پلوتونیوم یکی از عناصر رادیواکتیوی است که به مدت زمان زیادی تصور میشد، فاقد مغناطیس است، اما حالا دانشمندان با استفاده از طیف سنجی نوترون دریافتند که پلوتونیوم دارای مغناطیس است. با دیپ لوک همراه باشید…
پلوتونیوم برای ما ایرانیان، واژه ای آشنایی شده است. واژه ای که این روزها به بهانه ی مذاکرات هسته ای بیشتر با آن درگیر بوده ایم و خوشبختانه با یک توافق خوب به سرانجام رسید. پلوتونیوم برای اولین بار در سال ۱۹۴۰ تولید شد. هسته ی ناپایدار پلوتونیوم باعث شکافت آن می شود که باعث می شود از آن برای سوخت و سلاح هسته ای استفاده شود، ضمن اینکه پلوتونیوم نسبت به اورانیوم مزایای زیادی داشته و استفاده از آن نسبت به اورانیوم، بسیار راحت تر است. حالا دانشمندان Los Alamos مغناطیس پلوتونیوم را تایید کردند. چیزی که مدت ها قبل، دانشمندان نظری آن را پیش بینی کرده بودند، اما هیچگاه قادر به مشاهده ی آزمایشگاهی آن نشده بودند. این کشف بزرگ، باعث پیشرفت هایی مهمی در حوزه ی مواد، انرژی و محاسبات خواهد شد.
اما چرا عناصر خاصی از خود پرتوزایی نشان می دهند؟ از آنجایی که این سوال، چند روز پیش توسط یکی از دوستان عزیز دیپ لوکی در کامنت ها پرسیده شد، لازم دانستم در این مقاله، پاسخ آن را بار دیگر برای سایر دوستان عزیز توضیح دهم:
فرآِیند پرتوزایی ناشی از ناپایداری هسته ی اتمهاست و دلیل این ناپایداری، متوازن نبودن نسبت نوترون ها به پروتونهاست چرا که در این حالت توازن نیروی هسته ای قوی بین نوترون ها و پروتون ها برهم میخورد، بنابراین هسته مجبور است با تابش رادیواکتیو، نسبت نوترون ها به پروتون ها را متعادل کند. این نامتعادل بودن نسبت n/p به دلیل آن است که داخل هسته، ترازهایی وجود دارد که میتوانند تعداد معینی نوترون و پروتون را در خود جای دهند. بنابراین تا زمانیکه این تعداد نرمال باشد، هسته پایدار است، اما اگر پروتون یا نوترون بیشتر یا کمتری در این ترازها قرار گیرد، هسته ناپایدار شده و مستعد پرتوزایی می شود.
توجیه دیگری که در مورد منشا واپاشی عناصر مطرح می شود، می گوید: اجرامی که بتوانند با شرکت در یک یا چند واکنش، مجموع جرم کمتری را حاصل کنند، ناپایدار خواهند بود. همه ی ما میدانیم این کمبود جرم محصولات، به صورت انرژی آزاد شده است. بنابراین طبیعت به هیچ وجه دوست ندارد انرژی را داخل جرم محبوس کند و بنابراین تاجایی که ممکن باشد تمایل دارد انرژی نهفته در اجرام، آزاد شود و این همان قانون دوم ترمودینامیک، یعنی افزایش انتروپی است!
راز فقدان مغناطیس پلوتونیوم بوسیله ی نوترون کشف شد
اجازه دهید به بحث اصلی این مقاله برگردیم. همانطور که گفتیم، پلوتونیوم دارای هسته ی ناپایداری است که باعث پرتوزایی آن می شود. اما جالب است بدانید که ابر الکترونی آن هم ناپایدار است؛ موضوعی که بسیار کمتر بررسی و شناخته شده است. بنابراین این ناپایداری ابر الکترونی در کنار ناپایداری هسته باعث می شود تا پلوتونیوم از نظر الکتریکی، بسیار پیچیده شود.
نظریه های قدیمی تر، در توضیح ویژگی های ساختاری پیچیده ی پلوتونیوم موفق هستند و پیش بینی می کنند که پلوتونیوم باید از نظر مغناطیسی هم فعال باشد. اما این پیش بینی کاملاً با آزمایشات، در تضاد است و هیج شاهدی برای ترتیب مغناطیسی در پلوتونیوم وجود ندارد.
اما حالا پس از هفت دهه، راز علمی فقدان مغناطیس پلوتونیوم حل شده است. محققان برای نخستین بار و با استفاده از پراش نوترون، توانستند شاخصه ی منحصربفرد مغناطیس افت و خیز دار پلوتونیوم را به طور مستقیم اندازه بگیرند. در مقاله ای که اخیراً در ژورنال Science Advances منتشر شد، دانشمندان توضیح دادند که پلوتونیوم، فاقد مغناطیس نیست، بلکه دارای جریان ثابتی از مغناطیس است که مانع از تشخیص آن می شود. پلوتونیوم در حالتی مابین دو ساختار الکترونیکی اش قرار دارد، چیزی که ما آن را به عنوان برهم نهی کوانتومی می شناسیم. یک حالت هنگامی است که الکترون هاکاملاً حول یون پلوتونیوم قرار گرفته و در نتیجه یک ممان مغناطیسی در آن به وجود آورده اند و حالت دیگر زمانی است که الکترون ها نامستقر شده و دیگر در کنار یون باقی نمی مانند.
با استفاده از اندازه گیری های نوترون، دانشمندان به این نتیجه رسیدند که افت و خیزها باعث می شود تا تعداد متفاوتی از الکترون ها در لایه ی والانس خارجی پلوتونیوم قرار کرفته و در نتیجه تغییر غیرنرمال حجم پلوتونیوم در فازهای مختلف را نشان می دهد. افت و خیزهای پلوتونیوم در مقیاس زمانی خاصی رخ می دهد به طوری که هیچ روش دیگری، نسبت به آن حساس نیست. این پژوهش نه تنها از نظر آزمایش بلکه از نظر تئوری هم، یک گام جدید و رو به جلوست. دانشمندان نشان دادند که نظریه ی میدان میانگین دینامیکی، چیزی که آنها در آزمایش مشاهده کردند را پیش بینی می کند. این نظریه، توضیح خوبی برای ویژگی های پیجیده ی پلوتونیوم و به خصوص حساسیت بالای حجم آن به تغییرات اندک دما یا فشار ارائه می دهد.
برای مطالعه ی پلوتونیوم، چند مانع وجود دارد. پلوتونیوم رادیواکتیو است و باید با مراقبت ویژه ای کنترل شود، بنابراین فرآیند تایید این آزمایش دو سال قبل از پذیرش نهایی آن، طول کشید. دانشمندان دریافتند که طیف سنجی نوترون، کلید حل معمای فقدان مغناطیس پلوتونیوم است. تجزیه تحلیل اثرات نوترون در کارهای قبلی نشان داد که نمونه ی موردنیاز را باید به دو روش منحصربفرد بهبود بخشید: اول اینکه پلوتونیوم در دسترس عمدتاً شامل ایزوتوپ پلوتونیوم ۲۳۹ است که به طور بالایی جاذب نوترون است و در نتیجه سیگنال های ضعیف را مبهم می کند، بنابراین تیم در عوض از پلوتونیوم ۲۴۲ استفاده کردند، ایزوتوپی که نوترون ها را بسیار کمتر جذب می کند. دوم اینکه پلوتونیوم، جاذب هیدروژن است که این امر باعث پدیدار شدن سیگنال های جعلی قوی می شود. آنها از یک روش ویژه برای حذف هیدروژن از نمونه استفاده کردند. با تلفیق نظریه ی میدان میانگین دینامیکی و آزمایش طیف سنجی نوترون ثابت می شود که ممان مغناطیسی پلوتونیوم، دینامیک و پویاست و با افت و خیزهای والانس، تشخیص داده می شود. این روش همچنین بهترین توضیح را برای چگونگی حساسیت پلوتونیوم به تمام اختلال های ممکن، ارائه می دهد. این مشاهدات نه تنها یک توضیح میکروسکوپی برای علت ناپایداری ساختاری پلوتونیوم را بدست می دهد بلکه بیش از آن، باعث فهم بهتر مواد و کمپلکس هایی با همین ساختارهای الکترونی می شود.
قطعاً محاسبات نظریه ی میدان میانگین دینامیکی استفاده شده در این کار، به سطح جدیدی از پیچیدگی ها رسیده است. روش های توسعه یافته ی این پژوهش، درهای تازه ای را به روی مطالعات آینده باز می کند. تیم تحقیقاتی این پژوهش برای انجام محاسبات نظری میدان میانگین دینامیکی از ابرکامپیوتر تیتان مستقر در OLCF در استفاده کردند. آنها از ۱۰ میلیون ساعت هسته برای انجام محاسبات خود استفاده کردند.
منبع: phys.org
برای آگاهی از تازه ترین مقالات دیپ لوک، ایمیل خود را در زیر وارد کنید: [wysija_form id=”1″]
