این مقاله را به بهترین همشهری جهان جناب آقای مجید جلیلی تقدیم می دارم

بمب اتمی و انرژی اتمی

   بمب اتمی چگونه ساخته می شود؟ این سوالی است که امروز برای بیشتر ایرانی ها پرسشی شده است. در ابتدا به این پرسش پاسخی داده و سپس نگاهی  به طرز کار رآکتور هسته ای می اندازیم.

   تمامی اشیاء و موجودات پیرامون ما از ذرات ریزی بنام اتم ویا ترکیبی از اتمها یعنی مولکول ها تشکیل شده است. اتمها ساختمانی شبیه به منظومه ی شمسی دارند که در آنها خورشید هسته ی اتم و الکترونها سیارات آن می باشند. هسته ی اتم شامل چندین ذره است که از آن میان دو تایش در این بحث مهم هستند. این دو تا پروتن ها و نوترون ها می باشند. پروتن ها دارای بار الکتریکی مثبت و نوترون ها دارای بار الکتریکی خنثی هستند. بار الکتریکی الکترونها منفی است. از میان تمامی اتمها تنها هیدروژن است که نوترون ندارد. هسته ی هیدروژن تنها یک پروتن دارد.

    در اتمهای خنثی تعداد پروتن ها و الکترونها برابر است ولی تعداد نوترون ها می تواند متفاوت باشد. برخی از اتمها دارای تعداد  پروتن و الکترون یکسان ولی دارای نوترون های متفاوت اند. این نوع اتمها را ایزوتوپ همدیگر میگویند. طول عمر برخی از این ایزوتوپ ها بسیار کوتاه است. چنانکه پس از بوجود آمدن بزودی نابود می شوند. ولی برخی دیگر عمری طولانی دارند.

   در ساختن بمب و رآکتور اتمی از دو ایزوتوپ استفاده میکنند. یکی ایزوتوپ هیدروژن بنام دوتریم که هسته اش شامل یک پروتن و یک الکترون است و دیگری ایزوتوپ های اورانیم می باشند. ایزوتوپ های اورانیم شامل  U²³⁵  و U²³⁸  که اولی دارای 143 و دومی دارای 146 نوترون می باشد در حالی که هردو به اندازه ی یکسان یعنی 92 پروتن دارند. ایزوتوپ U²³⁵ در ساختن بمب و رآکتور اتمی بسیار مهم است.

   در طبیعت از هر 100% اتم اورانیم تنها 0.7% آن اتم U²³⁵ است که مقدار زیادی نیست. برای بدست آوردن یک کیلو گرم اورانیم U²³⁵ چندین تن سنگ معدن اورانیم لازم است. لازم به یادآوریست که برای کاراندازی یک رآکتور اتمی برای انرژی گیری از آن نیاز به اورانیم 1 تا 5 درصد غنی است. منظور از غنی کردن اورانیم اینست که مقدار اورانیم 235 آنرا بیشتر کنند. برای اینکار بایستی چندین عملیات انجام شود.

   در شروع کار سنگ معدن را در اسید حل می کنند  (کیک زرد همان اکسید اورانیم است)و سپس آنرا از صافی می گذرانند و پس از آن با گاز فلور ترکیب می کنند تا گازی به اسم هگزافلورید اورانیم UF₆  بدست آورند. این گاز را از صفحه های فلزی متخلخل که قطر سوراخ هایش 25 میلیاردم سانتیمتر است عبور می دهند، این عمل را دیفوزیون میگویند. در اثر این عمل گازهایی که سبکترند سریع تر از گازهایی که سنگین تر هستند از روزنه ها عبور می کنند. از این خاصیت گاز ها جهت غنی کردن، یعنی بالا بردن مقدار اورانیم 235 استفاده می کنند.  پس از این عمل با سانتریفوژهایی که ویژه ی این کار ساخته شده اند تصفیه ی مواد شروع می شود.

حال چگونه از این ماده انرژی می گیرند؟

   برای انرژی گیری باز سلسله مراتبی فیزیکی صورت میگیرد. در ابتدا یک نوترون که باری خنثی دارد وارد هسته ی اورانیم 235 می شود. این عمل به این سادگی صورت نمی پذیرد بلکه برای اینکه نوترون وارد هسته شود بایستی بر خلاف تصور سرعت آن کم باشد. برای کم کردن سرعت نوترونها آنها را از آب سنگین عبور می دهند. چنانکه پیشتر اشاره شد. آب سنگین یا دوتریم از ایزوتوپ های آب سبک و یا به قول متعارف آب معمولی است. آب معمولی نمی تواند بدان مقداری که لازم است جلو سرعت نوترون را بگیرد. گیر آوردن این آب بود که آلمانی ها را به سوی نروژ کشاند و همین نیز باعث لو رفتن آلمانی ها به وسیله ی انگلیسی ها شد. انگلیسی ها در یافتند که آلمانی ها از نروژ آب سنگین می برند. بنابراین فهمیدند که آلمانی ها در صدد تولید بمب اتمی هستند. لذا با عملیاتی متهورانه مرکز تولید آب سنگین را در نروژ ویران کردند.

   در برخورد نوترون به هسته ی اورانیم 235 ، هسته برانگیخته شده و سپس به دو و یا چند هسته ی سبکتر تجزیه میشود. به این عمل شکافت هسته ای می گویند. در یکی از این پروسه ها پس از برخورد نوترون به هسته ی اورانیم 235 دو عنصر باریم 138 و کریپون 95 و 3 تا نوترون ( در حقیقت برای هر 100 اتم اورانیم 235 ، تعداد 247 نوترون بوجود میآید) و حدود 200 میلیون الکترون ولت انرژی انتشار می یابد.

    هر نوترون جدید تولید شده به اورانیم 235 برخورد کرده سه نوترون بهمراه انرژی و همچنین موجب سه شکافت جدید می شود. انرژیی که از این شکافت ها برای یک کیلو گرم اورانیم انتشار مییابد برابر صد ها میلیون مگاوات است. این مقدار انرژی نبایستی بیک باره آزاد شود. چرا که موجب انفجاری شدید می شود. در انفجار بمب اتمی آمریکا روی هیروشیما بمبی از همین جنس اورانیم 235 استفاده شد که قدرت تخریبی 13 کیلوتن داشت. با در نظر گرفتن اینکه هر کیلوتن برابر 1000،000 کیلو انفجار دینامیت (TNT) است. در حقیقت انفجاری معادل 13 میلیون کیلو دینامیت رخ داد. فاجعه بزرگی است ، نه؟

   اگر بخواهید از این فاجعه و ننگ بشریت تصویری بهتر بدست آورید. جریان بدین شرح است:

   زمانیکه بمب اتمی آمریکا به هیروشیما افتاد، جمعیت آنجا 350000 نفر بود. 200000 نفر از این جمعیت بطور مستقیم و یا غیر مستقیم جان باختند. 90% هیروشیما به ویرانه مبدل شد. ترومن رئیس جمهور وقت آمریکا خواسته بود که عکسی از این انفجار تهیه شود تا نتیجه ی این آزمایش را که تلی از آتش و کباب انسان است به چشم ببینند. هیروشیما تنها جائی بود که آنجا باران کم می بارد. صخره ای بودن ژاپن نیز مهم بود که بمب سریع به آب ننشیند. پس قرعه به اسم هیروشیمای فلک زده افتاد. عکس یادگاری این جنایت لابد یکی از اسناد افتخارآمیز آمریکاست!

  برگردیم روی بخش فنی جریان

   چنانکه پیشتر گفتیم اورانیم 238 با انفجار کاری ندارد ولی آنقدر ها هم بی خاصیت نیست. اورانیم 238 بر عکس اورانیم 235 در زیر بمباران نوترونهای سریع تر آنها را جذب کرده و نخست با گسیل یک ذره ی بتا (الکترون)  به نپتونیم Np²³⁹ (23.5 دقیقه) و سپس با گسیل یک ذره ی بتای دیگر به پلوتونیم Pu²³⁹ که به ترتیب پلوتونیم یک نوترون از نپتونیم و نپتونیم یک نوترون از اورانیم 238  بیشتر دارند. این ایزوتوپ پلوتونیم چون هم با نوترونهای کند و هم با نوترونهای تند شکافت پذیر است. نقش بسزائی در ساختن بمب اتمی دارد. از همین نوع بمب بود که سه روز پس از بمب اتمی هیروشیما به تاریخ 9 اگوست روی سر ناکازاکی فرو ریخته شد. قدرت تخریبی آن برابر 22 کیلوتن بود. قدری کمتر از دو برابر بمب اتمی هیروشیما. در این فاجعه 122000 نفر از مردم بی گناه به زغال تبدیل شده و یا پودر گشتند.

   تقریبا تمامی بمب های اتمی کنونی از پلوتونیم ساخته شده است. مقدار بمب پلوتونیمی در سال 1994 در جهان بود 250000 برابر بمب اتمی هیروشیماست. هر 19.84 کیلو گرم پلوتونیم یک لیتر حجم دارد و از هر 1 تا 8 کیلوگرم پلوتونیم میتوان یک بمب ساخت ولی این رقم برای اورانیم 3 تا 25 کیلوگرم است.

    حال بمب اتمی چگونه منفجر می شود.

   در بخشی از کپسولی که بمب تویش است لوله ای که «لوله توپی» نامگذاری شده وجود دارد. از این لوله اولین نوترونها بیرون می آیند. در بر خورد این نوترونها به هسته ها چنانکه پیشتر رفت شکافت هسته ای و سه عدد نوترون و مقدار متنابهی انرژی خارج می شود. این را رآکسیون هسته ای نیز می گویند.  این رآکسیون ها در داخل بمب در مدت تقریبا یک میلیونیم ثانیه رخ می دهند. دلیلش روشن است. اگر فرض کنید که در درون حوض آبی جلبکی روئیده باشد و با فرض اینکه یک ماه طول بکشد که حوض پر شود و هر روز این جلبک ها دو برابر خودشان را تولید کنند. یک روز پیش از اینکه حوض پر شود، یعنی روز 29 ام تنها نصف حوض پر است. فردای آن روز یعنی روز 30 ام تمامی حوض پر می شود. این عمل در رآکسیونهای هسته ای نیز صادق است. نوترون اول سه نوترون و سه نوترون جدید 9 نوترون و سپس 27 و 81 و ... و سرعت این عمل آنقدر زیاد است که انفجار اجتناب ناپذیر می شود. دما از 27 درجه ی هوای هیروشیما به 100 درجه و سپس 1000، 5000، 6000 (دمای سطح خورشید) و بالاخره به چندین میلیون درجه می رسد که گرمائی معادل گرمای درون خورشید است.

   این انرژی گرمائی بایستی هر چه زودتر خارج شود که در ابتدا به صورت اشعه ی X و پس از یک لحظه آرامش تبدیل به کوهی از آتش و گرما می شود. این حالتی است که ما تازه قادر به مشاهده ی انفجار می شویم. نیم ثانیه بعد دما به بالاترین حد خود میرسد که سه ثانیه پس از آن خاموش می شود.

   این حرارت باعث حرکت سریع هوا شده و یک خلاء تقریبا مطلق در مرکز انفجار بوجود میآورد. بازگشت مجدد هوا آنقدر سریع است که از هر توفانی قوی تر است و باعث ویرانی تمامی بنا ها، جاده ها، اتوموبیلها، پارکها و بویژه نابودی آدمیان می شود.

   در رآکتورهای هسته ای این راکسیونها را مهار می کنند. بطوری که با فرو کردن صفحه هایی که بتواند نوترونها را جذب کند (مثلا کادمیم) در داخل محلول اورانیم و آب قرار می دهند تا اینکه انرژی به سرعت آزاد نشود و انفجار صورت نگیرد. در حقیقت رآکتور را کنترل می کنند. ولی انرژی آزاد شده ی لازم آب موجود در رآکتور را به جوش می آورد و بخار حاصل از آن از طریق لوله ای به توربین منتقل می شود و باعث چرخش توربین شده و الکتریسیته تولید می شود. بخار موجود در این پروسه و همچنین با عبور لوله های سرد از درون آن سرد شده و مجددا وارد رآکتور می شود.

   برای درک بهتر این موضوع به تصویر شماتیک زیر نگاه کنید.

  نوشته ی: دکتر شیرزاد کلهری   2005-08-16

  هرگونه استفاده از این نوشته با ذکر ماخذ آزاد است.

پیشکش به نادر امامی که دوستی قدیمی و بسیار صمیمی است

انفجار بزرگ و ظهور زمان و مکان

کی و کجا انفجار بزرگ رخ داد؟ این سوال بنظراحمقانه می آید ولی پرسشی است مانند همه ی پرسش های دیگر. 

اگر با جواب کوتاهی بگوییم که زمان و مکان هر دو با انفجار بزرگ به وجود آمده اند سخن بیهوده ای نگفته ایم. ولی منظور از این گفتار چیست؟

فرض کنید که ما فقط بتوانیم قدمهایی به اندازه ی نیم متر بر داریم. حال اگر ما را داخل یک قفسی بکنند که ابعادش کمتر از نیم متر در نیم متر باشد چگونه ما خواهیم توانست راه برویم؟ آیا ابعاد برایمان مفهومی خواهند داشت؟ آیا زمان غیر از مفهومی که از پیش در ذهن ما متبلور بود، استفاده ی دیگری خواهد داشت؟

زمان بخودی خود تغییر مکان در ابعاد را برایمان مفهوم می سازد. حال اگر این ابعاد وجود نداشته باشند چه اتفاقی پیش می آید؟ آری، زمان مفهوم خودش را از دست می دهد.

در انفجار بزرگ وقتی این مسیر شروع به بزرگ شدن کرد. یعنی وقتی که ما توانستیم بگوییم که می توانیم یک قدم و اندی برداریم زمان آغاز شد.

ولی کجا این حرکت آغاز شد؟ این حرکت در همین اتاقی که من هم اکنون نشسته ام و این مقاله را برای هم میهنان مهربان و اندیشمندم مینویسم و یا در آنسوی کهکشان راه شیری و یا شاید در وسط یک لامپ مطالعه در بالای سر شما ویا در چشم یک مگس! آری خنده دار است.

ولی اگریک لحظه بیندیشیم که تمامی کاینات از ابعادی به اندازه ی صفر آغاز شده آن موقع دیگر خنده از چهره ما رخت بر می بندد.

وقتی کشیش ایرلندی جیمز اوسشر(James Ussher, 1581-1656) کرونولوژی تورات را می نوشت. شروع جهان را 4004 سال پیش از میلاد مسیح ساعت 14.30 دقیقه روز 23 اکتبر اعلام کرد. سئوال کردند: ای کشیش گرامی! خداوند پیش از اینکه کائنات را بیآفریند چکار می کرد؟ کشیش جواب فرمودند که خداوند مشغول ساختن دوزخ برای کسانی بود که اینچنین پرسش هائی را می کنند.

ولی این پرسشی ساده نبود! این پرسش را ایمانوئل کانت از خود می کند. « اگر جهان آفریده شده است پس چرا اینهمه تاخیر در آفرینش بوجود آمده است؟» و یا « اگر جهان ازلی بوده پس چرا اتفاقات افتاده شده، تکرار نمی شوند.» یا بزعم فیزیکی مسئله چرا جهان در این زمان بینهایت به تعادل حرارتی نرسیده است؟ ایمانوئل کانت این پارادوکس را « تضاد خرد ناب » می نامد. پس باید از این پرسش ها سرسری نگذریم.

پس از اندیشه ی فلسفی بالا موضوع را ادامه می دهیم.  حالا ما می توانیم بگوئیم که جهان در زمانی صفر و مکانی صفر در حدود 15 میلیارد سال پیش  از نظر مکانی مثلا در چشم یک مگس و یا آنسوی کهکشان بوجود آمد. با انفجاری بسیار سهمگین چنانکه هنوز هم پس از15 میلیارد سال اثرات آن را که موجب انبساط فضائی بین ستارگان است، مشاهده میکنیم. همین مشاهده بود که رویای جیمز اوسشر ایرلندی را با قدری تاخیر زمانی به اندازه ی فقط 15 میلیارد سال به واقعیت مبدل ساخت. ولی ما هرگز نمی توانیم بگوئیم که خداوند پیش از آن چکار می کرد. چرا که پیش از آن زمانی نبود، مکانی هم برای جهنم نبود. وای برما که جهنم با ما ساخته شد! جیمز اوسشر ایرلندی اینجا خطا رفته بود.

جهان هنگامی عجیب می شود که بدانیم سیاره ای که دو برابر وزن خورشید ماست. در اثر سنگینی خودش در هم می رود و چنان انحنای فضا ـ زمانی بوجود می آورد که حتی نور هم نمی تواند از آن فرار کند. این را نسبیت اینشتاین نیز پیشبینی کرده بود ولی خود اینشتاین آنرا قبول نداشت. ولی حالا علیرغم قبول ویا رد آلبرت گرامی همه ی دورانها، این پدیده وجود دارد و ما آنرا سیاهچاله می گوئیم.

آینشتاین حتی نمی خواست باور کند که نسبیت عام پایان زمان را برای سیاره ای با جرم زیاد که دیگر توان گرما دهی اش چندان نیست که بتواند تعادل نیروی کششی اش را حفظ کند و در هم کشیده می شود، اعلام کند. ما اکنون می دانیم که ستاره ای با جرمی دو برابر آفتاب ما وقتی رو به سردی می گذارد آنقدر در هم فرو می رود که به سیاهچاله تبدیل میشود.

آری نور نمی تواند فرار کند. یعنی اطلاعاتی نمی تواند به ما برسد (این مورد قدری سئوال برانگیز است). یعنی ای شهان شه زادگان دور زمان را خط بکشید ! اینرا مدیون اندیشه های بزرگ مردانی چون استفن هاوکینگ (  ( Stephen Hawkingو روگر پن روز ( Roger Penrose ) هستیم.

اندیشه ای که در ابتدا برای انفجار بزرگ پیشبینی می شد بر این باور بود که این انفجار، انفجاری هسته ای بوده باشد. برای اینکار بایستی در ابتدا چگالی اولیه ای برابر 1000 کیلوگرم بر سانتی متر مکعب موجود باشد. ولی بعد ها از طریق مشاهده ی کهموج های (Microwave) پس زمینه معلوم گردید که این چگالی فرسنگها از این مقدار فاصله دارد و مقداری برابر صد هزار آندسیلیون ( Undeciljon ) یعنی یک جلوش 71 تا صفر، کیلو گرم بر سانتی متر مکعب.

انفجار ماده ای چنین چگال توانسته جهانی چنین عظیم بوجود آورد. چندان هم بی ربط نیست که اسم این انفجار را بیگ ـ بنگ ((Big – Bang یا مهبانگ نهاده اند.

   سیستم خورشیدی (منظومه ی خورشیدی) ما در لبه ی خارجی کهکشان راه شیری قرار گرفته است و با سرعتی معادل 225 کیلومتر در ثانیه دور مرکز این کهکشان می چرخد. در حقیقت 300 میلیارد ستاره در مدت 230 میلیون سال می توانند تنها یکبار به دور مرکز کهکشان به چرخند. میلیارد ها کهکشان دیگری که دور و بر کهکشان ما قرار گرفته  اند و دایماَ از ما دور می شوند. بیانگر این امرند که زمانی همگی پهلوی هم بوده اند. این پدیده ی دور شدگی را اول بار(Edwin Hubble 1929) مشاهده کرد و آنرا انبساط هابل (Hubble Expansion) می نامند.

   وی فکر کرد که اگر از نظر زمانی عقب برگردیم به جایی می رسیم که همه ی جهان در یک جا متمرکز بوده، سپس با یک انفجار بزرگ کهکشانها و ستارگان بوجود آمده اند. درست مثل اینکه فیلم سینمایی را عقب بکشند. بنا براین انبساط کنونی، ادامه ی همان انفجار بزرگ است. بنظر آلن گوت (Alan Guth, 1980) بخش بزرگی از اندازه ی جهان در همان لحظات اول صورت پذیرفته است که به تئوری تورمی (Inflation Theory) مشهور است.

   ما می توانیم عقب گرد هابل را تا  5.4x10e(-44) ثانیه (حدود 100 میلیون تریلیون تریلیون تریلیونم ثانیه) که به زمان پلانک (Time Plank) معروف است، ادامه دهیم. از پیشتر از آن ما اطلاعی در دست نداریم مگر اینکه بپذیریم هر چهار نیروی شناخته شده نیروی واحدی بوده اند. این چهار نیرو عبارتند از نیروی قوی، نیروی ضعیف، نیروی الکترومغناطیس و نیروی گرانشی که خود موضوع بحث جداگانه ای است که به بحثهای بسیار جالبی چون نظریه ی ریسمان (String Theory)، نظریه ی M و ... ختم میشوند. همگی این نظریه ها در صدد آشتی دادن این چهار نیرو در زیر چتر یک تئوری واحد هستند. تا به آرزوی فیزیک دانان، با عنوان تئوری جهانشمولی که توضیح دهنده ی تمامی پدیده های فیزیکی باشد، جامه ی عمل بپوشانند.

برای این کار راه درازی در پیش است. راهی که بایستی چاه بین نسبیت عام از سویی و تئوری کوانتمی از سوی دیگر را پر کند. به امید آنروز.

پی نوشت:

در نوشتن این مقاله از کتابها و مقالاتی استفاده کرده ام که مهمترین آنها: آثار استفن هاوکینگ، روگر پن روز، جی. سی. پاتی، عبدالسلام، پ. دبلیو. هیگز (P. W. Higgs)، اس، ال، گلاشو (S. L. Glashow)،