عناصر ما وراء اليورانيوم وانتاجها - الطاقة النووية .. الفيزياء
عناصر ما وراء اليورانيوم وانتاجها
تحتل العناصر الطبيعية في الجدول الدوري للعناصر مجموع الخانات ذات الارقام من واحد الى اثنين وتسعين وهو رقم عنصر اليورانيوم الذي يأتي في آخرها . اما العناصر الباقية ، ذات الاعداد الذرية التي تزيد عن ٩٢ ، فانها تنتج بطريقة اصطناعية ، وتسمى عناصر ما وراء اليورانيوم ، وتتكون من جراء قذف العناصر الثقيلة كاليورانيوم بجسيمات سريعة يصيب بعضها العنصر الهدف . وقد تم حتى الآن انتاج ثلاثة عشر عنصرا من هذه العناصر اخرها هو العنصر ذو العدد الذري ۱۰۵. وتتميز هذه العناصر كافة بأنها مشعة ، وانها كانت موجودة في باطن الارض من ملايين السنين ، وانها اضمحلت منذ ذلك الحين الى عناصر أخرى . ويتم انتاج معظم هذه العناصر بكميات قليلة ، وليس لها تطبيقات عديدة ، ما عدا البلوتونيوم ( العدد الذري ٩٤ ) الذي يعتبر مادة أساسية في عمل المفاعلات والاسلحة النووية .
( تسريع الالكترونات في المسرع الخطي اثناء تتالي أنصاف دورة الفلطية )
( جدول عناصر ما بعد اليورانيوم )
ولا تفيد حزمات الجسيمات السريعة في انتاج عناصر ما وراء اليورانيوم فحسب ، بل انها تفيد أيضا في دراسة الجسيمات الاولية نفسها . فالطاقة الحركية لجسيم مشحون كهربائيا تزداد وتبلغ مقدارا كبيرا اذا أتحنا لهذا الجسيم أن يتسارع في مجال كهربائي يسمى المسرع ، نذكر منه المسرع الخطي الذي تسير فيه البروتونات والالكترونات في خط مستقيم داخل انبوب مفرغ من الهواء . وهناك أنواع مختلفة من المسرع الخطي ، أهمها المغنطرون ، ويتألف بشكل أساسي من صف من الاسلاك الاسطوانية الاحادية المحور يفصل بينها فرجات ضيقة ، وتربط ببعضها البعض بشكل متناوب يجعلها تتعاكس مع الفلطيات الصادرة عن منبع كهربائي ذي تردد عال جدا . وبسبب تناوب الفلطية ، تتغير نوعية الشحنة في الاسلاك الموجودة . والمعروف ان الالكترونات المحقونة في أنبوب لا تتسارع الا باتجاه المساري الموجبة . ولذلك ، ما أن تصبح في داخل الانبوب حتى تصبح سرعتها ثابتة .
ثم تعدل المسافة بين الفرجات بشكل يمنع انبثاق الالكترونات عن مسري معين الا بعد مضي نصف دورة من دورات الفلطية وتغير الشحنة التي يحملها . بعد ذلك تتسارع الالكترونات باتجاه المسري التالي الذي يكون قد أصبح موجبا بدوره وكلما زادت سرعة الالكترونات ، أصبح من الضروري زيادة المسافة الفاصلة بين الفرجات وفقا لهذه السرعة . فيجتاز الالكترون المسافة الجديدة بنفس المدة ويبقى نتيجة لذلك متطاورا مع التيار المتناوب نفسه . وتتكرر هذه العملية على طول الانبوب ، فتزداد طاقة الالكترونات كلما زادت سرعتها بين فرجة وفرجة حتى تصبح قريبة من سرعة الضوء في نهاية الانبوب ، أي أنها تصبح ذات طاقة مرتفعة جدا .
( شكل السيكلوترون كما يشاهد من اعلى ( الصورة العليا )
وكما يشاهد في مقطع عرضي ( الصورة السفلى ) .
أما المسرعات الحلقية ، فان الجسيمات تسلك فيها طريقا دائريا مرات عديدة وأهم هذه المسرعات المسرع المعروف بالسيكلوترون وهو مؤلف من حجرتين ، مجوفتين ، نصف دائريتين يشبه كل منهما شكل الحرف d ، ومفرغتين من الهواء ، وموجودتين بين قطبي مغنطيس كهربائي . ثم يوضع بين الحجرتين منبع للجسيمات ، وتوصلان الى قطبي منبع كهربائي متناوب مهمته تسريع الجسيمات الموجبة كالبروتونات باتجاه الحجرة السالبة وعندما تصبح هذه الجسيمات داخل الحجرة ، تتخذ سرعة ثابتة ، وتحت تأثير المجال المغناطيسي ، تسلك طريقا دائريا يتغير طول شعاعه تبعا لسرعة البروتونات نفسها .
بالاضافة الى ذلك ، يعدل تردد التيار وشدة المجال ( وهما ثابتان ) بشكل يجعل من مدة اجتياز البروتون للفتحة واكماله لنصف الدائرة مدة ثابتة ومساوية لنصف دورة التيار نفسه . فما أن ينبثق البروتون من الحجرة حتى يتسارع نحو الثانية التي تصبح حينذاك حجرة سالبة وتزيد بالتالي من قيمة طاقته الحركية ثم تتكرر العملية : زيادة في السرعة يصاحبها زيادة في طول شعاع الخط الدائري . والجدير بالذكر أن مدة الدورة الواحدة مرتبطة بالمجال المغنطيسي نفسه وليس بسرعة البروتونات التي يعوض عن ازدياد قيمتها بزيادة طول الدائرة نفسها وعندما تخرج البروتونات من السيكلوترون ، تكون سرعتها كبيرة وطاقتها عالية جدا . والسيكلوترون من أبسط المسرعات الحلقية ، والحصول على طاقات كبيرة يتطلب استعمال أجهزة متطورة جدا .
تستعمل الجسيمات الشديدة الطاقة لتنفيذ الابحاث الجارية على الجسيمات الاولية في الطبيعة واكتشاف خصائصها وباستطاعتنا تصنيفها داخل جدول شبيه بالجدول الدوري للعناصر تبعا لشحنتها وهبوطها اللولبي .
وقد أعطت هذه الطريقة المسماة التناظر الموحد نتائج جمة في التنبؤ بوجود جسيمات لم يكن اكتشافها داخل المختبر أمرا ممكنا .
عناصر ما وراء اليورانيوم وانتاجها
تحتل العناصر الطبيعية في الجدول الدوري للعناصر مجموع الخانات ذات الارقام من واحد الى اثنين وتسعين وهو رقم عنصر اليورانيوم الذي يأتي في آخرها . اما العناصر الباقية ، ذات الاعداد الذرية التي تزيد عن ٩٢ ، فانها تنتج بطريقة اصطناعية ، وتسمى عناصر ما وراء اليورانيوم ، وتتكون من جراء قذف العناصر الثقيلة كاليورانيوم بجسيمات سريعة يصيب بعضها العنصر الهدف . وقد تم حتى الآن انتاج ثلاثة عشر عنصرا من هذه العناصر اخرها هو العنصر ذو العدد الذري ۱۰۵. وتتميز هذه العناصر كافة بأنها مشعة ، وانها كانت موجودة في باطن الارض من ملايين السنين ، وانها اضمحلت منذ ذلك الحين الى عناصر أخرى . ويتم انتاج معظم هذه العناصر بكميات قليلة ، وليس لها تطبيقات عديدة ، ما عدا البلوتونيوم ( العدد الذري ٩٤ ) الذي يعتبر مادة أساسية في عمل المفاعلات والاسلحة النووية .
( تسريع الالكترونات في المسرع الخطي اثناء تتالي أنصاف دورة الفلطية )
( جدول عناصر ما بعد اليورانيوم )
ولا تفيد حزمات الجسيمات السريعة في انتاج عناصر ما وراء اليورانيوم فحسب ، بل انها تفيد أيضا في دراسة الجسيمات الاولية نفسها . فالطاقة الحركية لجسيم مشحون كهربائيا تزداد وتبلغ مقدارا كبيرا اذا أتحنا لهذا الجسيم أن يتسارع في مجال كهربائي يسمى المسرع ، نذكر منه المسرع الخطي الذي تسير فيه البروتونات والالكترونات في خط مستقيم داخل انبوب مفرغ من الهواء . وهناك أنواع مختلفة من المسرع الخطي ، أهمها المغنطرون ، ويتألف بشكل أساسي من صف من الاسلاك الاسطوانية الاحادية المحور يفصل بينها فرجات ضيقة ، وتربط ببعضها البعض بشكل متناوب يجعلها تتعاكس مع الفلطيات الصادرة عن منبع كهربائي ذي تردد عال جدا . وبسبب تناوب الفلطية ، تتغير نوعية الشحنة في الاسلاك الموجودة . والمعروف ان الالكترونات المحقونة في أنبوب لا تتسارع الا باتجاه المساري الموجبة . ولذلك ، ما أن تصبح في داخل الانبوب حتى تصبح سرعتها ثابتة .
ثم تعدل المسافة بين الفرجات بشكل يمنع انبثاق الالكترونات عن مسري معين الا بعد مضي نصف دورة من دورات الفلطية وتغير الشحنة التي يحملها . بعد ذلك تتسارع الالكترونات باتجاه المسري التالي الذي يكون قد أصبح موجبا بدوره وكلما زادت سرعة الالكترونات ، أصبح من الضروري زيادة المسافة الفاصلة بين الفرجات وفقا لهذه السرعة . فيجتاز الالكترون المسافة الجديدة بنفس المدة ويبقى نتيجة لذلك متطاورا مع التيار المتناوب نفسه . وتتكرر هذه العملية على طول الانبوب ، فتزداد طاقة الالكترونات كلما زادت سرعتها بين فرجة وفرجة حتى تصبح قريبة من سرعة الضوء في نهاية الانبوب ، أي أنها تصبح ذات طاقة مرتفعة جدا .
( شكل السيكلوترون كما يشاهد من اعلى ( الصورة العليا )
وكما يشاهد في مقطع عرضي ( الصورة السفلى ) .
أما المسرعات الحلقية ، فان الجسيمات تسلك فيها طريقا دائريا مرات عديدة وأهم هذه المسرعات المسرع المعروف بالسيكلوترون وهو مؤلف من حجرتين ، مجوفتين ، نصف دائريتين يشبه كل منهما شكل الحرف d ، ومفرغتين من الهواء ، وموجودتين بين قطبي مغنطيس كهربائي . ثم يوضع بين الحجرتين منبع للجسيمات ، وتوصلان الى قطبي منبع كهربائي متناوب مهمته تسريع الجسيمات الموجبة كالبروتونات باتجاه الحجرة السالبة وعندما تصبح هذه الجسيمات داخل الحجرة ، تتخذ سرعة ثابتة ، وتحت تأثير المجال المغناطيسي ، تسلك طريقا دائريا يتغير طول شعاعه تبعا لسرعة البروتونات نفسها .
بالاضافة الى ذلك ، يعدل تردد التيار وشدة المجال ( وهما ثابتان ) بشكل يجعل من مدة اجتياز البروتون للفتحة واكماله لنصف الدائرة مدة ثابتة ومساوية لنصف دورة التيار نفسه . فما أن ينبثق البروتون من الحجرة حتى يتسارع نحو الثانية التي تصبح حينذاك حجرة سالبة وتزيد بالتالي من قيمة طاقته الحركية ثم تتكرر العملية : زيادة في السرعة يصاحبها زيادة في طول شعاع الخط الدائري . والجدير بالذكر أن مدة الدورة الواحدة مرتبطة بالمجال المغنطيسي نفسه وليس بسرعة البروتونات التي يعوض عن ازدياد قيمتها بزيادة طول الدائرة نفسها وعندما تخرج البروتونات من السيكلوترون ، تكون سرعتها كبيرة وطاقتها عالية جدا . والسيكلوترون من أبسط المسرعات الحلقية ، والحصول على طاقات كبيرة يتطلب استعمال أجهزة متطورة جدا .
تستعمل الجسيمات الشديدة الطاقة لتنفيذ الابحاث الجارية على الجسيمات الاولية في الطبيعة واكتشاف خصائصها وباستطاعتنا تصنيفها داخل جدول شبيه بالجدول الدوري للعناصر تبعا لشحنتها وهبوطها اللولبي .
وقد أعطت هذه الطريقة المسماة التناظر الموحد نتائج جمة في التنبؤ بوجود جسيمات لم يكن اكتشافها داخل المختبر أمرا ممكنا .
تعليق