أنواع الانشطار النووي
يُعرَّف الانشطار النووي (Nuclear Fission) كعملية انقسام نواة الذرة إلى نوى أصغر نتيجة تفاعل كيميائي. يمكن أن يحدث هذا الانقسام بشكل طبيعي أو أن يتم بشكل اصطناعي عن طريق توجيه مجموعة من النيوترونات نحو نواة العنصر لتحفيز عملية الانشطار داخل المفاعلات والمختبرات. وتجدر الإشارة إلى أن الكتلة الناتجة من هذه التفاعلات تقل عن الكتلة الأساسية للعنصر، مما يؤدي إلى تحول الفارق بين الكتلتين إلى طاقة. هناك نوعان رئيسيان من الانشطار النووي، وهما:
- الانشطار النووي الاصطناعي: يبدأ بتوجيه نيوترون عالي الطاقة نحو نواة عنصر مشع، مثل نظير اليورانيوم 235U. يستجيب العنصر لتحفيز النيوترون وينقسم، مما ينتج طاقة نووية هائلة ونيوترونات إضافية تسهم في تحفيز ذرات العنصر ذاته، مما يجعلها تنقسم مرة أخرى في تفاعل متسلسل ينتج المزيد من الطاقة.
- الانشطار النووي العفوي: يعتبر من الظواهر النادرة، حيث تنقسم نواة العناصر المشعة تلقائيًا إلى نوى أصغر وأكثر استقرارًا دون أي تدخل خارجي. وعلى الرغم من ندرته وصعوبة التحكم فيه، فإنه يعتبر أقل فائدة مقارنةً بالانشطار النووي الصناعي. يحدث هذا النوع نتيجة لامتصاص نواة مشعة نيوترون مثالي، والذي يتميز بشحنته المتعادلة، مما يسهل امتصاصه من قِبل النوى الثقيلة، ويُعتبر نظير اليورانيوم 235 هو العنصر الانشطاري الوحيد الموجود في الطبيعة، حيث يمتاز بعمر نصف يصل إلى 700 مليون سنة.
ما هو الانشطار النووي؟
الانشطار النووي يتمثل في تقسيم نوى الذرات الثقيلة إلى أجزاء أصغر وأقل كتلة من النواة الأساسية. تُعتبر نواة عناصر مثل اليورانيوم والبلوتونيوم من الأمثلة البارزة على العناصر الثقيلة المستخدمة حاليًا في تفاعلات الانشطار النووي لإنتاج الطاقة، وبالتالي توليد الكهرباء. يصاحب هذا الانقسام انطلاق كميات هائلة من الطاقة، مما يجعل التفاعلات النووية الحرة أو غير المسيطر عليها خطرة، حيث يمكن أن تؤدي إلى كوارث. من الناحية الأخرى، فإن التفاعلات المُتحكّم بها يمكن أن توفر طاقة هائلة تُستخدم في إنتاج الكهرباء وتحقيق المنفعة للمجتمع، وذلك بعكس التفاعلات غير المسيطر عليها مثل انفجار القنبلة الذرية التي تولد طاقات تدميرية هائلة.
لتفعيل تفاعل الانشطار، يجب توفر نيوترونات تصطدم بالنواة المشعة، مما يتسبب في انقسامات إلى نواتج انشطار تُعرف باسم “نواتج الانشطار”. تصاحب هذه النواتج نيوترونات إضافية يمكنها بدء تفاعل متسلسل، والذي يُسهم في إطلاق طاقة كبيرة تُستخدم حاليًا لتسخين الماء إلى بخار، حيث يتم استخدام هذا البخار لتدوير التوربينات، مما يُنتج كهرباء خالية من الكربون (طاقة نظيفة).
كيف يحدث الانشطار النووي؟
يتم الانشطار النووي، سواء كان تلقائيًّا أو اصطناعيًّا، من خلال توجيه نيوترونات نحو نواة عنصر ثقيل، بما يتسبب في إحداث انعدام الاستقرار في نواة العنصر المشع، مما يؤدي إلى تحللها إلى نواتين متماثلتين من حيث الحجم والكتلة تقريبًا. يجب أن تكون كتلة النواة الأم أكبر من مجموع كتلتي نواتج انشطارها، ولا تقتصر نتائج الانشطار على النوى الصغيرة الجديدة، بل تترافق مع انبعاث كميات هائلة من الطاقة بالإضافة إلى إثارة نيوترونات إضافية تؤدي إلى ما يُعرف بالتفاعل المتسلسل. يُطلق هذا الانقسام طاقات تتجاوز مليون مرة طاقة احتراق الكربون أو الطاقة الناتجة عن تفجير الديناميت. إن الطاقة الناتجة من هذه التفاعلات تمثل جزءاً صغيراً من الطاقة الإجمالية الناتجة عن الانشطار، وأيضًا بسبب سرعة التفاعل النووي، حيث أن إنتاج الطاقة نوويًا يعتبر أسرع بشكل واضح من التفاعلات الكيميائية. لذا، يصبح التحكم في عدد النيوترونات المنتجة والمسببة للتفاعل المتسلسل أمرًا ضرورياً للحفاظ على استقرار التفاعل وسرعته، حيث يستند عمل المفاعلات النووية على هذا المبدأ.
اكتشاف الانشطار النووي
تم التعرف على تفاعلات الانشطار النووي في عام 1938 على يد العالِمَيْن “هان” و”ستراسمان” خلال تجاربهم على عنصر اليورانيوم. حيث قاما بتوجيه النيوترونات نحو نواة العنصر، واكتشفا أن التفاعل نتج عنه مادة تُعرف بـ”نظائر الباريوم” كأحد نواتج التجربة. في البداية، لم يكن هناك تفسير واضح لهذه النتيجة، حيث لم يكن معروفًا آنذاك أن النيوترونات بإمكانها التسبب في انشطار نواة ذرة أكبر منها. بعد ذلك، أرسل “هان” رسالة إلى العالمة “مايتنر” موضحًا تجربته، وقامت هي وابن أخيها الفيزيائي الألماني “أوتو فريش” بدراسة هذه النتائج وتحليلها. توصلوا في النهاية إلى أن النواة المنقسمة تشبه قطرة سائلة، مستندين إلى نموذج كيميائي اقترحه سابقًا الفيزيائي الروسي “جورج جاموف”. ولكن، تم إبداء عدم قناعة “أوتو فريش” بالتفسير المقترح، وابتكر مخططات توضح كيفية انقسام نواة اليورانيوم بعد الاصطدام بالنيوترون. ومن خلال ملاحظاته، أدركوا أن هذا الانقسام يتسبب في طاقات عالية جدًا تصل إلى 200 ميغا إلكترون فولت. بدأوا يطرحون تساؤلات حول مصدر هذه الطاقة، وبعد تحليلهم للنواتج الناتجة، اكتشفوا أن مجموع كتلتيها أقل بمقدار خمس كتلة نواة اليورانيوم الأصلية. ومن خلال معادلة أينشتاين الشهيرة “E = mc2″، استنتجوا أن انشطار النواة يتميز بنواتج ذات كتلة أقل وطاقة عالية، وتمت مشاركة اكتشافهم مع العالمة مايتنر وابن أخيها، وكان ذلك بداية الطريق لاكتشاف الانشطار النووي وتأثيره في العالم.
