ساختار اتم

اتم كوچكترين بخش سازنده يك عنصر شيميايي است كه هنوز هم خواص شيميايي آن عنصر را دارد. خود اتم ها از سه جزء ساخته شده اند: الكترون، پروتون و نوترون. پروتون و نوترون در درون هسته اتم قرار دارد و الكترون به دور هسته اتم مي گردد. الكترون بار منفي و جرم بسيار كمي دارد. پروتون بار مثبت و نوترون بدون بار است. جرم پروتون و نوترون برابر و حدود 1870 بار سنگين تر از الكترون است، بنابر اين بخش عمده جرم يك اتم درون هسته آن قرار دارد. ايزوتوپ: ايزوتوپ به صورت هاي گوناگون يك عنصر گفته مي شود كه جرم آنها با هم تفاوت داشته باشد. تفاوت ايزوتوپ هاي مختلف يك عنصر از آنجا ناشي مي شود كه تعداد نوترون هاي موجود در هسته آنها با هم تفاوت دارد. البته تعداد پروتون هاي تمام اتم هاي يك عنصر از جمله ايزوتوپ ها با هم برابر است. براي مثال عنصر هيدروژن داراي سه ايزوتوپ است: H هيدروژن كه در هسته خود فقط يك پروتون دارد، بدون نوترون. H 2يا D دوتريم كه در هسته خود يك پروتون و يك نوترون دارد و H 3 يا H تريتيم كه يك پروتون و دو نوترون دارد. از آنجايي كه خواص شيميايي يك عنصر به تعداد پروتون هاي هسته مربوط است، ايزوتوپ هاي مختلف در خواص شيميايي با هم تفاوت ندارند، بلكه خواص فيزيكي آنها با هم متفاوت است. عمده هيدروژن هاي طبيعت H يا هيدروژن معمولي است و فقط 0150 درصد آن را دوتريم تشكيل مي دهد، يعني از هر 6400 اتم هيدروژن، يكي دوتريم است. حال در نظر بگيريد كه به جاي يك اتم هيدروژن معمولي در مولكول آب H2O اتم D بنشيند. آن وقت مولكول HDO به وجود مي آيد كه به آن آب نيمه سنگين مي گويند. اگر جاي هر دو اتم هيدروژن، دوتريم بنشيند، D2O به وجود مي آيد كه به آن آب سنگين مي گويند. خواص فيزيكي آب سنگين تا حدودي با آب سبك يا آب معمولي تفاوت دارد.با توجه به جانشيني D به جاي H در آب سنگين، انرژي پيوندي پيوند هاي اكسيژن هيدروژن در آب تغيير مي كند و در نتيجه خواص فيزيكي و به ويژه خواص زيست شناختي آب عوض مي شود.

تاريخچه توليد آب سنگين

والتر راسل در سال 1926 با استفاده از جدول تناوبي «مارپيچ» وجود دو تريم را پيش بيني كرد. هارولد يوري يكي از شيميدانان دانشگاه كلمبيا در سال 1931 توانست آن را كشف كند. گيلبرت نيوتن لوئيس هم در سال 1933 توانست اولين نمونه از آب سنگين خالص را با استفاده از روش الكتروليز تهيه كند. هوسي و هافر نيز در سال 1934 از آب سنگين استفاده كردند و با انجام اولين آزمون هاي رديابي زيست شناختي به بررسي سرعت گردش آب در بدن انسان پرداختند.

توليد آب سنگين: در طبيعت از هر 3200 مولكول آب يكي آب نيمه سنگين HDO است. آب نيمه سنگين را مي توان با استفاده از روش هايي مانند تقطير يا الكتروليز يا ديگر فرآيندهاي شيميايي از آب معمولي تهيه كرد. هنگامي كه مقدار HDO در آب زياد شد، ميزان آب سنگين نيز بيشتر مي شود زيرا مولكول هاي آب هيدروژن هاي خود را با يكديگر عوض مي كنند و احتمال دارد كه از دو مولكول HDO يك مولكول H2O آب معمولي و يك مولكول D2O آب سنگين به وجود آيد. براي توليد آب سنگين خالص با استفاده از روش هاي تقطير يا الكتروليز به دستگاه هاي پيچيده تقطير و الكتروليز و همچنين مقدار زيادي انرژي نياز است، به همين دليل بيشتر از روش هاي شيميايي براي تهيه آب سنگين استفاده مي كنند.

كاربرد هاي آب سنگين

آب سنگين در پژوهش هاي علمي در حوزه هاي مختلف از جمله زيست شناسي، پزشكي، فيزيك و... كاربردهاي فراواني دارد كه در زير به چند مورد آن اشاره مي كنيم.

طيف سنجي تشديد مغناطيسي هسته: در طيف سنجي تشديد مغناطيسي هسته NMR هنگامي كه هسته مورد نظر ما هيدروژن و حلال هم آب باشد از آب سنگين استفاده مي كنند. در اين حالت چون سيگنال هاي اتم هيدروژن مورد نظر با سيگنال هاي اتم هيدروژن آب معمولي تداخل مي كند، مي توان از آب سنگين استفاده كرد، زيرا خواص مغناطيسي دوتريم و هيدروژن با هم تفاوت دارد و سيگنال دوتريم با سيگنال هاي هيدروژن تداخل نمي كند.

كند كننده نوترون

آب سنگين در بعضي از انواع رآكتورهاي هسته اي نيز به عنوان كند كننده نوترون به كار مي رود. نوترون هاي كند مي توانند با اورانيوم واكنش بدهند.از آب سبك يا آب معمولي هم مي توان به عنوان كند كننده استفاده كرد، اما از آنجايي كه آب سبك نوترون هاي حرارتي را هم جذب مي كنند، رآكتورهاي آب سبك بايد اورانيوم غني شده اورانيوم با خلوص زياد استفاده كنند، اما رآكتور آب سنگين مي تواند از اورانيوم معمولي يا غني نشده هم استفاده كند، به همين دليل توليد آب سنگين به بحث هاي مربوط به جلوگيري از توسعه سلاح هاي هسته اي مربوط است. رآكتورهاي توليد آب سنگين را مي توان به گونه اي ساخت كه بدون نياز به تجهيزات غني سازي، اورانيوم را به پلوتونيوم قابل استفاده در بمب اتمي تبديل كند. البته براي استفاده از اورانيوم معمولي در بمب اتمي مي توان از روش هاي ديگري هم استفاده كرد. كشورهاي هند، اسرائيل، پاكستان، كره شمالي، روسيه و آمريكا از رآكتورهاي توليد آب سنگين براي توليد بمب اتمي استفاده كردند.با توجه به امكان استفاده از آب سنگين در ساخت سلاح هسته اي، در بسياري از كشورها دولت توليد يا خريد و فروش مقدار زياد اين ماده را كنترل مي كند. اما در كشورهايي مثل آمريكا و كانادا مي توان مقدار غير صنعتي يعني در حد گرم و كيلوگرم را بدون هيچ گونه مجوز خاصي از توليد كنندگان يا عرضه كنندگان مواد شيميايي تهيه كرد. هم اكنون قيمت هر كيلوگرم آب سنگين با خلوص 9899 درصد حدود 600 تا 700 دلار است. گفتني است بدون استفاده از اورانيوم غني شده و آب سنگين هم مي توان رآكتور توليد پلوتونيوم ساخت. كافي است كه از كربن فوق العاده خالص به عنوان كند كننده استفاده شود از آنجايي كه نازي ها از كربن ناخالص استفاده مي كردند، متوجه اين نكته نشدند در حقيقت از اولين رآكتور اتمي آزمايشي آمريكا سال 1942 و پروژه منهتن كه پلوتونيوم آزمايش ترينيتي و بمب مشهور «FAT MAN» را ساخت، از اورانيوم غني شده يا آب سنگين استفاده نمي شد.

آشكار سازي نوترينو

رصد خانه نوترينوي سادبري در انتاريوي كانادا از هزار تن آب سنگين استفاده مي كند. آشكار ساز نوترينو در اعماق زمين و در دل يك معدن قديمي كار گذاشته شده تا مئون هاي پرتو هاي كيهاني به آن نرسد. هدف اصلي اين رصدخانه يافتن پاسخ اين پرسش است كه آيا نوترينوهاي الكترون كه از همجوشي در خورشيد توليد مي شوند، در مسير رسيدن به زمين به ديگر انواع نوترينوها تبديل مي شوند يا خير. وجود آب سنگين در اين آزمايش ها ضروري است، زيرا دوتريم مورد نياز براي آشكارسازي انواع نوترينوها را فراهم مي كند.

آزمون هاي سوخت و ساز در بدن

از مخلوط آب سنگين با 18O H2 آبي كه اكسيژن آن ايزوتوپ 18O است نه 16O براي انجام آزمايش اندازه گيري سرعت سوخت و ساز بدن انسان و حيوانات استفاده مي شود. اين آزمون سوخت و ساز را معمولا آزمون آب دوبار نشان دار شده مي نامند.

توليد تريتيم

هنگامي كه دوتريم رآكتور آب سنگين يك نوترون به دست مي آورد به تريتيم ايزوتوپ ديگر هيدروژن تبديل مي شود. توليد تريتيم به اين روش به فناوري چندان پيچيده اي نياز ندارد و آسان تر از توليد تريتيم به روش تبديل نوتروني ليتيم ? است. تريتيم در ساخت نيروگاه هاي گرما هسته اي كاربرد دارد.

منبع: روزنامه شرق- گروه دانش،سليمان فرهاديان