نانو پودر ها

 

نانوپودر چيست؟

پودر‌ها ذرات ريزي هستند كه از خُرد كردن قطعات جامد و بزرگ، يا ته‌نشين شدن ذرات جامدِ معلق در محلول‌ها به دست مي‌آيند. بنابراين، نانوپودرها را ميتوان مجموعه‌ي از ذرات دانست كه اندازه‌ي آنها كمتر از 100 نانومتر است. (اگر يك متر را يك ميليارد قسمت كنيم، به يك نانومتر ميرسيم. طبق تعريف، ساختار نانومتري ساختاري است كه اندازه‌ي آن كمتر از 100 نانومتر باشد.)

چه پودري را ميتوان نانوپودر به شمار آورد؟

پودرها در سه حالت نانوپودر به شمار ميآيند:

حالت اول: ساختار ذرات تشكيل‌دهنده‌ي پودر، در حد نانومتر باشد.

يعني اگر ساختار ذرات تشكيل‌دهنده‌ي يك پودر را به صورت يكي از اشكال منظم هندسي در نظر بگيريم، ميانگين اندازه‌ي اضلاع آن بين 1 تا 100 نانومتر باشد. مهمترين اشكال هندسي، كُره و مكعب‌اند. اگر ساختار ذرات تشكيل‌دهنده‌ي پودر را كُره فرض كنيم، بايد قطر كُره كمتر از 100 نانومتر باشد و چنانچه ساختار آنها مكعب فرض شود، ميانگين اضلاع مكعب بايد در محدوده‌ي 1 تا 100 نانومتر قرار گيرد. به عبارت حسابيتر، ميانگين اضلاع مكعب بايد در اين رابطه صدق كند:

1 نانومتر < (a+b+c)/3 < 100 نانومتر

براي مثال، بلورهاي نمك طعام ساختاري مكعب‌شكل دارند. (شكل شماره‌ي 1)

يادآوري: اگر بيشترِ ذرات تشكيل‌دهندة پودر، ابعادي ميان 1 تا 100 نانومتر داشته باشند، آن پودر، نانوپودر محسوب ميشود.

شكل 1: ساختار بلور نمك طعام، مكعبي است.

حالت دوم: دانه‌هاي تشكيل‌دهندة پودر، ابعاد نانومتري داشته باشند.

در حالتي كه اندازه‌ي ذرات تشكيل‌دهنده‌ي پودر از صد نانومتر بيشتر باشد، كافي است دانه‌هاي آن ابعاد نانومتري داشته باشند تا نانوپودر به شمار آيند. يك مثال براي فهم اين موضوع، اتم‌هايي هستند كه به صورت منظم و درون سلول‌هايي كه آنها را "دانه" ميناميم، كنار هم قرار گرفته‌اند. مواد بلوري جامد نيز از سلول‌هاي ريزي تشكيل شده‌اند كه به آنها دانه مي‌گويند. درون هر دانه، اتم‌ها در يك جهت خاص و رديف‌هاي موازي چيده شده‌اند و تفاوت دو دانة مجاورِ هم، تفاوت در همين جهت‌گيري اتم‌هاست.

شكل 2: اين ذره، حاوي سه دانه است.

شكل 3: اتم‌ها با زاويه‌ي 45 درجه نسبت به افق چيده شده‌اند.

شكل 4: اتم‌ها با زاويه‌ي 90 درجه نسبت به افق چيده شده‌اند.

شكل 5: اتم‌ها با زاويه ي 120 درجه نسبت به افق چيده شده‌اند.

در دانه‌ي 1 (شكل 3)، اتم‌ها در رديف‌هاي موازي و با زاويه‌ي 45 درجه نسبت به افق چيده شده‌اند. در دانه‌ي 2 (شكل 4) اتم‌ها با زاويه‌ي 90 درجه و در دانه‌ي 3 (شكل 5) اتم‌ها با زاويه‌ي 120 درجه نسبت به افق چيده شده‌اند. وقتي اين سه دانه در كنار يكديگر قرار بگيرند، يك ذره تشكيل مي‌شود. (شكل 6) به فضاي خالي بين دانه‌ها «مرز دانه» مي‌گويند. مرز دانه محلي است كه جهت چيده شدن اتم‌ها عوض مي‌شود.

همچنين دانه‌ها را ميتوان مانند آجرهاي يك ديوار فرض كرد. در اين صورت، مرز بين دانه‌ها ملات بين آجرهاست. اگر قطر اين دانه‌ها بين 1 تا 100 نانومتر باشد، ذرات حاصل تشكيل نانوپودر مي‌دهند.

هر چه قطر دانه‌هاي يك ذره كمتر باشد (البته با حجم ثابت)، تعداد دانه‌هاي تشكيل‌دهنده‌ي آن بيشتر خواهد بود (واضح است كه هر چه آجرهاي تشكيل‌دهنده‌ي يك ديوار 1 متر در 1 متر كوچكتر باشند، تعداد آجرها بيشتر خواهد بود) و هر چه تعداد دانه‌ها بيشتر شود، مانند گره‌هاي يك فرش، تار و پود آن محكمتر و درهم‌تنيده‌تر است و بنابرين استحكام محصول بيشتر خواهد بود.

شكل 6: سه دانه در مجاورت هم قرار گرفته‌اند تا يك ذره را تشكيل دهند.

يادآوري: اگر درصد قابل توجهي از دانه‌هاي تشكيل‌دهنده‌ي ذرات، نانومتري باشند، پودر، نانوپودر محسوب ميشود.

حالت سوم: ذرات نانوپودر و ذرات پودر معمولي تركيب شوند.

در اين حالت، پودر را «نانوپودر كامپوزيتي» مينامند. كامپوزيت كه از كلمه‌ي انگليسي composition گرفته شده، به معني تركيب دو يا چند چيز است. ملموس‌ترين مثال براي كامپوزيت، كاه‌گل است. در كاه‌گل رشته‌هاي كاه در زمينه‌ي گِل پراكنده شده‌اند. در نانوپودرهاي كامپوزيتي نيز ذرات نانومتري در زمينه‌ي ذرات بزرگتر (غير نانومتري) پراكنده شده‌اند (شكل 7).

شكل 7: ذرات با قطر نانومتري در زمينه پراكنده شده‌اند.

علت تركيب شدن آنها اختلاف خواص اين دو ماده است. در كامپوزيت معمولاً زمينه از يك ماده‌ي نرم و افزودني از ماده‌ي سخت انتخاب مي‌شود. در اين صورت، هنگامي‌ كه به ماده نيرو وارد مي‌شود، زمينه نيرو را به رشته يا پودر اضافه‌شده منتقل مي‌كند تا بتواند در برابر نيروي واردشده‌ مقاومت بيشتري داشته باشد. (شكل شماره‌ي 8)

شكل 8 : در يك نانوكامپوزيت، ذرات نانويي در زمينه‌اي غيرنانويي پراكنده شده‌اند .

منبع : www.nanoclub.ir

شیمی کوانتومی

دید کلی

شیمی کوانتومی ، دانش کاربرد مکانیک کوانتومی در مسایل مربوط به شیمی است. اثر شیمی کوانتومی ، در شاخه‌های وابسته به شیمی قابل لمس است. مثلا :

• علمای شیمی فیزیک ، مکانیک کوانتومی را (به کمک مکانیک آماری) در محاسبات مربوط به خواص ترمودینامیکی (مانند آنتروپی و ظرفیت حرارتی) گازها ، در تفسیر طیفهای مولکولی به منظور تائید تجربه خواص مولکولی (مانند طولها و زوایای پیوندی) ، در محاسبات نظری خواص مولکولی ، برای محاسبه خواص حالات گذار واکنشهای شیمیایی به منظور برآورد ثابتهای سرعت واکنش ، برای فهم نیروهای بین مولکولی و بالاخره برای بررسی ماهیت پیوند در جامدات بکار می‌برند.
  
  
• علمای شیمی آلی از مکانیک کوانتومی ،‌ برای برآورد پایداریهای نسبی مولکولها ، محاسبه خواص واسطه‌های واکنش ، بررسی ساز و کار واکنشهای شیمیایی ، پیش بینی میزان ترکیبات و تحلیل طیفهای NMR استفاده می‌کنند.
  
  
• علمای شیمی تجزیه از مکانیک کوانتومی برای تفسیر شدت و فرکانسهای خطوط طیفی استفاده می‌کنند.
  
  
• علمای شیمی معدنی از نظریه میدان لیگاند که یک روش تقریبی مکانیک کوانتومی است، در توضیح خواص یونهای مرکب فلزات واسطه سود می‌برند.

فرضیه پلانک ، سرآغاز مکانیک کوانتومی

در سال 1900، "ماکس پلانک" ، نظریه‌ای ابداع کرد که با منحنی‌های تجربی تابش جسم سیاه ، مطابقتی عالی از خود ارائه داد. فرض او این بود که اتمهای جسم سیاه ( ماده‌ای که تمام نورهای تابیده به آن را جذب کند ) ، تنها قادرند نورهایی را گسیل سازند که مقادیر انرژی آنها توسط رابطه hv داده می‌شود. در رابطه ، v فرکانس تابش و h ، ثابت تناسب است که به ثابت پلانک معروف است. با قبول مقدار ، منحنی‌هایی بدست می‌آیند که با منحنی‌های تجربی جسم سیاه کاملا مطابقت دارند. کار پلانک سرآغاز مکانیک کوانتومی بود.

به دنبال پلانک ، "انیشتین" نیز مشاهدات مزبور را بر اساس اندیشه تشکیل نور از اجزایی ذره گونه تشریح کرد که آنها را فوتون نامید که انرژی هر یک از آنها برابر است با:

احتمال و مکانیک کوانتومی

موضوع احتمال ، یک نقش اساسی را در مکانیک کوانتومی ایفا می‌کند. در مکانیک کوانتومی ، سروکار ما با احتمالاتی است که با متغیر پیوسته‌ای مانند مختصه x درگیرند. صحبت از احتمال پیدا شدن یک ذره در یک نقطه خاص مانند x = 0.5000 حاوی چندان معنایی نیست، زیرا تعداد نقطه‌ها در روی محور x نامتناهی ، ولی تعداد در اندازه گیریهای ما به هر حال متناهی است و از این رو ، احتمال وصول با دقت به 0.5000 بی‌نهایت کم خواهد بود.

این است که به جای آن از احتمال یافتن ذره در یک فاصله کوتاه از محور x ، واقع بین x+dx , x صحبت می‌شود که در آن dx یک طول بینهایت کوچک است. طبیعتا احتمال فوق متناسب با فاصله کوچک dx بوده و و برای نواحی مختلف محور x متغیر خواهد بود. بنابراین احتمال اینکه ذره در فاصله مابین x و x+dx پیدا شود، مساوی g(x)dx است که در اینجا (g(x بیانگر نحوه تغییرات احتمال روی محور x است. تابع (g(x چون برابر مقدار احتمال در واحد طول است، لذا چگالی احتمال نامیده می‌شود.

چون احتمالات ، اعداد حقیقی و غیر منفی‌اند، لذا (g(x باید یک تابع حقیقی باشد که همه جا غیر منفی است. تابع موج می‌تواند هر مقدار منفی و یا مقادیر مختلط را به خود بگیرد و از این نظر به عنوان یک چگالی احتمال محسوب نمی‌شود. مکانیک کوانتومی به عنوان یک اصل می‌پذیرد که چگالی احتمال برابر است.

اصل عدم قطعیت هایزنبرگ

اندیشه "بوهر" مبنی بر اینکه هر الکترون در اتم ، تنها می‌تواند کمیتهای معین انرژی را دارا باشد، گام مهمی در رشد و تکوین نظریه اتمی بود (مدل اتمی بوهر). نظریه بوهر برای توجیه طیف اتم هیدروژن ، مدلی رضایت بخش ارائه کرد، اما تلاش برای بسط نظریه به منظور تشریح طیف اتمهای دارای بیش از یک الکترون ناموفق بود. دلیل این مشکل به زودی آشکار شد.

در نگرش بوهر ، الکترون به عنوان ذره‌ای باردار متحرک ، در نظر گرفته می‌شود. برای پیش بینی دقیق مسیر یک جسم متحرک ، دانستن مکان و سرعت جسم در هر لحظه معین ضروری است. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ (1926) نشان می‌دهد که تعیین دقیق مکان و اندازه حرکت جسمی به کوچکی الکترون ناممکن است. هرچه تلاش کنیم که یکی از این کمیتها را دقیقتر تعیین کنیم، از دقت کمیت دیگر ، نامطمئن‌تر هستیم.

مشاهده اشیا با دریافت انعکاس پرتوهای نوری که برای روشن کردن آنها بکار رفته است، امکان‌پذیر است. برای تعیین موقعیت جسمی به کوچکی یک الکترون ، تابشی با طول موج به غایت کوتاه مورد نیاز است. چنین تابشی ،‌ طبعا فرکانس بسیار بالایی خواهد داشت و بسیار پرانرژی خواهد بود. وقتی این تابش به الکترون برخورد کند، سبب تغییر تندی و جهت حرکت آن می‌شود. از این رو هر گونه تلاش برای تعیین موقعیت الکترون ، اندازه حرکت آن را به شدت تغییر می‌دهد. فوتونهایی که طول موج بلندتر دارند، کم انرژی‌ترند و تاثیر کمتری بر اندازه حرکت الکترون می‌گذارند، ولی به علت بلندی طول موجشان ، نخواهند توانست موقعیت دقیق الکترون را نشان دهند.

از این رو ، این دو نوع عدم قطعیت با هم مرتبطند. به گفته هایزنبرگ ، حاصلضرب عدم قطعیت در مورد یک شیء ، و عدم قطعیت در اندازه حرکت آن ، ، برابر یا بزرگتر از حاصل بخش ثابت پلانک ، h و 4π است:

عدم قطعیت در اندازه گیری ، برای اشیایی به کوچکی الکترون بسیار مهم است، در حالی که برای اشیا با اندازه معمولی بی‌اهمیت است.

معادله شرودینگر

اصل عدم قطبیت هایزنبرگ نشان می‌دهد که هر نوع کوشش در راه جامعتر و دقیق کردن مدل بوهر ، بی‌نتیجه است، زیرا تعیین دقیق مسیر الکترون در یک اتم ناممکن است. از سوی دیگر ، "شرودینگر" ، رابطه دوبروی را برای تدوین معادله‌ای بکار برد که الکترون را برحسب خصلت موجی آن توصیف می‌کند.

معادله شرودینگر پایه مکانیک موجی است. معادله برحسب یک تابع موجی برای الکترون نوشته می‌شود. وقتی معادله برای الکترون در اتم هیدروژن حل می‌شود، یک سلسله تابع موجی بدست می‌آید. هر تابع موجی به یک حالت معین انرژی برای الکترون مربوط است و ناحیه‌ای در اطراف هسته را توضیح می‌دهد که در آن ،‌ امکان یافتن الکترون وجود دارد. تابع موجی یک الکترون آنچه را که یک اوربیتال نامیده می‌شود، توضیح می‌دهد.

شدت هر موج ، با مجذور دامنه آن متناسب است. تابع موجی ، ، تابع دامنه است. مقدار برای یک حجم کوچک در هر موقعیتی در فضا ، متناسب با چگالی بار الکترونی در آن حجم است.

می‌توان تصور کرد که بار الکترون به سبب حرکت سریع الکترون به صورت ابر باردار در فضای دور هسته گسترده شده است. این ابر در برخی نواحی غلیظتر از نواحی دیگر است. احتمال یافتن الکترون در هر ناحیه معین متناسب با چگالی ابر الکترونی در آن ناحیه است. این احتمال در ناحیه‌ای که ابر الکترونی غلیظتر است، بیشتر خواهد بود. این تفسیر کوششی برای توصیف مسیر الکترون ، به عمل نمی‌آورند، بلکه فقط پیش بینی می‌کند که احتمال یافتن الکترون در کجا بیشتر است.

فاز

به قسمتی همگن و مشخص از یک ماده که در آن خواص فیزیکی و ساختار شیمیایی بصورت پیوسته (نه گسسته) تغییر کند، فاز گفته می‌شود.

هر فاز توسط مرزهای حقیقی از فازهای مجاور خودش جدا می‌‌شود که در این مرزها خواص به صورت گسسته تغییر می‌کنند.

لازم نیست که این بخش قابل تمایز ماده یکپارچه (پیوسته) باشد. مثلاً یک مایع پخش شده در داخل یک مایع دیگر نیز یک سیستم دوفازی به وجود می‌آورد.

گازها بطور کامل در یکدیگر حل می‌شوند بنابراین همواره تک‌فاز به حساب می‌آیند.

همگن بودن یک فاز به معنای وجود ترکیب شیمیایی معین و دقیق نیست زیرا تغییر ترکیب (به صورت پیوسته) مثلاً در محلو‌ل‌های مایع یا جامد ویژگی همگن بودن آنها را به هم نمی‌زند.

ذرات بنيادی 2

ذرات بنيادی ۲

للحق        سلام    این دفعه قصد دارم به  طبقه بندی ذرات بنیادی بپردازم.                                 بر هم کنش یا نیرو!؟!   در فیزیک کوانتومی مفهوم برهم کنش(Interaction) معادل مفهوم نیرو در فیزیک نیو تونی می باشد. برهم کنش سبب می شود که انرژی، اندازه حرکت یا نوع ذرات خواه به تنهایی و خود به خود و خواه زمانی که تعدادی از آنها با هم اند تغییر کند. با تحلیل این برهم کنش ها محققین امر به سه دسته عام از آنها دست یافته اند که عبارتند از: قوی، الکترومغناطیس و ضعیف. معیار شدت یک کنش از روی مدت زمان واپاشی یک ذره به ذرات دیگر محاسبه می شود. بدیهی است که هر چه زمان واپاشی کمتر باشد کنش قوی تر خواهد بود. برهم کنش های قوی در حدود 100 مرتبه بزرگتر از برهم کنش های الکترومغناطیس و 10^13 مرتبه بزرگتر از برهم کنش های ضعیف می باشند. برهم کنش های الکترومغناطیس که با جذب و گسیل فوتون ها همراه اند و میان همه ذراتی که بار الکتریکی دارند مشترک می باشند.همچنین شواهدی بر وجود برهم کنش های ضعیف میان همه ذرات به جز فوتون ها به دست آمده است.لپتون ها و فوتون ها بر خلاف دیگر ذرات در برهم کنش های قوی شرکت نمی کنند.                                طبقه بندی ذرات بنیادی   با گذر زمان، هرچه میزان ذرات کشف شده بیشتر شد، خواص و روابط بین آنها مشهود تر شد. به این ترتیب فیزیکدانان توانستند ذرات با خواص مشترک را طبقه بندی کنند.در ادامه به تشریح بخشی از این طبقه بندی می پردازم.   ذره ها و پادذره ها تقارن میان ذره و پاد ذره جزء اولین کشف هایی بود که به کمک میکانیک کوانتومی توجیه شد. در سال 1931 فیزیکدانان دریافتند که برای هر ذره باردار می توان ذره دیگری با همان جرم و اسپین  ولی با بار مخالف را در نظر گرفت.به این ذره جدید پاد ذره می گویند.به طور کلی ذره و پاد ذره را می توان جلوه های متفاوت یک ساختار واحد به حساب آورد.ذرات بی بار نظیر فوتون ها از پاد ذرات اشان قابل تمییز نیستند.                                                    بوزون ها و فرمیون ها وقتی که تعداد زیادی از یک نوع ذره کنار هم می آیند طبقه بندی جدیدی مبتنی بر رفتار ذرات مد نظر قرار می گیرد که به اين طبقه بندی آمارذره می گویند. در توضیح بیشتر باید گفت که همه ذراتی که یکسان هستند مانند الکترون ها از یکدیگر غیر قابل تمییز اند.وقتی که تعداد زیادی از این ذرات کنار هم باشند، دو حالت ممکن است رخ بدهد: اول این که همه  ذرات مقادیر واحدی برای کمیاتی نظیر اندازه حرکت انتخاب کنند، و حالت دوم این که هیچ دو ذره ای را با اسپین یکسان نتوان یافت. خب! طبق تعریف دسته اول را بوزون ها(Bosons) و دسته دوم را فرمیون ها(Fermions) می نامند. فوتون ها و مزون های پی نمونه هایی از دسته اول و الکترون و پروتون نمونه هایی از دسته دوم می باشند.   فر میون ها: فرمیون های شناخته شده به دو دسته لپتون و باریون با خواص کاملا متفاوت تقسیم می شوند.     لپتون ها این لغت در زبان یونانی به معنی سبک می باشد.ذرات این گروه عبارتند از: الکترون(e)، موئون(m)، تائو(t)، نوترینو های الکترون، موئون، تائو و پادذره های هر یک از این ذرات.بار الکتریکی e,m,t با هم برابر میباشد در صورتی که نوترینو ها بی بارند.لپتون ها جرم کم و اسپین برابر دارند.                                        لپتون ها از نظر برهم کنشی با همه ذرات به جز فوتون ها متفاوت اند، و از برهم کنش های قوی متاثر نمی شوند که شاید به علت جرم کم آنها می باشد. الکترون و موئون صرف نظر از اختلاف جرم اشان در همه فرآیند های الکترو دینامیکی و ضعیف یکسان عمل می کنند.فهم علت تفاوت جرم دو ذره نظیر الکترون و موئون که شباهت های بسیاری به یکدیگر دارند تبدیل به یک معمای بزرگ شده است!؟! اما نوترینو ها که ذراتی بدون جرم اند و بار الکتریکی هم ندارند و در نتیجه فقط از برهم کنش های ضعیف  متاثر می شوند. به همین دلیل مطالعه آنها دشوار می باشد.این ذرات معمولا بدون هیچ برهم کنشی از آشکارسازها می گذرند.هم اینک سه نوع نوترینو کشف شده است که هر یک متعلق به یکی از ذرات الکترون، موئونو تائو می باشند. لپتون ها دارای خاصیت بار مانندی هستند که عدد لپتونی نامیده می شود.این عدد برای الکترونو نوترینوی آن 1+ و برای پوزیترون و پاد نوترینوی آن 1-  و برای دیگر ذرات صفر می باشد که به آن عدد الکترونی می گویند. عدد موئونی و تائویی نیز مشابها تعریف می گردند. لپتون ها قابلیت واپاشی دارند و واپاشی هایی مجاز می باشند که در طی آن عدد لپتونی در دو طرف معادله یکسان باشد. این قاعده را قانون بقای لپتونی می نامند.به مثال زیر توجه کنید!                                           خب برای این دفعه دیگه بسه! اما یه خبر مهم !!!

	نوشته شده توسط:
		پیامها (6پیام)

		پنجشنبه، 9 بهمن، 1382 ساعت <#time#>:
	ذرات بنيادی۱

للحق

 

     سلام

 

سادگی ودر عین حال انتزاعی بودن مفاهیم جدید و پیش بینی های تجربی مشخصی که از این مفاهیم انتزاعی نتیجه می شود باعث حیرت و تعجب ما و قبل از ما دانشمندان شده است.

پروفسور عبدالسلام برنده جایزه نوبل فیزیک در سال 1979 این تعجب را ناشی از عمق و ژرفایی می داند که از تحقیق در لایه های واقعیت، یکی پس از دیگری حاصل می آیند.

رابرت اوپنهایمر، کسی که در ساخت بمب اتم نقش به سزایی ایفا نمود معتقد است:"فیزیک بیش از این ها تغییر خواهد کرد...اگر اکنون تندرو و نا آشناست به گمان من در آینده تندرو تر و نا مانوس تر از آن چه امروزه است خواهد بودو از این رهگذر است که بینش های تازه ای را برای اندیشه جستجوگربشر به ارمغان خواهد آورد."

و اکنون با مشاهده تلاش ها و تحقیقاتی که دانشمندان انجام می دهند این موضوع روشن تر است که علم با پیشرفت خود دروازه های شگفتی تازه ای را در فرا روی بشر باز می کند و ذهن کنجنکاو ما در همه اعصار می تواند جستجوگر حقایق باشد.

                                   

دفعه قبل گفتم که می خوام در مورد ذرات بنیادی صحبت کنم.

دوران پژوهش بر  ذرات بنیادی را به سه بخش می توان تقسیم نمود:

1-     از سال 1897 که ج.ج.تامسون الکترون را کشف کرد و نسبت بار به جرم آن را اندازه گیری نمود، این پروژه آغاز گردید.تا سال 1932 ذرات دیگری نیز کشف شد که از جمله آنها پروتون  که  رادرفورد و نوترون را که سر جیمز چادویک کشف کردند، می توان نام برد.

• در این دوره اثر فوتو الکتریک و اثر کامپتون(Compton) نیز کشف شدند.این اثرات نشان دادند که نور مرکب از ذراتی به نام فوتون می باشد .

2-     دوره دوم از سال 1932 تا 1960 طول کشید.در این دوره ذراتی کشف شدند که در ماده معمولی وجود نداشتند و اندک زمانی بعد از به وجود آمدن متلاشی می شدند(خود به خود به ذرات دیگری تبدیل می شدند)، این ذزات عمری بین 10^-6 تا 10^-16 ثانیه داشتند و این زمان آن قدر دراز هست که ذرات بتوانند از مسیری عبور کنند و از خود ردی به جای گذارند و تشخیص داده شوند.برخی از این ذرات عبارتند از: موئون ها، مزون های p، مزون های K، هیپرون هایL، هیپرونهایS و هیپرون هایx(بعدا در مورد این ذزات خواهم نوشت).پوزیترون و پادپروتون نیز در همین دوره کشف شدند.

• اگرچه برخی از ذراتی که در این دوره کشف شدند قبلا توسط دانشمندان پیش بینی شده بودند ولی اغلب ذرات کشف شده غیر منتظره بودند و دانشمندان را به این اندیشه واداشت که ذرات بنیادی دستگاه های پیچیده ای هستند.در این دوره حدود 30 ذره شناسایی شد.

                                                               

3-     از سال 1960 تا کنون تعداد ذرات شناخته شده به سرعت افزایش یافته است.بیش ترین ذراتی که در این دوره شناخته شده اند رزونانسی هستند و در مدت زمان کوتاهی در حدود 10^-19 ثانیه به ذرات دیگر تلاشی پیدا می کنند. به همین دلیل آشکار ساختن آنها کار دشواری است و به روش های دیگری استنباط می شوند.

• مثلا یکی از این روش ها این است که اگر در طی آزمایشات  ذراتی به وجود آیند که به عنوان فراورده های تلاشی یک ذره جدید بتوان توصیف اشان کرد، آنگاه مدرکی بر وجود ذره ای جدید با طول عمری بسیار کوتاه به شمار می آیند. به این شیوه و به کمک شتابگر های پر انرژی چند صد ذره تا کنون کشف شده است.

خواص ذرات

ذرات در اشکال مختلفی وجود دارند، برخی از خواص آنها با تغییر زمان تغییر می کند. به همین جهت تعیین خواصی از ذرات بنیادی که ثابت باقی می مانند بسیار حائز اهمیت و مد نظر است.

از جمله این خواص ثابت می توان به جرم سکون، اسپین(اندازه حرکت زاویه ای) و بار الکتریکی اشاره نمود.بنابراین یک ذره چیزی است که دارای جرم، اسپین و بار الکتریکی معینی باشد.

در زیر جدولی از برخی ذرات پایدار و نیمه پایدار ارائه می شود.

 

نام گروه	نام ذره		جرم	اسپین	بار الکتریکی
لپتون	نوترینوی الکترون		0	-	خنثی
	الکترون		1	1/2	منفی
	نوترینوی موئون		0	1/2	خنثی
	موئون		206/77	1/2	منفی
مزون	پیون		273/1	0	مثبت
	مزون پی		273/1	0	منفی
	کائون		966/4	0	مثبت
	مزون k		974/3	0	خنثی
باریون	نوکلئون	پروتون	1836/10	1/2	مثبت
		نوترون	1838/63	1/2	خنثی
	لاندا (L)		2183/1	1/2	خنثی
	سیگما (S)		2327/7	1/2	مثبت
	کیسی (x)		2585/5	1/2	منفی
	امگا (W)		3276/0	3/2	منفی

ذرات بنیادی 1

قبل از اینکه مطالب این دفعه رو بنویسم ، لازمه که به خاطر دیر شدن به روز رسانی اتمی از شما خواننده گرامی عذر خواهی کنم.خب درگیری های کاریم طی هفته گذشته خیلی زیاد شد ولی خب به هر حال تمام شد و فرصت کوتاهی دست داد تا بخش پایانی مقاله ذرات بنیادی رو که از دایرة المعارف امریکانا (1978) به قلم جرالد فاینبرگ جمع آوری کرده بودم، ارائه کنم. در نهایت امیدوارم علاقه مندان به این گونه مباحث از ارائه من خوششون اومده باشه و با پیگیری های خود بتوانند بیشتر با این دنیای اسرار آمیز آشنا شوند.

در ادامه بحث طبقه بندی ذرات بنیادی به موارد ذیل می پردازیم:

 

باریون ها: این لغت به معنی سنگین( یونانی) می باشد.باریون ها ذراتی هستند با جرم برابر یا بیشتر از نوکلئون ها( پروتون و نوترون) که بار الکتریکی آنها می تواند 0، 1± و 2±(بر حسب بار الکترون) باشد.همچنین اسپین 2/1، 2/3،3/5 و ... می توانند داشته باشند.

این ذرات نیز دارای خاصیت بار مانندی به نام عدد باریونی می باشند که مانند بار الکتریکی جبری است. پایداری پروتون که سبک ترین باریون است در اثر پایداری عدد باریونی است.

از دیگر مشخصه های باریونی بر هم کنش های قوی است که موجب می شوند باریون ها به سرعت به یکدیگر تبدیل شوند و مبادله اندازه حرکت بین آنها انجام گیرد.

 

بوزون ها: به دو دسته مزون ها و فوتون ها تقسیم می شوند.

مزون ها: ذراتی هستند که جرمشان در محدوده جرم مزون پی که کمی سنگین تر از جرم لپتون ها است، تا جرم هایی نزدیک به باریون ها می باشند. اسپین این ذرات 3،2،1،0 و بار الکتریکی 0، 1± دارند. مزون ها به دلیل نداشتن بار مزونی پایدار نیستند.

مزون ها به بر هم کنش های قوی، ضعیف و الکترومغناطیس پاسخ مثبت می دهند. مون ها با باریون ها برهم کنش قوی دارند که نتیجه آن انسجام هسته است.

 

فوتون ها: وضعیت این ذره که ناقل برهم کنش الکترو مغناطیس ما بین ذرات باردار می باشد با ذرات دیگر فرق می کند. جرم صفر و اسپین 1 دارد. رابطه فوتون با دیگر ذرات با توجه به شناخت و درک خوبی که از فوتون وجود دارد، هنوز پوشیده است.

 

چند تایی ها: خاصیت مهم دیگری که بین باریون ها و مزون ها به صورت مشترک وجود دارد چند تایی ها هستند. مثلا نوترون و پروتون یک اسپین و تقریبا یک جرم دارند و برهم کنش های قوی در آنها مشابه است. تفاوت آنها فقط در بار الکتریکی است. مشابها می توان دسته های دیگری از باریون ها و مزون ها را یافت که شباهت هایی به یکدیگر دارند. چند تایی هایی که تفاوت آنها در بار الکتریکی باشد را ایزواسپین می نامند.

 

   نظریات مربوط به ذرات بنیادی

در خصوص ذرات بنیادی نظریه هایی وجود دارد که دو هدف عمده را دنبال می کند:

1-   تعیین آنکه کدام ذرات وجود دارند.

2-  توضیح خواص این ذرات.

اگر بگوییم که نظریات ذرات بنیادی در توضیح خواص این ذرات مؤفقیت نسبی را داشته اند پر بی راه نگفته ایم.با این حال کاملا واضح است که هنوز همه اصول فیزیکی لازم برای نظریه ذرات بنیادی شناخته نشده باشند.

پر معنی ترین سؤالی که در خصوص ذرات بنیادی وجود دارد اینه که آیا با کشف آنها ساده ترین هستی هایی که مواد را می سازند یافت می شوند یا آنکه هنوز می توان ذرات بنیادی تری را در طبیعت یافت که آنچه ما کشف کرده ایم فقط تجلیاتی از آنها بوده است؟!.

با توجه به تعدد ذرات شناخته شده و اصول و قوانین بقاء مرموزی که بر آنها ناظرند می توان انتظار هستی های بنیادی تری را نیز داشت که فیزیک ذرات بنیادی در تلاش برای دستیابی به آن می باشد.

 

  فنون ها و روش ها

هدف از این فنون در در بررسی ذرات بنیادی، ایجاد کردن و شتاب دادن به ذرات، ردیابی و تجزیه و تحلیل آنهاست. بیشتر این ذرات باید به طرق مصنوعی تهیه شوند چراکه به صورت طبیعی یافت نمی شوند.در همین راستا به بررسی دو نمونه شتابگر و یک نمونه ساده آشکارساز می پردازم.

دو نوع شتابگر ذرات باردار که مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از:

1-   سنکروترون(Synchrotron)

2-   شتابگر خطی(Linear accelerator)

در سنکروترون ذرات در مدار های دایره ای شکل در یک لوله دایره ای حرکت می کنند.حرکت دایره ای آنها توسط میدان مغناطیسی که عمود بر صفحه لوله وارد می شود، تداوم می یابد. در فواصل زمانی خاص در طول مسیر سرعت ذرات توسط اعمال میدان الکتریکی افزایش می یابد.برای حفظ مسیر قبلی ذرات، میدان مغناطیسی افزایش می یابد.

 

                                        

اما در شتابگر های خطی وضعیت به گونه ای دیگر است. این شتابگر ها که بیشتر برای شتاب دادن به الکترون ها مورد استفاده قرار می گیرند به این ترتیب عمل می کنند که: ذرات در یک لوله مستقیم که به طور متناوب تحت تاثیر میدان الکتریکی قرار گرفته و شتاب می گیرند.

شتابگر  خطی نسبت به سنکروترون تعداد ذرات بیشتری را می تواند شتاب دهد.

                                            

 

 آشکار ساز ها

پس از شتاب دادن به ذرات، آنها را در مسیر ماده دیگری قرار می دهند تا بر هم کنشی انجام گیرد و محصولات این برهم کنش بررسی می شود.ذرات حاصله ممکن است به سرعت آشکار شوند. یکی از ساده ترین ابزار ردیابی ذرات، اطاقک حباب می باشد که اساس آن عبارت است از : ظرفی پر از مایع بسیار گرمادیده (با تاخیر زمانی در نقطه جوش) و فشار بالا. در لحظه ورود ذرات به اطاقک فشار را کاهش می دهند. به این ترتیب مایع شروع به جوشیدن می کند و جو شش از نقاطی شروع می شود که ذره باردار با عبور از آن نقاط آنجا را گرم تر کرده است.این جوشیدن حباب هایی را در مسیر حرکت ذره به وجود می آورد که قبل عکس برداری می باشد.از مایعاتی که در این اطاقک ها مورداستفاده قرار می گیرند می توان هیدروژن، هلیوم و یا مایعات سنگینی چون گزنون را نام برد.

 

                                       

 نکته حائز اهمیت این است که هسته اتم های مایع خود به عنوان نقطه هدف برای ذرات ورودی شناخته می شوند و بر هم کنش در همین اطاقک ها انجام گرفته و تحلیل می شود.