כדי להבין כיצד ניתן לשחרר אנרגיה מגרעין האטום, חשוב להכיר את מושג אנרגית הקשר. במהלך המחקר של האסטרונומיה אנו נתקלים במערכות המוחזקות יחד על ידי כוחות – אטומים, מולקולות, אנשים, כוכבי לכת, מערכות סולאריות וגלקסיות. אנרגית הקשר של מערכת מורכבת היא האנרגיה הנדרשת כדי לפרק אותה. לדוגמה, עצמים קשורים לכדור הארץ על ידי כוח הכבידה. כדי לשחרר כל דבר מן הכבידה של כדור הארץ אנחנו חייבים להעניק לו מהירות של 11 ק"מ/שניה. מהירות זו תואמת אנרגיה קינטית המספיקה כדי להתמודד עם אנרגית הקשר הכבידתית. בהקשר של ביקוע גרעיני, אנרגית הקשר של האטומים היא אחת הכמויות החשובות ביותר. האלקטרון באטום מימן קשור לפרוטון על ידי הכוח החשמלי. אנרגית הקשר של אטום המימן היא זעירה בגודל 2.2 × 10-18 ג'אול. לכן, כל פוטון עם תדירות הגבוהה מ- 1015×3.3 הרץ (או בעל אורך גל הקטן מ- 100 ננומטר) נושא מספיק אנרגיה כדי לשחרר את האלקטרון כאשר הוא פוגע באטום המימן.
באדיבות pixabay
מרכיבי הגרעינים האטומיים מחוזקים יחד ע"י הכוח הגרעיני החזק, הנוקליונים (פרוטונים או לניטרונים) מוחזקים יחדיו על ידי הכוח החזק. אנרגיה יכולה להשתחרר מן הגרעין האטומי על ידי דעיכה ספונטנית של יסודות רדיואקטיביים. תהליך זה נקרא ביקוע גרעיני. יסודות כבדים אלה נמצאים באופן טבעי בקרום כדור הארץ, אך בריכוז קטן מאוד. בביקוע הגרעין, הוא מתחלק לשני חלקים או יותר, מסתם של שברי המסה הכוללת קטנה ממסת הגרעין המקורי. המסה הנותרת משוחררת כאנרגיה לפי המשוואה E = mc2. כאשר גרעין אורניום 235 דועך, 10-11×3.2 ג'אול של אנרגית מסה משתחררים. זה אולי לא נשמע הרבה, אבל זו אנרגית הקשר של הגרעין שמשתחררת מאטום אחד. חופן של אורניום – יכול היה לספק אנרגיה לעיר קטנה, אם כל האטומים ידעכו בבת-אחת! אנחנו יכולים להשוות זאת לאנרגיה כימית הנצרכת על ידי שריפת פחם. אנרגית הקשר המולקולרית שתשוחרר כאשר אטום פחמן המחובר עם אטום חמצן יצרו מולקולת CO2 היא 10-19×6.4 ג'אול. זה 50 מיליון פעמים פחות מהאנרגיה שנקבל מדעיכה רדיואקטיבית של אטום אורניום יחיד.
באדיבות pixabay
שחרור אנרגיה מיסודות רדיואקטיביים בתוך כדור הארץ תורם לחימום הפלנטה. זו הסיבה לכך שהערכות המוקדמות של גיל כדור הארץ היו שגויות. הם הניחו כי כדור הארץ הוא כדור מתקרר ללא מקור אנרגיה פנימי. כאשר לוקחים בחשבון את הפעילות הרדיואקטיבית, הגיל המשוער של כדור הארץ גדל במידה ניכרת. למעשה, דעיכה רדיואקטיבית יכולה לשמש כשעון. הגיל של כדור הארץ נאמד במדויק באמצעות טכניקה זו ב- 4.54 מיליארד שנים.
בני האדם למדו לרתום את הביקוע הגרעיני. ניתן לפצל גרעינים כבדים על ידי התנגשות עם נויטרונים. מאחר שכמה יסודות רדיואקטיביים משחררים גם נויטרונים כמוצר דעיכה (כולל איזוטופים מסוימים של פלוטוניום ואורניום), קיימת אפשרות כי גרעין ידעך תוך שחרור נויטרונים, ואז יגרור דעיכה נוספת, שמשחררת נויטרונים אחרים, וכן הלאה. תופעה זו נקראת תגובת שרשרת. כל שנדרש הוא ריכוז גבוה מספיק של חומר רדיואקטיבי, כך שכל דעיכה תעורר לפחות עוד דעיכה אחת. למדנו לעבד אורניום לריכוז הנדרש כדי לאפשר תגובות מתמשכות. (יש אפילו ראיות לכור ביקוע טבעי בגאבון באפריקה, ריכוז תת קרקעי גבוה של אורניום עשוי היה ליצור תגובת שרשרת עוד לפני 1.7 מיליארד שנים!) אם תגובת שרשרת מתרחשת באופן מבוקר, ניתן לרתום את האנרגיה לצרכים אנושיים, כמו בכור גרעיני. אך אם שחרור האנרגיה מתרחש בצורה קטסטרופלית ובלתי מבוקרת, התוצאה היא פצצה של כוח הרסני נורא. בכל מקרה, אנרגיה המשוחררת מהמסה של חלקיקים גרעיניים כאשר הם מתחלקים לחתיכות קטנות יותר.
Author: Chris Impey