פוסט אורח מאת מאיר זליג-הס

נתחיל מהאטום, או יותר מדויק: א-טומוס, שזה ביוונית "בלתי ניתן לחלוקה" [3]. הרעיון כי קיימים בטבע חלקיקים קטנים כל כך שלא ניתן עוד לפרק אותם לרכיבים קטנים יותר, הוא רעיון ישן מאוד. עד כמה ישן? הפילוסוף היווני דמוקריטוס, הוא הראשון שתועד כמשתמש במושג, בסביבות 440 לפני הספירה. מסתבר שהאטום, האחראי לכל התהליכים הכימיים, אינו חלקיק כל כך יסודי כמו שחשב דמוקריטוס וכמו שחשבו אחריו במשך יותר מאלף שנים. האטום מורכב מגרעין דחוס מאוד ומאלקטרונים עליהם ניתן לחשוב כמרחפים על מסלולים סביב הגרעין. מרבית המסה של האטום נמצאת בגרעינו.כאשר אנחנו מדברים כימיה, אנחנו מדברים בעצם על הדינאמיקה של האלקטרונים שבאטומים של חומרים שונים. במקום להתמקד בחברים הללו, ניכנס פנימה אל גרעין האטום ונגלה שאף הוא אינו יסודי כל כך – הוא מורכב מפרוטונים וניוטרונים הדבוקים אחד לשני חזק. כהערת אגב, ניתן להמשיך ולדון בחלקיקים המרכיבים את הפרוטונים והניוטורונים, אך זה לא יעזור לנו בהבנת תהליכים גרעיניים, לכן נעצור בשלב הזה ונמשיך את הירידה בסקאלה בפעם אחרת. פרוטון הוא חלקיק בעל מטען חשמלי חיובי ואילו ניוטרון הוא חלקיק ניטרלי מבחינה חשמלית. למה זה חשוב? בגלל שחלקיקים בעלי מטען חשמלי דומה דוחים אחד את השני ואילו מטענים הפוכים נמשכים [4].רגע, אז איך קורה שהפרוטונים בגרעין לא נהדפים אחד מן השני? מה שומר על הגרעין האטומי כל כך יציב בחיי היום-יום? כנגד הכוח החשמלי הדוחה את הפרוטונים (ואינו משפיע על הניוטרונים) פועל כוח גרעיני חזק המושך כל חלקיק מהגרעין לכל חלקיק אחר מהגרעין, ואשר חוזקו גבוה יותר מחוזק הכוח החשמלי. אז פרוטונים נמשכים לפרוטונים, פרוטונים נמשכים לניוטרונים וגם ניוטרונים נמשכים לניוטרונים, כל אלו תודות לכוח הגרעיני החזק [5].ניתן אפוא להתחיל לדבר על יציבות של גרעינים וכתוצאה מכך על יציבות של חומרים בטבע. חומר יהיה יציב יותר אם הגרעינים באטומים המרכיבים אותו יהיו יציבים יותר. כל החומרים המצויים בגוף האנושי, במזון שאנו אוכלים, במים שאנו שותים ובכמעט כל חומר שאנו באים עמו במגע – כל החומרים הללו הם יציבים מבחינה גרעינית.אך הפוסט הזה לא עוסק בחומרים יציבים, הפוסט הזה עוסק בפצצות אטום. אז אילו חומרים אינם יציבים? "מתכות כבדות" כמו אורניום ופלוטוניום הן דוגמאות לכך, ובאופן כללי יותר, כל החומרים בטבלה המחזורית שהינם בעלי "גרעינים כבדים". ככל שגרעינו של אטום הוא כבד יותר, הוא ניחן במספר גדול יותר של פרוטונים וניוטרונים, שזה אומר שחלק מן הפרוטונים יימצאו על היקף הגרעין, במרחק רב אחד מן האחר.

כעת מגיע הפאנץ' – מסתבר שהכוח הגרעיני הוא משמעותי בחוזקו רק במרחקים קצרים בין החלקיקים, המאפיינים גרעינים קטנים, כלומר קלים. לעומת זאת, הכוח החשמלי הוא משמעותי גם בטווחי מרחק ארוכים, ולכן ממשיך לדחות פרוטונים גם כאשר הם רחוקים אחד מן האחר. מכאן נובע שבגרעינים כבדים, הפרוטונים המצויים על שפת הגרעין ימשיכו להידחות חשמלית, אך כבר לא יימשכו כל כך חזק על ידי הכוח הגרעיני – הגרעין פחות יציב וצפוי להתבקע לגרעינים קלים יותר ויותר, עד הגעה מחדש למצב יציב [6].אז גרעין לא יציב ישר גורר חומר לא יציב? לא בדיוק, כי גרעין הוא בסקלה מיקרוסקופית ואילו החומר הוא מאקרוסקופי. על מנת שחומר יהיה בלתי-יציב, על מספר עצום של גרעינים לעבור ביקוע כמו שתיארנו. כאן נכנס לפעולה עקרון "תגובת השרשרת" או "המפולת": כאשר גרעין אחד מתפרק, הוא משחרר חלק מן הניוטרונים שהיו בגרעין. ניוטרונים אלו חופשיים לנוע במרחב עד פגישתם בגרעין בלתי-יציב אחר, בו הם מעודדים התפרקות נוספת, המשחררת אף היא ניוטרונים חדשים וחוזר חלילה, עד שכמות מאקרוסקופית של גרעיני החומר (עשירית, מחצית או אפילו כולם) התבקעו [7].פצצת אטום, או בשמה היותר מדויק "פצצת ביקוע-גרעיני", מבוססת על העקרונות הבסיסיים שהצגנו. בכל פצצה מצויה כמות מסוימת של חומר בלתי-יציב הנמצא על סף התפרקות כוללת. מה שמכתיב את תחילת המפולת זו היא מסה קריטית – סף של מסת חומר אשר מעליה החומר מתנפץ ומתחתיה החומר נשאר יציב על הסף. מתחת למסה הקריטית, כמות הניוטרונים קטנה מכדי לגרום לתגובת שרשרת ואילו מעל המסה הקריטית הכמות מספקת ליצירת מפולת כזו ולכן לניפוץ של כמות מאקרוסקופית (אחוזים עד עשרות אחוזים) מן החומר [8].מדוע בפצצות שהוטלו בהירושימה ובנאגאסאקי השתמשו דווקא באורניום ובפלוטוניום ולא במתכות כבדות אף יותר? הסיבה לכך היא כפולה:א. מתכות כבדות יותר הן נדירות יותר על כדור הארץ.
ב. מתכות כבדות בהרבה יותר בדרך כלל תהיינה עוד יותר בלתי-יציבות, ולכן המסה הקריטית הדרושה לתגובת שרשרת תהיה קטנה יותר, מה שיגרום לפצצה לייצר אפקט קטן יותר ובכך להשפיע פחות על המערכה.
הבהרה: חשוב לנו להדגיש כי אף חבר בצוות הדף מדע גדול, בקטנה אינו קשור ליישומי מחקר גרעיני באופן ישיר או עקיף. הידע שלנו מגיע רק דרך הלמידה האישית שלנו במוסדות ההשכלה הגבוהה. בנוסף, איננו באים להציג עמדה כזו או אחרת, אלא רק להציג בפניכם את הפיזיקה המרתקת שמאחורי פצצות ביקוע-גרעיני.
לפוסט המקורי