مديريت پسمانداري راديواكتيو

                           مديريت پسمانداري راديواكتيو

 

پسمان‌هاي راديواكتيو در مراحل گوناگونان توليد انرژي هسته‌اي، در تحقيقات و توسعه و در توليد و كاربرد راديوايزوتوپ‌ها توليد مي‌شوند. جريان‌هاي متعدد پسمان با خواص مختلف فيزيكي و شيميايي و نيز مقادير راديوايزوتوپ وجود دارد. طرح‌هايي براي مديريت مناسب جريان‌هاي پسمان از روزهاي اوليه صنعت هسته‌اي و تحقيقات پيوسته جهت توسعه اين طرح‌ها انجام پذيرفته‌اند. با وجود اين، درك عمومي در ميان مردم وجود دارد كه تكنولوژي مديريت پسمانداري موجود به طور كامل آن را پوشش نمي‌دهد. همانند ديگر زمينه‌ها در تكنولوژي هسته‌اي، نياز براي كاهش فاصله ارتباطات با عموم مردم احساس مي‌گردد.

هدف اوليه مديريت پسمانداري راديواكتيو حفاظت انسان‌ها و محيط از هرگونه اثر خطرناك تابش‌هاي يون‌ساز است. مديريت پسمانداري راديواكتيو و ملاك‌هاي جداسازي، برگرفته از اهداف و معيارهاي حفاظت عمومي تابش تعريف شده به وسيلهICRP است. حد مجاز دز پرتوگيري از كليه چشمه‌هاي راديواكتيويته مصنوعي براساس mSv1 بر سال تنظيم شده است. اولياي امور ملي در بسياري از كشورها هدف مديريت پسمانداري را به طريقي تعريف مي‌كنند كه دز فردي از mSv1_/0 بر سال تجاوز ننمايد (mSv3_/0 بر سال در

بعضي از كشورها همچون ايالات متحده). در اين سطح از دز، مجموع دز سالانه به كل جمعيت جهان برابر

man Sv500000 خواهد بود كه از      اين دز ساليانه دريافت شده به وسيله آزمايشات پرتو-X و        از

اين دز حاصل از چشمه‌هاي تابش طبيعي مي‌باشد. اهداف حفاظت در حقيقت براي گروه‌هاي “ بحراني” كه به

احتمال زياد پرتوگيري مي‌‌كنند، اعمال مي‌شود. اندازه حفاظت براي نسل‌هاي آينده بايد حداقل معادل نسل

حاضر باشد. همچنين ايمني نبايد به نگه‌داري فعال سيستم دفن توسط نسل‌هاي آينده فراتر از يك محدوده

نگه‌داري فعال معمولاً 300 سال، بستگي داشته باشد.

 

كليه پسمان‌هاي راديواكتيو جمع‌آوري شده و براي عمليات كاهش حجم، جداسازي اجزاء تشكيل دهنده

راديواكتيو، درصورت امكان‌پذير بودن، و پايدار نمودن اشكال فيزيكي و شيميايي به تأسيسات آمايش و

شكل‌دهي پسمان منتقل مي‌شوند. پسمان‌هاي آمايش شده به طور مطلوبي در ظرف‌هاي مخصوص قرار گرفته

و در يك محيط مناسب كه دور بودن كافي پسمان از بيوسفر را اطمينان مي‌دهد دفن مي‌شوند. انتخاب

روش‌هاي فرآيندي و يا عملياتي به طريقي انجام مي‌پذيرد كه پرتوگيري اپراتور در حداقل بوده (اصل

ALARA ) و ايمني عملياتي داراي اهميت بالايي باشد.

 

 

طبقه‌بندي پسمان‌هاي راديواكتيو

جريان‌هاي پسمان گازي، مايع و جامد مي‌توانند با نوكليدهاي راديواكتيو آلوده شوند. لازم است آن‌ها را به

منظور تعريف فرآيند آمايش و دفن درجه‌بندي نمود. در هندوستان انواع پسمان‌هاي مختلف به وسيله شوراي

قانون‌گذاري انرژي اتمي (AERB) تعريف شده و در جدول 22 . 1 داده شده‌اند. بسياري از كشورها داراي

درجه‌بندي مشابه‌اي هستند. مثلاً در كشور بريتانيا پسمان جامد در چهار گروه دسته‌بندي مي‌شود.

 

 

پسمان با اكتيويته بسيار پايين (VLLW)

پسماني كه مي‌تواند به صورت ايمن و روش معمولي دفع شود VLLW خوانده مي‌شود. هر 1_/0 مترمكعب

اين پسمان نبايد داراي اكتيويته بيش از kBq400 بتا يا گاما بوده يا يك بستة تنها بايد حاوي اكتيويته كمتر از

kBq40 از بتا و گاما باشد.

جدول 22 . 1 :  دسته‌بندي پسمان‌ها به وسيله AERB هندوستان

 

دسته‌بندي	جامد، دز سطح(mGy/h)	مايع ، اكتيويته (^3m/Bq)	گازي، اكتيويته (^3m/Bq)
I	2 <	10^4×7/3<	7/3<
II	20-2	10^7×7/3 تا 10^4×7/3	10^4×7/3 تا 7/3
III	20>	10^9×7/3-10^7×7/3	10^4×7/3>
IV	حمل كننده آلفا	10^14×7/3-10^9×7/3	-
V	-	10^14×7/3>	-

 

جدول 22 . 2 : درجه‌بندي پسمان‌هاي راديواكتيو، به وسيله IAEA

 

انواع پسمان		خواص نمونه	انواع دفع
1	پسمان معاف(EW)	اندازه اكتيويته به ميزان اندازه‌هاي تصفيه يا كمتر از آن كه بر اساس دز ساليانه به اعضاء جامعه كمتر از mSv1/0است.	بدون محدوديت‌هاي راديولوژيكي
2	پسمان پايين و متوسط (LILW)	اندازه‌هاي اكتيويته بالاي اندازه‌هاي تصفيه و قدرت گرمايي پايين ^3m / kW2
1-2	پسمان با عمر كوتاه (LILW-SL)	غلظت محدود راديونوكليد با عمر بلند(محدوديت راديونوكليدهاي گسيل كننده آلفا تا Bq/g4000 در بسته‌هاي پسمان خاص و ميانگين ^(الف)Bq/g 400 بر بسته پسمان)	نزديك سطح زمين يا تأسيسات دفع تحت‌الارضي
2-2	پسمان با عمر بلند (LILW-LL)	غلظت راديونوكليد با عمر بلند افزودن بر محدوديت براي پسمان با عمر كوتاه	تأسيسات دفع تحت‌الارضي
3	پسمان با اكتيويته بالا (HLW)	قدرت گرمايي تقريباً ^3m/kW2و غلظت راديونوكليد با عمر بلند افزون بر محدوديت براي پسمان با عمر كوتاه	تأسيسات دفع تحت‌الارضي

(الف) : حد بالاتر غلظت Ra²²⁶ در پوستة زمين

پسمان با اكتيويته پايين(LLW)

پسمان داراي kBq400 بتا يا گاما بر1/0 متر مكعب ولي (در هر صورت راديواكتيويته آن) از GBq/t4 آلفا

يا GBq/t12 بتا يا گاما تجاوز ننمايد، پسمانLLW ناميده مي‌شود.

 

پسمان با اكتيويته متوسط (ILW)

پسمان‌هاي داراي راديواكتيويته بالاتر از اندازهLLW بوده ولي گرماي فروپاشي آن كوچك است و نياز به

توجه “خاصي” براي طراحي انبار و نگه‌داري يا تأسيسات دفع نداشته باشدILW هستند.

 

پسمان با اكتيويته بالا(HLW)

پسماني كه در آن گرماي فروپاشي راديواكتيو منجر به افزايش قابل ملاحظه دماي آن مي‌شود HLW است.

اين ويژگي پارامتري مهم براي طراحي تأسيسات نگه‌داري و دفع مي‌باشد.

اساس کار PET

اساس کار PET

سيستم تصوير برداري PET بر پاية پديدة فيزيكي نابودي زوج (Anihilation Radiation) و دو گامايkeV511 (در دوجهت با اختلاف180درجه) حاصل از آن پايگذاري شده است. اين تكنيك تصوير برداري امكان دستيابي به اطلاعات متابوليسمي بافت هاي مختلف بدن را با نشان دار كردن عناصر تشكيل دهندة بافت به ايزوتوپ‌هاي پوزيترون‌زا مهيا مي‌كند. تكنيك تصويربرداريPET بر اساس (ECT) Emission Computed Tomography مي‌باشد كه عدم نياز به كاليماتور بخاطر وجود خط تعريف شده توسط دوگاماي حاصل از نابودي، اين سيستم را نسبت به ساير سيستم ها ارجح مي‌كند. وجود راديوايزوتوپهايي كه از عناصر اصلي بدن انسان مي‌باشند، (همچون اكسيژن، كربن، نيتروژن) امكان مانور در طراحي راديوداروهاي مورد نياز براي مقاصد متفاوت را مهيا مي‌كند. از ديگر مسائلي كهPET را نسبت به ساير تكنيك هاي تصويربرداري ECT برتر نشان مي دهد، 1- وجود فوتون هاي تك انرژي (511keV) مي‌باشد كه بهينه كردن آشكار سازهاي مورد استفاده در PET را ممكن مي سازد. و 2- عدم نیاز به کالیماتور که موجب بهبود حساسیت سیستم در جمع آوری داده ها می گردد.

دستگاه PET حیوانی:

در حال حاضر در تحقیقات بیوشیمی جهت شبیه سازی مراحل بیماریها استفاده گسترده ی از حیوانات کوچک نظیر موش و موشهای صحرایی می شود. به دلیل شباهت ژنتیکی بین انسان و موشها می توان مطالعه مکانیسم بیماریها در انسان را توسط مطالعه بروی موشها امکان پذیر نمود. در راستای این تحقیقات روشهای تشخیصی سازگار با بدن موشها نیز کمک شایانی در تحقیقات بیومولکولی و مورفولوژی دارد. یکی از دستگاههای موثر در این تحقیقات PET می باشد. به دلیل اینکه موش دارای ساختار بدنی بسیار کوچکی می باشد استفاده از دستگاههای PET انسانی نمی تواند تصاویر با وضوح خوبی از موشها تهیه کند به همین دلیل طراحی PET مخصوص حیوانات کوچک نظیر موشها کمک بسیار موثری در تحقیقات پزشکی می کند. از PET حیوانی علاوه بر استفاده در تحقیقات پزشکی، با اندکی تغییرات می توان برای تشخیص سرطانهای سینه نیز استفاده نمود. همچنین طراحی و طراحی PET حیوانی می تواند قدمی موثر در طراحی و طراحی PET انسانی باشد.

شرح مختصر عملکرد PET حیوانی

-         یک مطالعه PET با تزریق یا تنفس ماده  پرتو دارآغاز می شود.

-         بعد از مدت زمانی از حدود چند ثانیه تا چند دقیقه که برای حمل و نقل و برداشت و تجمع رادیو دارو در عضو هدف لازم است ، اسکن آغاز می شود.

-       وقتی رادیوایزوتوپ در عضو مورد نظر تجزیه می شود از خود پوزیترون تابش می کند که این پوزیترون مسافتی را در فضا حرکت می کند و سپس با یک الکترون بافت ترکیب شده و پدیده فنا رخ می دهد.

-         در اثر پدیده فنا دو فوتون  با انرژی keV511 در دو جهت مخالف هم تابیده می شوند.

-      اگر دو فوتون در فاصله زمانی کوتاهی( nS 10 ~) توسط دو دتکتور مقابل هم ثبت شوند یک رخداد صحیح (True coincidence) در بین دو دتکتور ثبت می شود.

-         با جمع کردن تعداد بسیار زیادی از این رخدادها نقشه تقریبی توزیع پرتو دارو در بدن ثبت می شود.

روشهاي راديو اكتيو در آناليز[1]

روشهاي راديو اكتيو در آناليز[1]

 

بسياري از روشهاي راديوايزوتوپ در آناليز داراي حساسيت بالايي بوده و  مي توان اغلب تا ^15-10 گرم ماده راديواكتيو را بوسيله پرتوهای با انرژي بالا، که در مدت تجزيه رادیو اکتیو گسیل می شوند،  اندازه گيري نمود. علاوه بر آن چنانچه مسئله اي بتواند اصطلاحاً بصورت «چه اندازه و به كجا ميرود؟ »  يا  «چه اندازه و چه زماني مي رود؟» بيان گردد، ممكن است راديوايزوتوپ بتواند براي حل آن بكار رود. اين روشها براي بعد وسيعي از فاصله و زمان قابل استفاده هستند، مثلاً براي ردپای حركت اتمها در مولكول در پديده هايي چون فوتوسنتز، يا جابجايي آثار بمب هاي هسته اي در اطراف كره زمين. همچنين مي توانند براي تعيين نيمه عمر متوسط سطوح هسته اي در حدود ^9-10 ثانيه و يا تعيين عمر صخره هاي كره ماه در حدود ميليون ها سال مورد استفاده قرار گيرند.

اگر چه روشهاي راديو ايزوتوپ مي توانند در زمينه هاي مختلف مطالعات علمي بكار روند، اغلب شيمیدان ها، بیوشیمیدان ها يا محققان رشته پزشکی هستند كه با ماده راديواكتيو بدون پوشش (باز) كار مي كند. معمولاً فرض مي شود كه راديوايزوتوپ مشابه ایزوتوپ پايدار خود رفتار مي نمايد و هيچ عامل فيزيكي يا شيميايي نمي تواند خواص آنرا تغيير دهد. فرض فوق، فرض كاملاً صحيحي است، ولي وضعيتهاي خاصی وجود دارند كه در آنها انحراف واضحی  از اين فرض مشاهده مي شود. اين انحرافات مربوط به اثرات جرم، اثرات غلظت پايين، حالتهاي اكسيداسيون غير منتظره و انحراف تعادل سري هاي تجزيه مي باشد. بسياري از کاربران  راديو ايزوتوپ بدليل ناديده گرفتن يك يا تعدادي از اين استثناءها، مواجه با نتايج غير مترقبه اي مي شوند.

 

اثرات جرم

كليه راديوايزوتوپها داراي جرم متفاوت از جرم ايزوتوپهاي پايدار مي باشند، بنابراين هر اثري كه به جرم بستگي دارد، مانند سرعت پخش[2]  يا آهنگ ارتعاش پيوندهاي شيميايي، براي ايزوتوپهاي مختلف متفاوت خواهد بود. در مورد تريتيوم كه جرم آن سه برابر جرم هيدروژن است، تفاوت بسيار مشهود است و 10 درصد كاهش يا بيشتر از 10 درصد مي تواند در ميزانهاي واكنش، بين H¹ وH³ وجود داشته باشد. در جرمهاي اتمي بالا، اختلاف در ميزانهاي واكنش نسبتاً بي اهميت مي گردد: براي C¹⁴ ، انتظار مي رود كه خطا از يك درصد ميزان واكنش C¹² تجاوز كند، و با افزايش عدد اتمي كاهش مي يابد ( با اين حال بايد بخاطر داشت كه برنامه هاي نيروگاههاي هسته اي بطور وسيعي بستگي به جداسازي ₆UF²³⁵  از ₆UF²³⁸ بوسیله پدیده پخش  يا سانتريفوژاسيون گازي[3]  دارد با اينكه اختلاف جرم آنها 3 در 350 است.

صرفنظر از اثر ايزوتوپي وسيع، تريتيوم به طريق ديگر از قبيل سهولت حركت در داخل مولكول حالت غير معمولي دارد. در بسياري از مولكولها، هيدروژن به ناپایا و متغیر بودن معروف است، و اين جابجايي معمولاً مي تواند با بكار بردن مولكولهاي نشاندار شده با تريتيوم ردیابی گردد. علاوه بر آن اگر يونيزاسيون وجود داشته باشد، تعويض سريع تريتيوم با محلولهاي آبي وجود خواهد داشت.

 

اثرات غلظت پايين

مواد راديو شيميايي معمولاً بصورت بسيار خالص تهيه مي گردند. بالاترين اكتيويته مخصوص وقتي حاصل مي شود كه همه اتمهايي كه بايد نشاندار شوند، راديو اكتيو باشند و اتم غير اكتيوي كه بتواند سيستمهاي نشاندار شده را رقيق كند، وجود نداشته باشد. اكتيويته ویژه معمولاً برحسب ^1-Bq g (يا ^1- Ci g در كاتالوگهاي قديمي) بيان مي شوند. اكتيويته مخصوص تركيبات نشاندار، اغلب در واحدهاي اكتيويته بر مول، مثلاً MBq در ميلي مول، بيان مي گردد. اكتيويته ویژه ماگزيمم با نيمه عمر نسبت عكس دارد، و بنابراين چنانچه اكتيويته هاي ویژه  بالا براي نشاندار كردن مثلاً كروموزوم ها براي اتوراديوگرافي مورد نياز باشد، سعي مي شود كه ماده اي با نيمه عمر كوتاه بكار رود و لذا H³ به C¹⁴ برتري خواهد داشت.

در مورد P³² اكتيويته ویژه  ماگزيمم برابر^1- PBq g12 است. مركز راديوشيمی[4]  اكتيويته ویژه  را بصورت «حداقل ^1-PBq g7/3 » بيان مي كند. اگر اين ماده خريداري شود و در آزمایشگاه بخصوصی فقط نياز به MBq7/3 باشد، بنابراين لازم خواهد بود كه با ^9-10 گرم كه بسادگي تلف مي گردد، كار شود. اين مقدار ماده براحتي مي تواند در ديواره هاي كانتينر شيشه اي يا ذرات معلق در محلول جذب سطحي گردد. براي مقابله با اين رفتار، بسيار معمول است كه تركيب حمل كننده غير فعالي در همان فرم شيميايي راديو ايزوتوپ اضافه گردد بطوريكه غلظتهاي شيميايي در حد معمولي بوده و عمليات معمولي بتوانند انجام گيرند. براي اين منظور تقريباً يك ميلي گرم از حمل كننده كافي است ولي براي رفع آلودگي، مقادير بيشتري بكار مي روند. مسئله تلف شدن اكتيويته از محلولهاي عاری از همراه بر در مورد بعضي يونهاي مثبت مانند ⁺³Fe⁵⁹  و ^mAg⁺¹¹⁰ جدي است، چرا كه بيشتر از 25 درصد مي تواند بر اثر جذب در ديواره هاي ظرف شيشه اي حاوي آنها تلف گردد. اگر عنصر راديواكتيو داراي ايزوتوپ پايدار نباشد، مي توان بعنوان همراه بر، ماده شيميايي مشابه آنرا بكار برد. مثلاً La براي پلوتونيوم، Ba براي راديوم و Mn براي تكنسيوم. وقتي كه جداسازي راديوايزوتوپ بخصوصي از مخلوط ايزوتوپهاي توليد شده در واكنشهاي هسته اي مورد نظر باشد، غالباً لازم است از حامل های «پنهان نگهدارنده[5]» استفاده شود تا از تداخل اكتيويته هايي كه همراه با اكتيويته «كوچك» (كه بدنبال آنها   مي گردیم) رسوب مي كنند، جلوگيري شود. اين مورد مخصوصاً در پرتودهي مواد بيولوژيكي وقتي كه Na²⁴ و Br⁸² مي توانند از پرتودهي ماتريس حاصل شوند بكار مي رود، بنابراين حامل سديم و برم در فرم شيميايي مناسب قبل از خالص سازی شيميايي افزوده مي شوند. در بعضي از حالات بيشتر از يك خالص سازي شيميايي ضروري مي باشد.

هر چند كه حامل ها در دستجات مختلف قرار مي گيرند، بايد متذكر شد كه بعضي از رسوبات «كركي»[6] قوياً باردار مانند³Fe(OH) ، ³Al(OH) و³LaF همانند «جاروب كننده»[7] ، براي انتقال دادن مقادير ناچيز يونهاي راديواكتيو از محلول، عمل خواهند نمود. اين رفتار داراي كاربردهايي در تصفیه  شيميايي بوده و در بعضي از روشهاي توليد بكار رفته است، اما مهمترين كاربرد آن در رفع اكتيويته از سیالات جاری[8] مي باشد.

با توجه به مطالب اين پاراگراف واضح است كه جرمهاي كوچك و غلظتهاي پايين از بكاربردن روشهاي قابل عملكرد جلوگيري مي كنند. مثلاً نمكهاي نامحلول، اگر حاصل محلوليت تجاوز نكرده باشد، رسوب نمي كنند و بعضي تعادلهاي شيميايي در غلظتهاي پايين غير عادي مي باشند. افزودن حامل، اكتيويته ویژه را پايين مي آورد و بنابراين روشهاي جداسازي براي مواد با اكتيويته ویژه بالا معمولاً بايد براساس انتقال يون با استفاده از تبخير، تعويض يوني يا كروماتوگرافي پي ريزي شوند.

اكتيويته در واحد جرم، اكتيويته ویژه است. چنانكه براي عنصر بكار رود، برابر نسبت تعداد اتمهاي راديواكتيو موجود به تعداد كل اتمهاي موجود در عنصر خواهد بود، بنابراين به تدريج كه اكتيويته واپاشی مي گردد، كاهش مي يابد و اتمهاي اكتيو به اتمهاي پایداری تبديل مي شوند. معمولاً به صورت واحدهاي اكتيويته بر واحدهاي جرم  یا مشتقات آنها  بيان مي گردد.  مثلاً         ^1-Bqg   و  يا  ^1-Ci g. براي تركيبات نشاندار، معمولاً اكتيويته بر مول يا اجزاء آن مانند mBq بر ميلي مول يا mCi بر ميلي مول بكار مي روند. اكتيويته ویژه اصطلاحي براي بيان اكتيويته محلول نمي باشد. وقتي صحبت از 'غلظت اكتيويته' مي شود، منظور تعداد دفعاتي است كه آن وجود دارد. در مورد p³² اكتيويته مخصوص تئوري بدون وجود هرگونه اتم ديگر فسفر برابر ^1-PBq g12 (^1-Ci g 10⁵ ´ 3/3) است. مركز راديوشيمي اكتيويته مخصوص P³² را بصورت حداقل  ^1-PBq g 7/3 (^1-Ci g 10⁵) بيان مي كند و در مواقعي كه مناسب باشد،     اكتيويته هاي ویژه و چنانچه لازم باشد غلظتهاي محصولات خود را در كاتالوگها ذكر مي كند.

---

[1] برای جلوگیری از اشتباه با تجزیه شیمیایی در متن ترجمه برای Analysis از کلمه آنالیز استفاده شده است.

[2] . Diffusion

[3]  . Gas Centrifugation

[4] . Radio Chemical Centre

[5] . Hold-Back

[6] . Flocculant

[7]. Scavenger

[8] . Effluent

خطرات ناشي از مواد راديواكتيو

خطرات ناشي از مواد راديواكتيو

بطور كلي، خطرات ناشي از مواد راديواكتيو به دو دسته خطرات ناشي از تابش خارجی و خطرات ناشي از تابشهای داخلي تقسيم مي شوند. مقدار تابش خارجي بستگي به طبيعت تابش، قدرت چشمه و زمان پرتوگیری دارد و با عواملی چون نصب حفاظ و ايجاد فاصله، قابل كنترل خواهد بود.

شدت خطر تنفس مواد راديواكتيو اساساً بستگي به مکان قرارگیری ماده، روش و ميزان دفع آن از بدن دارد. كنترل آن مستلزم مقررات آزمايشگاه، نظافت و تهويه مناسب مي باشد.

 

تقسيم بندي نوكلئيدها بر اساس سميت

با توجه به عوامل موثر در خطرات ناشي از تنفس نوكلئيدهاي مختلف، جدول 6-1 تنظيم شده و سميت[1] نسبي تعدادي از آنها را نشان مي دهد.

اين جدول مجموعه اي از نوكلئيدها را كه بيشترين احتمال يافت شدن در مايعات و يا گازها را دارند، ارائه مي دهد. گزارش فنی شماره 15 آژانس بين المللي انرژي اتمي (IAEA Tech. Report No. 15) ليست كاملي را ارائه مي دهد. براي ALI نشريه شماره 30- ICRP و يا NRPB-R82 را ملاحظه كنيد.

مقدار ماده از هر گروه سمي كه مي تواند در آزمايشگاه بكار گرفته شود مسلماً به نوع كار، و استاندارد روشهاي اتخاذ شده بستگي دارد. جدول 6-2 راهنماي مناسبي در مورد استانداردهاي امكانات آزمايشگاهي مورد نياز سطوح مختلف اكتيويته مي باشد.

 

جدول 6-1   تقسيم بندي راديونوکلیدها  براساس سميت رادیو اکتیویته آنها

سمیت	نوكلئيد
بالا	Sr^90  و	Pb^210  و	Po^210  و	Ra^226 و	Ac^227
	Pu^239  و	Am^241  و	U^238 و	NatU ^و	NatTh
متوسط بالا	^mAg^110 و	Ce^144  و	Ru^106 و	Eu^154  و	At^211
	Sb^124  و	Cs^137  و	I^131  و	Co^60  و	Na^22
	Mn^54  و	Ca^45  و	Tl^204 و	Ir^192 و	Cl^36
				Zr^95 و	Sr^89
متوسط پایین	Hg^203 و	Pm^147 و	Zn^65 و	Fe^59 و	P^32
	Br^82 و	Na^24 و	Sr^85 و	Ru^103 و	Nb^95
	Fe^55 و	Mn^56 و	S^35 و	Au^198 و	I^132
	C^14 و	F^18 و	Cu^64 و	Ar^41 و	Be^7
پایین	^mSr^85 و	^mCo^58 و	^mTc^99 و	Zn^69 و Ar^37 و	H^3 Kr^85

 

جدول 6-2  استاندارد امكانات آزمايشگاهي در اكتيويته هاي مختلف

سميت	نوع آزمايشگاه
	درجه 1	درجه 2	درجه 3
بالا	بیشتر از MBq37 (mCi1)	MBq37-7/3 (mCi1 – mCi100)	کمترازMBq37/0 (mCi10)
متوسط بالا	بیشتر از GBq7/3 (mCi100)	GBq7/3-37MBq (mCi100-1)	کمترازMBq37 (mCi1)
متوسط پايين	بیشتر از GBq370 (Ci10)	GBq370-7/3 (Ci10 – mCi100)	کمترازGBq7/3 (mCi100)
پايين	بیشتر از TBq37 (Ci1000)	TBq37-7 3/0 (Ci1000-10)	کمترازGBq370 (Ci10)

 

هدف ارائه راهنمايي جهت تعيين حدود وسعت كار كه مي تواند بطور معقول به عهده گرفته شود، مي باشد. با توجه به پيچيدگي و خطرات ذاتي روشها، فاكتورهاي اصلاحي بايد بكار گرفته شوند(جدول 6-3)

 

جدول 6-3  روشها و فاكتورهاي اصلاحي

روش	فاكتور اصلاحي
نگهداري در كانتينر بسته، ولی با تهویه	100´
شيمي مرطوب ساده با اكتيويته ویژه پایین	10´
كارهاي معمولي شيميايي	1´
كارهاي مرطوب پیچیده يا خشك ساده	1/0´
كارهاي خشك و غبار آلود	01/0´

 

حفاظ

            از مقررات داده شده در فصل 4 (^1-CE rad h 53/0 = آهنگ دز گاما در يك متري)، كه در آن C اكتيويته بر حسب كوري و E انرژي كل گاما در هر فروپاشی است، مقدار دز حاصل از يك ميكروكوري از يك گسیلنده گاما با انرژي MeV1 برابر ^1-mR h  53/0 در يك متري است. كار با اين مقدار اكتيويته براي مدت كوتاهي ممكن است عاري از خطر باشد، ولي يك چشمه بزرگتر ، يا همان چشمه در يك فاصله كوتاهتر، نياز به حفاظ دارد.

چنانچه بتوان فرض نمود كه هيچ يك از فوتونهاي پراكندگي كامپتون به آشكارساز نرسد، محاسبه حفاظ گاما بسيار ساده خواهد بود. در اين حالت سيستم داراي مختصات «پرتوي باريك» بوده و تضعيف[2] بصورت نمايي است.

 

كه در آن I_x مقدار شدت با ضخامت x جذب كننده، _٠ Iشدت بدون جذب كننده،  نيمه ضخامت و x ضخامت جذب كننده است.

در كاربردهاي عملي حفاظ، از فوتونهاي پراكندگي كامپتون نمي توان صرف نظر كرد، و تضعيف، ديگر خطي نيست. اين حالت داراي مختصات «پرتو وسيع» مي باشد. بنابراين، مقررات حفاظ شديداً به مختصات هندسي حفاظ و چشمه بستگي دارد كه در حالتي كه آشكارساز و چشمه هر دو بوسيله حفاظ پوشيده شده باشند بیشینه است. در جدول 6-4 اين مشخصات براي دو ماده مخصوص حفاظ، سرب و بتون آورده شده است.

درصد تضعيف براي پرتو گاما 1، 2 و3 مگا الكترون ولت داده شده و ضخامتها بر حسب سانتي متر است. بعنوان مثال، اين جدول نشان مي دهد كه 65/3 سانتيمتر سرب يا 25 سانتيمتر بتون، دز حاصل از 10 ميلي كوري گسیلنده گاما با انرژي MeV1        (^1-mR h3 /5 در يك متري) را تا 10 درصد (^1-mR h 53/0) كاهش مي دهد. چنانچه 1 كوري اكتيويته داشته باشيم براي همان ميزان دز به 10 سانتيمتر سرب نياز خواهد بود.

 جدول 6-4 حفاظ گاما بوسيله سرب و بتون

تضعيف %	سرب			بتون
	MeV1	MeV2	MeV3		MeV1	MeV2	MeV3
90	65/3	15/6	26/6	25		4/31	2/35
99	9/6	11	3/12	2/45		55	67
9/99	10	16	18	58		80	94
99/99	13	8/20	3/23	70		101	118
999/99	9/16	27	8/28	88		120	143

 

هزينه حفاظ گاما

اگرچه، سرب غالباً بعنوان حفاظ گاما بكار مي رود، و در صورت كمبود فضا از ارزش بالايي برخوردار است ولي با توجه به هزينه بالاي آن كه چند صد برابر هزينه بتون است بكارگيري بتون از نظر اقتصادي مقرون به صرفه خواهد بود. (هنگام نگارش اين كتاب يك آجر سربي با ضخامت 10 سانتيمتر و سطح 10 سانتيمتر مربع 12 پوند، در صورتي كه هر متر مكعب بتون 18 پوند هزينه داشت). از آجرها و يا بلوكهاي بتوني نيز مي توان استفاده نمود كه به آساني قابل تهيه است. براي بعضي از اهداف قطعات كوچك آهن و فولاد در داخل بتون كه منجر به حصول ضخامت و هزينه مابين سرب و بتون مي گردد بكار مي رود. با توجه به اينكه هوا ارزانترين حفاظ مي باشد مي توان با استفاده از فاصله حداكثر استفاده را از آن نمود. در بعضي از موارد، مثلاً چشمه هاي راديوگرافي و يا نگهداري موقتي، ديگر چشمه هاي بسته، به شرط عدم وجود خطر خوردگي يا انحلال، مي توان از آب استفاده نمود. اغلب از آب بعنوان كند كننده و حفاظ مناسب جهت چشمه هاي نوترون Sb/Be استفاده مي شود. در كليه مسائل حفاظ، بايد به اين مسئله توجه نمود كه تابش يك پديده p4 (انتشار كروي) است. ايجاد حفاظ سربي روي ميز يا زير هود كافي نيست چرا كه فقط يك قسمت را مي پوشاند. دزهاي كاملاً بالا  مي توانند از روي ميز و يا كف هود به پاها برسند. همچنين بايد دريافت دز در اطاقهاي بالا و افراد را در نظر داشت. دز حاصل از يك گسیلنده گاما با انرژي MeV1 و اكتيويته   GBq37 (Ci 1) در فاصله 30 سانتيمتري از پشت حفاظ سربي به ضخامت 10 سانتيمتر برابر mGy6  (^{1 –}  mR h6) خواهد بود، در حاليكه مقدار دز در فاصله 5/2 متري بالا و پايين چشمه بدون حفاظ معادل mGy 1 (^{1 –} mR h 100) مي باشد و ممكن است به افراد اطاقهاي ديگر آسیب برساند. اورانيوم تهي شده[3] كه داراي دانسيته بالايي نسبت به سرب است در بعضي از مواقع براي ايجاد بیشینه حفاظ در حداقل فضا بكار مي رود ولي هزينه آن بالاست. از جيوه نيز كه داراي مزاياي زيادي است استفاده شده ولي داراي معايب هزينه بالا، خوردگي احتمالي و نيز خطر از بين رفتن اتفاقي آن در حفاظ مي باشد.

پراكندگي در هوا

براي چشمه هاي گاما با اكتيويته كمتر از  GBq 18 (Ci 5/0) پراكندگي در هوا اهميتي ندارد، ولي هنگامي كه با چشمه هاي بزرگتري در پشت حفاظ كار شود مي توان با ايجاد حفاظهاي موثر از پرتوهای ناشي از پراكندگي در هوا جلوگيري نمود، كه در غير اين صورت ايجاد دزي بالاتر از دز حاصل از تابش مستقيم مي نمايد. مثلاً پرتوهای حاصل از پراكندگي كبالت- 60 با اكتيويته TBq 7/3 (100كوري) كه در فاصله 30 سانتيمتري پشت ديواره اي با ارتفاع 25/1 متری قرار دارد دزي معادل mGy 1 (^{1 –} mR h 100) در دو متري طرف ديگر ديواره بوجود مي آورد و اين، در صورتي است كه حفاظ تنها جهت كاهش دز انتقالي بكار رود. همچنين پراكندگي در ديواره هاي اطراف حفاظ، ديوارها يا سقف نيز ايجاد دز زياد مي نمايد و اين به فاكتورهايي چون مواد بكار رفته در ساختمان و يا فاصله چشمه بستگی دارد. بنابراين در مواقع ضروري بايد ميزان دز اندازه گيري و محاسبه شده و حفاظهاي بالا و پايين لازم تهيه شوند.

 حفاظ بتا

از آنجا که ذرات بتا دارای برد محدودی هستند، معمولاً می توان با قراردادن موادی با عدد اتمی پایین از نفوذ آنها جلوگیری کرد. چنانچه از فلزات سنگین جهت حفاظ استفاده شود، تابش ترمزی ایجاد می گردد. در مورد گسیلنده های بتا – گاما حفاظهای گاما می توانند از نفود بتا و نیز تابش ترمزی جلوگیری کند، هر چند در بعضی از حالات ممکن است دز حاصل از تابش ترمزی قابل مقایسه با دز حاصل از تابش گاما باشد. مثلاً تولیوم – 170(Tm¹⁷⁰)  پرتو گاما با انرژی MeV084/0 و با انشعاب 3 درصد گسیل نموده و دارای فاکتور – k معادل 0025/0 مي باشد.[1]

تابش ذرات بتا شامل 22 درصد انرژی MeV 87/0 و 78 درصد انرژی MeV 97/0 می باشد. بر اساس ضخامت چشمه، پرتوهای ثانویه (تابش ترمزی و پرتو ایکس حاصل از بتا) میزان دزی معادل 10 برابر میزان دز حاصل از پرتو گاما تولید می نماید و این یک حالت استثنایی است چرا که معمولاً دز حاصل از پرتوهای ثانویه می تواند در مقایسه با دز حاصل از پرتوهای گامای اولیه صرف نظر گردد. قسمتی از انرژی بتا که بصورت تابش ترمزی ظاهر می گردد تقریباً معادل   است.

بهترین مواد برای جلوگیری از نفوذ پرتو بتای خالص پرسپکس یا موادی با عدد اتمی پایین است. پرسپکس می تواند نور را از خود عبور دهد و نیز محکم و مقاوم می باشد و کار کردن با آن آسان است. شیشه ارزان، ولی شکننده بوده و کار کردن با آن آسان نیست.

چنانچه مشاهده طرف دیگر حفاظ ضروری نباشد می توان از آلومینیوم یا چوب نیز استفاده کرد. ضخامت (برحسب^2-mg cm) لازم جهت محافظت کامل بستگی به انرژی بتا دارد. جدول 6-5 ضخامتهای لازم را برحسب میلیمتر برای انرژیهای مختلف بتا در مواد گوناگون نشان می دهد.

از آنجا که ماده گسیلنده بتا خالص با انرژی بالاتر از MeV 2 وجود ندارد، می توان نتیجه گرفت پرسپکس یا مواد معادل آن با ضخامت 2 سانتیمتر جهت جلوگیری از نفوذ آن کافی است و این وقتی صادق است که تولید تابش ترمزی چندان اهمیتی نداشته باشد. شیشه های معمولی برای گسیلنده بتا با انرژی پایین تر از MeV 1 کافی بوده و در محلولها ذرات بتا بطور قابل ملاحظه ای توسط خود محلول حفاظ می شوند.

جدول 6-5

(MeV)  Emax
	5/0	1	2	3
پرسپکس	2میلیمتر	4میلیمتر	7 میلیمتر	12 میلیمتر
شیشه	1	2	4	7
چوب	4	7	14	24

 

ذرات آلفا

از آنجاییکه برد ذرات آلفا حتی با بالاترین انرژی حداکثر چند سانتیمتر است لذا می توان با قرار دادن  ورقه کاغذی از نفوذ آنها جلوگیری نمود. هر چند که این ذرات فاقد خطر پرتوگیری خارجی هستند ولی دارای خطر شدید آلودگی می باشند.

---

[1]. مترجم: فاكتور – k عبارت است از ضریب تبدیل پرتوگیری به میزان دز .

---

[1] . Toxicity

[2] . Attenuation

[3] . Depleted

برهم كنش هاي تابش با ماده

برهم كنش هاي تابش با ماده

 

در محيطي زندگي مي كنيم كه با ريزش تابش همراه است. تابش گسيل شده بوسيله هسته های پرتوزا، در داخل يا خارج از بدن، با بافتهاي ما برهم كنش مي دهد. تابش الكترومغناطيسي با كليه طول موجها، شامل امواج راديوئي، امواج ميكروني (ميكروويوها)، رادار و نور ساخته شده توسط انسان و همچنين با منشاء طبيعي، بطور ثابت ما را بمباران مي كنند. در جهان ما تعداد فوتونها بسيار بيشتر از ماده بوده، براي هر نوكلئون تقريباً 10⁹ فوتون وجود دارد.

 پرتوهاي كيهاني و بقايای اجزای اتمي كه آنها در طي برهم كنش ها در اتمسفر توليد مي كنند نيز، با ما برخورد مي نمايند. نوترينوها از واكنش هاي گداخت در ستارگان با آن تعداد در جهان منتشرمي شوند كه ميلياردها بر ثانيه از آنها از ميان هر سانتيمتر مربع از پوست ما عبور مي كنند. خوشبختانه عبور بخش اعظم اين تابش همچون نوترونيوها و امواج راديوئي از ما بی خطر است. تابش هاي ديگر همچون نور و تابش الكترومغناطيس با طول موج بلند معمولاً با بافتهاي ما برهم كنش بی خطر مي دهند. با وجود اين، تابش الكترو مغناطيسي با طول موج كوتاه (نور ماوراء بنفش، پرتو هاي X و پرتوهاي گاما) و ذرات باردار توليد شده بوسيله برهم كنش ها مي توانند با درجات گوناگون سلولهاي ما را تخريب نمايند.

جهت تخريب بيولوژيكي، ابتدا لازم است اين تابش براي يونيزه نمودن اتمهاي سلولي بر هم كنش دهد كه بنوبه خود، پيوندهاي مولكولي را تغيير داده و شيمي سلولها را عوض مي كند. بهمين صورت، جهت تخريب در مواد ساختاری و الكتريكي، لازم است موجب بر هم كنش هائي گردد كه پيوندهاي كريستالي و مولكولي را بشكند. چنين تابشي بايد قادر به توليد زوج هاي يون- الكترون بوده و تابش يونيزان خوانده می شود. تابش يونيزان خود به دو دسته تقسيم مي گردد : تابش يونيزان مستقيم كه بر هم كنش آنها موجب يونيزاسيون و برانگيختگي ماده مي گردد و تابش يونيزان غير مستقيم كه نمي تواند اتمها را يونيزه كند ولي موجب برهم كنشهائي می گردد كه محصولات باردار آنها بنام تابش ثانوي، مستقيماً باعث يونيزاسيون مي شود. ذرات باردار با حركت سريع همچون، ذرات آلفا، ذرات بتا و پاره هاي شكافت مي توانند ماده را يونيزه كنند. ذرات خنثي، همچون فوتونها و نوترونها، نمي توانند بصورت كولوني، با الكترونهاي ماده ای که از آن عبور مي كنند بر هم كنش دهند آنها موجب بر هم كنش هائي مي شوند كه در طی آن مقداري انرژي جنبشي فرودي خود را به ذرات باردار ثانوي منتقل مي كنند. در اين فصل، چگونگي بر هم کنش اين دو نوع تابش يونساز با ماده را ارائه خواهيم داد، همچنين بر چگونگي تضعيف اين تابش ها هنگام عبور از ميان ماده و كمي سازي آهنگ بر هم کنش آنها و انتقال انرژی به ماده تأکيد ويژه شده است.

 

7-1: تضعيف باريكه هاي ذره خنثي

در برهم كنش يك فوتون يا نوترون با محتواي تشكيل دهنده يك ماده نيروهاي با برد محدود حكم فرما است. در نتيجه، ذرات خنثی بر عكس ذرات باردار، در خطوط مستقيم در ميان يک ماده حركت كرده، و بوسيله بر هم كنش هاي "نقطه اي" گاه به گاه كه در آن ذره خنثي ممكن است جذب يا پراكنده شده يا موجب واكنش نوع ديگر گردد، متوقف می شود. برهم كنش ها طبيعتاً ضمني هستند، يعني فاصله مسافرت بين برهم كنش ها با ماده را تنها می توان تا حد ميانگيني يا حس قابل منتظره ای ، پيش بيني کرد.

بر هم كنش يك نوع معلوم تابش خنثي با ماده ممكن است بر طبق نوع برهم كنش و ماده ای كه با آن برهم كنش انجام مي­پذيرد طبقه بندي گردد. برهم كنش ممكن است با يك الكترون انجام پذيرد، و در بسياري از حالات رفتار الكترون همانند حالتي است كه الكترونها آزاد باشند. مشابه آن برهم كنش ممكن است با هسته­اي انجام پذيرد كه در بسياري از موارد همانند حالتي است كه در يك مولكول يا شبكه كريستالي پيوند نباشد. با وجود اين، در برخی از موارد  بويژه براي ذرات تابشی با انرژي نسبتاً پائين، پيوند مولكولي يا شبكه اي بايد در نظر گرفته شوند.

برهم كنش ممكن است يك پراكندگي تابش فرودي به همراه تغييري در انرژي آن باشد. يك برهم كنش پراكندگي ممكن است کشسان يا ناکشسان باشد. بعنوان مثال، برهم كنش يك فوتون گاما، با الكترون كه پراكندگي كامپتون خوانده می شود در نظر بگيريد، بر هم کنش با کل اتم در حالتي كه الكترون در داخل آن پيوند است، بايد کشسان باشد، چرا كه مقداري از انرژي فوتون فرودي بايد انرژي بستگی الكترون در اتم را جبران نمايد. با وجود اين،  در بسياري از حالات عملي، انرژي هاي بستگی الكترون بطور قابل ملاحظه اي پائين تر از انرژي هاي فوتون-گاما بوده و برهم كنش ممكن است بصورت يك پراكندگي کشسان خالص فوتون بوسيله يك الكترون آزاد در نظر گرفته شود. پراكندگی نوترون بوسيله يك هسته اتمي ممكن است کشسان باشد كه در اين حالت انرژي جنبشي نوترون فرودي با انرژی جنبشی نوترون پراكنده و هسته پس زن شريك است، يا ممكن است ناکشسان باشد، كه در اين حالت، انرژي جنبشي نوترون فرودي به انرژي داخلي هسته و از آنجا به يك پرتو گامای، گسيل يافته از هسته برانگيخته، انتقال يابد. لازم است توجه نمود كه براي هر دو حالت پراكندگي کشسان و ناکشسان، روابط منحصر بفردي بين تبادلات انرژي و زواياي پراكندگي از بقاء انرژي و تکانه خطي ظهور مي كند.

انواع ديگر برهم كنش ها طبيعتاً جاذب هستند. هويت ذره فرودي از بين رفته و تکانه نسبيتي كل و انرژي باقي مانده ، مقداري بصورت انرژي برانگيختگي هسته اي، مقداري بصورت انتقالي، ارتعاشي و انرژي چرخشي ظاهر مي شوند. نتيجه نهائي ممكن است گسيل تابش خاص به همان صورتي كه در پديده فوتوالكتريك و گیراندازی تابشی نوترون رخ  مي دهد باشد.

بحث در اين بخش به چگونگي تضعيف باريكه­اي از تابش با عبور از ميان ماده بطور مساوي براي نوترونها و فوتونها مي پردازد. در بخشهاي بعدي، توضيحات مخصوص هر نوع بر هم كنش هاي مستلزم  تابش خنثي و تابش ويژه- ماده داده مي شود. مفهوم ضريب بر هم كنش براي توضيح چگونگي برهم كنش ذرات- تابش با ماده معرفي گرديده، و سپس آنرا براي كمي سازي تضعيف باريكه اي  از ذرات خنثي با عبور از ميان بعضي از مواد بكار مي بريم.

گسستگی زمان و فضا-قسمت۲

گسستگی زمان و فضا-قسمت۲

 

اين كاربرد نوعي انفصال در ساختار ميدانها وارد مي‌كند كه منجربه يك تعبير ذره‌اي مي‌شود. اين نظريه، فرايندهاي خلق و فناي ذرات بنيادي و اندركنش بين آنها را بررسي مي‌كند. با اين توضيحات ناگفته در بخش ميدانها گمان مي‌رود كه درك اين

تئوري و توضيحات آمده آسانتر شده باشد.

اینشتین، براي استقرار يك توري واحد ميدان، كه بتواند تمام ميدانها و ذرات شناخته شده را شامل گردد، سالها فعاليت نمود، اما  نتيجه‌اي بدست نياورد. فيزيكدانها سرانجام به اين نتيجه رسيدند، كه ميدان و ماده هيچ كدام به تنهائي نهادي نيستند؛ بلكه هر دو به ميزان مساوي، اساسي و ازلي هستند.با اينكه فيزيكدانها نظريه اخير را پذيرفتند، اما كماكان به حث و مجادله ادامه مي‌دهند.آيا انديشه‌هاي آنان با واقعيات منطبق است؟ آيا اطلاعات آنها پيرامون دنياي بي‌نهايت كوچگها، تا چه اندازه درست است؟ آيا بكار بردن تئوريها و تصورات مخلوق ذهن بشر، در مورد طبيعت اشتباه نبوده است؟ و آيا بشر ـ نماينده جهان معمولي ـ استعداد فراگيري و تسلط، بر تمام وقايعي را كه درجهان بي‌نهايت كوچكها رخ مي‌دهد، دارد؟

انسان مي‌تواند قوانين طبيعت را بشناسد و متدرجاً به حقيقت نزديك‌تر شود، اما پژوهش دانش هرگز پايان نمي‌گيرد، زيرا هيچ‌يك از دانش‌هاي جهان به دقت مطلق نرسيده‌اند.

فيزيكدانها، برمبناي مراتب فوق، با اين مسئله روبرو هستند كه چگونه روابط ماده و ميدان را توجيه نمايند.  قبل از هرچيز، آيا يك تئوري واحد ميدان، يا يك تئوري مادي كه بتواند تمام پديده‌هاي دنياي بي‌نهايت كوچكها را تشريح كند وجود دارد؟ نه، ميدان و ماده دو شكل متضاد از اجسام و گسترش آنها هستند و وجود يكي بدون ديگري امكان پذير نيست. با اينكه اين دو متضادند, اما به شكل تفكيك‌ناپذيري به يكديگر وابسته‌اند؛ و در واقع, دو روي يك سكه محسوب مي‌گردند. ميدان, خواص مادي از خود نشان مي‌دهد و ماده, خواص ميدان را داراست.

آيا تصورات ما پيرامون وجود و روابط اين دو اكسير, از حقيقت نيز بهر‌ه‌اي دارد؟ مسلماً همين طور است؛ زيرا, با اينكه انديشه‌هاي مزبور از دقت كافي برخوردار نيستند, اما بطور كلي با تجربه تائيد مي‌گردند و پيش‌بيني‌هائيكه بر اساس آنها مي‌شود, درست از كار درمي‌آيد.

در اين صورت چرا فيزيكدانها, كماكان بر سر اين مسئله كه نتايج كار آنان چگونه بايد تفسير گردد, مجادله مي‌كنند؟ قبل از هر چيز براي اينكه همه فيزيكدانها با فلسفه ماترياليسم ديالكتيك آشنا نشده‌اند. فلسفه‌هاي مخالف مخصوصاً نمونه خطرناك آن كه ايده‌آليسم سوبژكيتو ناميده مي‌شود, بر اين مرامند, كه جهان فقط در تصور بشر وجود دارد و قوانين آن نيز زائيده تخيلات اويند. با وجود چنين فلسفه‌اي, حتي بعضي از دانشمندان برجسته نيز, وقعي با اكتشافات فيزيك نمي‌گذارند و بر اين عقيده‌اند كه جهان قابل شناخت نيست.البته اين كار آسانتر است؛ زيرا جهان بي‌نهايت كوچكها مستقيماً قابل مشاهده نيست و به علاوه ويژگيهاي آن, با دنياي معمولي متفاوت است. اختلاف اخير به حدي است كه شناسائي سرشت حقيقي دنياي مذكور از چهارچوب قدرت انديشه‌هاي روزمره خارج است.

تكامل دانش به شيوه‌اي است كه, ايده‌هاي جديد خيلي به كندي بنياد مي‌گيرند. علاوه بر همه اينها, موجودات بشري در جهان اشياء معمولي و انديشه‌هاي معمولي زندگي مي‌كنند و افكار آنها نيز بر همين مباني استوار است. انتقال از اين جهان به

 

 

دنياي بي‌نهايت كوچكها، با تصورات مهجور و غيرمحسوس آن كار آساني نيست. تصور و گفتگو از ذرات اساسي، كه واقعاً يك ذره ساده نيستند، كار پر دردسري است. به همين ترتيب، ميدان نيز چيزي بيشتر از ميدان است. البته اشكال در اسامي بكار برده شده نيست، بلكه اشكال در تصورات، ايده‌ها و مفاهيم است.

مكانيك کوانتومی، موفق گرديد كه انديشه‌هاي قديمي را با تصورات موج ـ ذره، حفره‌ي پزيترون و کوانتومیي مزوني ادغام نمايد. اما هنوز مسائل اخير در مغز فيزيكدانها، هماهنگي لازم را نيافته‌اند و اين وظيفه‌ايست كه در آينده نزديك بايد انجام گيرد.

دراين قسمت احساس مي‌شود اين بحث زيبا و حيرت‌انگيز كمي گنگ و نامفهوم است لذا نياز به توضيح بيشتر احساس مي‌شود. همانطوركه در روند سير تكاملي نيز ديديم مكانيك كلاسيك تمام كميات مكان، زمان، انرژي و اندازه حركت خطي و زاويه‌اي را كميتهايي پيوسته و مطلق مي‌دانست. همانطوركه قبلاً نيز اشاره شده در كلاسيك يك ذره مي‌تواند هر مقدار انرژي را دريك بازه متناهي اختيار كند يا به اصطلاح داراي يك طيف پيوسته انرژي است همچنين يك ذره در هر مكاني مي‌تواند قرار بگيرد و در هر زماني نيز مي‌تواند وجود داشته باشد، اندازه حركت زاويه‌اي آن هر مقداري را مي‌تواند داشته باشد. با ارائه نسبيت خاص اینشتین زمان و مكان مفهوم مطلق بودن خود را از دست دادند. يعني ديگر زمان و مكان مطلق نيستند بلكه نسبي هستند و براي ناظر در چهارچوبهاي مختلف متفاوت هستند. مفهوم اتساع زمان و انقباض طول نيز حاكي از همين موضوع است از طرفي با تولد كوانتم انرژي و اندازه حركت خطي و زاويه‌اي نيز مفهوم كلاسيك خود را از دست دادند بطوري كه ذره كوانتومي ديگر نمي‌تواند هر مقداري از انرژي و اندازه حركت خطي و زاويه‌اي را داشته باشند به عبارتي اين پارامترها كوانتيده مي‌شوند. موارد فوق با تجربه سازگاري دارند و آزمايشات نيز آنها را تائيد كرده است اما مقوله‌اي ديگر نيز دراينجا مطرح مي‌شود كه تا به امروز چون هيچ تجربه و آزمايشي آنها را نشان نداده لذا فقط درحكم فرضيه باقي مانده‌اند و آن مفهوم كوانتيدگي مكان و زمان است. همانطوركه مي‌گوئيم در كوانتوم انرژي و .... كوانتيده‌اند و هر مقداري را نمي‌توانند داشته باشند اين فرضيه هم بطور مشابه بيان مي‌كند كه در كوانتوم هم فضا و زمان كوانتيده هستند. كوانتيدگي فضا و زمان در كنار انرژي و .... به اين مفهوم است كه يك ذره نمي‌تواند هر انرژي‌اي را داشته باشد در هر مكاني و در زماني باشد و هر مقداري از اندازه حركت را نمي‌تواند اختيار كند با توجه به اينكه تمام موجودات چه در ابعاد انسان و چه در ابعاد اجسامي كه انسان در مقابل آنها حكم اتم را دارد به هرحال از ذرات ريز و بنيادي تشكيل شده است، لذا اين كوانتيدگيها شامل حال او نيز مي‌شود. برفرض كه زمان و مكان هم كوانتيده باشند همانند كوانتيدگي انرژي و تكانه كه در ابعاد اجسام بزرگ (نسبت به ذرات ريز) پيوسته به نظر مي‌رسند، اين موارد نيز پيوسته به نظر مي‌آيند. به هرحال كوانتوم نتوانسته تمام روابط خود را با آزمايش نشان دهد چون براي اين كار به ابزار اندازه‌گيري در ابعاد هسته و زمانهايي در حدود s ^15- 10 احتياج دارد حال آنكه براي نشان دادن كوانتيدگي فضا و زمان احتياج به ابزاري با دقت s ^23- 10 و ابعادي درحدود هسته نياز است كه با علم امروزي رسيدن به آن غيرممكن است. هرآنچه كه براي بشر با عادات و تجربيات انطباق نداشته باشد همواره حكم همان

 

 

 سحر و جادو را دارد. همانطوري كه تصور برگشت زمان او را متحير مي‌كند. مسلماً اثرات كوانتيدگي فضا و زمان هم در دنياي مربوط به آنها نيز او را متحير مي‌كند. اينكه هر ذره (e , p , n ,...) دريك نقطه‌اي از فضا در زماني خاص نتواند قرار گيرد و مجموع اين ذرات خود انسان را تشكيل دهد دوباره موجب حيرت او مي‌شود كه شايد بخواهد در فلان ساعت در فلان مكان برسرقرار برود. ولي قوانين حاكم طوري باشد كه كوانتيدگي فضا و زمان ذرات سازنده بدن او مانع اين امر شود؟! پس اين يك توجيح مناسب براي افراد بدقول است!! چرا كه ديگر تابع موج حاكم بر ذره به ازاي هر x وy وz وهر t نمي‌تواند وجود داشته باشد. البته اثبات اين فرضيه منجر مي‌شود كوانتوم هم مانند كلاسيك بي‌اعتبار شود، چرا كه ديگر هر تابع موج حاكم بر سيستم كه حاوي بيشترين اطلاعات يك سيستم است شرط اساسي خود يعني پيوستگي تابع و مشتق خود را از دست مي‌دهد.

ناپيوستگي تابع موج منجربه ناپيوستگي احتمال نيز مي‌شود بنابراين ذره داخل چاه پتانسيل نامتناهي ممكن است دريك لحظه‌اي نه داخل چاه باشد و نه خارج آن ؟!

چنانچه اين نظريه كوانتيدگي زمان صحيح باشد يا به عبارتي برفرض صحيح بودن كوانتيدگي زمان چنانچه براي انسان قابل لمس باشد (يا انسان وارد آن سرزمين شود و يا ابعاد آنها بزرگ شود) مي‌توان يك شاهد تجربي براي كوانتيدگي زمان ارائه داد. بدين صورت كه گاهي براي ما پيش آمده كه گفته‌ايم "امروز براي من بسيار طولاني بود" و يا گاهي كه گفته‌ايم "امروز چه سريع گذشت." اصطلاحات در واقع مي‌توانند شواهدي بر كوانتيدگي زمان باشند؟ روزهايي كه پرمشغله هستيم و گذشت زمان را كمتر حس مي‌كنيم، درواقع پيوستگي بيشتر زمان را احساس مي‌كنيم. البته تا به امروز اين موارد فقط يك فرض هستند؟

گسستگی زمان و فضا-قسمت۱

گسستگی زمان و فضا-قسمت۱

انديشه‌هاي جديد زمان و فضا را، هنوز همه فيزيكدانها نپذيرفته‌اند و عملاً هم تا كنون مورد تأييد قرار نگرفته است.

بيش از سي سال است كه انديشه‌هاي مذكور پديدار گشته‌اند، اما رواج كامل نيافته‌اند؛ با اينحال اغلب دانشمندان عقيده دارند، كه چندان هم از حقيقت به دور نمي‌باشند.

خلاصه نظريه‌ي روابط زمان ومكان با ذرات و حركت آنها (درجهان بي‌نهايت كوچكها) را، مي‌توانيم به شكل زير بيان كنيم :

چون ذرات و حركات آنها ويژگيهاي كوآنتيزه دارند، لذا زمان و فضا نيز بايد كوآنتيزه باشند. در اين صورت، آخرين دژهاي مستحكم مكانيك كلاسيك نيز فروخواهد ريخت؛ زمان و مكان پيوستگي خود را از دست مي‌دهند و به تكه‌هاي مجزائي تقسيم مي‌شوند.

اين تكه‌هاي مجزا را طبق معمول, کوانتومیي زمان وفضا خواهيم ناميد. بديهي است كه کوانتومیي زمان و فضا كوچكترين كميت‌هاي ممكن بوده و احتمالاً اندازه آنها برحسب جرم, انرژي, ممانتوم و ساير مشخصات اساسي قابل محاسبه خواهد بود.

تاكنون از اينگونه طولها و يا فواصل زماني بنيادي اطلاعي نداريم. بدين معني كه حتي از چهارچوب حساسيت دقيق‌ترين ابزارهاي اندازه‌گيري دنياي بي‌نهايت كوچكها نيز خارجند. دقت ماكزيمم اين گونه ابزارها براي طول, در حدود 13 ـ 10 سانتيمتر و براي زمان تقريباً ^23-10 ثانيه است. بعضي از دانشمندان عقيده دارند كه کوانتومیي مكان, (اگر وجود داشته باشد) بايستي صدها و يا هزارها برابر از مقدار فوق كمتر باشد.

انديشه‌ها بسيار جالبند؛ اما کوانتومیي زمان و فضا بسيار كوچك بوده و لذا اندازه‌گيري آنها امكان ندارد و به همين جهت آنها را احساس نمي‌كنيم. در واقع راهي براي اندازه‌گيري اين كميات بنيادي وجود ندارد, زيرا ابزارها خشونت نشان مي‌دهند و جهان بي‌نهايت كوچكها را به هنگام وارسي واژگون مي‌كنند.

سرانجام آشكار مي‌گردد, كه تصورات كلاسيك زمان وفضا, در دنياي بي‌نهايت كوچكها محدود مي‌شوند و فقط به مقياسهاي معيني باارزشند. حدود مذكور, همان جنبه‌ي دوگانگي ذرات بنيادي و همچنين کوانتومیي فضا و زمان هستند, كه درباره آنها گفتگو كرده‌ايم.بدين ترتيب, آيا شناسائي کوانتومیي زمان و مكان چه نتيجه‌اي دارد, آنها كه در تصورات روزانه ما از زمان و مكان, انعكاسي ندارند.واقعيت همين است, اما بارها يادآور شده‌ايم كه هر بخشي از دانش بخودي خود به وجود نمي‌آيد، بلكه برپايه بخشهاي گذشته بنياد مي‌گيرد. پيشرفت انديشه‌هاي جديد نيز يك شبه انجام نمي‌شود، بلكه به آهستگي اتفاق مي‌افتد و هميشه نمودهائي نيز از گذشته دارد. استقرار تصورات جديد هميشه پرزحمتي است.بدين گونه مكانيك کوانتومی، مسير خويش را از آغاز استقرار تا حال حاضر كه با موانع زيادي روبرو شده است، مي‌پيمايد. آيا كماكان پيروز است و يا شكست خورده و تئوري قويتري جاي آن را خواهد گرفت؟

جرم، بار الكتريكي، اسپين و پاريته، هركدام ويژگي مشخصي از ذره را به دست مي‌دهند و تعاريف را مستقل مي‌سازند، بدين معني كه كميتها برحسب يكديگر تعريف نمي‌شوند. مثلاً جرم برحسب نيروي وزن و بار الكتريكي برحسب نيروهاي دافعه يا جاذبه مشخص نشده است.البته بيش از اين چيزي نمي‌دانيم. ما هميشه اين انديشه‌ها را به كار مي‌گيريم ولي حتي يك نفر نمي‌داند كه مفهوم حقيقي آنها چيست؟

مكانيك کوانتومی درحال حاضر، چنين دوراني را مي‌گذراند. كميتهاي بسياري مانند جرم، بار الكتريكي و غيره را از مكانيك كلاسيك گرفته است و انديشه‌هائي مانند اسپين، پاريته و غيره را خود كشف نموده است. اما مفاهيم دقيق هيچ يك از آنها را تشريح نمي‌كند. همان طوري كه منشأ جرم و بار الكتريكي را نمي‌شناسد.

آيا واقعاً جرم چيست؟ دو پاسخ براي اين پرسش موجود است. اولاً جرم مقدار ماده‌اي است كه جسم را تشكيل مي‌دهد و ممكن است با مقدار هسته‌اي كه در حجم معين جسم وجود دارد (چون هسته اتم اكثريت جرم آن را دربردارد), مشخص گردد. به همين طريق مي‌توانيم جرم هسته را, بر حسب ذرات تشكيل دهنده آن (پرتون و نوترون), تشريح كنيم.

اما جرم پرتون چيست؟ آيا بازهم مقدار ماده‌اي است كه آن را تشكيل داده است؟ كدام ماده؟ كدام مقدار؟ تصور اندازه‌گيري جرم, خودبخود نشان مي‌دهد كه هر جسم, قابل تقسيم به تكه‌هاي كوچكتر است, در حاليكه پرتونها قابل تقسيم نيستند. بنابراين از ماده درون پرتون, با حدس و گمان بايد گفتگو كرد.

وقتي ادعا مي‌كنيم كه جرم پرتون, تقريباً ^24-10 گرم است, تنها منظورمان آن است كه يك گرم از آن شامل 10²⁴ پرتون خواهد بود. بدين ترتيب تعريف جرم, براي پرتون و ساير ذرات بنيادي, بر مبناي مقدار ماده‌اي كه آنها را تشكيل مي‌دهد, بي‌معني است.

تعريف دوم اين است كه, جرم مقدار اينرسي و يا به بيان ديگر مقاومتي است كه جسم, در برابر تغيير حالت از خود نشان مي‌دهد. البته در موارد معمولي كافي است كه جرم را,   مقاومت در مقابل تغيير مكان توصيف كنيم.با اين ترتيب امكان دارد كه جرم پرتون را, ميزان مقاومتي كه در برابر حركت (در اثر نيروهاي ساير ذرات.) ظاهر مي‌سازد, تعريف نمائيم. اما اين تعريف هم كامل نخواهد بود.

نيروها نماينده برهمکنش هستند و برهمکنش نمود ميدان است. وقتي پرتون‌ در ميدان سرعت مي‌گيرد, مقداري جرم اضافي از ميدان كسب مي‌كند. و وقتي سرعتش كاهش يافت, جرم مزبور را به ميدان بازمي‌گرداند. با اينكه جرم داده شده يا گرفته شده ناچيز است، ولي بهرحال تغيير جرم وجود دارد. لذا جرم، يك كميت متغير خواهد بود و خواص خويش را به عنوان يك كميت قابت، از دست مي‌دهد.

از اينجا آشكار مي‌گردد، كه درجهان بي‌نهايت كوچكها مجبوريم خود جرم را برحسب كميت ديگري بيان نمائيم. درمورد اخير، جرم پروتون را برحسب جرم سكون آن و نسبت سرعتش به سرعت سير نور تعريف مي‌كنيم.

ظاهراً روزنه اميدي حاصل شده است، زيرا جرم سكون هر ذره مقداري است ثابت و در واقع تغيير جرم سكون يك ذره به منزله تعويض آن مي‌باشد. آيا كماكان جرم سكون، نماينده مقاومت ذره نمي‌باشد؟ البته مقاومت ذره در برابر حركات مكانيكي معمولي نخواهد بود، بلكه مقاومت در برابر حركت به معناي همگاني آن، يعني تبديل ذرات مي‌باشد.

اين مطلب به حقيقت نزديك است. اگر يادتان باشد، وقتي انرژي سينتيك ذرات، به ميزان انرژي ويژه آنها (معادل با جرم سكون) مي‌رسيد، امكان تبديل واقعي آنها به کوانتومي ميدان وجود داشت.

با اين توصيف، مي‌توانيم جرم سكون ذرات را، برمبناي كيفيت پايداري آنها تعريف كنيم. درمورد بعضي از ذرات، جرم اخير قابل ملاحظه نيست و بنابراين در انرژيهاي كم نيز قابل تبديل به فوتون مي‌باشند. ذراتي كه جرم سكونشان بيشتر است، پايدارترند.

براساس نظريات امروزي، ذرات، در تبادلات حقيقي و مجازي كه نماينده برهمکنش‌هاي آنهاست شركت مي‌كنند. بنابراين جرم, از جنبه‌ي کوانتومیي مجازي ميدان‌ها نيز مي‌تواند مورد مداقه قرار گيرد.

 تمام اين مسائل موجب پيچيدگي تصور جرم مي‌گردند. از يك طرف جرم, نماينده نوعي از ويژگيهاي ذره است و از طرف ديگر, يكي از عوامل مشخص كننده تمام برهمکنشهاي آن محسوب مي‌گردد.

بدون شك, ساير مشخصات ذرات نيز به همين اندازه پيچيده هستند. امروزه كليه مسائلي كه براي شناسائي جوهر اساسي حقايق دنياي بي‌نهايت كوچكها مطرح مي‌گردند, سرانجام با بزرگترين معماي ناگشوده فيزيك, يعني چگونگي روابط ميدان وماده روبرو مي‌شوند.ذرات مادي, خواص ميداني دارند و کوانتومیي ميدان ويژگي‌هاي مادي نشان مي‌دهد. آيا كداميك نهادي و اساسي هستند, ماده يا ميدان؟

يك قرن قبل كه فيزيك به تازگي انديشه ميدان را پذيرفته بود, جواب ساده به نظر مي‌رسد. ذرات ماده ميدان را ايجاد مي‌كنند و ميدان يك وسيله كمكي براي دريافت برهمکنش ذرات است. ميدان بدون ماده وجود ندارد.

اما به مرور زمان روشن گرديد, كه ميدان نيز مي‌تواند ماده را بوجود آورد و بنابراين انديشه ميدان, چندان هم فرعي و كمكي نمي‌‌باشد.

سپس, فيزيكدانها به جانب ديگر متمايل شدند و راه انيشتن را برگزيدند. بدين معني كه ميدان را اساسي دانسته و بقيه را تظاهرات گوناگون آن به شمار آوردند. دراين صورت، ماده بدون ميدان وجود نخواهد داشت و ذرات ماده، خرده پاره‌هاي ميدان محسوب مي‌گردند.

نيروهاي موجود در طبيعت در4 دسته نيروي گرانشي، الكترومغناطيسي، هسته‌اي ضعيف و هسته‌اي قوي تقسيم‌بندي مي‌شوند. در دهه 1960 نظريه‌اي تحت عنوان نظريه واينبرگ ـ سلام (Weinberg-salam Theory) توسط فيزيك‌دان مسلمان پاكستاني، عبدالسلام و واينبرگ مستقلاً پيشنهاد شد و هدفش توجيه نيروهاي ضعيف و الكترومغناطيسي بود.

نظريه‌هاي وحدت بزرگ (Grand unified Theories = GUT) نظريه‌هايي هستند كه كار آنها توحيد نيروهاي قوي، ضعيف و الكترومغناطيسي است. نظريه ميدان وحدت يافته (unified field Theory) نظريه‌اي است كه مي‌كوشد دو، سه و يا چهار نيروي موجود در طبيعت را در يك ابر نيرو (ميدان) وحدت بخشد. اما آنچه كه دراين مقال از سير تاريخي كوانتوم بدون اين پيش زمينه بدان اشاره شده در واقع نظريه ميدانهاي كوانتومي (Quantum Field Theory) است كه منظور از ميدان دراين بخش همان ابرنيرويي است كه تمام نيروهاي موجود در طبيعت شاخه‌هايي ازآن هستند.

اين نظريه در واقع مكانيك كوانتومي نسبيتي را كه در مورد آن صحبت كرديم را در مورد ميدانها بكار مي‌برد.

جهانهاي ماده و ضد ماده

جهانهاي ماده و ضد ماده

قبلاً اشاره كرديم كه پزيترونها در دنياي ما مهمانهاي كميابي هستند. اين موضوع ثابت مي‌كند كه در جهان ذرات، تقارن برقرار نيست و تعداد چپ حلزونها بيش از راست حلزونها است.

مطلب اخير نبايستي موجب تعجب گردد، زيرا در طبيعت از اين نمونه‌ها فراوان ديده مي‌شود. پيچش مار اكثراً به سمت چپ است و پوسته‌ي حلزونها نيز به سمت چپ پيچيده شده است.

مولكولهاي استرائوايزومر در شيمي شناخته شده‌اند كه تصوير در آينه يكديگرند و در ميان آنها ميزان چپ و راست يكسان نيست. قلب انسان در سمت چپ بدن او قرار دارد و به ندرت افرادي ديده مي‌شوند كه اعضاء داخلي بدنشان جابجا شده باشد.

با اينكه چپ دست زياد ديده مي‌شود، اما اغلب افراد راست دست مي‌باشند.

بنابراين، جاي شگفتي نيست كه در مناطقي از فضاي بيكران، جهانهاي ضد ماده نيز موجود باشند. درآنجا هسته آنتي اتمها از آنتي پرتون و آنتي نوترون تشكيل گرديده و پزيترونها به دور آن در حركتند. موجودات زنده جهانهاي مذكور (درصورتي كه وجود داشته باشند)، تصوير در آينه‌ي موجودات زميني خواهند بود.

در شرائط يكسان، قوانين جهانهاي ضد ماده، با قوانين دنياي معمولي ما تفاوتي ندارد و در هر مورد فقط علامت تغيير مي‌كند. لذا، اگر واقعاً جهانهاي ضد ماده موجود باشند، ما از وجود آنها بي‌اطلاعيم.

تنها چيزي كه دراين مورد دريافتني است، مرز جهان معمولي و جهان ضد ماده خواهد بود.

دراين منطقه ذرات دو جهان با يكديگر برخورد مي‌كنند و به پي‌مزونها و پرتوهاي پرانرژي گاما تبديل مي‌شوند. بنابراين پي‌مزونها و پرتوهاي گاما، نوار مرزي دو جهان محسوب مي‌گردند و هر ذره‌اي كه بخواهد از يك جهان به جهان ديگري وارد شود، دراين ناحيه به تله خواهد افتاد. تا كنون دانشمندان، هيچگونه دليلي بر وجود چنين منطقه‌اي، در محدوده مجموعه شمسي و يا مجموعه‌هاي بزرگتر نيافته‌اند.

پديده تونل زنی (Tunnel Effect)

يك معجزه

كودكان براي دستيابي به درختان ميوه، از ديوار باغها بالا مي‌روند و بنابراين كشاورزان ديوارها را بلندتر مي‌سازند. در اين صورت ممكن است كودك با پرش از روي ديوار، وارد باغ شود، يا از نرده‌بان استفاده كند و يا از يك درخت بالا رفته و از آنجا روي ديوار بپرد و يا ... بديهي است كه راههاي متفاوتي براي اين كار وجود دارد.

كودكان امروز ديگر به افسانه‌هاي جن وپري اعتقاد ندارند اما اگر آنها با دنياي بي‌نهايت كوچكها سروكار داشتند، اجباراً مي‌پذيرفتند كه ذرات، از ديوارهاي سخت عبور مي‌كنند!

موضوع عبور از ديوار را دقيق‌تر بررسي مي‌كنيم. مقدمتاً مي‌دانيم كه هر اندازه جسم كوچكتر باشد، انرژي پتانسيل آن كمتر است. وقتي شما روي زمين مي‌ايستيد، كمتر از موقعي كه روي ديوار نشسته‌ايد، انرژي پتانسيل داريد. اختلاف اين دو انرژي پتانسيل برابر است با وزن جسم، ضرب در اختلاف فاصله گرانيگاه آن در دو حالت از سطح زمين، كه تقريباً برابر ارتفاع ديوار، منهاي يك متر است.

اگر شما به طريقي انرژي كسب نمائيد، موفق مي‌شويد كه از ديوار عبور كنيد. اين انرژي را مي‌توانيد از عضلات خود بدست آوريد و يا دوستانتان شما را بلند كنند و يا بعبارت ديگر كار انجام شده، بر ميزان انرژي پتانسيل شما مي‌افزايد و رفتن روي ديوار را عملي مي‌سازد. پائين رفتن از ديوار آسان است، زيرا نه تنها كوششي لازم ندارد، بلكه به منظور آهسته‌تر كردن سقوط و برعليه جاذبه زمين بايستي صرف انرژي نمود.

بديهي است كه انرژي پتانسيل درسوي ديگر ديوار، برابر حالت اول خواهد بود. اگر تغييرات انرژي پتانسيل را به هنگام عبور از ديوار رسم كنيم، قله‌اي درآن مشاهده خواهيم كرد كه از نظر فيزيك‌دانها سد پتانسيل ناميده مي‌شود.

در دنياي اتمي نيز ديوارهائي از اينگونه وجود دارند. براي مثال درهرتكه كه فلز مقداري الكترون تقريباً آزاد يافت مي‌شود، كه كمي به اتمهاي خويش وابسته‌اند. ولي عليرغم آزادي، شنيده نشده است كه الكتروني بخودي خود قطعه فلز را ترك كند، زيرا با اينكه اتصال الكترون و اتمهاي وابسته ضعيف است ولي يونهاي موجود، الكترونها را به سوي فلز مي‌كشند.

اثر كلي يونها برالكترونها, شبيه آن است كه الكترونها را در محوطه‌اي بوسيله ديوار, از فضاي اطراف جدا كرده باشيم.

از نظر تئوري بوهر, الكترونهاي يك قطعه فلز را مي‌توان, به توپهاي داخل يك گودال تشبيه كرد. همانطوري كه توپها از گودال خارج نمي‌شوند, الكترونها نيز در قطعه فلز خواهند ماند. اين موقعيت حاكم بر الكترون را, چاه پتانسيل مي‌ناميم.

البته الكترونها براي هميشه به فلز بسته نشده‌اند, بلكه تحت شرائطي مي‌توانند از سد بگذرند و به خارج راه يابند. براي مثال اگر الكترون را زير نور با طول موج به اندازه لازم كوتاه قرار دهيم, خروج الكترون ممكن مي‌گردد. فوتوني كه انرژي كافي داشته باشد, با يك ضربه مي‌تواند الكترون را به خارج پرتاب كند. اين شيوه كلاسيك عبور از سد پتانسيل است و با عبور كودكان از ديوار باغ اختلافي ندارد.

البته براي الكترونهاي يك قطعه فلز, سد پتانسيل, بيشتر شبيه يك پله است تا يك چاه. در مورد اول با حفر زمين چاه را بوجود مي‌آوريم و در مورد دوم يك ميدان الكتريكي قوي لازم خواهد بود. بهرحال شباهت توپ و الكترون در همين جا پايان مي‌يابد.

اگر معادله نيوتن را براي توپ واقع در گودال حل كنيم, نتيجه مي‌شود كه توپ, براي هميشه در گودال خواهد ماند, مگر اينكه انرژي كافي براي عبور از ديوار به آن داده شود. بدون حل معادله نيز باور داشتيم كه توپ از ديوار نخواهد گذشت, به همانگونه كه كودكان, بدون صرف انرژي نمي‌تواند از ديوار عبور كنند.

مكانيك كلاسيك تأكيد مي‌كند, كه توپ هرگز از گودال خارج نخواهد شد و احتمال خروج توپ صفر است.

اگر معادله شرودينگر را براي الكترون يك قطعه فلز كه در ميدان الكتريكي قرارگرفته است, حل كنيم, نتيجه غير منتظره خواهد بود. در اينجا احتمال خروج الكترون صفر نمي‌شود و تأكيد مي‌كنيم كه هرگز صفر نخواهد شد, با اينكه مي‌تواند مقدار بسيار ناچيزي باشد.

به نظر مي‌رسد كه الكترون مي‌تواند به داخل سد پتانسيل نفوذ كند و به سوي ديگر آن راه يابد, بر خلاف آنچه كه فيزيك كلاسيك پيش‌بيني مي‌كند. شايد هم نيروهاي اسرارآميز, تونلي را در ديوار تعبيه كرده و در اختيار الكترون قرار داده‌اند. از اينرو فيزيكدانها اين پديده غريب را پديده تونل (Tunnel Effect) نامگذاري كردند.

تولید انرژی از تابش هسته ای

تولید انرژی از تابش هسته ای

 تولید انرژی از شکافت هسته ای و واکنش های گرما هسته ای يكي از كاربردي ترين استفاده هاي اين صنعت مي باشد. در این مقاله تهیه توان الکتریکی از انرژی آزاد شده از پرتوزایی ، به ویژه در باتری های اتمی، مورد ملاحظه قرار می گیرد. این عمل یا به طور مستقیم (به مقدار کم) با استفاده از بار الکتریکی خروجی و یا جذب انرژی به صورت گرما و سپس تبدیل گرما به توان الکتریکی صورت می گیرد. با استفاده از روش دوم، در باتری های اتمی، منابع قدرتی بیش از W100 به وجود آمده اند، اینها در مواردی از قبیل ایستگاههای هواشناسی قطب شمال که بدون وجود انسان کار  می کنند و یا در موشکهای بدون سرنشین که در فضا دوران می کنند، به کار برده می شوند.

ليست ویژه هسته های پرتوزای قابل استفاده در باتری های اتمی در جدول 1 داده شده است. برای انتخاب هسته های پرتوزای مناسب معیارهای زیر مهم اند: نیم – عمر، که برای به دست آوردن توان الکتریکی  تا حد امکان ثابت، باید در مقایسه با زمان کار مورد نظر طولانی (معمولاً بزرگ تر یا مساوی 10 سال) باشد. علاوه بر این، توان خروجی در واحد جرم باید تا حد امکان بالا باشد. این در صورتی حاصل می شود که نیم – عمر خیلی طولانی نباشد(کوچکتر از 10³ سال) و نیز اگر انرژی تابش بالا باشد. گسیلنده های آلفا دارای این مزیت هستند که انرژی واپاشی شان نسبتاً بالا است و ذرات آلفا به طور موثر جذب می شوند. ویژه هسته های پرتوزای واپاشنده با گسیل پی در پی چندین ذره آلفا، مانند Pu²³⁸ و U²³² ، به عنوان منبع انرژی، مناسب ترین هستند. Pu²³⁸  از پرتودهی Np²³⁷ در راکتورهای هسته ای تولید و در باتری های اتمی مستقر در ماهواره ها مورد استفاده قرار می گیرد. U²³² می تواند در دو مرحله تولید شود: پرتودهی نوترونی Th²³⁰ ، دنبال شده با جداسازی Pa²³¹ تولید شده و پرتودهی نوترونی این آخری.

به طوری که پیش از این گفته شد، انرژی ذرات a یا b می تواند یا به طور مستقیم و یا غیر مستقیم به توان الکتریکی تبدیل شود. تبدیل مستقیم با استفاده از پتانسیلهای باردار کردن یا تماس یا از راه تبدیل فتوولتایی پرتوی امکانپذیر است. با این حال، تبدیل مستقیم به قدرتی از مرتبه تا W^4-10 محدود می گردد. تبدیل غیر مستقیم اکثراً بر استفاده از گرمای تولید شده از جذب تابش (تبدیل گرمایی) مبتنی است. در این روش، چشمه بسته تابش به عنوان چشمه گرما عمل می کند. تبدیل ترموالکتریک به وسیله ترموالمانها (مثلاً Bi-Te و Pb-Te یا Ge-Si ، بسته به دما) کار می کند. بازده تبدیل ترموالکتریک از مرتبه 5 تا 10 درصد است.

برای کاربرد در فضا، باتری های اتمی ترموالکتریک بار شده با Pu²³⁸  با توان الکتریکی بین تقریباً 177 و kW1 مورد استفاده قرار می گیرند. دستگاههای کوچکتر با توان الکتریکی تقریباً 1/0 تا mW1، همچنین در بردارنده Pu²³⁸، به عنوان منبع انرژی با طول عمر طولانی برای کاربردهای پزشکی در ضربان سازها توسعه یافته اند، ولی اینها امروزه با باتری های الکتروشیمیایی با طول عمرهای چندین سال جایگزین شده اند. نمونه های اولیه سایر باتری های اتمی کار کننده با Sr⁹⁰، Co⁶⁰، Ce¹⁴⁴، Po²¹⁰ یا Cm²⁴⁴ نیز توسعه یافته اند.