نوشته: حسین جوادی

قیزیک ذرات بنیادی چیست؟

فیزیک ذرات بنیادی بخشی از فیزیک است. موضوع مورد مطالعه ی فیزیکدانان ذرات بنیادی این است

که بدانند جهان از چه ذراتی ساخته شده و این ذرات چگونه در کنش با یکدیگر هستند. اما این ذرات چه هستند؟

در حدود سال 1900 تصور می شد که اتم سنگ بنای جهان است و غیر قابل تجزیه می باشد

بزودی مشخص شد که اتم از یک هسته ی مرکزی با الکتریکی مثبت و تعدادی الکترون که در اطراف آن در گردشند، تشکیل شده است

هنگامیکه هسته مورد مطالعه قرار گرفت، فیزیکدانان متوجه شدند که هسته از پروتون با بار الکتریکی مثبت و نوترون که از نظر الکتریکی حنثی است تشکیل شده و الکترونها در اطراف آن در گردشند

ماده از چه ذراتی ساخته شده است؟ هرچه تحقیقات روی هسته بیشتر انجام می شد، ذرات جدیدی کشف می شدند. همچنین تحقیقات بیشتر نشان داد  که پروتونها و نوترونها نیز از ذرات دیگری که  کوارک نامیده شدند ساخته شده است سرانجام فیزیکدانان ذرات سازنده ی ماده را به دو دسته  لپتونها و کوارکها  تقسیم کردند  در این تقسیم بندی هادرونها از جمله پروتون و نوترون ذره ی بنیادی نیستند و از کوارکها ساخته شده اند

 

پاد ماده یکی از کشفیات بسیار جالب، کشف پاد ماده است  برای هر ذره ی بنیادی یک ذره دیگری وجود دارد  که آن را پا ماده ی آن می نامند  به عنوان مثال پاد ماده ی الکترون، پوزیترون است  که تنها از نظر الکتریکی با هم تفاوت دارند  ماده و پاد ماده یکدیگر را جذب کرده و به انرژی تبدیل می شوند  بهمین دلیل آنها را پاد ماده می نامند  توجه شود که پاد ماده تنها یک اصطلاح است و از نظر فیزیکی هر دوی آنها ماده می باشند

 

اسپین

اسپین یکی از خواص ذرات مانند جرم و بار است. اسپین اندازه ی حرکت زاویه ای ذره است

و ساده ترین راه برای اندازه گیری اندازه حرکت زاویه ای ذره بر اثر گردش آن است

 در واقع سخن از گردش ذره درست نیست، بلکه اندازه حرکت زاویه ای ذره یکی از خواص ذاتی ذرات است

 اسپین نظیر اندازه حرکت و انرژی در تمام مراحل ثابت است

کوارکها

شش کوارک و شش پاد کوارک وجود دارد که که سه دسته دوتایی تشکیل می دهند. این گروهها عبارتند از

up-down

بالا-پایین

charm-strange

عجیب-افسون

top-bottom

سر- ته

 

یک خاصیت دیگر جالب کوارکها این است که هیچگاه کوارکها به تنهایی مشاهده نمی شوند

و آنها در کنار یکدیگر قرار دارند و ذرات مرکب را می سازند

 این ذرات مرکب هادرون نامیده می شوند

کوارکها نطیر الکترون و پروتون دارای بار الکتریکی هستند. اما بار الکتریکی کوارکها کسری از بار الکتریکی پایه است

 

Flavour		Mass (GeV/c2)	Electric Charge (e)
u	up	0.004	+2/3
d	down	0.08	-1/3
c	charm	1.5	+2/3
s	strange	0.15	-1/3
t	top	176	+2/3
b	bottom	4.7	-1/3

 

Leptons

Flavour		Mass (GeV/c2)	Electric Charge (e)
	electron neutrino	<7 x 10-9	0
	electron	0.000511	-1
	muon neutrino	<0.0003	0
	muon (mu-minus)	0.106	-1
	tau neutrino	<0.03	0
	tau (tau-minus)	1.7771	-1

نیروهای اساسی

نیروهای اساسی طبیعت عبارتند از

نیروی الکترومغناطیسی

هسته ای ضعیف

هسته ای قوی

گرانش

همه ی این نیروها توسط ذرات تبادلی حمل می شوند به عنوان مثال ذرات تبادلی نیروی الکترومغناطیسی فوتون نامیده می شود الکترون و پروتون با انتشار و جذب فوتون همدیگر را جذب می کنند همچنین نوترینو یک ذره بدون بار الکتریکی است، بنابراین فوتون منتشر یا جذب نمی کند

نیروی هسته ای ضعیف

همه ی اجسام پایدار موجود در جهان از یک نوع لپتون (الکترون) و دو کوارک (بالا-پایین) ساخته شده اند

 که ترکیب این دو کوارک بصورت پروتون و نوترون ظاهر می شود

 در هر صورت شش تای آنها پیشگویی و مشاهده شده اند و شش تای دیگر مشاهده نشده اند، زیرا

کوارکها و لپتونهای سنگین به دلیل وجود نیروی هسته ای ضعیف قابل مشاهده نمی باشند  نیروی هسته ای ضعیف باعث می شود که  کوارکها و لپتونهای سنگین به کوارکها و لپتونهای سبکتر واپاشیده شوند ذره ی حامل نیروی واپاشی لپتونها و کوارکهای سنگین  W+ and W- هر کدام از اینها شامل یک ذره ی باردار و یک ذره ی خنثای  Z است

علاوه بر بار الکتریکی، کوارکها دارای خاصیت دیگری هستند که بار - رنگ نامیده می شود

 colour charge

نیروی بین درات بار - رنگب سیار قوی است که آنرا نیروی قوی می نامند نیروی قوی بسیار سخت و جاذبه است که روی پروتونها و نوترونها اعمال می شود این نیرو بر نیروی دافعه الکتریکی بین پروتونها غلبه می کند  و موجب می شود هسته پایدار بماند

در واقع نیروی قوی بین کوارکها اعمال می شود ذره ای که این نیرو را حمل می کند گلوئون gluon  نامیده می شود

 

مدل استاندارد ذرات بنیادی

 

با توجه به مطالب بالا مدل استاندارد ذرات بنیادی به شرح زیر است شش عدد کوارک شش عدد لپتون و چهار بوزون که نیروها را حمل می کنند بطور کلی ذراتی که ماده را می سازند فرمیون و ذراتی که نیرو ها را حمل می کنند بوزون نامیده می شوند

تاریخچه

در سال 1923 جوان 32 ساله‌ای از طبقه اشراف فرانسه ، به نام مارکی لویی دوبروی (Debroglie) ، که مطالعات خود را با تحصیل تاریخ قرون وسطی آغاز کرد و بعدها کم‌کم به فیزیک نظری علاقه‌مند شد، رساله دکترایی به دانشگاه علوم پاریس عرضه داشت که شامل نظریه‌های شگفتی بود. دوبروی عقیده داشت که حرکت ذرات مادی توسط امواجی همراهی و هدایت می‌شود که همراه با ماده در فضا انتشار پیدا می‌کند.

رابطه دوبروی در تابش الکترومغناطیسی

آزمایشهای مربوط به تداخل و پراش تابش الکترومغناطیسی را در صورتی می‌توان توضیح داد که تابش فقط متشکل از امواج باشد. همچنین اثرهای دقیقا کوانتومی تابش الکترومغناطیسی ، مانند اثرهای فوتو‌الکتریک و کامپتون را در صورتی می‌توان توصیف کرد که نور فقط متشکل از فوتونهای ذره گونه باشد. اگر اندازه حرکت فوتون ذره گونه را با P نشان دهیم، در این صورت بر اساس رابطه دوبروی طول موج مربوط به موج منتسب به فوتون به صورت زیر خواهد بود:

اهمیت ثابت پلانک در رابطه دوبروی

رابطه دوبروی نه تنها در مورد تابشهای الکترومغناطیسی بلکه در مورد ذرات دیگر مانند الکترون نیز برقرار است. یعنی در مورد هر ذره با اندازه حرکت P ، طول موجی که برای موج منتسب به آن ذره در نظر گرفته می‌شود، طبق رابطه بیان خواهد شد، که در این رابطه h ، ثابت پلانک است. در این رابطه اهمیت ثابت پلانک آشکار می‌شود. چون در طرف اول رابطه بیانگر خاصیت موجی و در طرف درP بیانگر خاصیت ذره‌ای است و نقش ثابت پلانک در ارتباط این دو کمیت (یا دو خاصیت متفاوت) است.

تحقیقات دوبروی توجه زیادی را جلب کرد و دانشمندان زیادی پیشنهاد کردند که صحت و سقم این رابطه را مورد آزمایش قرار دهند در مورد تابش الکترومغناطیسی ، ماکسول و هرتز خواص موج گونه آن را کشف کردند و براین مبنا تداخل و پراش را تعبیر کردند. بنابراین ، برای اینکه ثابت کنیم که یک ذره مادی دارای طبیعت موجی است، لازم نیست که نخست طبیعت پدیده موجی را بشناسیم برای آزمایش فرضیه دوبروی کافی است که بر اساس آزمایش تعیین کنیم که آیا ذرات مادی پدیده های تداخل و پراش را نشان می‌دهند یا نه؟

یک نمونه از این آزمایشها مربوط به الکترون بود که توسط دیوسیون (Davison ) و گرومر (Germer) انجام شد طبیعت ذره‌ای الکترون خیلی بیشتر از آزمایش دیوسیون و گرومر کشف شده بود. بنابراین این آزمایش به صورت تجربی رابطه دوبروی را تایید کرد. بعداز آزمایش مربوط به پراش الکترون ، دانشمندان آزمایشهای پراش ذرات را با باریکه‌های هیدروژن مولکولی و هلیوم و نوترونهای آهسته انجام دادند. پراش نوترون به ویژه در مطالعه ساختار بلورها مفید است.

تعمیم نظریه دوبروی

نظریه‌های دوبروی در سال 1926 توسط اروین شرودینگر (Schrödinger) ، فیزیکدان اتریشی تعمیم داده شد و بر مبنای صرفا ریاضی قرار گرفت. شرودینگر این نظریه‌ها را در معادله معروف خود ، که قابل استفاده در حرکت ذرات میدان نیرویی بوده قرار داد. استفاده از معادله شرودینگر در مورد هیدروژن و نیز در مورد اتمی پیچیده‌تر ، نتایج نظریه مدارهای کوانتومی را دوباره تأیید کرد.

نگاه اجمالی

در سال 1923، دوبروی با الهام از مقایسه اصل فرما در اپتیک و اصل کمترین عمل در مکانیک ، بر آن شد که پیشنهاد کند طبیعت دوگانه موجی _ ذره‌ای تابش باید قرینه‌ای در طبیعت دوگانه ذره‌ای _ موجی ماده داشته باشد (دوگانگی موج و ذره). بنابراین ذرات باید تحت شرایطی خاص ، خصوصیت موجی داشته باشند. همچنین دوبروی عبارتی برای طول موج منسوب به ذره پیشنهاد کرد که این طول موج با اندازه حرکت ذره نسبت مستقیم دارد و به وسیله ثابت پلانک این رابطه تناسب به تساوی تبدیل می‌‌شود:

نکته جالب توجه در عبارت فوق این است که سمت چپ عبارت فوق خصوصیت موجی را بیان می‌‌کند، در صورتی که طرف راست نشانگر خصوصیات ذره‌ای است و ثابت پلانک به عنوان یک واسطه این دو خصوصیت نامتجانس را به هم ربط می‌‌دهد. کار دوبروی توجه زیادی را جلب کرد و افراد زیادی پیشنهاد کردند که تحقیق درستی این رابطه را می‌‌توان با مشاهده پراش الکترون انجام داد.

تاریخچه

مشاهده آزمایشگاهی پراش الکترون نخستین بار در سال 1897-1276 توسط دیوسیون و گرومر به عمل آمد. این دو دریافتند که در پراکندگی الکترونها از سطح یک کریستال ، در راستاهای به خصوصی پراکندگی بیشتری وجود دارد.

کیفیت پراش الکترون توسط بلور

از بلور شناسی می‌‌دانیم که بلورها دارای ساختار تناوبی هستند و می‌‌توان صفحاتی موازی در نظر گرفت که یونها در روی آنها قرار گرفته‌اند. بنابراین وقتی که یک موجی بر سطح بلور بتابد، این صفحات نقش پراکننده را بازی می‌‌کند. بنابراین فرض کنید که الکترونها بر سطح کریستال بتابند، بعضی از الکترونها توسط صفحات رویی پراکنده می‌‌شوند، در صورتی که برخی دیگر از صفحات اول عبور کرده و توسط صفحات داخلی پراکنده می‌‌شوند. لذا الکترونهای پراکنده شده به دلیل اختلاف مسیری که طی می‌‌کنند، دارای یک اختلاف فازی خواهند بود.

بنابراین اگر این الکترونهای پراکنده شده توسط یک آشکارساز ثبت شوند، الگوهای تداخلی حاصل می‌‌شوند. یعنی در نقاطی که الکترونها یا به عبارت دیگر ، امواج پراکنده شده تداخل سازنده داشته باشند، (اختلاف فاز آنها ضرب صحیحی از 2π باشد)، همدیگر را تقویت می‌‌کنند و در نقاطی که تداخل ویرانگر داشته باشند، نقش همدیگر را تضعیف می‌‌کند.

مشاهدات دیوسیون و گرومر

الگوی تداخلی پراکندگی الکترون را که توسط دیوسیون و گرومر مشاهده شده است، می‌‌توان با ترسیم شماتیکی هندسه پراکندگی الکترون و محاسبه طول موج امواجی که با هم تداخل سازنده انجام می‌‌دهند و با بکار بردن رابطه دوبروی به صورت عملی استفاده نمود.

در این حالت فرض می‌‌کنیم که صفحات موازی داخل بلور به فاصله a از یکدیگر قرار گرفته‌اند. بنابراین موجی را در نظر می‌‌گیریم که تحت زاویه ө نسبت به صفحه اول بر سطح آن فرود آید. قسمتی از این موج پراکنده شده و قسمت دیگری از آن عبور می‌‌کند. این قسمت عبور کرده ، دوباره از صفحه دوم پراکنده می‌‌شود.

اگر اختلاف مسیر این دو باریکه موجی پراکنده را محاسبه کنیم، برابر خواهد بود که در این رابطه λ طول موج است. برای این که تداخل سازنده باشد، باید اختلاف مسیر یا به بیان دیگر ، اختلاف فاز اشاره شده برابر 2nπ باشد، به عبارت دیگر باید داشته باشیم:

اگر به جای λ از رابطه دوبروی جایگذاری کنیم، در این صورت به مشاهدات دیویسون و گرومر می‌‌رسیم. این تائید آزمایشگاهی در واقع قدم اساسی در توسعه مکانیک موجی به حساب می‌‌آید.

پراش الکترون راه‌گشای آزمایشهای دیگر

بعد از اینکه آزمایش پراش الکترون با موفقیت انجام شد، آزمایش پراش ذرات با باریکه‌های مولکولی هیدروژن و هلیم و با نوترون آهسته که بر خلاف ذرات دیگر ذره‌ای بدون بار است، انجام گرفت. پراش نوترون به ویژه در مطالعه ساختاری بلوری مفید است. لازم به ذکر است که برای انجام پراش باید حدود تقریبی انرژی ذرات با فواصل بلوری که از مرتبه آنگستروم است، قابل مقایسه باشد و به همین دلیل در عبارت بالا لفظ نوترون آهسته را بکار بردیم.

دلیل مشاهده نکردن پراش الکترون در ابعاد ماکروسکوپی

در مقیاس ماکروسکوپی ، مشاهده جنبه‌های موجی ذرات از توانایی ما خارج است. به عنوان مثال ، در مورد قطره‌ای به اندازه 0،1 میلیمتر که با سرعت 10سانتیمتر بر ثانیه حرکت می‌‌کند، طول موج دوبروی در حدود λ=1.6x10^-22 سانتیمتر خواهد بود. بنابراین ، در مورد الکترون نباید انتظار داشته باشیم که در ابعاد ماکروسکوپی بتوانیم آثار پراش را مشاهده کنیم، به همین علت از ساختار بلوری که فاصله یونها قابل مقایسه با طول موج دوبروی منسوب به الکترون است، استفاده می‌‌کنیم.

نظریه نسبیت و نظریه مکانیک کوانتومی دو شالوده نظری مهم فیزیک قرن بیستم را تشکیل می دهند. درست همان گونه که نظریه نسبیت به بینش های جدیدی از طبیعت فضا و زمان و نتایج عمیقی در مکانیک کلاسیک و الکترومغناطیس منجر می شود.

نظریه مکانیک کوانتومی نیز به روش های فکری کاملا جدیدی که پایه فهم ساختار اتمی و هسته ای اند، منجر می شود. با این وجود بعضی از جنبه های توصیف کوانتومی طبیعت کاملا جدید نیستند و در حقیقت در فیزیک کلاسیک نیز یافت می شوند.

تقسیم بندی کمیت ها:

در مطالعه دنیای فیزیکی با دو نوع عام از کمیت های فیزیکی سروکار داریم: کمیت هایی که دارای پیوستاری از مقادیرند «کمیت های پیوسته). و کمیت هایی که کوانتیده اند. کمیت های کوانتیده محدود به مقادیر گسسته معینی هستند. گاهی آنها را به عنوان کمیت هایی که دارای "اتمیسیته" یا "دانه" هستند نیز بیان می کنند.
برخی کمیت های فیزیکی پیوسته کلاسیکی یا غیر کوانتیده عبارتند از:

• سرعت یک ذره آزاد که می تواند از صفر تا سرعت نور تغییر کند.

• بزرگی اندازه حرکت زاویه ای یک ذره که از صفر تا بینهایت می تواند هر مقداری را اختیار کند.

• انرژی مکانیکی یک دستگاه دو ذره ای ، که هر گاه این دو ذره به یکدیگر مقید باشند هر مقدار منفی (Em<0) و هر گاه آزاد باشند هر مقدار مثبتی (Em>0) را می توانند بپذیرند. که Em معرف اترژی مکانیکی سیستم می باشد.

• زاویه بین جهت گشتاور دو قطبی یک آهنربا و یک مغناطیس خارجی ، که می تواند از 0 تا 180 درجه تغییر کند.
  برخی کمیت های فیزیکی با مقادیر کوانتیده عبارتند از:

• جرم های سکون مشاهده شده اتم ها که در یک گستره پیوسته قرار نمی گیرند. این مطلب ابتدا در مطالعات بنیادی ترکیبات شیمیایی که به نظریه اتمی دالتون منجر شدند، مشاهده شد.

• امروزه جرم اتم هایی که در طبیعت یافت می شود بادقت زیادی معلوم شده است. اما جالب است بدانیم که این جرم ها تقریبا به نسبت اعداد صحیح اند، نه دقیقاً برابر با آن.

• یکی از وظایف فیزیک هسته ای توضیح این انحراف ها نسبت به اعداد صحیح به کمک چند اصل اساسی است.

بار الکتریکی کوانییده است:

زیرا بار کل هر جسمی دقیقا ً مضرب صحیحی (مثبت یا منفی) از بار الکتریکی بنیادی الکترون (e) است. کوانتومی شدن بار که به وضوح در مفهوم شمیایی ظرفیت و در قوانین الکترولیز آشکار شده بود، به وسیله آزمایش قطره روغن میلیکان به طور مستقیم نشان داده شد. در این آزمایش بار الکترون مستقیماً اندازه گیری شداندازه گیری بار الکترون).

کوانتیدگی فرکانس نوسان فیزیک امواج ایستاده:

امواج ایستاده و تشدید که ظهورات کاملاً برجسته کوانتش در فیزیک کلاسیک هستند. فرکانس نوسان یک تار مرتعش تشدید کننده که دو انتهای آن ثابت است فقط می تواند مضرب صحیحی از پایین ترین فرکانس یا فرکانس اصلی نوسان باشد. فرکانس اصلی به نوبه خود با استفاده از خواص فیزیکی و طول تار تعیین می شود.
این موج مکرراً از مرزها یا از دو انتهای ثابت تار رویش باز می تابد و با خود موج اولیه تداخل سازنده ایجاد می کند و فیزیک امواج ایستاده تولید می گردد.

تشدید فقط در صورتی حاصل می شود که فاصله بین دو نقطه انتهایی «طول تار) دقیقاً مضرب نصف صحیحی از نصف طول موج باشد. البته فقط وقتی موج دارای گسترش نامتناهی در فضا باشد، فرکانس آن دقیقاً تعیین می شود.
این استدلال حتی برای موج هایی که بین مرزهای بازتابان به دام افتاده اند، نیز معتبر است. زیرا می توان چنین تصور نمودکه این فیزیک امواج بینهایت بار برروی خود تاب خورده است.

مثالهای عام کوانتش کلاسیکی:

یک تاس پرتابی برروی وجوه خود فقط اعداد صحیح 1و2و3و4و5و6 را دارد. این تاس یکی از مثال های روزمره است که کمیت های کوانتیده را نشان می دهند. مثال های معروف دیگر عبارتند از:
روی یک سکه ، افراد مردم و تعداد سکه ها

نظریه مکانیک کوانتومی در مورد کوانتش چه می گوید؟

نظریه مکانیک کوانتومی به مقدار زیادی مبتنی بر این کشف است که بعضی کمیت ها که در فیزیک کلاسیک پیوسته در نظر گرفته می شدند، در حقیقت کوانتیده اند. از لحاظ تاریخی آغاز این نظریه به تعبیر شدت تابش الکترومغناطیسی از یک جسم سیاه بر حسب طول موج با انتظارات نظری الکترومغناطیس توافق ندارد.

ماکس پلانک تدوین کننده نظریه مکانیک کوانتومی در سال 1900 میلادی نشان داد که تجدید نظر در مفاهیم کلاسیکی به کمک کوانتش انرژی منجر به برقراری توافق بین آزمایش و نظریه می شود و از این طریق یک پل ارتباطی بین مکانیک کلاسیک و مکانیک کوانتومی ایجاد شد که با وجود تعارضات فاحش ، تشابهات زیادی نیز باهم دارند.