ذرات ريز اتمي و بنيادي

[mahan askary]

ذرات ريز اتمي و بنيادي

تعريف ذرات بنيادي واقعي


ذرات بنيادي به لحاظ نيم عمرشان و نيز پايداريشان و ظاهر شدن در واكنش ها و پديده هاي ميكروسكوپيك و در كل خواص شيميايي و فيزيكي خودشان در خانواده هاي مختلف دسته بندي و بررسي مي شوند عده اي از اين ذرات با فراواني بيشتر در اغلب اوقات ظاهر مي شوند و پديده هاي ميكرو سكوپيك را كنترل مي كنند، به ذرات بنيادي واقعي معروف هستند.



هيپرون ها:

اساسا چهار دسته هيپرون وجود دارد كه عبارتند از:

· هيپرون لاند
· هيپرون سيگما
· هيپرون كسي
· هيپرون امگا

تمام هيپرون ها به ذرات هسته اي تجزيه مي گردند.هر هيپرون داراي يك ضد ذره با علامت مخالف است.دنياي ذرات بنيادي هم از نظرتنوع ذرات و هم از نظر نوع تاثيرات و تبديلات متقابل ، دنياي غني محسوب مي شود .

هادرون ها:

تحقيقاتي كه با شتابدهنده ها يي بزرگ انجام شده اند بطور قوي به دانش ذرات بنيادي كمك كرده اند قبل از همه اشاره ها به بزرگترين خانواده ذرات هادرون ها يعني ذرات شركت كننده در برهمكنش هاي قوي هسته اي است ، اشاره مي كنيم.

در حال حاضر چند صد از اين گونه ذرات از جمله باريون ها و پاد باريون ها و مزون ها شناخته شده اند.بيشتر اين ذرات در نتيجه اندركنش ها قوي هسته اي به هادرون هاي ديگر وامي پاشند آنها عمر كوتاهي دارند كه در فرايند هاي هسته اي معمول چنين زماني ( ثانيه [SUP]23-[/SUP]10) را نمي توان مستقيما اندازه گرفت.اما هادرون هايي با عمر [SUP]13-[/SUP]10 تا [SUP]8-[/SUP]10 ثانيه نيز وجود دارند. برد واپاشي اين ذرات با عمر دراز اندركش هاي ضعيف ما كم هستند.


تعداد خيلي زيادي از هادرون ها كشف شده و گروه بندي آنها در رده ها و خانواده هاي مختلف ، طبيعت بنيادي آنها را مبهم جلوه مي دهد.مدل كواركي ساختار هادرون ها گروه بندي هادرون ها را در خانواده و طبيعت و ساختار اين خانواده ها و همچنين ديگر خواص ساده هادرون ها را بطور خيلي طبيعي توضيح مي دهد.

اصول بنيادي اين مدل را مي توان به شرح زير فرمول بندي كرد:

· هادرون ها را به معناي درست كلمه نمي توان جز ذرات بنيادي به شمار آورد آنها ساختار دروني پيچيده اي دارند و مانند هسته هاي اتمي دستگاه هاي مقيد و متشكل از ذرات به راستي بنيادي يا اساسي اند. عناصر اصلي ساختارهادرون ها كوارك نام دارد .

· نظام هادروني امكان مي دهد كه اظهار كنيم كليه باريونهاي شناخته شده از سه كوارك و پاد باريونها از سه پاد كوارك تشكيل شده اند. در حالي كه تمام مزون ها از يك كوارك و يك پاد كوارك تشكيل شده است .

كوارك ها:

دست كم شش نوع كوارك وجود دارد كه هر كدام آنها حاصل عدد كوانتومي جديد يعني طعم هادروني است و به صورت زير تقسيم بندي مي شوند:

· كوارك b(كوارك زيبا)

· كوارك c(كوارك افسون)

· كوارك d(كوارك پايين)

· كوارك s(كوارك شگفت)

· كوارك t(كوارك درست)

· كوارك u(كوارك بالا)


لپتون ها:

لپتونهاي متنوعي كشف شدهاند كه آنها براساس خواص فيزيكي و كوانتومي ويژه خود «جرم ، بار ، اسپين و غيره) به صورت زير تقسيم بندي مي شوند

لپتون هاي الكترون(e):اينها به نوبه خود دو دسته اند:








الكترون ها


نوترينوي الكترون

لپتون هاي موئون:اينها نيز به نوبه خود دو دسته اند:

موئون

نوترينو موئون

لپتون هاي تو(T):اينها نيز دو دسته اند:

لپتون هاي تو منفي
نوترينو تو

فوتون ها:

فوتون ها جرم در حال سكونشان برابر صفر است و اسپيني برابر يك دارند.



گلوئون ها:

گلوئون ها جرم در حال سكونشان مساوي صفر است. و اسپيني مساوي يك دارند. گلوئون ها درون هادرون ها هستند ودر حالت آزاد مشاهده نشده اند.

بوزون ها:

·در فيزيك ذرات برهمكنش هاي ضعيف هسته اي نيز نقش مهمي ايفا مي كنند اينها تنها اندركشي هستند كه مي توانند شخصيت ذرات پايه را عوض كنند. و ضمن پيروي از قوانين بقاي بارهاي لپتوني و باريوني موجب تبديل هاي متقابل آنها شود.

· ساز و كار نيروهاي برهمكنش ضعيف هسته اي مدتهاي مديد نظر پژوهشگران را بسوي خود جلب كرده بود. فرضيه اي مطرح شده است كه مطابق آن اين نيروها از تعادل نوع خاصي كوانتوم هاي ميدان نيروي برهمكنش ضعيف هسته اي به نام بوزون ها ي مياني ناشي مي شود.

· برخلاف گلوئون ها ، بوزون هاي مياني مثل فوتون ها بايد در حالت آزاد وجود داشته باشند. نظريه امكان وجود ، سه تا از اين بوزون هاي مياني را پيش بيني مي كند.چند تا از اين ذرات (بوزون هاي مياني) سرانجام در سال 1982 كشف شدند.


فيزيك ذرات بنيادي (FundamentalParticle Physics)

ديد كلي

مدت زيادي نگذشته كه ثابت شده تمامي مواد از مولكول ها، مولكول ها هم از اتم ها، اتم ها از هسته ها و الكترون ها و هسته ها از پروتون ها و نوترون ها تشكيل شده اند اما پروتون ها و نوترون ها والكترون ها از چه چيزي تركيب يافته اند؟ اين ذزات ، ذرات بنيادي يعني ذرات غير قابل تجزيه نام دارند. با فرض اينكه تجزيه بيشتر آنها باعث مي شود كه به ذرات ديگري تبديل شود.

تاريخچه:

در اواخر قرن بيستم دانشمندان درباره ساختمان پنهاني ذرات بنيادي به يك مطالعه سيستماتيك و مداوم پرداختند. اين مطالعه ابتدا از نوكلئون ها (اجزاي هسته ) يعني پروتون ها و نوترون ها شروع شد. عموما در فيزيك هسته اي اين كار مي توانست دردوخط اصلي ادامه يابد.


بررسي پديده هاي شامل ذرات بنيادي با فيزيك هسته اي:

كوشش براي شكستن يا خرد كردن يك ذره بنيادي در صورت امكان و تبديل آن به اجزا تشكيل دهنده اش اگر اجزا تشكيل دهنده اي داشته باشد. براي اين منظور ذرات مشابه ديگر را با سرعت هاي حتي المقدور نزديك به سرعت نور شتاب داده و اين گلوله هاي شتاب دار را به ذرات بنيادي موجود در اتم هاي ديگر برخورد مي دهند. براي مثال براي بمباران هيدروژن يونيزه شده (يعني پروتون) از پروتون هاي شتابدار يا براي بمباران پروتون و ذرات آلفا از پروتون و ذرات آلفا ي ديگر استفاده گردد.


انرژي لازم براي اين عمل فقط مي تواند به كمك شتابدهنده هاي قوي ذرات باردار فراهم شود توليد ذرات باردار شتابدار براي دسترسي به انرژي هاي دهها ميليون و بالاخره دهها هزار ميليون الكترون ولت زماني يك كار بزرگ تلقي مي شد.

بررسي ساختمان ذرات بنيادي:


اين روش بر اساس پديده آشناي نوري قرار داشت. هر چه ماده مورد مشاهده كوچكتر باشد طول موج نور تابانده شده به اين ماده بايستي كوتاهتر گردد. اگر طول موج نور از طول جسم بزرگتر باشد موج به آساني از اطراف جسم عبور كرده و چيزي ديده نمي شود. و اگر از طول جسم كوچكتر باشد موج منعكس شده بازتاب نور) و جسم روشن شده و قابل رويت مي گردد


ديدگاه موجي ذرات:


دوبروي ( DeBroglie) كشف كرد كه هر چه ذرات سريعتر حركت كنند خواص موجي بيشتري از خود نشان مي دهد. پس از اين كشف تهيه نوعي ميكروسكوپ الكتروني ممكن گرديد كه در آنها الكترون با انرژي 100Kevشتاب داده مي شد. اين ميكروسكوپ رويت اجسام با قطر چند انگستروم را ميسر مي سازد. كه هر آنگستروم برابر [SUP]8-[/SUP] 10سانتيمتر مي باشد.


مطابق نظريه دوبروي هرچه ذرات سنگين تر بوده و سريعتر حركت كند ، طول موج معادل آن كوتاهتر خواهد بود. اين مطالب نشان مي دهد اگر الكتروني تا انرژي چند صد ميليون الكترون ولت شتاب داده شود طول موجش آنقدر كوچك مي شود كه متناسب با اندازه ذرات هسته اي شده و مي تواند براي بررسي ساختمان هسته اتمي بكار رود


ساختار فيزيك ذرات بنيادي:

از بازتاب و پخش اين فيزيك امواج براي اندازه گيري ذرات داخل هسته استفاده مي شود. اگر الكتروني تا انرژي يك يا دو هزار ميليون الكترون ولت شتاب يابد طول موج الكترون چندين مرتبه كوچكتر از قطر ذرات هسته اي مي شود. اين فيزيك امواج تحقيق ساختمان پروتون هاو نوترون ها را ممكن مي سازد از روزي كه دانشمندان به يك "توپخانه اتمي قوي" مسلح شدندذرات جديد اتمي يكي پس از ديگري كشف گرديد.


انرژي معادل با يك ميليون الكترون ولت موجب كشف الكترون مثبتي به نام پوزيترون شد. شتاب دهنده هايي با صدها ميليون الكترون ولت تهيه مصنوعي مزون ها را ممكن ساخت. مزون ها اولين بار در پرتوهاي كيهاني كشف شدند.توسعه شتابدهنده هاي با انرژي بسيار زياد موجب كشف ضد ذرات گرديد.ضد ذرات تشكيل دهندگان اصلي ضد ماه مي باشد كه عمده ترين انها عبارتند از: ضد پروتون ، ضد نوترون و غيره.


بسياري از ذرات كشف شده ، ذرات ناپايدارند آنها پس از يك دوره زماني بسيار كوتاه تجزيه شده و به تعدادي ذرات كوچكتر و پايدارتر تبديل مي شود اين ذرات كوچكتر پايدارتر شامل : الكترون ها ، نوترون ها ، اشعه گاما و يا نوترينو ها مي باشند.

ذرات ناپايدار ممكن است به ضد ذرات معادل خود كه اصولا پايدارترند ، تبديل مي گردند.

همانگونه تا بحال معلوم شده هيچيك از ذرات بنيادي شناخته شده نمي توانند به اجزا كوچكتر شكسته شوند. آنها همگي به نام ذرات بنيادي معرفي شده است به همين دليل نشان مي دهد كه ساختماني ندارند.

تقسيم بندي ذرات ناپايدار

ذرات ناپايدار بدو گروه به صورت زير تقسيم مي شوند:

يك دسته از آن شامل ذرات سنگين تر از الكترون ولي سبك تر از پروتون است كه مزون (Meson) نام دارند.


گروه ديگر شامل ذرات سنگين تر از پروتون است كه هيپرون(Hyperon) خوانده مي شوند. هيپرون ها فقط به ذرات هسته اي از جمله پروتون ها و نوترون ها تجزيه مي شوند.


مزون

انواع مزون ها:

مزون ها از لحاظ خواص فيزيكي به دسته هاي مختلف تقسيم مي شود:

· مومزون (M-Meson)

· پي مزون (P-Meson)

· كامزون (K-Meson

مو مزون (M-Meson):

· جرم مو مزون تقريبا 8/1 جرم پروتون مي باشد.

· مومزون ها فقط مي توانند به صورت مثبت يا منفي باشند ، مومزون خنثي وجود ندارد.

· اين ذرات به نوبه خود ضد ذره هم دارند مثلا ضد ذره مومزون منفي ، مومزون مثبت مي باشد.

· بواسطه وجود تاثيرات متقابل عمومي يك مومزون ممكن است به يك الكترون و دو نوترنيو تجزيه شود.

·مومزون منفي داراي نيم عمر 2.3X10[SUP]-6[/SUP] ثانيه مي باشد. بواسطه چنين تاثير متقابل كه بين سه ذره فوق ( الكترون ، مومزون و نوترينو) در حالت عادي وجود دارد آنها را لپتون (Lepton) نيز مي نامند.



پي مزون (P-Meson):

· جرم پي مزون تقريبا 7/1 جرم پروتون مي باشد.

· پي مزون ها بصورت مثبت يا منفي يا خنثي وجود دارند.

· اين ذرات نيز به نوبه خود ضد ذره هم دارند مثلا ضد ذره پي مزون مثبت ذره پي مزون منفي است. شبيه فوتون ، پي مزون خنثي با ضد ذره خود يكسان است.

· پي مزون كوبورچه توسط دانشمند ژاپني يوكاوا (Yukawa) در سال 1935 پيش بيني شده بود.

· ذرات هسته اي بطور مداوم ذرات پي مزون را مبادله مي كنند. اين تبادل شباهتي به ظهور نيروهاي الكتريكي دارد كه در اثر نشر و جذب دائم كوانتاي تابش الكترومغناطيسي بوسيله يك بار الكتريكي حاصل مي شود.

· پي مزون ها مي توانند در برخورد پروتون هايي با انرژي چند صد ميليون الكترون ولت توليد شوند. در اين حالت انرژي جنبشي ذرات هسته اي مستقما به جرم سكون پي مزون تبديل مي شود.


طرح كلي واكنش هاي بين ذرات بنيادي:

· پروتون نوترون پي مزون مثبت <--- پروتون پروتون

· پروتون پروتون پي مزون منفي <--- پروتون نوترون

· نوترون پي مزون مثبت <--- اشعه گاما پروتون

· پروتون پي مزون منفي <--- اشعه گاما نوترون


كامزون (K-Meson):

· جرم كا مزون تقريبا 4/1 جرم پروتون مي باشد.

· كامزون ها بصورت منفي ، مثبت و خنثي شناخته شده اند.

· اين ذرات به نوبه خود ضد ذره هم دارند مثلا ضد ذره كامزون منفي ، كامزون مثبت مي باشد.در صورتيكه ضد ذره كامزون خنثي خودش مي باشد.

· بواسطه جرم بزرگ كامزون اين ذرات با تنوع بيشتري تجزيه مي شود. دوره تجزيه يك كامزون باردار 0.85X10[SUP]-8[/SUP] ثانيه مي باشد.


منبع: انر‍‍ژي اتمی