بمب هسته ای چگونه کار می‌کند؟

 شما احتمالاً در کتابهای تاریخ خوانده‌اید که بمب هسته‌ای در جنگ جهانی دوم توسط آمریکا علیه ژاپن بکار رفت و ممکن است فیلم‌هایی را دیده باشید که در آنها بمب‌های هسته‌ای منفجر می‌شوند. درحالیکه در اخبار می‌شنوید، برخی کشورها راجع به خلع سلاح اتمی با یکدیگر گفتگو می‌کنند، کشورهایی مثل هند و پاکستان سلاح‌های اتمی خود را توسعه می‌دهند. 
 
ما دیده‌ایم که این وسایل چه نیروی مخرب خارق‌العاده‌ای دارند، ولی آنها واقعاً چگونه کار می‌کنند؟ در این بخش خواهید آموخت که بمب هسته‌ای چگونه تولید می‌شود و پس از یک انفجار هسته‌ای چه اتفاقی می‌افتد؟

انرژی هسته‌ای به 2 روش تولید می‌شود:

1- شکافت هسته‌ای: در این روش هسته یک اتم توسط یک نوترون به دو بخش کوچکتر تقسیم می‌شود. در این روش غالباً از عنصر اورانیوم استفاده می‌شود.

2- گداخت هسته‌ای: در این روش که در سطح خورشید هم اجرا می‌شود، معمولاً هیدروژن‌ها با برخورد به یکدیگر تبدیل به هلیوم می‌شوند و در این تبدیل، انرژی بسیار زیادی بصورت نور و گرما تولید می‌شود.

 

در شکل زیر نمونه ای از شکافت هسته اتم اورانیوم نمایش داده شده است:

و در شکل زیر گداخت هسته‌ای اتم‌های هیدروژن و تبدیل آنها به هلیوم 3 و الکترون آزاد نمایش داده شده است:

طراحی بمب‌های هسته‌ای:

برای تولید بمب هسته‌ای، به یک سوخت شکافت‌پذیر یا گداخت‌پذیر، یک وسیله راه‌انداز و روشی که اجازه دهد تا قبل از اینکه بمب خاموش شود، کل سوخت شکافته یا گداخته شود نیاز است.

بمب‌های اولیه با روش شکافت هسته‌ای و بمب‌های قویتر بعدی با روش گداخت هسته‌ای تولید شدند. ما در این بخش دو نمونه از بمب های ساخته شده را بررسی می کنیم:

بمب‌ شکافت هسته‌ای :

1- بمب‌ هسته‌ای (پسر کوچک) که روی شهر هیروشیما و در سال 1945 منفجر شد.

2- بمب هسته‌ای (مرد چاق) که روی شهر ناکازاکی و در سال 1945 منفجر شد.

بمب گداخت هسته‌ای : 1- بمب گداخت هسته‌ای که در ایسلند بصورت آزمایشی در سال 1952 منفجر شد.

بمب‌های شکافت هسته‌ای:

 

 

بمب‌های شکافت هسته‌ای از یک عنصر شبیه اورانیوم 235 برای انفجار هسته‌ای استفاده می‌کنند. این عنصر از معدود عناصری است که جهت ایجاد انرژی بمب هسته‌ای استفاده می‌شود. این عنصر خاصیت جالبی دارد: هرگاه یک نوترون آزاد با هسته این عنصر برخورد کند ، هسته به سرعت نوترون را جذب می‌کند و اتم به سرعت متلاشی می‌شود. نوترون‌های آزاد شده از متلاشی شدن اتم ، هسته‌های دیگر را متلاشی می‌کنند.

زمان برخورد و متلاشی شدن این هسته‌ها بسیار کوتاه است (کمتر از میلیاردم ثانیه ! ) هنگامی که یک هسته متلاشی می‌شود، مقدار زیادی گرما و تشعشع گاما آزاد می‌کند.

مقدار انرژی موجود در یک پوند اورانیوم معادل یک میلیون گالن بنزین است!

در طراحی بمب‌های شکافت هسته‌ای، اغلب از دو شیوه استفاده می‌شود:

روش رها کردن گلوله:

در این روش یک گلوله حاوی اورانیوم 235 بالای یک گوی حاوی اورانیوم (حول دستگاه مولد نوترون) قرار دارد.

هنگامی که این بمب به زمین اصابت می‌کند، رویدادهای زیر اتفاق می‌افتد:

1- مواد منفجره پشت گلوله منفجر می‌شوند و گلوله به پائین می‌افتد.

2- گلوله به کره برخورد می‌کند و واکنش شکافت هسته‌ای رخ می‌دهد.

3- بمب منفجر می‌شود.

در بمب هیروشیما از این روش استفاده شده بود. نحوه انفجار این بمب در شکل زیر نمایش داده شده است:

روش انفجار از داخل:

 

 

در این روش که انفجار در داخل گوی صورت می‌گیرد، پلونیم 239 قابل انفجار توسط یک گوی حاوی اورانیوم 238 احاطه شده است.

هنگامی که مواد منفجره داخلی آتش گرفت رویدادهای زیر اتفاق می‌افتد:

1- مواد منفجره روشن می‌شوند و یک موج ضربه‌ای ایجاد می‌کنند.

2- موج ضربه‌ای، پلوتونیم را به داخل کره می‌فرستد.

3- هسته مرکزی منفجر می‌شود و واکنش شکافت هسته‌ای رخ می‌دهد.

4- بمب منفجر می‌شود.

بمبی که در ناکازاکی منفجر شد، از این شیوه استفاده کرده بود. نحوه انفجار این بمب، در شکل زیر نمایش داده شده است.

بمب‌ گداخت هسته‌ای: بمب‌های شکافت هسته‌ای، چندان قوی نبودند!

بمب‌های گداخت هسته‌ای ، بمب های حرارتی هم نامیده می‌شوند و در ضمن بازدهی و قدرت تخریب بیشتری هم دارند. دوتریوم و تریتیوم که سوخت این نوع بمب به شمار می‌روند، هردو به شکل گاز هستند و بنابراین امکان ذخیره‌سازی آنها مشکل است. این عناصر باید در دمای بالا، تحت فشار زیاد قرار گیرند تا عمل همجوشی هسته‌ای در آنها صورت بگیرد. در این شیوه ایجاد یک انفجار شکافت هسته‌ای در داخل، حرارت و فشار زیادی تولید می‌کند و انفجار گداخت هسته‌ای شکل می‌گیرد.در طراحی بمبی که در ایسلند بصورت آزمایشی منفجر شد، از این شیوه استفاده شده بود. در شکل زیر نحوه انفجار نمایش داده شده است.

 

 

اثر بمب‌های هسته‌ای:

انفجار یک بمب هسته‌ای روی یک شهر پرجمعیت خسارات وسیعی به بار می آورد . درجه خسارت به فاصله از مرکز انفجار بمب که کانون انفجار نامیده می‌شود بستگی دارد.

زیانهای ناشی از انفجار بمب هسته‌ای عبارتند از :

- موج شدید گرما که همه چیز را می‌سوزاند.

- فشار موج ضربه‌ای که ساختمان‌ها و تاسیسات را کاملاً تخریب می‌کند.

- تشعشعات رادیواکتیویته که باعث سرطان می‌شود.

- بارش رادیواکتیو (ابری از ذرات رادیواکتیو که بصورت غبار و توده سنگ‌های متراکم به زمین برمی‌گردد)

درکانون زلزله، همه‌چیز تحت دمای 300 میلیون درجه سانتی‌گراد تبخیر می‌شود! در خارج از کانون زلزله، اغلب تلفات به خاطر سوزش ایجادشده توسط گرماست و بخاطر فشار حاصل از موج انفجار ساختمانها و تاسیسات خراب می‌شوند. در بلندمدت، ابرهای رادیواکتیو توسط باد در مناطق دور ریزش می‌کند و باعث آلوده شدن موجودات، آب و محیط زندگی می‌‌شود.

دانشمندان با بررسی اثرات مواد رادیواکتیو روی بازماندگان بمباران ناکازاکی و هیروشیما دریافتند که این مواد باعث: ایجاد تهوع، آب‌مروارید چشم، ریزش مو و کم‌شدن تولید خون در بدن می‌شود. در موارد حادتر، مواد رادیواکتیو باعث ایجاد سرطان و نازایی هم می‌شوند. سلاح‌های اتمی دارای نیروی مخرب باورنکردنی هستند، به همین دلیل دولتها سعی دارند تا بر دستیابی صحیح به این تکنولوژی نظارت داشته باشند تا دیگر اتفاقی بدتر از انفجارهای ناکازاکی و هیروشیما رخ ندهد.

زندگینامه جان دالتون

10سال قبل از ثبت و اعلان استقلال آمریکا در سال 1766، جان دالتون در انگلستان متولد شد. خانواده او در یک کلبه کوچک گالی در روستایی زندگی می‎کردند. در کودکی، جان به همراه برادرش در یک مزرعه کار می‎کرد و در مغازه پدر در بافتن لباس او را یاری می‎دادند. با وجود فراهم بودن اندکی از لوازم اولیه زندگی آنها خانواده فقیری بودند، بسیاری از پسران فقیر در آن زمان از داشتن تحصیلات محروم بودند، اما جان توانست با خوش‎شانسی در مدرسه‎ای در همان نزدیک زادگاهش مشغول تحصیل شود.

در سال 1766، تنها از هر 200 نفر، یک نفر قادر به خواندن بود. جان دانش‎‎آموزی خوب بود و به یادگیری علاقه زیادی نشان می‎داد. آموزگاران نیز او را به یادگیری تشویق می‎کردند. در 12 سالگی، او اولین مدرسه خود را در شهری نزدیک محل اقامتش باز کرد اما به خاطر کمبود پول مجبور به بستن آنجا و کارکردن در مزرعه عمه‎اش شد.

3سال بعد، به همراه برادر بزرگتر و یکی از دوستانش مدرسه‎ای را در کندال انگلیس باز کرد. به تدرس انگلیسی. لانتین، یونانی، فرانسوی و 21 موضوع علمی و ریاضی پرداخت. جان به یادگیری طبیعت و هوای اطراف خود می‎پرداخت. او پروانه‎ها، حلزون‎، و ... را جمع‎آوری می‎کرد.جان دالتون پی برد که دچار کورنگی ست و به یادگیری آن روی آورد. در 1793، جان به عنوان معلم خصوصی به منچستر رفت و در کالج جدید مشغول به تدریس شد. و در آنجا به مشاهده رفتار گازها پرداخت.

او به عناصر و اجزاء مختلف و چگونگی درست شدن آنها اندیشید. جان نظریه‎ای داشت که بر طبق آن، هر عنصری از اتم‎های مجزا تشکیل شده و تمام عناصر با یکدیگر متفاوت هستند زیرا اتم‎های سازنده هر کدام از آنها، با دیگری متفاوت است.

او فکر می‎کرد که هر عنصری وزن مخصوص می‎دارد، زیرا از اتم‎های متفاوتی تشکیل شده.در سال 1808، جان دالتون کتابی با مضمون، "نظامی نوین در فلسه شیمی" منتشر کرد که در آن وزن بسیاری از اتم‎های شناخته شده را جمع‎آوری و لیست کرده بود. مقدار عددی وزن‎هایی که او محاسبه کرده کاملاً دقیق نبودند، اما مبنایی بودند برای "جدول دوره‎ای پیشرفته"، اگرچه بسیاری نظریه دالتون در مورد ساختار اتم را نپذیرفتند، اما وی بر تحقیقات خود برای دفاع از نظریه‎اش ادامه می‎داد.

جان دالتون در سال 1844 درگذشت، او با افتخار در انگلستان به خاک سپرده شد. بیش از ۴۰۰ هزار نفر بدن بی‎جان او را هنگام قرار گرفتن در تابوت مشاهده کردند. به عنوان آخرین تجربه و آزمایش، او از کالبد شکافی استفاده کرد تا دلیل کورنگی خود را پیدا کند. او ثابت کرد که چشمان او دلیل این او نمی‎باشند، بلکه اشکال از قوه درک و احساس بینایی او در قسمتی از مغز او بود که از کار افتاده بود. حتی تا لحظات آخر زندگی. او به گسترش علم و دانش کمک کرد.

امروز، دانشمندان در هر جا، نظریه دالتون درباره ساختار اتم را مورد قبول می‎دانند. یک پسر ساده روستایی روش جدیدی برای اندیشیدن و نگاه کردن به عالم هستی و چگونگی کارکرد آن را به مردم و اهل دانش نشان داد.

جوزف تامسون چگونه نسبت بار به جرم الکترون را اندازه گیری کرد؟

آزمایش تامسون ( محاسبه نسبت بار به جرم الکترون ) 

در آزمایش تامسون از اثر میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی استفاده شده است. دستگاهی که در این آزمایش مورد استفاده قرار گرفته است از قسمتهای زیر تشکیل شده است:

الف ) اطاق یونش که در حقیقت چشمه تهیه الکترون با سرعت معین می باشد بین کاتد و آند قرار گرفته است. در این قسمت در اثر تخلیه الکتریکی درون گاز ذرات کاتدی ( الکترون ) بوجود آمده بطرف قطب مثبت حرکت می کنند و با سرعت معینی از منفذی که روی آند تعبیه شده گذشته وارد قسمت دوم می شود. اگر بار الکتریکی q  تحت تاثیر یک میدان الکتریکی بشدت E  قرار گیرد، نیروییکه از طرف میدان بر این بار الکتریکی وارد می شود برابر است با:      

F= q.E

 در آزمایش تامسون چون ذرات الکترون می باشند q = -e بنابراین:

F= -eE  

از طرف دیگر چون شدت میدان E  در جهت پتانسیلهای نزولی یعنی از قطب مثبت بطرف قطب منفی است بنابراین جهت نیرویF   در خلاف جهت یعنی از قطب منفی بطرف قطب مثبت می باشد. اگرx  فاصله بین آند و کاتد باشد کار نیروی F در این فاصله برابر است با تغییرات انرژی جنبشی ذرات . از آنجاییکه کار انجام شده در این فاصله برابراست با مقدار بار ذره در اختلاف پتانسیل موجود بین کاتد وآند بنابراین خواهیم داشت

ev₀ =½m₀v²

که در آن  v₀    اختلاف پتانسیل بین کاتد و آند e  بار الکترون  v  سرعت الکترون و  m₀  جرم آن می باشد. بدیهی است اگر v₀  زیاد نباشد یعنی تا حدود هزار ولت رابطه فوق صدق می کند یعنی سرعت الکترون مقداری خواهد بود که می توان از تغییرات جرم آن صرفنظ نمود . بنابراین سرعت الکترون در لحظه عبور از آند بسمت قسمت دوم دستگاه برابر است با:

v = √(2e v₀/ m₀)

ب) قسمت دوم دستگاه که پرتو الکترونی با سرعت v وارد آن می شود شامل قسمتهای زیر است :

 

1- یک خازن مسطح که از دو جوشن  A  وB  تشکیل شده است اختلاف پتانسیل بین دو جوشن حدود دویست تا سیصد ولت می باشد اگر پتانسیل بین دو جوشن را به v₁   و فاصله دو جوشن را به d   نمایش دهیم شدت میدان الکتریکی درون این خازن E = v₁/d   خواهد بود که در جهت پتانسیلهای نزولی است.

2- یک آهنربا که در دو طرف حباب شیشه ای قرار گرفته و در داخل دو جوشن خازن: یک میدان مغناطیسی با شدت B  ایجاد می نماید . آهنربا را طوری قرار دهید که میدان مغناطیسی حاصل بر امتداد ox   امتداد سرعت - و امتداد  oy امتداد میدان الکتریکی - عمود باشد.

پ) قسمت سوم دستگاه سطح درونی آن به روی سولفید آغشته شده که محل برخورد الکترونها را مشخص می کند.

وقتی الکترو از آند گذشت و وارد قسمت دوم شد اگر دو میدان الکتریکی و مغناطیسی تاثیر ننمایند نیرویی بر آنها وارد نمی شود لذا مسیر ذرات یعنی پرتو الکترونی مستقیم و در امتداد ox   امتداد سرعت ) خواهد بود و در مرکز پرده حساس p یعنی نقطه  p₀ اثر نورانی ظاهر می سازد.

اگر بین دو جوشن خازن اختلاف پتانسیلv₁ را برقرار کنیم شدت میدان الکتریکی دارای مقدار معین E خواهد بود و نیروی وارد از طرف چنین میدانی بر الکترون برابر است با   F_E = e E  این نیرو در امتداد  oy و در خلاف جهت میدان یعنی از بالا به پایین است.

 

میدان مغناطیسی B  را طوری قرار می دهند که برسرعتv   عمود باشد . الکترون در عین حال در میدان مغناطیسی هم قرار می گیرد و نیرویی از طرف این میدان بر آن وارد می شود که عمود بر سرعت و بر میدان خواهد بود . اگر این نیرو را بصورت حاصلضرب برداری نشان دهیم برابر است با:

   F_M = q.(VXB)

در اینجا q = e    پس:

F_M = q.(VXB)

و مقدار عددی این نیرو مساوی است با  F = e v B   زیرا میدان B   بر سرعت v   عمود است یعنی زاویه بین آنها 90 درجه و سینوس آن برابر واحد است. اگر میدان B     عمود بر صفحه تصویر و جهت آن بجلوی صفحه تصویر باشد امتداد و جهت نیروی F_M در  جهت  oy یعنی در خلاف جهت F_E خواهد بود. حال میدان مغناطیسی B  را طوری تنظیم می نمایند کهF_E = F_M  گردد و این دو نیرو همدیگر را خنثی نمایند. این حالت وقتی دست می دهد که اثر پرتو الکترونی روی پرده بی تغییر بماند پس در این صورت خواهیم داشت:

         F_M = F_E

        e.v.B = e E

        v = E/ B

چون مقدار E و B  معلوم است لذا از این رابطه مقدار سرعت الکترون در لحظه ورودی به خازن بدست می اید . حال که سرعت الکترون بدست آمد میدان مغناطیسی B  را حذف می کنیم تا میدان الکتریکی به تنهای بر الکترون تاثیر نماید . از آنجاییکه در جهت ox  نیرویی بر الکترون وارد نمی شود و فقط نیروی F_E  بطور دائم آنرا بطرف پایین می کشد لذا حرکت الکترون در داخل خازن مشابه حرکت پرتابی یک گلوله در امتداد افقی می باشد و چون سرعت الکترون را نسبتا کوچک در نظر می گیریم معادلات حرکت الکترون ( پرتو الکترونی ) در دو جهت ox و oy  معادلات دیفرانسیل بوده و عبارت خواهد بود از  

m₀(d²x /dt²)/span>=0     در امتداox 

  m₀d²y /dt²)=e. E      در امتداoy

با توجه به اینکه مبدا حرکت را نقطه ورود به خازن فرض می کنیم اگر از معادلات فوق انتگرال بگیریم خواهیم داشت:

y=(1/2)(e.E)t²/m₀

x=v.t

 معادلات فوق نشان می دهد  که مسیر حرکت یک سهمی است و مقدار انحراف پرتو الکترونی از امتداد اولیه (ox  )  در نقطه خروج از خازن مقدار  y  در این لحظه خواهد بود . اگرطول خازن را به L  نمایش دهیم x = L    زمان لازم برای سیدن به انتهای خازن عبارت خواهد بود از t = L / v  اگر این مقدار  t  را در معادله y   قرار دهیم مقدار انحراف در لحظه خروج از خازن به دست می آید:

     Y =  ½ e( E/m₀) ( L/ v )²

     e/ m₀ = ( 2y/ E ) ( v/ L )²

که در آن v سرعت الکترون که قبلا بدست آمده است. L و E بترتیب طول خازن و شدت میدان الکتریکی که هر دو معلوم است پس اگر مقدار y را اندازه بگیریم بار ویژه یا e/m₀  محاسبه می شود.

 پس از خروج الکترون از خازن دیگر هیچ نیرویی بر آن وارد نمی شود بنابراین از آن لحظه به بعد حرکت ذره مستقیم الخط خواهد بود و مسیر آن مماس بر سهمی در نقطه خروج از خازن است . اگر a  فاصله پرده از خازن یعنی D P₀ باشد می توانیم بنویسیم:

P₀P₁ = y + DP₀ tgθ

tgθعبارتست از ضریب زاویه مماس بر منحنی مسیر در نقطه خروج از خازن و بنابراین مقدار یست معلوم پس باید با اندازه گرفتن فاصله اثر روی پرده( P₀ P₁)به مقدار y رسید و در نتیجه می توانیم e/ m₀ را محاسبه نماییم.

مقداری که در آزمایشات اولیه بدست آمده بود 10⁸×7/1 کولن بر گرم بود مقداریکه امروزه مورد قبول است و دقیقتر از مقدار قبلی است برابر 10⁸×7589/1 کولن بر گرم است.

علاوه بر تامسون، میلیکان نیز از سال 1906 تا 1913 به مدت هفت سال با روشی متفاوت به اندازه گیری بار الکترون پرداخت.