بنا بر فرضیه نسبیت اینشتین، که او آن را در سال 1905 میلادى ارائه کرد، ساعت هایى که به سرعت تغییر مکان داده مى شوند نسبت به ساعت هایى با ساخت همسان که در مکان ثابتى قرار گرفته اند، آهسته تر کار مى کنند. این پدیده که به صورت تحت اللفظى «کش آمدن زمان» نامیده مى شود، احتمالاً یکى از نتایج اعجاب برانگیز تئورى انقلابى اینشتین در مورد فضا و زمان است. اینکه مدت یک ثانیه، بایستى به سرعت حرکت خود ساعت بستگى داشته باشد، از لحاظ حسى، قابل تصور نیست و با تجارب همه روزه ما، همخوانى ندارد. با این وجود، «انبساط زمان» که در سال 1971 توسط ساعت هاى اتمى در داخل هواپیماهاى پر سرعت ثابت شد، یک واقعیت است. اما فیزیکدانان آلمانى درصدد برآمدند تا این موضوع را دقیق تر بررسى کنند.

قلب تپنده انستیتوى فیزیک هسته اى ماکس پلانک، یک دستگاه شتاب دهنده ذرات است که در مکانى به بزرگى جایگاه نگهدارى هواپیماها قرار گرفته است. «گیدو زاتهوف» که به هنگام کار ترانسفورماتورها و دستگاه هاى تولیدکننده خلاء به زحمت مى توانست صداى خود را به گوش ما برساند، گفت: «داستان از اینجا آغاز مى شود. ما اینجا یک قفس فارادى داریم که درون آن یک منبع یونى جاى گرفته است.»

این فیزیکدان متخصص به تانکى نارنجى رنگ و به شکل یک سوسیس بسیار بزرگ اشاره مى کند و مى افزاید: «در درون این محفظه، یک جریان الکتریکى فشار قوى، یون هاى عنصر لیتیم را تحریک کرده و به میزان 19 هزار کیلومتر در ثانیه به شتاب در مى آورد. این سرعت که یک ششم سرعت نور است براى گردش هر 2 ثانیه یکبار یون ها به دور زمین کفایت مى کند.»

بر اساس فرضیه نسبیت اینشتین، بایستى ساعت درونى ذرات پرسرعت یون ها نسبت به ساعت مچى زاتهوف آهسته تر کار کند. به گفته او: «بر اساس نظریه اینشتین، تقریباً 002/1 مرتبه آهسته تر. یعنى 002/0 ثانیه آهسته تر از ساعت هاى آزمایشگاه و ما مى توانیم به وسیله اسپکتروسکوپ لیزرى این فاکتور را تا رقم دهم بعد از ممیز نیز دقیقاً محاسبه کنیم.»

سفر یون هاى لیتیم در سالن جانبى انستیتوى ماکس پلانک خاتمه مى یابد. در این محل مغناطیس هاى قوى، این یون ها را وادار مى کنند تا در مدارى دایروى حرکت کنند. این لوله دایره مانند آلومینیومى، 55 متر درازا دارد و در درون آن، یون ها با شتاب 330 هزار دور در ثانیه در حرکتند. به علت زیاد بودن تعداد سیم پیچ ها، کابل ها و دیگر وسایل الکترونیکى، به زحمت مى توان این لوله خالى از هوا را دید.

زاتهوف در ادامه مى گوید: «این ذرات، خود به عنوان یک ساعت کار مى کنند. به این صورت که آنها مى توانند نوسان داشته باشند. کار یک ساعت همیشه بر پایه یک سیستم نوسان کننده است. در یک ساعت پاندول دار، پاندول ساعت است که نوسان مى کند و در یک ساعت کوارتز، کریستال کوارتز، این حرکت را انجام مى دهد. اتم ها و الکترون هاى درون آنها نیز مى توانند نوسان داشته باشند. این ذرات، در مقایسه با یک کریستال کوارتز با سرعت بیشترى نوسان مى کنند. همین امر این اجازه را به ما مى دهد که بتوانیم زمان را با دقت بسیارى بسنجیم.»

فیزیکدانان براى محاسبه این زمان از اشعه لیزر استفاده مى کنند. به این ترتیب، پژوهشگران پوشش الکترونى یون هاى شتابدار لیتیم را هدف قرار داده و آنها را براى نوسانات مشخصى تحریک مى کنند. در این حالت یون هاى مزبور نور فلوئورسانس از خود متساعد مى سازند که نشان دهنده آن است که ساعت درونى آنها با چه سرعتى در حال کار کردن است.

در زیرزمین موسسه ماکس پلانک، زیر نورى ضعیف و در پس یک پرده پلاستیکى سیاه رنگ، یک میز به بزرگى میز پینگ پونگ قرار دارد. 3 دستگاه بزرگ لیزر و شمار زیادى عدسى و آینه، بر این میز جاى گرفته اند. تنها سوار کردن این سیستم دقیق نورى 3 سال تمام زمان نیاز داشت.

تاکنون کارشناسان آلمانى موفق شده اند فرمول اینشتین را با دقت 10 رقم بعد از ممیز نیز تائید کنند. اما آنها قصد دارند به زودى این آزمایش ها را با دستگاه قوى ترى در شهر «دارمشتات» به انجام برسانند.

 مقدمه:

صد سال قبل از این زمانی که هنوز فیزیک به درستی با نیوتن و قوانینش شناخته می شد و هیچ کس به فکر کاستی های مکانیک نیوتنی نیفتاده بود ، آلبرت انیشتین در مقاله ای تحت عنوان « درباره الکترو دینامیک اجسام متحرک» چنین نوشت: « هیچ یک از ویژگیهای واقعیتهای مشاهده شده با مفهوم سکون مطلق ارتباط ندارند، ...برای تمام دستگاههائی که معادلات مکانیک در آنها بر قراراند ، معادلات الکترودینامیکی و اپتیکی نیز در آنها برقرار خواهد بود...بر این اساس اینشتین دو فرض اساسی بسیار مهم اما ساده کرد که به جرات می توان گفت: این دو فرض ضمن اینکه برای بیان یک نظریه ساده و سازگار الکترو دینامیک اجسام متحرک ، بر پایه نظریه ماکسول برای اجسام ساکن ، کاملاً کافی اند ،دنیای فیزیک را نیز دگرگون کردند .

فرض های انیشتین که بعدها اصل نسبیت انیشتین نامیده شد ، نسبت به فرض های نیوتن(اصل نسبیت نیوتنی) این رجحان را دارند که فراتر از قوانین مکانیک ، تمام قوانین فیزیک را نیز در بر می گیرند.

انیشتین فرض های خود را این گونه بیان کرد:

1 - قوانین فیزیک در تمام دستگاههای لخت یکسان هستند و هیچ دستگاه لخت مرجحی وجود ندارد ( اصل نسبیت ).

2 - در فضای تهی مقدار سرعت نور در تمام دستگاههای لخت یکسان و برابر با C است ( اصل ثابت بودن سرعت نور).

در حقیقت اصل نسبیت انیشتین اعتقاد به این موضوع دارد که ما فقط از حرکت نسبی دو دستگاه می توانیم صحبت کنیم و به هیچ عنوان نمی توانیم به وسیله اندازه گیریهای فیزیکی بگوئیم یک دستگاه لخت به خودی خود ساکن است یا متحرّک.

تئوری نسبیت خاص انیشتین پیشگوئیهای مختلفی می کند که حقیقتاً برخی از آنها در جهت مقابل مشاهده های ما و به عبارت دیگر تصورات اولیه ی ما از آنچه به وقوع می پیوندد می باشد توجه به این نکته بسیار مهم است که این پیشگوئیها با چارچوبهای مرجع مختلف ثابت و متحرک با سرعت نسبی V در ارتباطند و نیز در نسبیت تنها زمانی نتایج را قابل قبول می دانیم که سرعت V یک کسر متعارف از C سرعت نور باشد. ( به عبارت دیگر V/C برای ما تعریف شده باشد ).

دو پیشگوئی اساسی و مهم که انیشتین با نسبیت خاص می کند یکی انقباض طول و دیگری تاخیر زمان است.

همان طور که از گذشته می دانیم انقباض طول به نتیجه ی اندازه گیری یک جسم در دو چارچوب مختلف اشاره دارد ، اگر در چارچوب مرجع ثابت طول اندازه گیری شده باشد ، در چارچوب دیگری که نسبت به چارچوب مرجع اولیه حرکت دارد طول منقبض شده به نظر می رسد ، و یا به عبارتی دیگر حرکت جسم در طول حرکت نسبی اش منقبض شده به نظر می رسد .

تاخیر زمانی نیز به این واقعیت مهم اشاره دارد که زمان بین رویدادهائی که در موقعیت های یکسان از چارچوب اندازه گیری ثابت هستند کوتاهتر از زمانی است که به وسیله یک ناظر در چارچوب متحرک با سرعت Vاندازه گیری می شود ، به عبارتی دیگر این طور گفته می شود که به نظر می رسد ساعتها کندتر کار می کنند .

در اصل یکی از مهمترین این نتیجه ها نسبی بودن همزمانی است که می توان گفت این مطلب تعبیر دیگری از تاخیر زمانی است و به این صورت توضیح داده می شود که اگرچه ممکن است از دید یک ناظر در یک چارچوب مرجع دو رویداد در دو مکان متفاوت کاملاً همزمان باشند اما از دید ناظر دیگر که در چارچوب مرجع دیگری قرار گرفته است این اندازه گیری به صورت همزمان نیست و این طور بیان می کنیم که همزمانی نیز یک مفهوم نسبی است .

از آنجا که انقباض طول و تاخیر زمانی از مهمترین مسائل در فیزیک نسبیت هستند به تفسیر و حل یکی از مهمترین مسائل در این مورد می پردازیم :

مساله از این قرار است : قهرمان پرش با نیزه ای را تصور می کنیم ،( به خاطر داشته باشیم که یکی از مهمترین مسائل در پرش با نیزه ، طول خود نیزه می باشد ) قهرمان را A می نامیم ، او طول نیزه خود را lo اندازه می گیرد که ما این طول را طول اولیه یا طول صحیح نیزه می نامیم و توجه می کنیم که A با سرعت نسبی V در حال حرکت است . حال اگر ما یک فرد تماشاچی را در جایگاه در نظر بگیریم و او را B بنامیم و از او بخواهیم در دستگاهی که وی قرار دارد طول میله را اندازه بگیرد ، Bبا توجه به اینکه می بیند قهرمان با سرعت بسیار زیاد می دود به گونه ای که برای وی سرعت نسبی در نظر می گیرد ، این طول را l اندازه خواهد گرفت که پس از مقایسه مشاهده خواهیم کرد که l از دید B کوچکتر از loاز دید Aاست.

l < lo

در حقیقت اگر فرض کنیم که میله دوم قهرمان( که همانند میله اول است) در کنار تماشاچی افتاده است تماشاچی طول این میله را بزرگتر از طول میله ای که در دست A است اندازه گیری می کند ، بنابراین B تصمیم می گیرد این مطلب را به کمیته فنی مسابقات اعلام کند و آنها هم این مطلب را به A ارجاع می دهند و مباحثه سختی بین A وB در می گیرد ، A از B می خواهد که این مساله را به وی اثبات کند .

برای اثبات این مدعی تماشاچی در صدد ساختن اتاقکی به طول l که کوتاهتر از lo بوده و وی اندازه گرفته بود بر می آید . او برای این اتاقک از پشت و جلو درب می سازد و از A میخواهد که با میله کوتاه شده ای که در دست دارد با سرعت به داخل این ساختمان داخل شود B هر دو درب را می بندد در حالیکه میله A کاملاً در داخل اتاقک قرار گرفته است ( البتّه تاکید کنیم که این مساله به خاطر سرعت قهرمان A که از یک طرف داخل و از طرف دیگر خارج می شود فقط برای یک لحظه است) اما در هر حال تماشاچی ادعای خود مبنی بر اینکه طول میله کوتاه شده است را ثابت کرده است.

به نظر شما آیا B درست می گوید؟

A این نظریه را باز هم قبول نمی کند و به B می گوید موقعی که میله من از درب جلو وارد انبار شده شما درب پشتی را بسته اید ، پس همواره میله من بلندتر خواهد بود.

از آنجائی که یکی از معروفترین آزمایشها در این گونه مسائل استفاده از لامپ های فلش زن است،

B در فکر ترتیب آزمایشی دیگر به این ترتیب بر می آید:

B می گوید که برای بر طرف شدن این فکر این بار از چراغ های فلش زن استفاده کنیم . طرز کار این چراغ ها به این صورت است که با بسته شدن درب ها این چراغ ها که بر روی درب های جلو و عقب نصب شده است ، روشن می شود . با این توضیحات B از A می خواهد که بار دیگر با سرعت وارد اتاقک شود تا هر دو نتیجه مشاهدات خود را گزارش کنند .

B این طور گزارش می کند :

هر دو چراغ فلش زن رو به درب های جلوئی و پشتی همزمان با هم روشن می شوند و نتیجه این که طول میله کوتاه شده است .

و اما آنچه A گزارش می کند به ترتیب زیر است :

هنگامی که میله من از درب جلو وارد انبار شده چراغی که روی درب پشتی نصب شده بود زودتر روشن شد .

به نظر شما این اختلاف نظرها از کجا ناشی می شود ؟ به عبارت دیگر آیا یکی از این دو نفر اشتباه می کنند ؟ و کدام یک ؟

بیائید این موضوع را بیشتر تفسیر کنیم :



گفته تماشا چی (B) صحت دارد زیرا او این دو رویداد را کاملاً همزمان مشاهده می کند ، در عین حال گفته قهرمان A هم صحیح است ، به این علت که در چارچوب اندازه گیری وی که در حال حرکت با سرعت نسبی V است همزمانی مفهومی نسبی پیدا می کند .

شاید بزرگترین اشتباهی که ما در مسائل نسبیت می کنیم عدم توجه به مسائلی از قبیل نسبی بودن سرعت ، نسبی بودن همزمانی و ... است . در حقیقت اگر بخواهیم از تعریف انقباض طول هم استفاده کنیم ، می بینیم ناظری که در حال حرکت با سرعت نسبی V نسبت به ناظر در دستگاه دیگراست ، امّا در دستگاه خود حرکتش نسبت به میله با سرعت نسبی همراه نیست با توجه به مساله تاخیر زمانی طول میله را بزرگتر از ناظر در دستگاه دیگر می بیند . یکی از بهترین نمایش های کلی برای مسائل نسبیت ، رسم نمودار مکان- زمان می باشد . که در زیر این نمودار را برای هر دو ناظر رسم می کنیم :

در این نمودار خطوط نقطه چین نمایش گر دید ناظرهاست هنگامی که از لامپهای فلش زن استفاده شد ، خطوط کم رنگ نمایش گر دید ناظرهاست هنگامی که قهرمان با سرعت داخل اطاقک ساخته شده شد و خطوط پررنگ نمایش گر دید ناظرها در لحظه اول می باشد .

ماهیت فیزیکی

اجسام معمولی هنگام برخورد با یکدیگر گرم می‌شوند و گاهی گرمای تولید شده به قدری است که به آسانی می‌توان آن را حس نمود. الکترونها نیز هنگام برخورد با مواد ، گرما تولید می‌کنند و انرژی جنبشی آنها در هنگام تبدیل به انرژی گرمایی شده و دمای جسم افزایش می‌یابد. برای آنکه این انرژی سبب ذوب یا تبخیر مواد شود، الکترونها باید انرژی لازم برای این کار را داشته باشند. در اینجا درباره چگونگی تولید الکترونها ، افزایش انرژی آنها ، نحوه حرکت و چگونگی متمرکز ساختن آنها بر روی ماده مورد نظر ، ضمن تشریح اجزای تفنگ الکترونی بحث می‌شود.

ساختمان تفنگ الکترونی

یک تفنگ الکترونی از یک چشمه تولید الکترون ، یک میدان الکتریکی مناسب و بوته نگهداری ماده تبخیر شونده تشکیل شده است. چشمه تولید الکترون ، یک سیم داغ از جنس تنگستن می‌باشد. فلزات بر اثر گرم شدن از خود ، الکترون آزاد می‌کنند. اثر ادیسون و میزان الکترونهای تولید شده از رابطه ریچاردسون داشمن بدست می‌آید:

مکانیزم تفنگ الکترونی

وقتی از یک سیم تنگستن جریان چند آمپری عبور می‌کند، سیم داغ شده و بنا بر آنچه بیان شد الکترونها آزاد می‌شوند و الکترونهای تولید شده در اطراف سیم سرگردان می‌مانند مگر بوسیله یک اختلاف پتانسیل چند هزار ولتی به آنها انرژی داده شود تا به سمت یک هدف معین (ماده تبخیر شونده) شتاب بگیرند. اگر این ولتاژ را V بنامیم انرژی هر الکترون eV داده خواهد بود که از نوع انرژی پتانسیل است و سبب حرکت آن به سمت آند شده و تبدیل به انرژی جنبشی می‌شود. هنگام برخورد با آند تبدیل به انرژی گرمایی می‌شود. حرکت این الکترونها به سمت آند ایجاد جریان الکتریکی می‌نماید که از معادله چاید لانلمیر بدست می‌آید:
I = PV^1/2
P مقدار ثابتی است که بستگی به پارامترهای مختلف از جمله ابعاد ثابتی است که بستگی به پارامترهای مختلف از جمله ابعاد هندسی تفنگ الکترونی دارد. V همان ولتاژ آند است که در حدود چند هزار ولت می‌باشد. تفنگ الکترونی با توان بالا قابلیت تبخیر اجسام دیرگداز را دارد. تنگستن که در حدود 3400 ^ºC ذوب می‌شود بوسیله یک تفنگ الکترونی 2KW قابل تبخیر است.

انواع تفنگ الکترونی

تفنگهای الکترونی با توانهای بالاتر نیز ساخته شده‌اند. تقریبا تمام تفنگهای الکترونی نیاز به یک سیستم چرخان آب برای سرد کردن بوته حاوی ماده تبخیر شونده دارد زیرا در غیر اینصورت بوته نیز بر اثر گرمای زیاد ذوب می‌شود. برای آنکه پرتوهای الکترونی پرانرژی با سطوح جانبی بوته و سرد کردن برخورد نکنند و انرژی آنها هدر نرود از سیستم‌های مختلف برای متمرکز کردن آنها روی ماده تبخیر شونده استفاده می‌شود.

یک سیستم ساده استفاده از محافظ الکتریسیته ساکن است که بطور ساده از یک توری استوانه‌ای تشکیل شده و بوته را احاطه می‌کند. این محافظ الکترونهای اولیه پرتاب شده را جذب کرده و ولتاژ منفی بالایی پیدا می‌کند بطوری که بقیه الکترونها را از خود دفع کرده و در محل بوته متمرکز می‌کند و به این ترتیب طرح تفنگ الکترونی مفیدتر و سبب افزایش کارایی سیستم می‌شود.

کاربرد تفنگ الکترونی

تفنگهای الکترونی در توان‌های مختلف ساخته می‌شوند. سپس مواد دیرگدازی که ، به روشهای دیگر قابل تبخیر نیستند با تفنگهای الکترونی توان بالا ، قابل تبخیر می‌باشند. زیرا ماده بطور مستقیم بوسیله پرتو الکترونی گرم می‌شود و نیاز به بوته دیرگداز نیست علاوه بر آن بوته با آب خنک می‌شود.

همین مطلب یعنی گرمایش مستقیم بوسیله الکترون‌ها سبب می‌شود لایه‌های نازک ایجاد شده عاری از هر نوع آلودگی باشند که در کارهای حساس اپتیکی و فیلترهای اپتیکی از تفنگ الکترونی برای تبخیر مواد استفاده می‌شود. ادوات الکترونیک ، حافظه مغناطیسی و اپتیکی استفاده می‌شود. این روش یکی از متداولترین روش‌های نشاندن لایه‌های رسانا و دی‌الکتریک در محصولات الکترونیکی مانند مدارات مجتمع MCM , VLSI است.

ریشه لغوی

میکروسکوپ به معنی کپی یا ثبت کوچکتر ذره است و ریشه در زبان لاتین دارد و از آن برای بررسی ذرات اتمی و زیر اتمی استفاده می‌شود.

تاریخچه

میکروسکوپ الکترونی نوعی میکروسکوپ مرکب است. اولین میکروسکوپ مرکب ، احتمالا در سالهای 1600 میلادی توسط دو نفر هلندی به نام هانس و زاکاریاس جنس ساخته شد. درسال 1873 ارنست آبه ثابت کرد که برای تشخیص دقیق دو ذره نزدیک به هم ، طول موج نور نباید بیشتر از دو برابر فاصله دو ذره از یکدیگر باشد. بالاخره درسال 1939 اولین میکروسکوپ الکترونی ساخته شد.

سیر تحولی و رشد

میکروسکوپهای اولیه که میکروسکوپ ساده نام داشت، شامل فقط یک عدسی بودند اما میکروسکوپ الکترونی ، که میکروسکوپ مرکب است از ترکیب حداقل دو عدسی بوجود آمده است. در طول قرن هیجدهم میکروسکوپ در زمره وسایل تفریحی به شمار می‌آمد. با پژوهشهای بیشتر پیشرفتهای قابل توجهی در شیوه ساختن عدسی شئی حاصل شد. بطوری که عدسیهای دیگر یصورت ذره‌ بینهای معمولی نبودند بلکه خطاهای موجود در آنها که به کنجهایی معروف هستند، دفع شده‌اند و آنها می‌توانستند جرئیات یک شی را دقیقا نشان دهند. پس از آن در طی پنجاه سال ، پژوهشگران بسیاری تلاش کردند تا بر کیفیت و مرغوبیت این وسیله بیافزایند. بالاخره ارنست آبه توانست مبنای علمی میزان بزرگنمایی میکروسکوپ را تعریف کند.

بدین ترتیب میزان بزرگنمایی مفید آن بین 50 تا 2000 برابر مشخص شد. البته می‌توان میکروسکوپ‌هایی با بزرگنمایی بیش از 2000 برابر ساخت. مثلا قدرت عدسی چشمی را بیشتر کرد. اما قدرت تفکیک نور ثابت است و درنتیجه حتی بزرگنمایی بیشتر می‌تواند دو نقطه از یک شی را بهتر تفکیک کند. هر چه بزرگنمایی شی افزایش یابد به میزان پیچیدگی آن افزوده می‌شود. بزرگنمایی شی در میکروسکوپهای تحقیقاتی جدید معمولا 3X ، 6X ، 10X ، 12X ، 40X و 100X است. در نتیجه بزرگنمایی در این میکروسکوپ بین 18 تا 1500 برابر است. چون بزرگنمایی میکروسکوپ نوری از محدوده معینی تجاوز نمی‌کند برای بررسی بسیاری از پدیده‌هایی که احتیاج به بزرگنمایی خیلی بیشتر دارند مفید است. تحقیقات بسیاری صورت گرفت تا وسیله دقیق تری با بزرگنمایی بیشتر ساخته شود. نتیجه این پژوهشها منجر به ساختن میکروسکوپ الکترونی شد.

مکانیزم

میکروسکوپ مرکب از یک لوله تشکیل شده که در دو انتهای آن دو عدسی شئی نزدیک به شی مورد مطالعه و عدسی چشمی قرار دارد. تصویری که توسط عدسی شئی بوجود می‌آید، بوسیله عدسی چشمی بزرگتر می‌شود. به این جهت بزرگنمایی آن بیش از قدرت یک عدسی است. در میکروسکوپهای پیشرفته ، دستگاه نوری پیچیده تر است. بدین ترتیب که در آنها علاوه بر لامپ ، یک کندانسور (مجموعه عدسیهای متمرکز کننده نور) و یک دیافراگم که شدت نور را کنترل می‌کند، قرار داده شده است. لامپی که در این نوع میکروسکوپها مورد استفاده قرار می‌گیرد، با ولتاژ کم کار می‌کند. لامپهای فراوانی برای این منظور وجود دارند که هرکدام نوری با شدت و طول موج مورد نظر تامین می‌کنند. بنابراین برای تفکیک دو نقطه نزدیکتر از 2500 آنگستروم باید از میکروسکوپ الکترونی استفاده کرد.

زیرا طول موج الکترون از طول موج نور کمتر است. اولین میکروسکوپ الکترونی که ساخته شد، درست مانند میکروسکوپ نوری که شعاع نور را از داخل نمونه مورد مطالعه عبور می‌دهد، شعاع الکترون را از داخل مقطع بسیار نازکی عبور می‌دهد. چون تراکم مواد در تمام قسمتهای نمونه مورد مطالعه یکسان نیست، میزان الکترونی که از قسمتهای مختلف عبور می‌کند متفاوت است. درنتیجه تصویری از قسمتهای تاریک و روشن آن بدست می‌آید. میکروسکوپ الکترونی دارای یک قسمت لوله‌ای شکل است که الکترون می‌تواند آزادانه از آن عبور کند. در قسمت بالای لوله یک قطب منفی الکتریکی به شکل رشته سیم نازک وجود دارد که جنس آن از تنگستن است. این قسمت آنقدر حرارت داده می‌شود تا بتواند از خود الکترون آزاد کند.

این عمل با ایجاد اختلاف پتانسیل از 20000 تا 100000 ولت بین کاتد و آند صورت می‌گیرد. در نتیجه یک شعاع الکترونی بسوی پایین قسمت لوله‌ای شکل شتاب داده می‌شود. به این سیستم تفنگ الکترونی می‌گویند. در طول لوله عدسیهایی همگرا اندازه و روشنایی شعاع الکترونی را قبل از برخورد با نمونه مورد مطالعه کنترل می‌کنند. مقطع مورد بررسی روی یک صفحه مشبک دایره شکلی قرار داده می‌شود. شعاع الکترونی پس از عبور از مقطع و قبل از این که به حد بزرگنمایی نهایی برسد، از میان عدسیهایی شئی عبور کرده و تنظیم می‌شود. سپس توسط عدسیهایی بر روی صفحه زیر میکروسکوپ منعکس می‌شود. چگالی بزرگنمایی بیشتر میکروسکوپها از 50 تا 800000 برابر است. صفحه زیر میکروسکوپ از مواد فسفردار (فسفید روی) پوشانیده شده که در مقابل پرتو الکترون از خود نور تولید می‌کند. در زیر این صفحه یک دوربین عکاسی قرار دارد که از تصویر روی صحنه عکس می‌گیرد.

اطلاعاتی که میکروسکوپ الکترونی ارائه می‌دهد.

• توپوگرافی شی (نقشه برداری): در این کار با آشکار کردن مشخصات سطح و بافت داخلی شی ، می‌توان به خواصی مانند سفتی و میزان ارتجاعی بودن آن پی برد.
  
• مورفولوژی (زیست شناسی): به دلیل اینکه در این رویت شکل و سایر ذرات مشخص است، می‌توان به نیروی استحکام پی برد.
  
• ترکیب: این میکروسکوپ می‌تواند عناصر سازنده شی را مشخص نماید. بنابراین می‌توان به خواصی مانند نقطه ذوب ، اکتیویته شی دست یافت.
  
• بلور شناسی: میکروسکوپ الکترونی چگونگی چیده شدن اتم را در مجاورت یکدیگر نشان می‌دهد. به این ترتیب می‌توان آنها را از نظر رسانایی و خواص الکتریکی بررسی نمود.

دید کلی

• آیا می‌‌توان از انرژی خالص ماده آفرید؟
  
• یا اینکه آیا می‌‌توان انرژی سکون را به انرژی الکترومغناطیسی تبدیل کرد؟
  
  البته لازم به ذکر است که در چنین تبدیلاتی باید قوانین بقای انرژی ، اندازه حرکت و بار الکتریکی نقض نشود.

شرایط اولیه تولید زوج

در بین تمام ذرات شناخته شده ، الکترون دارای کوچکترین جرم سکون غیرصفر است و لذا کمترین انرژی برای تولید آن مورد نیاز است. اما می‌‌دانیم که فوتون ذره‌ای بدون بار است، در حالی که الکترون ذره‌ای باردار است. بنابراین برای اینکه قانون بقای بار الکتریکی نقض نشود، علاوه بر الکترون باید ذره باردار دیگری که بار الکتریکی آن به اندازه بار الکتریکی الکترون با علامت مخالف است، ایجاد شود. این ذره را پوزیترون می‌‌گویند که به آن پادذره الکترون نیز گفته می‌‌شود.

الکترون و پوزیترون به جز از نظر علامت بارها ، از هر نظر دیگری به هم شبیه هستند. بنابراین اگر جرم سکون الکترون و پوزیترون را m_0 بگیریم، کمترین مقدار انرژی فوتون آفرینش یک زوج الکترون و پوزیترون ، با لحاظ کردن قانون بقای انرژی برابر 2m0C² خواهد بود و چون انرژی سکون الکترون یا پوزیترون با لحاظ کردن مقادیر جرم الکترون و سرعت نور برابر 0،51 میلیون الکترون ولت است، لذا کمترین مقدار انرژی فوتون یا به اصطلاح انرژی آستانه برای تولید باید برابر 1،02 میلیون الکترون ولت باشد. بر این اساس زوجهای الکترون فقط به وسیله فوتونهای اشعه گاما یا فوتونهای اشعه ایکس که طول موج خیلی کوتاهی دارند، قابل تولید است.

تولید زوج با انرژیهای بیشتر از انرژی آستانه

اگر انرژی یک فوتون بیشتر از انرژی آستانه برای تولید زوج الکترون و حفره باشد، مازاد انرژی (یعنی تفاضل انرژی فوتون و انرژی آستانه) به صورت انرژی جنبشی زوج آفریده شده ، ظاهر می‌‌شود. این انرژی مجموع انرژی جنبشی الکترون و پوزیترون است.

امکان تولید زوج در فضای تهی

می‌‌توان ثابت کرد که در تولید ذره و پادذره انرژی و اندازه حرکت بطور همزمان نمی‌‌توانند پایسته بمانند، مگر اینکه فوتون در نزدیکی ذره سنگینی ، همچون هسته یک اتم باشند. به بیان دیگر ، پدیده تولید زوج در فضای تهی غیرممکن است. به عنوان مثال ، فرض می‌‌کنیم که در یک فضای تهی ، فوتون ناپدید شده و یک زوج الکترون و حفره آفریده شود.

همچنین فرض کنید که ناظر نسبت به مرکز جرم الکترون و پوزیترون ساکن است. در این صورت اندازه حرکت کل الکترون و پوزیترون نسبت به این ناظر صفر خواهد بود. اما فوتونی که زوج را تولید می‌‌کند، در این چارچوب مرجع دارای اندازه حرکت غیر صفر خواهد بود، چون فوتون در هر چارچوب مرجعی همواره با سرعت C حرکت می‌‌کند. بنابراین باید قبل از برخورد اندازه حرکت فوتون را داشته باشیم، نه اندازه حرکت خالص بعد از برخورد را. بطور خلاصه ، یک فوتون نمی‌‌تواند خودبه‌خود در فضای تهی به یک زوج الکترون _ پوزیترون واپاشیده شود.

آشکارسازی زوج الکترون و پوزیترون

به دلیل اثرهای یونشی که ذرات باردار هنگام حرکت خود در گاز تولید می‌‌کنند، مسیر حرکت آنها قابل روئیت است. حال اگر در این محیط یک میدان مغناطیسی اعمال شود، در این صورت پوزیترون و الکترون به دلیل داشتن بارهای الکتریکی مخالف در قوسهای دایره‌ای با جهتهای مخالف منحرف می‌‌شوند. بنابراین مسیر الکترون و پوزیترون قابل مشاهده خواهد بود.

کشف پوزیترون

وجود پوزیترونها در سال 1307 – 1928 توسط دیراک بطور نظری پیشگویی شد. چهار سال بعد اندرسون (C.D. Anderson) در جریان مطالعاتش روی تابش کیهانی ، پوزیترون را مشاهده و مشخص کرد. کمی ‌بعد از آن بوسیله شتابدهنده‌های ذره که با چند میلیون الکترون ولت کار می‌‌کردند، زوجهای الکترون و پوزیترون در آزمایشگاه تولید شدند. امروزه مشاهده زوجهای الکترون و پوزیترون در برهمکنش فوتونهای با انرژی بالا و ماده یک پدیده عادی به شمار می‌‌روند. در سالهای 1334 – 1955 برای نخستین بار زوجهای پروتون _ پادپروتون و نوترون _ پادنوترون در آزمایشگاه آفریده شدند.

پدیده نابودی زوج

اطلاعات اولیه

یکی از نتایج اصل هم ارزی جرم و انرژی این است که این دو می‌‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند. مشاهده تجربی این مسئله در فرایندهای مختلف مانند اثر فوتوالکتریک ، اثر کامپتون ، پدیده تولید زوج و … انجام شده است. در پدیده تولید زوج تابش الکترومغناطیسی در مجاورت یک هسته سنگین به دو ذره الکترون و پوزیترون واپاشیده می‌‌شود، اما پوزیترون نمی‌‌تواند طول عمر زیادی داشته باشد، چون فضا پر از الکترون است، لذا پوزیترون بعد از مدت کوتاهی از تولید شدن با یک الکترون ترکیب شده و از بین می‌‌رود و به جای آن فوتون یا تابش الکترومغناطیسی ایجاد می‌‌شود که به این پدیده نابودی زوج می‌گویند.

شرایط اولیه نابودی زوج

نابودی زوجهای ذره و پادذره و همراه با آن آفرینش فوتونها ، عمل عکس تولید زوج است. نابودی ماده و آفرینش انرژی الکترومغناطیسی را برای حالتی در نظر می‌‌گیریم که الکترون و پوزیترون نزدیک به هم و اساسا ساکن باشند. در آغاز اندازه حرکت خطی کل این دو ذره صفر است، بنابراین وقتی این دو ذره به هم می‌‌پیوندند و نابود می‌‌شوند، یک تک فوتون نمی‌‌تواند آفریده شود، زیرا این عمل باعث نقض قانون بقای اندازه حرکت خطی می‌‌شود، ولی اگر دو فوتون آفریده شوند که با اندازه حرکتهای مساوی و در جهتهای مخالف حرکت کنند، اندازه حرکت خطی می‌‌تواند پایسته بماند.

چنین زوج فوتونهایی دارای فرکانسها و انرژیهای یکسان هستند. در واقع می‌‌توان گفت که سه یا چند فوتون می‌‌توانند آفریده شوند، ولی با احتمال به مراتب کمتر از آفرینش دو فوتون. همین طور ، وقتی چندین زوج الکترون و پوزیترون در نزدیکی یک هسته سنگین نابود می‌‌شوند، تعداد کمی ‌از این نابودیها یک تک فوتون تولید خواهند کرد.

سرنوشت نهایی پوزیترون

سرنوشت نهایی پوزیترونها بعد از تولید در پدیده تولید زوج ، نابودی است. وقتی که یک پوزیترون با انرژی بالا ظاهر می‌‌شود، هنگام عبور از ماده ، در اثر برخوردها ، انرژی جنبشی خود را از دست می‌‌دهد و سرانجام با سرعت پایین حرکت می‌‌کند. آنگاه این پوزیترون با یک الکترون ترکیب می‌‌شود و تشکیل یک دستگاه مقید به نام پوزیترونیوم می‌‌دهد که خیلی سریع (در مدت 10^-10 ثانیه) به دو فوتون با انرژی مساوی واپاشیده می‌‌شود.

از این رو ، مرگ یک پوزیترون با ظهور دو کوانتوم نابودی یا دو فوتون ، که انرژی هریک 0،51 میلیون الکترون ولت است، خبر داده می‌‌شود. قابلیت فنا شدن پوزیترونها به دلیل ناپایداری ذاتی نیست، بلکه به خاطر احتمال زیاد برخورد آنها و نابودیهای بعدی با الکترونهاست.

جهان فرضی

در جهانی که ما در آن زندگی می‌‌کنیم، کثرت تعداد الکترون ، پروتون و نوترون (در حالت کلی ذره) برقرار است، بنابراین زمانی که پادذره‌های این ذرات خلق می‌‌شوند، بلافاصله طی فرایندهایی نابود می‌‌شوند، اما می‌‌توان فرض کرد که بخشی از جهان وجود دارد که در آن تعداد پوزیترون ، پادپروتون ، پادنوترون (در حالت کلی پادذره) زیاد است. هرچند این امر در حال حاضر فقط در حد یک حدس و گمان است.