دقیقا چه اتفاقی می‌افتد وقتی اتم به دو نیمه تقسیم می‌شود؟ علم پاسخ می‌دهد

آیا می‌دانستید که اتم ها نیز می‌توانند به دو نیمه تقسیم شوند؟ دانشمندان برای اولین بار موفق شده‌اند این لحظه را با جزئیات کامل مشاهده کنند.

کلمه «اتم» از یک واژه لاتین به معنی «غیرقابل تقسیم» گرفته شده است، اما نامش نباید شما را گول بزند. در شبیه‌سازی جدیدی که فیزیکدانان آمریکایی انجام داده‌اند، برای اولین بار لحظه‌ای که یک اتم به دو نیمه تقسیم می‌شود با جزئیات دقیق به تصویر کشیده و اطلاعات جدیدی درباره این پدیده پرانرژی که عصر جدیدی در علم و فناوری را رقم زد، به دست آمده است.

در سال 1938 بود که فهمیدیم چقدر نام «اتم» می‌تواند گمراه‌کننده باشد؛ زمانی که فیزیکدانانی به نام‌های اتو هان، لیزه میتنر، و فریتز اشتراسمن نشان دادند که چگونه هسته‌های اورانیوم وقتی با نوترون‌ها برخورد می‌کنند به دو قسمت تقسیم می‌شوند.

بیشتر بخوانید:

ساخت سریع ترین میکروسکوپ جهان با توانایی ثبت حرکت الکترون ها؛ یک انقلاب بزرگ علمی در راه است

سال‌ها پس از کشف فرآیند شکافت هسته‌ای و استفاده گسترده از آن در جنگ، تولید انرژی، پزشکی و تحقیقات علمی، هنوز بسیاری از جزئیات آن برای دانشمندان ناشناخته است. به طور ساده، اگر از مدلی که هسته اتم را به شکل گلوله‌های رنگی پروتون و نوترون نشان می‌دهد عبور کنیم، در واقع دنیای هسته اتم‌ها پر از اتفاقات عجیب و پیچیده‌ای است که به راحتی قابل فهم نیستند.

یکی از مشکلات اصلی، درک رفتار و تعامل ذرات هسته‌ای مثل پروتون‌ها و نوترون‌ها است، حتی وقتی اتم در حالت عادی و بدون تغییر باشد، چه برسد به زمانی که این اتم دچار تغییرات بزرگی شود. برای ساده‌تر کردن این فرآیند، فیزیکدانان از آزمایشگاه ملی لوس آلاموس و دانشگاه واشنگتن، شکافت هسته‌ای را به چهار مرحله تقسیم کرده‌اند.

مراحل شکافت هسته‌ای

در مرحله اول، یک نوترون آرام وارد هسته می‌شود و آن را دچار تورم کرده و شکلش را به حالتی شبیه به زین تغییر می‌دهد. این مرحله بسیار کوتاه است و تنها 10 به توان 14- ثانیه طول می‌کشد. در این وضعیت، اتم شبیه به پوسته بادام‌زمینی می‌شود.

مرحله دوم بسیار سریع‌تر است و فقط 5×10 به توان 21- ثانیه طول می‌کشد. در این مرحله، هسته شروع به شکافتن می‌کند و قطعات شکافت شکل می‌گیرند.

مرحله سوم حتی از این هم سریع‌تر است و حدودا 10 به‌توان 22- ثانیه طول می‌کشد. در این مرحله، که به «شکاف» معروف است، هسته اتم به طور رسمی به دو نیمه تقسیم می‌شود.

در مرحله آخر، که با آرامش حدود 10 به‌توان 18- ثانیه طول می‌کشد، تکه‌های شکافته شده شکل نهایی خود را می‌گیرند و با سرعت از هم دور می‌شوند. در این فرآیند، نوترون‌ها و پرتوهای گاما آزاد می‌شوند و ممکن است پس از یک تاخیر کوتاه، فرآیندهای دیگر فروپاشی نیز ایجاد شوند.

راز شکافت اتم

دانشمندان زیادی سعی کرده‌اند بفهمند وقتی یک اتم خیلی بزرگ می‌ترکد و به دو نیمه تقسیم می‌شود، دقیقا چه اتفاقی می‌افتد. بعضی از نظریه‌ها وجود دارد که سعی می‌کنند این اتفاق را توضیح دهند، اما همه آن‌ها کامل نیستند و با آزمایش‌ها یا قوانین فیزیک جور در نمی‌آیند.

بر اساس چارچوبی که نویسنده اصلی، فیزیکدان دانشگاه واشنگتن اورل بولگاک، توسعه داده است، شبیه‌سازی کوانتومی چند-ذره‌ای دقیق‌ترین تصویر را از لحظه شکاف ارائه می‌دهد. این شبیه‌سازی نشان می‌دهد که دقیقا در همان لحظه‌ای که پیوند بین دو نیمه یک هسته بزرگ اتم قطع می‌شود و از هم جدا می‌شوند، چه اتفاقی رخ می‌دهد.

محاسبات روی ایزوتوپ‌های اورانیوم -238، پلوتونیوم-240 و کالیفرنیم-252 تحت شرایط اولیه مختلف انجام شده و نیازمند استفاده گسترده از ابررایانه آزمایشگاه ملی اوک ریج، وابسته به وزارت انرژی ایالات متحده، بوده است. به گفته بولگاک، احتمالا این دقیق‌ترین و بادقت‌ترین توصیف نظری از فرآیند پاره شدن گردن است که بدون هیچ‌گونه فرضیه یا ساده‌سازی به دست آمده است.

ما یک پیش‌بینی خیلی دقیق درست کرده‌ایم که تا حالا کسی نتوانسته بود اینقدر دقیق پیش‌بینی کند. بقیه دانشمندان همیشه می‌گفتند، بیایید فرض کنیم که این اتفاق دارد می‌افتد و بعد ببینیم چه چیزی ممکن است اتفاق بیفتد، ولی ما این کار را نکردیم. ما فقط از فرمول‌هایی استفاده کردیم که همه دانشمندان می‌دانند و سال‌هاست که از آن‌ها برای بررسی اتم‌ها استفاده می‌شود. این فرمول‌ها را با یک نظریه به نام مکانیک کوانتومی ترکیب کردیم. در واقع، ما چیز جدیدی اضافه نکردیم، فقط از چیزهایی که قبلا وجود داشت استفاده کردیم.

وقتی دانشمندان با استفاده از کامپیوتر، فرآیند شکسته شدن یک اتم را شبیه‌سازی کردند، اتفاق عجیبی دیدند. آن‌ها متوجه شدند که قبل از اینکه اتم به دو قسمت تقسیم شود، ذرات بسیار ریزی که داخل اتم هستند، به شکل خاصی جمع می‌شوند و یک نوع «چین خوردگی» ایجاد می‌کنند. این اتفاق برخلاف چیزی بود که دانشمندان انتظار داشتند.

وقتی دانشمندان اتم را شبیه‌سازی کردند، اتفاق جالبی افتاد. آن‌ها دیدند که پروتون‌ها (یک نوع ذره داخل اتم) زودتر از نوترون‌ها (نوع دیگری از ذرات داخل اتم) از هم جدا می‌شوند. همچنین، شبیه‌سازی نشان داد که نوترون‌ها با سرعت خیلی زیادی از اتم خارج می‌شوند، درست مثل چیزی که دانشمندان فکر می‌کردند اتفاق می‌افتد. این یعنی شبیه‌سازی ما نشان داد که نظریه‌های قبلی درباره این اتفاق درست بوده است.

به گفته بولگاک، بیشتر آزمایش‌ها به دنبال نوترون‌ها در جهت حرکت قطعات شکافت هستند و در آنجا نمی‌توانستند نوترون‌های گسیختگی را تشخیص دهند، زیرا بیشتر آن‌ها نوترون‌های گرمایی بودند که توسط قطعات داغ آزاد می‌شدند. با این پیش‌بینی‌ها، گام بعدی این است که ببینیم آیا آزمایش‌ها این کشفیات جدید درباره چگونگی شکافت اتم «تقسیم‌ناپذیر» را تأیید می‌کنند یا نه.

در گجت نیوز بخوانید: