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

جداسازی طیف نوترون از گاما

          جداسازی طیف نوترون از گاما

چون نوترون مستقیما اتم را یونیده نمی کند، از این رو آن را به طور غیر مستقیم با آشکارسازی مناسب ذره باردار یا فوتونی که تولید می کند، آشکار می سازیم. ذره باردار یا فوتون، فراورده های برهمکنش نوترون با هسته هستند. اگر ساز و کار برهمکنش معلوم باشد، با مطالعه فراورده های واکنش می توان اطلاعاتی در مورد نوترون به دست آورد. انواع مختلفی از برهمکنش ها یی که مورد استفاده قرار می گیرند، به واکنش های جذبی و پراکندگی تقسیم می شوند. واکنش جذبی عبارتند از  ،  ،  و   .

 واکنش پراکندگی عمده ای که مورد استفاده قرار می گیرد، برخورد نوترون- پروتون موسوم به روش پس زنی پروتون است. در این روش ذره ای که ثبت می شود، پروتون پس زده شده می باشد. جز روش پس زنی که برای نوترون های سریع به کار می رود، همه برهمکنش های دیگر را می توان در مورد نوترون با هر انرژی به کار برد. ولی در هر انرژی یک روش ممکن است، بهتر از روشهای دیگر باشد. سوسوزن های آلی به علت بازده زیاد و شناخته شده، قدرت تفکیک انرژی خوب، آشکارسازهای بسیار توانمندی برای نوترون های سریع می باشند. اساس جداسازی نوترون از گاما در این نوع از آشکار سازها این است که نوترون و گاما، ارتفاع پالس متفاوت بسته به مولفه های سوسوزنیشان ایجاد می کنند.

 آشکار سازی پرتو های گاما با سوسوزن آلی:

کاربرد سوسوزن های آلی به علت بازده بالا شناخته شده، قدرت تفکیک انرژی خوب و حساسیت کم نسبت به گاما، آشکار سازهای بسیار خوبی برای نوترون سریع هستند. بازده بالای آنها ناشی از هیدروژن درونشان، سطح مقطع نسبتا بالای هیدروژن و امکان ساخت و به کارگیری در اندازه های بزرگ است. دسته سوسوزن های NE  ، مخصوصا NE213، مورد مطالعه و کاربرد گسترده قرار گرفته است. سوسوزن NE213 که بیشترین کاربرد را دارد، متشکل از زایلین، فعالسازها، ترکیب آلیPOPOP ( به عنوان جابه جاگر طول موج) و نفتالین است که برای بهبود گسیل نور اضافه می شود. جداسازی گاما از نوترون برای کار رضایتبخش یک سوسوزن آلی به عنوان یک طیف سنج نوترون امری حیاتی است. سوسوزن NE213 به عنوان یکی از بهترین طیف سنج های نوترون سریع به کار می رود. به عنوان طیف سنج گاما، بازده NE213 پایین تر از بازده NaI(Ti) و قدرت تفکیک آن ضعیفتر از آشکا سازهای نیم رسانا است. ولی کاربردهایی وجود دارد که در آنها قدرت تفکیک انرژی بالا اهمیت چندانی ندارد. یکی از این کاربردها، آشکارسازی پرتو های گاما در یک مخلوط نوترون گاما است. در صورت توانایی NE213 در جداسازی نوترون، از آن یک آشکار ساز گامای بسیار خوب می سازد. چون پرتو های گاما در سوسوزن NE213 اغلب از طریق واکنش های کامپتونی آشکار می شوند، تابع پاسخ این آشکار ساز شامل پیوستار کامپتون است.

خوشبختانه جداسازی تپهای گاما با وسایل الکتریکی امکان پذیر است. این روش، که جداسازی از طریق شکل تپ  ( PSD ) خوانده می شود بر پایه اختلاف پاسخ سوسوزن به رویدادهای وابسته به گاما و نوترون است. الکترون ها که از پرتو های گاما تولید می شوند، سوسوزنیشان سریعتر از سوسوزنیهای پروتون تولید شده از نوترون هاست. بنابراین تپ الکترونی وابسته به برهمکنش های فوتونی دارای زمان خیزش سریعتر از تپهای وابسته به نوترون هاست. مدار های مختلفی برای PSD وجود دارند. همه این مدار ها تپی تولید می کنند که ارتفاع آن بستگی به مولفه های آهسته و سریع سوسوزنی دارد.

RBS چیست؟

 RBS چیست؟

روش RBS از روش­هاي آناليز غير مخرب مي­باشد كه با كمك شتابدهنده­ها صورت مي­گيرد. به كمك اين روش مي­توان توزيع ناخالصي­ها به ميزان كم را در عمق لايه­هاي نازك مشخص نمود. پايه­ي  اين روش بر پراكندگي راترفورد مي­باشد. روش آناليز بر آشكار سازي ذرات آلفاي پراكنده شده توسط (پراكندگي الاستيك) هسته­هاي نمونه­ي مورد آناليز مي­باشد، اصولا چنين پراكندگي بصورت  نمايش داده مي­شود. در اين  روش انرژي ذرات آلفا كه تحت زاويه­ 180 درجه توسط نمونه پراكنده شده اند اندازه­گيري مي­شود. ميزان انرژي از دست داده شده توسط ذرات آلفا به عدد اتمي هسته­ي هدف بستگي دارد. البته در اندازه گيري­هاي تجربي بخصوص در انرژي­هاي بالا، زواياي پراكندگي بالا و يا اعداد اتمي پائين نيروهاي بين هسته­اي اهميت پيدا مي­كنند و بنابراين پراكندگي ذرات آلفا در ساير زوايا نيز رخ مي­دهد كه در اين حالت نامگذاري RBS صحيح نمي­باشد بنابراين از  روش RBS با نام     Particle Elastic Scattering يا به اختصار (PES) نيز ياد مي­شود.

از روش RBS بطور وسيعي در آناليز لايه­هاي نزديك به سطح در جامدات استفاده مي­شود. به كمك اين روش مي­توان پروفايل توزيع بر حسب عمق را تعيين كرد.

 چناچه گفته شد روش RBS  برهمكنش الاستيك يك ذره­ي باردار سنگين(آلفا) با يك الكترون اتمي در حال سكون مي­باشد. بايد به اين نكته توجه داشت كه با توجه به الاستيك بودن برخورد، مقدار انرژي قبل و بعد از برخورد ثابت است(فرض مي­كنيم هيچگونه واكنش هسته­اي رخ نمي­دهد ). در طول برخورد و پراكندگي تنها مكانيزم از دست دادن انرژي، انتقال انرژي از ذره آلفا به هسته­ي­ هدف مي­باشد.

PIXE چیست؟

 PIXE چیست؟

۱- مقدمه

روش PIXE از جمله روش­هاي آناليز غير مخرب بوده که اساس آن بيناب نمايي پرتوي ايکس است. اين روش از جمله قدرتمندترين روش­هاي آناليز غير مخرب چند عنصري است که توانايي تشخيص عناصر مختلف حتي به ميزان بسيار کم را دارد. بيناب ثبت شده­ي مربوط به اشعه ايکس مي­تواند شامل اطلاعاتي از عناصر موجود در نمونه و اطلاعاتي از مقدار هر عنصر در نمونه باشد. وجود عنصري خاص از طول موج اشعه­ي ايکس گسيلي و مقدار آن با توجه به شدت اشعه_­­ي ايکس گسيلي در همان طول موج تعيين مي­گردد.

روش PIXE روش آناليز عنصري دقيق و قدرتمندي است که در زمينه­هاي مختلفي از جمله بيولوژي، محيط زيست ، پزشکي ، باستان­شناسي و ... کاربرد دارد.

هنگامي كه يك الكترون از لايه­ي اتمي خود خارج مي­شود، حفره­ي ايجاد شده در لايه­ي مذكور بوسيله­ي يكي از الكترن­هاي لايه­هاي خارجي­تر پر مي­شود. اختلاف انرژي ميان دو لايه با گسيل يك پرتوي ايكس توسط الكترون جبران مي­شود.

 

2- اصول روش PIXE

در روش PIXE معمولا باريکه­اي از پروتون­ با الکترون­هاي اتمي نمونه­ي مورد نظر برهمکنش مي­کنند(در PIXE برهمکنشي با هسته رخ نمي­دهد). در اين روش انرژي باريکه­ي فرودي بين 1 تا 4 مگاالکترون ولت مي­باشد.

پروتون فرودي معمولا با داخلي ترين لايه­ي­الکتروني(لايه­ي K)  برهمکنش کولني انجام مي­دهد و سبب خارج شدن الکترون موجود در اين لايه مي­شود

در مرحله­ي بعد حفره­ي ايجاد شده در لايه­ي K  با گذار يکي از الکترون­هاي  لايه­هاي بالاتر (L,M,N…) به اين لايه پر مي­شود. نتيجه­ي گذار الكترون از لايه­­هاي خارجي به لايه­هاي داخلي گسيل يك فوتون ايكس مي­باشد . انرژي اين فوتون برابر با اختلاف انرژي دو تراز مي­باشد.

 

چنانچه در شکل 2 مشاهده مي­شود پروتون فرودي الکتروني از لايه­­ي K خارج کرده وحفره­ي ايجاد شده با الکتروني از لايه­ي L پر شده است. نتيجه­ گذار تابش پرتوي ايکس با انرژي برابر با اختلاف انرژي بين دو تراز است. از اين پرتوي ايکس به عنوان ايکس مشخصه ياد مي­شود. انرژي اين پرتوي ايکس براي هر عنصر مقداري منحصر به فرد است و در PIXE از اين پرتو براي شناسايي عناصر استفاده مي­شود.  

البته ذکر اين نکته ضروري است که در فرآيند گذار الکتروني گسيل الکترون­هاي اوژه در رقابت با گسيل پرتوي ايکس مي­باشد. ممكن است اتم برانگيخته با گسيل الكترون از اخرين لايه­ي اتمي خود به حالت پايه برگردد. البته اين احتمال وجود دارد كه گسيل الكترون اوژه و پرتوي ايكس بصورت همزمان نيز رخ دهد.

 

ساطع شدن الکترون­هاي اوژه در عناصر سبک با احتمال بيشتري رخ مي­دهد.

 

3-بيناب پرتوي ايکس مشخصه

چنانچه ديديم برهمکنش کولني پروتون فرودي با الکترون اتمي مدار K سبب ايجاد يک حفره در اين لايه مي­شود که اين حفره با يک الکترون از ترازهاي بالا (L   يا M) پر مي­شود. نتيجه­ي اين فرآيند ساطع شدن يک پرتوي ايکس است. انرژي پرتوي ايكس گسيلي از مشخصه­هاي عنصر مورد نظر مي­باشد.

نامگذاري­هاي پرتوهاي ايكس گسيلي با توجه به لايه­هايي كه گذار به آن­ها انجام مي­شود صورت مي­گيرد.

4- شدت خطوط و بهره­ي فلورسانس

شدت يک خط مشخص در بيناب به سه عامل بستگي دارد(چنانچه خط  را در نظر مي­گيريم)

• احتمال اينکه پرتون فرودي الکتروني در لايه­ي  را از جاي خود خارج کند.
• احتمال اينکه حفره­ي ايجاد شده با الکترون  پر شود.
• احتمال اينکه در اين حالت الکترون اوژه خارج نشود.

به احتمالات فوق بايد وزن آماري تراز نيز اضافه گردد. بطور مثال نسبت شدت  برابر با  مي­باشد. اين خطوط ناشي از الکترون­هايي مي­باشد که از  و  خارج شده و وارد تراز  مي­باشد.

 

5- جريان و انرژي باريكه­ي يون

در ماشين واندوگراف انرژي ذره­اي با بار q كه در اختلاف پتانسيلV قرار مي­گيرد برابر باqV مي ­باشد. بدين ترتيب چنانچه براي باريكه­ي پروتوني اختلاف پتانسيل معادل 3 مگاولت اعمال شود، انرژي باريكه­ي پروتوني معادل  خواهد بود. چنانچه باريكه­اي از يون­هاي  در اين اختلاف پتانسيل قرار بگيرد انرژي باريكه ­معادل  مي­شود.

بايد به اين نكته توجه كرد كه در روش PIXE انرژي باريكه از طرفي بايد به اندازه­اي باشد كه پروتون بتواند يك الكترون را از لايه­هاي داخلي جدا كندو از طرفي اين انرژي بايد كمتر از سد كولني ميان پروتون و هسته­ي هدف باشد در غير اينصورت پروتون وارد هسته مي­گردد و واكنش هسته­اي رخ مي­دهد. معمولا در اين روش بازه­ي انرژي قابل قبول بين 1 تا 4 مگاالكترون ولت خواهد بود

 

- جزئيات تجربي

روش PIXE  داراي چهار مزيت زير است

• روش آناليز غير مخرب مي­باشد.
• آناليز به سرعت انجام مي­پذيرد.
• نمونه جهت انجام آناليز به سرعت آماده مي­شود.
• دقت و حساسيت مناسب اين روش در تشخيص مفادير كم  عناصر با عدد اتمي بزرگتر از 13.

شكافت هسته‌اي

كشف شكافت هسته‌اي

رديابي كشف شكافت هسته‌اي به كشف نوترون و آزمايشات فرمي (Fermi) و همكاران وي براي توليد عناصر ترانس اورانيم به وسيله پرتودهي اورانيم با نوترون‌ها بر مي‌‌گردد. فرمي و همكاران وي در سال 1934 گزارش دادند كه حداقل چهار اكتيويته با نيمه عمر‌هاي ويژه خود قابل شناسايي بودند. در جذب يك نوترون، U²³⁸ به U²³⁹ تبديل و U²³⁹ با گسيل  b عنصر 93 تشكيل و با گسيلb ديگر عنصر 94 تشكيل مي‌گردد. لذا به نظر رسيد كه چندين راديواكتيويته با عدد اتمي 93، 94 و شايد بالاتر حاصل شده‌اند. اين نتايج توجهات بسياري از شيمیدانان را به خود جلب نمود. نوداك (Ida Noddack)  اين نتايج را به باد انتقاد گرفته حدس زد كه فرآيند شكستن هسته متعاقب جذب نوترون انجام پذيرفته باشد و اين مسئله را مطرح كرد كه اكتيويته مشاهده شده توسط فرمي و همكاران وي ممكن است به دليل وجود  ايزوتوپ‌هاي عناصر شناخته شده باشد. تاريخ نشان مي‌دهد كه وي عقايد خود را دنبال ننمود. شيميدان‌ها با هدف جداسازي مقادير ناچيز و نامعلوم اكتيويته‌هاي جديد تشكيل شده براي جداسازي با به كار بردن همراه‌برها با خواص شيميايي يكسان مثلاً Ba به عنوان همراه برRa،La به عنوان همراه برAc و ... تلاش‌هايي نمودند. هان[1]  و اشتراسمن[2]  سه اكتيويته جديد به همراه باريم جداسازي نموده و اين موضوع را مطرح كردند كه اين سه مي‌توانند ايزوتوپ‌هاي راديم باشند محصولات دختر اين نوكليدها با همراه بر لانتانيوم و منسوب به ايزوتوپ‌هاي اكتنينم جداسازي شدند. ولي همواره با مشكلي در فهم امكان واكنش (n, a) بر رويU ²³⁸ براي تشكيل ايزوتوپ‌هاي راديم مواجه بودند. ژوليوكوري[3]  و ساويچ[4]  با به‌كار بردن كريستاليزاسيون (بلورسازي) برخه‌اي ملاحظه نمودند كه اكتيويته‌هاي برخه لانتانيوم بيشتر از برخه باريم باقي مانده و نتيجه گرفتند كه ايزوتوپ جديد لانتانيوم مي‌باشد تا آكتينيم. اين نتايج براي هان و بقيه قابل پذيرش نبودند. هان و اشتراسمن كار گسترده‌اي را براي جداسازي Ra و Ba با به‌كار بردن كريستاليزاسيون برخه‌اي به انجام رساندند. متحيرانه آنان ملاحظه نمودند كه اكتيويته مربوطه از برخه باريم و نيز اكتيويته محصول دختر از برخه لانتانيوم قابل جداسازي نبودند. آنان با اكراه و با احتياط گزارش‌هاي خود را در سال 1939 ارائه داده و اظهار داشتند كه اين اكتيويته‌هاي جديد به دليل ايزوتوپ‌هاي Ba ، La و Ce هستند و از Ra ، Ac و Th كه قبلاً گزارش شده بود ناشي نمي‌شوند. آنان همچنين پيشنهاد نمودند كه اين حالت تنها زماني اتفاق مي‌افتد كه تلاشي  هسته رخ دهد آنان يك سري آزمايشات ديگر را براي پيدا كردن اكتيويته‌هاي احتمالي محصولات تكميلي Ba و La در اطراف جرم 100-90= A و عدد اتمي 35 انجام دادند. آنان قادر به جداسازي ايزوتوپ‌هاي Sr(38=Z) و Y(39 =Z) و  Kr(36=Z) شدند. از اين نتايج به همراه نتايج اوليه خود، به اين نكته رسيدند كه هسته تقسيم مي‌گردد. هان براي كشف شكافت هسته‌اي سنگين توانست جايزه نوبل شيمي را در سال 1944 به خود اختصاص دهد.

ميتنر[5]  و فريش[6] متوجه شدند چنانچه يك هسته شكافته شده و دو محصول با جرم قابل مقايسه تشكيل گردد، محصولات به دليل دفع كولوني متقابل با سرعت بالا پرواز مي‌كنند. انرژي جنبشي كل در حدود MeV200 تخمين زده شد. در مدت دو هفته پس از اعلام هان و اشتراسمن، ميتنر و فريش به طور تجربي انرژي بالاي رها شده همراه با اين واكنش را اندازه‌گيري كردند. اين پديده تقسيم هسته شكافت هسته‌اي (مشابه تقسيم سلول در ارگانيزم زنده به وسيله يك زيست‌شناس به نام آرنولود[7]  كه در آن زمان با هوسي[8]   در كپنهاك كار مي‌كرد ناميده شد.

 

فرآيند شكافت

مراحل مختلف فرآيند شكافت كه از تشكيل هسته مركب شروع و تا تشكيل محصولات شكافت را در بر مي‌گيرد در شكل 3-28  ترسيم شده است. يك هسته سنگين  با جرم200 > A همچون اورانيم پس از جذب يك نوترون يك هسته مركب تشكيل داده و انرژي برانگيختگي معيني (E^*) به دست مي‌آورد. هسته مركب با (I) گسيل پرتوهاي آنيg به حالت پايدار واانگيخته گشته يا (II) با فروپاشي بتا عنصري با بار بالاتر  تشكيل داده يا (III) با فروپاشي آلفا به عنصري با بار  و جرم پايين‌تر تبديل شده و يا (IV) متحمل فرآيند شكافت مي‌گردد. در مد شكافت، انرژي برانگيختگي منجر به تغيير شكل مداوم هسته شده و در صورت امكان تقسيم هسته صورت مي‌پذيرد. در حالي كه هسته تغيير شكل پيدا مي‌كند، انرژي دفعي كولوني و انرژي جاذبه  سطحي پيوسته تغيير مي‌يابد. هنگامي كه نيروي شكننده به دليل انرژي سطحي بر نيروهاي جذبي غلبه مي‌كنند، هسته به دوپاره (  و ) شكافته مي‌شود. اين دوپاره به دليل دفع كولوني متقابل كه در نهايت در انرژي جنبشي آنها منعكس مي‌گردد در دو جهت مخالف حركت مي‌كنند. پاره‌ها در حالت برانگيخته تشكيل شده و چند نوترون(₁n و₂ n) و پرتوهاي g گسيل مي‌نمايند. محصولات به دست آمده ( و ) در مقايسه با هسته‌‌هاي پايدار داراي نسبت N/Z بالاتري بوده و لذا متحمل فروپاشيb جهت رسيدن به پايداري به محصولات نهايي پايدار و  خواهند شد.

 

سطح مقطع‌هاي شكافت

سطح مقطع‌هاي شكافت (s_f) براي نوكليدهاي با تعداد فرد نوترون‌ها همچونU²³⁵،Pu ²³⁹ و Am²⁴² بزرگتر هستند. براي نوكليدهاي با جرم سبك همچون Tm¹⁶⁹ و Au¹⁹²، s_f براي واكنش القائي نوترون قابل اندازه‌گيري نيست. با وجود اين، اين نوكليدها هنگامي كه با ذرات باردار همچون a و p با انرژي MeV40-30 بمباران شوند شكافته مي‌شوند. در چنين حالات، شكافت هسته‌اي با گسيل نوترون و ديگر ذرات غالب خواهد بود. در مقابل آن، شكافت هسته‌اي واكنش اصلي در حالت واكنش‌هاي القائي با نوترون حرارتي يا نوكليدهاي اكتنيدي است. مقادير s_f براي (f , n_th)U²³⁵ و (f , n_th)Pu²³⁹ به ترتيب برابر 583 بارن و 742 بارن است. در ناحيه انرژي تا eV1_/0، s_f از  قانون n/1 پيروي مي نمايد كه در آن n سرعت نوترون است.

---

[1] Hahn

[2] Strassmann

[3] Juliot  Curie

[4] Savitch

[5] Meitner

[6] Frisch

[7] W.A Arnold

[8] G.Hevesy