Δεν είναι και Πυρηνική Φυσική: Τα βασικά για να μην σε λένε άσχετο

γράφει ο Δημήτρης Γεωργιακώδης, Καθηγητής Φυσικής

Όπως ίσως γνωρίζουμε, ο πυρήνας είναι μια μικρή σφαιρική περιοχή, με ακτίνα της τάξης των    10-15 μέτρων, μέσα στην οποία είναι συγκεντρωμένο όλο το θετικό φορτίο του ατόμου. Ο πυρήνας περιβάλλεται από κινούμενα ηλεκτρόνια, τέτοιου αριθμού ώστε το συνολικό φορτίο του ατόμου να είναι μηδέν. Τότε λέμε ότι το άτομο είναι ουδέτερο.

Μέσα στον πυρήνα υπάρχουν τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια και τα ουδέτερα νετρόνια. Τα σωματίδια αυτά ονομάζονται νουκλεόνια. 

Τα νουκλεόνια, με τη σειρά τους, αποτελούνται από κουάρκς, τα οποία ονομάζονται στοιχειώδη σωμάτια, επειδή δεν αποτελούνται από άλλα μικρότερα.

Σύμφωνα με την θεωρία της μεγάλης έκρηξης, οι πυρήνες δημιουργήθηκαν στα πρώτα στάδια της δημιουργίας, όταν το σύμπαν ήταν πολύ θερμό, τα σωματίδια είχαν μεγάλες ταχύτητες και οι συνθήκες ευνοούσαν τη δημιουργία των πυρήνων. Τα πρωτόνια μπορούσαν, ξεπερνώντας τις ηλεκτρικές απωστικές δυνάμεις, να πλησιάσουν σε πολύ μικρές αποστάσεις και, με τη βοήθεια μιας ισχυρής πυρηνικής ελκτικής δύναμης, να ενωθούν μεταξύ τους και με νετρόνια ώστε να σχηματίσουν τους πυρήνες. 

Οι πρώτοι πυρήνες που δημιουργήθηκαν ήταν του Υδρογόνου και του Ηλίου, που είναι οι απλούστεροι. Στη συνέχεια, με τη δημιουργία των αστέρων (βλέπε άρθρο με τίτλο: Big Bang, Πώς ξεκίνησαν όλα; In2life), οι πυρήνες του υδρογόνου που υπήρχαν στο κέντρο τους, ενώθηκαν με τη διαδικασία της σύντηξης, δημιουργώντας βαρύτερους πυρήνες και εκλύοντας ενέργεια, που κάνει τα άστρα να φωτοβολούν. Οι πυρήνες λοιπόν των χημικών στοιχείων που γνωρίζουμε δημιουργήθηκαν κατά τη διάρκεια του κύκλου της ζωής των αστέρων. 

Σχήμα 1: Πυρηνική σύντηξη υδρογόνου για την παραγωγή ηλίου

Η σύντηξη (Σχήμα 1) είναι μία διαδικασία κατά την οποία ελαφρείς πυρήνες (πχ Δευτέριο-D και Τρίτιο-T) ενώνονται, σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης, για τη δημιουργία βαρύτερων και πιο σταθερών πυρήνων (πχ Ήλιο – He). Κατά τη διάρκεια της σύντηξης εκλύεται ενέργεια (px 3.6 MeV και 14 MeV). 

Η σύντηξη σταματά όταν δημιουργηθεί ο πιο σταθερός πυρήνας, που είναι αυτός του σιδήρου. Οι βαρύτεροι πυρήνες δημιουργούνται με την πρόσληψη άλλων νουκλεονίων από τους ήδη υπάρχοντες πυρήνες. 

Τα πλεονεκτήματα της σύντηξης είναι ότι παράγει «καθαρή» ενέργεια, χωρίς τη δημιουργία επικίνδυνων καταλοίπων, καθώς και ότι η πρώτη ύλη που χρησιμοποιείται (υδρογόνο) υπάρχει σε μεγάλες ποσότητες στον πλανήτη μας, καθώς το νερό περιέχει υδρογόνο. Το βασικό μειονέκτημα, είναι ότι απαιτούνται μεγάλα ποσά ενέργειας για τη λειτουργία των θερμοπυρηνικών αντιδραστήρων, με αποτέλεσμα η σχάση να μη χρησιμοποιείται, προς το παρόν, για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Η δημιουργία του πυρήνων απαιτεί ενέργεια, που αποθηκεύεται μέσα σε αυτούς και ονομάζεται ενέργεια σύνδεσης. Η σταθερότητα των πυρήνων καθορίζεται από την μέση ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο, δηλαδή την ενέργεια που χρειάζεται, κατά μέσο όρο, για να απομακρυνθεί ένα πρωτόνιο ή ένα νετρόνιο από τον πυρήνα. 

Όσο μεγαλύτερη είναι αυτή η ενέργεια, τόσο πιο σταθερός είναι ο πυρήνας. Η βασική αυτή αρχή μας θυμίζει το παραμύθι με τα 3 γουρουνάκια, που έκτισαν 3 σπιτάκια (από άχυρα, κλαδιά και τούβλα) για να προφυλαχθούν από τον λύκο. Τα δύο πρώτα σπιτάκια καταστράφηκαν εύκολα, ενώ το τρίτο άντεξε γιατί η ενέργεια που απαιτείται για να απομακρυνθεί ένα τούβλο είναι μεγαλύτερη από αυτή που χρειάζεται για την απομάκρυνση του άχυρου ή του κλαδιού.

Οι πιο σταθεροί πυρήνες είναι αυτοί που ο αριθμός των νουκλεονίων (πρωτονίων και νετρονίων) είναι μεταξύ 50 και 80. Οι υπόλοιποι έχουν την τάση να πλησιάσουν σε αυτή την περιοχή συμμετέχοντας σε πυρηνικές αντιδράσεις. Οι πιο γνωστές είναι η σχάση και η σύντηξη.

Η σχάση (Σχήμα 2) είναι μία αντίδραση κατά την οποία βαρείς πυρήνες, με μεγάλο αριθμό νουκλεονίων, διασπώνται σε ελαφρύτερους και πιο σταθερούς. 

Σχήμα 2: Πυρηνική σχάση ουρανίου.

Η διάσπαση προκαλείται από τον βομβαρδισμό των πυρήνων με αργά κινούμενα νετρόνια, τα οποία διεισδύουν στον πυρήνα, που έτσι γίνεται πιο ασταθής και διασπάται σε άλλους πυρήνες και γρήγορα κινούμενα νετρόνια. Τα νετρόνια αυτά επιβραδύνονται μέσα στον πυρηνικό αντιδραστήρα και έτσι μπορούν να συνεχίσουν τη σχάση, δημιουργώντας αλυσιδωτή αντίδραση και εκλύοντας μεγάλα ποσά ενέργειας. Η ενέργεια αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ειρηνικούς σκοπούς (ελεγχόμενη αλυσιδωτή αντίδραση και παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας), αλλά και για πολεμικούς σκοπούς (μη ελεγχόμενη αλυσιδωτή αντίδραση και δημιουργία ατομικών βομβών). 

Ένα βασικό μειονέκτημα της σχάσης είναι η δημιουργία επικίνδυνων καταλοίπων, η αποθήκευση των οποίων δημιουργεί έντονα προβλήματα. Επιπλέον, η ύπαρξη πυρηνικών ατυχημάτων (Τσέρνομπιλ, Φουκοσίμα, Three mile island, …) έχει καταστροφικές συνέπειες για τον Άνθρωπο και το Περιβάλλον.

Ένας άλλος τρόπος με τον οποίο ασταθείς πυρήνες μετατρέπονται σε πιο σταθερούς είναι η ραδιενεργός διάσπαση, μια τυχαία και αυθόρμητη διαδικασία, κατά την οποία ασταθείς πυρήνες εκπέμπουν σωμάτια ή και ακτινοβολία ώστε να γίνουν σταθερότεροι. 

Τα σωμάτια που εκπέμπονται είναι πυρήνες ηλίου (σωμάτια-α) και ηλεκτρόνια ή ποζιτρόνια (σωμάτια-β- και β+). Η ακτινοβολία είναι ακτίνες-γ, που έχουν μεγάλη ενέργεια και διεισδυτική ικανότητα, με αποτέλεσμα να είναι ιδιαίτερα επικίνδυνες για τους ζώντες οργανισμούς. 

Χρησιμοποιούνται για την αποστείρωση ιατρικών σκευασμάτων (γάζες, σύριγγες…) καθώς και στην αντιμετώπιση καρκινικών δομών. Η ραδιενεργός διάσπαση καθορίζεται από έναν νόμο σύμφωνα με τον οποίον, ο αριθμός των πυρήνων που διασπώνται είναι ανάλογος του χρόνου και του αρχικού αριθμού των ραδιενεργών πυρήνων. Ο χρόνος ημιζωής είναι το χρονικό διάστημα μέσα στο οποίο, ο αρχικός αριθμός των ραδιενεργών πυρήνων παραμένει ο μισός. Υπάρχουν πυρήνες που έχουν πολύ μεγάλο χρόνο ημιζωής και ως εκ τούτου ακτινοβολούν για πάρα πολλά χρόνια. 

Η ραδιοχρονολόγηση χρησιμοποιήθηκε επίσης για τον προσδιορισμό της ηλικίας της Ιεράς Σινδόνης, που φυλάσσεται στο Τορίνο, καθώς και για τον προσδιορισμό της ηλικίας της Γης και της Σελήνης.