• بازدید : 227 views
  • بدون نظر
این فایل در ۱۰صفحه قابل ویرایش تهیه شده وشامل موارد زیر است:

هليم (Helium) با علامت مختصر He يک عنصر شيميايي بدون بو، بدون رنگ و بدون مزه‌است که به صورت گاز است. در جدول عناصر بعد از هيدروژن قرار مي‌گيرد و دومين ماده‌اي است که به وفور در کيهان يافت مي‌شود. هليوم در سال ۱۸۶۸ توسط يک اخترشناس فرانسوي کشف شد. هليوم در مواردي از جمله سرمازايي و پر کردن بالن‌ها استفاده مي‌شود.
واژهٔ هليوم از واژهٔ يوناني “هليوس” (Helios) گرفته شده که بمعناي خورشيد است
هليم چيست؟
بسياري از گازها را مي توان در آزمايشگاه تهيه كرد. اما بعضي از آنها را فقط در طبيعت مي توان يافت.
هليم يكي از اين گازها است كه بي بو و بي مزه است. اين گاز داراي خصوصيات ويژه اي است كه انرا براي ما مفيد مي سازد پس از هيدروژن اين گاز سبك ترين گازهاست. سبكي گاز هليم باعث كاربرد آن در بالون ها، نيروي دريايي، هوايي و زميني در ارتش مي شود. براي آنكه غواصاني كه از اعماق دريا رو به سطح آب شنا مي كنند. به دليل تغيير ميزان فشار آب دچار سكته نشوند در كپسول هواي آنها تركيبي از هليم و اكسيژن وارد مي كنند. براي جوشكاري آلومينيوم نيز از گاز هليم بهره برده مي شود. تركيبي از هليم و نئون براي توليد اشعه ليزر بكار گرفته شود. در حرارت ۴/۲۸۶ درجه سانتي گراد هليم به مايع تبديل مي شود. به همين دليل براي انجام كارهايي كه در حرارت بسيار كم امكان پذير است مورد استفاده قرار مي گيرد. هليم در ۱۸۶۸ توسط دانشمندان انگليسي«سرجوزف ندمن» «لايك ير» «پيرجانسن» كشف شد. هنگامي كه آنان مشغول مطالعه طيف خورشيدي براي عناصر موجود در آن بودند متوجه خطوطي كه پيش از آن هرگز ديده شده بود گرديدند اين خطوط امكان وجود عناصر جديدي را در خورشيد مطرح كرد و بر اساس كلمه يوناني «هليوس» يعني خورشيد نام آن را هليم گذاشتند از آن پس دانشمندان مطالعات فراواني بر روي هليم انجام دادند و دريافتند كه در اتمسفر زمين نيز هليم به ميزان كمي وجود دارد در هواي اتمسفري هليم به مقدار ۱۸۶۰۰۰/۱ از عناصر را تشكيل مي دهد يعني ۰۰۰۵۲۳۹/ درصد مي باشد.
در بعضي از نقاط امريكا مانند تگزاس نيومكزيكر، كانزاس، ميزان هليم به ۸% در اتمسفر مي رسد همچنين در بعضي نقاط ديگر مثل كانادا، افريقا و صحرا ميزان اين گاز زياد است.
امريكا بزرگترين فروشنده هليم به كشورهاي ديگر است زيرا داراي بزرگترين منبع هليم جهان است در گذشته اين گاز بسيار گران بود اما امروزه قيمت آن كاهش يافته است.


اطلاعات اوليه 
هليم ، عنصر شيميايي است که در جدول تناوبي با نشان He و عدد اتمي ۲ وجود دارد. هليم که گاز بي‌اثر بي‌رنگ و بي‌بويي است، داراي پايين‌ترين نقطه جوش در ميان عناصر است و تنها تحت فشار بسيار زياد به حالت جامد در مي‌آيد. اين عنصر بصورت گاز تک‌اتمي يافت مي‌شود، از نظر شيميايي خنثي مي‌باشد و بعد از هيدروژن فراوانترين عنصر در جهان به حساب مي‌آيد.

هليم در جو زمين به ميزان بسيار کم براثر فرسايش مواد معدني خاصي يافت شده ، در بعضي از آبهاي معدني هم وجود دارد. هليم در گازهاي طبيعي خاصي بصورت مقادير قابل تهيه تجاري وجود دارد و از آن بعنوان گاز بالابرنده در بالونها ، مايع سردکننده سرمازا در آهنرباهاي ابر رسانا و گاز وزن افزا در غواصي در آبهاي عميق استفاده مي‌گردد. 
تاريخچــــــــه 
هليم ( از واژه يوناني helios به معني خورشيد ) درسـال ۱۸۶۸ توسط “Pierre Janssen” فرانســوي و “Norman Lockyer” انگليسي که مستقل از هم فعاليت مي‌کردند، کشف شد. هر دوي آنها هنگام يک خورشيد گرفتگي در همان سال ، مشغول مطالعه بر روي نور خورشيد بودند و بطور طيف‌نمايي متوجه خط انتشار عنصر ناشناخته اي شدند. “Eduard Frankland” ضمن تاييد يافته‌هاي Janssen ، نام اين عنصر را با توجه به نام خداي خورشيد در يونان ،Helios پيشنهاد کرد و چون انتظار مي‌رفت اين عنصر جديد ، فلز باشد، پسوند ium – را به آن افزود.

“William Ramsay” سال ۱۸۹۵ اين عنصر را از clevite جدا نمود و در نهايت متوجه غير فلز بودن آن گشت، اما نام اين عنصر تغييري نکرد. “Nils Langlet” و “Per Theodor Cleve” شيميدانان سوئدي که بطور مستقل از Ramsay کار مي‌کردند، تقريبا” در همان زمان موفق به جداسازي هليم از Clevite شدند.

سال ۱۹۰۷ “Thomas Royds” و “Thomas Royds” موفق به اثبات اين واقعيت شدند که ذرات آلفا ، هسته‌هاي اتم هليم مي‌باشند. “Heike Kamerlingh Onnes” فيزيکدان آلماني درسال ۱۹۰۸ اولين مايع هليم را بوسيله سرد کردن اين گاز تا ۹K بدست آورد و به سبب اين کار بزرگ ، جايزه نوبل را به او اهداء کردند.

سال ۱۹۲۶، يکي از شاگردان او به نام “Willem Hendrik Keesom ” براي اولين بار هليم را بصورت جامد تبديل نمود. 
پيدايــــــــش 
هليم بعد از هيدروژن فراوانترين عنصر در جهان است و تقريبا” ۲۰% ماده ستارگان را تشکيل مي‌دهد. اين گاز همچنين داراي نقش مهمي در واکنشهاي پروتون – پروتون و چرخه کربن در ستارگان است که تشکيل دهنده بيشترين انرژي آنها مي‌باشد. فراواني هليم بيشتر از آن است که با توليد توسط ستارگان توجيه شود، اما با مدل انفجار بزرگ (Big Bang ) سازگار است و اکثر هليم موجود در جهان در سه دقيقه اول شکل‌گيري جهان بوجود آمده‌اند.

اين عنصر در جو زمين و به مقدار ۱ در ۰۰۰ ۰۰ ۲ وجود داشته ، بعنوان يک محصول فروپاشي در کاني‌هاي راديواکتيو گوناگوني يافت مي‌شود؛ بخصوص اين عنصر در کاني‌هاي اورانيوم و توريم مانند clevites ، pitchblende، carnotite ، monazite و beryl ، بعضي از آبهاي معدني ( در بعضي از چشمه هاي ايسلند به ميزان ۱ در ۱۰۰۰ هليم وجود دارد )، در گازهاي آتشفشاني و در گازهاي طبيعي خاصي در آمريکا (که بيشتر هليم تجاري جهان از اين منطقه بدست مي‌آيد) ديده مي‌شود.

هليم را مي توان از طريق بمباران ليتيم با بور بوسيله پروتونهاي سريع توليد نمود. 
خصوصيات قابل توجه 
هليم در دما و فشار طبيعي بصورت گازي تک‌اتمي وجود دارد و فقط در شرايط بسيار غير عادي متراکم مي‌شود. هليم داراي پايين‌ترين نقطه ذوب در ميان عناصر است و تنها مايعي است که با کاهش دما به جامد تبديل نمي‌شود و در فشار استاندارد تا دماي صفر مطلق به حالت مايع باقي مي‌ماند؛ (تنها با افزايش فشار مي‌توان آنرا به جامد تبديل نمود.)

در واقع دماي بحراني که بالاتر از آن بين حالات مايع و گاز هيچ تفاوتي وجود ندارد، تنها ۱۹,۵K است. He-4 و He-3 جامد از اين نظر که يک محقق مي‌تواند با استفاده از فشار حجم آنها را بيش از ۳۰% تغيير دهد، منحصر به فرد هستند. ظرفيت گرمايي ويژه گاز هليم بسيار زياد است و بخار آن بسيار متراکم مي‌باشد، بطوري‌که در صورت گرم شدن در دماي اطاق سريعا” منبسط مي‌گردد.

هليم جامد فقط در فشار بالا و در تقريبا” ۱۰۰ مگا پاسکال در ۱۵- درجه کلوين است که بين دماي پايين و بالا يک جابجايي انجام مي‌دهد که در آن ، اتمها داراي آرايشهاي به‌ترتيب مکعبي و شش‌ضلعي مي‌شوند. در يک لحظه از اين دما و فشار ، حالت سومي بوجود مي‌آيد که در آن ، اتمها آرايشي مکعبي به خود مي‌گيرند، در حاليکه جرم آن در مرکز قرار دارد.

تمامي اين حالات از نظر انرژي و چگالي مشابه هستند و دلايل اين تغييرات به جزئيات چگونگي شکل‌گيري اتم‌ها بر مي‌گردد. 
کاربردهـــــــا 
هليم بيشتر بعنوان گازي بالابرنده در بالونها استفاده مي‌شود که از آنها به‌ترتيب براي تبليغات ، تحقيقات جوي ، شناسايي‌هاي نظامي و بعنوان يک چيز بديع استفاده مي‌شود. بعلاوه هليم داراي قدرت بالابرندگي ۹۲,۶۴% هيدروژن است، اما بر خلاف آن قابل اشتعال نبوده ، بنابراين ايمن‌تر از هيدروژن به‌حساب مي‌آيد. 
ساير کاربردهاي آن 
هليم – اکسيژن براي تنفس در محيطهاي پرفشار مثل لباس غواصي يا زيردريائيها بکار مي‌رود، چون هليم ساکن است و کمتر از نيتروژن ، در خون قابل حل مي‌باشد و ۲,۵ مرتبه سريعتر از نيتروژن منتشر مي‌شود. اين مسئله موجب کاهش مدت زمان لازم براي از بين بردن گاز در هنگام فشارزدايي مي‌شود و خطر خواب نيتروژني را از بين مي‌برد و احتمال تمرکز آن مثل حبابهاي متصل وجود ندارد.
داراي پايين‌ترين نقطه ذوب و جوش در ميان عناصر است که اين خصوصيت ، مايع هليم را به خنک کننـده اي ايده‌آل براي مقاصدي که دماي بسيار پايين نياز دارند، تبديل مي‌کند، از جمله آهنرباهاي ابررسانا و تحقيقات سرما شناسي که در آنها دماي نزديک به صفر مطلق نياز است.
هليم بعنوان يک خنثي و حامل بعنوان مثال در گاز رنگ‌کاري)) مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
همجوشي هيدروژن به هليم انرژي لازم براي بمبهاي اتمي را تامين مي‌کند.
از هيدروژن همچنين براي موشکهاي با سوخت مايع فشرده ، بعنوان حفاظ گاز در جوشکاري برقي ، بعنوان گازي محافظ براي توليد بلورهاي سيليکون و ژرمانيم ، بعنوان عامل خنک کننده براي رآکتورهاي اتمي و براي تونلهاي بادي فراصوتي استفاده مي‌شود.
همزمان با پيشرفت تکنولوژي MRI) magnetic resonance imaging) در مصارف پزشکي ، استفاده از هليم مايع در MRI رو به افزايش است. 
ترکيبات 
هليم اولين عنصر در گروه گازهاي بي‌اثر است و براي بسياري از اهداف عملي واکنش‌ناپذير مي‌باشد. اما در اثر تخليه الکتريکي يا بمباران الکتروني ، ترکيباتي را با تنگستن ، يد ، فلوئور ، گوگرد و فسفر بوجود مي‌آورد. 
ايزوتوپهــــــــــا 
معمولترين ايزوتوپ هليم ، He-4 مي‌باشد که هسته آن ، داراي دو پروتون و دو نوترون است. چون تعداد نوکلئونها عجيب است، اين يک آرايش اتمي غيرعادي پايدار به‌حساب مي‌آيد، يعني نوکلئونها در لايه‌هاي کامل آرايش يافته‌اند. بسياري از هسته‌هاي سنگين‌تر بر اثر انتشار هسته‌هاي He-4 متلاشي مي‌شوند، فرآيندي که فروپاشي آلفا ناميده شده ، به همين علت هسته‌هاي هليم را ذرات آلفا مي‌نامند و بيشتر هليم زمين با اين فرآيند توليد مي‌شود.

دومين ايزوتوپ هليم ، He-3 است که هسته آن تنها داراي يک نوترون مي‌باشد. علاوه بر اينها هليم چندين ايزوتوپ سنگين تر راديواکتيو دارد. He-3 عملا” در سطح زمين ناشناخته است، چون منابع دروني هليم ، زمانيکه ذرات آلفا و هليم اتمسفري در دوران زمين شناسي نسبتا” کوتاهي وارد فضا مي‌شوند، فقط ايزوتوپ He-4 توليد مي‌کنند.

He-3و He-4 هر دو در انفجار بزرگ (Big Bang) توليد شده‌اند و بعد از هيدروژن ، فراوانترين عنصر موجود در طبيعت هليم است. هليم اضافي بوسيله همجوشي هيدروژن درون هسته‌هاي اختري و از طريق فرآيندي که زنجيره پروتون – پروتون ناميده مي‌شود، توليد مي‌گردد. 
گونه‌هــــــــا 
هليم مايع ( He-4) به دو صورت يافت مي‌شود : He-4II و He-4I که در نقطه تحول فعالي در دماي ۱۷۶۸,۲K و در فشار بخار آن مشترک هستند. He-4I ( بالاي اين نقطه) مايعي نرمال است، اما He-4II ( پايين اين نقطه) شبيه هيچ يک از مواد شناخته شده نمي‌باشد. 
وقتي در دماي بالاتر از ۱۷۶۸,۲K و در فشار بخار خود ( به اصطلاح نقطه لامدا ) سرد شد، تبديل به يک ابر شار به نام هليم مايع II مي‌گردد ( برعکس هليم مايعI که نرمال است) که به علت تاثيرات کوانتومي ، ويژگيهاي غير عادي زيادي داشته ، يکي از اولين نمونه‌هاي مشاهده شده از اثرات کوانتومي است که درمقياس macroscopic عمل مي‌کند.

چون اين تاثير متکي به تراکم بوزونها( bosons ) است، اين تحولات در He-3 در دمايي پايين‌تر از He-4 رخ مي‌دهد، اما هسته‌هاي He-3 فرميونها ( fermions ) هستند که نمي‌توانند جداگانه متراکم شوند، ولي در جفتهاي بوزوني بايد اينگونه باشند. چون اين دگرگوني منظم است، بدون گرماي نهان در نقطه لامدا اين دو نوع مايع هرگز همزيستي نمي‌کنند.

هليم II داراي ويسکوزيته صفر است و خاصيت هدايت حرارتي آن از تمام مواد ديگر بيشتر است. بعلاوه هليم II پديده ترمومکانيکال را بروز مي‌دهد؛ اگر دو ظرف حاوي هليمII بوسيله يک لوله بسيار باريک به هم متصل باشند و يکي از آنها را گرم کنيم، جرياني از هليم II به طرف ظرف گرم شده بوجود مي‌آيد. بر عکس در پديده مکانيک حرارتي ، سرد کردن هليم II که در حال خارج شدن از لوله باريک است، باعث ايجاد جريان اجباري هليم II در لوله اي باريک مي‌شود
  • بازدید : 123 views
  • بدون نظر
این فایل در قالب pdfتهیه شده وشامل موارد زیر است:

ترکیب شیمیایی عبارت است از یک ماده شیمیایی خالص که از دو یا چند عنصر شیمیایی مختلف تشکیل می‌شود. این عناصر به وسیلهٔ پیوند شیمیایی به یکدیگر متصل می‌شوند و می‌توانند به وسیله واکنش شیمیایی به مواد ساده تبدیل گردند. هر ترکیب شیمیایی مختلف، یک ساختمان شیمیایی تعریف شده منحصر به فرد دارد؛ به عبارت دیگر، هر ترکیب نسبت اتمی یکسانی دارد که اتم‌های آن با چینش مکانی مشخصی به وسیله پیوند شیمیایی آرایش می‌یابند. ترکیبات شیمیایی ممکن است به صورت ترکیب مولکولی باشند که در این صورت مولکول‌ها با پیوند کووالانسی در کنار هم قرار می‌گیرند؛ همچنین ممکن است به صورت نمک باشند و به وسیله پیوند یونی به هم پیوند یابند؛ اگر ترکیب مورد نظر تنها شامل فلزات باشد، پیوند بین ذره‌های آن پیوند فلزی و اگر کمپلکس شیمیایی باشد، پیوند بین ذرات آن پیوند داتیو خواهد بود.عناصر شیمیایی خالص، در گروه ترکیبات شیمیایی قرار نمی‌گیرند، حتی اگر از دو یا چند اتم از یک نوع عنصر (مانند H۲ و S۸) تشکیل شده باشند که پیوندهای دو اتمی یا چند اتمی نامیده می‌شوند.
شیمیدان‌ها ترکیب‌های شیمیایی را با به کار گیری فرمول‌ها توصیف می‌کنند. شکل‌های گوناگونی برای توصیف فرمول شیمیایی وجود دارد. برای ترکیب‌هایی که به صورت مولکولی هستند، فرمول برای یک واحد مولکولی نشان داده می‌شود. در مورد مواد پلیمری و دارای ساختارهای تکراری، مانند مواد معدنی معمولاً فرمول تجربی مورد استفاده قرار می‌گیرد (مانند NaCl که فرمول تجربی نمک طعام است).

چینش نام عناصر در یک ترکیب شیمیایی با ترتیب مشخصی صورت می‌گیرد. برای نمونه، بر پایه روشی که نام‌گذاری هیل نامیده می‌شود، اگر اتم‌های کربن و هیدروژن در یک ترکیب وجود داشته‌باشند، ابتدا کربن و پس از آن هیدروژن و سپس سایر عناصر به ترتیب الفبایی قرا داده می‌شوند.

یک روش دیگر آن است که عناصر به ترتیب الکترون‌خواهی خود در فرمول قرار داده می‌شوند. در این روش، ابتدا عناصر فلزی که کمترین الکترون‌خواهی را دارند در سمت چپ و عناصر غیر فلزی در سمت راست فرمول قرار می‌گیرند. یک روش کامل‌تر، آن است که نوشتن فرمول با تکیه بر ساختار ترکیب انجام شود. برای نمونه، در ترکیبات آلی اسیدی، بخش آلی در سمت چپ و بخش اسیدی شامل COOH در سمت راست نوشته می شود. (برای نمونه، استیک اسید به صورت CH۳COOH نوشته می شود.)
ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی مخلوطی از چند عنصر یا ترکیب، مشابه با ویژگی‌های مواد تشکیل دهنده آن است؛ در حالی که ويزگی‌های ترکیب‌ها با عناصر تشکیل دهنده آن‌ها متفاوت است. یک تفاوت معمول دیگر ترکیب با مخلوط آن است که می‌توان ماده‌های تشکیل دهنده یک مخلوط را با روش‌های مکانیکی (مانند تبخیر و میدان مغناطیسی) به سادگی از یکدیگر جدا کرد؛ ولی اجزای شکل دهنده یک ترکیب تنها با استفاده از یک واکنش شیمیایی قابل تجزیه هستند.
برخی از مخلوط‌ها مانند آلیاژهای فلزی، به گونه‌ای با یکدیگر مخلوط می‌شوند که ویژگی‌هایی مانند ترکیب‌ها پیدا می‌کنند.
سیاری از عناصر در حالت اتمی پایداری مناسبی ندارند و با یکدیگر ترکیب می‌شوند تا به حالت پایدارتر برسند. آنها هنگامی به حالت پایدار می‌رسند که به بیشترین تعداد الکترون لایه ظرفیت و بیشترین سطح انرژی خود رسیده باشند که معمولاً تعداد ۲ یا ۸ ظرفیت الکترون است. به همین دلیل گازهای نجیب غالباً واکنش نشان نمی‌دهند، زیرا همه ۸ الکترون ظرفیت آنها پر شده و نیاز به تغییر در ساختار الکترونی خود ندارند. (بجز هلیم که ۲ الکترون در لایه ظرفیت خود دارد).

همچنین ممکن است دو یا چند ترکیب که در مجاورت یکدیگر قرار دارند، واکنش شیمیایی انجام داده و به یک یا چند ترکیب دیگر تبدیل شوند. برای نمونه، هنگامی که یک باز و یک اسید با یکدیگر مخلوط شوند، واکنش شیمیایی انجام داده و به یک نمک و آب تبدیل می‌شوند. مانند ترکیب زیر:
  • بازدید : 56 views
  • بدون نظر
این فایل در ۲۸صفحه قابل ویرایش تهیه شده وشامل موارد زیر است:

برحسب نظريه اتمي عنصر عبارت است از يك جسم خالص ساده كه با روش هاي شيميايي نمي توان آن را تفكيك كرد. از تركيب عناصر با يكديگر اجسام مركب به وجود مي آيند. تعداد عناصر شناخته شده در طبيعت حدود ۹۲ عنصر است. 

هيدروژن اولين و ساده ترين عنصر و پس از آن هليم، كربن، ازت، اكسيژن و… فلزات روي، مس، آهن، نيكل و… و بالاخره آخرين عنصر طبيعي به شماره ۹۲، عنصر اورانيوم است. بشر توانسته است به طور مصنوعي و به كمك واكنش هاي هسته اي در راكتورهاي اتمي و يا به كمك شتاب دهنده هاي قوي بيش از ۲۰ عنصر ديگر بسازد كه تمام آن ها ناپايدارند و عمر كوتاه دارند و به سرعت با انتشار پرتوهايي تخريب مي شوند. اتم هاي يك عنصر از اجتماع ذرات بنيادي به نام پرتون، نوترون و الكترون تشكيل يافته اند. پروتون بار مثبت و الكترون بار منفي و نوترون فاقد بار است.
تعداد پروتون ها نام و محل قرار گرفتن عنصر را در جدول تناوبي (جدول مندليف مشخص مي كند. اتم هيدروژن يك پروتون دارد و در خانه شماره ۱ جدول و اتم هليم در خانه شماره ۲ ، اتم سديم در خانه شماره ۱۱ و… و اتم اورانيوم در خانه شماره ۹۲ قرار دارد. يعني داراي ۹۲ پروتون است . 
ايزوتوپ هاي اورانيوم 
تعداد نوترون ها در اتم هاي مختلف يك عنصر همواره يكسان نيست كه براي مشخص كردن آنها از كلمه ايزوتوپ استفاده مي شود. بنابراين اتم هاي مختلف يك عنصر را ايزوتوپ مي گويند . مثلاً عنصر هيدروژن سه ايزوتوپ دارد: هيدروژن معمولي كه فقط يك پروتون دارد و فاقد نوترون است. هيدروژن سنگين يك پروتون و يك نوترون دارد كه به آن دوتريم گويند و نهايتاً تريتيم كه از دو نوترون و يك پروتون تشكيل شده و ناپايدار است و طي زمان تجزيه مي شود . 
ايزوتوپ سنگين هيدروژن يعني دوتريم در نيروگاه هاي اتمي كاربرد دارد و از الكتروليز آب به دست مي آيد. در جنگ دوم جهاني آلماني ها براي ساختن نيروگاه اتمي و تهيه بمب اتمي در سوئد و نروژ مقادير بسيار زيادي آب سنگين تهيه كرده بودند كه انگليسي ها متوجه منظور آلماني ها شده و مخازن و دستگاه هاي الكتروليز آنها را نابود كردند . 
غالب عناصر ايزوتوپ دارند از آن جمله عنصر اورانيوم، چهار ايزوتوپ دارد كه فقط دو ايزوتوپ آن به علت داشتن نيمه عمر نسبتاً بالا در طبيعت و در سنگ معدن يافت مي شوند. اين دو ايزوتوپ عبارتند از اورانيوم ۲۳۵ و اورانيوم ۲۳۸ كه در هر دو ۹۲ پروتون وجود دارد ولي اولي ۱۴۳ و دومي ۱۴۶ نوترون دارد. اختلاف اين دو فقط وجود ۳ نوترون اضافي در ايزوتوپ سنگين است ولي از نظر خواص شيميايي اين دو ايزوتوپ كاملاً يكسان هستند و براي جداسازي آنها از يكديگر حتماً بايد از خواص فيزيكي آنها يعني اختلاف جرم ايزوتوپ ها استفاده كرد. ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۵ شكست پذير است و در نيروگاه هاي اتمي از اين خاصيت استفاده مي شود و حرارت ايجاد شده در اثر اين شكست را تبديل به انرژي الكتريكي مي نمايند. در واقع ورود يك نوترون به درون هسته اين اتم سبب شكست آن شده و به ازاي هر اتم شكسته شده ۲۰۰ ميليون الكترون ولت انرژي و دو تكه شكست و تعدادي نوترون حاصل مي شود كه مي توانند اتم هاي ديگر را بشكنند. بنابراين در برخي از نيروگاه ها ترجيح مي دهند تا حدي اين ايزوتوپ را در مخلوط طبيعي دو ايزوتوپ غني كنند و بدين ترتيب مسئله غني سازي اورانيوم مطرح مي شود . 
ساختار نيروگاه اتمي 
به طور خلاصه چگونگي كاركرد نيروگاه هاي اتمي را بيان كرده و ساختمان دروني آنها را مورد بررسي قرار مي دهيم . 
طي سال هاي گذشته اغلب كشورها به استفاده از اين نوع انرژي هسته اي تمايل داشتند و حتي دولت ايران ۱۵ نيروگاه اتمي به كشورهاي آمريكا، فرانسه و آلمان سفارش داده بود. ولي خوشبختانه بعد از وقوع دو حادثه مهم تري ميل آيلند (Three Mile Island) در ۲۸ مارس ۱۹۷۹ و فاجعه چرنوبيل (Tchernobyl) در روسيه در ۲۶ آوريل ۱۹۸۶ ، نظر افكار عمومي نسبت به كاربرد اتم براي توليد انرژي تغيير كرد و ترس و وحشت از جنگ اتمي و به خصوص امكان تهيه بمب اتمي در جهان سوم، كشورهاي غربي را موقتاً مجبور به تجديدنظر در برنامه هاي اتمي خود كرد . 
نيروگاه اتمي در واقع يك بمب اتمي است كه به كمك ميله هاي مهاركننده و خروج دماي دروني به وسيله مواد خنك كننده مثل آب و گاز، تحت كنترل درآمده است. اگر روزي اين ميله ها و يا پمپ هاي انتقال دهنده مواد خنك كننده وظيفه خود را درست انجام ندهند، سوانح متعددي به وجود مي آيد و حتي ممكن است نيروگاه نيز منفجر شود، مانند فاجعه نيروگاه چرنوبيل شوروي. يك نيروگاه اتمي متشكل از مواد مختلفي است كه همه آنها نقش اساسي و مهم در تعادل و ادامه حيات آن را دارند. اين مواد عبارت اند از : 
۱- ماده سوخت متشكل از اورانيوم طبيعي، اورانيوم غني شده، اورانيوم و پلوتونيم است . 
عمل سوختن اورانيوم در داخل نيروگاه اتمي متفاوت از سوختن زغال يا هر نوع سوخت فسيلي ديگر است. در اين پديده با ورود يك نوترون كم انرژي به داخل هسته ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۵ عمل شكست انجام مي گيرد و انرژي فراواني توليد مي كند. بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم، ناپايداري در هسته به وجود آمده و بعد از لحظه بسيار كوتاهي هسته اتم شكسته شده و تبديل به دوتكه شكست و تعدادي نوترون مي شود. تعداد متوسط نوترون ها به ازاي هر ۱۰۰ اتم شكسته شده ۲۴۷ عدد است و اين نوترون ها اتم هاي ديگر را مي شكنند و اگر كنترلي در مهار كردن تعداد آنها نباشد واكنش شكست در داخل توده اورانيوم به صورت زنجيره اي انجام مي شود كه در زماني بسيار كوتاه منجر به انفجار شديدي خواهد شد . 
در واقع ورود نوترون به درون هسته اتم اورانيوم و شكسته شدن آن توام با انتشار انرژي معادل با ۲۰۰ ميليون الكترون ولت است اين مقدار انرژي در سطح اتمي بسيار ناچيز ولي در مورد يك گرم از اورانيوم در حدود صدها هزار مگاوات است. كه اگر به صورت زنجيره اي انجام شود، در كمتر از هزارم ثانيه مشابه بمب اتمي عمل خواهد كرد . 
اما اگر تعداد شكست ها را در توده اورانيوم و طي زمان محدود كرده به نحوي كه به ازاي هر شكست، اتم بعدي شكست حاصل كند شرايط يك نيروگاه اتمي به وجود مي آيد . به عنوان مثال نيروگاهي كه داراي ۱۰ تن اورانيوم طبيعي است قدرتي معادل با ۱۰۰ مگاوات خواهد داشت و به طور متوسط ۱۰۵ گرم اورانيوم ۲۳۵ در روز در اين نيروگاه شكسته مي شود و همان طور كه قبلاً گفته شد در اثر جذب نوترون به وسيله ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۸ اورانيوم ۲۳۹ به وجود مي آمد كه بعد از دو بار انتشار پرتوهاي بتا (يا الكترون) به پلوتونيم ۲۳۹ تبديل مي شود كه خود مانند اورانيوم ۲۳۵ شكست پذير است . در اين عمل ۷۰ گرم پلوتونيم حاصل مي شود. ولي اگر نيروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترون هاي موجود در نيروگاه زياد باشند مقدار جذب به مراتب بيشتر از اين خواهد بودو مقدار پلوتونيم هاي به وجود آمده از مقدار آنهايي كه شكسته مي شوند بيشتر خواهند بود. در چنين حالتي بعد از پياده كردن ميله هاي سوخت مي توان پلوتونيم به وجود آمده را از اورانيوم و فرآورده هاي شكست را به كمك واكنش هاي شيميايي بسيار ساده جدا و به منظور تهيه بمب اتمي ذخيره كرد . 
۲- نرم كننده ها موادي هستند كه برخورد نوترون هاي حاصل از شكست با آنها الزامي است و براي كم كردن انرژي اين نوترون ها به كار مي روند. زيرا احتمال واكنش شكست پي در پي به ازاي نوترون هاي كم انرژي بيشتر مي شود. آب سنگين (D2O) يا زغال سنگ (گرافيت ) به عنوان نرم كننده نوترون به كار برده مي شوند . 
۳- ميله هاي مهاركننده : اين ميله ها از مواد جاذب نوترون درست شده اند و وجود آنها در داخل رآكتور اتمي الزامي است و مانع افزايش ناگهاني تعداد نوترون ها در قلب رآكتور مي شوند. اگر اين ميله ها كار اصلي خود را انجام ندهند، در زماني كمتر از چند هزارم ثانيه قدرت رآكتور چند برابر شده و حالت انفجاري يا ديورژانس رآكتور پيش مي آيد. اين ميله ها مي توانند از جنس عنصر كادميم و يا بور باشند . 
۴- مواد خنك كننده يا انتقال دهنده انرژي حرارتي : اين مواد انرژي حاصل از شكست اورانيوم را به خارج از رآكتور انتقال داده و توربين هاي مولد برق را به حركت در مي آورند و پس از خنك شدن مجدداً به داخل رآكتور برمي گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودي عمل مي كنند و با خارج از محيط رآكتور تماسي ندارند. اين مواد مي توانند گاز CO2 ، آب، آب سنگين، هليم گازي و يا سديم مذاب باشند . 

انواع راکتور 
راکتورهای اتمی را معمولا برحسب خنک کننده، کند کننده، نوع و درجه غنای سوخت در آن طبقه بندی می کنند. معروفترین راکتورهای اتمی، راکتورهایی هستند که از آب سبک به عنوان خنک کننده و کند کننده و اورانیوم غنی شده(۲ تا ۴ درصد اورانیوم ۲۳۵) به عنوان سوخت استفاده می کنند. این راکتورها عموما تحت عنوان راکتورهای آب سبک (LWR ) شناخته می شوند. راکتورهای WWER,BWR,PWR از این دسته اند. نوع دیگر، راکتورهایی هستند که از گاز به عنوان خنک کننده، گرافیت به عنوان کند کننده و اورانیوم طبیعی یا کم غنی شده به عنوان سوخت استفاده می کنند. این راکتورها به گاز – گرافیت معروفند. راکتورهای HTGR,AGR,GCR از این نوع می باشند. راکتور PHWR راکتوری است که از آب سنگین به عنوان کندکننده و خنک کننده و از اورانیوم طبیعی به عنوان سوخت استفاده می کند. نوع کانادایی این راکتور به CANDU موسوم بوده و از کارایی خوبی برخوردار می باشد. مابقی راکتورها مثل FBR ( راکتوری که از مخلوط اورانیوم و پلوتونیوم به عنوان سوخت و سدیم مایع به عنوان خنک کننده استفاده کرده و فاقد کند کننده می باشد ) LWGR( راکتوری که از آب سبک به عنوان خنک کننده و از گرافیت به عنوان کند کننده استفاده می کند) از فراوانی کمتری برخوردار می باشند. در حال حاضر، راکتورهای PWR و پس از آن به ترتیب PHWR,WWER,BWR فراوانترین راکتورهای قدرت در حال کار جهان می باشند . 
به لحاظ تاریخی اولین راکتور اتمی در آمریکا بوسیله شرکت ” وستینگهاوس” و به منظور استفاده در زیر دریائیها ساخته شد. ساخت این راکتور پایه اصلی و استخوان بندی تکنولوژی فعلی نیروگاههای اتمی PWR را تشکیل داد. سپس شرکت جنرال الکتریک موفق به ساخت راکتورهایی از نوع BWR گردید. اما اولین راکتوری که اختصاصا جهت تولید برق طراحی شده، توسط شوروی و در ژوئن ۱۹۵۴در “آبنینسک” نزدیک مسکو احداث گردید که بیشتر جنبه نمایشی داشت، تولید الکتریسیته از راکتورهای اتمی در مقیاس صنعتی در سال ۱۹۵۶ در انگلستان آغاز گردید. تا سال ۱۹۶۵ روند ساخت نیروگاههای اتمی از رشد محدودی برخوردار بود اما طی دو دهه ۱۹۶۶ تا ۱۹۸۵ جهش زیادی در ساخت نیروگاههای اتمی بوجود آمده است. این جهش طی سالهای ۱۹۷۲ تا ۱۹۷۶ که بطور متوسط هر سال ۳۰ نیروگاه شروع به ساخت می کردند بسیار زیاد و قابل توجه است. یک دلیل آن شوک نفتی اوایل دهه ۱۹۷۰ می باشد که کشورهای مختلف را برآن داشت تا جهت تأمین انرژی مورد نیاز خود بطور زاید الوصفی به انرژی هسته ای روی آورند. پس از دوره جهش فوق یعنی از سال ۱۹۸۶ تاکنون روند ساخت نیروگاهها به شدت کاهش یافته بطوریکه بطور متوسط سالیانه ۴ راکتور اتمی شروع به ساخت می شوند . 
کشورهای مختلف در تولید برق هسته ای روند گوناگونی داشته اند. به عنوان مثال کشور انگلستان که تا سال ۱۹۶۵ پیشرو در ساخت نیروگاه اتمی بود، پس از آن تاریخ، ساخت نیروگاه اتمی در این کشور کاهش یافت، اما برعکس در آمریکا به اوج خود رسید. کشور آمریکا که تا اواخر دهه ۱۹۶۰ تنها ۱۷ نیروگاه اتمی داشت در طول دهه های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ بیش از ۹۰ نیروگاه اتمی دیگر ساخت. این مسئله نشان دهنده افزایش شدید تقاضای انرژی در آمریکاست. هزینه تولید برق هسته ای در مقایسه با تولید برق از منابع دیگر انرژی در امریکا کاملا قابل رقابت می باشد. هم اکنون فرانسه با داشتن سهم ۷۵ درصدی برق هسته ای از کل تولید برق خود درصدر کشورهای جهان قرار دارد. پس از آن به ترتیب لیتوانی(۷۳درصد)، بلژیک(۵۷درصد)، بلغارستان و اسلواکی(۴۷درصد) و سوئد (۸/۴۶ درصد) می باشند. آمریکا نیز حدود ۲۰ درصد از تولید برق خود را به برق هسته ای اختصاص داده است . 
گرچه ساخت نیروگاههای هسته ای و تولید برق هسته ای در جهان از رشد انفجاری اواخر دهه ۱۹۶۰ تا اواسط ۱۹۸۰ برخوردار نیست اما کشورهای مختلف همچنان درصدد تأمین انرژی مورد نیاز خود از طریق انرژی هسته ای می باشند. طبق پیش بینی های به عمل آمده روند استفاده از برق هسته ای تا دهه های آینده همچنان روند صعودی خواهد داشت. در این زمینه، منطقه آسیا و اروپای شرقی به ترتیب مناطق اصلی جهان در ساخت نیروگاه هسته ای خواهند بود. در این راستا، ژاپن با ساخت نیروگاههای اتمی با ظرفیت بیش از ۲۵۰۰۰ مگا وات درصدر کشورها قرار دارد. پس از آن چین، کره جنوبی، قزاقستان، رومانی، هند و روسیه جای دارند. استفاده از انرژی هسته ای در کشورهای کاندا، آرژانتین، فرانسه، آلمان، آفریقای جنوبی، سوئیس و آمریکا تقریبا روند ثابتی را طی دو دهه آینده طی خواهد کرد . 
غنی سازی اورانيم 
سنگ معدن اورانيوم موجود در طبيعت از دو ايزوتوپ ۲۳۵ به مقدار ۷/۰ درصد و اورانيوم ۲۳۸ به مقدار ۳/۹۹ درصد تشكيل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسيد حل كرده و بعد از تخليص فلز، اورانيوم را به صورت تركيب با اتم فلئور (F) و به صورت مولكول اورانيوم هكزا فلورايد UF6 تبديل مي كنند كه به حالت گازي است. سرعت متوسط مولكول هاي گازي با جرم مولكولي گاز نسبت عكس دارد اين پديده را گراهان در سال ۱۸۶۴ كشف كرد. از اين پديده كه به نام ديفوزيون گازي مشهور است براي غني سازي اورانيوم استفاده مي كنند.در عمل اورانيوم هكزا فلورايد طبيعي گازي شكل را از ستون هايي كه جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل و فرج دار) درست شده است عبور مي دهند. منافذ موجود در جسم متخلخل بايد قدري بيشتر از شعاع اتمي يعني در حدود ۵/۲ انگشترم ( ۰۰۰۰۰۰۰۲۵/۰ سانتيمتر) باشد. ضريب جداسازي متناسب با اختلاف جرم مولكول ها است.روش غني سازي اورانيوم تقريباً مطابق همين اصولي است كه در اينجا گفته شد. با وجود اين مي توان به خوبي حدس زد كه پرخرج ترين مرحله تهيه سوخت اتمي همين مرحله غني سازي ايزوتوپ ها است زيرا از هر هزاران كيلو سنگ معدن اورانيوم ۱۴۰ كيلوگرم اورانيوم طبيعي به دست مي آيد كه فقط يك كيلوگرم اورانيوم ۲۳۵ خالص در آن وجود دارد. براي تهيه و تغليظ اورانيوم تا حد ۵ درصد حداقل ۲۰۰۰ برج از اجسام خلل و فرج دار با ابعاد نسبتاً بزرگ و پي درپي لازم است تا نسبت ايزوتوپ ها تا از برخي به برج ديگر به مقدار ۰۱/۰ درصد تغيير پيدا كند. در نهايت موقعي كه نسبت اورانيوم ۲۳۵ به اورانيوم ۲۳۸ به ۵ درصد رسيد بايد براي تخليص كامل از سانتريفوژهاي بسيار قوي استفاده نمود. براي ساختن نيروگاه اتمي، اورانيوم طبيعي و يا اورانيوم غني شده بين ۱ تا ۵ درصد كافي است. ولي براي تهيه بمب اتمي حداقل ۵ تا ۶ كيلوگرم اورانيوم ۲۳۵ صددرصد خالص نياز است .
عملا در صنايع نظامي از اين روش استفاده نمي شود و بمب هاي اتمي را از پلوتونيوم ۲۳۹ كه سنتز و تخليص شيميايي آن بسيار ساده تر است تهيه مي كنند. عنصر اخير را در نيروگاه هاي بسيار قوي مي سازند كه تعداد نوترون هاي موجود در آنها از صدها هزار ميليارد نوترون در ثانيه در سانتيمتر مربع تجاوز مي كند. عملاً كليه بمب هاي اتمي موجود در زراد خانه هاي جهان از اين عنصر درست مي شود.روش ساخت اين عنصر در داخل نيروگاه هاي اتمي به صورت زير است: ايزوتوپ هاي اورانيوم ۲۳۸ شكست پذير نيستند ولي جاذب نوترون كم انرژي ( نوترون حرارتي هستند. تعدادي از نوترون هاي حاصل از شكست اورانيوم ۲۳۵ را جذب مي كنند و تبديل به اورانيوم ۲۳۹ مي شوند. اين ايزوتوپ از اورانيوم بسيار ناپايدار است و در كمتر از ده ساعت تمام اتم هاي به وجود آمده تخريب مي شوند. در درون هسته پايدار اورانيوم ۲۳۹ يكي از نوترون ها خودبه خود به پروتون و يك الكترون تبديل مي شود.بنابراين تعداد پروتون ها يكي اضافه شده و عنصر جديد را كه ۹۳ پروتون دارد نپتونيم مي نامند كه اين عنصر نيز ناپايدار است و يكي از نوترون هاي آن خود به خود به پروتون تبديل مي شود و در نتيجه به تعداد پروتون ها يكي اضافه شده و عنصر جديد كه ۹۴ پروتون دارد را پلوتونيم مي نامند. اين تجربه طي چندين روز انجام مي گيرد . 

تعاریف اصطلاحات در فیزیک هسته ای 
ویژه هسته: یک هسته خاص با اعداد پروتونی (Z) و نوترونی (N) معین را گویند . 
ایزوتوپ ها: ویژه هسته هایی با پروتون های یکسان و نوترون های مختلف را گویند.مثال:ایزوتوپ هیدروژن ۲۱ H و ۳۱ H می باشند . 
ایزوتون ها: ویژه هسته هایی با نوترون برابر و پروتون مختلف را گویند . 
ایزوبارها: ویژه هسته هایی با عدد جرمی A ی برابر (A=Z+N) را می گویند . 
ایزومر: ویژه هسته هایی در حالت بر انگیخته با نیم عمر قابل اندازه گیری را ایزومر می نامند . 
نوکلئون: ذرات تشکیل دهنده هسته) نوترون یا پروتون ) نوکلئون نام دارند . 
مزون ها: ذراتی هستند با جرمی بین جرم الکترون و جرم پروتون . شناخته شده ترین مزون ها عبارتند از: مزون های پی که نقش مهمی در نیروهای هسته ای باز می کند و مزون های مو که در پدیده های پرتو کیهانی مهم است . 
پوزیترون: الکترون با بار مثبت به عبارتی ذره ای با جرمی برابر جرم الکترون و باری برابر بار الکترون با علامت مثبت . 
فوتون: کوانتوم تابش الکترومغناطیسی که معمولاً بصورت نور اشعه ایکس یا اشعه گاما ظاهر می شودبه عبارت دیگر کوچکترین ذرات سازنده نور فوتون ها هستند . 
اسپین: صرفنظر از انرژی مربوط به چرخش الکترون به دور هسته اتمی الکترون نیز انرژی اضافی دیگری دارد که مربوط به چرخش حول محور خود می باشد .علاوه بر الکترون ذراتی دیگر مثل پروتون ، نوترون و فنون ها نیز به نوبه خود دارای اسپین می باشد . 
آب سنگین: اصطلاحی که معمولا برای مولکول آب دارای دو اتم هیدروژن سنگین بکار می رود در این مولکول دو اتم دوتریوم بجای دو اتم هیدروژن جایگزین می شود (D2o). آب سنگین دارای خواص غیر عادی بوده و در راکتور های هسته ای نقش ایفا می کنند . 
بتاترون: یک شتاب دهنده چرخه ای است این دستگاه شامل یک محفظه حلقوی بدون هوا است.که بین قطبهای یک الکترومغناطیس جای دارد یک چشمه الکترونی نیز داخل آن محفظه قرار گرفته است . 
سوخت هسته ای پلوتنیم: یک عنصر شیمیائی یا عدد اتمی ۹۲ و جرم اتمی ۲۳۹ و یک فلز سمی است. به سادگی در هوا آتش می گیرد. کاربرد عمده پلوتونیم در راکتورهای هسته ای ، بمب های هسته ای ، چشمه ذره آلفا و اشعه گاما در پزشکی است . 
کوانتا (Cuonta ): در سال ۱۹۰۱ فیزیکدان معاصر آلمانی ماکس پلانک پیشنهاد نمود که در انتقالات فیزیکی و تاثیرات متقابل اتم های ماده ، انرژی بصورت مقادیر مجزا یا “بسته های” کوچک نشر یافته و یا جذب می شوند. در نتیجه مطابق این تئوری، انرژی دارای مقادیر پیوسته ای نمی باشد. این قسمتهای کوچک نام کوانتوم بخود گرفت . 
لباسهای بادی (Pneumatic suit ): لباسهای مخصوص که برای کار در هوای آلوده به مواد رادیو اکتیو ) بخارهای گازها ، ذرات بسیار ریز) بکار می رود . 
مهندسی هسته ای:شاخه ای از مهندسی مواد که انرژی هسته ای و نیز موارد استفاده از آن را برای احتیاجات کلی و دفاعی مطالعه و بررسی می کند . 
نوترنیو (Neutrino): ذراتی هستند خنثی که تشخیص و حتی به تله انداختن آنها خیلی مشکل است ضمن واپاشی بتای هسته های اتمی همراه الکترون یا پوزیترون گسیل می شود . 
نیم عمر (Half Life): یکی از مهمترین کمیت های مشخصه مواد رادیو اکتیو نیم عمر آنها می باشد و طبق تعریف مدت زمانی است که فعالیت چشمه به نصف مقدار اولیه می رسد . 
راکتورهای هسته ای: وسیله که درآن واکنش شکافت زنجیری کنترل شده انجام می شود. راکتور هسته ای نام دارد. اورانیوم و پلوتونیم به عنوان سوخت هسته ای به کار می رود . 
پرتوهای کیهانی:تابش های کیهانی عبارتست از ذرات مثبت تند ( پروتون ها ) و شماری ذرات آلفا و هسته های دیگر ذرات اولیه. پرتوهای کیهانی دارای انرژی عظیم از مرتبه میلیارد الکترون ولت است گاهی این انرژی به مقادیر حیرت آور از مرتبه ۲۱ ev 10 می رسد این پرتوها قادرند تا عمق اقیانوس ها و زمین هم نفوذ کنند . 
جرم سکون (Rest Mass): جرم یک ذره ای که سرعت آن صفر بوده و یا صفر می شود را جرم سکون گویند . 
جرم بحرانی سوخت هسته ای (Critical Mass): جرم بحرانی برای انجام یک واکنش زنجیری شکست عبارتست از کمترین مقدار سوخت هسته ای بطوریکه هر دوره نوترون باعث تولید یک دوره بعدی یا همان تعداد نوترون گردد یعنی کاهش نوترون در سوخت هسته ای بطور کامل جبران شود . 
تعریف جرم بحرانی: کمترین مقدار لازم جرم فیزیکی ماده سوختنی جهت سوختن را جرم بحرانی گویند 
چرا سقف نیروگاه های اتمی گنبدی شکل است؟
تعریف گنبد 
اگر شبکه ای در دو جهت دارای انحنا باشد گنبد نامیده می شود شاید رویه یک گنبد بخشی از یک کره یا یک مخروط یا اتصال چندین رویه باشد . گنبد ها سازه هایی با صلبیت بالا می باشند و برای دهانه های بسیار بزرگ تا حدود ۲۵۰ متر مورد استفاده قرار می گیرند . ارتفاع گنبد باید بزرگتر از ۱۵% قطر پایه گنبد باشد . گنبدها دارای مرکز هستند 

عتیقه زیرخاکی گنج