تبلیغات
دنیای ما فیزیکی ها

فیزیک نوین (Modern Physics)

 

دید کلی

  • می‌دانید فیزیک نوین چیست؟
  • فیزیک نوین با فیزیک کلاسیک چه تفاوتی دارد و در چه مواردی با آن مشابه است؟
  • چه مفاهیم اساسی از فیزیک کلاسیک به فیزیک قرن بیستم ، که با ذرات خیلی و خیلی سریع سروکار دارد ، انتقال یافته‌اند؟
  • کدامیک از مفاهیم کلاسیک بدون تغییر می ماند و کدامیک باید اصلاح شود؟

این سوالها و سوالهای مهم دیگر موضوعاتی هستند که در فیزیک نوین مورد بحث قرار می‌گیرند.

پیدایش فیزیک نوین

تا اواخر قرن نوزده قوانین حرکت نیوتن بر دنیای مکانیک حکومت میکرد و به عنوان پایه‌های مکانیک کلاسیک بودند. همچنین تا این زمان تبدیلات گالیله به عنوان بهترین الگو جهت تبدیل مختصات به شمار می رفت. بر اساس این تبدیلات سرعت نور مقداری ثابت می‌شود و با حرکت ناظر تغییر می‌کرد. تا اینکه آلبرت انیشتین نظریه نسبیت را ارائه داد و دنیای فیزیک را متحول ساخت. در این زمان آزمایشهای زیادی برای اندازه گیری سرعت نور انجام شد و دانشمندان به این نتیجه رسیدند که سرعت نور مستقل ار حرکت چارچوبهای مرجع مقداری ثابت است. به این ترتیب فیزیک نوین بصورت رسمی پایه ریزی شد. در حالت کلی می‌توان گفت که فیزیک نوین در مورد اصول فیزیک قرن بیستم به صورت نسبتا دقیق و در عین حال در یک سطح بنیادی بحث می‌کند.

پایستگی جرم

برخلاف آنچه در مکانیک کلاسیک تصور می‌شد ، در فیزیک نوین جرم یک جسم کمیتی تغییر ناپذیر نیست ، بلکه با بالا رفتن سرعت افزایش پیدا می‌کند. بدین ترتیب است که وقتی سرعت یک جسم به سرعت نور (C=3X108m/s) نزدیک می‌شود، جرم آن به سوی بینهایت میل می‌کند. پس سرعت نور معرف حدی است که تجاوز از آن را نمی‌توان انتظار داشت. لازم به یادآوری است که غیر از مورد سرعتهای بیشتر از 0.1 سرعت نور ، این تصحیح جرم محسوس نیست. از طرف دیگر ، قبول می‌کنیم که جرم و انرژی می‌‌توانند متقابلا به یکدیگر تبدیل شوند. بدین جهت است که در فروپاشیهای اتمی چنانکه می‌دانیم ، انرژی قابل ملاحظه ای تولید می‌شود. مجموع جرمهای اجسام حاصل همیشه کمتر از جرم جسم خرد شده است. با استفاده از فرمول آلبرت انیشتین می‌توان انرژی آزاد شده را محاسبه کرد.
E=mC2


بنابراین ، بجای پایستگی جرم در حالت کلاسیک ، پایستگی جرم و انرژی قرار می‌گیرد. به عبارت دیگر هرگاه جرم تغییر کند آن تغییر به وسیله تغییر انرژی جبران می‌شود. و لذا انرژی و جرم را می‌توان به یکدیگر تبدیل کرد.

پایستگی زمان

برخلاف فیزیک کلاسیک ، در فیزیک نوین زمان یک کمیت ثابت و پایا نیست و بلکه به حرکت چارچوبهای مرجع بستگی دارد و با بالا رفتن سرعت طولانیتر می‌گویند. از این مسئله تحت عنوان پدیده اتساع زمان در فیزیک نوین یاد می‌شود.
T=T0/√1-(v/c)2



پدیده اتساع زمان به مسائل بسیار جالبی مانند پاردوکس دو قلوها منجر می‌شود. به عبارت دیگر ، اگر دو برادر دو قلو را در نظر بگیریم که در یک لحظه در روی زمین متولد می‌شوند ، آنگاه یکی از این دو برادر بوسیله سفینهای که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند به طرف کره ماه برود ، در اینصورت بعد از گذشت مدت زمانی ، فاصله سنی که دو برادر از یکدیگر دارند متفاوت خواهد بود.


لازم به ذکر است که در حد V<زمان نسبی در فیزیک نوین به
زمان مطلق در فیزیک کلاسیک تحویل می‌شود. در تجربه‌های روزمره ، اجسامی را مشاهده می‌کنیم که با سرعتهای خیلی کوچکتر از سرعت نور در حرکت‌اند. بنابراین ، اثرهای نسبیتی برجسته‌ای که بوسیله تبدیلات لورنتس جسم می‌شوند ، به آسمانی قابل درک نیستند. این پدیده ها اغلب در واپاشیهای پرتوزا اعمال می‌شوند.
در فیزیک نوین فضا نیز مطلق بودن خود را از دست داده و به یک کمیت نسبی تبدیل می‌شود که به سرعت ناظرها بستگی دارد. این پدیده نیز به عنوان
انقباض فضا معروف است. رابطهای که انقباض فضا بر حسب آن بیان می‌شود ، به صورت زیر است.
L=L0x√1-(v/c)2


بر اساس رابطه فوق اگر سرعت افزایش پیدا کند ، طول کوتاهتر می‌شود.   جرم فوتون ملاحظه کردیم که در فیزیک نوین جرم بر اساس رابطه m=m0/√1-(v/c)2 تغییر می‌کند. بنابراین در مورد فوتون که دارای سرعت C می‌باشد ، مقدار بینهایت برای جرم فوتون حاصل می‌گردد. برای احتزار از این مسئله جرم سکون فوتون (m0) را برای صفر فرض می‌شود.

پایستگی تکانه

می‌دانیم که در فیزیک کلاسیک تکانه بر حسب رابطه P=mv بیان می‌شود. از طرف دیگر گفتیم که جرم پایسته نبوده و بسته به سرعت ناظرها تغییر می‌کند. بنابراین تکانه که یک کمیت پایسته در فیزیک کلاسیک است ، پایستگی خود را از دست می‌دهد. همچنین دیدیم که طبق رابطه آلبرت انیشتین تغییر در جرم با تغییر در انرژی جبران میشود. بنابراین ، بجای کمیت پایسته تکانه فیزیک کلاسیک ، در فیزیک نوین کمیت دیگری بنام اندازه حرکت-انرژی معرفی می‌شود. این کمیت همواره مقداری پایسته خواهد بود که براساس رابطه زیر بیان می شود.

E2=E20+(pc)2


معادله فوق یک رابطه اساسی در دینامیک نسبیتی می‌باشد. چون در فضای سه بعدی اندازه حرکت (تکانه) دارای سه مولفه است. رابطه فوق به عنوان چهار بردار اندازه حرکت - انرژی معروف است.

چهار بردار فضا-زمان

ملاحظه کردیم که در فیزیک نوین رابطه پایسته جدیدی به نام اندازه حرکت-انرژی حاصل شد. همچنین بجای پایستگی جداگانه فضایی و پایستگی زمانی فیزیک کلاسیک ، در فیزیک نوین زمان و فضا به یکدیگر وابسته گشته و یک کمیت پایسته به عنوان چهار بردار فضا-زمان بوجود می‌آید.

سخن آخر

آنچه اشاره شد در واقع مفاهیم اولیهای هستند که برای ورود به فیزیک نوین لازم است. یعنی باید ابتدا در نگرش کلاسیکی خود تغییراتی اعمال کنیم و سپس وارد فیزیک نوین شویم. بعد از اینکه خود را به این اطلاعات اولیه تجهیز کردیم ، به راحتی می‌توانیم پدیده‌هایی چون پدیده فوتوالکتریک ، اثر کامپتون ، تولیدزوج و نابودی زوج ، تولید اشعه ایکس و موارد دیگر را به راحتی تغییر کنیم.

مسئله دیگری که در فیزیک نوین مورد مطالعه قرار می گیرد ، مطالعه
ساختار اتمی مواد ، برهمکنش فوتون با ماده و واکنش های هسته‌ای با استفاده از مفاهیم اولیه فیزیک نوین بحث می‌شود.



نویسنده: آرزو هادی

ذره شگفت انگیزی که از ذرات نور سریع تر است

 

فیزیکدانان سرن در سوئیس و لابراتوار “گرن ساسو” در ایتالیا از نتیجه شگفت انگیزی خبر دادند که با به چالش کشیدن تئوری نسبیت عمومی انیشتین نشان می دهد ذرات نوترینو با سرعتی بیشتر از سرعت نور یک فاصله ۷۳۰ کیلومتری را پیموده اند.

فیزیکدانان شورای تحقیقات هسته ای اروپا (سرن) و لابراتوارهای “گرن ساسو” در موسسه ملی فیزیک هسته ای ایتالیا که با استفاده از دستگاه آشکارساز “اپرا” در آزمایش Cng 1s (نوترینوی سرن به سمت گرن ساسو) شرکت دارند از یک نتیجه شگفت انگیز در آزمایشات خود خبر دادند.

این دانشمندان اعلام کردند که توانسته اند فراتر از سرعت نور حرکت کنند. به طوریکه آشکارساز “اپرا” با دریافت و بررسی بیش از ۱۵ هزار ذره نوترینو که در برخورد دهنده “سوپر سینکروتون پروتون” در سرن تولید شده و با طی مسافت ۷۳۰ کیلومتر به لابراتوارهای “گرن ساسو” در ایتالیا رسیده بود کشف کرد که این ذرات برای طی این مسافت تنها ۲٫۴ میلی ثانیه را صرف کردند.

این مدت زمان ۶۰ میلیاردیم ثانیه نسبت به حداکثر زمان مورد انتظار جلوتر بود و بنابراین در آزمایش Cng 1s که اطلاعات آن در مدت سه سال جمع آوری شده اند در حدود ۶۰ نانوثانیه سریعتر از سرعت نور حرکت کردند.



نویسنده: نسیم صفاریان ادامه مطلب

آشکارساز نیم رسانا

دید کلی

توزیع الکترونها در یک جامد را می‌توان بر حسب یک سری از نوارهای انرژی که هر نوار آن افقی تعداد محدودی الکترونها را در خود جای می‌دهد تصویر کرد. پایین‌ترین نوارهای انرژی حاوی الکترونهایی هستند که پیوند محکمی با هسته اتمهایی که جسم جامد را تشکیل می‌دهند دارند. الکترونهایی که در انرژیهای بالاتر هستند آنهایی هستند که پیوند سستی به هسته‌ها دارند. در یک نیم رسانا انرژی لازم برای بالا بردن یک الکترون در فاصله شکاف انرژی بین نوارهای ظرفیتی و رسانش اندک است دادن یک الکترون به نوار رسانش نتیجه‌اش بر جای ماندن یک جای خالی در نوار ظرفیتی است و از آنجا که این جای خالی هم میدان الکتریکی متحرک است مثل الکترونی با بار مثبت است که حفره نامیده می‌شود در یک نیم رسانا مثل سولفید کادمیوم یک فوتون جذب شده تولید یک زوج الکترون و حفره می‌کند یک فوتو رسانایی نظیر این می‌تواند در یک مدار الکتریکی برای آشکار سازی تابش مورد استفاده قرار گیرد.



تصویر

آشکار سازهای فوتو ولتایی

اگر ماده نوع n (حامل‌های اکثریت الکترونها) در کنار ماده نوع p (حاملهای اکثریت حفره‌ها) قرار گیرد، الکترونهای اضافی حفره‌ها در دور و بر پیوندگاه این دو نوع ماده ترکیب می‌یابند. این روند ترکیب ، انرژی‌های نسبی نوارهای رسانشی و ظرفیتی را تغییر می‌دهد. جریان حفره‌ها را الکترونها در پیوندگاه را متوقف می‌کند و باعث ایجاد یک میدان الکتریکی موضعی دائم در پیوندگاه می‌شوند اگر یک کوانتوم از تابش هر فردی بر منطقه پیوندگاه جذب و یک زوج الکترون و حفره تولید شده باشد. چنانچه میدان پیوندگان ، حاملان بار را پیش از اینکه بتواند دوباره ترکیب یابند، از همدیگر جدا کند آنگاه در یک مدار باز یک ولتاژ غیر صفر در دو قطبی پدیدار می‌شود و در یک مدار بسته جریان الکتریکی برقرار خواهد شد.

هرگاه یک وسیله اندازه گیری ولتاژ یا جریان به مدار افزوده شود، حاصلش یک آشکار ساز نور است. آشکار سازی که ولتاژ یا جریان را بدون هر منبع اضافی ولتاژ تغذیه می‌کند گفته می‌شود که در مد فوتوولتایی کار می‌کند. یک آشکار ساز نیم رسانا قادر است که تابش را به توان الکتریکی تبدیل کند. وسیله‌ای که این کار را به بهترین وجه انجام می‌دهد سلول خورشیدی است. این پیوندها از ماده نوع n و p که منطقه پیوندگاه بزرگ است می‌سازند. نور ورودی بر این سطح وسیع تولید زوج الکترون حفره می کند و الکتریسیته ایجاد می شود.

فوتو آشکار سازها

یکی از مزایای استفاده از نیم رساناها در مد فوتوولتایی این است که به منبع قدرت خارجی هیچ نیازی وجود ندارد ولی هرگاه که زمان پاسخ سریع و حساسیت بیشتر باشد، آنگاه یک ولتاژ تغذیه به دو قطبی اعمال می‌شود این کار میدان را در منطقه پیوندگاه افزایش می‌دهد و حجمی موسوم به لایه تهی تولید می‌کند که در آن هیچ حامل بار متحرکی وجود ندارد به سبب حضور میدان الکتریکی پاسخ زمانی چنین وسایلی را می‌توان تا 10 نانو ثانیه کاهش داد. برای افزایش دادن اندازه پیوندگاه و لذا لایه تهی بعضی اوقات دوقطبی‌هایی با یک لایه اضافی که دارای رسانندگی یکسان با مواد (خالص) هستند ساخته می‌شود. لایه‌ها در ترتیب p-i-n هستند که در آن i نماینده ذاتی است این وسیله را یک فوتو دوقطبی PIN می‌نامند.




فوتو دوقطبی‌های بهمنی

میان فوتو دوقطبی‌های نیم رسانای ارزان قیمت و فوتو تکثیرکنهای گران قیمت ، شکاف حساسیت بزرگی در حدود 1 آمپر بر وات تا 1000 آمپر بر وات وجود دارد این شکاف را فوتو دوقطبی‌های بهمنی که حساسیت آنها در دور 10 وبر تا 1000 آمپر بر وات است، پر می‌کنند. فوتو دوقطبی بهمنی شبیه لامپ فوتوتکثیرکن است‌، در معنای میکروسکوپی یک فوتون جذب شده تولید زوج الکترون – حفره می‌کند. هر حامل بار که بوسیله میدان مذکور مقداری شتاب می‌گیرد با شبکه بلوری نیم رسانا برخورد می‌کند. در چنین حالتی انرژی جنبشی افزایش یافته تبدیل به ایجاد زوجهای حاصل بار اضافی می‌شود مثل الکترونها در تکثیرکننده فوتونی که تولید الکترونهای بیشتری در نتیجه برخورد با داینودها می کند . این روش تکثیر بار است که نام فوتو دوقطبی بهمنی را به آن داده است.

آرایه‌های فوتو دیودی

یک آرایه دو قطبی عبارت است از یک ردیف خطی یا یک ردیف دو بعدی از دو قطبی‌هایی که به همدیگر به گونه‌ای وصل می‌شوند که مدار الکترونیکی حاصل بتواند پاسخ فوتو دوقطبی‌ها را به روالی منظم ذخیره و قرائت کند. این وسیله ترکیبی است از یک لامپ تصویر ، یک صفحه عکاسی و یک فوتو دوقطبی. ساختمان این آرایه‌ها با ساختمان یک مدار یکپارچه در مقیاس بزرگ مشابهت زیاد دارد یک آرایه فوتو دوقطبی اساساً از یک رشته فوتو دوقطبی‌ها به صورت یک خط یا یک مربع نشانده می‌شوند، تشکیل می‌یابد. خود دوقطبی‌ها یا دارای ظرفیت کوچک هستند یا همراه یک خازن ساخته می‌شوند. یک آرایه فوتو دوقطبی ثبات ، تغییر مکان - دوقطبی‌ها و خازن را به خط تصویری وصل می‌کند تا خازن را پر کرده و یک لایه تهی در دوقطبی ایجاد کند. طی نوردهی فوتونهای ورودی جذب می‌شوند و تولید زوجهای الکترون – حفره می‌کنند.

کاربردهای ویژه

آرایه فوتو دوقطبی یک تزویج عالی بین اپتیک و تکنولوژی نیم رساناها می‌باشد. از این آرایه می‌توان در کاربردهای صنعتی به عنوان یک سنجنده غیر تماسی هم برای ذخیره و اندازه‌گیری و هم برای تشخیص نقوش استفاده کرد. در بینابینی علمی کاربرد آن بصورت یک صفحه عکاسی الکترونی که دارای مزیت خطی بودن و مرتبط به کامپیوتر است رواج دارد. در زمینه‌های گرافیکی و مخابراتی می‌تواند جای تلویزیون را بگیرد، قیمت اکثر فصایل آن نسبتاً گران است بالاخص در کاربردهایی که مستلزم ذخیره کامپیوتری و نرم افزارهای مرتبط با آن است این امر مصداق می‌یابد.


نویسنده: نرگس فیضی پور

....



نویسنده: فهیمه رضوی

آشکارسازی نوترون

 

از آنجا که نوترون یک ذره خنثی است، با آشکار سازهای معمولی که برای تشعشعات یون‌ساز بکار می‌روند، آشکار نمی‌شود. بنابراین آشکار سازی نوترونها مستقیما با استفاده از واکنشهای هسته‌ای ، که ذرات ثانویه باردار تولید می‌کنند، انجام می‌گیرد. این واکنشها دو نوع هستند: در اولین نوع ذرات هسته‌ای باردار فورا تولید می‌شوند و دومین نوع واکنشهای هسته‌ای ، اساس شاخصهای رادیواکتیو را تشکیل می‌دهند.


آشکار ساز نوترون با واکنشهای (n , alpha)




img/daneshnameh_up/6/6b/neutron-array.jpg

آشکار ساز برن (Boron counter)

آشکار ساز برن یکی از ساده‌ترین و پراستفاده‌ترین وسیله‌هایی است که برای آشکار سازی نوترون بکار برده می‌شود. این آشکار سازها معمولا شکل آشکار ساز تناسبی را دارند که با گاز تری فلوئورید بور () که دارای بور 10 غنی شده است، پر شده‌اند. تری متیل بور نیز به عنوان گاز مصرفی آزمایش شده است.

آشکار ساز طویل

برای آشکار سازی نوترونهای سریعتر با استفاده از یک آشکار ساز برن ، ابتدا بایستی نوترونها کند شوند. طبق نظریه هانسون (Hanson) و مکیبن (Mckibben) ، بهترین روش و مناسب‌ترین آشکار ساز برای آشکار سازی چنین نوترونهای کندی ، آشکار ساز طویل است. آشکار ساز طویل ، آشکار ساز برنی است که بطور استاندارد در داخل کند کننده پارافین قرار گرفته است. این کند کننده ، آشکار سازی نوترونهای سریع را در یک حد نسبتا زیاد انرژی ، با راندمانی تقریبا مستقل از انرژی میسر می‌سازد.

سنتیلاتورهای برن (Boron scintillators)

عیبهای اساسی آشکار ساز عبارتند از:

راندمان کم در انرژیهای بالای یک الکترون ولت و زمان جداکنندگی نسبتا کوچک.

این عیوب می‌توانند با استفاده از آشکار سازهای سنتیلاتور ، بطور قابل ملاحظه‌ای برطرف شوند. یک نوع از این آشکار ساز ، آشکار ساز فوتونهای گاما با انرژی 478 کیلو الکترون ولت است که در اثر جذب نوترون بوسیله یک صفحه بور 10 (10B) تولید شده‌اند، توسط یک کریستال NaI (سدیم آیوداین) انجام می‌گیرد. راندمان آشکار ساز صفحه‌ای برن برای فوتونهای گاما با انرژی 478kev در حدود 10 درصد است.

آشکار سازی نوترونهای سریع با استفاده از پروتونهای پس پراکنده شده

اگر یک نوترون با انرژی E به پروتون ساکنی برخورد کند، انرژی جنبشی دریافت شده توسط پروتون برابر خواهد بود با :



که زاویه پراکندگی پروتون و انرژی جنبشی دریافت شده توسط پروتون است. اگر برای یک پراکندگی معلوم ، در یک زمان اندازه گیری شوند، در این صورت انرژی نوترون را می‌توان تعیین کرد. اگر اندازه گیری‌ها فقط به انرژی پروتونهای عقب رانده شده محدود شود، طیف نوترون را با تفکیک انرژی این پروتونها می‌توان تعیین کرد.

(آشکار ساز سنتیلاتور

اگر آشکار سازهای سنتیلاتور پروتون عقب رانده شده ، برای آشکار سازی بکار برده شوند، مقدار راندمان بیشتر و اثرات انتها و دیواره خیلی کوچکتر می‌گردد. بلورهای آلی (آنتراسن و استیل بن) ، سنتیلاتورهای مایع و پلاستیکی برای این منظور مناسب هستند.

علت محافظت آشکار سازها

حساسیت اغلب آشکار سازهای پروتون عقب رانده شده فقط کمی به جهت نوترون تابیده بستگی دارد. برای جلوگیری از شمارش نوترونهای تابیده از پهلو بایستی آشکار ساز محافظت شود.

آشکار ساز شکافتی

در شکافت یک هسته سنگین پاره‌های شکافت دارای انرژی جنبشی در 160Mev هستند. بنابرین ساختن اتاقکهای شکافت برای آشکار سازی نوترون که نسبت به گاما فوق‌العاده حساس نباشد امکان پذیر است. اناقکهای شکافت معمولا با گاز آرگون پر شده‌اند و کار آنها مشابه شرایط کار اتاقک یونیزاسیون می‌باشد. برای بدست آوردن یک طیف ارتفاع پالس مناسب ، مقدار این مواد نباید بیش از 1mgr/cm2 باشد، زیرا در غیر اینصورت خود جذبی محصولات فیسیون زیاد می‌شود.

آشکار ساز 3He

یک آشکار ساز متناسب که با گاز 3He پر شده است تحت تشعشع با نوترونهایی با انرژی E ، پالسهایی تولید می‌کند که ارتفاع آنها متناسب با E+Q است. Q=764Kev عبارتست از انرژی واکنش 3He (n,p) 3H.

 



نویسنده: نرگس فیضی پور

گیراندازی الکترون

پرونده:Zerfallsschema.png

گیراندازی الکترون (EC) با تلاشی بتا مثبت (β+) همواره رقابت می‌کند.

گیراندازی الکترون (به انگلیسی: Electron Capture) فرایندیست هسته‌ای که در آن الکترونی از لایه‌های پایین تر (K, L, M) جذب هسته گردیده (K محتمل ترین است) و پروتون به نوترون تبدیل می‌گردد. در این میان یک نوترینو ساطع گردیده و اگر الکترون گیرانداخته شده از لایهٔ K باشد٬ این فرایند موجب بروز پرتو ایکس مشخصه از مدار بالاتر و یا گاهاً یک الکترون اوژه می‌گردد.

این فرایند را می‌توان بصورت زیر نمایش داد:

\mathrm{p}^+   + \mathrm{e}^- \rightarrow\mathrm{n} + {\nu}_e \,

بطور نمونه:

               \mathrm{{}^{26}_{13}Al}+\mathrm{e}^- \rightarrow\mathrm{{}^{26}_{12}Mg}+{\nu}_e

\mathrm{{}^{59}_{28}Ni}+\mathrm{e}^- \rightarrow\mathrm{{}^{59}_{27}Co}+{\nu}_e

\mathrm{{}^{40}_{19}K}+\mathrm{e}^- \rightarrow\mathrm{{}^{40}_{18}Ar}+{\nu}_e

 این فرایند غالبا در هسته‌هایی رخ می‌دهد که کاستی نوترون و یا ازدیاد پروتون دارند٫ و با تلاشی بتای مثبت (β+) رقابت دارد.

در صورت ساطع شدن الکترون اوژه، انرژی الکترون اوژه ساطع شده برابر با انرژی پرتو ایکس مشخصه منهای انرژی بستگی الکترون می‌باشد.

رادیوایزوتوپ‌های مهم گیراندازی الکترون در پزشکی هسته‌ای عبارت‌اند از: Ga-67, In-111, I-123, I-125, و Tl-201.

 



نویسنده: نسیم صفاریان

طیف سنج جرمی

تاریخچه
اصول طیف سنجی جرمی ، جلوتر از هر یك از تكنیكهای دستگاهی دیگر ، بنا نهاده شده است. تاریخ پایه گذاری اصول اساسی آن به سال 1898 بر می‌گردد. در سال 1911 ، "تامسون" برای تشریح وجود نئون-22 در نمونه‌ای از نئون-20 از طیف جرمی استفاده نمود و ثابت كرد كه عناصر می‌توانند ایزوتوپ داشته باشند. تا جایی كه می‌دانیم، قدیمیترین طیف سنج جرمی در سال 1918 ساخته شد.

اما روش طیف سنجی جرمی تا همین اواخر كه دستگاههای دقیق ارزانی در دسترس قرار گرفتند، هنوز مورد استفاده چندانی نداشت. این تكنیك با پیدایش دستگاههای تجاری كه بسادگی تعمیر و نگهداری می‌شوند و با توجه به مناسب بودن قیمت آنها برای بیشتر آزمایشگاههای صنعتی و آموزشی و نیز بالا بودن قدرت تجزیه و تفكیك ، در مطالعه تعیین ساختمان تركیبات از اهمیت بسیاری برخوردار گشته است.
اصول طیف سنجی جرمی تصویر


به بیان ساده ، طیف سنج جرمی سه عمل اساسی را انجام می‌دهد:

مولكولها توسط جرایاناتی از الكترونهای پرانرژی بمباران شده و بعضی از مولكولها به یونهای مربوطه تبدیل می‌گردند. سپس یونها در یك میدان الكتریكی شتاب داده می‌شوند.

یونهای شتاب داده شده بسته به نسبت بار/جرم آنها در یك میدان مغناطیسی یا الكتریكی جدا می‌گردند.



نویسنده: حسین سلطانی ادامه مطلب

Chernobyl disaster



نویسنده: حسین سلطانی

مزون

مزون به معنی میانه توسط دانشمندی ژاپنی به نام هیدکی یوکاوا پیشنهاد گردید زیرا نیروی کولنی در هسته باید از کنار هم قرار گرفتن پروتون جلوگیری می‌کرد این نظریه اعلام می‌کند که در هسته و توسط نوترون‌ها ذراتی به نام مزون وجود دارد و این نیرو که اکنون نیروی قوی نامیده می‌شود از واپاشی هسته جلوگیری می‌کند ابتدا نظر بر مزون مو بود(میون) که بعدها مشخص شد پیون است پیون ذره‌ای با اسپین صفر است که از هر طرف به آن نگاه کنیم به یک شکل به نظر می‌رسد مزون‌ها اکنون دسته‌ای از ذرات بنیادی را تشکیل می‌دهند که در تعریف چنین نامیده شده اند((ذراتی که دو کوارک سازنده‌ای آن است))

انواع مزون‌ها:

مو مزون (M-Meson)

جرم مو مزون تقریباً ۸/۱ جرم پروتون می‌باشد. مومزون‌ها فقط می‌توانند به صورت مثبت یا منفی باشند، مومزون خنثی وجود ندارد. این ذرات به نوبه خود ضد ذره هم دارند مثلاً ضد ذره مومزون منفی، مومزون مثبت می‌باشد. بواسطه وجود تأثیرات متقابل عمومی یک مومزون ممکن است به یک الکترون و دو نوترنیو تجزیه شود. مومزون منفی دارای نیم عمر ۲٫۳X۱۰-۶ ثانیه می‌باشد. بواسطه چنین تأثیر متقابل که بین سه ذره فوق (الکترون، مومزون و نوترینو) در حالت عادی وجود دارد آنها را لپتون (Lepton) نیز می‌نامند.

پی مزون (P-Meson):

جرم پی مزون تقریباً ۷/۱ جرم پروتون می‌باشد. پی مزون‌ها بصورت مثبت یا منفی یا خنثی وجود دارند. این ذرات نیز به نوبه خود ضد ذره هم دارند مثلاً ضد ذره پی مزون مثبت ذره پی مزون منفی است. شبیه فوتون، پی مزون خنثی با ضد ذره خود یکسان است. پی مزون کوبورچه توسط دانشمند ژاپنی یوکاوا (Yukowa) در سال ۱۹۳۵ پیش بینی شده بود. ذرات هسته‌ای بطور مداوم ذرات پی مزون را مبادله می‌کنند. این تبادل شباهتی به ظهور نیروهای الکتریکی دارد که در اثر نشر و جذب دائم کوانتای تابش الکترومغناطیسی به‌وسیله یک بار الکتریکی حاصل می‌شود. پی مزون‌ها می‌توانند در برخورد پروتون‌هایی با انرژی چند صد میلیون الکترون ولت تولید شوند. در این حالت انرژی جنبشی ذرات هسته‌ای مستقما به جرم سکون پی مزون تبدیل می‌شود.

طرح کلی واکنش‌های بین ذرات بنیادی

پروتون + نوترون +پی مزون مثبت <--- پروتون + پروتون

پروتون +پروتون +پی مزون منفی <--- پروتون + نوترون

نوترون + پی مزون مثبت <--- اشعه گاما + پروتون

پروتون + پی مزون منفی <--- اشعه گاما + نوترون

کامزون (K-Meson)

جرم کا مزون تقریباً ۴/۱ جرم پروتون می‌باشد. کامزون‌ها بصورت منفی، مثبت و خنثی شناخته شده‌اند. این ذرات به نوبه خود ضد ذره هم دارند مثلاً ضد ذره کامزون منفی، کامزون مثبت می‌باشد.در صورتیکه ضد ذره کامزون خنثی خودش می‌باشد. بواسطه جرم بزرگ کامزون این ذرات با تنوع بیشتری تجزیه می‌شود. دوره تجزیه یک کامزون باردار ۰٫۸۵X۱۰-۸ ثانیه می‌باشد.



نویسنده: فهیمه رضوی

فِرمیون 2

انواع فرمیون

فرمیون‌ها شامل دو بخش اصلی شناخته شده هستند:

کوارک:

یک ذره بنیادی و جزء اساسی تشکیل دهنده ماده می‌باشد. کوارک‌ها با هم ترکیب می‌شوند تا ذرات مرکبی به نام هاردون (hadron) را به وجود آورند، پروتن و نترون یکی از معروف‌ترین آنها هستند. آنها تنها ذرات بنیادی برای آزمایش همه چهار برهم کنش اساسی یا نیروهای اساسی در مدل استاندارد می‌باشند. به خاطر پدیده‌ای که به تحدید رنگ معروف است، کوارک‌ها هیچ گاه به صورت انفرادی یافت نمی‌شوند؛ آنها را فقط می‌توان درون هاردونها پیدا کرد. به همین دلیل بیشتر آنچه که ما درباره کوارک‌ها می‌دانیم از مشاهده خود هاردونها به دست آمده‌است.


شش نوع مختلف از کوارک‌ها وجود دارد که به طعم (flavor) شهرت دارند : بالا (up)، پایین(down)، افسون(charm)، بیگانه(strange)، نوک(top) و پایین(bottom). بالا و پایین دارای کمترین وزن در بین کوارک‌ها می‌باشند. کوارک‌های سنگین تر در طول یک فرآیند واپاشی به سرعت به کوارکهای بالا(up) و پایین(down) تبدیل می‌شوند: تبدیل شدن از حالت وزن بیشتر به حالت وزن کمتر. به همین علت کوارک‌های بالا و پایین عموما پایدار می‌باشند و رایج‌ترین کوارک‌ها در عالم می‌باشند،

در حالی که کوارک‌های strange، charm، top، bottom فقط در تصادم‌های با انرژی زیاد تولید می‌شوند ( مثل تابشهای کیهانی و شتاب دهنده‌های ذرات). کوارک‌ها خواص ذاتی گوناگونی دارند که شامل شارژ الکتریکی، شارژ رنگ، اسپین و جرم می‌باشد. برای هر یک از طعم‌های کوارک یک پادماده متناظر وجود دارد که به پادکوارک نیز شناخته می‌شوند و فقط در برخی خصوصیات دارای علامت مخالف می‌باشد. کوارک‌ها تنها ذرات شناخته شده می‌باشند که شارژ الکتریکی آنها کسری از شارژ پایه می‌باشد.

لپتون:

ذره ایست با اسپین ‎۱/۲ (فرمیون) که نیروی هسته‌ای قوی روی آن تأثیر ندارد.بطور کلی شش لپتون وجود دارد سه تا ازآنها دارای بارالکتریکی بوده وسه تای دیگر هم فاقد بارالکتریکی هستند.لپتون‌ها جز ذرات بنیادین شناخته شده‌اند یعنی ذراتی که از ذرات کوچک‌تر تشکیل نشده‌اند البته فعلاً معروفترین لپتون همان الکترون است ē بایک بار منفی دولپتون بارداردیگر میون (muon (μ وتاو (τ) هستند، که ازنظربارمثل الکترون ولی دارای جرم خیلی بیشتر نسبت به آن هستند.لپتونهای بدون بار سه نوع نوترینو(neutrinos (υ هستند که عبارت‌اند از نوترینوی الکترون، نوترینوی میون و نوترینوی تاو نوترینوها فاقد بارالکتریکی بوده ولی دارای جرم بسیار ناچیزی هستند ویافتن آنها هم بسیار مشکل است.

لپتون‌ها شامل : نوترینو، لپتون تاو، میون، پوزیترون، الکترون

فرمیون‌های بنیادی

تمام ذرات بنیادی مشاهده شده یا فرمیون هستند یا بوزون . فرمیون‌های بنیادی شناخته شده به دو گروه تقسیم می‌شوند : کوارک‌ها و لپتون‌ها

فرمیون‌های مرکب

ذرات مرکب ( مانند هادرون‌ها, هسته‌ها و اتم‌ها ) می‌توانند بسته به اجزای اصلیشان، فرمیون یا بوزون باشند . به طور دقیق تر، به دلیل وابستگی بین اسپین و آمار، اگر ذره‌ای تعداد فردی فرمیون داشته باشد، خودش فرمیون است و اسپین نیمه صحیح خواهد داشت . برای مثال :

  • یک باریون مانند پروتون و نوترون، شامل سه کوارک فرمیونیست . بنابراین یک فرمیون است .
  • هستهٔ اتم کربن-۱۳، شامل ۶ پروتون و ۷ نوترون است . بنابراین یک فرمیون است .
  • اتم هلیوم-۳ (۳He)، از دو پروتون، یک نوترون و ۲ الکترون تشکیل شده و بنابراین یک فرمیون است .

رفتار فرمیونی یا بوزونی یک ذره ( یا سیستم ) مرکب، تنها در فواصل طولانی ( در مقایسه با اندازهٔ سیستم ) دیده می‌شود . هنگامی ساختار سه بعدی اهمیت می‌یابد که ذره ( یا سیستم ) مرکب، طبق ساختار تشکیل دهنده اش رفتار کند .

وقتی که فرمیون‌ها در مجاورت با جفتشان مرز ضعیفی داشته باشد، می توانند از خود رفتار بوزونی نشان دهند. این، اساس ابر رسانایی و ابر شارگی هلیوم-۳ است .

حالت چگالیدهٔ فرمیونی

طی مدت زمان طولانی ماده را به سه حالت می‌شناختند که عبارت بودند از :جامد، مایع و گاز . اما امروزه می‌دانیم که حداقل شش حالت برای ماده وجود دارد . این شش حالت عبارتند از :

"دبورا جین" (Deborah Jin) از دانشگاه کلورادو که گروهش در اواخر پاییز ۱۳۸۲، موفق به کشف حالت چگالیده فرمیونی شده‌است، می‌گوید: "وقتی با شکل جدیدی از ماده روبرو می‌شوید، باید زمانی را صرف شناخت ویژگیهایش کنید. آنها این ماده تازه را با سرد کردن ابری از پانصدهزار اتم پتاسیم با جرم اتمی ۴۰ تا دمایی کمتر از یک میلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق پدیدآوردند. این اتمها در چنین دمایی بدون گرانروی جریان می‌یابند و این، نشانه ظهور ماده‌ای جدید بود. در دماهای پایین‌تر چه اتفاقی می‌افتد؟ هنوز نمی‌دانیم."

حالت چگالیده فرمیونی تا حدی شبیه چگالش بوز-اینشتین است. هر دو حالت از اتم‌هایی تشکیل شده‌اند که این اتم‌ها در دمای پایین به هم می‌پیوندند و جسم واحدی را تشکیل می‌دهند. در چگالش بوز-اینشتین اتم‌ها از نوع بوزون هستند در حالی که در چگالش فرمیونی اتم‌ها، فرمیون هستند. این شکل از ماده چنان بدیع است که هنوز اغلب خواص آن ناشناخته‌است. اما آنچه که مسلم است اینست که این حالت در دمای بسیار پایین قابل دسترسی است.

اتمهای پتاسیم با عدد جرمی ۴۰، فرمیون هستند زیرا دارای ۱۹ الکترون، ۱۹ پروتون و ۲۱ نوترون هستند و حاصل جمع این سه عدد برابر ۵۹ می‌شود.

دستیابی به حالت ششم ماده

دکتر جین و همکارانش، برای دستیابی به حالت چگالیدهٔ فرمیونی، تعداد ۵۰۰ هزار اتم پتاسیم با عدد جرمی ۴۰ را تا دمایی کمتر از یک میلیونیوم کلوین سرد کردند. این دما بسیار نزدیک به صفر مطلق است. در این حالت اتمهای پتاسیم بدون آنکه چسبندگی میان آنها وجود داشته باشد، به صورت مایع جریان یافتند. برای مقابله با خواص ادغام ناپذیری فرمیون می‌توان از تأثیر میدان مغناطیسی بر آن استفاده کرد. میدان مغناطیسی سبب می‌شود فرمیون‌های تنها جفت شوند قدرت این پیوند را میدان مغناطیسی تعیین می‌کند.جفت اتم‌های پتاسیم برخی خواص فرمیون را حفظ می‌کنند ولی شبیه بوزونها عمل می‌کنند. یک جفت الکترون می‌تواند در جفت دیگری ادغام شود و جفت تازه در جفتی دیگر ادغام شود و این کار ادامه یابد تا سر انجام ماده چگال فرمیونی شکل گیرد.


حالت‌های پنجم و ششم ماده تنها موادی هستند که حرکت مولکول‌های آنها بسیار آهسته‌است و در شرایط خاص آزمایشگاهی تهیه می‌شوند. این مواد، کاربرد فراوانی در علم و صنعت و مخصوصاً فناوری فضایی دارند . دانشمندان، خواص این مواد را قبل از کشف، پیش بینی کرده بودند ولی روش تهیه آنها برای دانشمندان مجهول بود اما با بررسی خواصشان مشخص شد که برای تهیه این مواد به یخچال‌های پیشرفته نیاز است که امکان ساخت آن تنها در دهه اخیر مهیا شده‌است .این یخچالها می‌توانند دما را تا حد زیادی به صفر مطلق نزدیک کنند.

ویژگی‌های حالت چگالیدهٔ فرمیونی

از جمله خصوصیات منحصر به فرد چگال فرمیونی می‌توان به گران روی (غلظت) بسیار زیاد آن اشاره کرد که مشابه این پدیده را در ابر رساناها می‌بینیم. در یک ابر رسانا جفت الکترون‌ها می‌توانند بدون هیچ مقاومتی جریان یابند. این ویژگی دانشمندان را امیدوار به ساختن ابر رساناهایی کرده که در دمای اتاق قابل استفاده باشند.

الکترون‌ها به دلیل این که خاصیت چسبندگی میان آن نیست و به راحتی می‌توانند جریان یابند و مانند یک ابر رسانای بسیار مدرن عمل کنند، می‌توانند بدون آن که با مقاومت الکتریکی مواجه شوند به راحتی جریان یابند.



نویسنده: فهیمه رضوی

.:: آخرین مطالب ::.

» نظریه انشتین در سایه تردید! آزمون مشهورترین فرمول فیزیک در فضای دوردست ( یکشنبه 29 بهمن 1391 )
» سلام به همه ی بچه های خوب و پاکار وبلاک ( شنبه 28 بهمن 1391 )
» 84 میلیون ستاره در یک تصویر ( چهارشنبه 10 آبان 1391 )
» شب نشینی ماه با خوشه پروین ( چهارشنبه 10 آبان 1391 )
» فاز طراحی فنی رصدخانه ملی به پایان رسید ( سه شنبه 9 آبان 1391 )
» جشنواره شهدای جهاد علمی (فراخوان) ( سه شنبه 9 آبان 1391 )
» وقتی برخورددهنده بزرگ “هادرون” دادگاهی می‌شود ( پنجشنبه 4 آبان 1391 )
» در جستجویِ نوترینوهای استریل ( پنجشنبه 4 آبان 1391 )
» چرا حجاج دور خانه خدا خلاف جهت عقربه‌های ساعت طواف می کنند؟ ( دوشنبه 24 مهر 1391 )
» درخشانترین ستاره دنباله دار تاریخ در راه زمین ( یکشنبه 23 مهر 1391 )
» برندگان نوبل فیزیک معرفی شدند ( یکشنبه 23 مهر 1391 )
» قانونِ پلانک در مقیاسِ نانو نقض می‌شود ( پنجشنبه 13 مهر 1391 )
» وزن کردن فوتون‌ها با سیاهچاله‌‌ ( پنجشنبه 13 مهر 1391 )
» شمارش فوتون ها با گیرنده نوری قورباغه ( پنجشنبه 13 مهر 1391 )
» ممکن است سیارات خیلی بیشتری از آنچه قبلا تصور می شد در جهان باشند که قابل سکونت هستند. ( جمعه 24 شهریور 1391 )
» قطعیت اصل عدم قطعیت ( جمعه 24 شهریور 1391 )
» خورشید در زمان اوج فعالیتش هم تقریبا کروی باقی می‌ماند. ( شنبه 4 شهریور 1391 )
» شتاب دهنده ( جمعه 20 مرداد 1391 )
» مقدمه ای بر انرژی تاریک ( سه شنبه 17 مرداد 1391 )
» تصویر دیدنی از پدیده نادر «رنگین کمان آتش» ( دوشنبه 16 مرداد 1391 )
» بازدید علمی ( شنبه 16 اردیبهشت 1391 )
» اعضای جدید انجمن ( شنبه 16 اردیبهشت 1391 )
» درخشش نوری سبز بر فراز کره ماه ( چهارشنبه 30 فروردین 1391 )
» خنک‌کاری سریع سطوح گرم با امواج ماورای صوت ( پنجشنبه 24 فروردین 1391 )
» ترن‌های مَگلِو ( پنجشنبه 24 فروردین 1391 )

صفحات سایت: [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]