کلیات

واپاشی هسته‌ای (فروپاشی هسته‌ای) به مجموعه فرایندهای مختلفی گفته می‌شود که در هستهٔ اتم‌های ناپایدار پرتوزا رخ می‌دهد و پرتوهایی تولید می‌کنند که به آن‌ها پرتوهای رادیواکتیو می‌گویند. در اثر واپاشی هسته‌ای پس از یک زمان تصادفی، هسته‌های بزرگ به هسته‌های کوچکتر و معمولاً پایدارتر تجزیه می‌شوند و ماده اولیه به تدریج از بین می‌رود. البته جرم مواد جدید تنها به میزان اندکی کمتر از ماده اولیه خواهد بود و انرژی آزاد می‌شود. گاهی این انرژی را می‌توان به صورت نیروی هسته‌ای مهار کرد یا می‌تواند به‌وسیله آلودگی پرتوزایی در زیست بوم رها شود که بسیار مخاطره آمیز خواهد بود. این فرایند یک پیشامد است، یعنی نمی‌توان زمان دقیق واپاشی یک اتم مشخص را پیش‌بینی کرد، البته نیمه‌عمر آن قابل تعیین است.

در الکترودینامیک کلاسیک انتظار داریم که باید فقط ذرات باردار تشعشع کنند. در واقع گذارهای نوترونی نیز می‌توانند تولید تشعشع کنند، زیرا اولاً پروتون‌ها در هسته مجبور به تغییر مکان هستند تا مرکز جرم ثابت بماند، ثانیاً نوترون‌ها نیز مانند پروتون‌ها به علت داشتن گشتاورهای مغناطیسی تشعشع می‌کند.

دسته‌بندی واپاشی‌های هسته‌ای

واکنش‌های هسته‌ای عموماً به سه گروه زیر دسته‌بندی می‌شوند:

• واپاشی آلفا زا، که در آن یک ذره آلفا گسیل می‌شود. در این نوع پرتوزایی، یک ذره آلفا (هسته هلیم یا {\displaystyle {\ce {^{4}_{2}He^2+}}}) از هسته اتم خارج می‌شود و اتم دختر در جدول تناوبی نسبت به اتم اولیه دو خانه به عقب می‌رود، مانند واکنش زیر:

• واپاشی بتازا که در آن یک ذره بتا (الکترون یا پوزیترون) گسیل می‌شود. در این نوع پرتوزایی، یک الکترون (یا پوزیترون) از داخل یک نوترون (یا پروتون) خارج می‌شود و آن را تبدیل به یک پروتون (یا نوترون) می‌کند و یک پادنوترینو (یا نوترینو) خارج می‌شود. اتم دختر در جدول تناوبی نسبت به اتم اولیه یک خانه به جلو (یا عقب) می‌رود، مانند واکنش زیر:

• واپاشی گاما که در آن یک فوتون (بسته انرژی) گسیل می‌شود. در این نوع پرتوزایی، جنس اتم تغییری نمی‌کند، بلکه هسته اتم به دلیل انرژی که توسط واپاشی آلفا یا بتا دریافت کرده، به ترازهای انرژی بالاتر می‌رود. بر اساس قوانین مکانیک کوانتومی، هسته اتم به تراز اولیه برگشته و انرژی خود (که معادل اختلاف انرژی تراز بالاتر و تراز اولیه است) را به صورت یک فوتون آزاد می‌کند که معمولاً انرژی آن در محدوده انرژی پرتوهای گاما است، مانند واکنش زیر:

پایداری و ناپایداری ایزوتوپ‌ها

تا اوایل قرن بیستم میلادی تصور بر این بود که تمام عناصر پایدار هستند، زیرا نظریه اتمی جان دالتون بیان می‌کرد که اتم‌ها نه به وجود می‌آیند و نه از بین می‌روند و همه اتم‌های یک عنصر مشخص، از نظر کیفی ویژگی‌های یکسان دارند. در سال ۱۸۹۶، هانری بکرل به صورت اتفاقی پدیده پرتوزایی (به انگلیسی: Radioactivity) را کشف کرد. کشف پرتوزایی دانشمندان را بر آن کرد تا دلیل به وجود آمدنش را پیدا کنند. آزمایش‌های ارنست رادرفورد بر روی این پدیده، منجر به کشف هسته اتم شد. طبق آزمایش‌های رادرفورد، هسته اتم بار مثبت الکتریکی دارد که بعدها مشخص شد ناشی از پروتون‌‌ها است، ولی این به تنهایی نمی‌توانست پرتوزایی را توضیح دهد، حال آنکه باید عاملی وجود داشته باشد تا پروتون‌ها را در کنار هم نگه دارد تا از فروپاشی هسته به وسیله نیروی کولنی بین پروتون‌ها جلوگیری کند. پس از کشف نوترون توسط جیمز چادویک در سال ۱۹۳۲، به مدت کوتاهی معلوم شد که نوترون دومین ذره تشکیل دهنده هسته می‌باشد و عامل اصلی پایداری هسته و همچنین واپاشی آن است. پس از اثبات نوترون به عنوان دومین ذره تشکیل دهنده هسته، مفهومی به نام ایزوتوپ مطرح شد که بعدها با آزمایش‌های تجربی ثابت شد. ایزوتوپ ((به انگلیسی: Isotope) و (به یونانی: Ισότοπο)) به معنای «هم‌جا» و «هم‌مکان»، به اتم‌هایی از یک عنصر مشخص گفته می‌شود که با وجود داشتن عدد اتمی و فعالیت شیمیایی یکسان، عدد جرمی متفاوت دارند. پایداری و ناپایداری این ایزوتوپ‌ها به تعداد نوترون‌های آن بستگی دارد. برای مثال، بعضی از عناصر تنها دارای یک ایزوتوپ پایدار هستند، مانند آلومینیوم و پتاسیم که تنها یک ایزوتوپ پایدار ({\displaystyle {\ce {^{27}_{13}Al}}}و {\displaystyle {\ce {^{40}_{19}K}}}) دارند و بقیه همگی ناپایدار هستند (البته بعضی از آن‌ها ممکن است نیمه عمر بسیار طولانی داشته باشند، مانند {\displaystyle {\ce {^{26}_{13}Al}}}و {\displaystyle {\ce {^{235}_{92}U}}})، برخی دو یا چند ایزوتوپ پایدار دارند، مانند فلزهای مس ({\displaystyle {\ce {^{63}_{29}Cu}}} و {\displaystyle {\ce {^{65}_{29}Cu}}}) و قلع ({\displaystyle {\ce {^{112}_{50}Sn}}}و {\displaystyle {\ce {^{114}_{50}Sn}}}و {\displaystyle {\ce {^{116}_{50}Sn}}}و ...) و برخی دیگر ایزوتوپ پایداری ندارند، مانند اورانیوم (پایدارترین ایزوتوپ {\displaystyle {\ce {^{238}_{92}U}}}با نیمه عمر ۴٫۴۶۸۳‎ میلیارد سال) و فرانسیم (پایدارترین ایزوتوپ{\displaystyle {\ce {^{223}_{87}Fr}}}با نیمه عمر 22 دقیقه). عناصر مصنوعی نیز عموماً نیمه عمر بسیار کوتاهی دارند، مانند عنصر اوگانسون ({\displaystyle {\ce {^{}_{118}Og}}}) که در پایدارترین حالت نیمه عمری برابر ۸۹۰ میکروثانیه دارد. معروف‌ترین ایزوتوپ‌ها، ایزوتوپ‌های سه‌گانه هیدروژن هستند که در پایین معرفی خواهند شد:

1. هیدروژن معمولی ({\displaystyle {\ce {^{1}_{1}H}}}) یا پروتیم (به انگلیسی: Protium) که در هسته اتم خود تنها یک پروتون دارد و نوترونی ندارد. بیش از ۹۹/۹۸ هیدروژن جهان و بیشترین ماده موجود هستی را تشکیل می‌دهد.
2. هیدروژن سنگین ({\displaystyle {\ce {^{2}_{1}D}}}) یا دوتریم (به انگلیسی: Deuterium) که در هسته اتم خود یک پروتون و یک نوترون دارد و در طبیعت بسیار نایاب است (کمتر از ۰/۰۲ درصد) است. آب سنگین ({\displaystyle {\ce {D2O}}}) که از ترکیب دوتریم و اکسیژن به وجود می‌آید، از نظر شیمیایی؛ خواص آب معمولی را دارد و تنها در خواص فیزیکی متفاوت است. از این نوع آب در نیروگاه‌های هسته‌ای به عنوان خنک‌کننده و مهارگر راکتورهای هسته‌ای به کار می‌رود. نوشیدن این آب در مقادیر زیاد یا طولانی مدت می‌تواند سبب عوارض جدی و یا حتی مرگ بشود.
3. هیدروژن پرتوزا ({\displaystyle {\ce {^{3}_{1}T}}}) یا تریتیم (به انگلیسی: Tritium) که در هسته اتم خود یک پروتون و دو نوترون دارد. این نوع هیدروژن نیمه عمری حدود ۸±۴۵۰۰ روز دارد و حتی از دوتریم نیز نایاب‌تر است. مقادیر کمی از این ماده در فضا و به وسیله تشعشعات فضایی تولید می‌شود و عمده تریتیم موجود در زمین، در آزمایشگاه و توسط راکتورهای هسته‌ای تولید می‌شود. تریتیم به وسیله یک واکنش بتا زا به هلیم-3 تبدیل می‌شود:

معمولا اگر تعداد نوترون‌های هسته یک اتم ۱/۵ برابر تعداد پروتون‌هایش باشد، آن اتم پرتوزا می‌شود، ولی در یک قاعده کلی تمام عناصر شناخته شده سنگین‌تر از سرب پرتوزا هستند.