زمان مطالعه: ۶ دقیقه

با سلام و احترام خدمت شما مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده به مبحث پایداری هسته بپردازیم. با ما در ادامه این مقاله همراه باشید.

قبل از مطالعه مقاله پایداری هسته‌، پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقاله زیر داشته باشید.

نیروی هسته ای

در مقاله (ساختار هسته اتم) دیدیم که ابعاد هسته مقداری بسیار کوچک در مرتبه  دارد. همان‌طور که می‌دانید به دلیل وجود پروتون‌ها و نوترون‌ها درون هسته، جرم بیشتر اتم را هسته آن تشکیل می‌دهد.

از آنجایی که جرم و ابعاد حدودی هسته اتم مشخص است، می‌توانیم چگالی هسته اتم را محاسبه کنیم. با اینکار چگالی هسته اتم عددی در مرتبه  نتیجه می‌شود که عددی بسیار بزرگ و غیرقابل باور است. جهت مقایسه، چگالی آب مقدار  است.

می‌دانیم که پروتون‌ها ذراتی با بار مثبت و نوترون‌ها ذراتی بدون بار (خنثی) هستند. مطابق با قانون کولن، نیروی بین ذرات پروتون در هسته اتم از نوع دافعه است. حال سوال پیش می‌آید که هسته اتم چگونه با وجود نیروی کولنی (الکتریکی) دافعه قوی و همچنین با وجود چنین چگالی بسیار زیادی پایدار است ؟!

البته نیروی گرانشی بین پروتون‌ها از نوع جاذبه است. اما با توجه به جرم بسیار کم پروتون‌ها این نیرو در مقابل دافعه کولنی به دلیل فاصله بسیار کم پروتون‌ها بسیار ناچیز است. با این اوصاف نیروی جاذبه گرانشی نمی‌تواند عامل پایداری هسته اتم باشد.

با توجه به این امر، باید نیروی بنیادی جدیدی وجود داشته باشد که بتوان پایداری هسته اتم را توجیه کند. این نیروی پایه به نیروی هسته ای قوی موسوم است. این نیرو به طور کل با نیروهای شناخته شده کولنی و گرانشی متفاوت است. شدت این نیرو در مقایسه با نیروی کولنی و گرانشی بسیار زیاد است؛ چرا که با وجود نیروی قوی دافعه کولنی در هسته، نیروی هسته‌ ای قوی پروتون‌ها را به صورت فشرده کنار یکدیگر نگه می‌دارد.

لازم به ذکر است که نیروی هسته ای قوی کوتاه برد است. به این معنی که در ابعاد اتم (\(۱۰^{-۱۰}\)) یعنی ابعادی بیشتر از هسته اتم، اثری از آن مشاهده نمی‌شود.

ابعاد هسته و اتم
اندازه اتم و هسته آن

بررسی ماهیت نیروی هسته ای قوی فراتر از سطح این مقاله است. اما خوب است بدانید که در طبیعت چهار نیروی بنیادی (پایه) به شرح ذیل وجود دارد:

  1.  نیروی گرانش
  2. نیروی الکترومغناطیس
  3. نیروی هسته ای قوی (عامل پایداری هسته‌)
  4. نیروی هسته ای ضعیف

نیروی هسته ای ضعیف، نیرویی است که بین ذرات زیر اتمی (ذرات بنیادی سازده پروتون و نوترون‌ها) وجود دارد. لازم به ذکر است که فیزیک کوانتوم با در بر گرفتن سه نیروی الکترومغناطیس، هسته‌ای ضعیف و هسته‌ای قوی سعی در ارتباط با نیروی گرانشی (نسبیت اینشتین) دارد. فیزیکدانان سال‌ها روی این مسئله کار می‌کنند تا بتوانند با طرحی جامع موسوم به نظریه همه چیز عنوان کنند. انتظار می‌رود که این نظریه تمامی پدیده‌های دنیای هستی را اثبات کند و بنا بر باور دانشمندان راهی برای خواندن ذهن خالق جهان هستی باشد.

پایداری هسته

در بخش قبل عنوان کردیم که در هسته اتم علاوه بر وجود نیروی جاذبه گرانشی و نیروی دافعه کولنی، نیروی جاذبه بسیار قویی موسوم به نیروی هسته‌ای قوی بین کلیه اجزا هسته یعنی بین پروتون‌ها و نوترون‌ها وجود دارد. از دید نیروی هسته ای قوی، تفاوتی میان پروتون و نوترون در هسته اتم وجود ندارد. به همین جهت است که پروتون و نوترون‌ها را در علم فیزیک هسته‌ای به طور کلی، با اسم عام نوکلئون خطاب می‌کنند. پس به یاد داشته باشید که هرجا از کلمه نوکلئون استفاده شد، منظور پروتون یا نوترون‌ است که از دید نیرو هسته ای قوی تفاوتی میان آن‌ها نیست.

همان‌طور که بیان کردیم، نیروی هسته ای قوی علارغم قوی بودن، کوتاه برد است. بنابراین هر نوکلئون تنها به نوکلئون‌های مجاور خود می‌تواند نیروی هسته‌ای قوی وارد کند. در مقابل نیروی دافعه کولنی با اینکه شدت کمتری نیست به نیروی هسته ای قوی دارد، بلند برد بوده و یک پروتون در هسته می‌تواند به سایر پروتون‌های درون هسته و نیروی دافعه وارد کند.

هرچند قدرت نیروی هسته‌ای قوی (نوع جاذبه) از نیروی کولنی رانشی (دافعه) بیشتر است، اما به هر حال با افزایش عدد اتمی، یعنی با افزایش تعداد پروتون‌های در هسته، نقش نیروی دافعه کولنی بارزتر شده و قابل توجه است. در هسته‌هایی با تعداد زیاد پروتون، این امر می‌تواند پایداری هسته را متزلزل کند.

لازم به ذکر است که عموم ایزوتوپ‌های عناصر، ناپایدار بوده و با گذشت زمان واپاشیده می‌شوند تا به ایزوتوپ‌هایی پایدار تبدیل شوند. نرخ واپاشی هسته برخی ایزوپوپ‌ها سریع و برای برخی بسیار کند است.

عناصر فرا اورانیومی

عدد اتمی (تعداد پروتون‌ها) عنصرهای طبیعی موجود در طبیعت  است. حال عناصری که عدد اتمی آن‌ها  بوده و به طور مصنوعی در آزمایشگاه تولید می‌شوند، به عناصر فرا اورانیومی موسوم هستند. لازم به ذکر است که عدد نوترونی (تعداد نوترون‌ها) عناصر موجود در طبیعت  است.

نمودار تغییرات N و Z

نمودار تغییرات عدد اتمی بر حسب عدد نوترونی، نموداری است که جهت نمایش پایداری هسته (پایداری ایزوتوپ‌ها) استفاده می‌شود. در این نمودار خط N = Z به خط پایداری موسوم است.

پایداری هسته
نمودار N بر حسب Z جهت نمایش پایداری هسته

همان‌طور که در شکل فوق مشاهده می‌فرمایید، ایزوتوپ‌های پایدار در ابتدای نمودار بر خط N = Z منطبق هستند. با افزایش عدد اتمی، ایزوتوپ‌ها از این خط فاصله می‌گیرند و در نتیجه پایداری هسته کاهش پیدا می‌کند. لازم به ذکر است که عموماً هسته‌هایی با عدد اتمی بالاتر از ۸۳ ناپایدار هستند.

برخی از هسته‌های سنگین (تعداد نوترون بالا نسبت به تعداد پروتون)، پایداری هسته مناسبی دارند، چرا که تعداد نوترون‌ بالا بدون آنکه نیروی رانش (دافعه) کولنی در هسته ایجاد کنند، بر شدت نیرو هسته‌ای قوی اضافه می‌کنند. تولید ایزوتوپ‌های مختلف به صورت مصنوعی به واسطه راکتور‌های هسته‌ای و شتاب دهنده‌ها، کاربردهای فراوانی در علم پزشکی (تشخیص و درمان)، کشاورزی (بررسی چگونگی جذب مواد در گیاهان) و در صنعت دارد.

انرژی بستگی هسته ای

اندازه‌گیری و مشاهدات آزمایشگاهی نشان می‌دهند که جرم هسته از مجموع جرم پروتون‌ها و نوترون‌ها اندکی کمتر است. این امر برای خود اتم نیز صادق است. یعنی جرم یک اتم از مجموع جرم هسته و الکترون‌های آن کمتر است. البته این مقدار تفاوت در هسته اتم نمود بیشتری دارد.

اگر جرم هسته X را با \(\large M_{X}\) و جرم پروتون را با \(\large M_{p}\) و جرم نوترون را با \(\large M_{n}\) نمایش دهیم، در این صورت داریم:

\(\large M_{X} < Z M_{p} + N M_{n}\)

حال اگر اختلاف جرم دو طرف رابطه فوق را با \(\large \Delta M\) نمایش دهیم، داریم:

\(\large \Delta M = Z M_{p} + N M_{n} – M_{X}\)

این اختلاف جرم، یعنی \(\large \Delta M\)، بر اساس رابطه هم ارزی جرم و انرژی اینشتین، یعنی \(\large E = m c^{2}\)، به انرژی تبدیل می‌شود. این انرژی، به انرژی بستگی موسوم است که غالباً آن را با B نمایش می‌دهند.

\(\large E = \Delta m c^{2} = [Z M_{p} + N M_{n} – M_{X}] c^{2}\)

انرژی بستگی‌، همان مقدار انرژی است که هنگام تشکیل هسته X از Z پروتون و N نوترون، آزاد می‌شود. بدیهی است که برای جدا کردن هسته به اجزای تشکیل دهنده‌اش، همین مقدارا انرژی باید صرف شود.

با توجه به رابطه انرژی بستگی، مشاهده می‌شود که این اختلاف جرم بسیار کوچک، از آنجایی که در عامل \(c^{2}\) ضرب می‌شود، مقدار قابل ملاحظه‌ای تولید می‌کند.

یکای جرم اتمی

همان‌طور که می‌دانید در واکنش‌های هسته‌ای با تبدیل جرم به انرژی روبه‌رو هستیم. از آنجایی که جرم تبدیل شده به انرژی، مقداری بسیار کوچک دارد، استفاده از واحد‌هایی مثل گرم و کیلوگرم در فیزیک هسته‌ای مرسوم نیست. یکای مورد استفاده در فیزیک هسته‌ای، یکای جرم اتمی بوده که آن را به u یا amu نمایش می‌دهند.

یکای جرم اتمی‌، برابر با \(\frac{1}{12}\) جرم اتم کربن ۱۲ (\(^{۱۲}C\)) است. به عبارت دیگر، جرم اتمی ایزوتوپ طبیعی کربن ۱۲ به طور دقیق برابر با ۱۲u است. هر ۱u برحسب کیلوگرم به صورت زیر است:

\(\large 1 \ u = 1.6605402 \times 10^{-27}\ kg\)

مقدار ۱u اگر به انرژی تبدیل شود مقدار قابل توجه ۹۳۱.۵MeV حاصل می‌شود.

\(\large E = mc^{2} \rightarrow E = (1u)(3 \times 10^{8})^{2} \cong 1.49 \times 10^{-10}\ J\)

\(\large 1 \ J = 6.24151 \times 10^{18}\ eV\)

\(\large \Rightarrow E = 931.5 MeV\)

لازم به ذکر است که در فرآیند‌های هسته‌ای، مجموع جرم و انرژی در بر همکنش پایسته می‌ماند.

ترازهای انرژی هسته

انرژی نوکلئون‌های وابسته به هسته، یعنی انرژی پروتون‌ها و نوترون‌ها همانند انرژی الکترون‌های وابسته به اتم به صورت کوانتیده (مقادیر گسسته) بوده و نمی‌توانند هر مقدار انرژی دلخواهی داشته باشند. لازم به ذکر است که اختلاف انرژی بین دو تراز انرژی در هسته بسیار بیشتر از اختلاف انرژی دو تراز اتمی (برای الکترون‌ها) بوده و در مرتبه چندین keV تا چندین MeV است.

همانند الکترون‌های برانگیخته که به ترازهای بالاتر رفته و با گسیل یا تابش فوتون (موج الکترومغناطیسی) به ترازهای پایین‌تر می‌آیند، نوکلئون‌ها نیز می‌توانند با جذب انرژی به ترازهای بالاتر رفته و برانگیخته شوند. همچنین با گسیل فوتون که انرژی آن برابر با اختلاف انرژی بین حالت پایه و حالت برانگیخته است، به ترازهای انرژی پایین‌تر بازگردند.

لازم به ذکر است که در واکنش‌های شیمیایی، هسته اتم‌ها برانگیخته نمی‌شوند و تنها الکترون‌ها جابه‌جا می‌شوند.

با توجه به مقدار انرژی ترازهای انرژی نوکلئون‌ها و مراجعه به طیف الکترومغناطیسی، مشاهده می‌شود که نوع تابش الکترومغناطیسی (فوتون‌ها) از نوع امواج پر انرژی گاما است.

انرژی فوتون
انرژی فوتون وابسته به امواج الکترومغناطیسی

امیدواریم تا مقاله پایداری هسته اتم مورد پسند شما عزیزان واقع شده باشد. در انتها پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقالات زیر داشته باشید.

دیود و پیوندگاه p-n

مواد نیمه رسانا

قانون لنز – فیزیک یازدهم (۲)

رسانش الکتریکی و نظریه نواری

میدان مغناطیسی – فیزیک یازدهم (۲)