شیمی نساجی

 

 

تاریخچه
از آغاز پیدایش انسان ، همواره چگونگی پوشش و نجات او از سرما مطرح بوده است. مصریها نزدیک به 5500 سال پیش هنر ریسندگی و بافندگی پنبه را آموختند و چینیها با پرورش کرم ابریشم در حدود 3600 سال پیش مشکلات پوشش خود را حل کردند. در سده هفدهم دانشمند انگلیسی به نام رابرت هوک "Robert- Hooke" پیشنهاد کرد که می‌توان الیاف را با توجه به شیوه‌ای که کرم ابریشم عمل می‌کند تولید نمود.

پس از آن ، یک بافنده انگلیسی به نام لویزشواب Lois- Schwabe توانست الیاف بسیار ظریف شیشه را با عبور شیشه مذاب از منافذ بسیار ریز تهیه نماید. پس از چندی ، سایر دانشمندان موفق به استخراج سلولز چوب و در نتیجه تولید الیاف شدند در سده‌های هجده و نوزدهم، همراه با انقلاب صنعتی ، رسیدگی و بافندگی مبدل به تکنولوژِی تهیه پارچه از الیاف گوناگون طبیعی و مصنوعی شد.

رده بندی الیاف در صنعت نساجی
در صنعت نساجی الیاف به سه دسته تقسیم می‌شوند که عبارتند از:



الیاف طبیعی "Natural fibers" الیاف طبیعی شامل دو بخش الیاف نباتی و الیاف حیوانی می‌باشند.
الیاف نباتی مانند: پنبه، کتان، کنف، رامی و الیاف حیوانی مانند: پشم و ابریشم

الیاف کانی "Mineral fibres": الیاف کانی الیافی هستند که مواد اولیه آنها از کانیها بدست می‌آیند مانند الیاف شیشه‌ای و الیاف فلزی.


الیاف مصنوعی که شامل دو دسته می‌باشند: یکی الیافی که منشا طبیعی دارند ولی توسط انسان دوباره تهیه می شوند مانند ویسکوز ، استات و تری استات که هر یک ریشه سلولزی دارند. و دیگری الیاف سینتتیک یا مصنوعی که از مشتقات نفتی تولید می‌شوند مانند: نایلون ، داکرون ، ارلون یا بطور کلی پلی آمیدها ، پلی استرها ، پلی اورتانها ، پلی اکریلونیتریل ، پلی وینیل کلراید و ... .
مقدمات تکمیل کالای نساجی
تمام پارچه‌های نساجی پس از خروج از سالن بافندگی کم و بیش دارای مقادیری ناخالصی و عیوب می‌باشند. لذا لازم است به منظور آماده کردن پارچه برای عملیات تکمیل اصلی آنرا تحت عملیات مقدمات تکمیل قرار داد. مانند توزین و متراژ پارچه ، کنترل عیوب پارچه ، گره گیری ، رفوگری و گرفتن ناخالصیها بخصوص در مورد پارچه‌های پشمی که دارای ناخالصیهای سلولزی و خرده چوب و ... می‌باشد.

روشهای تکمیل کالای نساجی
عملیات و کارهای تکمیل در نساجی برای افزایش نرمی زیر دست ، درخشندگی و بطور کلی افزایش مرغوبیت پارچه می‌باشد. عملیات تکمیل بستگی به چند عامل مهم دارد که عبارتند از: نوع الیاف ، ویژگی فیزیکی الیاف ، ابلیت جذب مواد گوناگون شیمیایی ، حساسیت الیاف نسبت به مواد تکمیل. عملیات تکمیل در مجاورت رطوبت ، دما و فشار معمولا به سه روش انجام می‌گیرد:

 

روشهای مکانیکی: مانند تراش پارچه ، خار زدن ، اطو کردن ، پرس کردن و ... .


روشهای شیمیایی: مانند تکمیل رزین ، سفید کردن و مقاوم کردن پارچه در برابر آتش و غیره. در این روش معمولا در اثر فعل و انفعالات شیمیایی حاصل بین لیف و ماده شیمیایی مصرف شده عمل تکمیل بدست می‌آید و یا اینکه ماده شیمیایی مصرف شده در اثر رسوب کردن و یا اضافه شدن در روی پارچه ، باعث تغییر در خواص پارچه می‌شود، مانند آهار دادن پارچه پنبه‌ای با محلول مواد پلیمری.


روشهای مکانیکی- شیمیایی: در این حالت از روشهای مکانیکی و شیمیایی بطور توام بهره گرفته می شود، مانند بشور و بپوش کردن پارچه و یا تثبیت حرارتی پارچه.
انواع تکمیل
تکمیل موقت
در این نوع تکمیل ، کالا را به منظور خاصی تحت عملیات تکمیلی قرار می‌دهند بطوری که اثر تکمیلی آن در عملیات بعدی مثل شستشو و غیره از بین می رود، مانند آهار دادن پارچه‌های پنبه‌ای برای عملیات بافندگی و شستشوی آهار پس از خاتمه عملیات بافندگی.

تکمیل دائم
در این نوع ، اثر تکمیلی تا زمانی که پارچه حالت خود را از دست ندهد (مخصوصا در مقابل شستشو و پوشش) باقی خواهد ماند، مانند رسوب دادن رزینهای مصنوعی مثل استرها و اترهای سلولز در روی پارچه و یا کلرینه کردن کالای پشمی یا تکمیل با فرمالدئیدها.

تکمیل ثابت
در این نوع ، اثر تکمیل مادام العمر در روی کالا باقی می‌ماند و حتی بعد از اینکه پارچه حالت و ماهیت خود را به عنوان پارچه خارجی از دست بدهد، آثار تکمیل در آن باقی خواهد ماند. مانند پلیمریزه کردن بعضی از منومرهای اکریلیکی در روی زنجیرهای اصلی مولکولهای پارچه‌های سلولزی و یا پروتئینی

شستشوی کالای نساجی
عمل شستشو ، اولین عمل تکمیل مرطوب می‌باشد و به منظور بر طرف کردن مواد خارجی مانند روغنهای ریسندگی ، واکسها و ناخالصیهای قابل حل در محلولهای شستشو انجام می‌گیرد. عملیات شستشو عبارتست از عمل کالا با پاک کننده‌های مناسب همراه با مواد قلیایی و یا در غیاب مواد قلیایی. در صورت استفاده از صابون برای عملیات شستشو ، احتیاج به آب نرم می‌باشد. ولی برای پاک کننده‌های مصنوعی چگونگی سختی آب اهمیت ندارد. همچنین برای اصلاح سفیدی پارچه و شفافیت رنگ الیاف آن عمل شستشو انجام می‌گیرد.

آهار زنی و آهار گیری
به منظور افزایش استحکام در برابر پارگی ، کاهش نیروی سایشی و خواباندن پرزهای سطحی الیاف نخهای تار را آهار می دهند. مواد آهاری ، ماکرومولکولهایی هستند که ممکن است بر اثر پیوند بین خود و یا با الیاف تشکیل پوششی به دو نخ دهند. آهار طبیعی عبارتند از: نشاسته‌ها و مشتقات آنها ، مشتقات سلولزی و (پروتئینها)). آهارهای مصنوعی عبارتند از: انواع پلی وینیل الکلها ، انواع پلی اکریلات و انواع کوپلیمراستایرین و مائیک اسید.

قبل از انجام عملیات تکمیل مرطوب لازم است آهار نخ تار پارچه با اندازه کافی بر طرف شود تا در مراحل شستشو ، سفیدگری و رنگرزی یا چاپ ، مزاحمت و نایکنواختی ایجاد نکند و در ضمن مقداری از مواد در تکمیل رنگ را به خود جذب نکند. روشهای آهارگیری عبارتند از: آهار گیری با اسید ، آهار گیری با روش تخمیر ، آهار گیری با اکسید کننده‌ها ، آهار گیری با آنزیمها.

مرسریزاسیون
یکی از عملیاتی که روی پنبه انجام می شود، عمل مرسریزه می‌باشد که شامل تماس پنبه (اعم از الیاف نخ یا پارچه) با محلول سود سوزآور و سپس شستشوی محصول در محلول رقیق اسید و سپس آب سرد به منظور خنثی کردن قلیایی و سرانجام خشک کردن محصول است. بر اثر مرسریزاسیون درخشندگی و جلای پنبه افزایش می‌یابد و ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی آن تغییرات زیادی پیدا می‌کند. معمولا پارچه‌های مرغوب پنبه‌ای پیراهنی ، رومیزی ، ملحفه‌ای و همچنین نخهای قرقره مرسریزه می‌شوند.

سفیدگری
هدف از سفیدگری ، از بین بردن رنگدانه‌ها و ناخالصیهای دیگر و در نتیجه سفید جلوه دادن الیاف می‌باشد. البته سفیدگری پنبه بسیار مهم تراز سفیدگری پشم می‌باشد، چون درصد بالایی از پشم بصورت کالای رنگی به بازار عرضه می‌شود. ولی در مقابل ، مقدار زیادی از پارچه‌های پنبه‌ای بصورت سفید و یا پارچه‌های چاپ شده با زمینه سفید مورد استفاده قرار می‌گیرد. پارچه‌های ملحفه‌ای ، رومیزی و پیراهنی نمونه‌هایی از پارچه‌های پنبه‌ای هستند که احتیاج به سفیدگری دارد.

سفیدگری پنبه بیشتر با مواد اکسید کننده مثل کلریت سدیم و هیپوکلریت سدیم و آب اکسیژنه و مواد احیا کننده مانند هیدروسولفیت و سفیدگری پشم با اکسید کننده آب اکسیژنه همراه با آمونیاک یا سیلیکات قلیایی و مواد احیا کننده ، اکسید گوگرد و یا بی سولفیت سدیم و اسید سولفوریک و سفیدگری الیاف مصنوعی با اکسید کننده آب اکسیژنه ، کلریت سدیم و هیپوکلریت سدیم و احیا کننده ، هیدروسولفیت و در صورت لازم مواد سفید نوری به همراه سفید کننده قبلی انجام می‌گیرد.

تکمیل ضد آب و دور کننده آب
تکمیل ضد آب پارچه به دو صورت امکان پذیر می‌باشد.



پوشش کل سطح پارچه توسط مواد هیدروفوب (موادی که آب را به خود جذب نمی‌کنند) است، به نحوی که تمام منافذ پارچه مسدود گردد. این روش تکمیل ضد آب نام دارد. پارچه با کاربردهای خیمه و چادر ماشین با این روش تکمیل می‌گردد.


الیاف و یا نخ از مواد ضد آب پوشیده می‌شوند، به این ترتیب فضای بین نخها در پارچه کاملا باز می‌ماند و امکان انتقال هوا وجود دارد. این روش تکمیل دور کننده آب نام دارد و بیشتر پارچه‌های لباس مثل بارانی ، لباس ورزشی و کاربردهای مشابه با این روش تکمیل ضد آب می‌گردند. بعضی از مواد ضد آب و دور کننده آب عبارتند از: مواد هیدرولیز کننده نمکهای زیرکونیوم ، استره کردن سطح الیاف با اسیدهای چرب ، استفاده از رزینهای هیدروفوب مثل رزین کاربومید ، Permel ، Paraf fion و غیره ، ترکیبات آلی سیلیکونی و اسیدهای چرب کمپلکس گرم.
تکمیل ضد آتش
یکی از روش های تکمیل ضد آتش کالای نساجی ، پوشش آن بوسیله نمکهای آمونیوم می‌باشد که در گرما تولید آمونیاک نموده و بدین ترتیب با محبوس کردن آتش در خود باعث خاموش شدن و عدم پیشرفت آن می‌گردد. مناسبترین نمکهای آمونیوم ، دی آمونیوم فسفات و کربنات آمونیوم می‌باشد. سایر تکمیل کننده‌های ضد آتش عبارتند از: اکسیدهای نامحلول قلع ، آنتیموان و تیتان ، استره کردن سطحی سلولز با اسید فسفریک و یا دی آمونیوم در حضور اوره هیدروکسی متیل فسفونیوم کلراید (THPC) و غیره.

تکمیل ضد باکتری و ضد قارچ
مواد تکمیل کننده ضد باکتری بعنوان محافظت کننده از عرق عمل کرده و از تاثیر باکتریها و یا قارچها بر آن جلوگیری می‌کنند لذا چنانچه لباسهای ورزشی و یا لباس زیر با این مواد تکمیل گردند، از تخمیر عرق بدن توسط باکتریهای موجود در هوا و در نتیجه تجزیه و بوی بد آن جلوگیری می‌کنند. برخی از این تکمیل کننده‌ها عبارتند از: ترکیبات آمونیوم چهارتایی ، Irgasan DP300 ، Dodigen 226 ، پیوند زدن سلولز با نمکهای مس و نقره توسط گروههای کربوکسیل اسید آکریلیک و یا اسید متاکلریلیک و غیره.

نرم کننده‌ها
نرم کننده‌ها مایه لطافت و نرمی زیر دست پارچه می‌شوند و در اثر بیشتر کارهای چاپ و رنگرزی و عملیات تکمیل مانند ضد آتش کردن و ضد چروک کردن پارچه زیردست، حالت خشک و شکننده‌ای پیدا می‌کند که آنها را بوسیله نرم کننده‌ها ، نرم و لطیف می‌نمایند.

 

متداولترین نرم کننده‌ها عبارتند از: استرهای اسیدفتالیک و بنزیل فتالاتها برای نرم کردن اغلب رزینها بویژه PVC ، تری ملیتانها برای نرم کردن رزینهای مصرفی در ساخت کابلهای سیم و برق و ساخت سایر عایقها ، هیدروکربنهای نفتی با وزن زیاد که دارای اتم N , S , O می‌باشند در ساخت لاستیکها بکار می‌روند، نرم کننده‌های مقاوم در برابر آتش سوزی مانند فسفاتهای آلی و پارفینهای کلردار ، نرم کننده‌های اپوکسی و پلی اورتان و غیره.

ویژگی های بمب اتمی

بمب اتمی سلاحی است که نیروی آن از انرژی اتمی و بر اثر شکاف هسته (فیسیون ) اتمهای پلوتونیوم یا اورانیوم ایجاد می شود .در فرآیند شکافت هسته ای ، اتمهای ناپایدار شکافته و به اتمهای سبکتر تبدیل می شوند .

نخستین بمب از این نوع ، در سال 1945 م در ایالات نیو مکزیکو در ایالات متحده آمریکا آزمایش شد . این بمب ، انفجاری با قدرت 19 کیلو تن ایجاد کرد ( یک کیلو تن برابر است با انرژی اتمی آزاد شده 190 تن ماده منفجره تی . ان . تی ) انفجار بمب اتمی موج بسیار نیرومند پرتوهای شدید نورانی ، تشعشعات نفوذ کننده اشعه گاما و نوترونها و پخش شدن مواد رادیو اکتیو را همراه دارد . انفجار بمب اتمی چندین هزار میلیارد کالری حرارت را در چند میلیونیوم ثانیه ایجاد می کند .

این دمای چند میلیون درجه ای با فشار بسیار زیاد تا فاصله 1200 متری از مرکز انفجار به افراد بدون پوشش حفاظتی صدمه می زند و سبب مرگ و بیماری انسان و جانوران می شود . همچنین زمین ، هوا آب و همه چیز را به مواد رادیو اکتیو آلوده می کند .

بمب های اتمی شامل نیروهای قوی و ضعیفی اند که این نیروها هسته یک اتم را به ویژه اتم هایی که هسته های ناپایداری دارند، در جای خود نگه می دارند. اساسا دو شیوه بنیادی برای آزادسازی انرژی از یک اتم وجود دارد: 1- شکافت هسته ای: می توان هسته یک اتم را با یک نوترون به دو جزء کوچک تر تقسیم کرد. این همان شیوه ای است که در مورد ایزوتوپ های اورانیوم (یعنی اورانیوم 235 و اورانیوم 233) به کار می رود.

برای تولید یک بمب اتمی موارد زیر نیاز است:

یک منبع سوخت که قابلیت شکافت یا همجوشی را داشته باشد.

دستگاهی که همچون ماشه آغازگر حوادث باشد.

راهی که به کمک آن بتوان بیشتر سوخت را پیش از آنکه انفجار رخ دهد دچار شکافت یا همجوشی کرد.

در اولین بمب های اتمی از روش شکافت استفاده می شد. اما امروزه بمب های همجوشی از فرآیند همجوشی به عنوان ماشه آغازگر استفاده می کنند.بمب های شکافتی (فیزیونی): یک بمب شکافتی از ماده ای مانند اورانیوم 235 برای خلق یک انفجار هسته ای استفاده می کند. اورانیوم 235 ویژگی منحصر به فردی دارد که آن را برای تولید هم انرژی هسته ای و هم بمب هسته ای مناسب می کند. اورانیوم 235 یکی از نادر موادی است که می تواند زیر شکافت القایی قرار بگیرد.اگر یک نوترون آزاد به هسته اورانیوم 235 برود،هسته بی درنگ نوترون را جذب کرده و بی ثبات شده در یک چشم به هم زدن شکسته می شود. این باعث پدید آمدن دو اتم سبک تر و آزادسازی دو یا سه عدد نوترون می شود که تعداد این نوترون ها بستگی به چگونگی شکسته شدن هسته اتم اولیه اورانیوم 235 دارد. دو اتم جدید به محض اینکه در وضعیت جدید تثبیت شدند از خود پرتو گاما ساطع می کنند. درباره این نحوه شکافت القایی سه نکته وجود دارد که موضوع را جالب می کند.

1 -  احتمال اینکه اتم اورانیوم 235 نوترونی را که به سمتش است، جذب کند، بسیار بالا است. در بمبی که به خوبی کار می کند، بیش از یک نوترون از هر فرآیند فیزیون به دست می آید که خود این نوترون ها سبب وقوع فرآیندهای شکافت بعدی اند. این وضعیت اصطلاحا «ورای آستانه بحران» نامیده می شود.

2 -  فرآیند جذب نوترون و شکسته شدن متعاقب آن بسیار سریع و در حد پیکو ثانیه (12-10 ثانیه) رخ می دهد.

3 -  حجم عظیم و خارق العاده ای از انرژی به صورت گرما و پرتو گاما به هنگام شکسته شدن هسته آزاد می شود. انرژی آزاد شده از یک فرآیند شکافت به این علت است که محصولات شکافت و نوترون ها وزن کمتری از اتم اورانیوم 235 دارند. این تفاوت وزن نمایان گر تبدیل ماده به انرژی است که به واسطه فرمول معروف mc2= E محاسبه می شود. حدود نیم کیلوگرم اورانیوم غنی شده به کار رفته در یک بمب هسته ای برابر با چندین میلیون گالن بنزین است. نیم کیلوگرم اورانیوم غنی شده انداز ه ای معادل یک توپ تنیس دارد. در حالی که یک میلیون گالن بنزین در مکعبی که هر ضلع آن 17 متر (ارتفاع یک ساختمان 5 طبقه) است، جا می گیرد. حالا بهتر می توان انرژی آزاد شده از مقدار کمی اورانیوم 235 را متصور شد.برای اینکه این ویژگی های اروانیوم 235 به کار آید باید اورانیوم را غنی کرد. اورانیوم به کار رفته در سلاح های هسته ای حداقل باید شامل نود درصد اورانیوم 235 باشد.در یک بمب شکافتی، سوخت به کار رفته را باید در توده هایی که وضعیت «زیر آستانه بحران» دارند، نگه داشت. این کار برای جلوگیری از انفجار نارس و زودهنگام ضروری است. تعریف توده ای که در وضعیت «آستانه بحران» قرار داد چنین است: حداقل توده از یک ماده با قابلیت شکافت که برای رسیدن به واکنش شکافت هسته ای لازم است. این جداسازی مشکلات زیادی را برای طراحی یک بمب شکافتی با خود به همراه می آورد که باید حل شود.

1 - دو یا بیشتر از دو توده «زیر آستانه بحران» برای تشکیل توده «ورای آستانه بحران» باید در کنار هم آورده شوند که در این صورت موقع انفجار به نوترون بیش از آنچه که هست برای رسیدن به یک واکنش شکافتی، نیاز پیدا خواهد شد.

2 -  نوترون های آزاد باید در یک توده «ورای آستانه بحران» القا شوند تا شکافت آغاز شود.

3 -  برای جلوگیری از ناکامی بمب باید هر مقدار ماده که ممکن است پیش از انفجار وارد مرحله شکافت شود برای تبدیل توده های «زیر آستانه بحران» به توده هایی «ورای آستانه بحران» از دو تکنیک «چکاندن ماشه» و «انفجار از درون» استفاده می شود.تکنیک «چکاندن ماشه» ساده ترین راه برای آوردن توده های «زیر بحران» به همدیگر است. بدین صورت که یک تفنگ توده ای را به توده دیگر شلیک می کند. یک کره تشکیل شده از اورانیوم 235 به دور یک مولد نوترون ساخته می شود. گلوله ای از اورانیوم 235 در یک انتهای تیوپ درازی که پشت آن مواد منفجره جاسازی شده، قرار داده می شود.کره یاد شده در انتهای دیگر تیوپ قرار می گیرد. یک حسگر حساس به فشار ارتفاع مناسب را برای انفجار چاشنی و بروز حوادث زیر تشخیص می دهد:

1 -  انفجار مواد منفجره و در نتیجه شلیک گلوله در تیوپ

2 -  برخورد گلوله به کره و مولد و در نتیجه آغاز واکنش شکافت

3 -  انفجار بمب

در «پسر بچه» بمبی که در سال های پایانی جنگ جهانی دوم بر شهر هیروشیما انداخته شد، تکنیک «چکاندن ماشه» به کار رفته بود. این بمب 5/14 کیلو تن برابر با 500/14 تن TNT بازده و 5/1 درصد کارآیی داشت. یعنی پیش از انفجار تنها 5/1 درصد ازماده مورد نظر شکافت پیدا کرد.

در همان ابتدای «پروژه منهتن»، برنامه سری آمریکا در تولید بمب اتمی، دانشمندان فهمیدند که فشردن توده ها به همدیگر و به یک کره با استفاده از انفجار درونی می تواند راه مناسبی برای رسیدن به توده «ورای آستانه بحران» باشد. البته این تفکر مشکلات زیادی به همراه داشت. به خصوص این مسئله مطرح شد که چگونه می توان یک موج شوک را به طور یکنواخت، مستقیما طی کره مورد نظر، هدایت و کنترل کرد؟افراد تیم پروژه «منهتن» این مشکلات را حل کردند. بدین صورت، تکنیک «انفجار از درون» خلق شد. دستگاه انفجار درونی شامل یک کره از جنس اورانیوم 235 و یک بخش به عنوان هسته است که از پولوتونیوم 239 تشکیل شده و با مواد منفجره احاطه شده است. وقتی چاشنی بمب به کار بیفتد حوادث زیر رخ می دهند:

1 -  انفجار مواد منفجره موج شوک ایجاد می کند.

2 -  موج شوک بخش هسته را فشرده می کند.

3 -  فرآیند شکافت شروع می شود.

4 -  بمب منفجر می شود.

در «مرد گنده» بمبی که در سال های پایانی جنگ جهانی دوم بر شهر ناکازاکی انداخته شد، تکنیک «انفجار از درون» به کار رفته بود. بازده این بمب 23 کیلو تن و کارآیی آن 17درصد بود.شکافت معمولا در 560 میلیاردم ثانیه رخ می دهد.بمب های همجوشی: بمب های همجوشی کار می کردند ولی کارآیی بالایی نداشتند. بمب های همجوشی که بمب های «ترمونوکلئار» هم نامیده می شوند، بازده و کارآیی به مراتب بالاتری دارند. برای تولید بمب همجوشی باید مشکلات زیر حل شود:دوتریوم و تریتیوم مواد به کار رفته در سوخت همجوشی هر دو گازند و ذخیره کردنشان دشوار است. تریتیوم هم کمیاب است و هم نیمه عمر کوتاهی دارد بنابراین سوخت بمب باید همواره تکمیل و پر شود.دوتریوم و تریتیوم باید به شدت در دمای بالا برای آغاز واکنش همجوشی فشرده شوند. در نهایت «استانسیلا اولام» دریافت که بیشتر پرتو به دست آمده از یک واکنش فیزیون، اشعه X است که این اشعه X می تواند با ایجاد درجه حرارت بالا و فشار زیاد مقدمات همجوشی را آماده کند. بنابراین با به کارگیری بمب شکافتی در بمب همجوشی مشکلات بسیاری حل شد. در یک بمب همجوشی حوادث زیر رخ می دهند:

1 -  بمب شکافتی با انفجار درونی ایجاد اشعه X می کند.

2 -  اشعه X درون بمب و در نتیجه سپر جلوگیری کننده از انفجار نارس را گرم می کند.

3 -  گرما باعث منبسط شدن سپر و سوختن آن می شود. این کار باعث ورود فشار به درون لیتیوم - دوتریوم می شود.

4 –  لیتیوم - دوتریوم 30 برابر بیشتر از قبل تحت فشار قرار می گیرند.

5 -  امواج شوک فشاری واکنش شکافتی را در میله پولوتونیومی آغاز می کند.

6 -  میله در حال شکافت از خود پرتو، گرما و نوترون می دهد.

7 -  نوترون ها به سوی لیتیوم - دوتریوم رفته و با چسبیدن به لیتیوم ایجاد تریتیوم می کند.

8 -  ترکیبی از دما و فشار برای وقوع واکنش همجوشی تریتیوم - دوتریوم ودوتریوم - دوتریوم و ایجاد پرتو، گرما و نوترون بیشتر، بسیار مناسب است.

9 -  نوترون های آزاد شده از واکنش های همجوشی باعث القای شکافت در قطعات اورانیوم 238 که در سپر مورد نظر به کار رفته بود، می شود.

10 -  شکافت قطعات اروانیومی ایجاد گرما و پرتو بیشتر می کند.

11 -  بمب منفجر شود.

بمب اتمی نام رایج وسایل انفجاری است که در آن‌ها از انرژی آزاد شده در فرآیند شکافت هسته‌ای، یاگداخت هسته‌ای برای تخریب استفاده می‌شود. بمب های اتمی که برمبنای گداخت کار می کنند نسل نوین بمب اتمی هستند و قدرتی بسیار بیشتر از بمب های شکافتی دارند. مبنای آزاد شدن انرژی در هر دو نوع بمب اتمی تبدیل ماده به انرژی (E = mc²)است اما در بمب های گداختی جرم بیشتری از ماده به انرژی تبدیل می شود.

نخستین بمب اتمی که بمبی پلوتونیومی(از نوع شکافتی) بود در سال ۱۹۴۵م در جریان جنگ جهانی دوم در آمریکا ساخته و در شانزدهم ژوئیهٔ ۱۹۴۵م در صحرای آلاموگوردو در نیو مکزیکوی امریکا آزمایش شد. آمریکا تنها کشوری است که از بمب اتمی (شکافتی-اورانیومی در هیروشیما وشکافتی - پلوتونیومی در ناگازاکی) استفاده نظامی کرده است. شوروی در سال ۱۹۴۹ دارای بمب اتمی شد.

اختراع این سلاح،ریشه طولانی در تاریخ علم فیزیک و شیمی دارد اما استفاده از دانش به دست آمده، برای ساخت بمب اتمی بیشتر به روبرت اوپنهایمر و ادوارد تلر نسبت داده می شود

نکاتی درباره بمب اتمی

منطقه انفجار بمب‌های هسته‌ای به پنج قسمت تقسیم می‌شود:۱- منطقه تبخیر ۲- منطقه تخریب کلی ۳- منطقه آسیب شدید گرمایی ۴- منطقه آسیب شدید انفجاری ۵- منطقه آسیب شدید باد وآتش. در منطقه تبخیر درجه حرارتی معادل سیصد میلیون درجه سانتیگراد بوجود می‌‌آید و هر چیزی، از فلز گرفته تا انسان وحیوان، در این درجه حرارت آتش نمی‌گیرد بلکه بخار می‌شود.

آثار زیانبار این انفجار حتی تا شعاع پنجاه کیلومتری وجود دارد و موج انفجار آن که حامل انرژی زیادی است می‌‌تواند میلیون‌ها دلار تجهیزات الکترونیکی پیشرفته نظیر ماهواره‌ها و یا سیستم‌های مخابراتی را به مشتی آهن پاره تبدیل کند و همه آنها را از کار بیندازد.

اینها همه آثار ظاهری و فوری بمب‌های هسته‌ای است . پس از انفجار تا سال‌های طولانی تشعشعات زیانبار رادیواکتیو مانع ادامه حیات موجودات زنده در محل‌های نزدیک به انفجار می‌شود.

پرتو رادیو اکتیو از پرتوهای آلفا، بتا، گاما و تابش نوترونی تشکیل شده است. نوع آلفای آن بسیار خطرناک است ولی توان نفوذ اندکی دارد. این پرتو در بافت زنده تنها کمتر از ۱۰۰ میکرون نفوذ می کند اما برای آن ویرانگر است. پرتوی گاما از دیوار و سنگ نیز عبور می‌کند.هر ۹ میلی‌متر سرب یا هر ۲۵ متر هوا شدت تابش آن را نصف می‌کند. این پرتو نیز با توجه به فرکانس بسیار بالا، انرژی زیادی دارد که اگر به بدن انسان برخورد کند از ساختار سلولی آن عبور کرده و در مسیر حرکت خود باعث تخریب ماده دزوکسی ریبو نوکلوئیک اسید یا همان DNA شده و سرانجام زمینه را برای پیدایش انواع سرطان‌ها، سندرم‌ها ونقایص غیر قابل درمان دیگر فراهم می‌‌کند وحتی این نقایص به نسل‌های آینده نیز منتقل خواهد شد. برای

جلوگیری از نفوذ تابش گامابه حدود ۱۰ سانتی‌متر دیوارهٔ سربی نیاز است

دید کلی

همه ما می‌دانیم چه انرژی عظیم و قابل ملاحظه‌ای در داخل اتمها وجود دارد. این انرژی همان است که عموما آن را انرژی اتمی می‌نامند. اما چون این انرژی در داخل هسته اتمها وجود دارد در زبان علمی نام دقیقتر آنرا انرژی هسته‌ای انتخاب کرده‌اند.
تحولاتی که به کشف بمب هسته‌ای منجر شد

هنگامی که دانشمند ایتالیایی به نام انریکو فرمی ، تجربیات و تحقیقات خود را در زمینه عملی ساختن فعل و انفعالات زنجیری مداوم دنبال می‌کرد. پیش بینی می‌شد که این فعل و انفعال ممکن است انفجاری باشد. به همین سبب ایالات متحده آمریکا که در جنگ جهانی دوم شرکت کرده بود، در صدد برآمد تحت عنوان مبارزه ضد فاشیستی ، نظر دانشمندان اروپایی را برای ساختن سلاح اتمی جلب کند. لذا آن را به ممالک متحده فرا خواند، تا در آنجا که دور از بمبهای دشمن قرار داشت و شرایط کار بهتر بود. امکان استفاده از این انرژی انفجاری را که در سلاحهای جنگی ، مخصوصا بمب مورد بررسی قرار دهند.

پس از گرد آمدن برجسته ترین دانشمندان ، ابتدا تجسساتی در زمینه تصفیه ²³⁵U و بعد ساختن پلوتونیوم در آزمایشگاههای چند دانشگاه مهم آمریکا از جمله دانشگاههای کلمبیا و کالیفرنیا صورت گرفت. نتیجه این تجسسات ، ساختن دو کارخانه بزرگ و مجهز برای تصفیه ²³⁵U و ساختن پلوتونیوم منجر گردید. سپس آزمایشگاه عظیم و مجهز ، لوس آلاموس در ایالت نیومکزیکو تحت نظر دانشمندان معروف . جی . آر . اوپن هایمر تأسیس شد.

دانشمندان معروف دیگری از کشورهای مختلف از قبیل جیمز چارویک ، اچ بث ، آر. آرویلسون ، نیلس بوهر و غیره ، برای ساختن بمب اتمی ، یعنی سلاحی که ممکن است سبب نابودی بشر و تمدن او گردد، همکاری کردند. در نتیجه تحقیقات دانشمندان ، اساس ساختمان بمب اتمی پی ریزی شد. البته بسیاری از وسایلی که برای بمب اتمی بکار رفت، به کلی افشا نشده ، با این حال با اطلاعات وسیعی که ضمن اظهارات رئیس طرح مانهاتان بدست آمد، طرز عمل تا اندازه‌ای روشن

گردید.

تاریخچه اولین انفجارهای هسته‌ای

اولین بار در شانزدهم ژوید سال 1945 ، بمب اتمی کوچک ، به عنوان آزمایش ، در صحرای الاموگوردو واقع در ایالت نیومکزیکو منفجر گردید. بمب را در انتهای بمبی از فولاد نصب کرده بودند و فرمان انفجار آن از پناهگاهی به فاصله 10 کیلومتر صادر می‌شد. محل دیده بانی ناظر این در 17 کیلومتری نقطه انفجار بود. نتیجه این آزمایش به قدری وحشت انگیز بود، که از آنچه قبلا پیش بینی شده بود تجاوز می‌کرد، از جمله برج فولادین حامل بمب به کلی تبخیر شده و در جای آن گودالی وسیع بوجود آمده بود.

کمتر از یک ماه بعد ، بمب اتمی دیگری که قدرت تخریبی آن معادل (1000 تن TNT) بود، روی بندر هیروشیما در ژاپن منفجر گردید (انفجار هیروشیما)، که در نتیجه ، آن شهر به کلی ویران شد و چند هزار مردم به هلاکت رسیدند. فقط معدودی از سکنه اطراف شهر از این بلا جان به در بردند، که هنوز بازماندگان آنان از اثرات زیان بخش تشعشعات هسته‌ای آن رنج می‌برند.

سومین بمب اتمی روز نهم ماه اوت روی شهر ناکازاکی منفجر شد و این دو فاجعه تاریخی کشور ژاپن را در مقابل ایالت متحده آمریکا به زانو در آورد. هر چند که پس از جنگ جهانی دوم دولت آمریکا نام طرح مانهاتان را به کمسیون انرژی اتمی تبدیل کرد و فعالیت این کمسیون را به موارد استفاده از انرژی اتمی در صنعت ، پزشکی و کشاورزی تخصیص داد و در حال حاضر یک کمسیون بین المللی نیز برای استفاده‌های صلح جویانه از انرژی اتمی فعالیت می‌کنند. بنابراین هنوز هم آزمایشهای سلاحهای هسته‌ای ادامه دارد و بدین وسیله دول بزرگ جهان در برابر یکدیگر قدرت نمایی می‌کنند.

ساختمان بمب هسته‌ای

ساختار سلاح هسته‌ای به این صورت است که هر گاه مقدار عنصر قابل شکافت ، که از اندازه بحرانی بیشتر باشد، پدیده شکافت شروع می شود. این پدیده خیلی سریع پیشرفت می‌کند و با آزاد شدن مقادیر عظیم انرژی در مدت بسیار کوتاه ، انفجار مهیبی رخ می‌دهد. ولی از آنجایی که بمب باید در لحظه دلخواه منفجر شود، مقداری از ²³⁵U ، یا ²³⁹Pu را که خالص بوده و حجم کلی آن از اندازه بحرانی بیشتر باشد، به چند قسمت مجزا ، که هر یک از آنها از اندازه بحرانی کمتر است، تقسیم می‌کنند و این قسمتها را در محفظه‌ای طوری قرار می‌دهند که نوترونهایی که ممکن است در هر یک از آنها آزاد شوند، در قسمت دیگر نفوذ نکنند.

در این تقسیم بندی هرگاه به هر روشی در یکی از اجزای بمب پدیده شکافت شروع شود، در لحظه‌ای که انفجار باید صورت گیرد، رخداد پدیده شکافت زنجیری و مداوم نخواهد بود. این مواد با جرمهای زیر جرم بحرانی عنصر قابل شکافت را به هم نزدیک می‌کنند. تا مجموع آنها از جرم بحرانی بیشتر شود و واکنش زنجیری به وقوع بپیوندد.

نباید فراموش کرد که پیشرفت واکنش زنجیری بسیار سریع است و انفجار اتمی در قطعات اورانیوم فقط در حدود یک میلیونم ثانیه طول می‌کشد. لذا اگر اندازه‌های بحرانی زیر را به آهستگی به هم نزدیک کنیم. ممکن است قبل از تماس ، واکنش زنجیری شروع شود و شدت گرمای حاصل از شکافتهای اولیه به حدی گردد، که قبل از انفجار واقعی ، ماده قابل شکافت را متلاشی سازد و واکنش زنجیری به خاموشی گراید. برای رفع نقایص بمب هسته‌ای به صورت زیر عمل می‌کنیم:

اولا اتصال قطعات اورانیوم بوسیله یک ماده منفجره قوی نظامی صورت می‌گیرد.

ثانیا محفظه ماده اتمی را بسیار ضخیم و محکم می سازد. تا در آغاز واکنش زنجیری از متلاشی شدن ماده مزبور جلوگیری کند و سپس انفجار واقعی صورت

گیرد.  

بهینه سازی خروجی بمب و افزایش قدرت آن

طرق مختلف نزدیک کردن قطعات اورانیوم یا پلوتونیوم به یکدیگر هنوز یک موضوع سری نظامی است. ولی واقعیت این است که هر چه سرعت اتصال قطعات زیادتر باشد، واکنش زنجیری سریعتر و و مقدار بیشتری از هسته‌های اورانیوم موجود شکافته شده و بهره سلاح اتمی بیشتر می‌شود.

اصولا اتصال سریع قطعات است که انفجار مهیب بمب اتمی را بوجود می‌آورد. اگر منعکس کننده‌ای به دور ماده اتمی قرار داده شود، از فرار نوترونها جلوگیری نموده و شکافت زنجیری تسریع می‌گردد. استفاده از منعکس کننده نوترون ، وزن بحرانی را نیز تقلیل می‌دهد.

باید توجه داشت که حتی در بهترین شرایط همه اورانیوم موجود در یک بمب اتمی تحت عمل شکافتن قرار نمی‌گیرد و در شرایط بسیار مناسب تنها در حدود 10 درصد ماده هسته‌ای شکافته می‌شود و بقیه در نتیجه ، انفجار تبدیل به غبار شده و در فضا پخش می‌گردند بدون اینکه هسته‌های آنها شکافته شوند.

جرم بحرانی از اسرار نظامی است و ممالکی که آن را می‌دانند به شدت از فاش شدن آن جلوگیری می‌کنند. بنابرین از مطالبی که در این باره منتشر شده است، چنین بر می آید که جرم بحرانی باید بین ا و 10 کیلوگرم باشند.

وجود جرم بحرانی ، افزایش قدرت بمب اتمی را محدود می‌کند. زیرا برای آنکه بتوانیم انفجاری ایجاد کنیم:

اولا نباید مقدار سوختی کمتر از جرم بحرانی بکار بریم و این مقدار حد پایین بمب اتمی را تعیین می‌کند.

ثانیا وزن هر یک از قطعات اورانیوم درون بمب نمی‌تواند بیش از وزن بحرانی باشد. زیرا در آن صورت هر قطعه خود به خود منفجر خواهد شد.

ساختن بمبهای بیش از دو قطعه نیز بسیار مشکل است. زیرا اگر دو قطعه از قطعات اورانیوم ، حتی به اندازه یک میلیونم ثانیه قبل از قطعات دیگر به هم وصل شوند، انفجار اتمی صورت خواهد گرفت و باعث پراکندگی قطعات دیگر اورانیوم خواهد شد. قطعات دیگر مجال دخول در قطعات زنجیری را نخواهند یافت. به عبارت دیگر بطور کلی میزان اتمهای اورانیومی که در واکنشهای زنجیری وارد می‌شوند، با افزایش تعداد قطعات داخل بمب ، تقلیل می‌یابد و عمل انفجار ناقص می‌ماند.

نگاه اجمالی

آنچه خداوند در طبیعت به ودیعه نهاده است، اگر بصورت صحیح و در جهت درست مورد استفاده قرار گیرد، وسایل رفاه و آسایش بیشتر را تأمین خواهد کرد. اما اگر این امکانات خدادادی در جهت نادرست و نامشروع مورد بهره برداری قرار گیرند، نه تنها وسیله‌ای برای آرامش و آسایش او نخواهد بود، بلکه بلای جان او شده و وسیله‌ای برای تهدید هستی او تبدیل خواهد شد. یکی از این منابع طبیعی سنگ معدن اورانیوم است که اگر بصورت درست مورد استفاده قرار گیرد، بسیار مفید بوده و به تعداد فوق‌العاده‌ای می‌تواند انرژی برق مورد استفاده بشر را تأمین کند، اما متأسفانه استفاده‌های نادرست سبب شده است که این عنصر خدادادی ماده اولیه سلاحهای مرگبار باشد که بمب اتمی یکی از این نمونه‌ها می‌باشد.

تاریخچه

استفاده از انرژی هسته‌ای به مقیاس زیاد بین سالهای 1939 تا 1945 میلادی در ایالات متحده آمریکا انجام شد. این امر زیر فشار جنگ جهانی دوم ، بصورت نتیجه تلاشهای مشترک تعداد زیادی از دانشمندان و مهندسان صورت گرفت. دست اندرکارانی که در ایالات متحده به این کار اشتغال داشتند، آمریکایی ، بریتانیایی و پناهندگان اروپایی کشورهایی بودند که زیر سلطه فاشیسم قرار داشتند. تلاش آنان این بود که قبل از آلمانیها به یک سلاح هسته‌ای دست پیدا کنند ، این سلاح هسته‌ای همان بمب اتمی بود.

بمب اتمی چیست؟

بمب اتمی در اصل یک راکتور هسته‌ای ‌کنترل نشده است که در آن یک واکنش هسته‌ای بسیار وسیع در مدت یک میلیونیم ثانیه در سراسر ماده صورت می‌گیرد. بنابراین ، این واکنش با راکتور هسته‌ای کنترل شده تفاوت دارد. در راکتور هسته‌ای کنترل شده ، شرایط به گونه‌ای سامان یافته است که انرژی حاصل از شکافت بسیار کندتر و اساسا با سرعت ثابت رها می‌شود. در این راکتور ، ماده شکافت پذیر به گونه‌ای با مواد دیگر آمیخته می‌شود که بطور متوسط ، فقط یک نوترون گسیل یافته از عمل شکافت موجب شکافت هسته دیگر می‌شود، و واکنش زنجیری به این طریق فقط تداوم خود را حفظ می‌کند. اما در یک بمب اتمی ، ماده شکافت‌پذیر خالص است، یعنی یک متعادل کننده آمیخته نیست و طراحی آن به گونه‌ای است که تقریبا تمام نوترونهای گسیل یافته از هر شکافت می‌تواند در هسته‌های دیگر شکافت ایجاد کند.

عناصر اصلی سازنده

بمب اتمی در طول جنگ جهانی دوم از راکتورهای هسته‌ای برای تولید مواد خام نوعی بمب هسته‌ای ، یعنی برای ساختن ²³⁹Pu از ²³⁵U استفاده می‌شد. هر دو این عناصر می‌توانند یک واکنش زنجیری کنترل نشده سریع ایجاد کنند. بمبهای هسته‌ای یا اتمی از هر دو این مواد ساخته می‌شوند. تنها یک بمب اتمی که از ²³⁵U ساخته شده بود، شهر هیروشیما در ژاپن را در 6 آگوست سال 1945 میلادی ویران کرد. بمب دیگری که از ²³⁹U در ساختن آن بکار برده شده بود، سه روز بعد شهر ناکازاکی کشور ژاپن را با خاک یکسان ساخت.

عواقب ناشی از بمب اتمی

یک مسئله فرعی ، ریزشهای رادیواکتیو حاصل از آزمایش بمبهای اتمی است. در انفجار بمب اتمی مقدار قابل توجهی محصولات شکافت رادیواکتیو پراکنده می‌شوند. این مواد بوسیله باد از یک بخش جهان به نقاط دیگر آن منتقل می‌شوند و بوسیله باران و برف از جو زمین فرو می‌ریزند. بعضی از این مواد رادیواکتیو طول عمر زیادی دارند، لذا بوسیله مواد غذایی گیاهی جذب شده و بوسیله مردم و حیوانات خورده می‌شوند. معلوم شده است که اینگونه مواد رادیواکتیو آثار ژنتیکی و همچنین آثار جسمانی زیان آوری دارند. یکی از فراوانترین محصولات حاصل از شکافت ²³⁵U یا ²³⁹Pu ، که از لحاظ شیمیایی شبیه ⁴⁰₂₀Ga است. بنابراین وقتی که ⁹⁰Sr حاصل از ریزشهای رادیواکتیو وارد بدن می‌شود، به ماده استخوانی بدن راه می‌یابد. این عنصر می‌تواند با گسیل ذرات بتا با انرژی 0.54 میلیون الکترون ولت (نیم عمر 28 سال) نابود می‌شوند، که می‌تواند به سلولها آسیب رسانده و موجب بروز انواع بیماریها از قبیل تومور استخوان ، لوکمیا و ... ، بخصوص در کودکان در حال رشد ، می‌شود.