ذرات تبادل و حامل‌های نیرو

ذرات تبادل و حامل‌های نیرو

ذرات حامل (یا «تبادل») نیرو همگي بوزون هستند. این ذرات مسئول حمل چهار نیروی بنیادی هستند. این خانواده شامل حامل بر‌هم‌کنش‌ قوی، گلئون، حامل­های بر‌هم‌کنش‌ ضعیف، و‌ ‌؛ حامل نیروی الکترو‌مغناطیسی، فوتون­ها؛ بوده و حامل مسلم اما غیر قابل مشاهده نیروی گرانشی، گراويتون؛ می­باشد.

برای فهم این که چگونه این حامل­های نیرو کار می­کنند، نيروي الكترومغناطيسي عمل كننده بين دو ذره با بار مثبت را بررسی می کنیم. مطابق الکترودینامیک کوانتومي نیروی بین این دو ذره به وسیله فوتون­های عبوری بین آن‌ها اعمال می­گردد. در ابتدا ممكن است تصور شود اين ايده      بي­معني است چرا که گسیل یک فوتون باید انرژی گسیل کننده را تغییر دهد (ولی تبادل یک حامل نیرو نمی­تواند اين تغيير را انجام دهد). ترفند این است که اصل عدم قطعیت اجازه گسیل ذرات واقعی را (که پایستگی انرژی را نقض می­کند) در صورتی که گسیل و جذب در مدت زمان رخداد t‌ D‌‌که کمتر از میزان مجاز ناشي از اصل عدم قطعیت می­باشد، مجاز مي­سازد.

انواع نيروها در طبيعت

انواع نيروها در طبيعت

حال به‌طور خلاصه بعضی از مفاهیم فیزیکی را که در مطالعه درباره شیمی هسته­ای به‌کار خواهیم برد مرور می­کنیم. ابتدا، لازم است انواع نیروهای موجود در طبیعت را مورد بحث قرار دهیم. چهار نیروی بنیادی در طبیعت وجود دارد (جدول 1-2‌). تا آنجا که می­دانیم، کلیه بر‌هم‌کنش‌­ها در جهان در نتیجه این نیروها است. ضعیف­ترین آن‌ها نیروی گرانش است، هنگامی که مواد بر‌هم‌کنش‌ دهنده بزرگ باشند، همانند سیارات، ستارگان و غيره اهمیت پیدا می­کند. نیروی قوی‌ بعدی بر‌هم‌کنش‌ ضعیف است که در فروپاشی هسته­ای   دارای اهمیت می­شود. نیروی آشنای الکترومغناطیسی، كه در بسیاری از رفتارها در جهان حکمفرمايی می­کند نیروی قوی بعدی است در حالی‌که بر‌هم‌کنش‌ هسته­ای یا قوی، قوی­ترین نیرو است. به ياد داشته باشید، همانگونه که قبلاً در بحث خود در چگالی­های هسته­ای مشخص ­کردیم نیروی قوی یا هسته­ای 100 مرتبه قوی‌تر از نیروی الکترومغناطیسی است که اتم­ها را با یکدیگر نگه می­دارد.

 

جدول 1-2‌. انواع نيروی موجود در طبيعت.

نيرو	برد(متر)	قدرت نسبي	حامل نيرو
گرانشی	∞	^38-10	گراويتون
ضعیف	^18-10	^5-10
الکترومغناطیسی	∞	1/137	فوتون
قوی	^15-10	1	گلئون

در قرن نوزدهم، رابطه بين الکتریسیته و مغناطیس كشف شد. قرن بیستم استدلالی را به خود دیده است که نیروی الکترومغناطیسی و ضعیف دو وجه متفاوت از یک نیرو، به نام نیروی الکترو ضعیف است. تلاش­های کنونی به یکسان نمودن نیروهای قوی و الکترو‌ضعیف در یک نظريه وحدت بزرگ^[1] یا GUT هدایت شده است. مرحله نهايی در این راستا شامل کردن گرانش در یک نظریه همه چیز^[2] خواهد بود. بحث این نظریه­های متحد خارج از چارچوب این کتاب است، با وجود این، قدرت نسبی و خواص این نیروها بخش مهمی از بحث ما را در  پدیده­های هسته­ای به خود اختصاص می­دهد.

---

[1].‌Granel Unified Theory

[2]‌.Theory of  Eveything

مروری بر انواع فروپاشی هسته‌ای

مروری بر انواع فروپاشی هسته‌ای

هسته­ها قادر به گسیل تابش به صورت خود‌به‌خودی هستند. فرآیند کلی به نام فروپاشی رادیواکتیو است.

فروپاشی رادیواکتیو معمولاً از سه نوع فروپاشی اصلی شامل: فروپاشی a، فروپاشی b و فروپاشی g تشکیل شده که در آن یک نوکلید ناپایدار به صورت خودبه­خود به یک شکل پایدارتر تغییر یافته و مقداری تابش گسیل می­کند. در جدول 1-1، خلاصه­ای از شكل انواع فروپاشی ملاحظه می­شود.

Normal 0 false false false EN-US X-NONE AR-SA

جدول 1-1‌‌. خواص فروپاشی رادیواکتیو.

نوع فروپاشی	ذره­ گسیل شده	DZ	DN	DA	انرژی­نمونه ­ذره گسیل شده	مثال	رخداد
a		2-	2-	4-			83 Z >
b^-	دارای انرژی	1+	1-	0			‌پايدار
b^+	دارای انرژی	1-	1+	0			؛ هسته سبک پايدار
EC		1-	1+	0			؛ هسته سنگین پايدار‌
g	فوتون	0	0	0			هر هسته برانگيخته
IC	الکترون	0	0	0			حالت­هايي كه گسيل پرتو‌‌–γ ممنوع است.

 موضوعي که در سه فرآیند اصلي فروپاشی (و نام آن‌ها) وجود دارد این است که این فرآیندها به‌وسیله رادرفورد کشف گردید. وی نشان داد کلیه سه فرآیند در فروپاشی نمونه­ای از اورانیوم طبیعی (و دخترهای آن) رخ می­دهند. تابش­های گسیل با a، b و g  جهت نشان دادن قدرت نفوذ انواع مختلف تابش نام­گذاری شدند. تحقیقات بیشتر نشان داده است در فروپاشی α یک هسته سنگین به‌طور خود­به­خود یک هسته ^‌He‌⁴ (یک ذره a) گسیل می­کند. ذرات گسیل شدهα  تک انرژی هستند و در نتیجه فروپاشی، هسته مادر دو پروتون و دو نوترون از دست داده به نوکلید جدیدی تبدیل می­گردد. کلیه هسته­ها با 83‌<‌Z ‌نسبت به این روش فروپاشی ناپایدار هستند. فروپاشی هسته­ای b به سه روش انجام می­پذیرد ،‌  و گیراندازی الکترون (EC). در این فروپاشی­ها، یک نوترون هسته (یا پروتون) به یک پروتون (یا نوترون) تبدیل و یک نوترینو (یا آنتی‌نوترينو) و یک الکترون (یا پوزیترون) دفع می­گردد.

در گیراندازی الکترون یک الکترون مداري به وسیله هسته جذب شده، پروتونی را به یک نوترون به همراه گسیل یک نوترینو تبدیل می­کند. تعداد کل نوکلئون­ها، ‌A‌، در این هسته‌ها در طی ‌فروپاشی­ها تغییری پیدا نکرده­ و تنها تعداد نسبی نوترون­ها و پروتون­ها تغییر می­نماید. به عبارت ديگر، این فرآیند مي­تواند یک عدم موازنه بین تعداد نوترون­ها و پروتون­ها را در هسته تنظیم نماید. در فروپاشی­های b⁺ و b^- انرژی فروپاشی بین الکترون گسیل شده، نوترینو و هسته دختر پس زن به اشتراک گذاشته می‌شود. بنابر‌اين، طیف انرژی الکترون­های گسیل شده و نوترینوها در محدوده بین صفر و تا انرژی فروپاشی پيوسته خواهد بود. در فروپاشی EC، اساساً، کلیه انرژی فروپاشی به­ وسیله نوترینوي گسیل شده حمل می­گردد، هسته­های غنی از نوترون از طریق فروپاشی ‌b^-فروپاشی نموده، در حالی که هسته­های غنی از پروتون به وسیله فروپاشیb⁺ یا EC فروپاشی می­کنند. فروپاشی b⁺ در هسته­های سبك مناسب بوده و نیاز به انرژی فروپاشی بالاتر از MeV02/1 (به دلایلی که بعداً مورد بحث قرار می­گیرند) دارد، در حالی‌که فروپاشی EC اکثراً در منطقه هسته­های سنگین­تر رخ می­دهند. فروپاشی الکترومغناطیسی هسته­ای به دو روش رخ می­دهد، فروپاشی EC و تبدیل داخلی (IC‌). در فروپاشی پرتو-‌‌g‌ هسته­ای دریک حالت بر‌انگیخته با گسیل یک فوتون فروپاشی می­کند. در تبدیل داخلی همان هسته برانگیخته انرژی خود را بدون تابش به یک الکترون مداري انتقال می­دهد که از اتم دفع می­گردد. در هر دو حالت فروپاشی، تنها انرژی برانگیختگی هسته بدون تغییر در تعداد هرگونه نوکلئون کاهش پیدا می­کند.

فیزیک هسته ای یا شیمی هسته ای

فیزیک هسته ای یا شیمی هسته ای

شیمی هسته ای متشکل از تلاش در چهار زمینه است:

)ا لف) مطالعات خواص شیمیائی و فیزیکی سنگین ترین عناصر که در آن آشکار سازی فروپاشی رادیو اکتیو بخش اساسی کار است ،

( ب ) مطالعات  خواص هسته ای همچون ساختار ، واکنش ها وفروپاشی رادیو اکتیو بوسیله افراد آموزشی دیده همچون شیمی دانها

( پ ) مطالعات پدیده های ماکروسکوپی (همچون تاریخ زمین شناسی یا فیزیک نجوم) که در آن فرایندهای هسته ای بطور کامل درگیر هستند و

( ت ) کاربرد روشهای اندازه­گیری بررسی پدیده های هسته ای (همچون پزشکی هسته ای،تجزیه به روش فعالسازی یا ردیابها )

برای مطالعه مسائل علمی­ در زمینه های گوناگون. فعالیت اصلی یا "روند کلی" شیمی هسته ای در رابطه با فعالیت های مذکور دربخش (ب) است.به عنوان شاخه ای از شیمی، فعالیت های شیمیدانهای هسته ای اکثراٌدر زمینه های متعدد مرسوم از شیمی همچون شیمی آلی،  شیمی تجزیه ،شیمی معدنی و شیمی فیزیک گسترده است. شیمی هسته ای دارای ارتباط با کلیه شاخه های شیمی است . بعنوان مثال، شیمی دانهای هسته ای اکثرا" با سنتر و تهیه مولکولهای نشاندار رادیواکتیو برای استفاده از آنها در پژوهش یا پزشکی سرو کار دارند. روشهای تجزیه هسته ای بخش مهمی از سلاح شیمیدانهای تجزیه مدرن هستند

مطالعه عناصر اکتنید ها و ترانس اکتنید ها تلاش مشترکی از شیمی دانهای هسته ای و معدنی در توسعه دانش جدول تناوبی عناصر است. در واقع  مفاهیم فیزیکی و استدلال در قلب شیمی هسته ای مدرن برای شیمی فیزیکدانان آشنا است. در این کتاب بسیاری از این موضوعات میان رشته ای را مورد بررسی قرار داده و تلاش خواهیم کرد مفاهیم شیمیائی را بهم نزدیک کنیم . سوالی که اکثراً پرسیده می شود این است که " اختلاف بین فیزیک­ هسته ای و شیمی هسته ای چیست؟ بوضوح دو مقوله تا حد زیادی همپوشانی دارند ، و در شناخت این همپوشانی ،در مجموع اصطلاح عبارت کلی " علوم هسته ای[1] " به آنها اتلاق می گردد. ولی ما بر این باور هستیم که تمایز های بنیادی و  مهم بین این دو زمینه وجود دارد . در کنار ارتباطات نزدیک ممتد شیمی مرسوم که در بالا ذکر شد،  شیمی دانهای هسته ای تمایل  به مطالعه و بررسی مسائل هسته ای بروشهای گوناگون نسبت به فیزیکدانهای هسته ای دارند. بسیاری از فیزیکدانهای هسته ای به مطالعات عمیقی در برهم کنش های بنیادی موجود بین ذرات جزء اتمی وتقارنهای اساسی حکمفرما در رفتارآنها تمرکز می نمایند.در مقابل شیمیدانهای هسته ­ای در مطالعات پدیده های پیچیده که در آنها "رفتار آماری "  دارای اهمیت است تمرکز می کنند . شیمی دانهای هسته ای با احتمال زیاد در کاربرد پدیده های هسته ای بیشتر از فیزیکدانهای هسته ای هستند،  اگرچه هم پوشانی قابل ملاحظه ای در تلاشهای آنها وجود دارد. بعضی از مسائل، همچون مطالعه چرخه سوخت هسته­ای در راکتورها یا مهاجرت نوکلیدها در محیط ذاتا" شیمیائی بوده و لذا منحصرا"­ ًتقریبا" کلید شمیت ها در آن در گیر هستند.عبارتی که اکثرا" با شیمی هسته ای همراه است "رادیو شیمی"  است . عبارت رادیو شیمی  به عملیات شیمیائی رادیو اکتیویته و پدیده های همراه آن اتلاق می شود . بر اساس تعریف کلیه رادیو شیمیست ها، شیمیست های هسته ای روشهای خواصی غیر شیمیائی یعنی روشهای فیزیکی را برای مطالعه پدیده های هسته ای بکار می برند و لذا کار آنها  رادیو شیمی نیست .

---

1.Nuclear  Science