پیل های سوختی

 

بسمه تعالي

امروز مقاله اي رو با عنوان پيل هاي سوختي براي شما عزيزان قرار مي دهم.

اين مقاله به زحمت آقا مهدي تهيه شده است كه من هم در همين جا از همكاري ايشان قدرداني مي كنم و اميدوارم به ارسال مقالات زيبايشان ادامه دهند.

اين مقاله زيبا و جالب را با هم مي خوانيم:

ماشيني كه از اگزوزش به جاي دود فقط آب خارج مي شود. اين جمله را شايد بارها قبل از اين شنيده يا خوانده باشيد. مي خواهم شما را كمي با اين موضوع آشنا كنم. راستش را بخواهيد همه ماشينها يي كه از موتورهاي احتراقي برخوردارند از اگزوزشان آب خارج مي شود ( بصورت بخار)  ولي مشكل اين ماشينها در درجه اول به خاطر حضور كربن در سوختهاي مصرفي آنهاست كه در بهترين حالت توليد گاز كربنيك كرده كه مقدار زياد آن در كره زمين باعث بروز مشكلات زيست محيطي زيادي مثل گرم شدن كره زمين شده است، و در صورت ناقص سوختن توليد منوكسيد كربن كرده كه گازي بسيار كشنده است. و مشكل دوم آنها راندمان كم و آلودگي صوتي است. يكي از راههاي حل مشكل اول حذف هيدروژن از سوختهاست و بالطبع آخرين حد اين حذف گاز هيدروژن خواهد بود. يعني اگر ماشيني به جاي بنزين يا گاز طبيعي از هيدروژن استفاده كند از اگزوزش  فقط آب ( به شكل بخار) خارج خواهد شد. اين ايده مدتيست كه مورد توجه خودروسازان است ولي اين آن داستاني نيست كه مي خواهم برايتان تعريف كنم.

 تقريبا سي سال است كه به طور جدي روي منابع جديد توليد انرژي الكتريكي يعني پيلهاي سوختيfuel cell سرمايه گذاري و مطالعه شده است. اين ژنراتور ويژگيهاي منحصر به فردي دارند مثلا توان الكتريكي كه توليد مي كنند در مقايسه با وزنشان از همه منابع انرژي بيشتر است. ( به جز سوخت هسته اي) آنها هيچ صدايي ندارند، و از همه جالبتر راندمان آنها در بدترين حالت چند برابر ژنراتورهاي فعلي در بهترين حالتشان مي باشد. و يك ژنراتور آن اگر سوخت مسموم كننده به آن وارد نشود و يا آسيبهاي فيزيكي به دستگاه وراد نشود يك عمر كار ميكند ( ان شاء ا... 100 سال عمر كنيد و حتي بيشتر!). اين ژنراتور به طور مستقيم انرژي شيميايي سوخت ( مثل هيدروژن ، گاز طبيعي و يا الكلها) را به انرژي الكتريكي تبديل مي كند و طي اين تبديل ما با سيكل كارنو مواجه نخواهيم بود يعني راندمان ما به كمي ماشينهاي حرارتي فعلي نخواهد شد. اين تبديل با كمك كاتاليزورهاي گران قيمت پلاتين انجام ميشود و در واقع اين كار در يك سل الكترو شيميايي انجام مي شود. در سمت كاتد اين سل الكتروشيميايي سوخت مثل هيدروژن در حضور پلاتين اكسيد شده و حاصل اين اكسيداسيون توليد يون هيدروژن (H⁺) و الكترون است . الكترون از طريق سيم و پروتون از طريق الكتروليت به سمت الكترود كاتد مي روند. در كاتد اكسيژن هوا با الكترون و پروتون ( ارسالي از سمت آند) تركيب شده ( البته حضور پلاتين لازم است) و محصول واكنش كاتدي آب است. واكنش احياي اكسيژن كه در كاتد اتفاق مي افتد،  مشكل اصلي سر راه اين تكنولوژي است؛ واكنشي كه تك تك سلولهاي موجودات هوازي قادر به انجام آن هستند. نتيجه كلي كار همان الكتروني بود كه از سيم منتقل  شد، اين الكترون يا همان جريان برق مي تواند يك ماشين را به حركت در آورد. از چاه آب بكشد و برق يك روستاي دور افتاده را تامين كند. در حاليكه  هر سلول پيل سوختي در هر سانتيمتر مربع 1 تا 2 آمپر برق توليد مي كند و يك سري پيل سوختي با ابعاد يك باطري ماشين بيش از يك كيلو وات توان توليد مي كند .

خودرو سازان مهم دنيا هم اكنون شمارش معكوس خود را براي توليد خودروهايي كه به جاي موتورهاي احتراقي  از پيلهاي سوختي استفاده مي كنند شروع كرده اند. تصور كنيد خياباني را كه پر از ماشين است و فقط صداي چرخها بر روي جاده از آن به گوش مي رسد و كف جاده هم خيس است  چون از اگزوز ماشينها آب ( اين بار مايع ) خارج مي شود. مواد مورد نياز براي ساخت پيل سوختي كه  مورد توجه خودرو سازان است عبارت است از پلاتين ، كربن و پليمري به نام نفيون كه از آن به عنوان الكتروليت استفاده مي شود. قيمت اصلي پيلهاي سوختي را همين نفيون دارد. و ساخت پيل سوختي نيز از تكنولوژي بالايي برخوردار است كه خوشبختانه در مراكز دانشگاهي  كشور اين توانمندي در حال بلوغ است. توجه علاقه مندان به اين موضوع را به جستجو با كليد واژه هاي

 fuel cell, "proton exchange membrane fuel cell", "making electricity with hydrogen" 

جلب مي كنم.

نطريه اي براي همه چيز

نظريه اي براي همه چيز

A Theory for Everythings


سالهاي متمادي است كه بحث تئوري همه چيز در فيزيك مطرح شده است. منظور از اين تئوري چيست؟ يك تئوري براي همه چيز به چه سئوالاتي بايد پاسخ دهد؟

اجازه دهيد بحث را با سخنان هاوكينگ دنبال كنيم. هاوكينگ مي گويد.

نظريه نسبيت عام اينشتين نظريه‌اي در باره جرم‌هاي آسماني بزرگ مثل ستارگان، سيارات و كهكشان‌هاست كه براي توضيح گرانش در اين سطوح بسيار خوب است.

مكانيك كوانتومي نظريه‌اي است كه نيروهاي طبيعت را مانند پيام‌هايي مي‌داند كه بين فرميون‌ها (ذرات ماده) رد و بدل مي‌شوند. مكانيك كوانتومي در توضيح اشياء، در سطوح بسيار ريز خيلي موفق بوده بوده است.

يك راه براي تركيب اين دو نظريه بزرگ قرن بيستم در يك نظريه واحد آن است كه گرانش را همانطور كه در مورد نيروهاي ديگر با موفقيت به آن عمل مي‌كنيم، مانند پيام ذرات در نظر بگيريم. يك راه ديگر بازنگري نظريه نسبيت عام اينشتين در پرتو نظريه عدم قطعيت است.

با توجه به سخنان هاوكينگ دو نظريه مهم فيزيك و مكانيك كوانتوم، هريك به تنهايي خوب عمل مي كنند، اما با يكديگر ناسازگارند. بنابراين مسئله اصلي اين است كه راهي بيابيم تا اين دو نظريه را با يكديگر تركيب كنيم.

براي تركيب اين دو نظريه تلاشهاي زيادي انجام شده است كه به چند مورد آنها اشاره مي كنيم:

ابر گرانش

همه ي مواد موجود در طبيعت از دو نوع ذره ي بنيادي به نام فرميون ها و بوزن ها تشكيل شده اند. تفاوت فرميون ها و بوزن ها در اسپين آنها مي باشد به طوري كه اسپن فرميون ها نيمه درست و اسپين بوزن ها عددي درست است. همه ي انواع ذرات دست كم از دو خاصيت ذاتي جرم و اسپين برخوردارند. جرم خاصيتي آشنا براي تمام مواد است كه به همان صورتي كه براي اجسام بزرگ مقياس در نظر گرفته مي شود ، در مورد كوچك ترين اجزا تشكيل دهنده ي ماده نيز كاربرد دارد . اسپين خاصيت ظريف تري است كه در اجسام بزرگ مقياس به سادگي قابل شناسايي نيست . اسپين ، در واقع ، خاصيتي است كه در قرن بيستم كشف شد تا رفتار بي هنجار الكترون ها را در ميدان مغناطيسي توضيح دهد.

هر تقارني كه در جست و جوي ارتباط ميان فرميون ها و بوزون ها ، يعني ذراتي با اسپين هاي متفاوت ، باشد ابَرَتقارن ناميده مي شود. و اما ابَرَگرانش ، نظريه اي پيشنهادي در فيزيك بنيادي است كه ابرتقارن و گرانش را در هم مي آميزد. اولين نظريه ي ابرگرانش توسط سه فيزيكدان در سال 1976 فرمول بندي شد.

ابر ريسمان

در مطالعات و بررسي هاي مرسوم در فيزيك كوانتومي نسبيتي ، ذرات بنيادي را به صورت نقاط رياضي و بدون گستردگي فضايي در نظر ميگيريم. اين رهيافت موفقيت هاي بسيار چشمگيري داشته است ، ولي در انرژي هاي خيلي خيلي زياد يا فاصله هاي بسيار بسيار كوتاه كه بزرگي ميدان گرانشي با بزرگي نيروهاي هسته اي و الكترو مغناطيسي قابل مقايسه مي شود اين رهيافت با شكست رو به رو مي شود. در سال 1974 ژوئل شرك و جان شوارتز به منظور غلبه بر اين مشكل توصيف وحدت يافته اي از ذرات بنيادي را بر اساس منحني هاي يك بعدي بنيادي به نام ريسمان مطرح كردند . به نظر ميرسد كه نظريه هاي ريسمان از هر نوع ناسازگاري كه در تمام تلاش هاي قبلي دست يابي به نظريه اي وحدت يافته براي توصيف گرانش و ساير نيرو ها ايجاد مزاحمت كرده است ، مبراست . نظريه ابرريسمان كه در آنها از نوع خاصي تقارن به نام ابرتقارن ، بهره گيري مي شود ، بيشترين اميدواري را براي ارائه ي نتايج واقع بينانه پديد آورده اند.

بوزون هگز

در دهه هاي اخير فيزيكدانان يك مدل تحت عنوان مدل استاندارد را ارائه كردند تا يك چوب بست نظري براي فهم ذرات بنيادي و نيروهاي طبيعت فراهم آورند. مهمترين ذره در اين مدل، يك ذره ي فرضي موجود در همه ي ميدانهاي كوانتومي است كه نشان مي دهد ساير ذرات چگونه جرم به دست مي آورند. در واقع اين ميدان پاسخ مي دهد كه همه ي ذرات در حالت كلي چگونه جرم به دست مي آورند. اين ميدان، ميدان هگز Higgs field خوانده مي شود. نتيجه ي منطقي دوگانگي موجو - ذره اين است كه همه ي ميدانهاي كوانتومي داراي يك ذره ي بنيادي باشند كه با ميدان در آميخته است. اين ذره كه با همه ي ميدانها در آميخته و موجب كسب جرم توسط ساير ذرات مي شود، هگز بوزون Higgs boson ناميده مي شود.

جمع بندي

حال مطلب بالا را جمع بندي مي كنيم:

يك - نسبيت عام بايد مكانيك كوانتوم تركيب شود تا مشكلات موجود در فيزيك نظري بر طرف گردد. طبق نسبيت عام مسير نور در ميدان گرانشي خميده است كه آن را تحت عنوان فضا - زمان مطرح مي كنند. مكانيك كوانتوم به ويژگيها و رفتار ذرات زير اتمي مي پردازد و با كوانتومها يا كميتهاي گسسته سروكار دارد. در حاليكه در نسبيت عام فضا - زمان پيوسته است.

دو - بايد ارتباط بين فرميونها و بوزونها توضيح داده شود. همجنانكه مي دانيم فرميونها شامل ذراتي نظير الكترونها و پروتونها هستند كه داراي اسپين نادرست مي باشند و بوزونها داراي اسپين درست هستند.

سه - هگز بوزونها بايد توضيح داده شوند، يعني اينكه ذرات چگونه جرم به دست مي آورند. با توجه به رابطه جرم - انرژي مي دانيم هرگاه ذره اي در يك ميدان شتاب بگيرد، انرژي و در نتيجه جرم آن افزايش مي يابد. بنابراين مسئله اين است كه اين پديده يعني افزايش جرم را چگونه مي توان توجيه كرد؟

راه حل

براي رسيدن به يك راه حل اساسي كه بتواند مشكلات عمده ي فيزيك معاصر را بر طرف سازد، راه هاي مختلفي وجود كه به نتايج متفاوت و گاهي ناسازگار مي انجامد. نظريه هاي مختلفي كه در اين زمينه مطرح شده اند، بخوبي نشان مي دهند كه نگرش بانيان آنها بر اساس دو گانگي بين بوزونها و فرميونها شكل گرفته است. سئوال اساسي اين است كه آيا حقيقتاً بوزون و فرميون دو موجود كاملاً متفاوت از يكديگرند؟ در نظريه ريسمانها، ريسمان به عنوان يك بسته فوق العاده كوچك انرژي تلقي مي شود و كه با پيوستن آنها به يكديگر و با ارتعاشات مختلف آنها ساير ذرات نمود پيدا مي كنند. در نظريه هگر بوزون به دنبال ذره اي هستند كه موجب ايجاد يا افزايش جرم مي شود. اگر اين مسئله ي هگز بوزون را با دقت بيشتري بررسي كنيم شايد بتوانيم به نتايج جالب توجه تري برسيم.

اجازه بدهيد تصورات خود را از بوزون و فرميون يا به عبارت ديگر از جرم - انرژي و نيرو تغيير دهيم. در فيزيك مدرن جرم و انرژي دو تلقي مختلف از يك كميت واحد هستند. جرم هر ذره را مي توان با محتويات انرژي آن اندازه گرفت و همچنين انرژي يك ذره را مي توان با جرم آن هم ارز دانست. لذا در فيزيك معاصر ما با دو كميت بيشتر سروكار نداريم، انرژي و نيرو.

اگر رابطه ي نيرو و انرژي را با ديد متفاوتي مورد بحث قرار دهيم، مي توانيم به نتايج جالب توجهي برسيم. نيرو به عنوان انرژي در واحد طول مطرح مي شود كه براي آن رابطهي زير داده شده است:

F=-dU/dx => du= - Fdx

حال ذره اي را در نظر بگيريد كه انرژي آن در حال تغيير است. اين تغييرات را از دو جهت مي توان مورد توجه قرار داد. يكي از جهت افزايش و ديگري از جهت كاهش. از نظر افزايش نسبيت براي آن محدوديتي قائل نشده است و طبق رابطه ي جرم نسبيتي، جرم آن بينهايت قابل افزايش است. اما از جهت كاهش طبيعت خود براي آن محدوديت قائل شده و آن اين است كه تمام ذره تمام انرژي خود يا به عبارت ديگر، جرم - انرژي خود را از دست بدهد.

ذره اي را در نظر بگيريد كه در يك ميدان داراي شتاب منفي است. اگر فاصله به اندازه ي كافي بزرگ و ميدان بسيار قوي باشد، آيا انرژي آن به صفر خواهد رسيد؟ چنين آزمايشي براي اجسام مثلاً يك فطعه فلز چندان قابل تصور نيست، اما براي يك كوانتوم انرژي( فوتون) به خوبي قابل درك است. زيرا در نسبيت فوتون نمي تواند از يك سياه چاله بگريزد. اين پديده را چگونه مي توان توجيه كرد؟ يكبار ديگر به رابطه نيرو - انرژي بر گرديم.

F=-dU/dx => du= - Fdx

در رابطه ي بالا انرزِ و فاصله تغيير مي كنند، اما نيرو ثابت است. اگر نيرو يعني F يك كميت ثابت و تغيير ناپذير است، چگونه مي توان هگز بوزون را توجيه كرد؟ يعني واقعاً اين كاهش يا افزايش جرم چگونه امكان پذير است. متاسفانه اين ديدگاه از مكانيك كلاسيك به نسبيت تسري يافت و هيچگونه بخثي در اين زمينه مطرح نشد. اگر بخواهيم با همان نگرش كلاسيكي مشكلات فيزيك و ناسازگاري نسبيت و مكانيك كوانتوم را بر طرف سازيم، راه به جايي نخواهيم برد، همچنانكه تا به حال اين چنين بوده است.

اشكال بعدي كه مانع رسيدن به يك نتيجه ي قابل توجه مي شود اين است فيزيكدانان به مشكلات به گونه اي پراكنده برخورد مي كنند. هگز بوزون مسير خود را مي پيمايد، مكانيك كوانتوم مي خواهد مشكلات فيزيك را در چاچوب قوانين كوانتومي حل كند، و مهمتر از همه اينكه مكانيك كلاسيك تقريباً به فراموشي سپرده شده است. همه اينها هر كدام نگرشي خاص به جهان دارند و عموميت ندارند. در حاليكه طبيعت يگانه است و قانون نيز بايستي از يك وحدت برخوردار باشد كه هست. تركيب مكانيك كوانتوم و نسبيت زماني امكان پذير است كه نگرش هگز بوزون همراه با مكانيك كلاسيك نيز در اين تركيب منظور گردد .

هر كدام از اين تئوري ها قسمتي از قوانين حاكم بر طبيعت را نشان مي دهند. اگر در يك نگرش همه جانبه اين قسمتهاي مختلف را كه با تجربه تاييد شده اند توام در نظر بگيريم مي توانيم به يك فيزيك يا يك نظريه براي همه چيز برسيم .

از كجا شروع كنيم؟

1 - با روند تكامل نظريه ها پيش مي رويم. نخست مكانيك كلاسيك را در نظر مي گيريم و به مورد خاص آن قانون دوم نيوتن توجه مي كنيم، اين قانون را با جرم نسبيتي يعني

m=m0/(1-v2/ c2)1/2 , E=mc2

و نظريه هگز بوزون مي توان تركيب كرد. اگر ذره/جسمي تحت تاثير نيرو جرمش تغيير مي كند، اين تغيير جرم ناشي از اين است كه بوزون (نيرو) تبذيل به انرژي مي شود. البته اين روند جهت معكوس نيز دارد، يعني در روند عكس با كاهش سرعت، انرژي به نيرو يا بوزون تبديل مي شود.

2 - در مورد قضيه كار انرژي

W=DE

برخوردي دوگانه وجود دارد. قسمت كار آن را با مكانيك كوانتوم مد نظر قرار مي دهند و كار را كميتي پيوسته در نظر مي گيرند، در حاليكه با انرژي آن برخوردي كوانتومي دارند. در واقع بايستي هر دو طرف رابطه را با ديد كوانتومي در نظر گرفت. در اين مورد مثالهاي زيادي مي توان ارائه داد كه با اين برخورد دوگانه در تناقض قرار خواهد گرفت. اگر اين مورد را بكار بنديم مشكل ارتباط فرميونها و بوزونها بر طرف خواهد شد. اين مورد مكمل قسمت پيشين است و حرف تازه اي نيست.

3 - اگر بپذيريم كه كار كوانتومي است، الزاماً به اين نتيجه خواهيم رسيد كه نيرو بطور كلي و از جمله گرانش نيز كوانتومي است. مفهوم صريح و در عين حال ساده آن اين است كه فضا - زمان كوانتومي است. با نگرش كوانتومي به گرانش يا به تعبير نسبيت فضا - زمان، مكانيك كوانتوم و نسبيت با يكديگر تركيب خواهند شد. تنها موردي كه در اين جا بايد متذكر شد اين است كه كوانتومي بودن فضا - زمان مي تواند انحناي آن را نيز نتيجه دهد.

چنين نگرشي مي تواند به يك نظريه براي همه چيز منتهي شود. نظريه اي كه تحت عنوان نظريه سي. پي. اچ. مطرح شده است.

اتم

اتم(atom)

همه ي مواد از اتم ها تشكيل شده اند و اتم ها، خود از ذرات زير اتمي مختلفي تشكيل شده اند كه عمده ترين آن ها سه ذره ي پروتون، نوترون و الكترون هستند، البته بايد يادآوري كرد كه هر كدام از اين سه ذره خود از ذرات ديگري نيز تشكيل شده اند.

پروتون(p)

جايگاه پروتون درون هسته ي اتم مي باشد، اين ذره كه داراي جرم نسبي 1+ مي باشد، توسط رادرفورد كشف شد و يك نيروي جاذبه بسيار قوي را با نوترون ها درون هسته ي هر اتم به وجود مي آورند.

پروتون ها و نوترون ها نسبت به الكترون ها بسيار سنگين تر هستند و جرم حدودي آن ها برابر است با 1 a.m.u و براي نشان دادن عدد جرمي هر عنصر، مجموع تعداد نوترون ها و پروتون هاي آن را بررسي مي كنيم، چون الكترون جرم بسيار كم و كوچكي دارد.

نوترون(n)

جايگاه نوترون همانند پروتون درون هسته اتم مي باشد، نوترون ذره اي خنثي مي باشد و جرم زيادي دارد.

تعداد نوترون ها در هسته ي اتم ها يا مساوي با تعداد پروتون هايش است يا اينكه از آن ها بيش تر مي باشد.

نوترون توسط جيمز چادويك، يكي از شاگردان رادرفورد، كشف گرديد 

الكترون(e)

ذره اي است با بار نسبي 1- كه در اطراف هسته ي اتم در فضاهايي به نام اوربيتال و به عبارتيدر مدارهايي مجاز به نام تراز انرژي در حال گردش مي باشد.

در هر اتم خنثي تعداد پروتون ها با تعداد الكترون ها برابر است و بار موثري در هسته نداريم، اگر اتمي يك الكترون از دست بدهد به يون يك بار مثبت و اگر الكترون بگيرد به يون يك بارمنفي تبديل مي گردد.

الكترون داراي دو وضعيت حركتي است:

1-     حركت اسپيني: گردش الكترون به دور خودش را حركت اسپيني يا زاويه اي الكترون مي گويند.

2-     حركت اوربيتالي: حركت الكترون در اطراف هسته ي اتم را حركت اوربيتالي مي نامند.

و طبق مكانيك كوانتومي، مي دانيم كه الكترون ماهيت موجي، ذره اي دارد، يعني هم رفتار موجي دارد و هم به صورت يك ذره است.

اوربيتال(orbital)

فضايي سه بعدي در اطراف هسته اتم است كه احتمال حضور الكترون در آن جا بسيار زياد است.

هر اوربيتال را با سه عدد كوانتومي n و L و  m_l مشخص مي كنند كه n عدد كوانتومي اصلي و مشخص كننده ي شماره لايه ها است و L عدد كوانتومي اوربيتالي كه مشخص كننده ي زيرلايه ها مي باشد و m_l  كه مشص كننده ي جهت گيري الكترون ها در اوربيتال مي باشد.

عدد اتمي(Z)

به تعداد پروتون هاي يك اتم عدد اتمي آن مي گويند.

عدد اتمي عناصر در سمت چپ و پايين نماد شيميايي عناصر قرار مي گيرد و مشخص كننده ي اتم و نوع عنصر و ويژگي هاي آن مي باشد.  

عدد جرمي(A)

به مجموع تعداد پروتون ها و نوترون هاي يك اتم عدد جرمي مي گويند.

عدد جرمي در سمت چپ و بالاي نماد شيميايي عناصر قرار مي گيرد.

ايزوتوپ

به اتم هايي از يك عنصر كه عدد اتمي يكسان اما عدد جرمي متفاوتي دارند ايزوتوپ مي گويند يا به عبارت ديگر ايزوتوپ هاي يك عنصر عدد اتمي، تعداد پروتون و الكترون برابر دارند اما تعداد نوترون هاي آن ها متفاوت است.

ايزوتون

به اتم هايي از يك عنصر كه تعداد نوترون هاي برابري داشته باشند ايزوتون مي گويند.

در ايزوتون ها، نوترون ها برابر، پروتون ها و الكترون ها متفاوت هستند.  

ايزوبار

به اتم هايي از يك عنصر كه عدد جرمي برابري داشته باشند، ايزوبار مي گويند.

در ايزوبارها، مجموع پروتونها و نوترون ها برابر و تعداد پروتون ها نابرابر هستند.

تابش هاي هسته اي، قسمت آخر

مواد پرتوزا و تابش هاي هسته اي

نويسنده: محمدرضا فولادي

Writed by: muhammad reza fouladi

مقدمه

اين مقاله شامل سه بخش كلي مي باشد كه به ترتيب خاصي و به صورت تدريجي كنار يكديگر قرارگرفته اند، قسمت اول تاريخچه كوتاهي را از كشف راديواكتيويته بيان مي كند كه با معرفي چهاردانشمند با نام هاي هانري بكرل، ماري كوري، ارنست رادرفورد و پل اوريچ ويلارد همراه است، در قسمت اول تحقيق(تاريخچه) ارنست رادرفورد بيش تر مورد توجه و بوده و قسمتي از زندگي وي و تحقيقات او بيان شده است.

قسمت دوم اين تحقيق به معرفي مواد پرتوزا، اصطلاحات راجع به اين موضوع، ماهيت پرتوهاي آلفا، بتا و گاما، واپاشي و قانون سدي مي پردازد كه سعي شده است درمورد همه مفاهيم و مباحث جزيي بحث و نتيجه گيري شود و بلاخره در قسمت سوم گفتار حاضر از تريتيم به عنوان يك عنصر راديواكتيو نام برده شده، آن را معرفي كرده ايم، ميزان خطرات آن و روش اندازه گيري خطرات را نيز بيان نموده ايم تا به عنوان يك مثال همه مفاهيم روي آن كار شود.

اميدوارم از خواندن اين مقاله شيرين، لذت ببريد...

 

تاريخچه كشف مواد پرتوزا

هانري بكرل، دانشمند فرانسوي، زماني كه مشغول تحقيق بر روي مواد داراي خاصيت فسفرسانس بود متوجه شد كه تاثير نور مرئي و سنگ معدن اورانيوم(سولفات پتاسيم اورانيوم) بر روي يك فيلم عكاسي بسته بندي شده همانند است   ( بعدها مشخص شد كه سنگ معدن اورانيوم از خود پرتوهاي آلفا و گاما گسيل كرده و چون پرتوهاي گاما همان پرتوهاي X پرانرژي هستند و از جنس نور يا امواج الكترومغناطيسي اند، بنابر اين اورانيوم، چنين تاثيري بر روي فيلم عكاسي بسته بندي شده وي گذاشته)، در همين حين ماري كوري خاصيت پرتوزايي را كشف كرد و با تعداد محدودي ماده پرتوزا مانند پولونيم(فلز ضعيف) و راديم(فلز قليايي خاكي) آشنا گرديد و نام هاي كنوني چون راديواكتيو(پرتوزا) يا راديواكتيويته(پرتوزايي) را وي برگزيد ومنتشر ساخت، در آن زمان، اطلاعات بشر در مورد اين مواد بسيار كم بود و رادرفورد در پي اكتشافات تازه اي درمورد اين مبحث نوين بود.

ارنست رادرفورد در سال 1895 به “آزمایشگاه کاونديش” دانشگاه کمبريج آمد تا در آنجا تحت مديريت “جی.جی امسون” مشغول به کار شود، تامسون که استاد فيزيک تجربی بود، رادرفورد را فعالانه در آزمايشگاه به کار گرفت، رادرفورد در اوايل کار تحقيقاتی خود با انجام آزمايشي که فکر آن از خود وی بود دو تابش راديواكتيو ناهمانند شناسايي کرد، او پی برد که بخشی از تابش با برگه ای به ضخامت يك پانصدم سانتی متر قابل ايستادن بود اما برای متوقف کردن بخش ديگر برگه های بس ضخيم تری لازم بود. او اولين اشعه ای را که تابشی با بار الکتريکی مثبت و يونيزه کننده ای قوی بود و به سهولت در مواد جذب می شد اشعه آلفا نام داد. اشعه دوم را که تابشی با بار الکتريکی منفی بود و تشعشع کمتری ايجاد می کرد اما قابليت نفوذ آن در مواد زياد بود را اشعه بتا ناميد. تابش نوع سومی که شبيه پرتوهای ايکس بود، در سال 1900 بوسيله پل اوريچ ويلارد (فيزیکدان فرانسوی) کشف شد، اين پرتو نافذترين تابش را داشت. طول موج آن بسيار کوتاه و فرکانس آن فوق العاده زياد بود تابش جديد، پرتو گاما نام گرفت. رادرفورد و همکارانش کشف کردند که فعاليت تشعشعی طبيعی مشهود در اورانيوم: فرآيند خروج ذره آلفا از هسته اتم اورانيوم بصورت يک هسته اتم هليم و بر جای ماندن اتمی سبکتر از اتم اورانيوم در اورانيوم به ازاء هر خروج ذره آلفا از آن است از کشف آنها نتيجه گيری شد که راديوم تنها عنصر از شرته عناصر حاصل از فعاليت تشعشعی اورانيوم است.
رادرفورد در سال 1904 نخستين کتاب خود به نام فعاليت تشعشعی را که امروزه از کتب کلاسيک نوشته شده در آن زمينه شناخته می شود را منتشر کرد  و به سرعت دست به کار تدوين نظريه های تازه در باره ساختار اتم شد. آن دوره پر ثمرترين دوره زندگی دانشگاهی او بود رادرفورد به پاس کوشش های علمی خود در دانشگاه منچستر نشان ها و جوايز زيادی دريافت کرد که دريافت جايزه نوبل سال 1907 در شيمی نقطه اوج آن بود. اين نشان افتخار را البته برای کارهايی که در کانادا در زمينه فعاليت تشعشعی عناصر کرده بود به او دادند، بزرگترين دستاورد رادرفورد در دانشگاه منچستر کشف ساختار هسته اتم بود پيش از رادرفورد اتم به گفته خود او يک موجود نازنين سخت و قرمز و يا به حسب سليقه خاکستری بود اما اينک يک منظومه شمسی بسيار ريز متشکل از ذرات بی شمار بود که مظنون به نهفته داشتن اسرار ناگشوده متعدد ديگر در سينه هم بود.
رادرفورد در سال 1937 در اثر يک فتق محتقن(گونه ای تورم ناشی از انسداد اعضای درونی) در گذشت او در آن هنگام 66 ساله و هنوز سرزنده و قوی بود سهم رادرفورد در شکل گيری درک کنونی ما از ماهيت ماده از هر کس ديگری بيشتر است و به همين علت، او را پدر انرژی هسته ای ناميده اند.

 

ماده پرتوزا چيست؟

ماده پرتوزا ماده اي است كه طي يكسري فعل و انفعالات خاص در هسته ي اتم هاي خود، پرتوها يا تابش هاي خاصي را گسيل مي كند، همه مواد طبيعي يا مصنوعي قابليت پرتوزايي ندارند و اين قابليت فقط در موادي مشاهده مي شود كه هسته اي ناپايدار دارند و براي تبديل شدن به يك تركيب پايدار از خود پرتوهايي را گسيل مي كنند.

تابش هاي هسته اي به طور كلي به سه دسته ي پرتوهاي آلفا، بتا و گاما تقسيم مي گردند. هر ماده ي راديواكتيو پرتوهاي مشخصي را گسيل مي كند، به طور مثال: هسته اتم هاي راديوكربن و راديو استرانسيوم پرتو بتا گسيل مي كنند، هسته هاي راديوكبالت پرتوي بتا و پرتوي گاما تشعشع مي كنند و هسته هاي راديوم و اورانيوم پرتو آلفا و پرتوي گاما گسيل مي كنند، بنابر اين مي توان نتيجه گرفت كه هر ماده اي قابليت پرتوزايي ندارد و موادي كه قابليت پرتوزايي دارند، از بين پرتوهاي آلفا، بتا و گاما فقط تعداد خاص و مشخصي را گسيل مي كنند و همانطور كه در مثال هاي گذشته اشاره شد،  به طور مثال، هسته هاي راديوكبالت پرتوهاي بتا ساطع مي كنند و اين هسته ها قابليت صادركردن پرتوهاي آلفا و گاما را ندارند و در گسيل تابش هاي هسته اي محدود مي باشند.

مواد راديو اكتيو شامل دو دسته هستند، ا- ماده پرتوزاي طبيعي و 2- ماده پرتوزاي مصنوعي

ماده پرتوزاي طبيعي آن دسته از مواد پرتوزا است كه در طبيعت به صورت ذاتي وجود دارند و انسان در به وجود آمدن آن ها هيچ نقشي ندارد.

و ماده پرتوزاي مصنوعي آن دسته از مواد پرتوزا را شامل مي شود كه ساخته دست انسان هستند و براي توليد آن ها، انساني تلاش كرده است.

اين نوع دسته بندي در برخي كتب جزو قوانين سدي بيان شده است(مانند كتاب شيمي عمومي تاليف غلامرضا قاضي مقدم، توضيحات بيش تر در فسمت منابع) اما در برخي ديگر به صورت مجزا آمده است.

پرتوهاي آلفا، بتا و گاما داراي جنس، بارالكتريكي، قدرت نفوذ و انرژي متفاوتي هستند و منشا و مبدا هركدام نيز ممكن است متفاوت باشد.

در واكنش هاي هسته اي ماده اي كه پرتو گسيل مي كند را ماده مادر يا ماده اوليه مي نامند و فرآورده يا آن ماده اي كه پس از واپاشي بر جاي مي ماند را ماده دختر مي نامند.

نيمه عمر مواد راديواكتيو، يك عنصر، مدت زماني است كه طول مي كشد تا يك ماده پرتوزا نيمي از قدرت خود را از دست بدهد، به طور مثال نيمه عمر كربن-14 حدود 5600 سال مي باشد يا اورانيم 238 داراي نيمه عمر 5 ميليارد سال است، يعني 5 ميليارد سال طول مي كشد تا اورانيوم 238 نيمي از خاصيت راديواكتيويته خود را از دست دهد، پس بنابراين يك عنصر اورانيوم 238 حدود 10 ميليار سال طول مي كشد تا به طور كلي خاصيت راديواكتيويته خود را از دست دهد.

از آنجايي كه مواد پرتوزا قابليت نفوذ در بافت هاي زنده را نيز دارند، بنابر اين ميزان تابش هاي هسته اي اطراف ما همواره مي بايست آزمايش و بررسي شوند كه اين كار(اندازه گيري ميزان پرتوهاي الفا، بتا و گاما در اطراف زندگي) توسط دستگاهي به نام گايگر-مولر اندازه گيري مي شود كه اين نام از نام سازندگانش اقتباس شده است.

 

ماهيت پرتوهاي آلفا، بتا و گاما

هر سه نوع تابش هسته اي داراي خصوصيات متفاوتي نسبت به يكديگر هستند و مشخصه اي ويژه خود دارند كه برخي مشخصات بارز آنها را پي ميگيريم:

در مقايسه ي قدرت نفوذ پرتوهاي آلفا و بتا و گاما رادرفورد مشاهده نمود كه:پرتوهاي آلفا توسط ورقه اي از كاغذ متوقف مي شوند و قابليت نفوذ درون ورقه كاغذ را ندارند يا به عبارت ديگر نمي توانند از كاغذ عبوركنند. پرتوهاي بتا از ورقه ي كاغذي عبور كرده اما در برخورد با ورقه ي آلومينيومي با ضخامت 1.16 اينچ متوقف مي شوند و بلاخره پرتوهاي گاما كه قابليت نفوذ در يك ديوار بتوني ضخيم را دارا مي باشد اما نمي توانند از ورقه اي سربي با ضخامت بسيار زياد عبوركنند، بنابراين از اين مشاهدات مي توان نتيجه گرفت كه پرتوهاي آلفا قدرت نفوذي كم تر از پرتوهاي بتا و پرتوهاي بتا قدرت نفوذي كم تر از پرتوهاي گاما دارند. در بين تابش هاي هسته اي پرتوهاي گاما داراي قدرت نفوذ بيش تري هستند اما ذكر اين نكته لازم است كه نافذترين پرتوهاي جهان، پرتوهاي كيهاني هستند كه قابليت نفوذ در يك كوه را نيز دارند و به طور نامحسوسي همواره از اعماق ميان ستاره اي يا شراره هاي خورشيد  زمين را بمباران مي كنند و در اعماق زمين نفوذ مي كنند.

تابش هاي هسته اي از نظر جنس و بارالكتريكي تفاوت هاي محسوسي دارند، پرتوهاي الفا داراي بار مثبت هستند و از جنس هسته مثبت اتم هليم مي باشند و جرمي 4 برابر جرم هيدروژن يعني در حدود 4 a.m.u جرم دارند اين پرتوها به سهولت در مواد جذب مي شوند و يونيزه كننده اي قوي محسوب مي گردند، پرتوهاي بتا به طور كلي از جنس ذرات مي باشند، ذرات با بار الكتريكي منفي و همچنين ذرات با بار الكتريكي مثبت(ضدالكترونها يا همان پوزيترون ها)، بتاي منفي از جنس الكترون ها بوده و بار منفي دارد، بتاي مثبت در مقايسه با بتاي منفي فقط و فقط در نوع بارالكتريكي تفاوت دارد و  درواقع ، پوزيترون ها يا همان ذرات بتاي مثبت همان الكترون ها هستند با اين تفاوت كه با آن ها مثبت شده است.

هنگامي كه پوزيترون ها با يك ماده(هدف) برخورد مي كنند، با الكترون هاي درون ماده واكنش داده و هر دو از بين رفته و جرقه اي از گاما زده مي شود.

پرتوهاي گاما از نظر بارالكتريكي، خنثي هستند و هيچ گونه باري ندارند اين ذرات از جنس امواج الكترو مغناطيس يا هان نور هستند و در واقع همان پرتوهاي X پرانرژي مي باشند. پرتوهاي گاما داراي طول موج بسيار كوتاه و فركانس فوق العاده زيادي مي باشند و به دليل اينكه طول موج كمي دارند مي توان نتيجه گرفت كه انرژي فوق العاده زيادي را شامل مي شوند.

 

واپاشي پرتوهاي آلفا، بتا و گاما

واپاشي يكي از خواص مواد راديواكتيو يا پرتوزا ميباشد كه در طي يك واپاشي از يك ماده راديواكتيو پرتوهاي مشخصي واپاشيده مي شوند.

معمولا هسته ها ي اتم هايي از خود پرتوي آلفا گسيل مي كنند كه عدد جرمي آن ها بيش از 15 و عدد اتمي آن ها بيش از 82 باشد. در اتم هايي كه هسته هاي سبك تري دارند احتمال واپاشي آلفا بسيار كم است.

واپاشي بتايي متداول ترين نوع واپاشي مي باشد كه تقريبا تمام اتم هايي كه ناپايداري دارند، قابليت گسيل پرتوهاي بتا را دارند و مي توانند پرتوهاي بتا از خود ساطع كنند. واپاشي بتا مشتمل بر گسيل مستقيم يك الكترون از هسته است و در هنگام گسيل پرتوي بتا، به عدد اتمي ماده پرتوزا يك واحد افزوده مي شود، به طور مثال در گسيل بتا از هسته يك اتم هليوم (هليون)، علاوه بر اينكه هليم به پرتوي بتا و ليتيوم-6 تبديل مي شود، عدد اتمي آن نيز از 2 به 3 مي رسد(تغييرات مواد پرتوزا پس از واپاشي در قوانين سدي مورد بررسي قرار مي گيرد كه در ادامه به آن نيز اشاره خواهد شد).

هسته ي يك اتم مي تواند به طرق و روش هاي مختلف، برانگيخته شود و پس از برانگيختگي امواج الكترومغناطيس ازجنس نور گسيل كند كه بسته به سطح برانگيختگي مي تواند از امواج الكترومغناطيس با انرژي كم تا پرتوهاي گاما گسيل شود.

 

قانون سدي

قانون سدي به بررسي تغييرات يك ماده پرتوزا پس از گسيل تابش هاي هسته اي مي پردازد و بيان مي كند كه :

 

1-     هر ماده اي كه از خود پرتوي آلفا گسيل كند، 2 واحد از عدد اتمي آن و 4 واحد از عدد جرمي آن كم مي شود، در واقع دو پروتون و دو نوترون از بين مي روند.

2-     هر ماده اي كه از خود پرتوي بتا صادر كند، يك واحد به عدد اتمي آن افزوده مي شود يعني يك نوترون جاي خود را به يك پروتون مي دهد و عدد جرمي يكسان اما عدد اتمي يك واحد افزايش مي يابد.

 

بررسي يك عنصر راديواكتيو، خواص، و اندازه گيري ميزان خطرات آن

 

تريتيم

معرفي:

يكي از موادراديواكتيو موجود در طبيعت گاز تريتيم است كه يك ماده پرتوزاي گسيلنده بتا مي باشد. تريتيم به عنوان يك گاز راديو اكتيو در تهران همواره پرتوهاي بتايي را از خود گسيل مي نمايد.

اولين عنصر شيميايي جدول تناوبي هيدروژن است كه گازي بي رنگ و بي مزه بوده و با نماد H نشان داده مي شود. هيدروژن داراي 3 ايزوتوپ مي باشد: (ايزوتوپ به ويژه هسته هايي گفته مي شود كه داراي عدد اتمي يكسان بوده ولي در تعداد نوترونها با هم فرق دارند)

1.       هيدروژن با نماد H و جرم اتمي يك كه %98/99 اين عنصر را تشكيل مي دهد.

2.       دوتريم با نماد D و جرم اتمي دو، دومين ايزوتوپ عنصر هيدروژن مي باشد كه 02/0% فراواني دارد.

3.    تريتيم با نماد T و جرم اتمي سه، تنها ايزوتوپ راديو اكتيو هيدروژن است كه در حالت طبيعي بسيار كم بوده، اما بطور مصنوعي از طريق واكنشهاي مختلف هسته اي  در شتابدهنده ها و راكتورها توليد مي شود كه علت تهيه آن كاربردهاي وسيع آن مي باشد. تريتيم مانند هيدروژن بصورت دو مولكولي يعني T2 مي باشد و در شرايط عادي گازي شكل است. تفاوتهاي T2 و H2 در جدول زير نمايش داده شده است:
      

T2	H2	خواص
54/252 -	20/259 -	نقطه ذوب (°C)
12/248 -	77/252 -	نقطه جوش در فشار يك اتمسفر(°C)
333	216	گرماي بخار (cal/mol)
393	247	گرماي تصعيد (cal/mol)

 

از نظر شيميايي، تريتيم مشابه هيدروژن عمل مي كند، اما از آنجاييكه تريتيم جرم بزرگتري دارد، در بسياري از واكنشها، خيلي كندتر از هيدروژن جايگزين مي شود. با توجه به اينكه تريتيم يك راديوايزوتوپ است (راديوايزوتوپ به ايزوتوپهايي از عناصر گفته مي شود كه به علت ناپايدار بودن ساختار هسته اي از خود فوتون و ذرات مختلف گسيل مي كنند) لذا با ساطع نمودن پرتوهاي بتاي منفي (تبديل يك نوترون به پروتون) به   هليم با عدد جرمي 3 تبديل مي شود و در اين فرآيند به هيچ وجه نشر اشعه گاما رخ نمي دهد. تريتيم ساطع كننده پرتو b با ماكزيمم انرژي

 kev 18 (كيلو الكترون ولت = kev) است كه اين ذرات b توسط لايه اي از هوا با ضخامت mm7 يا كاغذي با ضخامت mm 0.01 كاملاً متوقف مي شوند. نيمه عمر فيزيكي تريتيم 12/3سال مي باشد.

گاز تريتيم بطور طبيعي در هوا وجود دارد درحالت طبيعي بصورت گاز(بخار) بوده وقابليت حل در آب را نيز دارد و به ازاي هر 10¹⁸ اتم هيدروژن يك اتم تريتيم در اتمسفر وجود دارد كه منشاء  تهيه طبيعي آن بطور عمده از بمباران نيتروژن در قسمتهاي فوقاني اتمسفر توسط نوترون و پروتون حاصل از اشعه هاي كيهاني مانند واكنش ذيل منشاء مي گيرد

البته تريتيم عمدتا  به شكل بخار تركيباتي از اكسيژن (DTO,HTO,….) در هوا وجود دارد.بعد از شروع ازمايشات سلاح هاي هسته اي در سال 1954 غلظت اين گاز راديواكتيو در اتمسفر افزايش يافت بطوري كه قبل از شورع اين آزمايشات آب باران تقريباً شامل 1-10 اتم تريتيم در 10¹⁸  اتم هيدرژن بود كه اين مقدار اكنون به حدود 500 اتم تريتيم به ازاي 10¹⁸  اتم هيدروژن افزايش يافته است. به علت كاربردهاي وسيع اين ماده راديواكتيو براي تهيه آن از شتابدهنده ها و راكتورها از طريق واكنشهاي مختلف استفاده مي كنند.

 

اهميت اندازه گيري ميزان تريتيم:

اندازه گيري تريتيم موجود در هوا وتريتيم موجود درآب از لحاظ مسائل پرتوگيري ومحاسبه ميزان آلودگيهاي راديواكتيو كه از مهمترين عوامل مضراين مواد هستند بسيار حائز اهميت مي باشد و بسياري از سازمانهاي بين المللي كه مرتبط با سلامتي افراد ومحيط زيست و مواد راديواكتيو هستند براي اندازه گيري آن اقدام مي كنندوقوانين بسيار زيادي را براي تمام مواد راديواكتيو از لحاظ حد مجاز آنها در محيط (هواو آب و خاك و غيره)وضع كرده اند.بررسي، تهيه و كاربردهاي تريتيم،خواص تريتيم ،سميت تريتيم و اثرات آن (شامل اثرات بيولوژيكي و ژنتيكي) و ....بسيار گسترده و وسيع و خارج از موضوع اين بحث است.البته بر روي اين موارد تحقيقات بسيار وسيع در سطح بين المللي صورت گرفته كه نتايج آنها موجود است.روشهاي مختلف اندازه گيري تريتيم موجود در هوا و آب و اثار مختلف تريتيم نيز بصورت تئوري و كاربردي در سطح دنيا موجود است كه از آنها استفاده مي شود. امروزه براي اندازه گيري گازتريتيم درمحيط وبخصوص دراطرا ف نيروگاهها كه غلظت اين گازنسبتا زياداست وممكن است براي پرسنل نيروگاهها خطرناك باشد دستگاههاي پيشرفته اي وجود دارد كه بااستفاده ازآنها درظرف چند دقيقه مقدارغلظت اين گازدرمحيط مشخص مي شود.اما اساس كارتمام اين دستگاه بصورت مراحل مذكوراست.

 

روش اندازه گيري :

 با توجه به مقدمه فوق و اهميت اندازه گيري مواد راديو اكتيو موجود در تمام محيط ها شامل هوا و آب و خاك و ... يك سري آزمايشات براي اندازه گيري مقدارگاز تريتيم موجود در هوا صورت گرفت كه البته با توجه به خطاي نسبتا زياد اين روش ولي در عين حال نتيجه قابل قبول آن، به شرح آن مي پردازيم:

اساس اين اندازه گيري برمبناي مكش وسپس حل گاز تريتيم موجود در هوا( كه اغلب به صورت (DTO,HTO,…. درداخل آب و استفاده از روشهاي متداول براي تعيين غلظت تريتيم موجود در آب است.

همانگونه كه قبلا نيز اشاره شد چون اغلب تريتيم موجود در هوا به صورت تركيباتي مشابه بخار آب در هوا مي باشند لذا اين تركيبات كه اساسا هم خانواده با آب   H₂O  مي باشند در اثرعبور از آب در داخل آن حل مي شوند.در واقع اگر به هر طريق ديگري هم بتوانيم بخار موجود در هوا را بصورت مايع در آوريم بايد انتظار داشته باشيم كه مقدار تريتيم موجود در هوا را از اين طريق هم بتوانيم اندازه بگيريم.

شيوه انجام اندازه گيري بدين صورت است كه در ابتدا با برقرار نمودن يك سيستم آزمايشگاهي شامل دو بابلرbubler)) و يك پمپ،شرايط  مكش هوا به داخل آب فراهم شد.بابلر اول كه Degassing Vessel (ظرف حباب ساز) نام دارديك ظرف شيشه اي استوانه اي شكل كاملآ بسته با حجم cc 200  و شامل يك مسير ورودي در بالا كه هواي ورودي را مستقيمآ به انتهاي ظرف هدايت و مسير خروجي در كناره بالائي آن كه هواي

خارج شده از آب را به طرف پمپ هدايت مي كند .در انتهاي لوله ورودي ظرف اول يك فيلتر شيشه اي(glass filter)قرار دارد كه جهت ايجاد حباب بكارمي رود.هرچقدر كه مش فيلتر (تعدادروزنه ها درواحد سطح)بيشتر باشد حبابهاي ريزتري ايجادمي شود كه در نتيجه گازهاي(و بخارهاي)موجوددر هوا در هنگام عبور از داخل آب بهتر حل مي شوند به عبارتي احتمال حل شدن آنها افزايش مي يابد.بابلر دوم كه Security  vessel  (ظرف ايمني) نام دارد نيز يك ظرف شيشه اي مشابه ظرف اول اما با طول لوله ورودي كوتاهتر و بدون فيلتر شيشه اي است كه به منظور ايمن سازي سيستم به كار مي رود.چنانچه در اثر مكش پمپ رطوبت يا آبي از ظرف اول خارج شود در داخل آن به دام مي افتد و مانع آسيب رسيدن به پمپ مي شود.مسير ورود هوا با روشن شدن پمپ در شكل فوق نمايش داده شده است.پمپ مورد استفاده در اين آزمايش يك پمپ كوچك مكش با فلوي (مقدار مكش هوا در واحد زمان) حداكثر   lit/min   1 است.

پس از برقراري سيستم فوق ابتدا در داخل ظرف اول مقدار cc 100آب مقطر مي ريزيم. سپس پمپ را در فلوي  lit/min 0.5 تنظيم نموده  آن را روشن مي كنيم و همزمان با روشن كردن زمان را نيز يادداشت مي كنيم. هر چه مدت زمان مكش بيشتر شود حجم بيشتري از هوا از داخل آب عبور مي كند كه در نتيجه دقت آزمايش بيشتر مي شود. البته رنج اين مدت زمان بايد در حدود چند روز به طور پيوسته باشد كه از جمله عوامل خطا در اين آزمايش گسسته و كم بودن زمان به علت محدوديت زمان كاري بوده است.پس از خاموش كردن پمپ مي توان اظهار داشت كه در حال حاضر آب مقطر داخل ظرف Degassing Vessel  ممكن است حاوي گازها و ذرات معلق مختلف موجود در هوا با ضرايب حلاليت مختلف در آب، باشند .

اما با توجه به اينكه تنها گاز راديو اكتيو بتا زا موجود در هوا تريتيم است لذا اندازه گيري آن مسير مشخص خود را دارد و وجود احتمالي ساير موارد تاثيري بر اندازه گيري تريتيم ندارد.

در مرحله بعد از نمونه فوق به مقدار 2CC  به عنوان نمونه (ويال شماره 1 ) برداشته شده و در داخل يك ويال(ظرفهاي استوانه اي شكل پلي اتيلني با در پوش كه جهت قرار دادن نمونه هاي مايع مواد شيميايي به كار مي رود) با حجم CC 20 ريخته مي شود.چون قرار است نمونه فوق با يك آشكارساز مخصوص شمارش بتا  شمارش شود لذا CC 18 از مايع سنتيلاسيون (Liquid Scintillationn) به آن اضافه مي كنيم. مايع سنتيلاسيون مايعي است كه از مولكولهاي بزرگ آلي شامل حلقه هاي فنيل و نفتالين و ...تشكيل شده است. اين مايع غير اكتيو است و كار آن به علت ساختا رشيميايي جذب ذرات بتاي گسيل شده از نمونه محلول در آن و در مقابل ساطع كردن فوتونهايي در ناحيه مرئي مي باشد.علت انتخاب CC 18 مايع سنتيلاسيون و CC 2 نمونه استفاده از نتايج تحقيقات در اين زمينه بوده است كه با چنين نسبتي بهترين نتايج بدست آمده است.

پس از مخلوط كردن و بهم زدن كامل نمونه و مايع سنتيلاسيون ويال به مدت سه ساعت در تاريكي قرار داده شده و سپس توسط شمارنده فوق شمارش مي شود.به جهت محاسبه مقدار خطاي مراحل شمارش در يك ويال ديگر(ويال شماره2) و CC 2 از نمونه فوق به همراه CC 18  مايع سنتيلاسيون و 0.1 CC از نمونه استاندارد مايع راديواكتيو تريتيم (tracer)را كه اكتيويته آن مشخص است اضافه مي كنيم وپس از بهم زدن كامل وقرار دادن به مدت سه ساعت در تاريكي ان راشمارش مي كنيم كه با اين كار مي توان مقدار خطاي دستگاه شمارنده را با يك تناسب ساده از اختلاف نتايج نمونه هاي شماره1و2بدست آورد.

 

همچنين به منظور لحاظ كردن شمارش زمينه در ويال شماره(3) و CC 2  آب مقطر را به همراه و CC 18 مايع سنتيلاسيون قرار مي دهيم و شمارش حاصل از اين نمونه را به عنوان شمارش زمينه از مقدارشمارش نمونه شماره(1) كم مي كنيم  .پس از تهيه نمونه هاي فوق آنها را در داخل آشكارساز شمارنده بتا قرار داده و هر نمونه 3بار وهر بار به مدت 60ثانيه شمارش مي شود تا باميانگين گيري براي هر نمونهتعداد شمارش در ثانيه محاسبه شود.با بدست آمدن نتايج ميتوان غلظت تريتيم موجود در هوا را از رابطه زير محاسبه كرد:

C_tr = (A-B)×V/uDtε  ± E

 

كه در آن:

Ctr = غلظت تريتيم موجود در هوا بر حسب Bq/Lit
A = اكتيويته نمونه بر حسب Bq (تعداد شمارش هاي انجام شده در يك ثانيه)
B = شمارش زمينه در يك ثانيه
V = حجم كل نمونه آب مقطر برحسب CC
u = حجم نمونه برداشته شده جهت اندازه گيري (CC)
t = مدت زمان مكش پمپ بر حسب دقيقه
D = فلوي پمپ (مكش پمپ) بر حسب lit/min
ε=راندمان دستگاه شمارنده بتا(β)
E=مقدار خطا در اندازه گيري

در موارد فوق همانگونه كه در تشريح عملكرد آمد مقدار V را CC 100 ،مقدارu را  و CC 2  و مدت زمان را 24ساعت قرار داده ايم كه همانگونه كه بيان شد اين مدت زمان گسسته وكوتاه بود .مقدار(D)فلوي پمپ يعني مقدار هوايي كه در واحد زمان مكش مي كند را نيز lit/min 5/0 تنظيم كرديم .مقدارeراندمان دستگاه از مشخصات دستگاه شمارنده است كه از قبل تعيين شده است وبراي دستگاه مورد استفاده در اين آزمايش %58/39 مي باشد و E نيز بايد مجموع تمام خطاههاي موجود در آزمايش باشد كه خطاي گفته شده در مقدار شمارش يكي از موارد آنست وازساير موارد چشمپوشي شده است كه در محاسبات دقيقتر بايد همه موارد لحاظ شوندهمچنين با توجه به اينكه بيشتر تريتيم موجود در هوا بصورت بخار DTO,HTO,…است لذا با عبور اين تركيبات ازداخل آب فرض شده است كه تمام اين مولكولها درآب حل مي شوند كه در واقع نيز به همين گونه است  البته ممكن است تمام تريتيم موجود در هواي عبوري از آب (بويژه T2) در داخل آن حل نشود وقسمتي از آن از آب خارج مي شود.

رابطه فوق در واقع بر اساس پارمترهاي موجود در اين آزمايش نوشته شده است وممكن است رابطه كا ملي نباشد اما سعي براين است كه تمام پارامترهاي درگيردرآزمايش واردشوند.همانگونه كه گفته شدچون اين روش ا ندازه گيري به نوعي  ابتكاري بوده است لذا انتظارمي رود مقدارخطاي حاصل نيز زياد باشد.

نمونه آزمايش بر روي هواي درون يك آزمايشگاه:
نتايج اندازه گيريهاي پياپي وميانگين گيري ازآ نها مقدارغلظت تريتيم موجود درهواي اين آزمايشگاه را كه به نوعي قسمتي از هواي محيط (شهر تهران) است در حدود 8/2 × 10^-5 Bq/mLit نشا ن داده است .كه تقريبا داراي خطاي نسبتا زيادي مي باشد. براساس استا نداردهاي جهاني  ( EPA, DOE(U.S.A), ICRP ) ماكزيمم حد مجاز گازتريتيم درهوا مي تواند مقدار 3/7 × 10^-3(Bq/mLit) باشد كه مقدارفوق كمتر از اين است بنابراين مي توان گفت هواي اين محيط از لحاظ آلودگي به گاز تريتيم يك هواي تميز است . نتايج بررسي مقدارگاز تريتيم درنقاط مختلف كشورهاي جهان موجوداست كه اكثرآنها درهواي عادي شهرهايشان كه به دورازنقاط مختلف            آلودگيهاي هسته اي باشد بطور ميانگين اعدادي در رنج 1/6 ± 0.05 × 10^-7 (Bq/mLit) را بدست آورده اند كه اين عدد با نتيجه بدست آمده ازاين اندازه گيري قابل مقايسه است.همچنين بر اساس استاندارد DOE (Department Of Energy) كه مربوط به قوانين حفاظت هسته اي آمريكا مي باشد مقدارغلظت توصيه شده

Derived Concentration Guides = DCG

اين گازدرهوا مي بايست در حدود ( 1 x 10^-4 mCi/L) 3/7 × 10^-3 (Bq/mL) باشد.نتايج اندازه گيريها در ايالات متحده نشان مي دهد كه حداكثر غلظت اين گاز در نواحي مختلف اين ايالت درحدود 6 x 10^-12 Ci/mL (2.6 x 10^-7 Bq/mL of air) مي باشد.

 

 

منابع:

 

كتب:

1-     شيمي عمومي/ دكتر غلامرضا قاضي مقدم/ انتشارات دانشگاه تهران/ سال1375/ چاپ سوم/ تهران

2-     درآمدي بر فيزيك امروز/ هانس اهانيان/ ترجمه مهدي گلشني، ناصر مقبلي/ انتشارات خوارزمي/ سال 1378/ چاپ اول/ تهران

3-     مباني فيزيك نوين/ ريچارد وايدنر، رابرت سلز/ ترجمه علي اكبر بابايي، مهدي صفا/ مركز نشردانشگاهي/ سال 1382/ چاپ هفتم/ تهران

سايت هاي اينترنتي:

1-     سايت اينترنتي: www.ngdir.ir / مقاله اي راجع به واپاشي

2-     سايت اينترنتي: www.hupaa.com / مقاله اي راجع به تريتيم

3-     سايت اينترنتي: www.irgenetics.com / مقاله اي راجع به رادرفورد