نیروی هستهای: نیروی قوی نگهدارندهٔ هسته
ساختمان اتم و معمای پایداری هسته
برای درک نیروی هستهای، ابتدا باید ساختمان اتم را مرور کنیم. هر اتم از یک هستهٔ کوچک و متراکم و الکترونهایی که به دور آن میچرخند تشکیل شده است. هسته خود از ذرات ریزتری به نام نوکلئون2 ساخته شده که شامل پروتون3 (با بار الکتریکی مثبت) و نوترون4 (بدون بار الکتریکی یا خنثی) است.
حالا یک معما پیش میآید: پروتونها بار مثبت دارند و طبق قانون کولن، بارهای همنام یکدیگر را دفع میکنند. نیروی این دافعهٔ الکتریکی در فاصلههای بسیار کوچک درون هسته، فوقالعاده قوی است. برای مثال، دو پروتون در فاصلهای که در هسته دارند، یکدیگر را با نیرویی حدود 100 نیوتن دفع میکنند! پس سؤال اینجاست: چه نیروی قدرتمندی این پروتونها را کنار هم نگه میدارد و ماناز فروپاشی فوری هسته میشود؟ پاسخ، «نیروی هستهای قوی» است.
| ذره | بار الکتریکی | جرم نسبی | موقعیت |
|---|---|---|---|
| پروتون | +1 | ~1 | درون هسته |
| نوترون | 0 | ~1 | درون هسته |
| الکترون | -1 | نسبتاً ناچیز | حرکت به دور هسته |
ویژگیهای شگفتانگیز نیروی هستهای قوی
این نیرو با نیروهای آشنایی مثل گرانش یا الکترومغناطیس تفاوتهای اساسی دارد. درک این ویژگیها کلید فهم کارکرد هسته است.
۱. قویترین نیروی شناختهشده: نیروی هستهای قوی، حدود 100 برابر قویتر از نیروی دافعهٔ الکترومغناطیسی بین پروتونهاست. همین قدرت است که بر دافعه غلبه میکند. اگر نیروی هستهای نبود، هیچ هستهای به جز سادهترین آن (هیدروژن) نمیتوانست وجود داشته باشد و جهان از اتمهای سنگینتر خالی میشد.
۲. برد بسیار کوتاه: برخلاف گرانش و الکترومغناطیس که تا بینهایت اثر میکنند، نیروی هستهای فقط در فاصلههای بسیار کوچک (در حدود $10^{-15}$ متر یا یک فمتومتر) عمل میکند. به محض اینکه نوکلئونها از این فاصله فاصله بگیرند، نیروی بین آنها به سرعت به صفر میرسد. میتوان آن را مانند چسبی فوقالعاده قوی اما با طول بسیار کوتاه تصور کرد که فقط وقتی ذرات در تماس نزدیک هستند میچسبند.
۳. استقلال از بار الکتریکی: این نیرو برای پروتون-پروتون، پروتون-نوترون و نوترون-نوترون تقریباً یکسان است. به این ویژگی «استقلال از بار»5 میگویند. یعنی نیروی هستهای، نوکلئونها را فارغ از بار الکتریکیشان به یک اندازه جذب میکند.
نیروی هستهای چگونه پایداری و واپاشی را تعیین میکند؟
تعادل بین نیروی جاذبهٔ هستهای قوی و نیروی دافعهٔ الکترومغناطیسی، سرنوشت یک هسته را مشخص میکند. هستههای سبک (مثل هلیم، کربن، اکسیژن) معمولاً بسیار پایدارند زیرا نیروی هستهای به خوبی بر دافعه غلبه دارد. اما با افزایش تعداد پروتونها (عدد اتمی Z)، دافعهٔ الکتریکی جمعی افزایش مییابد.
برای حفظ پایداری در هستههای سنگینتر، طبیعت راهحل جالبی دارد: افزودن نوترون. نوترونها نیروی هستهای جاذبه اضافه میکنند اما چون بار ندارند، به دافعهٔ الکتریکی اضافه نمیکنند. به همین دلیل در هستههای سنگینتر، نسبت نوترون به پروتون بیشتر از هستههای سبک است. برای مثال، هستهٔ آهن-56 ($_{26}^{56}\text{Fe}$) با 26 پروتون و 30 نوترون، یکی از پایدارترین هستههاست.
اگر هستهای از حد معینی سنگینتر شود (مثل اورانیوم-238)، دافعهٔ الکتریکی ممکن است بر جاذبهٔ هستهای غلبه کند و هسته ناپایدار شده و دچار «واپاشی» یا «شکافت»6 شود. در واپاشی، هسته ذراتی مانند ذرهٔ آلفا (هسته هلیم) یا بتا (الکترون) گسیل میکند. در شکافت، هستهٔ سنگین به دو هستهٔ سبکتر تقسیم میشود.
| عنصر (نماد) | تعداد پروتون (Z) | تعداد نوترون (N) | پایداری |
|---|---|---|---|
| هلیم (He) | 2 | 2 | بسیار پایدار |
| آهن (Fe) | 26 | 30 | پایدار |
| اورانیوم-238 (U) | 92 | 146 | ناپایدار (رادیواکتیو) |
کاربردهای عملی: از نیروگاه تا ستارگان
انرژی حاصل از تغییرات در چسبندگی هستهای (انرژی پیوند هستهای) منبع عظیمی است که در دو فرآیند معکوس آزاد میشود: شکافت هستهای و همجوشی هستهای7.
شکافت هستهای: در این فرآیند، یک هستهٔ سنگین ناپایدار (مثل اورانیوم-235) با جذب یک نوترون به دو هستهٔ سبکتر شکافته میشود. در این شکافت، علاوه بر تولید هستههای سبکتر، تعدادی نوترون جدید و مقدار بسیار زیادی انرژی آزاد میشود. این انرژی گرمایی، آب را به بخار تبدیل کرده و توربینهای نیروگاه هستهای را به حرکت درمیآورد و برق تولید میکند.
همجوشی هستهای: این فرآیند عکس شکافت است. در همجوشی، دو هستهٔ بسیار سبک (مثل دوتریوم و تریتیوم که ایزوتوپهای هیدروژن هستند) تحت دما و فشار فوقالعاده بالا به هم جوش میخورند و یک هستهٔ سنگینتر (هلیم) تولید میکنند. در این فرآیند هم انرژی بسیار بیشتری نسبت به شکافت آزاد میشود. همجوشی، منبع انرژی خورشید و سایر ستارگان است. دانشمندان در تلاشند تا این فرآیند را روی زمین مهار کنند تا منبعی پاک و تقریباً بیپایان از انرژی فراهم شود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: بله، اما به طور غیرمستقیم. آنچه در این پدیدهها رها میشود، انرژی ذخیره شده در اثر نیروی هستهای است. نیروی هستهای قوی خودش مانند یک چسب قوی عمل میکند و انرژی را در هسته ذخیره میکند. وقتی هستهای شکافته یا همجوشی میکند، بخشی از این انرژی پیوند آزاد شده و به شکل گرما و نور ظاهر میگردد.
پاسخ: این یک پرسش بسیار هوشمندانه است. در هستههای بزرگ، هر نوکلئون فقط با نوکلئونهای همسایهٔ نزدیک خود (در محدودهٔ برد نیروی هستهای) پیوند دارد. این ویژگی را اشباعشدگی مینامند. در عین حال، دافعهٔ الکتریکی بین پروتونها برد بلند دارد و هر پروتون، دافعهٔ تمام پروتونهای دیگر را احساس میکند. در هستههای بسیار سنگین، همین دافعهٔ جمعی بلندبرد است که میتواند بر جاذبهٔ هستهای کوتاهبرد و اشباعشده غلبه کند و منجر به ناپایداری شود.
پاسخ: نیروی هستهای قوی بین هر جفت نوکلئونی (پروتون-پروتون، پروتون-نوترون، نوترون-نوترون) عمل میکند. این همان ویژگی «استقلال از بار» است. در واقع، نیروی جاذبهٔ بین دو پروتون، ترکیبی از دو نیروست: دافعهٔ الکتریکی قوی (به دلیل بار مثبت) و جاذبهٔ هستهای بسیار قویتر (در فاصلههای بسیار نزدیک). در فاصلههای هستهای، جاذبهٔ هستهای بر دافعه غلبه میکند و پروتونها را کنار هم نگه میدارد.
پاورقی
1نیروی هستهای قوی (Strong Nuclear Force): یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت که مسئول نگه داشتن کوارکها درون پروتون و نوترون و همچنین نگه داشتن خود پروتونها و نوترونها درون هسته است.
2نوکلئون (Nucleon): ذرهای که در هستهٔ اتم یافت میشود. پروتون و نوترون دو نوع نوکلئون هستند.
3پروتون (Proton): ذرهای با بار الکتریکی مثبت که در هستهٔ اتم قرار دارد. عدد اتمی یک عنصر برابر با تعداد پروتونهای هستهٔ آن است.
4نوترون (Neutron): ذرهای بدون بار الکتریکی (خنثی) که در هستهٔ اتم قرار دارد و همراه با پروتونها، جرم اصلی اتم را تشکیل میدهد.
5استقلال از بار (Charge Independence): ویژگی نیروی هستهای قوی که طبق آن، نیروی بین دو نوکلئون مستقل از بار الکتریکی آنها (پروتون یا نوترون بودن) است.
6شکافت هستهای (Nuclear Fission): فرآیندی که در آن یک هستهٔ سنگین به دو یا چند هستهٔ سبکتر شکافته میشود و همراه با آن انرژی و نوترون آزاد میشود.
7همجوشی هستهای (Nuclear Fusion): فرآیندی که در آن دو هستهٔ سبک تحت شرایط دما و فشار بسیار بالا به هم میپیوندند و هستهای سنگینتر تولید میکنند و مقدار زیادی انرژی آزاد میشود.
