سفر با نانو به اعماق هسته

در هر کشوری, سازمان سیاحت وجهانگردی برای جهانگردان خارجی, راهنمایان متخصصی را تدارک می بیند تا این راهنمایان, جهانگردان را با مناطق سیاحتی و تاریخی کشور آشنا سازند و در طول سفر اطلاعاتی را در این زمینه به آن ها ارائه می دهند در فیزیک نیز ما برای علاقه مندان به فیزیک جهانگردان فیزیک , راهنمایی تدارک دیده ایم

در هر کشوری، سازمان سیاحت وجهانگردی برای جهانگردان خارجی، راهنمایان متخصصی را تدارک می بیند تا این راهنمایان، جهانگردان را با مناطق سیاحتی و تاریخی کشور آشنا سازند و در طول سفر اطلاعاتی را در این زمینه به آن ها ارائه می دهند. در فیزیک نیز ما برای علاقه مندان به فیزیک (جهانگردان فیزیک)، راهنمایی تدارک دیده ایم. راهنمایی که برای سفر به اعماق هسته و ذرات زیر اتمی برای شما انتخاب کردیم، "نانو" نام دارد (نانو واحد فیزیکی و معادل ۱۰ به توان ۹- متر است). "نانو" ما را در سفر به اعماق زیر اتمی راهنمایی می کند و ما را با این دنیای به ظاهر کوچک اما وسیع و گسترده آشنا می سازد. پس خود را برای سفر به درون اتم آماده کنید. امیدورام که "نانو" راهنمای خوبی برای شما در این سفر باشد.

سفر خوشی را برای شما آرزو می کنیم!

مقدمات سفر

هنگامی كه فیزیكدانان مشغول بررسی ساختار متكامل اتم بودند، متوجه توده متراكمی كه در مركز آن قرار دارد، شدند. و درصدد برآمدند تا به ساختار این توده كه بخش ناچیزی از اتم را اشغال كرده است، دست یابند. این ابر متراكم همان هسته اتم است كه بار الكتریكی مثبت دارد. برای درك صحیح و روشن از ساختار هسته، بهتر است با مرور از بیان مفاهیم رایج در ساختمان هسته، به بررسی ساختار آن بپردازیم.

شروع سفر

ذرات سازنده اتم را زیر اتمی می گویند. این ذرات به دو دسته تقسیم می شوند:

۱)هادرون ها

۲)لیپتون ها

هادرون ها: تركیباتی هستند كه از ذرات بنیادی كوارك تشكیل شده اند. كوارك ذره ای بنیادی كه دارای بار الكتریكی است و اندازه بار الكتریكی آن كمتر از ۱ واحد است. تا كنون ۶ نوع كوارك كشف شده است كه عبارتند از: كوارك بالا(Up)،افسون(Charm) و رو(Top) با بار الكتریكی ۳/۲+ (دو سوم)، كوارك پایین(Down)،عجیب(Strange) وته(Bottom) با بارالكتریكی۳/۱-(منفی یک سوم).

علاوه بر بارالكتریكی كه نمودار خواص كوارك هاست از خواص دیگری بنام "رنگ " نیز استفاده می شود. كوارك ها در سه رنگ "آبی"، "قرمز" و "سبز" طبقه بندی می شوند.این رنگ ها به منزله نوع بارالكتریكی آن هاست كه مشخصه نیروی بنیادی میان كوارك هاست. اگر سه كوارك با این سه رنگ مختلف در كنار یكدیگر قرار گیرند رنگ سفید حاصل می شود. به ذراتی كه از سه كوارك تشكیل شده اند، باریون می گویند. معروفترین و پایدارترین باریون های شناخته شده، پروتون و نوترون هستند. پروتون از دو كوارك بالا و یك كوارك پایین و نوترون از دو كوارك پایین و یك كوارك بالا تشكیل شده و به همین دلیل است كه پروتون دارای بار الكتریكی ۱+ و نوترون بی بار(با استفاده از جمع جبری بار کوارک های سازنده).

به تركیبات هادرونی كه از یك كوارك وضد كوارك تشكیل شده باشند، مزون می گویند. مثلاً یك كوارك آبی و یك كوارك ضد آبی در كنار هم كه قرار گیرند، مزون را ایجاد می كنند. مزون ها ناپایدارند و در مدت زمان بسیار كم به انرژی تبدیل می شوند.معروفترین مزون های شناخته شده پیون، كه از یك كوارك بالا و ضد كوارك پایین و همچنین كائون، كه از كوارك بالا و ضد كوارك عجیب تشكیل شده اند. كه عمر این ذرات به ۰.۰۰۰۰۰۰۰۰۲ ثانیه هم نمی رسد. اخیراً یك تركیب هادرونی كه از پنج كوارك تشكیل شده است، كشف كرده اند.

" نانو به پنتا کوارک طوری خیره شده بود که گویا اولین باری است که آن را می بیند، اما بر اساس اطلاعات دریافتی در این زمینه توضیح می دهد: " این تركیب كه پنتا كوارك نامیده شده است از دو كوارك پایین، دوكوارك بالا و یك ضد كوارك عجیب تشكیل شده كه درمدت زمان كمتر از ۲۰ -^۱۰ (ده به توان منفی ۲۰) ثانیه فرو می پاشد و به یك نوترون و كائون مثبت تبدیل می شود. در تركیبات هادرون ها نیروهای بنیادی وجود دارد كه این نیرو ها قالب تركیبات هادرونی را نگه می دارد. نیروهای بنیادی، نیروهای حاكم بر جهان می باشند كه میان ذرات سنگ بنای مواد برقرار است. این نیروها به چهار دسته تقسیم می شوند:

۱- نیروی قوی(رنگ)

۲- نیروی الكترومغناطیسی

۳- نیروی ضعیف

۴- نیروی گرانشی

* نیروی قوی: این نیرو مخصوص تركیبات كواركی است كه میان كوارك ها بر قرار است. لازمه برقراری این نیرو آن است كه سه كوارك با سه رنگ مختلف (كه در بالا ذكر شد) در كنار یكدیگر قرار گیرند، همانطور كه لازمه برقراری نیروی الكتریكی آنست كه دو ذره باردار در كنار هم باشند. به همین دلیل است كه كوارك ها به تنهایی در طبیعت یافت نمی شوند. این نیرو از پرت شدن كوارك ها در درون پروتون و نوترون جلوگیری می كند. این نیرو توسط گلوئون ها، بین كوارك ها منتقل می شود. البته این نیرو فقط در فواصل كوتاه كارگر است.

* نیروی الكترومغناطیسی: این نیرو میان ذرات باردار ایجاد می شود. و همچنین نیروی الكترومغناطیسی بر ذرات باردار كه در میدان مغناطیسی در حال حركتند، وارد می شود. این نیرو توسط فوتون ها، بین ذرات باردار منتقل می شود.

*نیروی ضعیف: علاوه بر دو نیرویی كه در بالا ذكر شد، نیرویی وجود دارد كه بدون استثنا بر تمام ذرات جهان در فواصل بسیار بسیار كم حكمفرماست. این نیرو را نیروی ضعیف می نامند، كه توسط بوزون ها میان ذرات منتقل می شود.

*نیروی گرانشی (جاذبه): نیروی جاذبه ای است كه میان اجسامی كه دارای جرم می باشند حكمفرماست. این نیرو نسبت به نیروهای بنیادی دیگر در مورد ذرات بنیادی ودر فواصل كوتاه بسیار ضعیف است. این نیرو در مورد اجرام آسمانی موثر است. نیرو گرانشی توسط ذرات گراویتون(Graviton) میان مواد جابجا می شود. ناقلان نیروهای بنیادی همگی از ذرات بنیادی به شمار می آیند.

لیپتون ها : لیپتون ها ذرات بنیادی هستند كه نیروی قوی (رنگ) بر آن ها حاكم نیست. معروفترین لیپتون های شناخته شده، الكترون، میون ها و تاو می باشند كه همگی این ذرات بار الكتریكی منفی دارند. الكترون ها پایدارند اما دوذره میون و تاو عمرشان بسیار كم می باشد. نوترینوی این ذرات نیز وجود دارد كه پایدار هستند.

نوترون ها به تنهایی ناپایدارند و پس از حدود ۱۵ دقیقه از بین می روند و به یك پروتون و الكترون تبدیل می شوند. در آزمایشگاه مقدار انرژی محاسبه شده برای الكترون واپاشی شده، كمتر از مقدار مشاهده شده در آزمایش این واكنش بوده است. فیزیكدانان با بررسی كل انرژی در قبل و بعد از واكنش به این نتیجه رسیدند كه مقداری انرژی در واپاشی الكترون ناپدید شده است و پایستگی انرژی در این مورد صدق نمی كند. تا اینكه در سال ۱۹۳۳ ولفگانگ پائولی نظریه ای را در این مورد ارئه داد. این نظریه می گوید هنگامی كه الكترون یا هر ذره بنیادی میون یا تاو، واپاشی می كند، مقداری از انرژی آزاد شده در این واكنش توسط ذره ای بی بار كه جرم آن نزدیك به صفر است حمل می شود. این ذره را نوترینو یعنی یك ذره خیلی كوچك خنثی، نام نهادند. چون جرم این ذره نزدیك به صفر است، تشخیص آن در آزمایشگاه ها بسیار سخت و مشكل بود.

" نانو کمی مکث کرده و ادامه می دهد :" تا اینكه در سال ۱۹۵۶ به وجود این ذره در یك میدان مغناطیسی بسیار بسیار قوی پی بردند.

پس تمام ذرات لیپتون، كوارك ها و ذرات میدان (ذرات منتقل كننده نیرو) جزو ذرات بنیادی هستند.از این ذرات بنیادی، فقط كوارك بالا، پایین والكترون در ساختار جهان ما نقشی را برعهده دارند. پروتون ها و نوترون ها نسبت به الكترون ها بسیار سنگین هستند اما اندازه بار الكتریكی پروتون ها والكترون ها یكسان می باشد.

اكنون با مرور بر مفاهیم ذرات بنیادی، می توانیم ساختمان هسته را توصیف كنیم. هسته از پروتون ها و نوترون ها تشكیل شده كه به طور متراكم در كنار یكدیگر قرار دارند. به ذرات سازنده هسته، نوكلئون می گویند. هسته دارای بارالكتریكی مثبت می باشد. اندازه بار الكتریكی هسته كه ناشی از پروتون های آن می باشد، برابر با مجموع اندازه تعداد بار الكتریكی منفی الكترون هاست. به همین دلیل اتم در حالت طبیعی از نظر بار الكتریكی خنثی است. اگر اتم الكترونی را از دست بدهد، تعداد بار الكتریكی منفی كمتر از تعداد بار الكتریكی مثبت می شود و درنتیجه اتم به یون مثبت تبدیل می شود. اتم های فلزی دارای چنین خاصیتی هستند. اما اگر اتمی الكترونی را دریافت كند، تعداد بار الكتریكی مثبت كمتر از تعداد بار الكتریكی منفی می شود و در نتیجه اتم به یون منفی تبدیل می گردد. اتم های عناصر نافلز دارای چنین خاصیتی می باشند.هسته با بار الكتریكی مثبت خود باعث می شود كه الكترون ها در سطوح انرژی معین در اطراف خود حركت كنند. تا جایی كه می دانیم، بیشتر فضای اتم توخالی است و بخش ناچیزی از آن را هسته اشغال كرده است. هسته كه دربرگیرنده ذرات سنگین می باشد، جرم اتم به شمار می رود. اما در واحد جرم اتمی، جرم الكترون های اتم را نیز در نظر می گیرند.

تعداد پروتون های هسته یك اتم را عدد اتمی می گویند كه با A نشان می دهند. عدد اتمی نیز نمودار تعداد الكترون های اتم خنثی به شمار می رود. تعداد نوكلئون های هسته یك اتم را عدد جرمی می گویند كه با Z نشان می دهند. پس (Z-A) تعداد نوترون های هسته را به ما نشان می دهد.

هر عنصر عدد اتمی منحصر به فردی دارد كه نمایانگر خاصیت شیمیایی آن می باشد اما عدد جرمی عنصر نمایانگر خواص فیزیكی عنصر مانند چگالی و جرم می باشد. اما عدد جرمی هسته های اتم های یك عنصر متفاوت می باشد. و این تفاوت ناشی از متغییر بودن تعداد نوترون های هسته های عنصر می باشد. پس به عناصری كه عدد اتمی آن ها یكسان اما عدد جرمیشان متفاوت می باشد، ایزوتوپ های آن عنصر می گویند. مثلا ًعدد اتمی كربن ۶ می باشد اما كربن دارای ۴ ایزوتوپ با اعداد جرمی ۱۳,۱۲,۱۱ و۱۴ می باشد. عدد جرمی را در پایین نماد عنصر و عدد اتمی را در بالای نماد عنصر می نویسند.

---