تعريف الطاقة
الطاقة هي القدرة التي يمكن الإفادة منها في أداء عمل ما .
وللطاقة صور شتى فهناك الطاقة الحرارية والطاقة الكهربية والطاقة الضوئية والطاقة الحركية والطاقة الكامنة وغير ذلك .
ولكل طاقة مصدرها وقد يكون الحصول على هذا المصدر ميسوراً إلا أن نفقاته قد تكون طائلة . ومن هذه الطاقات ما يمكن تحويله إلى طاقة أخرى فمثلاً تتحول الطاقة الحرارية من الفحم أو البترول إلى طاقة ميكانيكية أو حركية أو كهربية تسير الآلات والقاطرات .
وكذلك الطاقة الكهربية أمكن تحويلها إلى طاقة ميكانيكية تدير المصانع والآلات ومن أبسطها آلات عصير الفواكه ونشر الأخشاب .
مصــــــــادر الطاقـــــــــــة
قد كان المعروف لنا قديماً أن مصادر الطاقة الرئيسية هي :
1- الهواء : الذي أدار الإنسان به الطواحين وسير به المراكب الشراعية .
2- الماء : الذي استخدم الإنسان مساقطه في إدارة الآلات والسواقي .
3- الخشب والفحم : اللذين استخدمها الإنسان وقوداً واستغلها في توليد البخار وتسيير القطارات .
4- ثم كان البترول ومشتقاته من :السولار والبنزين والديزل فاستخدم الإنسان كل نوع من هذه الأنواع في تسيير ما يصلح له من سيارات وآلات وطائرات .
5- ثم كانت الكهرباء : وقد أقبل الناس على استخدامها لما لها من المزايا العديدة في عصر يحرص الناس فيه على توفير الوقت والجهد والمال .
6- الشمس : مصدر هام من مصادر الطاقة الحرارية والضوئية يحاول الإنسان تركيز ما تبعثه من حرارة لينتفع به في عمليات التجفيف والتبخير والتدفئة وغيرها.
7- واليوم أضيفت الطاقة الذرية إلى تلك المصادر وأصبح الأمل في استخدامها حديث الساعة وأخذ الناس يعلقون عليها أهمية كبرى ولا سيما في ميادين الصناعة والزراعة والطب والعلوم ووسائل الانتقال وغيرها من ميادين السلام والتعمير . ومما يزيد أهمية هذا المصدر أن مصادر الفحم والبترول في العالم مجدودة وفي تناقص مستمر ومن المؤكد أنه خلال السنين القادمة سينضب معينها في الوقت الذي تشتد فيه حاجة الإنسان إلى مصادر تفي بمطالبه وضروريات حياته . فإذا علمنا أن القليل من الوقود الذري يولد قدراً ضخماً من الطاقة لا يقارن بما يتولد من المصادر الأخرى بات من المنتظر أن تحتل الذرة في المستقبل القريب المركز الأول بين مصادر الطاقة .
كيف أمكن الحصول على الطاقة من الذرة
أن الذرة مصدر للطاقة وليست ذرة كل عنصر مهيأة لتوليد طاقة فبعض الذرات يمكن أن تتولد منه طاقة وبعض الذرات خاملة أي لا تستجيب لتوليد طاقة باستخدام الوسائل الحالية والذرات التي تمدنا بالطاقة يطلق عليها الوقود الذري مثل :
ذرات اليورانيوم 235 والبلوتونيوم 239 والثوريوم 233 ومن هنا جاءت شهرة اليورانيوم . وتحتوي كل ذرة من ذرات اليورانيوم على البروتونات الموجبة والنيوترونات المتعادلة . فإذا فتتنا ذرة اليورانيوم بإقحام نيوترون على نواتها حدثت النتائج الآتية :
أولاً : تفجير النواة Fission .
ثانياً : تحويل جزء من الذرة إلى طاقة .
ثالثاً : إطلاق نيوترونات جديدة تقتحم بدورها ما يجاورها من نويات اليورانيوم فتحدث بها تفجيراً مماثلاً للأول . وهكذا يتسلسل التفجير ويتتابع ويستمر انطلاق الطاقة حتى ينتهي الوقود الذري . وبديهي أن كل تفجير أو انشطار في أي مرحلة من المراحل السابقة تصحبه طاقة نووية عظيمة . وإنه مما يثير الدهشة أن هذا التفاعل المسلسل الذي وصفناه على الصورة السابقة يتم في كسر ضئيل من الثانية . ولما كان هذا التفجير الخطير يتم بمثل هذه السرعة الهائلة وتنبعث على أثره اشعاعات خطيرة بالنسبة للأحياء فقد حرص العلماء على الافادة من الطاقة المنطلقة بطريقة أخرى ليحققوا من ذلك غرضين :
الأول : الانتفاع بهذه الطاقة كاملة على مدى الزمن الذي نريده وبالمعدل الذي نختاره .
الثاني : السيطرة على توليد الطاقة عند اللزوم وبمحض الإرادة . وقد تم هذا فعلاً للعلماء بعد أبحاث مضنية وجهود جبارة إذ نجحوا في توليد الطاقة في حدود الغرضين السابقين فيما يسمونه بالأفران الذرية .
ولما كان من الضروري الوقاية من الإشعاعات المنبعثة من التفجير حيث يبلغ قسم كبير منها في قوة نفاذه جداً يستطيع اختراق سُمْك كبير من ا لحواجز فإن الفرن الذري يحاط بطبقة سميكة من نوع خاص من الخرسانة المسلحة الثقيلة لحماية المشتغلين في الإران من خطر الإشعاع . وللتحكم في معدل التوليد للطاقة يجب علينا أن نكبح جماح التفاعل الانفجاري اللحظي الذي يعد هاماً في الحروب بوضع مواد أو عناصر خاصة كالكادميوم في الأفران تعترض سيل النيوترونات التي تفجر ذرات اليورانيوم فتمتص هذه المواد النيوترونات التي تفجر ذرات اليورانيوم فتمتص هذه الموادالنيوترونات وتعمل على حبسها عن المضي في طريقها إلا بقدر محدود تتولد معه الطاقة المطلوبة تدريجاً ويمتنع الانفجار اللحظي السريع . ومما يغري الناس باستخدام الطاقة الذرية ما تولده كيمة الوقودالذري الضئيلة من طاقة عظيمة تفوق ما يتولد من مثيلاتها من الفحم والبترول ملايين المرات مما لا يترك مجالاً للمقارنة أو المضاهاة . ولكن ليس من الحكمة استخدام الذرية في الأغراض الهينة أو التافهة لإن الحصول على هذه الطاقة يقتضي إحتياطات ونفقات باهظة إذ يستلزم أولاً : الحصول على الوقودالذري بحالة نقية وهذه عملية دقيقة باظهة التكاليف .
ثانياً : بناء أفران ذرية .
ثالثاً : الحصول على أنابيب وأوعية تستطيع تحمل الحرارة العالية فلا تتأثر بها كثيراً ولا تنصهر وفي الوقت ذاته توصل الطاقة كاملة إلى الهواء الذي نريد تسخينه أو الماء الذي نريد تبخيره لنستخدمه في تدفئة المباني أو تكييف الهواء في المنشآت الكبرى أو في توليد الكهرباء .
رابعاً : تشييد دروع وجُدُر وحواجز سميكة للوقاية من الإشعاع المميت الذي يصاحب انفجار الذرات وتوليد الطاقة وكل هذه الأمور ليست بالهينة ولا باليسيره لكنها تقتضينا جهوداً وتكاليف وخبرات . غذن من المنطقي ألا نبالغ في استخدام الطاقة الذرية في الأغراض الهينة اليسيرة بل نقصرها على الأعمال الهامة الخطيرة مثل : تسيير البواخر الكبرى إقامة المحطات الضخمة لتوليد القوى والكهرياء وتسيير كاسحات ا لجليد التي تفتت ا لجبال الثلجية وتكشف لنا عن أسرار القطبين وغير ذلك مما يحتاج إلى طاقة هائلة لا يقوى عليها الفحم أو البترول إلا بكميات وافرة ونفقات طائلة وأزمان مديدة .
والحديث عن تسيير السيارات أو تدفئعة لمنازل أو المنشآت الصغيرة بالطاقة الذرية من قبيل الأماني إذا أنه يكلفنا نفقات كثيرة ويقتضي تشييد هياكل على نطاق يتسع لألواح من الخرسانة الثقيلة للوقياة من افشعاع الذري الذي يصاحب الوقود الذري المستعمل وتفجير الذرات الذي يجري في الأفران وخير من هذا أن نستخدم الطاقة الذرية في الأغراض الكشفية والأقمار الصناعية وحفر الانفاق بالجبال وتحويل مجاري التنهار وحفر القنوات وأشباهها التي تفيد منها البشرية . وقد حصل تطور في فكرتنا عن التركيب الذري فلم يكن مجرد التفكير في إمكان الحصول على ا لطاقة من الذرة ممكناً قبل كشف ظاهرة النشاط الشعاعي في أواخر القرن الماضي فقد فتح هذا الكشف باباً جديداً من أبواب البحث العلمي وكان من نتائج التفاعل المتابدل بين الحقائق التجريبية والآراء النظرية في هذا الميدان حدوث تطور كبير في فكرة العلماء عن تركيب الذرة ولعل من أهم نواحي هذا التطور .
أ- أن الذرة التي كان يظن أنها غير قابلة للتجزئة قد ثبت أنها تتجزأ ، فبعض الذرات تنفجر من تلقاء نفيها كذرات الراديوم والبعض الآخر يمكن تفجيره بوسائل خاصة .
ب- أن الجسيمات والاشعاعات الصادرة عن الذرة المشعة أو الذرة التي يمكن تحطيمها أمكن تصويرها ومسارها فوتوغرافياً . وبتوفر الفنيين على دراسة هذه الصور ألقى كثيرمن الضوء على التركيب الداخلي للذرة .
ج- أن ذرات العنصر الواحد وهي التي كان يظن أنها متماثلة من جميع الوجوه قد ثبت أن بينها اختلافاً في الكتلة دون أن يؤدي ذلك إلى أي اختلاف في خواصها الكيميائية وتقدم العالم أينشتين فأعلن في سنة 1905 مبدأ علمياً خطيراً يتلخص في أن الطاقة والمادة مظهران لشيء واحد وأن كلاً منهما يمكن أن يتحول إلى الآخر وأن العلاقة بينهما تتمثل في المعادلة ا لآتية :
الطاقة = الكتلة × مربع سرعة ا لضوء
ومعناها أنه إذا تحول جرام واحد من المادة تحولاً كاملاً إلى طاقة لنتج عن هذا التحول 9× 2010 إرجاً وهو نفس المقدار الذي يمكن الحصول عليه باحتراق حوالي 3000 طناً من الفحم .
أن عنصر الراديوم إذا أحيط بمجال كهربي أحد جانبيه سالب والآخر موجب فإن هذا يؤدي إلى تحلل الإشعاع إلى ثلاثة أجزاء ينحرف أولها إلى كهة الجانب السالب والثاني إلى الاتجاه الموجب والثالث يمضي في سبيله دون أي انحراف ولما لم تكن طبيعة هذه الأجزاء واضحة في بادئ الأمر فقد أطلق عليها أسماء ألفا ، بيتا ، جاما - على الترتيب . وقد تبين أن أشعة ألفا وأشعة بيتا ليستا أشعة بالمعنى العادي بل إن كلاً منهما عبارة عن جسيمات مادية تحمل الكهرباء . فجسيمات ألفا تحمل كهرباء موجبة وقد تبين فيها بعد أنها أنوية ذرات الهليوم . وجسيمات بيتا تحمل كهرباء سالبة وهي الالكترونات المعروفة . أما أشعة جاما فليست جسيمات وبالتالي فهي ليست مكهربة وإنما هي أشعة بالمعنى العادي وتشبه الأشعة السينية (×) إلى حد كبير .
ومن أولى المحاولات التي تجحت في إحداث مثل هذا التحول من مادة إلى أخرى ما فعله "رذر فورد" في سنة 1919 حين أطلق على ذرات النتروجين قذائف جسيمات ألفا "نواة ذو الهليوم" فقد دخل جسيم ألفا واستقر في تكوين نواة النتروجين وخرج منها بروتون فتحولت النواة من نواة النتروجين إلى نواة أكسجين كما تمكن (شادويك) بعد ذلك من تحويل البريليوم إلى كربون باستخدام جسيمات ألفا . إذن فتحول العناصر لا يحدث فقط بصورة طبيعية كما في الراديوم وإنما يمكن أن يحدث أيضاً بصورة صناعية كما في المثالين السابقين .