X بستن تبلیغات
X بستن تبلیغات
header
متن مورد نظر

اتم و ذرات بنیادی

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

ماده جهان از ذرات بنیادی تشکیل شده است. اجسام ، بدن انسان ، ستارگان و … سیستم‌هایی متشکل از ذرات بنیادی هستند که از نظر تعداد و نحوه جفت و جور شدن با هم تفاوت دارند. بنابراین ، وجود ذرات بنیادی باید در تمام پدیده‌های جهان ملموس باشد. فیزیک ذرات بنیادی درک عمیقتر و دید بالایی را در مورد ساختمان و تکامل اجسام منفرد مانند اتم‌ها ، مولکول‌ها ، بلورها ، صخره‌ها ، سیارات ، ستارگان ، منظومه‌های ستاره‌ای و کل جهان ارائه می‌دهد. برای همین مطالعه ذرات بنیادی برای فیزیک معاصر و بخصوص اختر فیزیک و کیهان شناسی اهمیت اساسی دارد.

<!–[if gte mso 9]> Normal 0 false false false EN-US X-NONE AR-SA MicrosoftInternetExplorer4 <!–[if gte mso 9]> <!–[if gte mso 10]>
/* Style Definitions */
table.MsoNormalTable
{mso-style-name:\”Table Normal\”;
mso-tstyle-rowband-size:0;
mso-tstyle-colband-size:0;
mso-style-noshow:yes;
mso-style-priority:99;
mso-style-qformat:yes;
mso-style-parent:\”\”;
mso-padding-alt:0in 5.4pt 0in 5.4pt;
mso-para-margin:0in;
mso-para-margin-bottom:.0001pt;
mso-pagination:widow-orphan;
font-size:11.0pt;
font-family:\”Calibri\”,\”sans-serif\”;
mso-ascii-font-family:Calibri;
mso-ascii-theme-font:minor-latin;
mso-fareast-font-family:\”Times New Roman\”;
mso-fareast-theme-font:minor-fareast;
mso-hansi-font-family:Calibri;
mso-hansi-theme-font:minor-latin;
mso-bidi-font-family:Arial;
mso-bidi-theme-font:minor-bidi;}

اتم و ذرات بنیادی

جهان ، بزرگ‌ترین مجموعه ممکن است که از ذرات بنیادی شکل یافته است. این ذرات توسط نیروهای گرانشی ، الکترومغناطیسی و هسته‌ای به هم پیوند یافته‌اند. سلسله مراتب ساختمانی آن در فضا ( از هسته‌های اتم گرفته تا ابر کهکشانها) و سیر تکاملی آن (از گوی آتشین تا اشکال کنونی) توسط ویژگیهای ذرات بنیادی و برهمکنش آنها اداره می‌شود. بنابراین ، تشریح ساختمان جهان و تکامل آن بر اساس خواص و برهمکنش ذرات بنیادی صورت می‌گیرد.

ماده جهان از ذرات بنیادی تشکیل شده است. اجسام ، بدن انسان ، ستارگان و … سیستم‌هایی متشکل از ذرات بنیادی هستند که از نظر تعداد و نحوه جفت و جور شدن با هم تفاوت دارند. بنابراین ، وجود ذرات بنیادی باید در تمام پدیده‌های جهان ملموس باشد. فیزیک ذرات بنیادی درک عمیقتر و دید بالایی را در مورد ساختمان و تکامل اجسام منفرد مانند اتم‌ها ، مولکول‌ها ، بلورها ، صخره‌ها ، سیارات ، ستارگان ، منظومه‌های ستاره‌ای و کل جهان ارائه می‌دهد. برای همین مطالعه ذرات بنیادی برای فیزیک معاصر و بخصوص اختر فیزیک و کیهان شناسی اهمیت اساسی دارد.

خواص ذرات بنیادی

* ذرات بنیادی دیده نمی‌شوند.

 جرم ذرات بنیادی

جرم ذرات بنیادی بسیار کوچک است ، از اینرو آنها را می‌توان تا سرعت بالایی رساند. مانند فوتونها که بدون جرم بوده و بالاترین سرعت ممکن «سرعت نور) را دارا هستند. سبکترین ذره با جرم غیر صفر الکترون است با جرمی در حدودme = 9×10-28 gr   اغلب به عنوان واحدی برای سنجش جرم سایر ذرات به کار می‌برند. جرم پروتون برابر mp=1836me و جرم نوترون mn=1838.6me می‌باشد.

انرژی ذرات بنیادی

انرژی به سبب تغییرپذیری زیادش بر کل جهان حاکم است که ساختمان فضایی ، تکامل زمانی تمام سیستم‌ها از ذرات بنیادی گرفته تا خوشه‌های کهکشانی را تعیین می‌کند. این تنوع انرژی به چند برهمکنش معدود بین ذرات بنیادی می‌تواند تقلیل یابد.

عدد باریونی

ذرات سنگین ، باریون نام دارند. چنانچه باریونها به حال خود رها شوند ، متلاشی می‌گردند. تنها باریون پایدار پروتون است. در تمام فرایندهای مشاهده شده ، تعداد باریونها همواره بقا دارد «قانون بقای باریون ΔN=0).قانون بقای باریون پایداری پروتونها را بیان می‌کند ، باریونی سبکتر از پروتون وجود ندارد. آزمایشات نشان داده‌اند که مدت زمانی که طول می‌کشد تا پروتون تلاشی یابد طولانی تراز ۱۰۲۲ سال ، یعنی <1012 بار طولانی تر از عمر جهان باشد. عدد بار یونی را با N نشان می‌دهند که برای باریونها (پروتون ، نوترون ، هیپرونها) N=+1 ، برای پاد باریونها N=-1 برای سایر ذرات مزونها ، لپتونها) N=0 ، برای هسته‌ها N>+1 ( N برابرعدد جرمی A است) و برای پاد هسته‌ها N<-1(Nبرابر A است) می‌باشد.

عدد لپتونی

فرمیونهای سبک همان لپتونها هستند که عدد لپتونی را با L نشان می‌دهند. برای لیپون‌ها «الکترون ، موئون ، نوترینو) این عدد برابر L=+1 ، برای غیر لیپونها (باریونها ، بوزونها) این عدد برابر L=0 و برای پالیتونها «پوزیترون ، موئون مثبت ، پادنوترینو) این عدد برابر L=-1 می‌باشدو قانون بقای لیپتون بصورت ΔL=0 می‌باشد. یعنی مجموع تمام لیپتونها قبل و بعد از واکنش مقدار ثابتی دارند.

ایزواسپین

برهمکنش قوی نوکلئون‌ها در هسته ، به بار الکتریکی بستگی ندارد. اندرکنش‌های N-P ، N-N ، P-P ، همگی شبیه هم هستند و تفاوت چندانی بین نکلئونهای باردار و خنثی وجود ندارد. که اختلاف آنها به وسطه ایزواسپین بیان می‌شود.

زوجیت

زوجیت یکی از ویژگیهای اساسی ذرات بنیادی است که متناظر با انعکاس آینه‌ای مختصات فضایی است. این ویژگی ، یک خاصیت تقارنی تابع موج است. زوجیت ممکن است مثبت یا منفی باشد بر حسب آنکه تابع موج در اثر انعکاس فضایی ، زوج یا فرد باشد. زوجیت در بر همکنش‌های قوی و الکترومغناطیسی بقا دارد. اما در برهمکنش‌های ضعیف نقض می‌شود.

 چکیده

ذرات بنیادی واحدهای اساسی برای ساختمان جهان می‌باشند و بر اساس جرم در حال سکونشان به بار یونها (ذرات سنگین) ، لپتونها (ذرات سبک) و مزونها (ذرات میان وزن) طبقه بندی می‌شوند.

* بیشتر ذرات بنیادی و احتمال تمام آنها می‌توانند در نتیجه تبدیل انرژی به ماده به وجود آیند حداقل انرژی لازم برای تولید گروهی از ذرات از معادله انرژی انیشتین بدست می‌آید.

* در چگالی های زیاد ذرات ناپایدار «نوترون ، هیپرونها ، مزونها) پایدار می‌شوند. و نیز ذرات پایدار «الکترون و پروتون) می‌توانند در اثر برخوردهای متقابل با ذرات خود نابود شوند.

* چنانچه واحدهای اساسی پایدار (ذرات بنیادی پایدار) ، دارای وجود تضمین شده‌ای نباشند، هیچ چیز در جهان مادی وجود تضمین شده‌ای نخواهد.

تعریف ذرات بنیادی واقعی

ذرات بنیادی به لحاظ نیم عمرشان و نیز پایداریشان و ظاهر شدن در واکنش ها و پدیده های میکروسکوپیک و در کل خواص شیمیایی و فیزیکی خودشان در خانواده های مختلف دسته بندی و بررسی می شوند عده ای از این ذرات با فراوانی بیشتر در اغلب اوقات ظاهر می شوند و پدیده های میکرو سکوپیک را کنترل می کنند، به ذرات بنیادی واقعی معروف هستند.

اساسا چهار دسته هیپرون وجود دارد که عبارتند از:

* هیپرون لاندا

*هیپرون سیگما

*هیپرون کسی

* هیپرون امگا

تمام هیپرون ها به ذرات هسته ای تجزیه می گردند.هر هیپرون دارای یک ضد ذره با علامت مخالف است.دنیای ذرات بنیادی هم از نظرتنوع ذرات و هم از نظر نوع تاثیرات و تبدیلات متقابل ، دنیای غنی محسوب می شود .

هادرون ها:

تحقیقاتی که با شتابدهنده ها یی بزرگ انجام شده اند بطور قوی به دانش ذرات بنیادی کمک کرده اند قبل از همه اشاره ها به بزرگترین خانواده ذرات هادرون ها یعنی ذرات شرکت کننده در برهمکنش های قوی هسته ای است ، اشاره می کنیم.

در حال حاضر چند صد از این گونه ذرات از جمله باریون ها و پاد باریون ها و مزون ها شناخته شده اند.بیشتر این ذرات در نتیجه اندرکنش ها قوی هسته ای به هادرون های دیگر وامی پاشند آنها عمر کوتاهی دارند که در فرایند های هسته ای معمول چنین زمانی ( ثانیه ۲۳-۱۰) را نمی توان مستقیما اندازه گرفت.اما هادرون هایی با عمر ۱۳-۱۰ تا ۸-۱۰ ثانیه نیز وجود دارند. برد واپاشی این ذرات با عمر دراز اندرکش های ضعیف ما کم هستند.

تعداد خیلی زیادی از هادرون ها کشف شده و گروه بندی آنها در رده ها و خانواده های مختلف ، طبیعت بنیادی آنها را مبهم جلوه می دهد.مدل کوارکی ساختار هادرون ها گروه بندی هادرون ها را در خانواده و طبیعت و ساختار این خانواده ها و همچنین دیگر خواص ساده هادرون ها را بطور خیلی طبیعی توضیح می دهد.

اصول بنیادی این مدل را می توان به شرح زیر فرمول بندی کرد:

*هادرون ها را به معنای درست کلمه نمی توان جز ذرات بنیادی به شمار آورد آنها ساختار درونی پیچیده ای دارند و مانند هسته های اتمی دستگاه های مقید و متشکل از ذرات به راستی بنیادی یا اساسی اند. عناصر اصلی ساختارهادرون ها کوارک نام دارد .

*نظام هادرونی امکان می دهد که اظهار کنیم کلیه باریونهای شناخته شده از سه کوارک و پاد باریونها از سه پاد کوارک تشکیل شده اند. در حالی که تمام مزون ها از یک کوارک و یک پاد کوارک تشکیل شده است .

دست کم شش نوع کوارک وجود دارد که هر کدام آنها حاصل عدد کوانتومی جدید یعنی طعم هادرونی است و به صورت زیر تقسیم بندی می شوند:

*کوارک b (کوارک زیبا)

*کوارک c (کوارک افسون)

*کوارک d (کوارک پایین)

*کوارک s (کوارک شگفت)

* کوارک t (کوارک درست)

* کوارک u (کوارک بالا)

لپتونهای متنوعی کشف شدهاند که آنها براساس خواص فیزیکی و کوانتومی ویژه خود «جرم ، بار ، اسپین و غیره) به صورت زیر تقسیم بندی می شوند:

لپتون های الکترون (e): اینها به نوبه خود دو دسته اند:

الکترون ها

نوترینوی الکترون

لپتون های موئون: اینها نیز به نوبه خود دو دسته اند:

 موئون

نوترینو موئون

لپتون های تو (T): اینها نیز دو دسته اند:

لپتون های تو منفی

نوترینو تو

 

فوتون ها

فوتون ها جرم در حال سکونشان برابر صفر است و اسپینی برابر یک دارند.

گلوئون ها:

گلوئون ها جرم در حال سکونشان مساوی صفر است. و اسپینی مساوی یک دارند. گلوئون ها درون هادرون ها هستند ودر حالت آزاد مشاهده نشده اند .

بوزون ها:

در فیزیک ذرات برهمکنش های ضعیف هسته ای نیز نقش مهمی ایفا می کنند اینها تنها اندرکشی هستند که می توانند شخصیت ذرات پایه را عوض کنند. و ضمن پیروی از قوانین بقای بارهای لپتونی و باریونی موجب تبدیل های متقابل آنها شود.

ساز و کار نیروهای برهمکنش ضعیف هسته ای مدتهای مدید نظر پژوهشگران را بسوی خود جلب کرده بود. فرضیه ای مطرح شده است که مطابق آن این نیروها از تعادل نوع خاصی کوانتوم های میدان نیروی برهمکنش ضعیف هسته ای به نام بوزون ها ی میانی ناشی می شود.

برخلاف گلوئون ها ، بوزون های میانی مثل فوتون ها باید در حالت آزاد وجود داشته باشند. نظریه امکان وجود ، سه تا از این بوزون های میانی را پیش بینی می کند.چند تا از این ذرات (بوزون های میانی) سرانجام در سال ۱۹۸۲ کشف شدند.

شتاب دهنده های ذرات بنیادی

زمانی که دانشمندان فیزیک هسته ای سخت مشغول مطالعات ذرات بنیادی و تبدیل اتم به اتم دیگری بودند،ایده بمباران هسته اتم به عنوان هدف توسط ذره های باسرعت بالا شکل گرفت. تا آن زمان تنها ذره با سرعت زیاد، ذره آلفا بود که از مواد رادیو اکتیو طی فرآیند واپاشی گسل می شد. در آن زمان سوال برای دانشمندان فیزیک هسته ای این بود که آیا این امکان وجود دارد که با اعمال اختلاف پتانسیل بتوان ذرات اتمی را با انرژی و شتاب زیاد به هدفی برخورد داد که به تولید و تحقیق درباره عناصر مصنوعی مورد نظرپرداخته شود؟ تئوری اثر تونل نتیجه و راهبردی بود که توسط گامو به رادفورد پیشنهاد گردید و سپس با اختیارات واگذار شده از سوی رادفورد به کاک کرافت و والتون اولین تلاشها در این راستا به عمل آمد. طبیعی بود که اعمال این اختلاف پتانسیل، فقط روی ذرات باردار، آنهم در میدان های الکتریکی یا مغناطیسی میتواند میسر باشد. در آن زمان فقط مطالعات وبر همکنش ذرات هسته ای وتولید عناصر وایزوتوپهای مفید حائز اهمیت بودند. بنابراین دراین راستا، دانشمندان فیزیک هسته ای می باید در جستجوی دستیابی به باریکه هایی از ذرات باردار وپر انرژی باشند که پاسخ در نیاز به انرژی های چند مگا الکترون ولت ودر بعضی موارد، به دلیل طبیعت ماده، انرژی چندین گیگا الکترن ولت را برآورده سازد.

در هر صورت، چنین پذیرفته شد که به طور اصولی هیچ امکانی ساده تر از شتاب دادن به ذرات به انرژی های بالاتر نیست. لازمه این امر در این است که ابتدا تعداد زیادی از ذرات یک گاز مناسب در یک قوس الکتریکی یا چشمه تولید یون، یونیزه شوند.درواقع، اتمهای هر گازی دراین شرایط تااندازه ای یا کاملاً از الکترونهای خود کنده شده و تولید یون مثبت میکنند. به عنوان مثال از گاز هیدروژن، پروتون واز گاز ذرات آلفا تولید میشود. لذا وقتی ذرات باردار تولید شدند، آنها به آسانی در یک میدان الکتریکی شتاب می گیرند. یونهای مثبت از الکترود مثبت پس زده شده و به سمت الکترود منفی سوق پیدا کرده وجذب می شوند. اگر یونها یک بار داشته باشند، مثل پروتن یا دوترون، انرژی جنبشی آنها در هنگام ورود به الکترود منفی حدود یک الکترون ولت می باشد که برابر است با اختلاف بالقوه هر ولت بین دو الکترود. اگر ولتاژ بالاتری تامین شود، پروتون به مقدارE الکترون ولت انرژی دریافت می کندو صرف نظر از طول لوله شتابدهنده اختلاف Eولت میشود. در اینجا مشکل شتاب دادن ذرات تولید شده با انرژی های بالایی دارند که نیاز به ولتاژ بالا دارد، ولتاژ بالا هم دارای مشکل نگهداری وعایق کاری الکتریکی است.

در هر صورت، این سدها یکی پس از دیگری مرتفع گردید و امروزه ذرات را با سرعت نزدیک به سرعت نور وبا انرژی های حتی یک تریلیون الکترون ولت در شتاب دهنده های کوچک و بزرگ شتاب می دهند. به همین دلیل در دنیای امروز، اندازه شتاب و کاربرد آنها طیف بسیار گسترده وشاید هم غیر قابل باوری را ایجاد کرده است. حجم و ابعاد شتابدهنده ها از حدود یک متر تا اندازه یک شهر با کاربردهایی جهت حل پیچیده ترین موضوعات دنیای فیزیک هسته ای از ذرات فیزیک بنیادی، تا کاربردهای پزشکی، صنعتی، زیست محیطی و نانو تکنولوژی را شامل میشود.

۲)اجزای شتابدهنده

 در سیستمهای امروزی، ذرات باردار مثبت از بمباران یک گاز با الکترونهای پر انرژی در نتیجه یونیزاسیون حاصل می شوند. گاز هیدروژن از بالا به محفظه ای در آن الکترون از فلامنت کاتد گسل شده وبه سوی آند شتاب می گیرد، جریان دارد. عبور الکترونها از میان گاز سبب یونیزاسیون آن وتولید یونهای مثبت می شود، انرژی ذرات باردار متناسب با انرژی ویا اختلاف پتانسیل الکترونها است. این یونهای مثبت باید از این محیط استخراج وبه داخل سیستم اصلی تزریق شوند،در موارد معمولی، این یونهای مثبت بوسیله الکترواستاتیک های ساده به داخل لوله شتابدهنده جذب می شوند یا در بعضی موارد ممکن است این خود یک تزریق کننده به یک شتابدهنده باشد که شتابدهنده بزرگتر را به عنوان یک چشمه ذرات باردار مثبت تغذیه میکند. وضعیت خلاء برای استخراج یا تزریق باریکه ذرات باردار ۴-۱۰  ودر محل یونیزاسیون ۲-۱۰ پاسکال است. اصول بمباران توسط الکترونها، برای انواع مختلف چشمه های تولید یون برای برآورد نیازهای طیف وسیعی از شتابدهنده های ذرات باردار، مشابه و تقریباً یکسان است. بنابراین چشمه ها ممکن است تولید کننده یونهای منفی، الکترون ها، یا یونهای مثبت باشند.

بنابراین اجزای یک شتاب دهنده می تواند شامل موارد زیر باشد:

۱٫ چشمه یونی یا سیستم تزریق کننده

۲٫ میدانهای الکتریکی و مغناطیسی

 3.سیستم خلاء

۴٫ هدف

۵٫ سیستمهای الکترونیک و آشکار ساز

۶٫ سیستمهای کامپیوتری ونرم افزاری

اجزای شتابدهنده

۳)اختراع اولین شتابدهنده

رادفورد اولین عنصر مصنوعی را از ذرات آلفا گسیل شده پلونیم_۲۱۴در ۱۹۱۹م ساخت که بدینوسیله تبدیل عناصر به یکدیگر را ممکن نمود. اولین شتاب دهنده توسط کاک راف و والتون در سال۱۹۳۲با اعمال ولتاژ بالا با موفقیت آزمایش شد. توسعه نظری تونل گامودر مورد فرو پاشی آلفا سبب شد که هاترمن یک واکنش متضاد را پیشنهاد کند وآن برخورد یک پروتن با انرژی بالا از طریق نفوذ سد پتانسیل کولنی بر هسته به عنوان هدف بود . محاسبات نشان میدهند که چنین پدیده ای می تواند حتی در حدود انرژیkeV100 اتفاق افتد. کاک رافتکه یک مهندس برق بود، متوجه شد که شتاب دادن پروتونها در چنین انرژی هایی در یک مولد پر انرژی می تواند امکان پذیر باشد. لذا وی و همکارش والتون مبادرت به ساخت چنین دستگاه ارزشمندی کردند. در یک شتابدهنده تک مرحله ای مثل شتابدهنده کاک رافت و والتون کل انرژی تولید شده از یک مولد با ولتاژ بالا است که در سرتاسر شتابدهنده برای شتاب ذرات باردار بین چشمه یونی وهدف اعمال می گردد. انرژی جنبشی برای هر ذره عبارت است از:

Ekin=nqV

در اینجاqبار یونهای شتاب یافتهبرحسب کولن،Vسرعت اعمال شده در مسیر ذرات وnتعداد مراحل شتاب دهی است که در مورد ماشین کرافت_والتون برابر یک می باشد.

شتابدهنده های بالا هنوز هم برای حصول به انرژی جنبشی پایین تا پروتون های با انرژی MeV4می شوند.اکنون چنین شتاب دهنده هایی در بسیاری از تاسیسات فیزیک هسته ای به عنوان مرحله اول شتاب دهی و تزریق کننده درماشینهای بزرگتروپیچیده تری که برای تولید باریکه انرژی بالا طراحی شده اند استفاده می شوند.

در یکی از آزمایش ها، از گاز هیدروژن یون منفی حاوی دو الکترون ویک پروتون،تولید شد. یونهای با ولتاژ مثبت شتاب داده شده اندو انرژی eV75000یا keV570رسید. این انرژی ۳۰برابربیشتر از انرژی باریکه الکترون در تلویزیون ها است.

در سالهای اخیر شتاب دهنده های نسبتاً ارزانو کوچک مورد استفاده قرار گرفته اند که مبتنی بر اصول همان ماشین های کاک رافت_والتون کار می کنند. این ماشین ها به نام شتابدهنده های مبدل یکسو سازشناخته شده اند واصولاً برای الکترونها یا دوترون ها جهت تولید نوترون استفاده شده اند.هدف های تریتیم، با دوترونهای شتاب داده شده بمباران می شوند. نظریه سد پتانسیل کولنی برای این واکنش حتی در انرژی های MeV1/0نتایج خوبی به دست داده است.

 

 

منبع :پدیدا بزرگترین مرجع علمی ایرانیان

ارسال نظر