واپاشى: سفر پرماجرای هستهها براى رسیدن به آرامش
آشنایی با دنیای درون هسته
همه چیز از اتم شروع مىشود. اتم خود از هسته (شامل پروتون و نوترون) و الکترونها تشکیل شده است. نیروى بسیار قوىاى به نام نیروى هستهاى قوى۳ پروتونها و نوترونها را در کنار هم نگه مىدارد و در مقابل، نیروى دافعۀ الکترواستاتیک بین پروتونهاى با بار مثبت سعى دارد آنها را از هم جدا کند.
پایداری یک هسته به نسبت تعداد نوترونها به پروتونها بستگی دارد. هستههایى که این نسبت در آنها از محدوده خاصى خارج شود، ناپایدار هستند. این ناپایداری باعث مىشود هسته براى رسیدن به آرامش، ذرات یا انرژی از خود ساطع کند که به آن واپاشی میگوییم.
| نوع واپاشى | ذره یا موج گسیل شده | تاثیر بر هسته | یک مثال ساده |
|---|---|---|---|
| واپاشى آلفا (α) | هسته هلیم شامل 2 پروتون و 2 نوترون | عدد اتمی 2 واحد و عدد جرمی 4 واحد کاهش مییابد. | $^{238}_{92}U \to ^{234}_{90}Th + ^{4}_{2}He$ |
| واپاشى بتا (β-) | یک الکترون پرانرژی و یک ضد نوترینو۴ | یک نوترون به پروتون تبدیل میشود. عدد اتمی 1 واحد افزایش مییابد. | $^{14}_{6}C \to ^{14}_{7}N + e^- + \bar{\nu}$ |
| گسیل گاما (γ) | فوتونهای پرانرژی (امواج الکترومغناطیسی) | هیچ تغییری در ترکیب پروتون و نوترون رخ نمىدهد، فقط انرژی اضافی هسته آزاد میشود. | هسته پس از واپاشى آلفا یا بتا در حالت برانگیخته است و با تابش گاما به حالت پایه مىرود. |
نیمهعمر: ساعت درونی مواد رادیواکتیو
یک پرسش جالب: واپاشى چقدر طول مىکشد؟ پاسخ در مفهوم مهم نیمهعمر نهفته است. نیمهعمر، زمان لازم براى واپاشى نیمى از اتمهاى یک نمونه رادیواکتیو است. این زمان براى هر ماده، ثابت و منحصربهفرد است. مثلاً نیمهعمر کربن-14 حدود 5730 سال است. این یعنى اگر یک کیلوگرم کربن-14 داشته باشیم، پس از 5730 سال، نیم کیلوگرم از آن واپاشیده شده و نیم کیلوگرم باقى مىماند.
نیمهعمرها محدوده بسیار گستردهاى دارند. از کسرى از ثانیه براى بعضى هستهها، تا میلیاردها سال. این ساعت طبیعت، اساس یک تکنیک مهم علمى به نام قدمتیابى رادیومترى۵ است. با اندازهگیرى مقدار باقیمانده ماده رادیواکتیو در یک فسیل یا سنگ، مىتوان سن آن را محاسبه کرد.
واپاشى در خدمت بشر: از درمان سرطان تا تأمین انرژی
شاید فکر کنید واپاشى فقط یک پدیده فیزیکى است، اما کاربردهاى عملى فراوانى دارد که زندگى ما را تحت تاثیر قرار داده است.
پزشکی: از پرتوهاى گاما براى استریل کردن تجهیزات پزشکی استفاده مىشود. در پرتودرمانى، پرتوهاى متمرکز براى نابودى سلولهاى سرطانى به کار مىروند. همچنین از مواد رادیواکتیو به عنوان ردیاب۶ در تصویربردارى از اندامهاى داخلى بدن (مثل اسکن تیروئید) استفاده مىشود.
تولید انرژی: در نیروگاههاى هستهاى، واپاشى کنترل شده اورانیوم-235 گرمای بسیار زیادی تولید میکند. این گرما برای تولید بخار و چرخاندن توربینها و در نهایت تولید برق استفاده میشود.
باستانشناسی و زمینشناسی: همانطور که گفتیم، با استفاده از نیمهعمر ایزوتوپهایی مانند کربن-14 یا اورانیوم-238 میتوان سن آثار باستانی، فسیلها و حتی سن زمین را تخمین زد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر. واپاشى یک فرآیند خودبهخودی و تدریجی در سطح اتمهاست. آنچه که در یک بمب اتمى منفجر مىشود، یک واکنش زنجیرهاى سریع و کنترل نشده است که مقدار بسیار زیادى از اتمها در کسرى از ثانیه واپاشیده مىشوند و انرژى عظیمى آزاد مىکنند.
نه هر مادهاى. فقط هستههایى که از نظر تعداد پروتون و نوترون ناپایدار باشند، رادیواکتیو هستند و واپاشى مىکنند. ما مىتوانیم در آزمایشگاه با بمباران هستهها، برخى مواد پایدار را به صورت مصنوعى ناپایدار کنیم.
ذرات آلفا و بتا باردارند و در برخورد با مواد (حتى یک ورق کاغذ یا آلومینیوم نازک) متوقف مىشوند. اما پرتوهاى گاما، امواجى با انرژى بسیار بالا هستند و قدرت نفوذ بسیار زیادى دارند. براى متوقف کردن آنها به لایههاى ضخیم سرب یا بتن نیاز است. اگر این پرتوها از بدن انسان عبور کنند، مىتوانند به سلولها آسیب بزنند.
پاورقی
۱ نیمهعمر (Half-life): مدت زمان لازم برای واپاشی نیمی از اتمهای یک نمونه رادیواکتیو.
۲ پرتودرمانی (Radiation Therapy): استفاده از پرتوهای یونساز (مانند پرتوهای گاما) برای از بین بردن سلولهای سرطانی.
۳ نیروی هستهای قوی (Strong Nuclear Force): نیروی جاذبه بسیار قوی کوتاهبرد که بین کوارکها (ذرات تشکیل دهنده پروتون و نوترون) عمل میکند و هسته اتم را نگه میدارد.
۴ ضد نوترینو (Antineutrino): ذرهای بنیادی با جرم بسیار ناچیز و بدون بار الکتریکی که در برخی واپاشیهای بتا همراه با الکترون گسیل میشود.
۵ قدمتیابی رادیومترى (Radiometric Dating): روشی برای تخمین سن مواد با استفاده از اندازهگیری نسبت ایزوتوپهای رادیواکتیو به محصولات واپاشی آنها.
۶ ردیاب (Tracer): مادهای رادیواکتیو که برای پیگیری مسیر یا تجمع در یک سیستم بیولوژیکی یا صنعتی استفاده میشود.
