idea:
• کشتن حشرات کوچک یا میکرو ارگانیزم ها در مواد غذایی.
• طولانی تر کردن عمر گوشت.
• کند کردن پروسه رشد انواع قارچ در مواد غذایی.
• کند تر کردن زمان رسیدن انواع میوه ها.
• جلوگیری از زاد و ولد حشرات در گندم و جو.
• جلوگیری از جوانه زدن سبزیجاتی مانند پیاز یا سیب زمینی.
• و ...
:idea: درون هر اتم می‌توان سه ذره ریز پیدا کرد: پروتون، نوترون و الکترون.
[align=justify:e4c32aaa77]پروتونها در کنار هم قرار می‌گیرند و هسته اتم را تشکیل می‌دهند، در حالی که الکترونها به دور هسته می‌چرخند. پروتون داراي بار الکتریکی مثبت و الکترون داراي بار الکتریکی منفی هستند و از آنجا که بارهای مخالف ، یکدیگر را جذب می‌کنند، پروتون و الکترون هم یکدیگر را جذب می‌کنند و همین نیرو، سبب پایدار ماندن الکترونها در حرکت به دور هسته می‌گردد. در اغلب حالت‌ها تعداد پروتونها و الکترونهای درون اتم یکسان است، بنابراین اتم درحالت عادی و طبیعی خنثی است.
نوترون، بار خنثی دارد و يكي از وظایف آن در هسته، کنار هم نگاه داشتن پروتونهای هم بار است.می دانیم که ذرات با بار یکسان یکدیگر را دفع می‌کنند. در نتیجه وظیفه نوترونها این است که با فراهم آوردن شرایط بهتر، (با داشتن جرم نسبتاْ زياد و ايجاد نيروي جاذبه) پروتونها را کنار هم نگاه دارند. ( این کار توسط نیروی هسته‌ای قوی صورت می‌گیرد )[/align:e4c32aaa77]
ايزوتوپ و اتم پايدار
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]تعداد پروتونهای هسته نوع اتم را مشخص می‌کند. برای مثال اگر 13 پروتون و 14 نوترون، یک هسته را تشکیل دهند و 13 الکترون هم به دور آن بچرخند، یک اتم آلومینیوم خواهید داشت و اگر یک میلیون میلیارد میلیارد اتم آلومینیوم را در کنار هم قرار دهید، آنگاه نزدیک به پنجاه گرم آلومینیوم خواهید داشت! همه آلومینیوم هایی که در طبیعت یافت می‌شوند، AL-27 یا آلومینیوم-27 نامیده می‌شوند. عدد 27 نشان دهنده جرم اتمی است که مجموع تعداد پروتونها و نوترونهای هسته را نشان می‌دهد.
اگر یک اتم آلومینیوم را درون یک بطری قرار دهید و میلیونها سال بعد برگردید، باز هم همان اتم آلومینیوم را خواهید یافت. بنابراین آلومینیوم 27 یک اتم پایدار نامیده می‌شود.
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 می‌دهد.اتم‌هاي يك عنصر كه جرم‌هاي مختلفي دارند، ایزوتوپ نامیده می‌شوند. 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.[/align:e4c32aaa77]
اتم‌هاي ناپايدار
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]تا اوایل قرن بیستم، تصور می‌شد كه تمام اتمها پایدار هستند، اما با کشف
خاصیت پرتوزایی اورانیوم توسط بکرل مشخص شد برخی عناصر خاص دارای ایزوتوپهای رادیواکتیو هستند و برخی دیگر، تمام ایزوتوپ هایشان رادیواکتیو است. Radio به معني تابش و ساطع كردن و Active به معني فعاليت است، بنابراين مواد راديواكتيو از خو تابش دارند.
هیدورژن مثال خوبی از عنصری است که ایزوتوپ های متعددی دارد و فقط یکی از آنها رادیو اکتیو است. هیدروژن طبیعی در هسته‌ي خود دارای یک پروتون است و هیچ نوترونی ندارد. ایزوتوپ دیگر هیدروژن، هیدروژن-2 یا دو تریوم است که یک پروتون و یک نوترون در هسته خود جای داده است. دوتریوم، فقط 015/0 درصد کل هیدروژن را تشکیل می‌دهد و در طبیعت بسیار کمیاب است، با این حال مانند هیدورژن طبیعی رفتار می‌کند. 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 می‌شود، ناپایدار است. تریتیوم که هیدروژن-3 نیز خوانده می‌شود، در هسته خود یک پروتون و دو نوترون دارد و طی یک واپاشی رادیواکتیو به هلیوم-3 تبدیل می‌شود. این بدان معنی است که اگر ظرفی پر از تریتیوم داشته باشید و آن را بگذارید و یک میلیون سال بعد برگردید، ظرف شما پر از هلیوم-3 است. هلیوم-3 از 2 پروتون و یک نوترون ساخته شده وعنصری پایدار است.[/align:e4c32aaa77]
[align=justify:e4c32aaa77]در برخی عناصر مشخص، به طور طبیعی همه ایزوتوپ‌ها رادیواکتیو هستند.
اورانیوم بهترین مثال برای چنین عناصری است که علاوه بر رادیواکتیویته زیاد سنگین‌ترین عنصر رادیواکتیو هم هست که به طور طبیعی یافت می‌شود. علاوه بر آن، هشت عنصر رادیواکتیو طبیعی هم وجود دارند که عبارت‌اند از پولوتونیوم، استاتین، رادون، فرانسیم، رادیوم، اکتینیوم، توریم و پروتاکتسینانیوم. عناصر سنگین‌تر از اورانیوم که به دست بشر در آزمایشگاه ساخته شده‌اند، همگی رادیواکتیو هستند.[/align:e4c32aaa77]
واپاشی رادیو اکتیو
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]اتم یک ایزوتوپ رادیواکتیو طی یک واکنش خودبه‌خودی به یک عنصر دیگر تبدیل می‌شود. این واپاشی معمولاً از سه راه زیر انجام می‌شود:
1- واپاشی آلفا
2- واپاشی بتا
3- شکافت خودبه‌خودی
در این فرآیندها چهار نوع تابش رادیواکتیو مختلف تولید می‌شود:
1- پرتو آلفا
2- پرتو بتا
3- پرتو گاما
4- پرتوهای نوترون[/align:e4c32aaa77]
تابش های طبیعی خطرناک
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]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، همگی به تابش های یون ساز معروفند بدین معنی که بر هم‌کنش آنها با اتمها منجر به جداسازی الکترونها از لایه ظرفیتشان می‌شود. از دست دادن الکترونها، مشکلات زیادی از جمله مرگ سلول‌ها و جهش‌های ژنتیکی را برای موجودات زنده به دنبال دارد. جالب است بدانید جهش ژنتیکی عامل بروز سرطان است.
درات آلفا، اندازه بزرگتری دارند و از این رو توانایی نفوذ زیادی در مواد ندارند، مثلاً حتی نمی‌توانند 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 می‌توانند 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 می‌توان با یک ورقه فویل آلومینویم یا پلکسی گلاس متوقف کرد.
پرتوهای گاما همانند اشعه X فقط با لایه های ضخیم سربی متوقف می‌شوند. نوترونها هم به دلیلی بی یار بودن، قدرت نفوذ بسیار بالایی دارند و فقط با لایه‌های بسیار ضخیم بتن یا مایعاتی چون آب و نفت متوقف می‌شوند. پرتوهای گاما و پرتوهای نوترون به دلیل همین قدرت نفوذ بالا می‌توانند اثرات بسیار وخیمی بر سلول های موجودات زنده بگذارند، تأثیراتی که گاه تا چند نسل بعد
نيزادامه خواهد داشت.[/align:e4c32aaa77]آشنايي با اورانيوم
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]اورانیوم (Uranium) یکی از چگالترین فلزات رادیو اکتیو است که در طبیعت یافت می‌شود. این فلز در بسیاری از قسمتهای دنیا در صخره ها، خاک و حتی اعماق دریا و اقیانوس ها وجود دارد. اگر بخواهید از میزان موجودیت آن ایده‌ای بدست آورید باید بگوییم که میزان وجود و پراکندگی آن از طلا، نقر یا جیوه بسیار بیشتر است.
اورانیوم در طبیعت بصورت اکسید و یا نمک های مخلوط در مواد معدنی (مانند اورانیت یا کارونیت) یافت می شود. این نوع مواد اغلب از فوران آتشفشانها بوجود می آیند و نسبت وجود آنها در زمین چیزی معادل دو در میلیون نسبت به سایر سنگها و مواد کانی است. این فلز به رنگ سفید نقره ای است و کمی نرم تر از استیل بوده و تقریبآ قابل انعطاف است.
اورانیوم در سال 1789 توسط مارتین کلاپورت (Martin Klaproth) شیمی دان آلمانی از نوعی اورانیت بنام Pitchblende (قير خالص) کشف شد. وجه تسمیه این فلز به کشف سیاره اورانوس بازمی‌گردد که هشت سال قبل از آن، ستاره شناسان آن را کشف کرده بودند.
اورانیوم یکی از اصلی ترین منابع گرمایشی در مرکز زمین است و بیش از 40 سال است که بشر برای تولید انرژی از آن استفاده می کند.
دانشمندان معتقد هستند که اورانیوم بیش از 6.6 بیلیون سال پیش در اثر انفجار یک ستاره بزرگ بوجود آمده و در منظومه شمسی پراکنده شده است.
اورانیم را درواقع می توان سنگین‌ترین (به بیان دقیقتر چگالترین) عنصر در طبیعت نامید. شاید بد نباشد بدانید که در این میان هیدروژن سبکترین عناصر طبیعت است.
اورانیوم خالص حدود 18.7 بار از آب چگال‌تر است و همانند بسیاری از دیگر مواد رادیو اکتیو در طبیعت به صورت ایزوتوپ‌هاي مختلف یافت می‌شود.
اورانیوم شانزده ایزوتوپ دارد. حدود 99.3 درصد از اورانیومی که در طبیعت یافت می شود ایزوتوپ اورانيوم-238 (U-238) است و حدود 0.7 درصد اورانيوم-235 (U-235) مي‌باشد، سایر ایزوتوپ‌ها بسیار نادر هستند.
در این میان ایزوتوپ 235 برای به دست آوردن انرژی از نوع 238 آن بسیار مهمتر است چرا که U-235 (با فراوانی تنها 0.7 درصد) آمادگی آنرا دارد که تحت شرایط خاص شکافته شده و مقادیر زیادی انرژی آزاد کند. به این ایزوتوپ Fissil Uranium ، به معنای اروانیوم شکافتنی گفته می‌شود و برای این عملیات از Nuclear Fission يا شكافت هسته‌اي استفاده می‌شود.
اورانیوم نیز همانند سایر مواد رادیواکتیو دچار پوسیدگی و زوال می شود. مواد رادیو اکتیو دارای این خاصیت هستند که از خود بطور دائم ذرات آلفا و بتا و یا اشعه گاما منتشر می کنند.
U-238 باسرعت بسیار کمی فسیل می شود و نیمه عمر آن چیزی در حدود 4,500 میلون سال (تقریبآ معادل عمر زمین) است.
این موضوع به این معنی است که با فسیل شدن اورانیوم با همین سرعت کم انرژی معادل 0.1 وات برای هر یک تن اورانیوم تولید می‌شود و این برای گرم نگاه داشتن هسته زمین کافی است. [/align:e4c32aaa77]
شكافت هسته‌ي اورانيوم
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]گفتیم که U-235 قابلیت شکاف هسته ای دارد. این نوع از اتم اورانیوم دارای 92 پروتون و 143 نوترون است (بنابراین جمعآ 235 ذره در هسته خود دارد و به همین دلیل U-235 نامیده می‌شود)، کافی است یک نوترون دریافت کند تا بتواند به دو اتم دیگر تبدیل شود.
این عمل با بمباران نوترونی هسته انجام می گیرد، در این حالت یک اتم U-235 به دو اتم دیگر تقسیم می شود و دو ، سه و یا بیشتر نوترون آزاد مي‌گردد. نوترونهای آزاد شده خود با اتمهای دیگر U-235 ترکیب می‌شوند و آنها را تقسیم کرده و به همین منوال یک واکنش زنجیره‌ای از تقسیم اتم های U-235 تشکیل می شود.
براي ديدن انيميشن واكنش زنجيره‌اي مي‌توانيد روي لينك زير كليك كنيد:[/align:e4c32aaa77]
:?:
مشاهده‌ی واکنش زنجیره‌ای
:arrow:
[align=justify:e4c32aaa77]اتم U-235 با دریافت یک نوترون به اورانیوم 236 تبدیل می شود که ثبات و پایداری نداشته و تمایل دارد به دو اتم با ثبات تقسیم شود. انجام عمل تقسیم باعث آزاد شدن انرژی می‌شود بگونه‌ای که جمع انرژی حاصل از تقسیم زنجیره اتمهای U-235 بسیار قابل توجه می‌شود. [/align:e4c32aaa77]
نمونه ای از این واکنش‌ها به صورت زير است:
U-235 + n ==> Ba-141 + Kr-92 + 3n + 170 Million electron Volts
U-235 + n ==> Te-139 + Zr-94 + 3n + 197 Million electron Volts
هر الكترون ولت برابر 1.6 در 10 به توان 19- ژول است.
U-235 + n ==> Ba-141 + Kr-92 + 3n + 170 Million electron Volts
U-235 + n ==> Te-139 + Zr-94 + 3n + 197 Million electron Volts
هر الكترون ولت برابر 1.6 در 10 به توان 19- ژول است.
مجموع این عملیات ممکن است در محلی بنام رآکتور هسته ای انجام گیرد. رآکتور هسته ای می‌تواند انرژی آزاد شده را برای گرم کردن آب استفاده نماید تا در نهایت از آن برای راه اندازی توربین های بخار و تولید برق استفاده شود.
نمايي از يك رآكتور هسته‌اي
براي ديدن انيميشن رآكتور هسته‌اي و فرآيند آن روي لينك زير كليك كنيد:
:?:
یک نیروگاه اتمی کامل
:arrow:
کاربرد های انرژی هسته‌ای
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]سالهای سال است که استفاده از ایزوتوپهای مواد رادیواکتیو در به دست آوردن اطلاعات از گذشته، اندازه گیری های صنعتی، کنترل کیفی محصولات، تغییر ویژگیهای محصولات و ... کاربرد دارد. خصیصه اصلی که باعث استفاده از این نوع مواد در صنعت می‌شود ویژگی پرتو افکنی مواد رادیو اکتیو است که در اینجا به برخی از این کاربردها اشاره می کنیم. لازم به ذکر است که مواد رادیو اکتیوی که در این گونه از موارد استفاده می‌شود، بسیار ضعیف و با طول عمر بسیار کم است، به گونه‌ای که هیچ گونه خطری را متوجه انسان نمی‌کند. [/align:e4c32aaa77]
اندازه گیری ضخامت
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]از آنجایی عبور پرتوهای رادیو اکتیو از مواد به تدریج باعث کاهش انرژی آنها می‌شود، با ساخت دستگاه‌های اندازه‌گیری دقیق انرژی می‌توان ضخامت اجسامی را که این پرتوها به آن تابیده می‌شود را اندازه‌گیری کرد. از همین خاصیت می‌توان برای مشخص کردن کیفیت برخی از مواد یا اجناس تولیدی و بررسي وجود ترک (Craze) و شکستگی (Crack) در آنها نیز استفاده کرد. [/align:e4c32aaa77]
اندازه گیری سرعت
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]استفاده از مقادیر بسیار کم و ضعیف از مواد رادیو اکتیو در کنترل فرايندهاي تولید محصولات تقریبآ کاری عادی در تمامی کشورهای صنعتی جهان است. برای مثال افزودن مقدار کمی از این مواد به مایعی که از درون شبکه لوله ای به هم پیچیده عبور می‌کند، اجازه می‌دهد تا به سادگی بتوان با اندازه‌گیری تشعشعات از بیرون لوله، به شكل حركت مايع، سرعت درون لوله و از آنجا دبی مایع پی برد.[/align:e4c32aaa77]
کنترل کیفی
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]کاربرد بسیار جالب دیگر هنگامی است که می خواهیم محلولهای کاملآ همگن تهیه کنیم. فرض کنید می خواهید دو مایع که از لحاظ فیزیکی کاملآ مشابه هم هستند را با یکدیگر بصورت کاملآ یکنواخت - با هر نسبتی - مخلوط کنید. برای حصول اطمینان از اینکه این دو ماده خوب با یکدیگر مخلوط شده اند کافی است به یکی از آنها مقدار کمی ماده رادیو اکتیو اضافه کنید و در انتهای مسیر تولید نمونه گیری کنید. بدیهی است اگر میزان مواد رادیو اکتیو در نمونه ها یکی باشد این دو ماده بصورت یکنواخت با یکدیگر مخلوط شده‌اند. [/align:e4c32aaa77]
استفاده بعنوان حساسه
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]در بسیاری از موارد که امکان تماس مستقیم حساسه (Sensor) با موادی که قرار است اندازه گیری شوند وجود ندارد و یا سنسور لازم بسیار گرانقیمت است (مانند فلزات مذاب، شیشه مذاب و ...) ساده ترین روش، برای اندازه‌گیری مقدار ماده، دما يا تغييرات دلخواه استفاده از مواد رادیواکتیو است. کافی است همانند مثالهای قبل مقدار بسیار کمی از مواد رادیو اکتیو را با فلز مخلوط کنید و میزان - یا در واقع سطح مایع - آنرا بدون تماس مستقیم اندازه گیری کنید. [/align:e4c32aaa77]
تغییر در ویژگیهای مواد
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]تاباندن اشعه رادیو اکتیو به ماده می‌تواند باعث بالارفتن کیفیت یا میزان برخی ویژگیهای مواد شود. به عنوان مثال خصوصیاتی چون سختی، مقاومت و چگالی از جمله شاخص‌هایی هستند که اشعه رادیو اکتیو می تواند روی آن تاثیر بگذارد. [/align:e4c32aaa77]
چند مثال کاربردی در صنعت
8)
[align=justify:e4c32aaa77]• در صنعت اتومبیل سازی از مواد رادیواکتیو برای کنترل کیفیت ورق استیل استفاده می شود.
• در صنعت ساخت و نگهداری هواپیما برای کنترل وجود شکاف یا نشتی در موتورهای جت از مواد رادیو اکتیو استفاده می کنند.
• برای برآورد میزان سنگهای معدنی در معادن یا مواد نفتی در چاه‌های نفت یا حفاری‌ها از این مواد استفاده می کنند.
• برای مشخص کردن کیفت جوشکاری در لوله‌های که در زیر زمین کار گذاری شده اند نیز مواد رادیو اکتیو راه حل مناسبی است.
• ببسیاری از دستگاه‌های فتوکپی برای جلوگیری از به هم چسبیدن کاغذها بر اثر الکتریسیته ساکن و در نهایت جمع شدن در دستگاه از مقادیر بسیار کمی مواد رادیو اکتیو استفاده می‌کنند.
• استفاده از مواد رادیو اکتیو برای تمیز کردن و زدودن آلودگی در بسیاری از لوازم مانند لنزهای چشم یا برخی مواد آرایشی.
• و .... [/align:e4c32aaa77]
استفاده از انرژي هسته‌اي در کشاورزی
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]استفاده از میزان بسیار کم مواد رادیو اکتیو یکی از ساده ترین روشها برای از بین بردن آفت‌های مختلف است. جالب اینجاست که بدانید این روش برخلاف استفاده از سموم شیمایی اثرات منفی بر محصولات نخواهد داشت. به خصوص در مواردی که حشرات و آفت‌ها در مقابل سموم مقاوم شده باشند با استفاده از مواد رادیو اکتیو به سادگی می‌توان آنها را از بین برد.
همچنین با استفاده از مواد رادیو اکتیو می توان خاصیتی در گیاهان ایجاد کرد که آنها از حد اکثر آب موجود در خاک استفاده کنند. به این ترتیب علاوه بر کاهش میزان آب مصرفی و هزینه‌های تولید؛ مانع از به هدر رفتن آب خواهیم شد.[/align:e4c32aaa77]
استفاده در صنایع غذایی
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]استفاده از مواد رادیو اکتیو در صنایع غذایی در کشورهای پیشرفته بسیار متداول است. باید دقت کرد که نوع مواد و نحوه استفاده از آنها در این روشهای کاربردی به گونه‌ای است که به هیچ وجه خطری مواد غذایی را تهدید نمی‌کند. در ادامه به نمونه‌هایی از این موارد اشاره می‌شود. [/align:e4c32aaa77]
از بین بردن میکروب و طولانی تر کردن عمر مواد غذایی
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]تشعشع مواد رادیو اکتیو ضعیف بر روی مواد غذایی باعث از بین بردن باکتری های خطرناک شده و طول عمر بیشتر غذا را موجب می‌شوند. استفاده از این روش برای کشتن میکروب وبا سالهاست که کاربرد دارد و نیز حمل و نقل در مسیرهای طولانی یا نگهداری دراز مدت مواد غذایی بدون استفاده از این مواد کاری بسیار دشوار است. [/align:e4c32aaa77]
استرلیزه کردن بدون ایجاد تغییر فیزیکی
:idea:
[align=justify:e4c32aaa77]پرتو افکنی بر روی مواد غذایی بدون آنکه حالت فیزیکی یا مزه ماده خوراکی را تغییر دهد می‌تواند آن را به طور کامل استرلیزه کند. یادآور در روشهای قدیمی با گرم کردن ماده سعی در کشتن میکروب‌های آن می‌کردند. بدیهی است که این روش تنها برای برخی از مواد غذایی می‌تواند کاربرد داشته باشد ضمن اینکه می تواند کیفیت فیزیکی مواد را تحت تاثیر خود قرار دهد.[/align:e4c32aaa77]
مثالهای کاربردی در صنایع غذایی
8) :idea:
• کشتن حشرات کوچک یا میکرو ارگانیزم ها در مواد غذایی.
• طولانی تر کردن عمر گوشت.
• کند کردن پروسه رشد انواع قارچ در مواد غذایی.
• کند تر کردن زمان رسیدن انواع میوه ها.
• جلوگیری از زاد و ولد حشرات در گندم و جو.
• جلوگیری از جوانه زدن سبزیجاتی مانند پیاز یا سیب زمینی.
• و ...