[h=2][/h]
فيزيک ذرات بنيادي ...
فيزيک ذرات بنيادي به مطالعه ذرات اصلي و تشکيل دهنده مواد و نيروهاي ما ن آنها مي پردازد. هدف از اين علم ، درک قوانين بنيادي حاکم بر تشکيل مواد و جهان مادي است. همچنين اين علم يکي از شاخه هاي اصلي مطالعات علمي بر سر فهم سر چشمه دنياست.
اين مقاله پايه هاي فيزيک ذرات را توصيف مي کند. لذا مي توان با موضوع اين بحث آشنا و در هيجان آن با متخصصان شريک شد. اين متن تا حد ممکن توصيفي است ، ولي چنانچه اطلاع کمي از فيزيک عمومي داشته باشيد ، اين مبحث مي تواند براي شما مفيد باشد.
فيزيک ذرات ، موضوعي جديد است و همه کشف هاي جديد مربوط به آن ، از آغاز قرن ستم به بعد انجام شده است. لحظه به لحظه کشف هاي هيجان انگيزي انجام و گزارش شده است و موجب بازنويسي فصل هاي مشخصي از اين علم شده است ، البته اگر باعث بوجود آمدن سئوال هاي جديدي نشود! به همين دليل ، تنها واقعيت هايي که فکر مي کنيم "بطور کامل" پايه ريزي شده اند در اينجا مطرح مي شوند.
اتم ها
ممکن است از دروس شيمي پايه آموخته باشيد که مواد ، از ذرات بنياديني بنام اتم تشکيل شده اند. امروزه همه ما مي دانيم که تمام مواد تقريبا از ترکيب ش از 100 گونه اتم هاي مختلف تشکيل شده اند که آنها را عنصر مي ناميم.
به هر حال ، از اوايل قرن ستم مي دانيم که هر اتم حتي از ذرات بنيادي تري به نام پروتون ، نوترون و الکترون تشکيل شده است. هر عنصر به طور منحصر به فردي توسط تعداد پروتون هاي هسته اتمي خود شناسايي مي شود. مطالعه علم شيمي تنها با شيوه و چگونگي بر هم کنش الکترون ها با يکديگر و تشکيل مواد حاصل از اين برهم کنش ها ، سر و کار دارد ، (نيروها يا وندهاي شيمي). کوچکترين مقياسي که علم شيمي بدان توجه دارد ، در حد اتم ، است در صورتيکه فيزيک ذرات بنيادي اساسا با هر ذره بنيادي تر از اتم که مواد پايدار را تشکيل مي دهند و مي توانيم آنها را بنيم و همچنين موادي که در انرژي هاي بالا و يا در دايش جهان اوليه وجود داشته اند ، سر و کار دارد. اين علم همچنين به مطالعه نيروهاي حاکم بر اين مواد مي پردازد. در حقيقت نيروهاي شيميايي ، تنها يکي از انواع خاص نيروهاست که علم شيمي بدان مي پردازد.
بسياري از اين ذرات (يا ريز ذرات) از ديد علم شيمي و تجربه روزمره ما پنهانند. شيوه ها و وسايل مخصوصي جهت کشف و يافتن اين گونه ذرات بايد بکار رود. يکي از ابزارهاي اصلي ، شتاب دهنده ذرات است. اين وسيله ، ماشين غول کري است که آثار و محصولات حاصل از برخورد ميان اين ذرات پر سرعت را آشکار سازي مي کند. براي اينکه اين ذرات انرژي کافي داشته باشند تا ساختار دروني خويش را آشکار کنند ، بايد قبل از برخورد سرعت بسيار بالايي بگيرند. برخي از اين ريز ذرات ممکن است تنها مدت بسيار کوتاهي ش از نابودي و يا تبديل شدن به ذره ديگر ، به وجود آيند. بنابراين شتاب دهنده هاي ذرات مي توانند براي شه سازي جهان هستي در مراحل اوليه تشکيل ، استفاده شوند.
ايزوتوپ ها
پژوهش هاي تجر در زمينه فيزيک هسته اي ، به تدريج نياز به ابزارها و دستگاه هاي تخصصي دا کردند. يکي از اولين دستگاه ها ، طيف نگار جرمي بود که بوسيله فرانسيس استون ، براي اندازه گيري جرم نس اتم هاي يک عنصر ابداع شد. چنانچه يک يا چند الکترون با بار منفي ، از اتمي جدا شوند ، آن اتم باري مثبت دا مي کند که به آن "يون" اطلاق مي شود. (کلمه اي يوناني که به معني مسافر است).
طيف نگار جرمي يون هاي مثبت يک گاز منزوي (باردار شده) را به سمت صفحه عکاسي هدايت مي کند. يون ها توسط ميدان هاي الکتريکي و مغناطيسي عمود بر مسير منحرف مي شوند لذا همه ذراتي که جرم يکساني دارند بر روي يک خط ظريف متمرکز مي شوند. يون هاي سنگين که لختي شتري دارند ، نسبت به يون هاي سبکتر کمتر منحرف مي شوند. با استفاده از طيف نگار جرمي اين حقيقت مهم کشف شد که برخي از عناصر شيميايي شامل دو يا چند جزء هستند که جرم متفاوتي دارند. کلر طعي که وزن اتمي آن اعشاري است (تقريبا 35.5) ، مطابق جرم هايش که به 35 و 37 نزديک هستند ، دو خط بر روي صفحه عکاسي بوجود مي آورد ، که البته هيچ يک از ذراتش (در نتيجه آزمايش) اعشاري نبودند. اجزاي يک عنصر شيميايي که اعداد جرمي متفاوتي دارند ، ايزوتوپ خوانده مي شوند. بسياري از عناصر در حالت طعي خود شامل دو يا چند ايزوتوپ هستند ، اگرچه 20 گونه از اين عنصرها نيز تنها يک نوع ايزوتوپ دارند ، آلومينيم ، کبالت و طلا از آن جمله اند.
با اصلاح فرضيه برو ، آستون قاعده عدد کامل خود را ارئه داد که انگر اين مطلب بود که همه جرم هاي اتمي نزديک به اعداد صحيح هستند و وزن هاي اتمي اعشاري عناصر ، ناشي از وجود دو يا چند ايزوتوپ هستند که هر کدام مقدار تقري صحيحي دارند. بر اساس مقياس رايج "کربن -12" امروزي که جرم اتمي "کربن -12" دقيقا 12 واحد است ، ديگر ايزوتوپ ها ، جرم اتمي نزديک به اعداد صحيح را دارا مي باشند. با حل مسئله اعشاري بودن اوزان اتمي ، فيزيکدانان ابتدا بر اين باور شدند ، که هسته شامل تعدادي الکترون و پروتون است. هسته اي با عدد اتمي z و جرم اتمي a ، شامل a پروتون برا لحاظ کردن جرم کل و a منهاي z الکترون براي تعادل بار مثبت پروتون ها در نظر گرفته مي شد. اين نظريه درباره ساختار هسته ، در سال 1311 هخ (1932 م) توسط جيمز چادويک با کشف نوترون تغيير يافت. اين ذره جديد هيچ بار الکتريکي ندارد و جرمي تقريبا برابر با جرم پروتون دارد. امروزه معتقدند که اتم هاي خنثي حاوي n نوترون ، z پروتون و z الکترون گردان هستند به طوري که a=n+z ، در اين صورت ، ايزوتوپ ها نوکلوييدهايي با z هاي برابر و n هاي متفاوت هستند. براي مثال ، هيدروژن طعي تقريبا بطور کامل از اتم هايي تشکيل يافته است که حاوي يک پروتون و يک الکترون مي باشد. وليکن مقدار بسيار کمي (در حدود 0.015 درصد) دوتريم (هيدروژن سنگين) در طعت يافت مي شود. دوتريم شامل يک پروتون ، يک نوترون و يک الکترون است. بطور کلي وضع در مورد عناصر سنگين تر بسيار چيده تر مي شود. قلع طعي که عدد اتمي آن 50 است ، شامل 10 گونه ايزوتوپ با چرم 112 ، 114 ، 115 ، 116 ، 117 ، 118 ، 119 ، 120 ، 122 ، 124 مي باشد.
اين ايزوتوپ ها هر کدام با ديگري متفاوت هستند ، زيرا عليرغم اين که هر يک داراي 50 پروتون و 50 الکترون هستند ، ولي تعداد نوترون هاي آن ها متفاوت است و از 62 تا 74 تغيير مي کند. هسته به واسطه نيرو ها ي کششي ميان پروتون ها و نوترون ها نگه داشته مي شود. ساز و کار اينگونه نيروهاي کششي تا کنون به طور کامل درک نشده است. وليکن جاذبه اين نيروها بايد آنقدر زياد باشند تا بر دافعه نيروي الکتروستاتيک ميان پروتون ها فائق آيند. اما به علت وجود همين نيروي دافعه با افزايش عدد اتمي ، نسبت تعداد نوترون به تعداد پروتون در مورد ايزوتوپ هاي پايدار افزايش مي يابد. در ميان عناصر سبک طعت تقريبا به ازاء هر پروتون ، يک نوترون وجود دارد.
در ميان ايزوتوپ هاي پايدار و سنگين ، براي هر دو پروتون ، تقريبا 3 نوترون وجود دارد و همانطور که قبلا اشاره شد ، آستون دريافت که جرم هاي اتمي تقريبا مقادير صحيحي هستند.
اندازه گيري هاي دقيق نشان مي دهند که جرم کلي هسته هميشه کمتر از حاصل جمع جرم هاي پروتون ها و نوترون هاي تشکيل دهنده هسته است. در سال 1284 هخ (1905 م) اينشتن نشان داد که جرم (m) صورت ديگري از انرژي (e) است که با رابطه e=mc2 به يکديگر مربوط مي شوند و در اين رابطه ، c ، سرعت نور است. اين کاهش جرم هسته به وسيله مفهوم "انرژي وندي يا بستگي هسته اي" ان مي شود. انرژي بستگي ، من ميزان انرژي لازم جهت شکستن هسته به نوکلئون ها ي تشکيل دهنده آن مي باشد. نسبت انرژي بستگي به تعداد ذرات موجود در هسته وابسته است ، که در مورد عناصر مختلف ، متفاوت است. اين نسبت در مورد عناصر با عدد جرمي ميان 30 تا 120 شتر از عناصر بسيار سبک تر و بسيار سنگين تر پايدار است.
فيزيک ذرات بنيادي به مطالعه ذرات اصلي و تشکيل دهنده مواد و نيروهاي ما ن آنها مي پردازد. هدف از اين علم ، درک قوانين بنيادي حاکم بر تشکيل مواد و جهان مادي است. همچنين اين علم يکي از شاخه هاي اصلي مطالعات علمي بر سر فهم سر چشمه دنياست.
اين مقاله پايه هاي فيزيک ذرات را توصيف مي کند. لذا مي توان با موضوع اين بحث آشنا و در هيجان آن با متخصصان شريک شد. اين متن تا حد ممکن توصيفي است ، ولي چنانچه اطلاع کمي از فيزيک عمومي داشته باشيد ، اين مبحث مي تواند براي شما مفيد باشد.
فيزيک ذرات ، موضوعي جديد است و همه کشف هاي جديد مربوط به آن ، از آغاز قرن ستم به بعد انجام شده است. لحظه به لحظه کشف هاي هيجان انگيزي انجام و گزارش شده است و موجب بازنويسي فصل هاي مشخصي از اين علم شده است ، البته اگر باعث بوجود آمدن سئوال هاي جديدي نشود! به همين دليل ، تنها واقعيت هايي که فکر مي کنيم "بطور کامل" پايه ريزي شده اند در اينجا مطرح مي شوند.
اتم ها
ممکن است از دروس شيمي پايه آموخته باشيد که مواد ، از ذرات بنياديني بنام اتم تشکيل شده اند. امروزه همه ما مي دانيم که تمام مواد تقريبا از ترکيب ش از 100 گونه اتم هاي مختلف تشکيل شده اند که آنها را عنصر مي ناميم.
به هر حال ، از اوايل قرن ستم مي دانيم که هر اتم حتي از ذرات بنيادي تري به نام پروتون ، نوترون و الکترون تشکيل شده است. هر عنصر به طور منحصر به فردي توسط تعداد پروتون هاي هسته اتمي خود شناسايي مي شود. مطالعه علم شيمي تنها با شيوه و چگونگي بر هم کنش الکترون ها با يکديگر و تشکيل مواد حاصل از اين برهم کنش ها ، سر و کار دارد ، (نيروها يا وندهاي شيمي). کوچکترين مقياسي که علم شيمي بدان توجه دارد ، در حد اتم ، است در صورتيکه فيزيک ذرات بنيادي اساسا با هر ذره بنيادي تر از اتم که مواد پايدار را تشکيل مي دهند و مي توانيم آنها را بنيم و همچنين موادي که در انرژي هاي بالا و يا در دايش جهان اوليه وجود داشته اند ، سر و کار دارد. اين علم همچنين به مطالعه نيروهاي حاکم بر اين مواد مي پردازد. در حقيقت نيروهاي شيميايي ، تنها يکي از انواع خاص نيروهاست که علم شيمي بدان مي پردازد.
بسياري از اين ذرات (يا ريز ذرات) از ديد علم شيمي و تجربه روزمره ما پنهانند. شيوه ها و وسايل مخصوصي جهت کشف و يافتن اين گونه ذرات بايد بکار رود. يکي از ابزارهاي اصلي ، شتاب دهنده ذرات است. اين وسيله ، ماشين غول کري است که آثار و محصولات حاصل از برخورد ميان اين ذرات پر سرعت را آشکار سازي مي کند. براي اينکه اين ذرات انرژي کافي داشته باشند تا ساختار دروني خويش را آشکار کنند ، بايد قبل از برخورد سرعت بسيار بالايي بگيرند. برخي از اين ريز ذرات ممکن است تنها مدت بسيار کوتاهي ش از نابودي و يا تبديل شدن به ذره ديگر ، به وجود آيند. بنابراين شتاب دهنده هاي ذرات مي توانند براي شه سازي جهان هستي در مراحل اوليه تشکيل ، استفاده شوند.
ايزوتوپ ها
پژوهش هاي تجر در زمينه فيزيک هسته اي ، به تدريج نياز به ابزارها و دستگاه هاي تخصصي دا کردند. يکي از اولين دستگاه ها ، طيف نگار جرمي بود که بوسيله فرانسيس استون ، براي اندازه گيري جرم نس اتم هاي يک عنصر ابداع شد. چنانچه يک يا چند الکترون با بار منفي ، از اتمي جدا شوند ، آن اتم باري مثبت دا مي کند که به آن "يون" اطلاق مي شود. (کلمه اي يوناني که به معني مسافر است).
طيف نگار جرمي يون هاي مثبت يک گاز منزوي (باردار شده) را به سمت صفحه عکاسي هدايت مي کند. يون ها توسط ميدان هاي الکتريکي و مغناطيسي عمود بر مسير منحرف مي شوند لذا همه ذراتي که جرم يکساني دارند بر روي يک خط ظريف متمرکز مي شوند. يون هاي سنگين که لختي شتري دارند ، نسبت به يون هاي سبکتر کمتر منحرف مي شوند. با استفاده از طيف نگار جرمي اين حقيقت مهم کشف شد که برخي از عناصر شيميايي شامل دو يا چند جزء هستند که جرم متفاوتي دارند. کلر طعي که وزن اتمي آن اعشاري است (تقريبا 35.5) ، مطابق جرم هايش که به 35 و 37 نزديک هستند ، دو خط بر روي صفحه عکاسي بوجود مي آورد ، که البته هيچ يک از ذراتش (در نتيجه آزمايش) اعشاري نبودند. اجزاي يک عنصر شيميايي که اعداد جرمي متفاوتي دارند ، ايزوتوپ خوانده مي شوند. بسياري از عناصر در حالت طعي خود شامل دو يا چند ايزوتوپ هستند ، اگرچه 20 گونه از اين عنصرها نيز تنها يک نوع ايزوتوپ دارند ، آلومينيم ، کبالت و طلا از آن جمله اند.
با اصلاح فرضيه برو ، آستون قاعده عدد کامل خود را ارئه داد که انگر اين مطلب بود که همه جرم هاي اتمي نزديک به اعداد صحيح هستند و وزن هاي اتمي اعشاري عناصر ، ناشي از وجود دو يا چند ايزوتوپ هستند که هر کدام مقدار تقري صحيحي دارند. بر اساس مقياس رايج "کربن -12" امروزي که جرم اتمي "کربن -12" دقيقا 12 واحد است ، ديگر ايزوتوپ ها ، جرم اتمي نزديک به اعداد صحيح را دارا مي باشند. با حل مسئله اعشاري بودن اوزان اتمي ، فيزيکدانان ابتدا بر اين باور شدند ، که هسته شامل تعدادي الکترون و پروتون است. هسته اي با عدد اتمي z و جرم اتمي a ، شامل a پروتون برا لحاظ کردن جرم کل و a منهاي z الکترون براي تعادل بار مثبت پروتون ها در نظر گرفته مي شد. اين نظريه درباره ساختار هسته ، در سال 1311 هخ (1932 م) توسط جيمز چادويک با کشف نوترون تغيير يافت. اين ذره جديد هيچ بار الکتريکي ندارد و جرمي تقريبا برابر با جرم پروتون دارد. امروزه معتقدند که اتم هاي خنثي حاوي n نوترون ، z پروتون و z الکترون گردان هستند به طوري که a=n+z ، در اين صورت ، ايزوتوپ ها نوکلوييدهايي با z هاي برابر و n هاي متفاوت هستند. براي مثال ، هيدروژن طعي تقريبا بطور کامل از اتم هايي تشکيل يافته است که حاوي يک پروتون و يک الکترون مي باشد. وليکن مقدار بسيار کمي (در حدود 0.015 درصد) دوتريم (هيدروژن سنگين) در طعت يافت مي شود. دوتريم شامل يک پروتون ، يک نوترون و يک الکترون است. بطور کلي وضع در مورد عناصر سنگين تر بسيار چيده تر مي شود. قلع طعي که عدد اتمي آن 50 است ، شامل 10 گونه ايزوتوپ با چرم 112 ، 114 ، 115 ، 116 ، 117 ، 118 ، 119 ، 120 ، 122 ، 124 مي باشد.
اين ايزوتوپ ها هر کدام با ديگري متفاوت هستند ، زيرا عليرغم اين که هر يک داراي 50 پروتون و 50 الکترون هستند ، ولي تعداد نوترون هاي آن ها متفاوت است و از 62 تا 74 تغيير مي کند. هسته به واسطه نيرو ها ي کششي ميان پروتون ها و نوترون ها نگه داشته مي شود. ساز و کار اينگونه نيروهاي کششي تا کنون به طور کامل درک نشده است. وليکن جاذبه اين نيروها بايد آنقدر زياد باشند تا بر دافعه نيروي الکتروستاتيک ميان پروتون ها فائق آيند. اما به علت وجود همين نيروي دافعه با افزايش عدد اتمي ، نسبت تعداد نوترون به تعداد پروتون در مورد ايزوتوپ هاي پايدار افزايش مي يابد. در ميان عناصر سبک طعت تقريبا به ازاء هر پروتون ، يک نوترون وجود دارد.
در ميان ايزوتوپ هاي پايدار و سنگين ، براي هر دو پروتون ، تقريبا 3 نوترون وجود دارد و همانطور که قبلا اشاره شد ، آستون دريافت که جرم هاي اتمي تقريبا مقادير صحيحي هستند.
اندازه گيري هاي دقيق نشان مي دهند که جرم کلي هسته هميشه کمتر از حاصل جمع جرم هاي پروتون ها و نوترون هاي تشکيل دهنده هسته است. در سال 1284 هخ (1905 م) اينشتن نشان داد که جرم (m) صورت ديگري از انرژي (e) است که با رابطه e=mc2 به يکديگر مربوط مي شوند و در اين رابطه ، c ، سرعت نور است. اين کاهش جرم هسته به وسيله مفهوم "انرژي وندي يا بستگي هسته اي" ان مي شود. انرژي بستگي ، من ميزان انرژي لازم جهت شکستن هسته به نوکلئون ها ي تشکيل دهنده آن مي باشد. نسبت انرژي بستگي به تعداد ذرات موجود در هسته وابسته است ، که در مورد عناصر مختلف ، متفاوت است. اين نسبت در مورد عناصر با عدد جرمي ميان 30 تا 120 شتر از عناصر بسيار سبک تر و بسيار سنگين تر پايدار است.
