نگاه اجمالی
در سال 1919 رادرفورد نشان داده بود که با استفاده از ذرات آلفا که از عنصر رادیوم به صورت خود به خود صادر می شوند، که می تواند هسته نیتروژن را بشکافد، یک هسته هیدروژن از آن خارج شده، و نیتروژن به اکسیژن تبدیل می شود. آنچه را که کیمیاگران قرون وسطی ، به قیمت شکنجه شدن یا قرار گرفتن در معرض خطر سوزانده شدن ، بدان اعتقاد داشتند، رادرفورد به اثبات رسانیده بود و بنابراین او کیمیاگری نوین را پایهگذاری کرده بود.
شتابگر کاک کرافت
در سال 1982 ، کاک کرافت و والتون شتابگری با ولتاژ زیاد را اختراع کرده بودند که با حدود 750000 ولت بر یک پروتون وارد آمد و سپس این پروتون به عنوان پرتابه برخورد با هدف پیستوم مورد استفاده واقع شد. پروتون اتم لیتیم را می شکافد، و به این ترتیب انرژی معادل 15 میلیون الکترون ولت از آن آزاد می کند. این کار یک امتیاز نسبت به کار رادرفورد به نظر می رسید.
رادرفورد با بی اعتنایی آن را منبع بالقوه ای از انرژی مفید تلقی کرد. او خاطرنشان ساخت که از هر 10 میلیون پروتون پرتابی فقط یکی به هدف اصابت می کند. رادرفورد گفت : «مثل این است که بخواهیم پشه ای را در یک شب تاریک با استفاده از 10 میلیون گلوله و شانسی در تالار آلبرت (لندن) شکار کنیم».
ارنست لارنس (E.Lawrence) در ایالات متحده با اختراع شتابگر دوار (سیکلوترون) ، اتم شکن را تکامل بخشید. در شتابگر دوار ذرات به کمک میدان مغناطیسی به یک دایره بی انتها هدایت کردند که می توانست سرعتهای بالا و بالاتری به وجود آورد و بنابراین به همین نسبت انرژیهای بیشتر تولید کنند. اما هنوز شکار پشه در شب تاریک به قوت خود باقی بود همه این قضایا در طی دو سال بعد از مرگ رادرفورد تغییر یافت.
تعبیر شکافت
اولین بار فردریک کرولیوت کوری و ایرن ژولیوت کوری ، اورانیوم را در معرض بمباران نوترونی قرار داده و به نتایج شگفت انگیزی رسیدند. اتوهان ، شیمیدان جوان آلمانی ، که در دانشگاه مک گیل کار می کرد و شاگرد رادرفورد بود، به کمک همکارش فریتس اشتراسمان Fritz strassmann ، توانست با تاباندن نوترون بر اورانیوم سبب استحاله آن به دو عنصر شد. این کار نشان داد که اورانیوم بر اثر مداخله نوترون شکافته می شود.
لیزامایتنر (Lise Meitner) ، فیزیکدان اتریشی تبار و پسر عمویش اوتوفریش (Otto Frisch) ، برای این موضوع تعبیر شایسته شکافت را به کار بردند. واژه شکافت اصطلاحی است که در زیست شناسی برای تقسیم یاخته به کار می رود، لذا از زیست شناسی به عاریت گرفته شده بود.
واکنش زنجیرهای
واقعیت مهم دیگر در مورد شکافت اورانیوم توسط بمباران نوترونی این است که این نوترون می تواند سایر اتمهای اورانیوم را نیز بشکافد و این کار می تواند زنجیروار ادامه پیدا کند. مفهوم روشن واکنش زنجیره ای این است که هر رویداد ، رویداد دیگری به وجود می آورد و این عمل تا آخر به همین ترتیب ادامه پیدا می کند.
اگر یک واکنش زنجیره ای بتواند به صورت مستمر ادامه پیدا کند، اگر نوترونهای ناشی از یک اتم اورانیوم را بتوان به وسیله هسته اتم اورانیوم دیگر گیر انداخت ، شکافتن دیگری و رهایی نوترونهای بیشتری به وجو د خواهد آمد. انرژی بیشتری نیز آزاد خواهد شد. اگر تعداد معینی از اتمها (جرم بحرانی) در لحظه ای از زمان ، فرایند یاد شده استمرار یابد، منجر به انفجار خواهد شد.
تولید پلوتونیوم
ذره موثر در واکنش بمباران اورانیوم ، ذره ای که خود به خود نوترونها را آزاد می کرد، اورانیوم 235 بود که در اورانیوم طبیعیبه نسبت 1/140 اتمهای اورانیوم 238 ظاهر می شود. اگر بتوان به اندازه گافی U
235 جدا کرد، انفجار مقدور است. اما به طوری که فرمی در پیل اتمی در دانشگاه شیکاگو نشان داد، می توان فرایند به نحوی تنظیم کرد که نوترونهای سریع U
235 به اندازه کافی کند شده و به تسخیر اتمهای U
238 در آیند. این قضیه منجر به تولید عنصر دست ساز انسان موسوم به پلوتونیم شد که ناپایدار بوده و در صورتی که تعداد آن به حد معینی برسد، به انفجار می انجامد.
بمب هیدروژنی بر پایه فرایند هسته گرمایی استوار است، که همان ابزار تولید انرژی در خورشید است. فرایند یاد شده نه تنها به شکافتن اتمها ، بلکه به همجوشی آنها نیز ارتباط پیدا می کند. هسته اتم هیدروژن از یک ذره تشکیل یافته است. اگر گرما کافی باشد (مثلا در حد 2x104 ) چها اتم هیدروژن با یکدیگر گداخته شده و به هلیم تبدیل می شوند. مازاد انرژی در این فرایند میلیونها بار بیشتر از انرژی شیمیایی و هزاران مرتبه بیشتر از انرژی شکافت می باشد.
به چنین دماهایی در روی زمین در لحظه انفجار بمب اتمی می توان دست یافت. بنابراین ، شگرد کار در این بود که این دیگ زودپز برای تولید بمب هیدروژنی به کار گرفته شد. بنابراین غول دیگری ، نیرومندتر از غول فرایند شکافت ، بیدار شد و به زودی تلاش برای رام کردن آن آغاز شد.
کاربرد صلح آمیز انرژی همجوشی هسته ای به سهولت بهره برداری صلح آمیز از انرژی شکافت هسته ای نبود. بنابراین دانشمندان پی بردند که اطلاعات کمی درباره رفتار ذرات وجود دارد و برای جبران این نقص بازهم علم جدیدی پا به میدان گذاشت که فیزیک پلاسما نام گرفت. این مورد مثال جالبی از چگونگی تحریف کلمات در کاربرد علمی بود.