تاریخچه
اصول طیف سنجی جرمی ، جلوتر از هر یک از تکنیکهای 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 کرد که عناصر می‌توانند ایزوتوپ داشته باشند. تا جایی که می‌دانیم، قدیمیترین طیف سنج جرمی در سال 1918 ساخته شد.

اما روش طیف سنجی جرمی تا همین اواخر که دستگاههای دقیق ارزانی در دسترس قرار گرفتند، هنوز مورد استفاده چندانی نداشت. این تکنیک با پیدایش دستگاههای تجاری که 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 تفکیک ، در مطالعه تعیین ساختمان ترکیبات از اهمیت بسیاری برخوردار گشته است.
اصول طیف سنجی جرمی

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

مولکولها توسط جرایاناتی از الکترونهای پرانرژی بمباران شده و بعضی از مولکولها به یونهای مربوطه تبدیل می‌گردند. سپس یونها در یک میدان الکتریکی شتاب داده می‌شوند.

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

یونهای دارای نسبت بار/جرم مشخص و معین توسط بخشی از دستگاه که در اثر برخورد یونها به آن ، قادر به شمارش آنها است، آشکار می‌گردند. نتایج داده شده خروجی توسط آشکار کننده بزرگ شده و به ثبات داده می‌شوند. علامت یا نقشی که از ثبات حاصل می‌گردد یک طیف جرمی است، نموداری از تعداد ذرات آشکار شده بر حسب تابعی از نسبت بار/جرم.

دستگاه طیف سنج جرمی

هنگامی که هر یک از عملیات را بدقت مورد بررسی قرار دهیم، خواهیم دید که طیف سنج جرمی واقعا پیچیده‌تر از آن چیزی است که در بالا شرح داده شد.

سیستم ورودی نمونه

قبل از تشکیل یونها باید راهی پیدا کرد تا بتوان جریانی از مولکولها را به محفظه یونیزاسیون که عمل یونیزه شدن در آن انجام می‌گیرد، روانه ساخت. یک سیستم ورودی نمونه برای ایجاد چنین جریانی از مولکولها بکار برده می‌شود. نمونه‌هایی که با طیف سنجی جرمی مورد مطالعه قرار می‌گیرند، می‌توانند به حالت گاز ، مایع یا جامد باشند. در این روش باید از وسایلی استفاده کرد تا مقدار کافی از نمونه را به حالت بخار در آورده ، سپس جریانی از مولکولها روانه محفظه یونیزاسیون شوند.

در مورد گازها ، ماده ، خود به حالت بخار وجود دارد. پس ، از سیستم ورودی ساده‌ای می‌توان استفاده کرد. این سیستم تحت خلاء بوده، بطوری که محفظه یونیزاسیون در فشاری پایینتر از سیستم ورودی نمونه قرار دارد.

روزنه مولکولی
نمونه به انبار بزرگتری رفته که از آن ، مولکولهای بخار به محفظه یونیزاسیون می‌روند. برای اطمینان از اینکه جریان یکنواختی از مولکولها به محفظه یونیزاسیون وارد می‌شود، قبل از ورود ، بخار از میان سوراخ کوچکی که "روزنه مولکولی" خوانده می‌شود، عبور می‌کند. همین سیستم برای مایعات و جامدات فرار نیز بکار برده می‌شود. برای مواد با فراریت کم ، می‌توان سیستم را به گونه‌ای طراحی کرد که در یک اجاق یا تنور قرار گیرد تا در اثر گرم کردن نمونه ، فشار بخار بیشتری حاصل گردد. باید مراقب بود که حرارت زیاد باعث تخریب ماده نگردد.

در مورد مواد جامد نسبتا غیر فرار ، روش مستقیمی را می‌توان بکار برد. نمونه در نوک میله‌ای قرار داده می‌شود و سپس از یک شیر خلاء ، وارد محفظه یونیزاسیون می‌گردد. نمونه در فاصله بسیار نزدیکی از پرتو یونیزه کننده الکترونها قرار می‌گیرد. سپس آن میله ، گرم شده و تولید بخاری از نمونه را کرده تا در مجاورت پرتو الکترونها بیرون رانده شوند. چنین سیستمی را می‌توان برای مطالعه نمونه‌ای از مولکولهایی که فشار بخار آنها در درجه حرارت اتاق کمتر از 9 - 10 میلیمتر جیوه است، بکار برد.

محفظه یونیزاسیون
هنگامی که جریان مولکولهای نمونه وارد محفظه یونیزاسیون گشت ، توسط پرتوی از الکترونهای پرانرژی بمباران می‌شود. در این فرآیند ، مولکولها به یونهای مربوطه تبدیل گشته و سپس در یک میدان الکتریکی شتاب داده می‌شوند. در محفظه یونیزاسیون پرتو الکترونهای پرانرژی از یک "سیم باریک" گرم شده ساطع می‌شوند. این سیم باریک تا چند هزار درجه سلسیوس گرم می‌شود. به هنگام کار در شرایطی معمولی ، الکترونها دارای انرژی معادل 70 میکرون - ولت هستند.

این الکترونهای پرانرژی با مولکولهایی که از سیستم نمونه وارد شده‌اند، برخورد کرده و با برداشتن الکترون از آن مولکولها ، آنها را یونیزه کرده و به یونهای مثبت تبدیل می‌کنند. یک "صفحه دافع" که پتانسیل الکتریکی مثبتی دارد، یونهای جدید را به طرف دسته‌ای از "صفحات شتاب دهنده" هدایت می‌کند. اختلاف پتانسیل زیادی (حدود 1 تا 10 کیلو ولت) از این صفحات شتاب دهنده عبور داده می‌شود که این عمل ، پرتوی از یونهای مثبت سریع را تولید می‌کند. این یونها توسط یک یا چند "شکاف متمرکز کننده" به طرف یک پرتو یکنواخت هدایت می‌شوند.

بسیاری از مولکولهای نمونه به هیچ وجه یونیزه نمی‌شوند. این مولکولها بطور مداوم توسط مکنده‌ها یا پمپهای خلا که به محفظه یونیزاسیون متصل نیستند، خارج می‌گردند. بعضی از این مولکولها از طریق جذب الکترون به یونهای منفی تبدیل می‌شوند. این یونهای منفی توسط صفحه دافع جذب می‌گردند. ممکن است که بخش کوچکی از یونهای تشکیل شده بیش از یک بار داشته باشند، (از دست دادن بیش از یک الکترون) اینها مانند یونهای مثبت تک ظرفیتی ، شتاب داده می‌شوند.

پتانسیل یونیزاسیون
انرژی لازم برای برداشتن یک الکترون از یک اتم یا مولکول ، پتانسیل یونیزاسیون آن است. بسیاری از ترکیبات آلی دارای پتانسیل یونیزاسیونی بین 8 تا 15 الکترون ولت هستند. اما اگر پرتو الکترونهایی که به مولکولها برخورد می‌کند، پتانسیلی معادل 50 تا 70 الکترون ولت نداشته باشد، قادر به ایجاد یونهای زیادی نخواهد بود. برای ایجاد یک طیف جرمی ، الکترونهایی با این میزان انرژی برای یونیزه کردن نمونه بکار برده می‌شوند.

تجزیه گر جرمی
پس از گذر کردن از محفظه یونیزاسیون ، پرتو یونها از درون یک ناحیه کوتاه فاقد میدان عبور می‌کند. سپس آن پرتو ، وارد "تجزیه گر جرمی" شده که در آنجا ، یونها بر حسب نسبت بار/جرم آنها جدا می‌شوند. انرژی جنبشی یک یون شتاب داده شده برابر است با:

12mv²=ev

که m جرم یون ، v سرعت یون ، e بار یون و V اختلاف پتانسیل صفحات شتاب دهنده یون است.

در حضور یک میدان مغناطیسی ، یک ذره باردار مسیر منحنی شکلی را خواهد داشت. معادله‌ای که شعاع این مسیر منحنی شکل را نشان می‌دهد به صورت زیر است:

^{(r =MV)}/_eH

که r شعاع انحنای مسیر و H قدرت میدان مغناطیسی است.

اگر این دو معادله را برای حذف عبارت سرعت ترکیب کنیم، خواهیم داشت:

این معادله مهمی است که رفتار و عمل یک یون را در بخش تجزیه‌گر جرمی یک طیف سنج جرمی توجیه می‌کند.

طیف سنج جرمی

تجزیه گر جرمی و قدرت تفکیک
از معادله فوق چنین بر می‌آید که هر قدر ، مقدار m/e بزرگتر باشد، شعاع انحنای مسیر نیز بزرگتر خواهد بود. لوله تجزیه‌گر دستگاه طوری ساخته شده است که دارای شعاع انحنای ثابتی است. ذره‌ای که نسبت m/e صحیحی داشته باشد، قادر خواهد بود تا طول لوله تجزیه‌گر منحنی شکل را طی کرده ، به آشکار کننده نمی‌رسند. مسلما اگر دستگاه ، یونهایی را که جرم بخصوصی دارند، نشان دهد. این روش چندان جالب نخواهد بود.

بنابراین بطور مداوم ، ولتاژ شتاب دهنده یا قدرت میدان مغناطیسی تغییر یافته تا بتوان کلیه یونهایی که در محفظه یونیزاسیون تولید گشته‌اند را آشکار ساخت. اثری که از آشکار کننده حاصل می‌گردد، بصورت طرحی است که تعداد یونها را بر حسب مقدار m/e آنها رسم می‌کند. فاکتور مهمی که باید در یک طیف سنج جرمی در نظر گرفتن قدرت تفکیک آن است. قدرت تفکیک بر طبق رابطه زیر تعریف می‌شود:

(R=M)/M

که R قدرت تفکیک ، M جرم ذره و M∆ اختلاف جرم بین یک ذره با جرم M و ذره بعدی با جرم بیشتر است که می‌تواند توسط دستگاه تفکیک گردد. دستگاههایی که قدرت تفکیک ضعیفی دارند، مقدار R آنها حداکثر 2000 در بعضی مواقع قدرت تفکیکی به میزان پنج تا ده برابر مقدار فوق مورد نیاز است.

آشکار کننده
آشکار کننده بسیاری از دستگاهها ، شامل یک شمارشگر است که جریان تولیدی آن متناسب با تعداد یونهایی است که به آن برخورد می‌کند. با استفاده از مدارهای الکترون افزاینده می‌توان آن قدر دقیق این جریان را اندازه گرفت که جریان حاصل از برخورد فقط یک یون به آشکار کننده اندازه ‌گیری شود.

ثبات آشکار کننده
سیگنال تولید شده از آشکار کننده به یک ثبات داده می‌شود که این ثبات خود طیف جرمی را ایجاد می‌نماید. در دستگاههای جدید ، خروجی آشکار کننده از طریق یک سطح مشترک به رایانه متصل است. رایانه قادر به ذخیره اطلاعات بوده و خروجی را به هر دو صورت جدولی و گرافیکی در می‌آورد. دست آخر داده‌ها با طیفهای استاندارد ذخیره شده موجود در رایانه مقایسه می‌گردد.

در دستگاهها قدیمیتر ، جریان الکترونی حاصل از آشکار کننده به یک سری از پنج گالوانومتر با حساسیتهای متفاوت داده می‌شود. پرتو نوری که به آینه‌های متصل به گالوانومترها برخورد می‌کند و به یک صفحه حساس به نور منعکس می‌گردد. بدین طریق یک طیف جرمی با پنج نقش بطور همزمان ، هر یک با حساسیتی متفاوت ایجاد می‌گردد. در حالی که هنوز دستگاه قویترین قله‌ها را در صفحه طیف نگاه می‌دارد، با استفاده از این پنج نقش ثبت ضعیفترین قله‌ها نیز ممکن می‌گردد.

آیا الکترونها واقعاً سیاره هایی کوچک هستند؟ تا کنون مشاهد ه کردیم که د ر اتم هیدروژ الکترون هسته اتم را در داخلی ترین مدار ممکن ترقریبا در فاصله دقیقف 5 میلیارددم سانیتمتر از هسته دور می زدند فاصله دقیق الکترون هیدروژن از هسته در نمودار موسوم به "الگوی اتمی بوهر " ،9- 10×29/5 سانتیمتر ذکرشده است از سوی دیگر مشاهده شد که مقایسه اتم به منظومه شمسی مقایسه ای کامل نیست .البته این درست است که الکترون فقط درترازهای انرژی در الگوی مداری (سیاره ای ) شامل مدارهای 1،2،3 می شوند ..ولی با وجود این یک الکترون در پایین ترین تراز انرژی هیچ گاه در همه اوقات دقیقاً 29/5 میلیارددم سانتیمتر از هسته دورنخواهد بود و این رقم فقط ارزش میانگن است .

اگر محدوده دور هسته اتم را به سه منطقه تقسیم کنیم :

منطقه 1: گلوله ای باشعاع 5 میلیارددم سانتیمتر ،منطقه 2: شامل تمام فواصل بین 5الی 10 میلیارددم سانتیمتر و منطقه 3: شامل بقیه محدوه هسته اتم خواهد بود .سپس مشخص می شود که درحالت عادی د ر32% ار اتمها ،الکترون درمنطقه 1، در 44%ازاتمها در منطقه 2و در 24%از اتمها در منطقه 3 قرار دارد . در هر اتم معین فقط با درصدی از احتمال می توان گفت که الکترون درحال حاضر در کجا قرار دارد . مثلامی توان گفت احتمال اینکه الکترون درمنطقه 1باشد 32%است اگر چه الگوی مداری کامل نیست ولی ه به هر حال برای قدمهای اولیه و بیساری از تفکرات ساده درباره اتم نمونه ای عملی است و به خاطر همین ما در این کتاب چند با ر دیگر هم از این الگو استفاده خواهیم کرد. درحقیقت هیچ گاه نباید فراموش کرد که انسان رفتار طبیعت در "قلمروعلوم اتمی" را به هر حال نمی تواند به طورکامل در ک کند و ذهنیت ببخشد بلکه قادر است فقط قسمتهایی از خصوصیات آنها را به صورت الگو و مدل و نمودار مجسم کند که البته هیچ گاه خصوصیات کامل آنها را در بر نخواهد گرفت .
ماهیت موجی و ذره الی نو را به خاطر بیاورید همان طورکه تئوری موجی نور تمام خصوصیات نور را توضیح نمی دهد الگوی مداری اتمها هم نمی تواندتمام تمام ماهیت آنها را بیان کند.

هسته اتم از چه تشکیل شده است ؟

هسته اتم از دو نوع ذره که "پرو تون " و "نوترون" نامیده می شوند تشکیل شده است هر دو ذره تقریبا حدود 2000 بار سنگین تر از الکتر ون هستند درحالی که "پروتون "بار الکتر یکی مثبت دارد این بار دارای ارزش عددی معادل بارمنفی الکترون است "نوترون "همان طور که از نامش پیداست خنثی است و به عبارت دیگر دارای بار الکتریکی نمی باشد .
پروتونها و نوترونها "نوکلئون" نیز نامیده می شوند که به معنای سنگ بنای هسته است . ارزش بار الکتریکی الکترونها و پرو تو نها "با ر بنیادی " نامیده می شود .
تعدادپرتونهای یک هسته مشخص می کند که این هسته به کدام عنصر شیمیایی تعلق دارد مثلا اتمهای هیدروژن یکپرتونکربن 6و اتمهای اورانیوم 922پرتون درهسته های خود دارند. تعداد نوترونها دریک عنصر معین می تواند متغیرباشد مثلا هسته های اتم هیدروژن با صفر ،یک یا دو نوترون وجود دارد که به اصطلاح ایرو تو پ های هیدروژن نامیده می شوند .

اگریک هسته اتم فر ضاَ 6پروتون مثبت داشته باشد 6الکترون منفی به دور آن در گردش خواهند بود به طوری که آن اتم درمجموع از نظر الکتریکی خنثی می باشد .
اگر در این اتم یک الکترون از دست برود در نتیجه 6پروتون در مقابل 5الکترون وجود خواهد داشت آنگاه گفته می شود که این اتم دارای بار الکتریکی 1+ مثبت خواهد بود . این اتمهای بار دار را آیون می خوانند.
بسیاری از هسته های اتمی به صورت هسته های سبکتر فر و می باشند و از این طریق اشعه آلفا (هسته های هلیوم)، اشعیه بتا (الکترونها) یا اشعه گاما(فوتونها ) را از خود آزاد کرده متشر می نمایند این رفتار یا خاصیت را رادیو اکتیویته می نامند .

ابتدا توضیح جامعی در مورد اثر کازیمیر (Casimir Effect) می دهیم.

این اثر شامل نیرویی می شود که نه می توان آن را اثر بار و نه گرانش و رد و بدل کردن ذرات بین دو جسم دانست.

آزمایشات کازیمیر نشان می داد که این نیرو مربوط به تشدید (Resonance) میادین انرژی در میان فضای دو جسم می باشد.

از آنجاییکه اعمال این نیرو دارای اثبات ریاضی است محققان این نیرو را به ذراتی مجازی در فضای بین دو جرم نسبت دادند. اما با این وجود مشکلات زیادی در آزمایش ها بود. برای مثال محققان تا به حال متوجه نشده اند چرا این نیرو در بین دو جرم تنها هنگامی اعمال می شود که دو جرم بسیار به هم نزدیک هستند!

این نیرو در ذرات بسیار کوچک میکرونی رسانا نیروی غالب به شمار می رود زیرا در این شرایط نیروی بار بین ذرات بسیار کم خواهد بود. این مورد در آزمایش کازیمیر در سال 1948 به طور واضح دیده شد. اما سوال دیگری بعد از آن بوجود آمد که چرا این اثر تنها در خلا نمایان می شود؟

سال 1948 هندریک کازیمیر (Hendrik B.G. Casimir) فیزیکدان هلندی در آزمایشگاه فیلیپس (Philips) دو صفحه ی فلزی بدون بار را در خلا موازی یکدیگر قرار داد. نیروی مشاهده شده در این آزمایش (بین دو صفحه) تقریبا 15 درصد آن چیزی بود که او در معادلات خود پیش بینی می کرد!

بعد از این آزمایش دانشمندان نیز دریافتند این نیرو همان نیرویی است که در بین اتم های بدون بار وجود دارد. نیرویی که آن را واندروالس (Van Der Waals) نامیده بودند.

"آزمایش کازیمیر: نیروی بوجود آمده از قرار دادن دو صفحه ی موازی بدون بار در خلا"

خود کازیمیر دلیل این موضوع را متوجه نشد که چرا این صفحات تنها در خلا بین خود نیرو رد و بدل می کنند ولی آن را به مقداری به نام ارزش انتظاری (فرضی) خلا مرتبط کرد و بیان نمود از آنجا که مکان های دیگر این ارزش را ندارند پس در آنجا چنین واکنشی صورت نخواهد گرفت.

برای مثال این مقدار در مکانیک هگز – بوزون 26 گیگا الکترون ولت می باشد.

بعد از این فرضیه به سرعت فرضیه ی دیگری با نام انرژی نقطه ی صفر (ZPE) یا انرژی خلا بیان شد. دانشمندان در صدد بودند تا از مشاهداتی که داشته اند دریابند که آیا انرژی و اثرات خلا دارای یک ثابت است و جز نیروهای اولیه محسوب می شود یا نه؟

از آنجاییکه اگر این ذرات خلا وجود داشتند دارای جرم نبودند پس فرض کردند که این انرژی باید کوچکترین انرژی امکان پذیر در یک سیستم مکانیک کوانتومی باشد.

فرض بعدی از این قرار بود که هر سیستم کوانتومی خود دارای یک مقدار دارای نظم از این انرژی باشد. یعنی بین این مقادیر در سیستم های مختلف نظم و رابطه ای ریاضی برقرار باشد.

حال هرجا این مقدار انرژی به مقدار همیلتونین (Hamiltonian) برسد به آن ارزش انتظاری خلا یا انرژی خلا می گویند.

اعتقاد تئوری VMR-PCR بر این است که Casimir Effect و van der Waals force هر دو در تلاش بوده اند تا نیرو (یا انرژی ای) را پیدا کنند که جز عوامل شناخته شده نباشد.

این عامل همان خلا می باشد که طبق مدل مکانیک VMR-PCR از لحاظ نیرو یا انرژی طبقه بندی می شود.

این عامل بین دو بازه ی نیرو و انرژی قرار دارد. سرعتی که این عامل تماما از نیرو می باشد را در مدل صفر فرض کرده ایم و در سرعت مربع نور عامل کاملا انرژی می شود. اما به طور معمول و در اثر گرانش که برآیند نیروی این عامل و دافعه ی ماده است مقدار نیرو در اثرات این عامل جذری از مقدار انرژی در آن است. (مقادیر بازه ی بالا و پایین برای حد خلا تعریف نمی شوند. زیرا خلا در سرعت تقریبی ثابتی دفع و ایجاد گرانش می کند).

جرم قبل از اینکه به انرژی تبدیل شود طبق فرمول هم ارزی و ثابت مرتبط به نیرو تبدیل می شود.

در واقع VMR-PCR بیان می کند که هرجسم شتاب دار از یک ذره ی مشخص تشکیل نشده و خود از سه عامل جرم – نیرو و انرژی به نسبت سرعتش ایجاد شده که نام آن را عامل ناشناخته یا U agent (Unknown Agent) انتخاب کرده است.

اما تفاوتی که این تئوری با فرضیه های قبلی دارد در این می باشد که این نظریه مفهوم جدیدی از خلا و ذرات آن را تعریف می کند. اثر کازیمیر همراه با بیان چندی از اثرات خلا ذرات آن را دارای اسپین و انرژی و قطبیدگی و غیره می نامد. در صورتیکه VMR-PCR آن ذرات را به صورت ضد ماده با خواص محدود و و جدا از خواص مادی بیان می کند.

با همه ی این تفاسیر بزرگترین سوال فیزیک در سال 2006 این بوده است که چرا این مقدار انرژی نقطه ی صفر اشباع نمی شود و باعث یک مقدار کیهانی بزرگ نمی گردد؟

جواب VMR-PCR ساده است: به خاطر اینکه گرانش را ایجاد می کند و مطلقا از انرژی نیست.

اما قبل از اینکه بیشتر وارد تشریح امر شویم بهتر است انرژی نقطه ی صفر (ZPE) را کمی بیشتر توضیح دهیم.

همانطور که به صورت خلاصه بیان کردیم انرژی نقطه ی صفر (ZPE) کمترین مقدار انرژی ای است که یک سیستم مکانیک کوانتومی می تواند داشته باشد.

هر سیستمی مقدار انرژی نقطه ی صفر مخصوص به خود را دارد اما پایین ترین مقدار آن را به خلا نسبت می دهند.

انرژی نقطه ی صفر خلا به صورت واضحی از اثر کازیمیر نتیجه می شود و محققان احتمال می دهند راز ثابت کیهانی در این مورد نهفته باشد.

همچنان که گفتیم مقدار انرژی نقطه ی صفر در اثر کازیمیر خود مرتبط به ارزش انتظاری خلا و مقدار همیلتونین است.

گفتیم که دانشمندان همواره از خود می پرسند چرا انرژی نقطه ی صفر اگر منشایی مانند خلا دارد چرا در دنیا اشباع نمی شود.

 VMR-PCR گرانش را برآیند نیروهای دافعه ی خلا و ماده می داند. اینگونه مشاهده می کنید که نیروی ایجاد شده از این اثر همان گرانش است. بنابراین دلیلی برای اشباع شدن نیست.

دلیل دوم این است که طبق مدل مکانیک VMR-PCR دفع خلا در سرعت نور انجام می شود و در این سرعت عامل را تماما نمی توان به انرژی مرتبط کرد. به مقدار جذری از انرژی کل در عامل نیز جرم وجود دارد و طبق فرمول هم ارزی به همین نسبت نیز همواره نیرو در عامل ایجاد می شود. 

تا قبل از این هرگونه اثری را تنها به انرژی خلا مرتبط می ساختند زیرا این موارد حتی برای یک جرم تنها در خلا نیز اتفاق می افتاد!

هنوز هم برای فیزیکدانان این یک مسئله است که چطور خلایی را که خالی تصور می کنیم چنین اثراتی دارد؟ این اثرات را باید به کدام ذره نسبت داد؟ یک ذره ی مجازی؟

اگرچه دانشمندان در سالهای اخیر به خصوص 1980 سعی داشتند گرانش را به انرژی ربط دهند و این امر را نیز توجیه کنند اما با مشاهده ی رفتارهای دنیا فرض آنها با شکست مواجه شد.

در حال حاضر نیز 3 چیز در کیهان شناسی وجود دارد که کاملا مرتبط به هم هستند اما هرسه بدون پاسخ باقی مانده اند: ثابت کیهانی – انرژی خلا و انرژی نقطه ی صفر!

 حال با VMR-PCR می دانیم که این اثر با آنکه مرتبط به خلا است اما نباید کاملا آن را به انرژی نسبت داد.

همچنین ماده ای در این امر دخیل نیست و این تنها کنش میان خلا (ضدماده) و ماده است.

به همین گونه توانستیم  هر سه مورد را با دلایلی که فقط راز آنها نهفته در دفع خلا (ضدماده) با ماده بود توجیه کنیم.

از دیرباز آرزوی بشر دستیابی به منبعی از انرژی بوده که علاوه بر آنکه بتواند مدت مدیدی از آن استفاده کند تولید پسماندهای خطر ناک نیز در پی نداشته باشد.اکنون در هزاره سوم میلادی این آرزوی به ظاهر دست نیافتنی کم کم به واقعیت می پیوندد.اکنون بشر خود را آماده می کند تا با ساخت اولین رآکتور گرما هسته ای (همجوشی هسته ای)آرزوی نیاکان خود را تحقق بخشد.سوختی پاک و ارزان به نام هیدروژن,انرژی تولیدی ای سرشار و پسماندی بسیار پاک به نام هلیوم.

اکنون می پردازیم به واکنشهای گرما هسته ای راهکارهای استفاده از آن.

خورشید و ستارگان:

سالهاست که دانشمندان واکنشی را که در خورشید و ستارگان رخ داده و در آن انرژی تولید می کند کشف کرده اند.این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هسته های چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک هسته اتم هلیوم.اما مشکلی سر راه این نظریه است.

بالا ترین دمایی که در خورشید وجود دارد مربوط به مرکز آن است که برابر 15ضرب در 10 به توان6 می باشد.در حالی که در ستارگان بزرگتر این دما به 20 ضرب در ده به توان 6 می رسد.به همین خاطر تصور بر این است که آن واکنش معروف ترکیب چهار اتم هیدروژن معمولی وتولید یک اتم هلیم در سایر ستارگان بزرگ نیست که باعث تولید انرژی می شود.بلکه احتمالا چرخه کربن در آنها به کمک آمده و کوره آنها را روشن نگه می دارد.منظور از چرخه کربن آن چرخه ای نیست که روی زمین اتفاق می افتد.بلکه به این صورت است که ابتدا یک اتم هیدروژن معمولی با یک اتم کربنC12ترکیب می شود(همجوشی) و یک اتم N13 به علاوه یک واحد گاما را آزاد می کند.بعد این اتم با یک واپاشی به یک اتمC13به علاوه یک پوزیترون ویک نوترینو تبدیل می شود.بعد اینC13دوباره با یک اتم هیدروژن ترکیب می شود وN14و یک واحد گاما حاصل می شود.دوباره در اثر ترکیب این نیتروژن با یک هیدروژن معمولی اتمO15و یک واحد گاما تولید می شود.O15واپاشی کرده و N15به علاوه یک پوزیترون ویک نوترینو را بوجود میاورد.و دست آخر با ترکیب N15با یک هیدروژن معمولیC12به علاوه یک اتم هلیوم بدست می آید.

دیدید که در این چرخه C12نه مصرف شد و نه به وجود آمد بلکه فقط نقش کاتالیزور را داشت.این واکنشها به ترتیب و پشت سر هم انجام می شوند.و واکنش اصلی همان تبدیل چهار اتم هیدروژن به یک اتم هلیوم است.مزیت چرخه کربن این است که سرعت کار را خیلی بالا می برد. ولی اشکالی که دارد این است که در دمای حد اقل20 ضرب در ده به توان6 شروع می شود.بنا بر این احتمال زیادی میرود که در ستاره های بزرگتر چرخه کربن باعث تولید انرژی می شود.

محصور سازی

یک تعریف ساده و پایه ای از همجوشی عبارت است از فرو رفتن هسته های چند اتم سبکتر و تشکیل یک هسته سنگینتر.مثلا واکنش کلی همجوشی که در خورشید رخ میدهد عبارت است از برخورد هسته های چهاراتم هیدروژن وتبدیل آنها به یک اتم هلیوم .

تا اینجا ساده به نظر میرسد ولی مشکلی اساسی سر راه است;می دانیدهسته ازذرات ریزی تشکیل شده است که پروتون ونوترون جزءلاینفک آن هستند.نوترون بدون بار وپروتون بابارمثبت که سایربارهای مثبت رابه شدت ازخودمیراند.مشکل مشخص شد؟ بله…اگرپروتونها(هسته های هیدروژن)یکدیگررادفع میکنندچگونه میتوان آنهارادرهمجوشی شرکت داد؟

همانطورکه حدس زدید راه حل اساسی آن است که به این پروتونهاآنقدرانرژی بدهیم که انرژی جنبشی آنهابیشترازنیروی دافعه کولنی آنهاشود و پروتونها بتوانند به اندازه کافی به هم نزدیک شوند.حال چگونه این انرژی جنبشی را تولید کنیم؟گرما راه حل خوبیست.در اثر افزایش دما جنب و جوش وبه عبارت دیگرانرژی جنبشی ذرات بیشتر و بیشتر میشود به طوری که تعداد برخوردها و شدت آنها بیشتر و بیشتر میشود.به نظر شما آیا دیگر مشکلی وجود ندارد؟ خیر,مسئله اساسیتری سر راه است.

یک سماور پر از آب را تصور کنید.وقتی سماور را روشن می کنید با این کار به آب درون سماور گرما میدهید(انرژی منتقل می کنید).در اثر این انتقال انرژی دمای آب رفته رفته بالاتر می رود و به عبارتی جنب و جوش مولکولهای آب زیاد می شود.در این حالت بین مولکولهای آب برخوردهایی پدید می آید.هر مولکول که از شعله(یا المنت یا هر چیز دیگری)مقداری انرژی دریافت کرده است آنقدر جنب و جوش می کند تا بالاخره (به علت محدود بودن محیط سماور و آب)انرژی خود رابه دیگری بدهد.مولکول بعدی نیز به نوبه خود همین عمل را انجام میدهد.بدین ترتیب رفته رفته انرژی منبع گرما در تمام آب پخش می شود و دمای آب بالا میرود.خوب یک سوال:آیا وقتی بدنه سماور را لمس می کنیم هیچ گرمایی حس نمی کنیم؟…بله حس میکنیم.دلیلش هم که روشن است.برخورد مولکولهای پر انرژی آب با بدنه سماور و انتقال انرژی خود به آن.هدف ما از روشن کردن سماور گرم کردن آب بود نه سماور.امیدوارم تا اینجا پاسخ اولین مشکل اساسی بر سر راه همجوشی را دریافت کرده باشید.بله اگر اگر با صرف هزینه و زحمت بالا سوخت را به دمایی معادل میلیونها درجه کلوین برسانیم آیا این اتمها آنقدر صبر خواهند کرد تا با دیگر اتمها وارد واکنش شوند یا در اولین فرصت انرژی بالای خود را به دیواره داده وآن را نا بود میکند؟(...شما بودید چه می کردید؟؟؟...).بنابر این نیاز به ((محصور سازی))داریم;یعنی باید به طریقی اجازه ندهیم که این گرما به دیواره منتقل شود.

رسیدن به دمای بالا:

شروع واکنش همجوشی به دمای بسیار بالایی نیازمند است.درست است که دمای پانزده میلیون درجه دمای بسیار بالایست و تصور بوجود آوردنش روی زمین مشکل و کمی هم وحشتناک می باشد ولی معمولا در زندگی روزمره دور و برمان دماهای خیلی بالایی وجود دارند و ما از آنها غافلیم.مثلا وقتی در اثر اتصالی سیمهای برق داخل جعبه تقسیم میسوزد وشما صدای جرقه آنرا میشنوید و پس از بررسی متوجه می شوید که کاملا ذوب شده فقط به خاطر دمای وحشتناکی بوده که آن تو به وجود آمده.شاید باور نکنید ولی این دما به حدود سی-چهل هزار درجه کلوین میرسد.البته این دما برای همجوشی حکم طفل نی سواری را دارد.یا اینکه می توانیم با استفاده از ولتاژهای بسیار بالا قوسهای الکتریکی را از درون لوله های مویین عبور بدهیم.به این ترتیب دمای هوای داخل لوله که اکنون به پلاسما تبدیل شده به نزدیک چند میلیون درجه می رسد.(که باز هم برای همجوشی کم است).یکی از بهترین راهها استفاده از لیزر است.می دانید که لیزرهایی با توانهای بسیار بالا ساخته شده اند.مثلا نوعی از لیزر به نام لیزر نوا(NOVA)می تواند در مدت کوتاهی انرژی ای معادل ده به توان پنج ژول تولید کند.اما بازهم در کنار هر مزیت معایبی هست.مثلا این لیزر تبعا انرژی زیادی مصرف میکند که حتی با صرف نظر از آن مشکل دیگری هست که میگوید اگر انرژی تولیدی لیزر در آن مدت کوتاه باید تحویل داده بشود پس برای برقرار ماندن معیار لاوسن (حالا که مدت زمان محصور سازی پایین آمده)باید چگالی بالا تر برود.که در این مورد از تراکم و چگالی جامد هم بالا تر میرود.

انواع واکنشها:

برای بهینه سازی کار رآکتورهای همجوشی و افزایش توان خروجی آنها راههای متعددی وجود دارد.یکی از این راهها انتخاب نوع واکنشیست که قرار است در رآکتور انجام بشود.

ظبق تصویر زیر نوعی از واکنش همجوشی بصورتیست که در آن دو هسته سبک با یکدیگر واکنش داده و یک هسته سنگین تر را بوجود میاورند.یعنی حاصل ترکیب دو هسته دوتریم و تولید یک هسته ترتیم به علاوه یک هسته هیدروژن معمولیست. این واکنش انرژی ده می باشد.چون تفاوت انرژی بستگی هسته سنگین تر وهسته های سبکتر مقداری منفیست.

در این واکنش مقدار انرژی ای تولیدی برابر4MeVمی باشد.

قبلا گفته شد که باید برای انجام همجوشی هسته ها به اندازه کافی به هم نزدیک بشوند.این مقدار کافی حدودا معادل3fmمی باشد.چون در این فاصله ها انرژی پتانسیل الکترواسناتیکی دو دوترون در حدود 0.5MeVهست پس می توانیم با این مقدار انرژی دادن به یکی از دوترونها دافعه کولنی بین دوترونها ر شکسته و واکنش را شروع کنیم که بعد از انجام مقدار4.5MeVتولید می شود.(0.5MeVانرژی جنبشی به علاوه 4MeVانرژی آزاد شده)

همانطور که می بینید بهترین گزینه واکنش سوم می باشد

می توانیم رآکتور خود را طوری طراحی کنیم که دور دیواره بیرونی آن لیتیم مایع تحت فشار جریان داشته باشد.این لیتیم مایع گرمای تولیدی اضافی را از واکنش گرفته و به آب منتقل می کند و با تبدیل آن به بخار باعث می شود که توربین و ژنراتور به حرکت درآیند و برق تولید بشود.

اما چرا لیتیم؟

قبلا دیدید که مقرون به صرفه ترین واکنش در رآکتور همجوشی واکنش دوتریم . ترتیم است.در این واکنش دیدید که یک نوترون پر انرژی تولید می شد.این مساله یعنی نوترون زایی می تواند سبب تضعیف بخشهایی از رآکتور شود.از طرفی برای محیط زیست و مخصوصا سلامتی کسانی که در اطراف رآکتور فعالیت می کنند بسیار مضر است.اما اگر لیتیم را به عنوان خنک کننده داشته باشیم این جریان لیتیم همچنین نقش مهم کند کنندگی را بازی خواهد کرد.به این صورت که با نوترون اضافی تولید شده در واکنش ترکیب شده و سوخت گران قیمت و بسیار کمیاب رآکتور رو که همان ترتیم است تولید می کند.واکنش دقیق آن به شکل زیر است.البته در این مورد باید ضخامت لیتیم مایع در جریان حداقل یک متر باشد.

انواع رآکتور:

توکامک یکی از انواع رآکتورهای همجوشی هسته ایست که عمل محصورسازی را به خوبی انجام میدهد.طرح توکامک در دهه پنجاه میلادی توسط روسها پیشنهاد شد.کلمه توکامک از کلمات "toroidalnaya", "kamera", and "magnitnaya" به معنی " اتاقک مغناطیسی چنبره ای" گرفته شده است.

یکی از دلایل و توجیحاتی که برای چنبره ای بودن محفظه های محصور سازی می شود بیان کرد این است که : توپ پر مویی را تصور کنید که شما قصد دارید موهای این توپ را شانه بزنید. شما هر طور و از هر طرف که بخواهید این کار بکنید همیشه دو طرف از موهای توپ شانه نشده و نامنظم باقی می ماند.حال به جای توپ فرض کنید که یک کره مغناطیسی داریم .میخواهیم که بردارهای میدان در سراسر اطراف این کره یکنواخت و منظم باشند(در واقع همه در یک جهت باشند).بنا به مثال این کار غیر ممکن بوده ونا منظمی در دو طرف کره باعث عدم پایداری محصور ساز می شود.ولی در یک محصور ساز چنبره ای چنین مشکلی وجود ندارد و یکنواختی میدان سراسر محصور ساز(توکامک)باعث پایداری آن می شود.مهم ترین و حیاتی ترین وظیفه یک ابزار همجوشی پایدار نگه داشتن پلاسما است.

اسفرومک نوع دیگری از رآکتورهای همجوشی هسته ایست.

اسفرومک نوع دیگری از رآکتورهای همجوشیست که بر خلاف توکامک که چنبره ایست شکلی کروی دارد.البته تفاوت اسفرومک با توکامک در این است که در مرکز اسفرومک هیچ جسم مادی ای وجود ندارد.

اسفرومک متاسفانه با بی مهری مواجه شد و به اندازه توکامک مورد توجه واقع نشد.در حالی که اسفرومک مدت زیادی بعد از توکامک اختراع شد.

در دهه گذشته اغلب تحقیقات در بخش انرژی همجوشی مغناطیسی روی توکامک چنبره ای شکل برای رسیدن به واکنشهای همجوشی در سطح بالا متمرکز شده است.

کار توکامک در ایالات متحده وخارج آن ادامه دارد ولی سازمان دانشمندان انرژی همجوشی در حال بازدید از اسفرومک هستند.

قسمت زیادی از علاقه تجدید شده به پروژه اسفرومک روی تحقیقات فعالی در لاورنس لیورمور در گروهی به نام SSPX (Sustained Spheromak Physics Experiment) متمرکز شده است.SSPX در 14ژوئن 1999 در مراسمی با حضور نماینده ای از DOE و با همکاری دانشمندانی از Sandia و آزمایشگاه ملی لس آلاموس آغاز به کار کرد.SSPX یک سری از از آزمایشات است که برای این طراحی شده که توانایی اسفرومک را در این مورد که اسفرومک چقدر این کیفیت را داراست که پلاسما های داغ سوخت همجوشی را درون خود داشته باشد مشخص کند .

به عقیده رهبر پروژه SSPX آقای David Hill توکامک با دمای بالایی که در آن قابل دسترسیست (بیشتر از 100میلیون درجه سلسیوس که بارها بیشتر از دمای مرکز خورشید است)فعلا برنده جریان رهبری پروژه های همجوشی به حساب می آید.با این حال میدانهای مغناطیسی توکامک بوسیله کویل (سیم پیچ) های بیرونی بسیار بزرگ که چنبره رآکتور را کاملا احاطه می کنند تولید می شوند.این کویل های بسیار بزرگ هزینه بسیار زیاد و بی نظمی و اختلالاتی در کار رآکتور خواهند داشت.

در حالی که اسفرومک ها پلاسمای بسیار داغ را در یک سیستم میدان مغناطیسی ساده و فشرده که فقط از یک سری ساده از کویل های کوچک پایدار کننده استفاده میکند بوجود می آورد.میدانهای مغناطیسی قوی لازم درون پلاسما با چیزی که دینام مغناطیسی نامیده می شود تولید می شوند.

انرژی ده کردن:

می دانید درنوعی از رآکتورهای شکافت هسته ای بوجود آوردن زنجیره واکنشها بوسیله برخورد دادن یک نوترون پر انرژی با هسته یک اتم اورانیم235 انجام می شود.به این صورت که وقتی که این نوترون وارد هسته اتم اورانیوم235 می شود آن را به یک هسته اورانیم236 تبدیل میکند.از آنجا که این هسته ناپایدار است به سرعت واپاشی می کرده و اتمهای سبکتری به همراه سه نوترون پر انرژی دیگر را تولید می کند. توضیح کاملتر اینکه در هسته های سنگین پایدار مثل اورانیوم بین نیروهای الکترواستاتیکی که مایل هستند ذرات تشکیل دهنده اتم را از هم دور کنند و نیروی هسته ای که آنها را کنار هم نگه میدارد تعادل بسیار حساسی وجود دارد که این تعادل رو می توانیم براحتی و به روشی که گفته شد به هم زده و واکنش شکافت هسته ای را شروع کنیم.واکنش حاصل از یک اتم با تولید کردن سه نوترون پر انرژی دیگر باعث میشود سه اتم اورانیم دیگر وارد واپاشی بشوند.به همین ترتیب واکنش اصطلاحا زنجیره ای میشود.

قدر مسلم یک رآکتور همجوشی ایده آل رآکتوریست که در آن واکنشهای زنجیره ای داریم. در واقع هدف اساسی در راه ساخت رآکتور همجوشی هسته ای زنجیره ای کردن آن است.اگر قرار باشد که ما در این راه انرژی صرف کنیم تا یک مقدار کمتر از آن را بدست بیاوریم مطمئنا این واکنش نه زنجیره ایست نه مفید.دانشمندان این رشته مفهومی به نام گیرانش را تعریف کرده اند که به معنی این است که مقداری انرژی صرف شروع واکنش کنیم و انرژی بیشتر از سلسله واکنشها بگیریم.در واقع در شرایط گیرانش واکنش زنجیره ای میشود.یعنی نه تنها انرژی تولیدی یک واکنش برای انجام واکنش بعد کافیست بلکه مقدار زیادی از آن هم اضافه است ومیتواند در اختیار ما برای تولید برق قرار بگیرد.

اگر بخواهیم توکامک یا هر وسیله دیگر که همجوشی در آن انجام می شود توان مفید داشته باشد یعنی به ما انرژی بدهد باید شرایط خاصی داشته باشد. برای آنکه احتمال برخورد ذرات(یونهای) نامزد همجوشی بالا برود اولا باید دمای خیلی بالایی درون آن تولید بشود و رآکتور هم بتواند بخوبی دمای بالا را تحمل کند.(این دما در محدوده ده به توان هشت درجه کلوین می باشد!)دوما رآکتور باید این توانایی را داشته باشد که درونش چگالی زیاد از یونها را وارد کرد و سوم اینکه زمان محصور سازی در آن طولانی باشد.

دمای بالا برای آن است که بتوانیم تقریبا مطمئن باشیم که می توانیم از سد محکم پتانسیل کولنی هسته ها بگذریم.چگالی زیاد هم برای این است که هر چه بیشتر احتمال برخورد های کارا بالا برود.

در این مسیر قانونی وجود دارد که نام آن معیار لاوسون است.به کمک این معیار می شود محاسبه کرد که آیا شرایط طوری هست که واکنش به گیرانش برسد یا نه.

معیار لاوسن = باید: مقدار چگالی*مدت زمان محصور سازی > ده به توان20ذره در متر مکعب باشد تا این واکنش به گیرانش برسد(البته بستگی مستقیم با دمای پلاسما دارد)

اما به طور دقیق تر:

برای رسیدن به شرایط مطلوب درواکنشهای گرما هسته ای که در آنها از سوخت دوتریم - ترتیم استفاده می شود دمای پلاسما (T) باید در محدوده یک الی سه ضرب در ده به توان هشت درجه کلوین و زمان محصورسازی(تی ای)(تی اندیس E) باید در حدود یک الی سه ثانیه و چگالی (n) باید حوالی یک الی سه ضرب در ده به توان بیست ذره بر متر مکعب باشد.برای آغاز به کار رآکتور یعنی برای رسیدن به کمینه دمای حدود ده به توان هشت کلوین باید از وسیله گرما ساز کمکی استفاده کرد.بعد از محترق شدن سوخت مخلوط پلاسما باذرات آلفایی که در اثر احتراق اولیه بوجود اومده اند گرم شده و می توانیم دستگاه کمکی را از مدار خارج کنیم.از آن به بعد سرعت فعالیتهای همجوشی با افزایش دادن چگالی پلاسما افزایش پیدا می کند.با این وجود افزایش چگالی به بالای مرزهای تعیین شده و مطمئن به معنی به هم خوردن پایداری پلاسما و یا اینکه خاموش شدن رآکتور را در پی خواهد داشت یا فاجعه.به عبارت دیگه (در صورت افزایش چگالی پلاسما) برای پایدار کردن پلاسما زمان محصور سازی و دمای احتراق و صد البته حجم پلاسما و نقطه پایداری پلاسما با افزایش چگالی بالا تر رفته و شرایط را برای کار سخت تر می کند.به حالت تعادل در آوردن این ملزمات با شکل بندی رآکتور در کوچکترین اسپکت ریتو که به شکل بندی مغناطیسی آن بستگی دارد مقدور میشود.

نسبت R به a را اسپکت ریتو می گویند.

واقعیت:

ITERاسم مجموعه ایست که اولین رآکتور همجوشی جهان را که از نوع توکامک خواهد بود در فرانسه خواهند ساخت.این مجموعه متشکل است از کشورهای: روسیه اروپا ژاپن کانادا چین ایالات متحده و جمهوری کره. آنها در این راه از فوق هادی ها برای قسمت های مغناطیسی رآکتور استفاده می کنند.توان خروجی این توکامک 410 مگا وات خواهد بود.

آشکارسازی ذرات عبارتست از فرآیندی که در آن خصوصیاتی مانند جرم ، انرژی ، بار الکتریکی ، مسیر حرکت و ... وش در مجموع نوع یک ذره حامل انرژی که در واکنش‌های هسته‌ای بوجود می‌آید، توسط دستگاهی (اغلب آشکارساز) تعیین می‌شود.

 دید کلی

 فرآیند آشکارسازی متشکل از یک دستگاه آشکارساز است که بسته به نوع ذره تابشی و آشکارسازی خصیصه‌ای از ذره ، نوع دستگاه فرق می‌کند. سهم عمده در آشکارسازی ذره توسط ماده‌ای متناسب با ذره تابشی در دستگاه آشکارساز انجام می‌شود که عبارت است از برهمکنش ذره باردار حامل انرژی با الکترونهای مداری ماده آشکارسازی که این برهمکنش توسط مدارهای الکترونیکی آشکارساز ، به یک پالس الکتریکی تبدیل می‌شود. عوامل موثر بر آشکارسازی ذرات در این مقوله مورد بررسی قرار می‌گیرد.

 ذرات تابشی

 واپاشی هسته‌ای یک فرآیند خودبخودی است، یعنی سیستم بطور خودبه‌خودی ، از حالتی به حالتی دیگر تغییر می‌کند. پایستگی انرژی ایجاب می‌کند که انرژی حالت نهایی پایین‌تر از حالت اولیه باشد. این اختلاف انرژی به طریقی به خارج سیستم فرستاده می‌شود. در تمام این موارد ، این امر با گسیل ذرات حامل انرژی بدست می‌آید که این ذرات یک یا ترکیبی از گسیل الکترومغناطیسی ، گسیل بتا و گسیل نوکلئون است که کلا می‌توان ذرات تابشی را به دو بخش ، ذرات تابشی باردار حامل انرژی و ذرات بی‌بار حامل انرژی ، تقسیم‌بندی کرد.

 ذرات تابشی باردار حامل انرژی

 بار الکتریکی ذرات باردار حامل انرژی سهم مهمی در آشکارسازی ذره دارد. وقتی ذره تابشی از کنار اتمها عبور می‌کند، به علت باردار بودن ، بر الکترونهای مداری نیروی الکتریکی وارد می‌کند. در این برهم‌کنش انرژی مبادله می‌شود که باعث کند شدن حرکت ذره تابشی و کنده شدن الکترونها از مدارشان می‌شود. این الکترونهای جدا شده از مدار اساس بسیاری از روشهای آشکارسازی ذرات تابشی و اندازه گیری جرم ، بار ، انرژی و ... آنها است.

 روش‌های کلی آشکار کردن ذرات باردار حامل انرژی

 سه روش اساسی برای آشکار کردن ذرات باردار تابشی با استفاده از یونش وجود دارد :

 یونش را می‌توان قابل روئیت کرد، بطوری که رد ذرات را بتوان دید و یا عکسبرداری کرد. 

 وقتی که زوج الکترون _ یون دوباره ترکیب می‌شوند، نور گسیل شده را با یک دستگاه حساس به نور می‌توان آشکارسازی کرد. 

با استفاده از یک میدان الکتریکی می‌توان الکترونها و یونها را جمع‌آوری کرد و از این طریق یک علامت الکتریکی تولید کرد.

 ذرات تابشی بی‌بار حامل انرژی

 در آشکارسازی ذرات باردار حامل انرژی ، بار ذره عامل مهمی در آشکارسازی ذره بود ولی نوترونها و فوتونها (در ناحیه پرتوهای ایکس و گاما) فاقد بار هستند، لذا روش‌هایی که برای آشکارسازی آنها بکار رفته، کمتر از ذرات باردار است. احتمال برهمکنش نوترونها یا پرتوهای ایکس و گاما با اتم یا هسته آن به‌صورت سطح مقطع کل بیان می‌شود.

 فوتونها (در ناحیه پرتوهای ایکس و گاما)

 پرتوهای ایکس و گاما با الکترونهای مداری ماده از طریق سه برهمکنش شناخته شده ، یعنی اثر فوتوالکتریک ، پراکندگی کامپتون و تولید زوج الکترون _ پوزیترون برهمکنش می‌کنند. برای پرتوهای ایکس و گاما سطح مقطع کل با مجموع سطح مقطع‌های سه برهمکنش اساسی یاد شده در بالا برابر است.

 نوترونها

 نوترونها می‌توانند پراکنده شوند و یا واکنشهای هسته‌ای ایجاد کنند که بسیاری از این واکنشها منجر به گسیل ذرات باردار حامل انرژی می‌شود. تمام روشهای آشکارسازی نوترونها در نهایت به آشکارسازی ذرات باردار منجر می‌شود که بعد از تابش نوترون به یک ماده خاص ذره باردار تابش می‌شود. برای نوترون سطح مقطع کل با مجموع سطح مقطع‌های واکنش و پراکندگی برابر می‌باشد.

 اصول کار دستگاههای آشکارساز

 اصول کار اغلب دستگاههای آشکارساز مشابه است. تابش وارد آشکارساز می‌شود، با اتمهای ماده آشکارساز برهمکنش می‌کند (اثر تابش بر ماده) و ذره ورودی بخشی از انرژی خود را صرف جداسازی الکترونهای کم‌انرژی ماده آشکارساز از مدارهای اتمی خود می‌کند. این الکترونها و یونش ایجاد شده جمع‌آوری می‌شود و توسط یک مدار الکترونیکی برای تحلیل به صورت یک تپ ولتاژ یا جریان در می‌آید.

 خصوصیات مواد آشکارساز بکار رفته در آشکارسازها

 ماده مناسب برای آشکارسازی هر ذره بستگی به نوع ذره تابشی دارد.

 برای تعیین انرژی تابشی بایستی تعداد الکترونهای آزاد شده از ماده زیاد باشد. 

 برای تعیین زمان گسیل تابش باید ماده‌ای را انتخاب کنیم که در آن الکترونها به سرعت تبدیل به تپ شوند. 

 برای تعیین نوع ذره باید ماده‌ای انتخاب شود که جرم و بار ذره اثر مشخصی بر روی ماده داشته باشد. 

 اگر بخواهیم مسیر ذره تابشی را دنبال کنیم، باید ماده آشکارساز نسبت به محل ورود ذره تابشی حساس باشد.

 انواع آشکارسازها

 اتاقک ابر

 اتاقک ابر متشکل از محفظه‌ای از هوا و بخار آب به حالت اشباع است. در اطراف یونهای تشکیل شده از تابش ذرات باردار حامل انرژی ، قطره‌های آب تشکیل می‌شود که با نوردهی مناسب می‌توان مسیر حرکت ذره را دید یا عکسبردای کرد.

 اتاقک حبابی

 اتاقک حباب متشکل از محفظه‌ای از مایع فوق گرم است. در اتاقک حباب وقتی به طرز ناگهانی از فشار کاسته می‌شود، مایع شروع به جوشیدن می‌کند. حبابها بر روی یونهایی که در مسیر ذرات باردار تابشی پرانرژی قرار دارند، تشکیل می‌شوند که می‌توان آنها را روئیت کرد یا از آنها عکسبرداری کرد.

 اتاقک جرقه‌ای

 اتاقک جرقه متشکل از دو صفحه یا دو سیم موازی است که ولتاژ قوی میان هر جفت از صفحه‌ها برقرار است. در مواقعی که جرقه‌های قوی بین دو صفحه زده می‌شود که به احتمال قوی جرقه‌ها در همان مسیر حرکت ذره باردار حامل انرژی است که در گاز مربوطه یونش ایجاد کرده است که می‌توان آن را دید یا عکسبرداری کرد.

  امولسیون عکاسی

 در مسیر ذرات تابشی باردار حامل انرژی دانه‌های هالوژنه نقره تشکیل می‌شود که می‌توان آن را پس از ظهور فیلم عکاسی روئیت کرد.

  آشکارساز سوسوزن (سینتیلاسیون)

 در یک بلور جسم جامد ، برهمکنش ذره باردار پرانرژی با الکترونهای مداری باعث کنده شدن آنها می‌شود. الکترون کنده شده وقتی در تهیجا (مدار الکترونی فاقد الکترون) می‌افتد، نور گسیل می‌کند. اگر بلور به این نور شفاف باشد، عبور ذره باردار حامل انرژی با سینتیلاسیون یا سوسوزنی نور گسیل شده از بلور علامت داده می‌شود که این علامت نوری توسط اثر فتوالکتریک به یک تپ الکتریکی تبدیل می‌شود.

 آشکارساز گازی

 در آشکارساز گازی ذره باردار حامل انرژی در گاز پر شده میان دو الکترود فلزی تولید زوج الکترون _ یون می‌کند. میدان الکتریکی از برقراری ولتاژ حاصل می‌شود که این میدان باعث شتاب الکترونها و یون‌ها به ترتیب به طرف الکترود مثبت و منفی می‌شود. چون در مسیر حرکت با اتمهای دیگر برخورد می‌کنند، حرکت آنها حرکت سوقی است.

 آشکارسازهای حالت جامد یا نیم رسانا

 این نوع آشکارسازها از یک اتصال p - n میان سیلیسیم یا ژرمانیم نوع P و نوع n تشکیل یافته است. وقتی ولتاژی در خلاف جهت رسانش دیود اعمال می‌شود، ناحیه‌ای تهی از حاملهای بار در پیوندگاه بوجود می‌آید. هنگامی که ذره باردار حامل انرژی در طول ناحیه تهی حرکت می‌کند، در نتیجه برهمکنش آن با الکترونهای داخل بلور مسیر با زوجهای الکترون _ حفره معین می‌شود. الکترونها و حفره‌ها جمع می‌شوند و تپی الکتریکی در شمارشگر بوجود می‌آید.

 طیف‌سنج‌های مغناطیسی

 در طیف‌سنج‌های مغناطیسی از میدان مغناطیسی یکنواخت استفاده می‌کنند. اگر از یک منبع چند تابش مختلف داشته باشیم، وقتی ذرات باردار حامل انرژی تابشی وارد میدان مغناطیسی یکنواخت می‌شوند، مسیرهای دایره‌ای متفاوت می‌گیرند. از برخورد این مسیرهای دایره‌ای متفاوت با وسیله ثابتی مثلا فیلم عکاسی به تعداد ذرات باردار تابشی ، تصویر تشکیل می‌شود.

 آشکارساز تلسکوپی

 آشکارسازی تلسکوپی متشکل از دو یا چند شمازشگر است که در آن تابش به ترتیب از شمارشگرها عبور می‌کند. شمارشگرهای اولیه نازک هستند، بطوری که ذره نسبتی از انرژی خود را به آنها می‌دهد، ولی در آخرین شمارشگر بطور کامل انرژی ذره جذب می‌شود. این شمارشگر بیشتر برای زمان‌سنجی استفاده می‌شوند.

 شمارشگر تناسبی چندسیمی

 این شمارشگر به عنوان آشکارسازی که نسبت به محل برهمکنش ذره حساس است، استفاده می‌شود.

  قطب‌سنج‌ها

 اغلب برای اندازه گیری قطبیدگی تابش استفاده می‌شود.