دانلود تحقیق فیزیک مدرن

فیزیک چیست :
هدف علم هرگز اثبات و « حقایق تغییر ناپذیر » و تثبیت « عقاید قطعی و ابدی » نیست .

علم
می کوشد گام به گام به واقعیت نزدیکتر شود و به تدریج درهای بسته گنجینه اسرار طبیعت را به روی آدمی بگشاید و پرده های ابهام را یکی پس از دیگری پاره کند ، تا بلکه به قله معرفت « ممکن » تقرب بیشتری حاصل نماید .

بدون آنکه در هیچیک از مراحل تکامل خود مدعی بر « صحت کامل و نهایی» باشد .

برتراندراسل
عالی ترین هدف دانشمند فیزیک ، کشف آن قوانین کلی و اساسی است که به صورت منطقی ،
می توان با آنها تصویری از جهان ساخت .

آلبرت انیشتین









مقدمه :

فیزیک مدرن چیست ؟

نارساییهای فیزیک کلاسیک، تقریبا همزمان با پیشرفتهای سریع آن ظاهر شد و چون دانشمندان با تئوریهای موجود نتوانستند این اشکالات را برطرف کنند به جستجوی کشف علت برآمدند و سرانجام با ابداع تئوریهای جدید ، فیزیک مدرن را پی افکندند اساس فیزیک مدرن بر تئوری نسبیت و تئوری کوانتمی قرار دارد .

فیزیک مدرن شامل چه بخشهایی است ؟

با تغییراتی که در محدوده عمل هر یک از بخش های فیزیک کلاسیک صورت گرفت و نیز با توجه به پایه های تئوری و کاربردهای جدید ، فیزیک به بخش های جدیدی تقسیم شد .

این بخش ها عبارتند از :
1- فیزیک ذرات بنیادی 2- فیزیک هسته ای 3- فیزیک اتمی و مولکولی 4- فیزیک پلاسما و شاره ها
5- فیزیک حالت جامد 6- فیزیک ستاره ها و سیاره ها 7- صوت 8- اپتیک (نور ) موضوع این تحقیق درباره فیزیک هسته ای است مطالعه هسته اتم نشان می دهد که ذرات سنگین درون هسته (پروتونها و نوترونها) مشابه الکترونها بر روی مدار مشخصی قرار دارند .

مطالعه در مشخصات هسته اتم ، عده ذرات تشکیل دهنده هسته انرژی پیوند میان این ذرات ، انرژی هسته ای ، راکتورهای اتمی ، بمب های اتمی و هیدروژنی ، رادیواکتیویته طبیعی و مصنوعی موضوع فیزیک هسته ای است .

ساختار هسته ای :
از آزمایش رادرفورد درباره بمباران اتم ها توسط ذرات آلفا و آزمایشهای مشابه دیگر در مورد پراکندگی پی بردیم که هسته اتم بسیار کوچک در حدود یک ده هزارم خود اتم است ولی تقریبا تمامی جرم اتم در همین هسته با همه کوچکی متمرکز است معنی این گزاره آنست که چگالی ماده هسته ای بسیار زیاد تقریبا Kg/m 31017*2 است بنابر تحقیقات موزلی هر هسته با عدد اتمی Z شامل Z بار مثبت است ، یعنی ، چگالی بار میانگین در ماده هسته ای نیز بسیار بزرگ است – تقریبا 1025 کولن برمترمکعب .

می دانیم که هسته از پروتون و نوترون هایی تشکیل یافته است اگر نیروی ربایشی دیگری برای نگهداشتن پروتونها در کنار هم وجود نداشت ، نیروی رانشی کولنی بین آنها هسته را از هم می پاشاند این نیروی اضافه را نیروی هسته ای یا نیروی « قوی » می گویند برای دو پروتون مجاور هم در داخل یک هسته ، این نیرو 100 بار قویتر از نیروی رانشی کولنی است این نیروی قوی درست به همان صورت که نیروی کولنی بر دینامیک ا لکترونهای اتم حاکم است بر دینامیک پروتونها و نوترونهای هسته‌حاکم است .

به علت قدرت بیشتر نیروی قوی انرژی برانگیختگی حالتهای هسته ای خیلی از انرژیهای برانگیختگی حالتهای اتمی بیشترند .

اختلاف انرژی بین حالتهای اتمی به یک تا چند ev می رسد ، در حالی که اختلاف انرژی بین حالتهای هسته ای به یک تا چند Mev سر می زند .

گذر بین حالتهای اتمی به گسیل نور مرئی یا پرتوهای X منجر می شود در حالیکه گذر بین حالتهای هسته ای به گسیل پرتوهای
می انجامد .

متاسفانه ، نیروی قوی را نمی توان با هیچ فرمول ساده ای مانند فرمول (مربوط به قانون کولن یا قانون گرانش نیوتن) توصیف کرد ، رفتار آن به صورت تابعی از فاصله فقط به طور ناقص شناخته شده است در نتیجه ، فیزیکدانان هسته ای نمی توانند حالتهای ایستای مربوط به هسته را از اصول اولیه ، به همان روشی که فیزیکدانان اتمی حالتهای اتم را محاسبه می کنند بدست آورند .

در عوض فیزیکدانان هسته ای اغلب به مدلهای نظری برای هسته ،مانند مدل قطره مایع یا مدل پوسته ای تکیه می کنند .

این مدلها کاریکاتورهای دنیای حقیقی به شمار می آیند .

این مدل ها تصاویری نظری طرحواره ای اند که بخشی از واقعیت را در بر می گیرند و برخی جنبه های ساختار هسته ای را توضیح می دهند ، اما توضیح جامع از همه جنبه های حقیقت از آنها برنمی آید.

ایزوتوپها
هر گاه جرم اتم های یک نمونه شیمیایی خالص از عنصری را توسط طیف سنج جرمی اندازه گیری کنیم ، پی می بریم که چنین نمونه شیمیایی خالص آمیزه ای از اتم ها با جرم های متفاوت است .اتم هایی را که از نظر شیمیایی یکسانند ولی جرم های متفاوت دارند ایزوتوپ می نامند .

مثلا ، نئون دارای دوازده ایزوتوپ با علامتگذاریهایی به این شرح است : Ne16 و Ne17 و Ne18 و Ne19 و Ne20 و Ne21 و Ne22 و Ne23 و Ne24 و Ne25 و Ne26 و Ne27 ، که جرمشان در گستره 03/16 تا01/27 یکای جرم اتمی قرار دارد شاخص بالا در سمت چپ ، عدد جرمی نامیده می شود این عدد برابر جرم بر حسب یکای اتمی است ، که به نزدیکترین عدد صحیح گرد شده است (به عبارت دقیقتر ، این شاخص بالا برابر مجموع تعداد پروتونها و نوترونهای موجود در هسته است ) نمونه های طبیعی نئون شامل آمیزه ای از ایزوتوپهای (92/90% ) Ne20 ، (257/0% )Ne 21 ،(82/8% ) Ne 22 است .سایر ایزوتوپهای نئون در طبیعت وجود ندارند ، این ایزوتوپها بسیار ناپایدارند و فقط می توان آنها را بطور مصنوعی و از طریق تبدیل عناصر ، یا «کیمیاگری» هسته ای در راکتورهسته ای یا شتاب دهنده ، تولید کرد .

صفت ممیزه مشترک ایزوتوپهای Ne 20 و Ne 22 این است که از میان تمامی عناصر شیمیایی ، نخستین ایزوتوپهای کشف شده به شمار می آیند .

این ایزوتوپها را ج .

ج .

تامسون در سال 1912 یا طیف سنج جرمی شناسایی کرد و اندک زمانی پس از آن ، آستون طی آزمایشهای پردردسر بخش آنها را از هم جدا کرد .

دانشمندی بنام چادویک با اندازه گیری انرژی
هسته های خارج شده ، به محاسبه جرم نوترون توفیق یافت .

این کشف به پیدایش تصویر جدید هسته انجامید .

هسته تشکیل شده است ازZ پروتون وA-Z نوترون .

نوترونها ذراتی ناپایدارند .

یک نوترون آزاد بطور خودبخودی در مدت تقریبا 15 دقیقه وا می پاشد ، به یک پروتون تبدیل می شود و یک الکترون و یک پادنوترینو می آفریند n p+e+
این واکنش را واپاشی می نامند زیرا شامل بیرون انداختن یک الکترون ، یا ذره - است .

اندازه و شکل هسته اولین اندازه گیریهای مربوط به ابعاد هسته حاصل کار رادرفورد است ، که پی برد پراکندگی یک ذره توسط یک هسته نسبت به برآورد قانون کولن به ازای مقادیر خیلی کوچک پارامتر برخورد ، اختلاف چشمگیری نشان می دهد .

تعبیر رادرفورد به درستی به این ترتیب بود که این انحراف ها ناشی از تماس بین ذره آلفا و هسته است و شعاع تقریبی 15-10*3 را برای هسته آلومینیوم به دست آورد از زمان رادرفورد تاکنون آزمایشهای پراکندگی جامع فراوانی انجام شده است که طی آنها ثابت شده است که شعاع هسته با متناسب است که در اینجا r0 =1/2 * 10-15 m است .

جامعترین آزمایشهای پراکندگی در سالهای 1950 توسط هوفستاتر و دستیارانش انجام شد در این آزمایشها نه تنها شعاع هسته را تعیین کردند بلکه چگالی باردر داخل هسته را نیز مورد برسی قرار دادند الکترون برای کاوش چگالی بار داخل هسته بسیار مناسب است زیرا میدان نیروی هسته ای را لمس نمی کند الکترون تنها نیروی الکتریکی وارد از سوی پروتون را لمس و به آسانی به داخل هسته نفوذ می کند شکل 1 چگالی بار را برای بعضی هسته های معمولی بصورت تابعی از فاصله شعاعی نشان می دهد شکل 1 : چگالی بار مربوط به چند هسته ، برحسب تابعی از شعاع مطابق آزمایشهای پراکندگی الکترون هوفستاتر .

به ازای هر هسته شعاع با خط چین مشخص شده است پراکندگی نوترون و پروتون هم به ساختار داخلی خودشان مربوط است و هم به ساختار هسته بستگی پیدا می کند .

فرض کردیم که هسته ها کروی هستند این مطلب در مورد اغلب هسته ها صادق است ولی بعضی هسته ها بیضی وارند که اختلاف بین قطر بزرکتر و قطر کوچکتر آن به حدود 20% می رسد مثلا در شکل (2) ایزوتوپ Lu 176 نشان داده شده است شکل 2: شکل هسته Lu 176 ، یک بیضوار کشیده نیروی « قوی» از آنجا که پروتونها در داخل هسته در فاصله کمی از همدیگر قرار دارند ، نیروی رانشی کولنی بین آنها خیلی بزرگ است .

برای آنکه هسته در حالت تعادل قرار گیرد این نیرو را باید یک نیروی ربایشی دیگر، نیروی هسته ای یا نیروی « قوی » خنثی کند این نیرو در قویترین حالت خود از نیروی کولنی خیلی قویتر است ، مثلا دو پروتون ، به فاصله به مرکز fm 2 نیروی رانشی کولنی N 6 در حالی که نیروی ربایشی قوی در حدود N 103*2 است ولی نیروی قوی فقط در گستره محدودی قوی است در فواصلی بیشتر ازfm 3 نیروی قوی سریعا به صفر می رسد یکی از جنبه های مهم نیروی قوی ، استقلال آن از بار است : نیروی موثر بین دو نوکلئون از این که آنها دو پروتون ، دو نوترون و یا یک پروتون یا یک نوترون باشند مستقل است جنبه دیگر آن وابستگی به اسپین است نیروی بین دو نوکلئون با اسپین موازی نسبت به نیروی بین دو نوکلئون با اسپین پاد موازی ، قویتر است نیروی قوی نیروی چند جسمی است یعنی نیروی بین دو نوکلئون در یک هسته به موقعیت تمام نوکلئونهای مجاوردیگر بستگی دارد ساده ترین سیستمی که می توانیم در آن کنش نیروی قوی را مطالعه کنیم دوترون ، هسته اتم دوتریم ( H 2 یا D 2 ) است که از یک پروتون و یک نوترون مقید به یکدیگر تشکیل شده است تشدید مغناطیسی هسته NMR با بهره گیری از آزمایشهای اشترن- گرلاخ گشتاور مغناطیسی هسته ها را مستقیما اندازه گرفته اند .

ولی دقیق ترین اندازه گیریهای مربوط به گشتاورهای مغتاطیسی با روش تشدید مغناطیسی هسته انجام شده است که بر تعیین بسامد تشدیدی برای گذار بین حالتهایی با آرایشهای اسپینی متفاوت مربوط به هسته در یک میدان مغناطیسی ، متکی است اگر هسته ای با گشتاور مغناطیسی در یک میدان مغناطیسی یکنواختB0 در امتداد z قرار گیرد در اینصورت انرژی اش عبارتست از : U=-z B0 گشتاور مغناطیسیz بر طبق قاعده متعارف کوانتیده می شود : در اینجا g عبارتست از ضریب g مربوط به هسته .

از این رو ، ترازهای انرژی هسته در میدان مغناطیسی عبارتست از : اختلاف انرژی بین ترازهای انرژی مجاور هم عبارتست از و بسامد متناظر با چنین گذاری به این قرار است : تشدید مغناطیبسی هسته بر یک میدان مغناطیسی نوسانی متکی است که با میدان مغناطیسی یکنواخت B0 زاویه قائمه می سازد این میدان مغناطیسی نوسانی عرضی را پیچه ای تولید می کند که نمونه حاوی اسپین های هسته ای را احاطه کرده است این پیچه بوسیله نوسان کننده بسامد رادیویی راه اندازی می شود.

روش تشدید باریکه مولکولی توسط رابی و همکارانش ابداع شد این روش رابطه بسیار نزدیکی با آزمایش اشترن – گرلاخ دارد و در روش تشدید القایی که توسط بلاخ ابداع شد نمونه در داخل یک میدان مغناطیسی ثابت غوطه ور می شود .

و پیچه ای که میدان مغناطیسی نوسانی عرضی را تامین می کند ، آنرا در بر می گیرد .

شرط تشدید با نیروی محرکه الکتریکی القا شده ای آشکار می شود که اسپین های متغیر در داخل نمونه آن را در یک پیچه گردآور اضافی مجاور آن ایجاد می کند ( شکل 3) شکل 3 : آرایش مربوط به یک آزمایش تشدید مغناطیسی هسته ( NMR ) .

نمونه مورد بررسی در داخل یک میدان مغناطیسی یکنواخت پایدار ( قائم ) قرار داده شده است و در معرض یک میدان مغناطیسی نوسانی ( افقی ) قرار دارد که توسط یک پیچه RF تولید می شود .

هر وقت که اسپینهای هسته ای به طور ناگهانی تغییر جهت دهند ، یک پیچه گرد آور نیروی محرکه الکتریکی القایی را ثبت می کند .

تشدید مغناطیسی هسته در پزشکی کاربرد های عملی با ارزش یافته است در آن حوزه ، در روش جدیدی برای ایجاد تصویر از قسمتهای داخلی بدن انسان مورد استفاده قرار گرفته است این روش بر شالوده بستگی بسامد تشدید به شدت میدان مغناطیسی متکی است .

اگر بدن آدمی در یک میدان مغناطیسی B0 قرار گیرد که در یک طرف که در یک طرف بدن شدیدتر از طرف دیگر باشد (میدان مغناطیسی با شیب فضایی)در این صورت هسته های یک سمت بدن نسبت به هسته های سمت دیگر در بسامد بالاتری به تشدید درمی آیند در بافتهای بدن هیدروژن قراوان است از این رو برای تشکیل تصویرهای تشدید مغناطیسی هسته (NMR ) بهتر است که بر هسته های هیدروژن تکیه کنیم ولی تصویری که فقط متکی به چگالی هیدروژن باشد دقایق کالبد شناختی کافی را بدست نمی دهد چنین تصویری فاقد سایه روشن است زیرا چگالی هیدروژن در سرتاسر بدن یکنواخت است .

در شکل 4 تصویرهایی را مشاهده می کنید که با روش NMR تهیه شده اند توان تفکیک بدست آمده در این تصویر با بهترین تصویرهایی که به کمک روبش پرتو X حاصل شده است قابل قیاس می باشد تصویربرداریNMR نسبت به پرتوهای X دارای دو مزیت مهم است میدان های مغناطیسی هیچگونه صدمه ای به بدن وارد نمی آورند در صورتی که پرتوهای X به بدن آدمی آسیب یونشی وارد می آورند علاوه بر این ، تصویرهای پرتو X غالبا به چگالی الکترون حساسند در صورتی که تصویرهای NMR به شرایط شیمیایی و فیزیکی گوناگونی در بافتها حساسند به این ترتیب تصویرهای پرتو X تنها تغییرات اساسی در اندازه و شکلهای اعضاء را آشکار می کنند ، در صورتی که تصویرهایNMR تغییرات فیزیولوژیکی دقیق رانیز آشکار می کنند شکل 4 : تصویرهای NMR از مقاطع سر انسان تبدیل های هسته ای در هر واکنش شیمیایی ، باز آرایش اتم ها در مولکولها به شکل گیری مولکولهای جدید می انجامد به همین ترتیب ،در واکنش هسته ای ، باز آرایش پروتونها و نوترونها در هسته ها به تشکیل هسته های جدید منجر می شود تشکیل هسته های جدید به این گونه یکی از تغییر حالتهای عناصر به شمار می آید مثلا در واکنش بریلیم به کربن تبدیل می شود به این ترتیب فیزیکدانان هسته ای رویای کیمیاگران را برای تبدیل عناصر به عالم واقع تعبیر کردند تقریبا تمام ایزوتوپهای ناپایدار از طریق تبدیل های هسته ای در فرآیند های مصنوعی تولید شده اند .

تعداد زیادی از این ایزوتوپها کاربردهای مهم صنعتی و پزشکی دارند به علاوه ، تمام عناصر سنگین تر از پلوتونیم ، به کمک تبدیل های مصنوعی تولید شده اند ، این عناصر به طور طبیعی وجود ندارند .

انرژی رها یا جذب شده شده در هر واکنش هسته ای خیلی بیشتر از انرژیی است که در واکنش های شیمیایی رها یا جذب می شود .

نوعاً ، تغییر انرژی در خلال یک باز آرایش اتم ها در مولکول ، از مرتبه ev1 است ؛ در حالی که تغییر انرژی در خلال یک باز آرایش پروتونها و نوترونها در یک هسته از مرتبه MeV1 است .

یعنی ، تعداد زیادی از واکنش های هسته ای را تنها می توان با بمباران یک هسته به وسیله یک پرتابه فوق العاده پر انرژی راه اندازی کرد ؛ این وضعیت فیزیک دانان هسته ای را به تکامل شتابدهنده ها هدایت کرد که باریکه شدیدی از چنین ذراتی را تولید می کرد .

انرژی زیادی که در واکنش های هسته ای آزاد می شود ، به کاربردهای صنعتی و نظامی نیز منجر شد : رآکتورها و بمب های هسته ای واپاشی پرتوزا اغلب ایزوتوپها ناپایدارند ؛ اینها از طریق واکنشهای هسته ای خودبخود وا می پاشد .

و به ایزوتوپهای پایدارتر دیگری تبدیل می شوند .

ایزوتوپهای ناپایدار پرتوزا هستند ، یعنی ، واکنش های هسته ای خود بخود آنها با گسیل پرتوهای ، پرتوهای یا پرتو های همراه است پرتوهای عبارتند از ذرات آلفای ( هسته He4 ) پر انرژی ، پرتوهای الکترونها و پاد الکترونهای پر انرژی ، و پرتو های فوتونهای پرانرژی اند .

و پرتو زایی در سال 1896 توسط بکرل کشف شد .

بعضی از هسته ها به جای گسیل یک پاد الکترون ، یک الکترون جذب می کنند ، که هسته این الکترون را از یکی از پوسته های الکترونی اتم به دام می اندازد .

یک نمونه از چنین واکنشی عبارت است از : Ne 22 + Na22 شکل 5 : تبدیلهای هسته ای که از طریق واپاشی ، واپاشی و گیر اندازی الکترون ایجاد شده است .

هر ایزوتوپ مطابق نمودار ایزوتوپها بوسیله یک چهار گوش در صفحه Z - N نمایش یافته است یک تبدیل هسته ای Z و N را تغییر می دهد و می توان آن را به صورت یک جابجایی در صفحه Z - N نمایش داد واپاشی آلفا: گریز یک ذره آلفا از یک هسته مستلزم نفوذ در سد است.

سد پتانسیلی که ذره آلفا در خلال گریزش با آن مواجه می شود ، ناشی از نیروهای مؤثر بین ذره آلفا و هسته دختر است .

در شکل 6 انرژی پتانسیل را به صورت تابعی بر حسب فاصله از مرکز هسته مشاهده می کنید .

به ازای بزرگ ، انرژی پتانسیل همان انرژی کولنی رانشی ذره ( بار e2 ) در میدان هسته دختر ( بار Ze ) است : ( r شکل 6 : انرژی پتانسیل یک ذره آلفا که با هسته دختر برهم کنش دارد.

سد کولنی نشان داده شده در این شکل با T h232 متناظر است درسطح هسته (=R ) چون نیروی هسته ای وارد عمل میشود ، انرژی پتانسیل به سرعت افت میکند .

در داخل هسته ، پتانسیل تقریباً ثابت است مقدار U 0 برای محاسبه احتمال نفوذ در سد چندان اهمیت ندارد ؛ فرض می کنیم :U0 10 MeV خط افقی در شکل 6 ، انرژی مربوط به ذره آلفای معمولی را مشخص میکند .

به طور تجربی معلوم شده است که در تمام موارد واباشی ، انرژی ذره آلفا نسبت به بیشترین ارتفاع سد (در =R )به میزان چشمگیری کمتر است .

واکنش های هسته ای انرژی – پایین ؛ هسته مرکب .

تحقیقات تجربی واکنش های هسته ای در سال 1919 ، پس از آنکه رادرفورد کشف کرد که بمباران نیتروژن با ذرات آلفا منجر به ایجاد اکسیژن و پروتون میشود ، آغاز شد : H1O + 17 N14 + He4 رادرفورد در این آزمایشها ، و در آزمایشهای قبلی خود از یک ماده پرتوزای طبیعی به عنوان چشمه باریکه ذزات آلفا استفاده میکرد .

این روش تجربی در سال 1932 ، وقتی که کارکافت و والتون برای تولید باریکه ای پر انرژی از پروتون ها از شتابدهنده الکتروستاتیکی استفاده کردند ، به طور حیرت انگیزی بهتر شد .

آنها با این باریکه یک هدف لیتیم را بمباران کردند و اولین واکنش هسته ای آغاز شده به وسیله پرتابه هایی را مشاهده کردند که به طور مصنوعی شتاب یافته بودند .

شتابدهنده ای که کاکرافت و والتون ساختند ، شبیه شتابدهنده ای بود که یکسال قبل از آن وان دوگراف شاخته ود .

این ماشین پرتابه ها را توسط یک میدان الکتروستاتیکی قوی شتاب می داد ، این میدان با انباشتن مقدار زیادی بار الکتروستاتیکی روی یک خازن کروی در ولتاژ بالا ایجاد می شد.

ابزاری از نوعی دیگر ، بنام سیلکوترون ، تقریباً در همان زمان توسط لارنس ساخته شد .

سیلکوترون پرتابه ها را در یک میدان مغناطیسی در مداری مارپیچی نگه می دارد .

و آنها را با هل دادنهای پیاپی به وسیله یک میدان الکتریکی نوسانی شتاب می دهد .

شکل 7 : الف: سیکلوترون 37 اینچی لارنس ؛ ب : دی های سیکلوترون 37 اینچی همینکه فیزیکدانان هسته ای شتابدهنده های بزرگتر و بهتری ساختند ، بمباران هدفها با باریکه هایی که به طور مصنوعی از پرتابه ها تولید شده بودند ، در تحقیقات تجربی واکنشهای هسته ای به مثابه روشی استاندارد در آمد .

انرژی پرتابه هایی که برای آغاز واکنشهای هسته ای مورد استفاده قرار می گیرند ، معمولاً در محدوده چند MeV تا MeV 140 تغییر می کند .

این گستره انرژی حوزه فیزیک هسته ای انرژی پایین را ، در مقایسه با گستره MeV 140 تا چند صد MeV برای فیزیک هسته ای با انرژی بالا ، و گستره چند صد MeV تا چندین هزار MeV برای فیزیک ذرات بنیادی مشخص می کند شکل 8 یک آرایش تجربی نوعی را نشان می دهد .

شکل 8 : اتاقک پراکندگی برای بمباران یک هدف به وسیله باریکه پروتونی باریکه پروتونها ، ذرات آلفا ، و دوترونهای پرانرژی از طریق یک لوله تخلیه شده از شتابدهنده به اتاقک هدف می روند .

هدف از یک برگه بسیار نازک ماده مورد بررسی ساخته شده است .

واکنش های هسته ای انرژی پایین معمولاً با بیرون انداختن پروتون ، نوترون ، ذرات آلفا ، دوترون ، و پرتوهای از هسته ای هدف همراه است .

این ذرات به وسیله آشکار سازهایی که هدف را احاطه کرده اند شناسایی می شوند : آشکار سازهایی پر از گاز مانند شمارگر های تناسبی یا شمارگرهای گایگر که یونهای ایجاد شده به وسیله عبور ذره از طریق گاز را آشکار سازی می کنند ، آشکار سازهای سوسوزن ، مانند پلاستیک یا یدور سدیم که ، وقتی مورد صابت یک ذره قرار می گیرد ، جرقه نوری کوتاهی صادر می کند که به وسیله لامپ فتو مولتی پلایر ثبت می شود .

یا آشکار سازهای نیمرسانا ، مانند ژرمانیم آلاییده با لیتیم ، که زوج الکترون – حفره را که با گذر از محل اتصال نیمرسانا تولید می شود ، آشکارسازی می کند .

فیزیکدانان تجربی علاقه مندند که نتایج تعیین شده خود از آهنگ واکنش هسته ای را بر حسب سطح مقطع بیان کنند که به صورت خارج قسمت آهنگ واکنش به ازای هر هسته ، به شار فرودی پرتابه ها تعریف شده است ، آهنگ واکنش عبارتست از تعداد واکنش ها در هر ثانیه ؛ یکای صورت کسر در معادله فوق عبارت است از S-1 .

شار خروجی برابر است با تعداد پرتابه های فرودی بر متر مربع بر ثانیه ؛ یکای مخرج کسر در معادله فوق عبارت است از –1 S –2 m .

بنا بر این سطح مقطع دارای یکای m2 ، یعنی دارای یکای مساحت است .

سطح مقطع معیاریست برای احتمال وقوع واکنش .

واکنش های هسته ای از واکنش های شیمیایی خیلی پیچیده ترند زیرا تمام نوکلوئونهای موجود در هسته در واکنش شرکت می کنند ، در حالی که در یک واکنش شیمیایی فقط بیرونیترین الکترون های اتم شرکت دارند .

اما ، همانگونه که بور در سال 1936 خاطرنشان کرد ، شرکت عمومی تمامی نوکلئونها در واکنش ما را مجاز می دارد که برای توصیف نظری واکنش های هسته ای یک مدل خیلی ساده بیندیشیم .

بنابر این مدل ، پرتابه فرودی توسط هسته جذب می شود و انرژیش را سریعاً با تمام نوکلوئونها به مشارکت می گذارد .

این یکی شدن پرتابه و هسته اصلی یک هسته مرکب تشکیل می دهد .

که عدد جرمی و بار آن برابر است با مجموع اعداد جرمی و بارهای مربوط به پرتابه و هسته اصلی .

مثلاً ، بمباران Cu63 به وسیله پروتون منجر به ایجاد هسته مرکب Zn *64 می شود .

* Zn 64 Cu63+ ‍‍‍P علامت ستاره روی علامت شیمیایی حکایت از آن دارد که هسته در یک حالت برانگیخته است .

همین هسته مرکب را می توان به وسایل دیگر تشکیل داد ، مثلاً بمباران Ni60 با ذرات آلفا نتیجه می دهد .

Zn 64 Ni 60 + He4 اگر انرژی ذره آلفا به طور مناسب تنظیم شود ، در آن صورت انرژی هسته های مرکب ایجاد شده در دو واکنش فوق یکی می شود .

شکافت : هر چند که در اغلب هسته ها انرژی بستگی به ازای هر نوکلئون در حدود MeV 8 است ، در هسته های سنگین ( مثلاً ، 200> A ) انرژی بستگی به ازای هر نوکلئون قدری کمتر است کاهش انرژی بستگی ناشی از افزایش اهمیت رانش الکتروستاتیکی است .

بنابراین ، از دیدگاه انرژی ، برای هسته های سنگین ، شکافتن به دو پاره و تشکیل دو هسته سبکتر مساعد تر است .

مثلاً شکافت خود بخودی یک هسته U238 را به دو پاره مساوی در نظر می گیریم .

pd 119 + Pd 119 U238 این واکنش ، یک واکنش شکافت متقارن است : یک هسته با عدد جرمی A و عدد بار Z به دو هسته ، هر کدام با عدد جرمی و عدد بار ، تقسیم می شود .

بنابر فرمول نیمه تجربی ، انرژی بستگی هسته اصلی عبارت است از : و انرژی بستگی برای هر کدام از هسته های نهایی به این شرح است .

در این عبارت ها سهم اندک انرژی عدم تقارن را ندیده گرفتیم .

انرژی آزاد شده بر اثر واکنش شکافت تقریباً برابر است با : مفهوم دو جمله سمت راست معادله چهارم به این قرار است : جمله اول کار انجام شده به وسیله نیروی « کشش سطحی » هسته ای است ، این جمله منفی است ، زیرا نیروی نامبرده با شکافت مخالفت می کند ، یعنی ، این نیرو با افزایش مساحت جانبی قطره که الزاماً همراه با شکافت یک قطره شاره به دو قطره است ، مخالفت می کند ، جمله دوم عبارت است از کاری که نیروی کولن انجام داده است ، این جمله مثبت است زیرا رانش الکتروستاتیکی با راندن دو قسمت به دو طرف شکافت را تقویت می کند .

اگر این جمله دوم بر جمله اول غلبه کند در این صورت واکنش شکافت انرژی آزاد می کند و انجامش امکان پذیر است .

بنابر این ، معیار ضروری برای شکافت عبارت است از : یعنی : در مورد U238، داریم Z=92 و A=238 و به طوری که معیار 6 بخوبی برآورده می شود واکنشهای زنجیره ای : گر چه شکافت خودبخودی در U238 رویدادی نادر است ، این هسته در صورت بمباران با نوترون پذیرای شکافت القایی است .

برخورد یک نوترون با هسته وجذب آن ارتعاشات شدیدی را در هسته بوجود می آورد ، که تکه تکه شدن آن محتمل است .

این عمل به واکنش شکافت القاء شده بوسیله نوترون ، مانند Kr 94 Ba + 145 U238 n + منجر می شود .

ضمناً ، واکنش فوق از نظر تاریخی دارای اهمیت است ، زیرا این واکنش منجر به کشف شکافت در سال 1938 توسط اتوهان و اشتراسمن شد ، که باریم را در نمونه ای از اورانیم آشکار کردند که تحت تابش نوترون قرار گرفته بود .

هر دو پاره شکافت آزاد شده در واکنش فوق از نظر نوترونی بسیار غنی هستند ، و تقریباً بلافاصله دو یا سه تا از نوترونهای اضافی خود را بیرون می اندازند .بنابر این ، واکنش خالص مربوط به شکافت القا شده نوترونی را می توان به بصورت زیر خلاصه کرد 3n یا 2n + پاره های شکافت U238 n + کاربردهای علمی شکافت ، بر نوترونهای رها شده در این واکنش برای القای واکنشهای شکافت بیشتر متکی است .

اگر اولین شکافت در یک نمونه اورانیم آغاز شود ، نوترونهای آزاد شده در این شکافت اول با هسته های اورانیم دیگر برخورد و شکافت را در آنها القا می کند ، و نوترونهای آزاد شده در آنجا شکافتهای بیشتری را القاء می کند .

حاصل این برخوردها یک واکنش زنجیره ای خود محرک است .

مشروط به اینکه هیچ نوترونی از این زنجیره ناپدید نشوند ، حاصل زنجیره ناپدید نشود ، یا فقط تعداد اندکی از آنها از این زنجیره ناپدید شوند ، حاصل زنجیره بهمنی از نوترونها و شکافتهاست .

در چنین بهمنی ، تعداد نوترونها و تعداد شکافتها در مراحل متوالی زنجیره به صورت تصاعد هندسی افزایش می یابد .

مثلاً ، اگر به طور متوسط در هر واکنش شکافت دو نوترون آزاد شود و هر کدام از این نوترونها واکنش شکافت دیگری را القا کنند ، در این صورت تعداد شکافتها در مراحل متوالی زنجیره چنین خواهد بود 2 ، 4 ، 8 ، 16 ، 32 ، 64 ، … این رشد هندسی آهنگ واکنشها به آزاد شدن انفجاری انرژی می‌انجامد .

سطح مقطع مربوط به واکنشهای شکافت القا شده توسط نوترون ، به انرژی نوترون بستگی دارد .

در مورد U238 ، کمترین انرژی لازم برای نوترون ، که واکنش شکافت را آغاز کند ، برابرMeV 2/1 است .

نوترونهایی با این انرژی یا انرژی بیشتر از این مقدار را نوترونهای تند می گویند .

نوترونهای آزاد شده در شکافت U238 در آغاز نوترونهایی تند هستند ، اما اینها احتمالاً قبل از اینکه سرانجام دریک برخورد جذب شوند ، در چندین برخورد ناکشسان پیاپی با هسته ها درگیر می شوند .

در چنین برخوردهای ناکشسانی ، نوترونها قسمت اعظم انرژی جنبشی خود را از دست می دهند ، و وقتی که سرانجام جذب شدند ،انرژی باقیمانده آنها برای آغاز یک شکافت کافی نیست .

بدین ترتیب ، برخوردهای ناکشسان عملاً نوترونها را از زنجیره شکافت خارج می کند ،واز آنجا واکنش زنجیره ای را فرو می نشاند .

محتمل ترین سرنوشت یک نوترون کم انرژی همانا جذب توسط یک هسته اورانیم برطبق واکنش زیر است : U 239 U238 n + از اینرو U238 گرایش داردکه بدون درگیر شدن در شکافت ، نوترونها جذب کند ؛ به این ترتیب ، واکنش زنجیره ای برقرار نخواهد کرد .

درمورد U235 هیچ حداقلی برای انرژی نوترون مورد نیاز شکافت وجود ندارد .

این هسته تا حدی ناپایدار است وحتی اگر انرژی نوترون فرودی خیلی هم کم باشد ،شکافته خواهد شد ؛ زیرا وقتی که نوترون توسط هسته گیر افتاد انرژی بستگی قابل حصول خود برای آغاز واکنش شکافت کافی است .

در واقع ، میزان سطح مقطع مربوط به شکافت القایی در مورد نوترونهای فرودی با کمترین انرژی حداکثر است (قانون /1) ، زیرا کندترین نوترونها بیشترین زمان را در داخل هسته می گذرانند ، واز آنجا احتمال وقوع یک واکنش جذب را افزایش می دهند .

به این ترتیب ، U235 یک واکنش زنجیره ای را برقرار می کند ، این عنصر ماده ای است شکافتنی .

فراوانی U235 در سنگهای معدنی طبیعی خیلی کم است ؛ این سنگها معمولا از تقریباً 3/99% U238 وفقط 7/0% U 235 تشکیل یافته اند .

چون این ایزوتوپها اختلاف جرمی اندکی دارند جدا کردن آنها هم دشوار است .

این کار را می توان با تبدیل آنها به اورانیم هگزا فلورید ، ترکیبی گازی شکل ،که در آن می شود دو ایزوتوپ را از طریق پخش از یک غشاء یا به کمک خاصیت مرکز گریزی از هم جدا کرد ، انجام داد .