במשך זמן רב מקור האנרגיה של השמש היה תעלומה מדעית גדולה. ניתן להראות כי אנרגיה כימית של שריפת דלקים אינה אחראית לכמות האור האדירה שהשמש מספקת לאורך שנים כה רבות (בדרך זו השמש הייתה מתכלה במשך 4000 -5000 שנים!). השמש יכולה להאיר במשך זמן רב יותר אם אנרגיית הכבידה הייתה מקור האנרגיה שלה, אבל עדיין משך התאורה היה קצר ממיליארד שנים. התשובה למסתורין סביב מקור האנרגיה של השמש דרש גילוי של מקור אנרגיה חדש. צורות האנרגיה שלורד קלווין ומדענים אחרים במאה ה- 19 לא היכרו ולא העלו בדעתם עד כמה יעילה יכולה להיות האנרגיה הגרעינית.
באדיבות וויקיפדיה
בתחילת המאה העשרים, המדען הדגול ארנסט רתרפורד הראה שגרעין האטום צפוף להפליא וכי הוא תופס רק נפח זעיר מנפח האטום. היה זה שינוי דרמתי בחשיבה. בקנה המידה אנושי אם גרעין האטום היה בגודל גרגר אפונה הממוקם במרכז המגרש של אצטדיון כדורגל, הרי שהאלקטרונים היו מסתחררים ביציעים. תכונה אחת יוצאת דופן של גרעיני האטום הזעירים היא נטייתם, במקרים מיוחדים, להתפצל תוך שחרור אנרגיה. רתרפורד והנרי בקארל מצאו שכמה יסודות כבדים פולטים באופן טבעי קרינה ומשנים את המאפיינים שלהם בתהליך של דעיכה רדיואקטיבית. רתרפורד ערך ניסוי אלגנטי, הוא סגר כמות קטנה של חומר רדיואקטיבי בצינור זכוכית בריק מושלם. כמה חודשים לאחר מכן, הראה רתרפורד בניתוח זהיר את קיומם של אטומי הליום בתוך הצינור כך שהחומר הרדיואקטיבי שינה את התכונות הכימיות שלו; האטומים אכן השתנו ממין אחד למשנהו! בניסוי זה התרחש שינוי מיסוד אחד לשני, שינוי שאלכימאים חיפשו במשך מאות שנים.
לחלוצי הרדיואקטיביות הראשונים לא היה מושג על טבע הקרינה שהם חקרו. הם כינו את שלושת סוגי הרדיואקטיביות "אלפא, ביתא וגאמא" בעקבות שלוש האותיות הראשונות של האלפבית היווני. כיום, אנו יודעים כי סוגים אלה של קרינה שונים לחלוטין. דעיכה אלפא הוא פליטה של גרעיני הליום, מהסוג שלכד רתרפורד בניסוי שלו, במהלך דעיכה רדיואקטיבית. דעיכת ביתא מתרחשת כאשר נויטרון הופך לפרוטון, תוך פליטה של אלקטרון ונייטרינו. קרינת גמא היא אנרגיה המשתחררת מהאטום בצורת גלים אלקטרומגנטיים בעלי אנרגיה גבוהה, במהלך דעיכה רדיואקטיבית.
באדיבות וויקיפדיה
הפיזיקאית הפולנית הצעירה מארי קירי הראתה שחומר רדיואקטיבי הפיק אנרגיה פי מיליון ויותר מכל תהליך כימי. היא ובעלה הצרפתי פייר היו הראשונים לבודד חומרים רדיואקטיביים. מארי קירי הייתה לפרופסור הנשי הראשון בהיסטוריה במשך 600 שנים באוניברסיטת סורבון בפריז והיא הייתה האדם הראשון שזכה בפרס נובל כפול. מאחר שידעו רק מעט מאד על טבע הקרינה הרדיואקטיבית, לא ידעו החלוצים הללו על השפעתה המזיקה על הרקמות האנושיות. חוקרים רבים שילמו בחייהם על המחקר שלהם בחומרים רדיואקטיביים, כולל מארי קירי.
קיימות דעיכות רדיואקטיביות רבות. דוגמא נפוצה בטבע היא האיזוטופ החצי יציב של אורניום-238 (מחצית חיים 4.468 מיליארד שנים). דוגמאות נוספות: גז ראדון: Radium-226 (מחצית חיים 1,602 שנים) דועך דרך דעיכה אלפא לראדון (מחצית חיים 3.8 ימים). גז ראדון הוא לעתים קרובות מצטבר במרתפים באזורים שבהם קיימים סלעי גרניט (אשר מכיל לעתים קרובות כמות מסוימת של אורניום 238) כמות גבוהה של גז ראדון המצטברת במרתפים עלולה להיות מפגע בריאותי.
פולוניום הינו רעל ודלק: פולוניום 210 (מחצית חיים 138.4 ימים) נמצא ביחס של אטום אחד לכל 1015 אטומים בקרום כדור הארץ. הפולוניום דועך באמצעות פליטה של חלקיקי אלפא לעופרת 206 ומהווה את השלב האחרון בדעיכת אורניום -238. כל גרם של חומר רדיואקטיבי זה משחרר אנרגיה בהספק של 140 וואט. זו עוצמה גבוהה ההופכת למקור אנרגיה יעיל (0.5 גרם חומר בקפסולה יכול להגיע לטמפרטורות מעל 500 מעלות צלזיוס ולהפעיל מנוע) ורעל יעיל! ב- 2006 הורעל אלכסנדר ליטוויננקו, קצין לשעבר של ה- FSB ו- KGB, עם פולוניום 210, באנגליה לאחר פגישה עם שני קצינים לשעבר של הקג"ב. הוא מת שלושה שבועות לאחר מכן.
קיימים גנרטורים המבוססים על רדיו-איזוטפים: המניעים חלליות רבות, כולל המשימות החלוציות של חלליות וויאג'ר, גלילאו, קאסיני, אופקים-חדשים. חלליות אלה מופעלות באמצעות מנועי חום המנצלים את האנרגיה הגרעינית כמקור האנרגיה הראשוני. אחד הדלקים הנפוצים ביותר הוא פלוטוניום-238 (מחצית חיים 87.7 שנים). זהו זמן מחצית חיים ארוך, צפיפות אנרגיה גבוהה, דרישות מיגון נמוכות (רק 2.5 מ"מ עופרת נדרשים כדי להגן על האלקטרוניקה בחללית מחומר רדיואקטיבי זה).
השמש שלנו וכוכבים אחרים אינם מפיקים אנרגיה מדעיכה גרעינית, או תהליכי ביקוע, אלא באמצעות היתוך גרעיני. ייתכן ששמתם לב כי כל הדוגמאות הקודמות התייחסו לדעיכה גרעינית של אטומים כבדים. מתברר כי אטומים הכבדים מברזל יכולים לפלוט אנרגיה כאשר הם מתפרקים (וצורכים אנרגיה כדי להתמזג), אטומים קלים יותר מברזל פולטים אנרגיה במהלך תגובות היתוך אבל דורשים אנרגיה במקרים רבים כדי להתבקע לאטומים קלים יותר. הסיבות לדיכוטומיה זו נמצאות עמוק בליבה של מכניקת הקוונטים, אבל ביסודו של דבר, לגרעין האטומי יש אנרגיה המצייתת למשוואה המפורסמת של איינשטיין E = mc2, אנרגיה זו קשורה במסה של החומר. לכן המסה של גרעין אטומי היא תמיד קטנה מסכום המסות של הפרוטונים והנייטרונים שמהם הוא מורכב. זוהי אנרגית הקשר, המצמידה את רכיבי הגרעין. ערכה משתנה בהתאם למסת הגרעין. אנרגיית הקשר לכל חלקיק של הגרעין היא הגבוהה ביותר עבור ברזל. כלומר, ברזל הוא הגרעין האטומי היציב ביותר מבין כל היסודות בטבלה המחזורית. יסודות כבדים יותר מברזל יכולים לשחרר אנרגיה על ידי ביקוע ויסודות קלים יותר מברזל יכול לשחרר אנרגיה על ידי היתוך. מנגנוני האנרגיה הגרעינית הנפוצים בכוכבים הם:
- שרשרת פרוטון פרוטון: בשרשרת זו מתמזגים ארבעה אטומי מימן לאטום הליום יחיד, תוך שחרור כמות אנרגיה 26MeV. שרשרת היתוך זו דורשת טמפרטורות הגבוהות, גדולות מ- 4.6 מיליון מעלות קלווין ולחצים גבוהים הנמצאים במרכזם של כוכבים כמו השמש שלנו.
- מחזור CNO: מתקיים בכוכבים מסיבים יותר מהשמש שלנו, שליבתם חמה יותר (יותר מ- 1.3 × 107K), הכוכבים מסוגלים להשתמש בפחמן (אם קיים) כדי לקיים מחזור היתוך גרעיני ההופך מימן להליום תוך יצירת פחמן, חנקן וחמצן.
תגובות מורכבות הרבה יותר יכולות להתרחש אצל כוכבים מבוגרים יותר, ותגובות אלה נדונות במאמרים אחרים. באמצעות היתוך גרעיני, כוכבים מסוגלים לייצר אנרגיה ביעילות במשך מיליוני ומיליארדי שנים. השמש שלנו תתמזג מימן להליום על הסדרה הראשית במשך כ- 10 מיליארד שנה. אנחנו נמצאים כעת בערך בנקודת האמצע במהלך חיי השמש שלנו.
Author: Chris Impey