מבנה האטום
כל החומרים שנמצאים בטבע מורכבים מתשעים ושתיים "אבני בניין". ל"אבני בניין" אלו קוראים יסודות כאשר כל יסוד בנוי מסוג אחד של אטומים.
האטומים יכולים להתחבר וע"י כך להרכיב חומרים חדשים.
לדוגמא:
פיסת נחושת בנויה רק מאטומים של נחושת,
חתיכת זהב בנויה רק מאטומים של זהב,
לעומתם, מולקולת מים מורכבת משני אטומים: מימן וחמצן.
מולקולה היא שילוב של אטומים.
בכל חומר קיימים מטענים חשמליים. דבר זה נובע מהעובדה שהאטומים עצמם בנויים מחלקיקים בעליי מטען חשמלי:
האלקטרונים בעלי מטען חשמלי שלילי (-) , והפרוטונים בעלי מטען חיובי (+),
ישנם גם הנויטרונים אך הם ללא מטען חשמלי כלל.
האטום מאורגן כך שהפרוטונים והנויטרונים נמצאים במרכז האטום, והאלקטרונים נמצאים בתנועה מתמדת מסביב למרכז האטום.
הפרוטונים והנויטרונים נקראים גרעין האטום והוא תופס נפח זעיר ביותר בתוך האטום. הפרוטונים והנויטרונים אינם מתרחקים זה מזה.
בין הגרעין החיובי לבין האלקטרונים השליליים קיימת משיכה חשמלית ובדרך כלל מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים בגרעין, ולכן סך המטען של האטום הוא אפס.
קיימים גם סימונים לאטומים השונים המסודרים בטבלה המחזורית של מנדלייב:
ישנו המספר האטומי שהוא מספר הפרוטונים באטום וישנו גם המשקל האטומי שהוא מספר הפרוטונים ועוד מספר הנויטרונים.
2. התפרקות אטומית
מי שגילה פעם ראשונה שקיים תהליך של התפרקות אטומית היה אנריקו פרמי 1901 - 1954 (Fermi) בשנת 1934. אנריקו פרמי היה פיזיקאי איטלקי-אמריקאי, יהודי.
אנריקו פרמי החל בניסויים בשנת 1934 שמטרתם הייתה ליצור יסודות בעלי מספר אטומי גדול מ-92, אטומי (Z), הנקראים יסודות טרנס אורניים, ע"י הפגזת אורניות בנויטרונים. מפעולות דומות שנעשו לגבי אטומים קלים יותר, הציפייה הייתה שגרעין האורניום יקלוט את הנויטרון ויתפרק התפרקות ביטא (פליטת אלקטרון),
ומספרו האטומי יגדל בעקבות כך ל-93.
גם במעבדות אחרות נעשו ניסויים דומים אך הממצאים היו מאד לא עקביים.
גם הזיהוי הכימי של היסודות היה בעייתי בגלל הכמויות המזעריות של חומר שהתקבלו.
בשנת 1938 הצליחו הפיזיקאים אוטו האן ופריץ שטרסמן לזהות להפתעתם, מבחינה כימית, את היסודות החדשים שהתקבלו. יסודות אלו לא היו יסודות טרנס אורניים אלא יסודות בעלי מספר אטומי נמוך יותר הנמצאים באמצע הטבלה המחזורית. התברר כי חלק מגרעיני האורניום שקלטו נויטרונים התבקעו לשני גרעינים קלים יותר.
תוצאות הניסויים שפורסמו ע"י פרמי היו מסובכות ביותר שכן בנוסף ליצירת יסוד טרנס אורני הוא גם גרם לביקוע המלאכותי הראשון של גרעין אטומי בשנת 1934. פרמי הבחין בכך שניתן לנצל את הנויטרונים המשתחררים בתהליך הביקוע להמשכת התהליך – "תגובת שרשרת". הוא הראה שבביקוע גרעיני מופקת אנרגיה שאפשר לשלוט בה.
בהמשך המחקר גילו פרמי ועמיתיו שהאטת הנויטרונים בחומר עשיר במימן מעלה את יעילות התהליך פי כ-100.
על תגליות אלה זכה פרמי בשנת 1938 בפרס נובל לפיסיקה.
התנגדותו לפשיזם הובילה אותו מאיטליה לארה"ב. לאחר שהיגר לארה"ב תכנן פרמי כור גרעיני שאותו בנה לבסוף באולם הסקווש, שמתחת לאצטדיון באוניברסיטת שיקגו והפעילו לראשונה ב 2.12.42, תאריך המציין את תחילת העידן האטומי.
על פיתוח הכור זכה בפרס, הנקרא כיום על שמו.
בימי מלחמת העולם השנייה הוא השתתף בפיתוח פצצת האטום בלאס אלאמוס שבניו מכסיקו.
הוא היה מהמעטים שהעזו להתקרב לאתר הפיצוץ הניסיוני, בשנת 1945, וקבע שכל סימני החיים נעלמו מהאזור. בעקבות זאת הוא לקה במחלת הסרטן ממנה נפטר לבסוף.
אפילו הונפק לזכרו בול בשנת 1967 לציון 25 שנים לבניית הכור הגרעיני הראשון. אנריקו נראה על רקע כור גרעיני.
ביקוע גרעיני – Fission
לנויטרונים תפקיד חשוב ואף מרכזי בתהליך הביקוע. הואיל ולנויטרון אין מטען חשמלי, הוא לא נמשך או נדחה בידי האלקטרונים בעלי המטען החשמלי השלילי, החגים מסביב לגרעין, או בידי המטען החשמלי החיובי של הגרעין עצמו.
זו הסיבה שנויטרון חופשי מסוגל להתנגש בגרעין האטום כשהוא נע במסלול המאפשר התנגשות כזאת, וכאמור אם כתוצאה מהתנגשות זו יתפרק הגרעין הנפגע לכמה גרעינים קטנים יותר, תשתחרר אנרגיה עצומה.
הנוסחה הכימית של ביקוע גרעין אחד של אורניום לגרעינים קלים יותר:
או
23592U + 10n --> 13956 Ba + 9436Kr + 3 10n
בתגובה זו אורניום-235 מופצץ בנויטרונים שגורמים לו לפלוט בריום-139 וקריפטון-94. שלושה נויטרונים והרבה אנרגיה נפלטת גם כן.
תגובת שרשרת
חומרים שגרעיני האטומים שלהם גדולים ומסובכים יחסית, הם בלתי יציבים ונוטים להתפצל. אחד מהחומרים הוא אוּרניוּם.
מסוג מסוים של אורניום הנקרא אורניום 235 (U-235 ), ניתן להפיק אנרגיה גרעינית באופן רצוף.
אם נויטרון אחד פוגע בגרעין של אטום אורניום 235, הוא גורם לו שיתפצל לשני גרעיני אטום קטנים יותר.
בתהליך זה נפלטת קרינה מסוימת, הדומה לפליטת קרני רנטגן, וגם משתחררים שניים או שלושה נויטרונים. התהליך כולו נקרא "ביקוע".
מכל ביקוע של אטום אורניום אחד משתחררת אנרגיה של כ-200-220 MeV.
כלומר מאתיים ועשרה מליון אלקטרון וולט. אלקטרון וולט זוהי כמות אנרגיה שיש לאלקטרון אחד שהוא זז בהפרש מתח של 1 וולט.
לביקוע הגרעין נודעת משמעות מרחיקת לכת, בגלל האנרגיה הרבה המשתחררת בתהליך. בעת הביקוע משתחררת אנרגיה בשיעור של כ--220200-MeV לכל גרעין. אם משווים זאת לאנרגיה המשתחררת בתגובות כימיות, שהיא מסדר גודל של כמה אלקטרון וולט לכל אטום, מסתבר שבתהליך הביקוע הגרעיני משתחררת אנרגיה הגדולה פי עשרות מליון מאשר בתגובות כימיות (7-8 אלקטרון וולט).
אם היה צריך להפגיז כל גרעין וגרעין בנויטרון כדי לגרום לביקועו, התהליך לא היה כדאי. חלק גדול מהנויטרונים מחטיאים את מטרתם ובסופו של דבר האנרגיה המושקעת בתהליך הייתה גדולה מזו המופקת בו, אך מתברר שתוך כדי ביקועו פולט הגרעין מספר נויטרונים. הדבר נובע בגלל שבגרעינים כבדים היחס בין נויטרונים לפרוטונים גדול מאשר בגרעינים קלים, ולכן בעת ביקוע גרעין כבר לשני גרעינים קלים נוצר עודף נויטרונים.
שני הגרעינים החדשים שנוצרו נעים בכיוונים נוגדים במהירות רבה ביותר כאשר בזמן זה נפלטת אנרגיה קינטית. אנרגיה זו הופכת לחום בזמן התנגשותם של גרעינים אלה עם אטומי האורניום שבסביבתם.
הנויטרונים החדשים שנוצרו בתהליך ביקוע גרעין האורניום, נפלטים אף הם במהירות רבה. הם יכולים להתנגש באטומים אחרים שבגוש האורניום ולגרום לתהליכי ביקוע נוספים. בתוך זמן קצר ביותר יכול נויטרון אחד ליצור מיליוני נויטרונים נוספים. בתנאים מתאימים צריך רק להתחיל בתהליך, והוא יימשך מאליו.
תהליך כזה נקרא "תגובת שרשרת", שכן כל שלב שלו קשור בקודמו. תגובת השרשרת מתרחשת רק אם גוש האורניום גדול דיו. אם הגוש קטן מדי, "יברחו" נויטרונים רבים דרך שטח המעטפת של הגוש, לפני שיתנגשו בגרעין אורניום וייגרמו להמשך תהליך השרשרת.
התהליך הזה מתרחש כל כך מהר (תגובת השרשרת ושחרור החום) שלפעמים גוש האורניום מתפוצץ.
למזלנו ניתן לשלוט בכל התהליך ולנצלו לטובה למרות שלפעמים יש תקלות.
מיזוג/היתוך גרעיני – Fussion
ישנה אפשרות נוספת להפוך אנרגיה מתהליך גרעיני.
אנרגיה רבה משתחררת כשמתנגשים שני גרעינים קלים זה בזה ומתאחדים בתהליך של היתוך או מיזוג. תהליך היתוך כזה נעשה בשמש או בטמפ' גבוהה מאוד ובמהלכו הופך המימן להליום. אנרגיה גדולה עוד יותר משתחררת בתהליך היתוכם של גרעיני דֵאוּטֶריוּם ההופכים להליום.
קשה להביא לידי כך ששני גרעיני אטום יתקרבו זה אל זה, שכן המטען החשמלי של גרעיני אטום הוא מאותו סוג (חיובי) ולכן פועלים ביניהם כוחות דחייה חזקים. כדי להתגבר עליהם חייבים שני גרעיני האטום לנוע זה לקראת זה במהירות גבוהה ביותר.
הטמפ' הגבוהה של השמש מקנה לגרעיני האטומים את מהירות התנועה הגבוהה המאפשרת את קיומה של תגובת היתוך. הרמה הטכנולוגית הקיימת כיום אינה מאפשרת קיום של מיזוג גרעיני אך מקוים שבעתיד יהיה ניתן לעשות היתוך ע"י שימוש בשדות מגנטיים רבי עוצמה.
תהליך של מיזוג גרעיני אחראי ליצירת האנרגיה בשמש ובכוכבים. שם נוצרים אטומי הליום, התהליך הפותח בארבעה אטומי מימן.
שני האלקטרונים המיותרים (מ-4 אטומי המימן) נבלעים בשניים מן הפרוטונים, ההופכים בכך לנויטרונים תוך כדי פליטת חלקיקי נויטרינו- תהליך המתבצע באמצעות כוח גרעיני שני, ה"כוח החלש". תהליכים אלו מתבצעים במרכז הכוכב, תוך קריסת האטומים תחת כובדה של מסת הכוכב.
היתוך קר – Cold Fussion
ההיתוך הקר הינו תהליך בו גרעיני אטום קלים מאוד חוברים יחדיו לגרעין גדול יותר תוך שחרור כמות עצומה של אנרגיה. אנרגיה זו נובעת מכך שמסת התוצר נמוכה מסכום המסות של הגרעינים המקוריים. על סמך תורת היחסות של איינשטיין מסה שקולה לאנרגיה E=MC² (נוסחה זו קובעת שחומר יכול להפוך לאנרגיה. יתירה מזאת, בגלל יחס ההמרה הגבוה, C, די בכמות חומר קטנה, בכדי להפיק כמות אנרגיה עצומה. המעבר מחומר לאנרגיה אינו בגדר אפשרות היפותטית, אלא מהווה בפועל את הבסיס להפקת אנרגיה גרעינית). אי לכך המסה העודפת היא האנרגיה.
ב 23 למרץ 1989 כינסו ד"ר פונז וד"ר פליישמן מסיבת עיתונאים באוניברסיטת יוטה, כדי לבשר לעולם על מה שנראה כתגלית המאה. היתוך גרעיני קר, שייצור כמויות אדירות של אנרגיה. הליך הניתן לביצוע בשולחן המעבדה ע"י אלקטרוליזציה (העברת חשמל בנוזל ע"י אלקטרודה וקתודה, שני קטבים) של מתכות מסוג פלדיום ופלטינה במים כבדים. העולם המדעי רעש וגעש, אם הם צודקים אז הרי שאנו עומדים בפתחו של עולם חדש.
השניים קראו למסיבת עיתונאים אך לא פרסמו והציגו את הממצאים כראוי מחשש שאחרים יגנבו מהם את הרעיונות מאחר והם לא פיתחו את הרעיון עד קצה המזלג, משום כך העיתונאים והמדענים האחרים זלזלו בהם ואפילו פרופסור אחד אמר שהסטודנטים שלו מציירים גרפים יותר נכונים משלהם.
היות והשניים לא הציגו את מהלך הניסוי כראוי, מדענים אחרים לא הצליחו לשחזר את הניסוי שלהם, ולכן הביקורות רק גברו.
למרות זאת המחקר בתחום וניסויים מוצלחים נמשכים עד ימינו. פונז ופליישמן בעצמם עזבו את משרותיהם באוניברסיטה ועתה ממשיכים במחקר במעבדות בצרפת עבור חברה יפנית. במקביל נערכים ניסויים רבים ברחבי העולם ע"י מדענים שונים בעיקר ביפן. וניסויים מוצלחים והתקדמויות מדווחים כל שנה בוועידה השנתית להיתוך קר.
אם כן, כיצד ההיתוך הקר עובד?
התופעה מתרחשת כאשר מבצעים אלקטרוליזציה של מתכות מסוימות כגון פלטינה או טיטניום או ניקל או עם כמה מוליכי על, במים רווים במימן ובמים כבדים, אשר דומים במבנה הכללי למים רגילים H2O , אך שני אטומי המימן מוחלפים ומתקבלת הנוסחה D2Oבמתקן (התא) המקורי של פונז ופליישמן הקתודה הייתה פלדיום והאנודה הייתה מפלטינה הן הוכנסו למים כבדים.
לתוך המים הוזרם זרם חשמלי שהחל את תהליך האלקטרוליזה. כתוצאה מכך היונים החיוביים נדחסו לפלדיום ומעבר האלקטרונים אוזן ע"י שחרור האלקטרונים באנודה (הפלטינה). התוצאה הפקה של אנרגיה בכמות אדירה. כמות גדולה פי כמה וכמה מכמות האנרגיה שהושקעה באלקטרוליזה. מדענים שונים מאשרים כי ניתן להשיג רווח של אנרגיה החל מ 10% יותר מהאנרגיה שהושקעה, עד לרווח אנרגטי של אלפי מונים מהאנרגיה שהושקעה. ב - 1995 הוצג בקונגרס השנתי מתקן חדשני להיתוך קר אשר הצליח להתגבר על חלק מהמכשולים שניצבו בפני המתקן של פונז ופליישמן המתקן הוכיח אמינות גבוהה והפיק אנרגיה רבה יותר מהמתקן הראשוני.
אז אם עתה ההיתוך לא מעשי, יש רק לדמיין מה התועלת שהוא יגרום לעולמנו כדי שיניע את המדענים לפתח את רעיון ההיתוך:
היתרונות הגלומים בטכנולוגיה הזו הם אדירים, וכפי שכבר צוין אם היא תצא לפועל היא תשנה את העולם כולו.
היום כפי שכולנו יודעים, מקור האנרגיה הראשי הינו הנפט. כולם תלויים בו אך חסרונותיו רבים, ראשית הוא אינו מצוי בשפע ומכאן גם מחירו הגבוה, והוא נידון בסופו של דבר להתכלות. חסרון בולט נוסף הוא הפגיעה באיכות הסביבה. האנרגיה המופקת מנפט יוצרת תופעות לוואי כגון פליטה של פחמן דו חמצני מהרכבים ומתחנות הכוח, ופחמן זה פוגע בשכבת האוזון שבאטמוספרה. פגיעה נוספת נגרמת כתוצאה מהובלת הנפט באמצעות מכליות ענק על פני הימים, לא פעם הן נפגעות, והנפט שנשפך גורם לנזק בלתי הפיך לאיזון האקולוגי ולסביבה.
מקור אנרגיה נוסף הוא אנרגיה גרעינית המתבצע בכורים הגרעיניים אך הסכנה הטמונה בהם ברורה לעין וגם באה לידי ביטוי ממשי באסון צ'רנוביל.
לכל אלה ועוד יש פתרונות בהיתוך הקר האנרגיה הנקייה. ראשית החומרים להפקת האנרגיה בהיתוך הקר הינם זולים יחסית ואינם מתכלים, אחד מכל 7000 גלונים של מים הוא גלון של מים כבדים. מגלון אחד של מים כבדים ניתן להפיק אנרגיה השקולה לאנרגיה המופקת מ- 300,000 גלונים של נפט. החוקרים מאמינים שממייל רבוע אחד של מי ים יהיה ניתן להפיק יותר אנרגיה מבכל עתודות הנפט שנותרו בעולם. החיסכון הכלכלי יהיה עצום. אך יותר חשוב מכך האנרגיה הזו תפסיק את הזיהום והפגיעה הקשה בסביבה, ותאפשר גם לצאצאינו ליהנות מיופיו של העולם. אנו יכולים רק לשאר את גודל ההשפעה של גילוי עתידי זה: אמצעי תעופה חדשים, פריצת גבולות בחלל, תעשיות חדשות ולא עוד עננים שחורים מהאוטובוס שעומד לידינו בפקק. אפילו הבישול במטבח ישתנה, כמו גם החימום של הבתים ומוסדות גדולים. בעזרת ההיתוך הקר יחסכו עד 90% מהוצאות חשמל וכו'... וזהו רק קצה קצהו.
ומה לגבי כל המדענים שגורסים שההיתוך הקר הוא בדיה?
להם אנו נזכיר שפעם חשבו שהעולם הוא שטוח, עד שהוכח אחרת. אסור לכבול את המדע לדוגמות ויש להיפתח לרעיונות חדשנים ומהפכניים. רק בצורה זו תמשיך האנושות לצעוד קדימה.
יש לציין שההיתוך הקר עדיין בשלבי רעיון ופיתוח ולכן אין עוד הרבה חומר על הנוסחאות המדויקות ועוד... אך הבאתי ותרגמתי את מיטב החומר שנמצא כעט באינטרנט. יש גם לציין כי לא רציתי להתעמק בידיעות שונות של מדענים אלא להביא את המידע הבסיס על סוג זה של היתוך.