همجوشی هسته‌ای: تفاوت بین نسخه‌ها

نسخهٔ کنونی تا ‏۳۰ ژوئن ۲۰۱۳، ساعت ۱۹:۵۴

تا اواخر قرن نوزدهم، دانشمندان منشأ این همه گرما و نور خورشید را نمی‌دانستند. اگر خورشید تماماً از چیزی مانند زغال‌سنگ ساخته شده بود (به همراه اکسیژن لازم برای سوختن)، در مدت زمان هزار سال به‌کلی می‌سوخت! از آنجا که خورشید حداقل برای چند هزار سال درحال نورافشانی و تأمین حرارت بود، انرژی آن نمی‌توانست منبعی شیمیایی داشته باشد. حدود سال 1870، هلمهولتز (Hermann von Helmholtz) دریافت که انقباض خورشید و تغییر انرژی پتانسیل آن می‌تواند منبع انرژی باشد. وی از طریق همان محاسباتی که پیش از این گفته شد، جرم و اندازۀ خورشید را می‌دانست و همچنین از میزان انرژی‌ای که به‌طور پیوسته در حال تولید و گسیل به فضا است، خبر داشت. او حساب کرد که خورشید برای حفظ این انرژی خروجی چقدر باید کوچک شود و در نهایت به این نتیجه رسید که خورشید می‌تواند 20 ملیون سال دوام بیاورد. در اواخر قرن نوزدهم دانشمندان از این تصور که عمر منظومه شمسی کمتر از 20 ملیون سال باشد خوشحال بودند و بدین‌ خاطر این نظریه به‌عنوان تنها راه ممکن در تأمین انرژی خورشید به‌طور گسترده مقبول افتاد. (توجه: انرژی تابشی مشتری به فضا تقریباً دوبرابر انرژی دریافتی آن از خورشید است. مشتری به‌تدریج درحال انقباض است و لذا انرژی پتانسیل آن به حرارت تبدیل می‌شود.)

این اقبال دیری نپایید. در همان اواخر قرن نوزدهم زمین‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌شناسان دریافتند که عمر برخی صخره‌ها و فسیل‌ها چند صد ملیون سال است؛ پس نظریۀ هلمهولتز نمی‌توانست صحیح باشد. در سال 1905، اینشتین معادلۀ معروف E=mc^۲ را، که جزئی از نظریۀ نسبیت خاص است، منتشر کرد. با توجه به سرعت بالای نور می‌توان دریافت که مقدار ناچیزی ماده به چه انرژی عظیمی تبدیل می‌شود. تا سال 1925 دانشمندان جرم پروتون (هسته اتم هیدروژن) را اندازه گرفته ‌بودند، همچنین فهمیده بودند که جرم ذرات آلفا (هسته اتم هلیوم) کمی کمتر از چهار پروتون است. آنها دریافتند که چهار هسته هیدروژن می‌تواند با هم جوش خورده، هلیوم بسازد و جرمی که ظاهراً ناپدید می‌شود به انرژی تبدیل می‌گردد.

این کار مشکل است! هرکدام از هسته‌های هیدروژن بار مثبت دارند و یکدیگر را دفع می‌کنند. برای غلبه بر این نیروی دافعه، پروتون‌ها باید با سرعتی نزدیک به نور به یکدیگر نزدیک شوند و حتی در آن‌صورت اصل تونل‌زنی (Tunnelling) مکانیک کوانتوم نیز باید فراخوانده شود. چنین کاری تنها در دماهای بالا - از مرتبه 10 ملیون کلوین - امکان‌پذیر است. با توجه به جرم عظیم خورشید، فشار در مرکز آن بایستی بسیار زیاد باشد تا بتواند با جرم طبقات فوقانی، که بخش اعظم خورشید را تشکیل می‌دهد، مقابله کند. محاسبات نشان می‌دهد که هسته به دمای لازم رسیده، از آن تجاوز می‌نماید. از اینرو منبع انرژی خورشید یک رآکتور جوش هسته‌ای است که در مرکز آن قرار دارد. پس از آنکه گاز و غبار سازندۀ خورشید تحت جاذبۀ خود رمبش نمود، دمای مرکز شروع به افزایش کرد و سرعت حرکت پروتون‌ها افزایش یافت. با عبور دما از حدود 10 ملیون کلوین، انرژی پروتون‌ها به حد کافی زیاد شد و در مسیر برخورد آنقدر به هم نزدیک شدند که پدیدۀ تونل‌زنی مکانیک کوانتومی به نقش‌آفرینی پرداخت. بدین معنی که یکی از پروتون‌ها توانست از سد پتانسیل، ناشی از نیروی دافعۀ الکترومغناطیس بین خودشان، بگذرد.

در مکانیک کوانتومی، ذراتی چون پروتون‌های به‌هم نزدیک شونده را می‌توان با توابع موج توصیف نمود. این توابع احتمال یافتن یک ذره در محلی معین را نشان می‌دهند. چنانچه ذره‌ای در کنار سد پتانسیل باشد، تابع موجش به‌صورت نمایی درون سد کاهش می‌یابد، اما هنوز دامنه کوتاهی در طرف دیگر سد خواهد داشت. پس احتمال اندکی وجود دارد که ذره در طرف دیگر سد ظاهر شود و در این‌صورت گفته می‌شود که ذره در سد تونل زده ‌است. می‌بینیم که تونل‌زنی کوانتومی به یک ذره، در اینجا پروتون، اجازه می‌دهد اصول مکانیک کلاسیک را زیر پا بگذارد و از سد پتانسیلی بلندتر از انرژی جنبشی خود عبور کند.

این پدیده (بسیار به ندرت)‌ باعث می‌شود که دو پروتون آن‌قدر به هم نزدیک شوند که نیروی قوی هسته‌ای، آنها را موقتاً به هم بچسباند و این پیش از آن است که یکی از پروتون‌ها به یک نوترون، یک پوزیترون و یک نوترینوی الکترونی واپاشی نماید (توضیحات درون کادر را بینید). بدین‌ترتیب یک دوترون باقی می‌ماند - هسته‌ای متشکل از یک پروتون و یک نوترون که هسته اتم دوتریوم است. پوزیترون با یک الکترون نابود شده، انرژی حاصل توسط یک یا چند فوتون پرتو گاما خارج می‌شود. این اولین گام از چیزی است که چرخۀ پروتون - پروتون نام دارد و توضیح ان در پی خواهد آمد.

منبع[ویرایش]

کتاب درآمدی بر نجوم و کیهان‌شناسی/ نوشته ایان موریسون/ ترجمه غلامرضا شاه‌علی [۱]