تسلیحات هسته ای چگونه عمل می کنند؟

در مرکز هر اتم هسته ای قرار دارد. شکستن آن هسته یا ترکیب دو هسته با هم می تواند مقادیر بزرگی انرژی آزاد کند. تسلیحات هسته ای از این انرژی برای ایجاد یک انفجار استفاده می کنند.

تسلیحات هسته ای با ترکیب مواد انفجاری شیمیایی، شکافت هسته ای و همجوشی هسته ای عمل می کنند. مواد انفجاری باعث متراکم شدن ماده هسته ای شده و شکافت هسته ای را موجب می شوند؛ شکافت هسته ای مقادیر عظیمی انرژی به شکل اشعه ایکس آزاد می کند که دما و فشار بالای مورد نیاز برای همجوشی را فراهم می سازد.

شکافت و همجوشی

تمامی مواد از اتمها ساخته شده اند: ساختارهایی بطور باورنکردنی خرد که ترکیبی از سه نوع ذره هستند: پروتونها، نوترونها و الکترونها.

در مرکز هر اتم یک هسته قرار دارد که در آن نوترونها و پروتونها به تنگی به هم پیوسته اند. بیشتر هسته ها نسبتا پایدار هستند به طوری که تعداد پروتونها و نوترونهای هسته آنها در گذر زمان ثابت باقی می ماند.

در طی شکافت هسته ای، هسته اتمهای سنگین خاصی به هسته های کوچکتر و سبکتر شکسته و در این فرایند انرژی زیادی آزاد می شود. این امر می تواند بطور خود به خود انجام شود اما در هسته های معینی می تواند از بیرون القا شود. اگر یک نوترون بسوی هسته ای شلیک شده و توسط آن جذب شود باعث ناپایداری و شکافت هسته ای می شود. در برخی عناصر مانند ایزوتوپهای معینی از اورانیوم و پلوتونیوم، فرایند شکافت هسته ای نوترونهای اضافی آزاد می کند که در صورت جذب توسط هسته های دیگر می توانند واکنش زنجیره ای و پیش رونده را موجب شوند

همجوشی هسته ای عکس این مسیر را طی می کند: برخی هسته های سبک وقتی تحت دما و فشار بسیار  بالا قرار می گیرند، با یکدیگر همجوشی حاصل کرده و هسته های سنگین تر می سازند. در این فرایند مقداری ماده به مقادیر عظیمی انرژی تبدیل می شود.

در تسلیحات مدرن هسته ای که هم از شکافت و هم از همجوشی استفاده می کنند، یک سرجنگی منفرد می‌تواند در کسری از ثانیه انرژی بسیار بیشتری از هر دو بمب اتمی استفاده شده در هیروشیما و ناگازاکی آزاد کند.

تمامی تسلیحات هسته ای از شکافت برای تولید یک انفجار استفاده می کنند. "پسر کوچک" – نخستین سلاح هسته ای که در طی جنگ مورد استفاده قرار گرفت، با شلیک یک استوانه توخالی اورانیوم 235 بسوی یک توپی از همان ماده کار می کرد.

هیچکدام از این دو تکه برای تشکیل جرم بحرانی (حداقل ماده هسته یا مورد نیاز برای تثبیت شکافت هسته ای) کافی نیست لیکن با برخورد دو تکه، هر دو به جرم بحرانی می رسند و یک واکنش شکافت زنجیره ای روی می‌دهد.

سوخت هسته ای تنها ایزوتوپهای خاصی از عناصری معین می توانند دچار شکافت هسته ای شوند (یک ایزوتوپ نسخه ای از یک عنصر با تعداد متفاوت نوترون در هسته است). پلوتونیوم 239 و اورانیوم 235 متداولترین ایزوتوپهای مورد استفاده در تسلیحات هسته ای هستند.

تسلیحات هسته ای مدرن کمی متفاوت عمل می کنند. جرم بحرانی به چگالی ماده بستگی دارد: با افزایش چگالی، جرم بحرانی کاهش می یابد. بجای برخورد دادن دو تکه سوخت هسته ای با جرم زیر مقدار بحرانی، تسلیحات مدرن ماده انفجاری شیمیایی را پیرامون یک کره از سوخت اورانیوم 235 یا پلوتونیم 239 با جرم زیربحرانی منفجر می کنند. نیروی ناشی از انفجار به سمت داخل جهت گرفته و کره مزبور را فشرده ساخته و اتمهای آن را به یکدیگر نزدیکتر می کند. به محض اینکه کره به نزدیکی جرم بحرانی متراکم شد، نوترونها به بیرون پرتاب می‌شوند و یک واکنش زنجیره ای شکافت را آغاز کرده و موجب انفجار هسته‌ای می‌شوند.

در سلاحهای همجوشی هسته‌ای که سلاحهای گرما-هسته ای (thermonuclear) یا هیدروژنی نیز نامیده می‌شوند، انرژی ناشی از انفجار شکافت هسته ای برای گداختن و جوش خوردن ایزوتوپهای هیدروژن استفاده می‌شود. انرژی آزاد شده توسط این سلاح یک قارچ آتشین ایجاد می کند که دمای آن به میلیونها درجه سلسیوس، در حد مرکز خورشید، می رسد.

انفجارهای صورت گرفته در تسلیحات هیدروژنی اغلب به عنوان اولیه (انفجار شیمیایی و شکافت هسته ای) و ثانویه (انفجار همجوشی متعاقب آن) توصیف می شوند. لیکن سازوکارهای عملی بسیار پیچیده تر از اینها هستند.

برای مثال یک مرحله اولیه صرفا شکافت هسته ای ناکافی است زیرا تکه پلوتونیومی پیش از اینکه بیشتر پلوتونیوم 239 بتواند شکافت هسته ای یابد، از هم گسیخته خواهد شد. در عوض واکنش می تواند با داخل کردن ایزوتوپهای دوتریم و تریتیوم در مرکز یک کره توخالی تقویت شود. با شکافت یافتن پوسته پلوتونیومی پیرامونی، گاز هیدروژن دچار همجوشی شده و نوترونهای بیشتری آزاد می کند در نتیجه شکافت هسته ای سرعت می یابد.

بطور مشابه مرحله ثانویه تنها از همجوشی خالص تشکیل نمی شود. داخل سوخت هیدروژنی چند لایه سوخت اورانیوم یا پلوتونیومی قرار دارد. انفجار اولیه سوخت لایه ای را از بیرون متراکم می کند و آن را به زیر جرم بحرانی می رساند. در نتیجه شکافت هسته ای آغاز شده و هیدروژن از درون گرم شده و واکنش های همجوشی بیشتری را موجب می شود.

منبع اصلی:

https://www.ucsusa.org/resources/how-nuclear-weapons-work

مدل استاندارد فیزیک ذره ای

مدل استاندارد فیزیک ذره ای درک فیزیک نوین از سه نیروی بنیادی طبیعت از نیروهای چهاگانه است: الکترومغناطیس، نیروی هسته ای قوی و نیروی هسته ای ضعیف.

مدل استاندارد کاملترین توصیف از دنیای زیراتمی توسط فیزیک نوین است. این مدل در طی قرن بیستم بر بنیاد مکانیک کوانتومی، بنا شد، نظریه عجیبی که رفتار ذرات در کوچکترین مقیاس ها را توصیف می‌کند. مدل استاندارد تشریح کننده سه نیروی بنیادی طبیعت یعنی الکترومغناطیس، نیروی هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف است. این نظریه هزاران بار با دقت فوق تصوری مورد آزمون قرار گرفته و با وجود کاستی هایش، یکی از مهمترین دستاوردهای علوم نوین بشمار می آید.

مدل استاندارد چگونه توسعه یافت؟

توسعه مدل استاندارد در دهه 1950 توسط فیزیکدانان، پس از یک سری اکتشافات نظری و تجربی بنیادین آغاز گردید. در سمت نظری، فیزیکدانان مکانیک کوانتومی را که در ابتدا تنها برای درک ذرات زیراتمی بود برای توضیح نیروی الکترومغناطیسی بسط دادند. در سمت تجربی قضیه، بمب اتمی تازه ابداع شده و فیزیکدانان از نیروهای هسته ای ضعیف و قوی آگاه بودند ولی توصیف کاملی از آنها نداشتند.

مدل استاندارد در دهه 1970 به شکل نوین خود متبلور شد. این کار پس از آن صورت گرفت که عناصر اصلی این مدل در جای خود قرار گرفتند: یک نظریه کوانتومی برای توصیف نیروی هسته ای قوی، امکان متحد ساختن نیروی الکترومغناطیسی و نیروی هسته ای ضعیف و کشف مکانیزم هیگز که جرم ذرات از آن ناشی می شد.

مدل استاندارد دنیای زیراتمی را به دو مقوله گسترده ذرات به نام فرمیون ها و بوزون ها سازماندهی می کند. به بیان ساده، فرمیون ها نمی توانند حالت کوانتومی یکسانی را بطور مشترک دارا باشند (به عبارتی، سطح انرژی یکسانی درئن اتم). فرمیون ها "آجرهای ساختمانی" ماده معمولی هستند که به شکل های مختلفی با هم ترکیب شده و ذرات زیراتمی شناخته شده ای مانند پروتون ها، الکترون ها و نوترون ها را می سازند.

دو نوع فرمیون وجود دارد: لپتون ها که به نیروهای الکترومغناطیسی و هسته ای ضعیف پاسخ می دهند و کوارک ها که به نیروی هسته ای قو یپاسخ می دهند. لپتون ها شامل ذره آشنای الکترون و نیز پسرعموهای سنگین تر آن میوئون و تاو هستند. این دو ذره دقیقا همان خواص الکترون را داشته منتها سنگین تر هستند.

هر کدام از این لپتون ها دارای نوترینوی متناظر به خود هستند. نوترینوها ذرات بسیار سبکی هستند که ندرتا با ماده واکنش می کنند اما در واکنش های هسته ای تولید می شوند. بنابراین نوترینوهای الکترونی، نوترینوهای میوئونی و نوترینوهای تاو داریم.

علوه بر این شش لپتون، کوارک ها نیز در شش نوع یا "طعم" مختلف هستند: کوارک بالا، پایین، افسون، شگفت، فوقانی و تحتانی. کوارک های بالا و پایین سبکترین و پایدارترین آنها هستند و در گروه های سه تایی به هم می‌پیوندند تا پروتونها و نوترونها را بسازند.

در سوی دیگر  بوزونها م یتوانند حالت انرژی یکسانی را مشترک شوند. آشناترین آنها فوتون، ذره حامل نیروی الکترومغناطیسی است. سایر بوزونهای حامل نیرو مشتمل بر سه حامل نیروی هسته  ای ضعیف (به نامهای بوزون W+، W- و Z) و هشت حامل نیروی هسته ای قوی به نام گلوئون ها هستند.

آخرین ذره بوزون به نام بوزون هیگز بسیار خاص است و نقش بسیار مهمی در مدل استاندارد ایفا می کند.

نقش مکانیزم هیگز در مدل استاندارد چیست؟

بوزون هیگز دو وظیفه مهم در مدل استاندارد به  عهده دارد. در انرژی های بالا نیروهای الکترومغناطیس و هسته ای ضعیف با هم به شکل نیرویی به نام الکترو-ضعیف (electroweak) ادغام می شوند. در انرژی های پایین (انرژی های مرسوم زندگی روزمره) این دو نیرو به شکل آشنای خود تفکیک می گردند. بوزون هیگز مسئول جدا نگاه داشتن این دو نیرو در انرژی های پایین است بطوری که نیروی هستهای ضعیف و الکترومغناطیس واکنش متفاوتی با بوزون هیگز دارند.

تمام کوارک ها و لپتونهای دیگر (به استثنای نوترینوها) نیز با بوزون هیگز واکنش می کنند. این واکنش بسته به شدت آن، به ذرات نامبرده جرم منفرد آنها را می دهد. بنابراین حضور بوزون هیگز به بسیاری از ذرات عالم امکان می دهد دارای جرم شوند.

مدل استاندارد چگونه مورد آزمون قرار گرفته است؟

آزمایش مدل استاندارد بسیار دشواراست زیرا تمامی ذرات در این مدل بسیار ریز هستند. هیچکدام از این ذرات، به استثنای شاید الکترونها، قابل مشاهده نیستند لیکن وجود آنها بطور غیرقابل مناقشه ای اثبات شده است.

مدل استاندارد از بوته آزمونهای ابر-دقیق بسیاری در طول چندین دهه پیروز بیرون آمده است. تقریبا تمامی این آزمونها شامل بکارگیری برخورد دهنده های ذرات مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون در نزدیکی ژنو بوده اند که ذرات را با سرعت نزدیک به نور با هم برخورد می دهد. این برخوردها مقادیر عظیمی انرژی آزاد کرده و به فیزیکدانان امکان می دهند واکنش های بنیادین طبیعت را مطالعه کنند. سازمان CERN یا مرکز پژوهش های هسته ای اروپا دارنده و بهره بردار از این برخورد دهنده عظیم است. برای مثال این برخورد دهنده امکان می دهد گشتاور مغناطیسی الکترون را با دقت 13 تا 14 رقم اعشار تعیین کنند که براستی دقت حیرت آوری است.

بخشی از تونل 17 کیلومتری شتابدهنده LHC در مرکز CERN

مشکلات موجود در مدل استاندارد ذره ای

با وجود موفقیت عظیم این نظریه در توضیح گستره وسیعی از پدیده های طبیعی تحت یک چارچوب ریاضی واحد، فیزیکدانان به نواقص آن آگاه هستند. مهمتر از همه اینکه تمام تلاشها برای داخل کردن نیروی گرانش در این مدل با شکست مواجه شده است. معلوم نیست حل این مشکل چقدر به طول بیانجامد و آن را یم توان یکی از بزرگترین چالش های فرا روی علم دانست.

همچنین این مدل مکانیزمی برای جرم دادن به نوترینوها ارائه نمی کند و ماده تاریک یا انرژی تاریک را که اشکال مسلط ماده و انرژی در عالم هستند به حساب نمی آورد.

با این وجود مدل استاندارد ذره ای کماکان مهمترین مدل موجود برای توصیف دنیای زیراتمی است.

منبع: LiveScience

BIBLIOGRAPHY

Hoddeson, L. et al. "The Rise of the Standard Model: A History of Particle Physics from 1964 to 1979" (Cambridge University Press 1997)

Cottingham, W.N. and Greenwood, D. A. "An Introduction to the Standard Model of Particle Physics" (Cambridge University Press 2007)

Oerter, R. "The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics" (Pi Press 2006)

Bardin, D. and Passarino, G. "The Standard Model in the Making: Precision Study of the Electroweak Interactions" (Clarendon Press 1999)

---

Advertisement

دستیار تحقیق در پروژه های علمی و دانشگاهی

با بیش از 25 سال سابقه انجام پروژه های علمی و دانشگاهی

قیمت های توافقی

شماره تماس: [phone]

---

هواپیماهای شگفت انگیز: سی 5 گالاکسی

هواپیمای ترابری C-5 می تواند تانک های جنگی را بلعیده و با قطب جنوب حمل کند... و این تازه آغاز ماجراست.

بزرگترین ترابری نظامی ارتش آمریکا یکی از بزرگترین هواپیماهای دنیا نیز هست – و پس از نابودی آنتونوف 225 میریای اوکراین در جنگ با روسیه هم اکنون بواقع بزرگترین هواپیمای ترابری دنیا است. با توانایی حمل تانکهای جنگی 50 تنی و تخلیه آنها در قاره ای دیگر، گالاکسی بخش مهمی از سیستم حمل و نقل جهانی است.

اگر کنار این هواپیما بایستید سرچرخاندن به دور آن واقعا سخت خواهد بود. جدیدترین نسخه این هواپیما یعنی C-5M بیش از 75 متر طول دارد. بدین ترتیب حدود 3.6 متر طویل تر از ایرباس A380 غول مسافربری است. فاصله دو نوک بال آن 68 متر است، هرکدام از بالهای آن به اندازه یک زمین تنیس است. این هواپیما با ارتفاه بیست متر بلندتر از یک ساختمان شش طبقه می ایستد. گالاکسی آنقدر عظیم است که در بسیاری آشیانه ها جای نمی گیرد. گاهی اوقات نیروی هوایی مجبور شده است دربهای آشیانه را شکاف دهد تا دم وال مانند هواپیما بتواند در آشیانه جای گیرد.

فضای حمل بار آن بقدری بزرگ است که می تواند یک تانک سنگین، شش هلی کوپتر یا 24844746 توپ پینگ پنگ را در خود جای دهد. هواپیمای غول آسا می‌تواند با 54000 تن بار مسافت 8400 کیلومتر را بدون سوخت گیری مجدد طی کند.

برای طراحی هواپیمای باربری با این مشخصات سه شرکت بوئینگ، داگلاس و لاکهید با هم رقابت کردند که طرح لاکهید در نهایت برنده شد. پیشنهادیه بوئینگ به دور انداخته نشد و در نهایت مبدل به جامبوجت مسافربری 747 گشت. به بهای امروز دلار قیمت هر C-5A حدود 268 میلیون دلار است.

با وجود اندازه آن، هواپیما خدمه کم شماری دارد: خلبان، کمک خلبان، دو مهندس پرواز و سه متخصص بارگیری. اما به علت برد طولانی آن جا برای 15 خدمه کمکی دیگر نیز دارد.

نخستین C-5 Galaxy در 30 ژوئن 1968 پرواز کرد و بزودی در پشتیبانی ازجنگ ویتنام پرواز از کالیفرنیا تا آسیای جنوب شرقی را آغاز کرد. این هواپیما در تمامی جنگ های منطقه ای آمریکا خدمت کرده و حتی یکبار به عنوان سکوی پرتاب موشک قاره پیمای مینوتمن 1 در سال 1974 بکار رفته است. در این سال یک هواپیمای گالاکسی موشک 43 تنی مینوتمن 1 را در هوا از دهانه حمل بار عقبی خود رها کرد. یک چتر حرکت موشک را آهسته می کرد. سپس موتور سوخت جامد موشک روشن شده و موشک هسته ای به ارتفاعات بالای ابرها صعود کرد.

هواپیمای C-5m Super Galaxy تا سال 2040 به خدمت ادامه داده و سپس با هواپیمایی جدیدتر – و احتمالا بزرگتر- جایگزین خواهد شد.

منبع: Popular Mechanics

کاوشگر ویاجر یک 300 سال دیگر به مرزهای نهایی دستگاه خورشیدی خواهد رسید.

ویاجر یک اکنون در فاصله 23.6 میلیارد کیلومتری زمین در فضای تاریک میان ستاره ای سیر می کند – فضای نامکشوفی که میان ستاره ها است. این دورترین شیء ساخته دست بشر نسبت به سیاره ماست.

ویاجر یک و دو در 1977 به فاصله 16 روز از یکدیگر به فضا پرتاب شدند و عمر کاری طراحی شده آتها 5 سال بود. قرار بود در این مدت آنها به مطالعه برجیس، کیوان، اورانوس، نپتون و قمرهای آنان از فاصله نزدیک بپردازند.

حالا 46 سال از آغاز ماموریت آنها می گذرد و آنها با ماجراجویی فراتر از حیطه نفوذ گرانش خورشید – موسوم به هلیوپاوز (heliopause)، تاریخ ساز شده اند.

هردو فضاپیما هنوز از ماوراء دستگاه خورشیدی به ارسال سیگنال ادمه می دهند. حتی با وجود وقفه هایی چند بنظر می رسد سفر کیهانی آنها تا انتهای خود فاصله زیادی دارد.

پس از 2030 احتمالا ویاجرها تماس رادیویی خود با ما را از دست خواهند داد. پس از آن ناسا ابزارهای این کاوسگرها را خاموش کرده و پایان ماموریت ویاجر را اعلام خواهد کرد. در ظرف مدت 300 سال ویاجر یک ابر اورت (Oort Cloud) را خواهد دید، منطقه ای کروی به فاصله 15 هزار میلیارد کیلومتر از خورشید که آخرین نقطه نفوذ گرانش خورشیدی است و مملو از سیارک ها و ستارگان دنباله دار است. در مدت 296000 سال از نزدیکی سیریوس (یا شعرای یمانی، درخشانترین ستاره آسمان شب واقع در 8.611 سال نوری از ما) عبور خواهد کرد.

منبع:

https://news.yahoo.com/another-300-years-nasas-voyager-141422830.html