*مینا*
31st December 2009, 07:28 AM
در هر کشوری، سازمان سیاحت وجهانگردی برای جهانگردان خارجی، راهنمایان متخصصی را تدارک می بیند تا این راهنمایان، جهانگردان را با مناطق سیاحتی و تاریخی کشور آشنا سازند و در طول سفر اطلاعاتی را در این زمینه به آن ها ارائه می دهند. در فیزیک نیز ما برای علاقه مندان به فیزیک (جهانگردان فیزیک)، راهنمایی تدارک دیده ایم. راهنمایی که برای سفر به اعماق هسته و ذرات زیر اتمی برای شما انتخاب کردیم، "نانو" نام دارد (نانو واحد فیزیکی و معادل 10 به توان 9- متر است). "نانو" ما را در سفر به اعماق زیر اتمی راهنمایی می کند و ما را با این دنیای به ظاهر کوچک اما وسیع و گسترده آشنا می سازد. پس خود را برای سفر به درون اتم آماده کنید. امیدورام که "نانو" راهنمای خوبی برای شما در این سفر باشد.
سفر خوشی را برای شما آرزو می کنیم!
مقدمات سفر
هنگامی که فیزیکدانان مشغول بررسی ساختار متکامل اتم بودند، متوجه توده متراکمی که در مرکز آن قرار دارد، شدند. و درصدد برآمدند تا به ساختار این توده که بخش ناچیزی از اتم را اشغال کرده است، دست یابند. این ابر متراکم همان هسته اتم است که بار الکتریکی مثبت دارد. برای درک صحیح و روشن از ساختار هسته، بهتر است با مرور از بیان مفاهیم رایج در ساختمان هسته، به بررسی ساختار آن بپردازیم.
شروع سفر
ذرات سازنده اتم را زیر اتمی می گویند. این ذرات به دو دسته تقسیم می شوند:
1)هادرون ها
2)لیپتون ها
هادرون ها: ترکیباتی هستند که از ذرات بنیادی کوارک تشکیل شده اند. کوارک ذره ای بنیادی که دارای بار الکتریکی است و اندازه بار الکتریکی آن کمتر از 1 واحد است. تا کنون 6 نوع کوارک کشف شده است که عبارتند از: کوارک بالا(Up)،افسون(Charm) و رو(Top) با بار الکتریکی 3/2+ (دو سوم)، کوارک پایین(Down)،عجیب(Strange) وته(Bottom) با بارالکتریکی3/1-(منفی یک سوم).
علاوه بر بارالکتریکی که نمودار خواص کوارک هاست از خواص دیگری بنام "رنگ " نیز استفاده می شود. کوارک ها در سه رنگ "آبی"، "قرمز" و "سبز" طبقه بندی می شوند.این رنگ ها به منزله نوع بارالکتریکی آن هاست که مشخصه نیروی بنیادی میان کوارک هاست. اگر سه کوارک با این سه رنگ مختلف در کنار یکدیگر قرار گیرند رنگ سفید حاصل می شود.به ذراتی که از سه کوارک تشکیل شده اند، باریون می گویند. معروفترین و پایدارترین باریون های شناخته شده، پروتون و نوترون هستند. پروتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین و نوترون از دو کوارک پایین و یک کوارک بالا تشکیل شده و به همین دلیل است که پروتون دارای بار الکتریکی 1+ و نوترون بی بار(با استفاده از جمع جبری بار کوارک های سازنده).
به ترکیبات هادرونی که از یک کوارک وضد کوارک تشکیل شده باشند، مزون می گویند. مثلاً یک کوارک آبی و یک کوارک ضد آبی در کنار هم که قرار گیرند، مزون را ایجاد می کنند. مزون ها ناپایدارند و در مدت زمان بسیار کم به انرژی تبدیل می شوند.معروفترین مزون های شناخته شده پیون، که از یک کوارک بالا و ضد کوارک پایین و همچنین کائون، که از کوارک بالا و ضد کوارک عجیب تشکیل شده اند. که عمر این ذرات به 0.000000002 ثانیه هم نمی رسد. اخیراً یک ترکیب هادرونی که از پنج کوارک تشکیل شده است، کشف کرده اند.
" نانو به پنتا کوارک طوری خیره شده بود که گویا اولین باری است که آن را می بیند، اما بر اساس اطلاعات دریافتی در این زمینه توضیح می دهد: " این ترکیب که پنتا کوارک نامیده شده است از دو کوارک پایین، دوکوارک بالا و یک ضد کوارک عجیب تشکیل شده که درمدت زمان کمتر از 20 -^10 (ده به توان منفی 20) ثانیه فرو می پاشد و به یک نوترون و کائون مثبت تبدیل می شود. در ترکیبات هادرون ها نیروهای بنیادی وجود دارد که این نیرو ها قالب ترکیبات هادرونی را نگه می دارد. نیروهای بنیادی، نیروهای حاکم بر جهان می باشند که میان ذرات سنگ بنای مواد برقرار است. این نیروها به چهار دسته تقسیم می شوند:
1- نیروی قوی(رنگ)
2- نیروی الکترومغناطیسی
3- نیروی ضعیف
4- نیروی گرانشی
* نیروی قوی: این نیرو مخصوص ترکیبات کوارکی است که میان کوارک ها بر قرار است. لازمه برقراری این نیرو آن است که سه کوارک با سه رنگ مختلف (که در بالا ذکر شد) در کنار یکدیگر قرار گیرند، همانطور که لازمه برقراری نیروی الکتریکی آنست که دو ذره باردار در کنار هم باشند. به همین دلیل است که کوارک ها به تنهایی در طبیعت یافت نمی شوند. این نیرو از پرت شدن کوارک ها در درون پروتون و نوترون جلوگیری می کند. این نیرو توسط گلوئون ها، بین کوارک ها منتقل می شود. البته این نیرو فقط در فواصل کوتاه کارگر است.
* نیروی الکترومغناطیسی: این نیرو میان ذرات باردار ایجاد می شود. و همچنین نیروی الکترومغناطیسی بر ذرات باردار که در میدان مغناطیسی در حال حرکتند، وارد می شود. این نیرو توسط فوتون ها، بین ذرات باردار منتقل می شود.
*نیروی ضعیف: علاوه بر دو نیرویی که در بالا ذکر شد، نیرویی وجود دارد که بدون استثنا بر تمام ذرات جهان در فواصل بسیار بسیار کم حکمفرماست. این نیرو را نیروی ضعیف می نامند، که توسط بوزون ها میان ذرات منتقل می شود.
*نیروی گرانشی (جاذبه): نیروی جاذبه ای است که میان اجسامی که دارای جرم می باشند حکمفرماست. این نیرو نسبت به نیروهای بنیادی دیگر در مورد ذرات بنیادی ودر فواصل کوتاه بسیار ضعیف است. این نیرو در مورد اجرام آسمانی موثر است. نیرو گرانشی توسط ذرات گراویتون(Graviton)میان مواد جابجا می شود. ناقلان نیروهای بنیادی همگی از ذرات بنیادی به شمار می آیند.
لیپتون ها : لیپتون ها ذرات بنیادی هستند که نیروی قوی (رنگ) بر آن ها حاکم نیست. معروفترین لیپتون های شناخته شده، الکترون، میون ها و تاو می باشند که همگی این ذرات بار الکتریکی منفی دارند. الکترون ها پایدارند اما دوذره میون و تاو عمرشان بسیار کم می باشد. نوترینوی این ذرات نیز وجود دارد که پایدار هستند.
نوترون ها به تنهایی ناپایدارند و پس از حدود 15 دقیقه از بین می روند و به یک پروتون و الکترون تبدیل می شوند. در آزمایشگاه مقدار انرژی محاسبه شده برای الکترون واپاشی شده، کمتر از مقدار مشاهده شده در آزمایش این واکنش بوده است. فیزیکدانان با بررسی کل انرژی در قبل و بعد از واکنش به این نتیجه رسیدند که مقداری انرژی در واپاشی الکترون ناپدید شده است و پایستگی انرژی در این مورد صدق نمی کند. تا اینکه در سال 1933 ولفگانگ پائولی نظریه ای را در این مورد ارئه داد. این نظریه می گوید هنگامی که الکترون یا هر ذره بنیادی میون یا تاو، واپاشی می کند، مقداری از انرژی آزاد شده در این واکنش توسط ذره ای بی بار که جرم آن نزدیک به صفر است حمل می شود. این ذره را نوترینو یعنی یک ذره خیلی کوچک خنثی، نام نهادند. چون جرم این ذره نزدیک به صفر است، تشخیص آن در آزمایشگاه ها بسیار سخت و مشکل بود.
" نانو کمی مکث کرده و ادامه می دهد :" تا اینکه در سال 1956 به وجود این ذره در یک میدان مغناطیسی بسیار بسیار قوی پی بردند.
پس تمام ذرات لیپتون، کوارک ها و ذرات میدان (ذرات منتقل کننده نیرو) جزو ذرات بنیادی هستند.از این ذرات بنیادی، فقط کوارک بالا، پایین والکترون در ساختار جهان ما نقشی را برعهده دارند. پروتون ها و نوترون ها نسبت به الکترون ها بسیار سنگین هستند اما اندازه بار الکتریکی پروتون ها والکترون ها یکسان می باشد.
اکنون با مرور بر مفاهیم ذرات بنیادی، می توانیم ساختمان هسته را توصیف کنیم. هسته از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده که به طور متراکم در کنار یکدیگر قرار دارند. به ذرات سازنده هسته، نوکلئون می گویند. هسته دارای بارالکتریکی مثبت می باشد. اندازه بار الکتریکی هسته که ناشی از پروتون های آن می باشد، برابر با مجموع اندازه تعداد بار الکتریکی منفی الکترون هاست. به همین دلیل اتم در حالت طبیعی از نظر بار الکتریکی خنثی است. اگر اتم الکترونی را از دست بدهد، تعداد بار الکتریکی منفی کمتر از تعداد بار الکتریکی مثبت می شود و درنتیجه اتم به یون مثبت تبدیل می شود. اتم های فلزی دارای چنین خاصیتی هستند. اما اگر اتمی الکترونی را دریافت کند، تعداد بار الکتریکی مثبت کمتر از تعداد بار الکتریکی منفی می شود و در نتیجه اتم به یون منفی تبدیل می گردد. اتم های عناصر نافلز دارای چنین خاصیتی می باشند.هسته با بار الکتریکی مثبت خود باعث می شود که الکترون ها در سطوح انرژی معین در اطراف خود حرکت کنند. تا جایی که می دانیم، بیشتر فضای اتم توخالی است و بخش ناچیزی از آن را هسته اشغال کرده است. هسته که دربرگیرنده ذرات سنگین می باشد، جرم اتم به شمار می رود. اما در واحد جرم اتمی، جرم الکترون های اتم را نیز در نظر می گیرند.
تعداد پروتون های هسته یک اتم را عدد اتمی می گویند که با A نشان می دهند. عدد اتمی نیز نمودار تعداد الکترون های اتم خنثی به شمار می رود. تعداد نوکلئون های هسته یک اتم را عدد جرمی می گویند که با Zنشان می دهند. پس (Z-A) تعداد نوترون های هسته را به ما نشان می دهد.
هر عنصر عدد اتمی منحصر به فردی دارد که نمایانگر خاصیت شیمیایی آن می باشد اما عدد جرمی عنصر نمایانگر خواص فیزیکی عنصر مانند چگالی و جرم می باشد. اما عدد جرمی هسته های اتم های یک عنصر متفاوت می باشد. و این تفاوت ناشی از متغییر بودن تعداد نوترون های هسته های عنصر می باشد. پس به عناصری که عدد اتمی آن ها یکسان اما عدد جرمیشان متفاوت می باشد، ایزوتوپ های آن عنصر می گویند. مثلا ًعدد اتمی کربن 6 می باشد اما کربن دارای 4 ایزوتوپ با اعداد جرمی 13,12,11 و14 می باشد. عدد جرمی را در پایین نماد عنصر و عدد اتمی را در بالای نماد عنصر می نویسند.
ما می دانیم که هسته توده ای توپر و متراکم می باشد که در آن پروتون ها و نوترون ها به صورت فشرده در کنار یکدیگر قرار گرفته اند. به نیرویی که بر پروتون ها و نوترون ها وارد شده و آن ها را در هسته، در کنار یکدیگر قرار می دهد، نیروی هسته ای می گویند. نیروی هسته ای بایستی آنقدر قوی باشد تا بر نیروی رانشی میان پروتون های هسته که در کنار یکدیگر قرار گرفته اند، فایق شده و آن ها را در کنار یکدیگر قرار داده تا هسته را پایدار نگه دارد. نیروی هسته ای نیروی بنیادی نیست بلکه نیروی های بنیادی، زیر بنای این نیروی قوی می باشند. البته نیروی قوی(کوارک) و نیروی ضعیف نسبت به دو نیروی بنیادی دیگر، بر نیروی هسته ای موثرترند. به همین دلیل نیروی هسته ای در فواصل کوتاه کارگر است.
هنگامی که پروتون ها و نوترون ها در کنار یکدیگر قرار می گیرند و هسته اتمی را به وجود می آورند، مجموع جرم پروتون ها ونوترون های هسته از جرم هسته کمتر می باشد، پس در تشکیل هسته اتم، مقداری جرم به انرژی تبدیل می شود. که به این مقدار انرژی، انرژی اتصال هسته می گویند. پس انرژی اتصال، مقدار انرژی لازم برای شکستن کامل هسته اتم وتبدیل آن به پروتون ها و نوترون های مستقل، و یا مقدار انرژی که بر اثر تشکیل هسته اتم آزاد می شود، می باشد.
اگر Mn مجموع جرم نوکلئون ها ، Me جرم الکترون و Mx جرم اتمی ایزوتوپ یک عنصر باشد، آنگاه انرژی اتصال هسته از رابطه زیر بدست می آید:
E=(Mn+A Me) c^2- (Mx) c^2
نیروی هسته ای نیرویی کوتاه برد که در فاصله محدودی موثر است. در هسته پایدار اتم های سبک تعداد پروتون ها و نوترون ها برابر و یا اختلافشان به یک نزدیک می شود. اما در هسته اتم های سنگین تعداد پروتون ها و نوترون ها بیشتر می شود به طوری که در اتم های سنگین تعداد نوترون ها بیشتر از پروتون ها می شود تا بر نیروی رانشی پروتون ها که در حال افزایش می باشد، غلبه کند، و این امر خود سبب می شود تا از طرفی شعاع هسته افزایش یابد و از طرف دیگر نیروی رانشی میان پروتون ها قوی تر می شود، و در نتیجه نیروی هسته ای نمی تواند هسته را پایدار نگه دارد و هسته فرو می پاشد. سنگین ترین هسته پایدار بیسموت 209 (عدد جرمی 209 و عدداتمی 83) و سبکترین هسته ناپایدار تریتیم (ایزوتوپی از هیدروژن که عدد جرمی آن 3 می باشد). تحقیقات نشان داده اند هسته هایی که عدد اتمی آن ها 20،8،2 و یا 82 می باشد، نسبت به سایر نوکلئید ها از پایداری کاملی برخوردارند، زیرا انرژی اتصال هسته ای این عناصر زیاد می باشد. و همچنین این عناصر نسبت به عناصر اطراف خود در جدول تناوبی، ایزوتوپ های بیشتری دارند. هنگامی که هسته ای فرو می پاشد، شکافت هسته ای رخ می دهد که در طی این واکنش هسته ای مقدار زیادی انرژی آزاد می شود. انرژی آزاد شده در واکنش هسته ای نسبت به واکنش شیمیایی بسیار زیاد می باشد، زیرا در طی این واکنش مقداری جرم به انرژی تبدیل می شود. پس جرم هسته اولیه بیشتر از جرم هسته محصولات است. پس واکنش هسته ای واکنشی است که در آن یک هسته به هسته دیگر تبدیل می شود که در طی این واکنش مقادیر عظیمی انرژی آزاد می شود. واکنش های هسته ای به دو دسته تقسیم می شوند:
1) شکافت هسته
2) همجوشی
شکافت هسته ای :
واکنشی است که در آن هسته مادر دچار دگرگونی می شود و در این دگرگونی تعداد پروتون ها و نوترون های نوکلئید تغییر می کند و در نتیجه هسته به نوکلئیدی جدید تبدیل می گردد که در این تبدیل مقداری جرم به انرژی تبدیل می شود. در طی شکافت هسته ای، ذرات بنیادی و ترکیبات هادرونی که طول عمرشان بسیار کم می باشد، نیز تولید می گردد. اما در فاصله زمانی بسیار کوتاه این ذرات به انرژی تبدیل می شوند؛ مانند تولید کاوون ها که در برخورد پرتو گاما به هسته کربن 12 در مدت زمان کمتر از 10- ^10 ثانیه متلاشی می شود. شکافت های هسته ای همراه با واپاشی پرتوزایی می باشد. پرتو های آلفا، بتا و گاما از جمله پرتو های شناخته شده در پرتوزایی می باشند.
آلفا, از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده و دارای بار الکتریکی 2+ است به همین خاطر آلفا هسته هیلیم به شمار می رود. هسته های سنگین تر که عدد جرمی و عدد اتمی آن ها به ترتیب بیشتر از 209 و83 باشد، مطابق آنچه که در بالا به آن اشاره شد، در فروپاشی خود می توانند ذرات آلفا را گسیل کنند. ذرات آلفا مقدار انرژی آزاده شده در شکافت هسته ای را برای خود دریافت می کنند؛ که این مقدار انرژی به صورت انرژی جنبشی پرتو آلفا ظاهر می شود. سرعت پرتو آلفا در حدود 16000کیلومتر بر ثانیه است. این پرتو می تواند در برخی از اجسام نازک نفوذ کرده و از آن ها عبور کند.
بتا؛ در واپاشی بتا دو نوع بتا گسیل می شود. بتا مثبت وبتا منفی. بتا منفی از الکترون تشکیل شده و بار الکتریکی آن 1- و بتا مثبت از پوزیترون(ضد الکترون) تشکیل شده و اندازه بار آن 1+ است.
در برخی از اتم ها، هسته اتم برای آنکه به پایداری برسد، در هسته، یک نوترون به پروتون و الکترون تبدیل می شود، و در نتیجه عدد اتمی هسته یکی افزایش می یابد و عدد جرمی آن ثابت باقی می ماند. در این واکنش هسته ای، یک الکترون از هسته اتم گسیل می شود که به آن پرتو بتا (منفی) می گویند. الکترون گسیلی، مقداری از انرژی آزاد شده در این واکنش را برای خود می گیرد، که این انرژی به صورت انرژی جنبشی بتا ظاهر می شود اما در این فرایند مقداری از انرژی توسط پادنوترینو حمل می شود. به همین دلیل، الکترون گسیلی از هسته اتم، در درون اتم قرار نمی گیرد؛ و چون در هسته جدید تعداد پروتون ها بیشتر از الکترون های اتم می باشد، اتم به یون مثبت تبدیل می شود. به طوری که اگر این واکنش را در یک میدان مغناطیسی قوی قرار دهیم، بتا در یک مسیر و یون مثبت در مسیر خلاف آن منحرف می شود. و این آزمایش نشان دهنده منفی بودن بار بتاست. سرعت بتا در حدود 130,000 کیلومتر بر ثانیه است.
در بعضی از اتم ها، نوکلئید اتم برای رسیدن به پایداری، در هسته یک پروتون به نوترون و پوزیترون(ضد الکترون) تبدیل می شود و در نتیجه عدد اتمی آن یکی کم می شود و عدد جرمی ثابت باقی می ماند. پوزیترون از هسته اتم گسیل می شود که به آن بتای مثبت می گویند. بتای مثبت مقداری از انرژی آزاد شده در این واکنش را دریافت می کند و همچنین مقداری از انرژی آزاد شده در این فرایند توسط نوترینو حمل می شود. چون در این واکنش تعداد پروتون ها کمتر از الکترون ها می شود در طی این فرایند در مدت زمان بسیار کوتاه، اتم به یون منفی تبدیل می گردد؛ و این امر سبب می شود که قدرت هسته در جذب الکترون ها، مخصوصا الکترون های سطوح بالا، ضعیف تر شود و به هر الکترون سهم کمتری از نیرو جاذبه برسد. و الکترونی که در سطح انرژی بالایی قرار دارد، با دریافت حداقل انرژی آزاد شده در واکنش هسته ای، از مدار خود خارج شده و اتم را ترک می کند. الکترون و پوزیترون به یکدیگر برخورد کرده و به انرژی تبدیل می شوند. اگر این واکنش را در اتاقک ابر ویلسون تحت میدان مغناطیسی بسیار قوی قرار دهیم، مشاهده می کنیم که الکترون و پوزیترون در خلاف جهت یکدیگر منحرف می شوند و هسته محصول بدون انحراف به مسیر خود ادامه می دهد. واین نشان می دهد که بتای مثبت از پوزیتورن با بار مثبت تشکیل شده. البته این نوع هسته ها که بتا مثبت گسیل می کنند در طبیعت تاکنون کشف نشده، و بلکه به دست بشر ساخته شده است.
در برخی ازاتم ها، هسته اتم، الکترونی را که در سطح انرژی اول قرار دارد، جذب می کند. این الکترون در هسته گیر انداخته می شود. این الکترون گیر انداخته شده در هسته با پروتون، یک نوترون را ایجاد می کنند. در نتیجه عدد اتمی یکی کم شده و عدد جرمی ثابت باقی می ماند. که به این پدیده گیر اندازی الکترون می گویند. گیراندازی الکترون همان اثر گسیل بتا مثبت را دارد. گیر اندازی الکترون موقعی اتفاق می افتد که نسبت نوترون به پروتون یک نوکلئد پایدار، افزایش یابد. در طی این فرایند چون جای یک الکترون در سطح انرژی اول خالی باقی می ماند، یک الکترون از سطح انرژی بالاتر به سطح انرژی اول منتقل می شود، که در این انتقال، الکترون مقداری انرژی به صورت تابش گسیل می کند که این پرتو تابشی در محدوده پرتو ایکس می باشد. البته این نوع نوکلیدها تا کنون در طبیعت یافت نشده است و بلکه در آزمایشگاه ها توسط بشر ساخته شده است.
پرتو گاما، یکی از پرتو های گسیلی در واکنش هسته ایست. این پرتو از جنس نور است. طول موج پرتو گاما از پرتو ایکس کوتاهتر است و این نشان می دهد که انرژی پرتو گاما از پرتو ایکس بیشتر می باشد. در طی واکنش هسته ای، هسته مقداری از انرژی آزاد شده در واکنش را دریافت می کند و به سطح انرژی بالاتری می رود. هسته در مدت زمانی کمتر از 28- ^ 10 ثانیه به سطح انرژی پایدارتری می رود که در این انتقال مقداری از انرژی دریافتی را به صورت تابشی گسیل می کند. انرژی این پرتو تابشی حتی از پرتو ایکس نیز بیشتر می باشد، که به این پرتو گسیلی گاما می گویند. پرتو گاما در تمام واکنش های هسته ای مشاهده شده است.
طبق آنچه که گقته شد، شکافت هسته ای می توانند به سه طریق رخ دهند:
1) هسته اتم های سنگین طبق آنچه که در بالا به آن اشاره کردیم فرو می پاشند و به هسته های سبکتری تبدیل می گردند. این فرایند همراه با واپاشی پرتوزایی می باشد. مانند شکافت خود به خود اورانیم 235.
2) در برخی از هسته ها(مخصوصا هسته های سبک)، پروتون ها و نوترون ها به گونه ای در کنار یکدیگر قرار می گیرند که نیروی هسته ای نمی تواند آن ها را در هسته نگاه دارد و در نتیجه هسته دچار دگرگونی می شود.
3) اگر هسته را توسط ذراتی مانند پریتیم(پروتون)،دوتریم،آلفا ، نوترون و یا حتی پرتو گاما بمباران کنیم، اگر انرژی این ذرات در هنگام برخورد با هسته به اندازه کافی باشد، هسته دچار دگرگونی می شود، که در طی این فرایند مقداری انرژی آزاد می شود.
در پرتاب ذرات یونی مانند آلفا و پروتون که دارای بار الکتریکی مثبت می باشند، انرژی این ذرات باید به اندازه ای تا از یک طرف بتواند بر نیروی رانشی میان خود و هسته غلبه کرده و به آن برخورد کند، و از طرف دیگر بتواند در برخورد با هسته، آن را بشکافاند.
در پرتاب نوترون، اگر انرژی نوترون پرتابی، کمتر از مقدار معین باشد، نوترون نمی تواند هسته را بشکافد و نوترون در هسته گیراندازی می شود. با گیراندازی نوترون، تعداد نوترون هسته یکی بیشتر می شود، و در نتیجه عدد جرمی اتم یکی افزایش می یابد. از این طریق ایزوتوپ های مختلف یک عنصر را در آزمایشگاه می سازند. اما اگر انرژی جنبشی نوترون بیشتر از حد معین باشد، این نوترون می تواند هسته اتم را بشکافد و در نتیجه شکافت هسته ای رخ می دهد. به این نوترون های با انرژی جنبشی زیاد، نوترون های حرارتی می گویند. از نوترون های حرارتی در نیروگاه های اتمی و همچنین بمب اتمی استفاده می کنند. پرتو گاما که حامل انرژی است می تواند با انرژی خود ذراتی را در درون هسته قرار دارند را به بیرون پرتاب کند.
همجوشی :
واکنش همجوشی، فرایندی است که در طی آن دو(یا چند) هسته سبکتر باهم برخورد کرده و به هسته(های) سنگین تر تبدیل می شود. در این واکنش جرم محصولات کمتر از جرم اولیه است، پس در طی این فرایند مقداری جرم به انرژی تبدیل می شود. هسته ها دارای بار الکتریکی مثبت می باشند پس در فرایند همجوشی باید بر نیروی رانشی میان هسته ها غلبه کرد، تا بتوانیم هسته ها را به یکدیگر برخورد دهیم تا در این برخورد هسته سنگین تر تولید شود. پس لازمه شرایط ایجاد فرایند همجوشی، فراهم کردن انرژی لازم برای برخورد کردن هسته ها به یکدیگر می باشد. به همین دلیل فرایند همجوشی در دماهای بسیار بسیار بالا رخ می دهند. با آزاد شدن انرژی در فرایند همجوشی، این مقدار انرژی، می تواند شرایط لازم را برای ایجاد واکنش های همجوشی دیگر، فراهم کند. در فرایند همجوشی، که دمای محیط بسیار بسیار بالاست ماده در حالت پلاسماست. نمونه بارز این پدیده، خورشید می باشد، که دمای هسته آن به بیش از 20میلیون کلوین می رسد.
منبع : وبلاگ نانو تکنولوژی (http://njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fwww.nanotechnology .blogsky.com%2Fpage%2F2%2F)
سفر خوشی را برای شما آرزو می کنیم!
مقدمات سفر
هنگامی که فیزیکدانان مشغول بررسی ساختار متکامل اتم بودند، متوجه توده متراکمی که در مرکز آن قرار دارد، شدند. و درصدد برآمدند تا به ساختار این توده که بخش ناچیزی از اتم را اشغال کرده است، دست یابند. این ابر متراکم همان هسته اتم است که بار الکتریکی مثبت دارد. برای درک صحیح و روشن از ساختار هسته، بهتر است با مرور از بیان مفاهیم رایج در ساختمان هسته، به بررسی ساختار آن بپردازیم.
شروع سفر
ذرات سازنده اتم را زیر اتمی می گویند. این ذرات به دو دسته تقسیم می شوند:
1)هادرون ها
2)لیپتون ها
هادرون ها: ترکیباتی هستند که از ذرات بنیادی کوارک تشکیل شده اند. کوارک ذره ای بنیادی که دارای بار الکتریکی است و اندازه بار الکتریکی آن کمتر از 1 واحد است. تا کنون 6 نوع کوارک کشف شده است که عبارتند از: کوارک بالا(Up)،افسون(Charm) و رو(Top) با بار الکتریکی 3/2+ (دو سوم)، کوارک پایین(Down)،عجیب(Strange) وته(Bottom) با بارالکتریکی3/1-(منفی یک سوم).
علاوه بر بارالکتریکی که نمودار خواص کوارک هاست از خواص دیگری بنام "رنگ " نیز استفاده می شود. کوارک ها در سه رنگ "آبی"، "قرمز" و "سبز" طبقه بندی می شوند.این رنگ ها به منزله نوع بارالکتریکی آن هاست که مشخصه نیروی بنیادی میان کوارک هاست. اگر سه کوارک با این سه رنگ مختلف در کنار یکدیگر قرار گیرند رنگ سفید حاصل می شود.به ذراتی که از سه کوارک تشکیل شده اند، باریون می گویند. معروفترین و پایدارترین باریون های شناخته شده، پروتون و نوترون هستند. پروتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین و نوترون از دو کوارک پایین و یک کوارک بالا تشکیل شده و به همین دلیل است که پروتون دارای بار الکتریکی 1+ و نوترون بی بار(با استفاده از جمع جبری بار کوارک های سازنده).
به ترکیبات هادرونی که از یک کوارک وضد کوارک تشکیل شده باشند، مزون می گویند. مثلاً یک کوارک آبی و یک کوارک ضد آبی در کنار هم که قرار گیرند، مزون را ایجاد می کنند. مزون ها ناپایدارند و در مدت زمان بسیار کم به انرژی تبدیل می شوند.معروفترین مزون های شناخته شده پیون، که از یک کوارک بالا و ضد کوارک پایین و همچنین کائون، که از کوارک بالا و ضد کوارک عجیب تشکیل شده اند. که عمر این ذرات به 0.000000002 ثانیه هم نمی رسد. اخیراً یک ترکیب هادرونی که از پنج کوارک تشکیل شده است، کشف کرده اند.
" نانو به پنتا کوارک طوری خیره شده بود که گویا اولین باری است که آن را می بیند، اما بر اساس اطلاعات دریافتی در این زمینه توضیح می دهد: " این ترکیب که پنتا کوارک نامیده شده است از دو کوارک پایین، دوکوارک بالا و یک ضد کوارک عجیب تشکیل شده که درمدت زمان کمتر از 20 -^10 (ده به توان منفی 20) ثانیه فرو می پاشد و به یک نوترون و کائون مثبت تبدیل می شود. در ترکیبات هادرون ها نیروهای بنیادی وجود دارد که این نیرو ها قالب ترکیبات هادرونی را نگه می دارد. نیروهای بنیادی، نیروهای حاکم بر جهان می باشند که میان ذرات سنگ بنای مواد برقرار است. این نیروها به چهار دسته تقسیم می شوند:
1- نیروی قوی(رنگ)
2- نیروی الکترومغناطیسی
3- نیروی ضعیف
4- نیروی گرانشی
* نیروی قوی: این نیرو مخصوص ترکیبات کوارکی است که میان کوارک ها بر قرار است. لازمه برقراری این نیرو آن است که سه کوارک با سه رنگ مختلف (که در بالا ذکر شد) در کنار یکدیگر قرار گیرند، همانطور که لازمه برقراری نیروی الکتریکی آنست که دو ذره باردار در کنار هم باشند. به همین دلیل است که کوارک ها به تنهایی در طبیعت یافت نمی شوند. این نیرو از پرت شدن کوارک ها در درون پروتون و نوترون جلوگیری می کند. این نیرو توسط گلوئون ها، بین کوارک ها منتقل می شود. البته این نیرو فقط در فواصل کوتاه کارگر است.
* نیروی الکترومغناطیسی: این نیرو میان ذرات باردار ایجاد می شود. و همچنین نیروی الکترومغناطیسی بر ذرات باردار که در میدان مغناطیسی در حال حرکتند، وارد می شود. این نیرو توسط فوتون ها، بین ذرات باردار منتقل می شود.
*نیروی ضعیف: علاوه بر دو نیرویی که در بالا ذکر شد، نیرویی وجود دارد که بدون استثنا بر تمام ذرات جهان در فواصل بسیار بسیار کم حکمفرماست. این نیرو را نیروی ضعیف می نامند، که توسط بوزون ها میان ذرات منتقل می شود.
*نیروی گرانشی (جاذبه): نیروی جاذبه ای است که میان اجسامی که دارای جرم می باشند حکمفرماست. این نیرو نسبت به نیروهای بنیادی دیگر در مورد ذرات بنیادی ودر فواصل کوتاه بسیار ضعیف است. این نیرو در مورد اجرام آسمانی موثر است. نیرو گرانشی توسط ذرات گراویتون(Graviton)میان مواد جابجا می شود. ناقلان نیروهای بنیادی همگی از ذرات بنیادی به شمار می آیند.
لیپتون ها : لیپتون ها ذرات بنیادی هستند که نیروی قوی (رنگ) بر آن ها حاکم نیست. معروفترین لیپتون های شناخته شده، الکترون، میون ها و تاو می باشند که همگی این ذرات بار الکتریکی منفی دارند. الکترون ها پایدارند اما دوذره میون و تاو عمرشان بسیار کم می باشد. نوترینوی این ذرات نیز وجود دارد که پایدار هستند.
نوترون ها به تنهایی ناپایدارند و پس از حدود 15 دقیقه از بین می روند و به یک پروتون و الکترون تبدیل می شوند. در آزمایشگاه مقدار انرژی محاسبه شده برای الکترون واپاشی شده، کمتر از مقدار مشاهده شده در آزمایش این واکنش بوده است. فیزیکدانان با بررسی کل انرژی در قبل و بعد از واکنش به این نتیجه رسیدند که مقداری انرژی در واپاشی الکترون ناپدید شده است و پایستگی انرژی در این مورد صدق نمی کند. تا اینکه در سال 1933 ولفگانگ پائولی نظریه ای را در این مورد ارئه داد. این نظریه می گوید هنگامی که الکترون یا هر ذره بنیادی میون یا تاو، واپاشی می کند، مقداری از انرژی آزاد شده در این واکنش توسط ذره ای بی بار که جرم آن نزدیک به صفر است حمل می شود. این ذره را نوترینو یعنی یک ذره خیلی کوچک خنثی، نام نهادند. چون جرم این ذره نزدیک به صفر است، تشخیص آن در آزمایشگاه ها بسیار سخت و مشکل بود.
" نانو کمی مکث کرده و ادامه می دهد :" تا اینکه در سال 1956 به وجود این ذره در یک میدان مغناطیسی بسیار بسیار قوی پی بردند.
پس تمام ذرات لیپتون، کوارک ها و ذرات میدان (ذرات منتقل کننده نیرو) جزو ذرات بنیادی هستند.از این ذرات بنیادی، فقط کوارک بالا، پایین والکترون در ساختار جهان ما نقشی را برعهده دارند. پروتون ها و نوترون ها نسبت به الکترون ها بسیار سنگین هستند اما اندازه بار الکتریکی پروتون ها والکترون ها یکسان می باشد.
اکنون با مرور بر مفاهیم ذرات بنیادی، می توانیم ساختمان هسته را توصیف کنیم. هسته از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده که به طور متراکم در کنار یکدیگر قرار دارند. به ذرات سازنده هسته، نوکلئون می گویند. هسته دارای بارالکتریکی مثبت می باشد. اندازه بار الکتریکی هسته که ناشی از پروتون های آن می باشد، برابر با مجموع اندازه تعداد بار الکتریکی منفی الکترون هاست. به همین دلیل اتم در حالت طبیعی از نظر بار الکتریکی خنثی است. اگر اتم الکترونی را از دست بدهد، تعداد بار الکتریکی منفی کمتر از تعداد بار الکتریکی مثبت می شود و درنتیجه اتم به یون مثبت تبدیل می شود. اتم های فلزی دارای چنین خاصیتی هستند. اما اگر اتمی الکترونی را دریافت کند، تعداد بار الکتریکی مثبت کمتر از تعداد بار الکتریکی منفی می شود و در نتیجه اتم به یون منفی تبدیل می گردد. اتم های عناصر نافلز دارای چنین خاصیتی می باشند.هسته با بار الکتریکی مثبت خود باعث می شود که الکترون ها در سطوح انرژی معین در اطراف خود حرکت کنند. تا جایی که می دانیم، بیشتر فضای اتم توخالی است و بخش ناچیزی از آن را هسته اشغال کرده است. هسته که دربرگیرنده ذرات سنگین می باشد، جرم اتم به شمار می رود. اما در واحد جرم اتمی، جرم الکترون های اتم را نیز در نظر می گیرند.
تعداد پروتون های هسته یک اتم را عدد اتمی می گویند که با A نشان می دهند. عدد اتمی نیز نمودار تعداد الکترون های اتم خنثی به شمار می رود. تعداد نوکلئون های هسته یک اتم را عدد جرمی می گویند که با Zنشان می دهند. پس (Z-A) تعداد نوترون های هسته را به ما نشان می دهد.
هر عنصر عدد اتمی منحصر به فردی دارد که نمایانگر خاصیت شیمیایی آن می باشد اما عدد جرمی عنصر نمایانگر خواص فیزیکی عنصر مانند چگالی و جرم می باشد. اما عدد جرمی هسته های اتم های یک عنصر متفاوت می باشد. و این تفاوت ناشی از متغییر بودن تعداد نوترون های هسته های عنصر می باشد. پس به عناصری که عدد اتمی آن ها یکسان اما عدد جرمیشان متفاوت می باشد، ایزوتوپ های آن عنصر می گویند. مثلا ًعدد اتمی کربن 6 می باشد اما کربن دارای 4 ایزوتوپ با اعداد جرمی 13,12,11 و14 می باشد. عدد جرمی را در پایین نماد عنصر و عدد اتمی را در بالای نماد عنصر می نویسند.
ما می دانیم که هسته توده ای توپر و متراکم می باشد که در آن پروتون ها و نوترون ها به صورت فشرده در کنار یکدیگر قرار گرفته اند. به نیرویی که بر پروتون ها و نوترون ها وارد شده و آن ها را در هسته، در کنار یکدیگر قرار می دهد، نیروی هسته ای می گویند. نیروی هسته ای بایستی آنقدر قوی باشد تا بر نیروی رانشی میان پروتون های هسته که در کنار یکدیگر قرار گرفته اند، فایق شده و آن ها را در کنار یکدیگر قرار داده تا هسته را پایدار نگه دارد. نیروی هسته ای نیروی بنیادی نیست بلکه نیروی های بنیادی، زیر بنای این نیروی قوی می باشند. البته نیروی قوی(کوارک) و نیروی ضعیف نسبت به دو نیروی بنیادی دیگر، بر نیروی هسته ای موثرترند. به همین دلیل نیروی هسته ای در فواصل کوتاه کارگر است.
هنگامی که پروتون ها و نوترون ها در کنار یکدیگر قرار می گیرند و هسته اتمی را به وجود می آورند، مجموع جرم پروتون ها ونوترون های هسته از جرم هسته کمتر می باشد، پس در تشکیل هسته اتم، مقداری جرم به انرژی تبدیل می شود. که به این مقدار انرژی، انرژی اتصال هسته می گویند. پس انرژی اتصال، مقدار انرژی لازم برای شکستن کامل هسته اتم وتبدیل آن به پروتون ها و نوترون های مستقل، و یا مقدار انرژی که بر اثر تشکیل هسته اتم آزاد می شود، می باشد.
اگر Mn مجموع جرم نوکلئون ها ، Me جرم الکترون و Mx جرم اتمی ایزوتوپ یک عنصر باشد، آنگاه انرژی اتصال هسته از رابطه زیر بدست می آید:
E=(Mn+A Me) c^2- (Mx) c^2
نیروی هسته ای نیرویی کوتاه برد که در فاصله محدودی موثر است. در هسته پایدار اتم های سبک تعداد پروتون ها و نوترون ها برابر و یا اختلافشان به یک نزدیک می شود. اما در هسته اتم های سنگین تعداد پروتون ها و نوترون ها بیشتر می شود به طوری که در اتم های سنگین تعداد نوترون ها بیشتر از پروتون ها می شود تا بر نیروی رانشی پروتون ها که در حال افزایش می باشد، غلبه کند، و این امر خود سبب می شود تا از طرفی شعاع هسته افزایش یابد و از طرف دیگر نیروی رانشی میان پروتون ها قوی تر می شود، و در نتیجه نیروی هسته ای نمی تواند هسته را پایدار نگه دارد و هسته فرو می پاشد. سنگین ترین هسته پایدار بیسموت 209 (عدد جرمی 209 و عدداتمی 83) و سبکترین هسته ناپایدار تریتیم (ایزوتوپی از هیدروژن که عدد جرمی آن 3 می باشد). تحقیقات نشان داده اند هسته هایی که عدد اتمی آن ها 20،8،2 و یا 82 می باشد، نسبت به سایر نوکلئید ها از پایداری کاملی برخوردارند، زیرا انرژی اتصال هسته ای این عناصر زیاد می باشد. و همچنین این عناصر نسبت به عناصر اطراف خود در جدول تناوبی، ایزوتوپ های بیشتری دارند. هنگامی که هسته ای فرو می پاشد، شکافت هسته ای رخ می دهد که در طی این واکنش هسته ای مقدار زیادی انرژی آزاد می شود. انرژی آزاد شده در واکنش هسته ای نسبت به واکنش شیمیایی بسیار زیاد می باشد، زیرا در طی این واکنش مقداری جرم به انرژی تبدیل می شود. پس جرم هسته اولیه بیشتر از جرم هسته محصولات است. پس واکنش هسته ای واکنشی است که در آن یک هسته به هسته دیگر تبدیل می شود که در طی این واکنش مقادیر عظیمی انرژی آزاد می شود. واکنش های هسته ای به دو دسته تقسیم می شوند:
1) شکافت هسته
2) همجوشی
شکافت هسته ای :
واکنشی است که در آن هسته مادر دچار دگرگونی می شود و در این دگرگونی تعداد پروتون ها و نوترون های نوکلئید تغییر می کند و در نتیجه هسته به نوکلئیدی جدید تبدیل می گردد که در این تبدیل مقداری جرم به انرژی تبدیل می شود. در طی شکافت هسته ای، ذرات بنیادی و ترکیبات هادرونی که طول عمرشان بسیار کم می باشد، نیز تولید می گردد. اما در فاصله زمانی بسیار کوتاه این ذرات به انرژی تبدیل می شوند؛ مانند تولید کاوون ها که در برخورد پرتو گاما به هسته کربن 12 در مدت زمان کمتر از 10- ^10 ثانیه متلاشی می شود. شکافت های هسته ای همراه با واپاشی پرتوزایی می باشد. پرتو های آلفا، بتا و گاما از جمله پرتو های شناخته شده در پرتوزایی می باشند.
آلفا, از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده و دارای بار الکتریکی 2+ است به همین خاطر آلفا هسته هیلیم به شمار می رود. هسته های سنگین تر که عدد جرمی و عدد اتمی آن ها به ترتیب بیشتر از 209 و83 باشد، مطابق آنچه که در بالا به آن اشاره شد، در فروپاشی خود می توانند ذرات آلفا را گسیل کنند. ذرات آلفا مقدار انرژی آزاده شده در شکافت هسته ای را برای خود دریافت می کنند؛ که این مقدار انرژی به صورت انرژی جنبشی پرتو آلفا ظاهر می شود. سرعت پرتو آلفا در حدود 16000کیلومتر بر ثانیه است. این پرتو می تواند در برخی از اجسام نازک نفوذ کرده و از آن ها عبور کند.
بتا؛ در واپاشی بتا دو نوع بتا گسیل می شود. بتا مثبت وبتا منفی. بتا منفی از الکترون تشکیل شده و بار الکتریکی آن 1- و بتا مثبت از پوزیترون(ضد الکترون) تشکیل شده و اندازه بار آن 1+ است.
در برخی از اتم ها، هسته اتم برای آنکه به پایداری برسد، در هسته، یک نوترون به پروتون و الکترون تبدیل می شود، و در نتیجه عدد اتمی هسته یکی افزایش می یابد و عدد جرمی آن ثابت باقی می ماند. در این واکنش هسته ای، یک الکترون از هسته اتم گسیل می شود که به آن پرتو بتا (منفی) می گویند. الکترون گسیلی، مقداری از انرژی آزاد شده در این واکنش را برای خود می گیرد، که این انرژی به صورت انرژی جنبشی بتا ظاهر می شود اما در این فرایند مقداری از انرژی توسط پادنوترینو حمل می شود. به همین دلیل، الکترون گسیلی از هسته اتم، در درون اتم قرار نمی گیرد؛ و چون در هسته جدید تعداد پروتون ها بیشتر از الکترون های اتم می باشد، اتم به یون مثبت تبدیل می شود. به طوری که اگر این واکنش را در یک میدان مغناطیسی قوی قرار دهیم، بتا در یک مسیر و یون مثبت در مسیر خلاف آن منحرف می شود. و این آزمایش نشان دهنده منفی بودن بار بتاست. سرعت بتا در حدود 130,000 کیلومتر بر ثانیه است.
در بعضی از اتم ها، نوکلئید اتم برای رسیدن به پایداری، در هسته یک پروتون به نوترون و پوزیترون(ضد الکترون) تبدیل می شود و در نتیجه عدد اتمی آن یکی کم می شود و عدد جرمی ثابت باقی می ماند. پوزیترون از هسته اتم گسیل می شود که به آن بتای مثبت می گویند. بتای مثبت مقداری از انرژی آزاد شده در این واکنش را دریافت می کند و همچنین مقداری از انرژی آزاد شده در این فرایند توسط نوترینو حمل می شود. چون در این واکنش تعداد پروتون ها کمتر از الکترون ها می شود در طی این فرایند در مدت زمان بسیار کوتاه، اتم به یون منفی تبدیل می گردد؛ و این امر سبب می شود که قدرت هسته در جذب الکترون ها، مخصوصا الکترون های سطوح بالا، ضعیف تر شود و به هر الکترون سهم کمتری از نیرو جاذبه برسد. و الکترونی که در سطح انرژی بالایی قرار دارد، با دریافت حداقل انرژی آزاد شده در واکنش هسته ای، از مدار خود خارج شده و اتم را ترک می کند. الکترون و پوزیترون به یکدیگر برخورد کرده و به انرژی تبدیل می شوند. اگر این واکنش را در اتاقک ابر ویلسون تحت میدان مغناطیسی بسیار قوی قرار دهیم، مشاهده می کنیم که الکترون و پوزیترون در خلاف جهت یکدیگر منحرف می شوند و هسته محصول بدون انحراف به مسیر خود ادامه می دهد. واین نشان می دهد که بتای مثبت از پوزیتورن با بار مثبت تشکیل شده. البته این نوع هسته ها که بتا مثبت گسیل می کنند در طبیعت تاکنون کشف نشده، و بلکه به دست بشر ساخته شده است.
در برخی ازاتم ها، هسته اتم، الکترونی را که در سطح انرژی اول قرار دارد، جذب می کند. این الکترون در هسته گیر انداخته می شود. این الکترون گیر انداخته شده در هسته با پروتون، یک نوترون را ایجاد می کنند. در نتیجه عدد اتمی یکی کم شده و عدد جرمی ثابت باقی می ماند. که به این پدیده گیر اندازی الکترون می گویند. گیراندازی الکترون همان اثر گسیل بتا مثبت را دارد. گیر اندازی الکترون موقعی اتفاق می افتد که نسبت نوترون به پروتون یک نوکلئد پایدار، افزایش یابد. در طی این فرایند چون جای یک الکترون در سطح انرژی اول خالی باقی می ماند، یک الکترون از سطح انرژی بالاتر به سطح انرژی اول منتقل می شود، که در این انتقال، الکترون مقداری انرژی به صورت تابش گسیل می کند که این پرتو تابشی در محدوده پرتو ایکس می باشد. البته این نوع نوکلیدها تا کنون در طبیعت یافت نشده است و بلکه در آزمایشگاه ها توسط بشر ساخته شده است.
پرتو گاما، یکی از پرتو های گسیلی در واکنش هسته ایست. این پرتو از جنس نور است. طول موج پرتو گاما از پرتو ایکس کوتاهتر است و این نشان می دهد که انرژی پرتو گاما از پرتو ایکس بیشتر می باشد. در طی واکنش هسته ای، هسته مقداری از انرژی آزاد شده در واکنش را دریافت می کند و به سطح انرژی بالاتری می رود. هسته در مدت زمانی کمتر از 28- ^ 10 ثانیه به سطح انرژی پایدارتری می رود که در این انتقال مقداری از انرژی دریافتی را به صورت تابشی گسیل می کند. انرژی این پرتو تابشی حتی از پرتو ایکس نیز بیشتر می باشد، که به این پرتو گسیلی گاما می گویند. پرتو گاما در تمام واکنش های هسته ای مشاهده شده است.
طبق آنچه که گقته شد، شکافت هسته ای می توانند به سه طریق رخ دهند:
1) هسته اتم های سنگین طبق آنچه که در بالا به آن اشاره کردیم فرو می پاشند و به هسته های سبکتری تبدیل می گردند. این فرایند همراه با واپاشی پرتوزایی می باشد. مانند شکافت خود به خود اورانیم 235.
2) در برخی از هسته ها(مخصوصا هسته های سبک)، پروتون ها و نوترون ها به گونه ای در کنار یکدیگر قرار می گیرند که نیروی هسته ای نمی تواند آن ها را در هسته نگاه دارد و در نتیجه هسته دچار دگرگونی می شود.
3) اگر هسته را توسط ذراتی مانند پریتیم(پروتون)،دوتریم،آلفا ، نوترون و یا حتی پرتو گاما بمباران کنیم، اگر انرژی این ذرات در هنگام برخورد با هسته به اندازه کافی باشد، هسته دچار دگرگونی می شود، که در طی این فرایند مقداری انرژی آزاد می شود.
در پرتاب ذرات یونی مانند آلفا و پروتون که دارای بار الکتریکی مثبت می باشند، انرژی این ذرات باید به اندازه ای تا از یک طرف بتواند بر نیروی رانشی میان خود و هسته غلبه کرده و به آن برخورد کند، و از طرف دیگر بتواند در برخورد با هسته، آن را بشکافاند.
در پرتاب نوترون، اگر انرژی نوترون پرتابی، کمتر از مقدار معین باشد، نوترون نمی تواند هسته را بشکافد و نوترون در هسته گیراندازی می شود. با گیراندازی نوترون، تعداد نوترون هسته یکی بیشتر می شود، و در نتیجه عدد جرمی اتم یکی افزایش می یابد. از این طریق ایزوتوپ های مختلف یک عنصر را در آزمایشگاه می سازند. اما اگر انرژی جنبشی نوترون بیشتر از حد معین باشد، این نوترون می تواند هسته اتم را بشکافد و در نتیجه شکافت هسته ای رخ می دهد. به این نوترون های با انرژی جنبشی زیاد، نوترون های حرارتی می گویند. از نوترون های حرارتی در نیروگاه های اتمی و همچنین بمب اتمی استفاده می کنند. پرتو گاما که حامل انرژی است می تواند با انرژی خود ذراتی را در درون هسته قرار دارند را به بیرون پرتاب کند.
همجوشی :
واکنش همجوشی، فرایندی است که در طی آن دو(یا چند) هسته سبکتر باهم برخورد کرده و به هسته(های) سنگین تر تبدیل می شود. در این واکنش جرم محصولات کمتر از جرم اولیه است، پس در طی این فرایند مقداری جرم به انرژی تبدیل می شود. هسته ها دارای بار الکتریکی مثبت می باشند پس در فرایند همجوشی باید بر نیروی رانشی میان هسته ها غلبه کرد، تا بتوانیم هسته ها را به یکدیگر برخورد دهیم تا در این برخورد هسته سنگین تر تولید شود. پس لازمه شرایط ایجاد فرایند همجوشی، فراهم کردن انرژی لازم برای برخورد کردن هسته ها به یکدیگر می باشد. به همین دلیل فرایند همجوشی در دماهای بسیار بسیار بالا رخ می دهند. با آزاد شدن انرژی در فرایند همجوشی، این مقدار انرژی، می تواند شرایط لازم را برای ایجاد واکنش های همجوشی دیگر، فراهم کند. در فرایند همجوشی، که دمای محیط بسیار بسیار بالاست ماده در حالت پلاسماست. نمونه بارز این پدیده، خورشید می باشد، که دمای هسته آن به بیش از 20میلیون کلوین می رسد.
منبع : وبلاگ نانو تکنولوژی (http://njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fwww.nanotechnology .blogsky.com%2Fpage%2F2%2F)