واکنش های هسته ای

عبارت واکنش های هسته ای به طور کلی به فرآیندی اطلاق می شود که در آن هسته اتم از طریق بر همکنش با ذرات بنیادی یا سایر هسته های اتمی تغییر پیدا می کند.

چنین تغییراتی می تواند خیلی عمیق باشد. نبدیلات هسته ای نیز ممکن است از طریق یک تجزیه رادیواکتیو بوقوع بپیوندد. این تبدیلات به طور خود به خود و بدون تاثیر عوامل خارجی نیز بوقوع می پیوندد که عبارتند از تجزیه منفی و مثبت، گاما، شکافت خود بخود، تجزیه پروتون، ذرات سنگین تر نظیر کربن و نئون و تجزیه های تاخیری. اولین واکنش هسته ای مصنوعی در سال 1919، به وسیله رادرفورد مشاهده شد. او نشان داد که ضمن تاثیر ذرات آلفا حاصل از تجزیه پلوتونیوم-214 روی اتم های نیتروژن، تشکیل پروتون را می توان شناسایی کرد که طبق واکنش های مختلف بوجود می آیند.

واکنش های هسته ای شباهت بسیاری با واکنش های شیمیایی دارند. تفاوت های عمده آنها عبارتست از:

الف) در واکنش های شیمیایی، تغییرات جرم قابل توزین و مشاهده است، در حالیکه در واکنش های هسته ای، با تغییرات اتم ها به صورت تک تک سر و کار داریم. بنابراین در واکنش های هسته ای همواره صحبت از اتم ها است. در حالیکه در واکنش های شیمیایی کمیت اندازه گیری، مول می باشد. تغییرات انرژِی در واکنش های هسته ای به واحد الکترون ولت بیان می شود ولی در واکنش های شیمیایی، واحد نجش تغییرات انرژی ژول است.

ب)در واکنش های شیمیایی عناصر شرکت کننده در تبدیل دست نخورده باقی می مانند و فقط پیوندهای بین اتم ها تغییر می کنند. در واکنش های هسته ای نوکلوییدهای دیگری تشکیل می شوند که الزاما به همان عنصر تعلق ندارند.

ج)انرژی آزاد شده در واکنش های شیمیایی اغلب کمتر از واکنش های هسته ای می باشد. فقط در شبکه بلوری بخش قابل توجهی از ماده به انرژی تبدیل می شود.

رادیواکتیویته

در اتمهای یک عنصر، چنانچه پروتون ها و نوترون هایشان به صورت ناپایداری چیده شده باشند، آن عنصر رادیواکتیو  یا تابش زا خواهد بود. یک اتم رادیواکتیو در اثر عدم تعادل مناسب میان تعداد پروتون ها و نوترون های خود، در پی یافتن آرایشی پایدار دچار واپاشی رادیواکتیو می شود.

این واپاشی ها بطور کاتوره ای نسبت به زمان رخ می دهند ولیکن تعداد زیادی از مواد رادیواکتیو، طول عمر قابل پیش بینی دارند.

واپاشی

در بسیاری از موارد،گسیل نوکلئون ها، الکترون ها یا پوزیترون ها منجر به حالت برانگیخته ای از هسته می شود که آن هسته نیز این انرژی برانگیختگی را به شکل فوتون های بسیار متعددی از دست می دهد. بازگشت به حالت اولیه، بطور معمول 10 به توان -13 ثانبه بعد از واپاشی آلفا و بتا رخ می دهد ولیکن در برخی موارد، انتقال به حالت پایه، نتیجه ای ممنوعه در حالت ایزومتریک دارد که به طور مستقلی از طریق تشکیل آن، واپاشی می شود. واپاشی آلفا برای هسته های سنگینی که عدد اتمی Z بیشتر از 83 دارند مشاهده شده است و برای برخی از گروه های هسته بسیار دورتر از خط پایداری بتا این اتفاق می افتد. رادیونوکلوئیدهایی که نیمه عمر بسیار بالایی دارند، بیشتر گسیل کننده آلفا هستند. گسیل پروتون برای هسته هایی یافت شده است که تعداد زیادی پروتون دارند و از خط پایداری بتا فاصله زیادی دارند و معمولا به صورت یک روند دو مرحله ای پس از واپاشی ظاهر می شوند. محصولات رایج واپاشی، با سه حرف اول الفبای یونانی یعنی آلفا،بتا و گاما نام گذاری شده اند.

با افزایش عدد اتمی، خودبخودی شروع به رقابت با واپاشی آلفا می کند. در واپاشی آلفا یک هسته هلیم از هسته می گریزد. گسیل آلفا تعداد پروتون ها و نوترون ها را به میزان 2 واحد کاهش می دهد. واپاشی آلفا بیشتر در هسته های با جرم زیاد رخ می دهد که تعداد پروتون هایش نسبت به نوترون هایش بسیار بیشتر است. یک ذره آلفا با داشتن دو پروتون و دو نوترون، ترکیب بسیار پایداری از ذرات است. بسیاری از هسته ها که جرم بیشتری از سرب دارند، بدین طریق واپاشی می شوند.

مثلا پلوتونیم-210 را که به واسطه گسیل ذره آلفا واپاشی می شود، در نظر بگیرید. هسته پلوتونیم، 84 پروتون و 126 نوترون دارد. نسبت پروتون ها به نوترون ها 0.6670 است. هسته بوجود آمده 82 پروتون و 124 نوترون دارد که نسبت پروتون به نوترون آن 0.661 است، همین تغییر کم در نسبت کافیست تا هسته به حالت پایداری بیشتری برسد.

واپاشی بتا می تواند هم با گسیل یک الکترون و هم پادنوترینو و یا با گسیل پادذرات آنها، یعنی یک پوزیترون و نوترینو انجام شود. واپاشی بتا منجر به تغییر تعداد پروتون و نوترون موجود در هسته با تبدیل یک اتم به اتم عنصری دیگر می شود. عکس واپاشی بتا، شامل جذب یک الکترون توسط هسته است.

در واپاشی گاما، فوتون با انرژی بالا، هسته را ترک می کند و موجب می شود تا هسته به حالت پایدار و انرژی پایین برسد. در این فرآیند، تعداد پروتون ها و نوترون ها در هسته تغییر نمی کند، در نتیجه، اتم های مادر و دختر، هر دو یک گونه عنصر شیمیایی هستند.

در واپاشی گاما، در یک هسته، فوتون گسیل شده و هسته پس زده شده، هرکدام یک میزان انرژِی معین، پس از واپاشی به دست می آورند. این انرژی مشخص، تنها میان دو ذره تقسیم می شود.

گردآوری: محسن مرادی