تاريخچه فيزيك ذرات!

تاريخچه ي فيزيك ذرات در طول دو قرن گذشته، دانشمندان به پيشرفت هاي بزرگي در فهم آنچه ما و جهان اطراف ما از آن ساخته شده ايم، دست يافته اند. نخست، درك اين مطلب بود كه ماده، از عناصر ي با خواص فيزيكي و شيميايي كاملا معين تشكيل شده است. اين عناصر در محدوده ي هيدروژن (به عنوان سبك ترين) و اورانيوم و عناصر فراتر از آن قرار دارند. هر عنصر از واحد هاي ساختماني – اتم ها – كه براي هر كدام منحصر به فرد مي باشد، تشكيل شده و اتم هاي گوناگون، مي توانند با هم تركيب شوند و تنوع بي شماري تركيبات، از ماده ي ساده اي مانند آب گرفته تا مواد پيچيده اي مانند پروتئين ها را به وجود بياورند. با اينحال، چنانچه دانشمندان در اواخر سده ي نوزدهم كشف كردند، اتم ها ساده ترين واحد هاي سازنده ي ماده نيستند. ما امروزه مي دانيم كه بيشتر جرم اتم در يك هسته ي كوچك، چگال و با بار مثبت متمركز شده است. ابر كوچكي از الكترون ها ي با بار منفي هسته را از فاصله اي دور احاطه كرده اند و بنابراين بيشتر فضاي اتم را فضاي خالي تشكيل مي دهد. در بيشتر اتم ها ، هسته حاوي دو نوع ذره با جرم تقريبا برابر است: پروتون هاي با بار مثبت و نوترون هاي بدون بار الكتريكي. براي خنثي نگه داشتن كل اتم، تعداد پروتون ها دقيقا با تعداد الكترون ها برابري مي كند. در ١٨٩٠، دو فيزيكدان به طور جداگانه، شروع به كاوش در فضاي داخل اتم نمودند. اولي، جوزف (‘J.J.’) تامسون نخستين ذره ي زير اتمي – الكترون - را كشف كرد كه در همين حين، يكي از شاگردان او به نام ارنست رادرفورد، آغاز به كاوش در پديده ي جديد راديواكتيويته، كه در آن اتم از يك نوع به نوعي ديگر تبديل مي شد نمود. اين كاوش ها سرانجام به كشف هسته ي اتم، در همكاري با هانس گايگر ( كه با شمارگر راديواكتيويته ي گايگر مشهور است) و ارنست مارسدن در ١٩١٠-١٩٠٩ منتهي گرديد. سپس رادرفورد دريافت كه ذرات با بار مثبت موجود در هسته ي اتم، با هسته ي هيدروژن يكسان اند. او اين ذرات را پروتون ناميد. درسال1932 جيمز چادويك نشان داد كه هسته ها بايد شامل نوترون ها هم باشند. از آن زمان به بعد بود كه رادرفورد و همكاران او، تصوير نوين اتم را بنا نهادند. اين تنها شروع ماجرا بود. الكترون، پروتون و نوترون اعضاي پيش قراول رژه ي باشكوه ذرات زير اتمي بودند. در خلال دهه هاي ١٩٣٠و ٤٠، بسياري از فيزيكدانان به مطالعه ي تابش كيهاني – بارش مداوم ذرات زير اتمي پر انرژي كه از فضا نشات مي گرفتند – پرداختند. برخورد هاي تابش هاي كيهاني پر انرژي با ذرات جو زمين، موجب واپاشي هاي هسته اي مي شود كه آنها موجب توليد انواع جديدي از ذرات كوتاه عمر مي شوندكه تنها از طريق رد هاي بجا مانده در آشكارسازهاي حساس قابل مشاهده اند. از جمله ي اين ذرات مي توان از موئون كه كاملا شبيه الكترون رفتار مي كند اما ٢١٠ بار از آن سنگين تر است؛ پيون كه تنها اندكي از موئون سنگين تر است؛ كائون با جرمي اندكي بيش از نصف جرم پروتون؛ و لامبدا داراي جرمي %٢٠ بيش از پروتون نام برد

        جیمز چادویک       

چادویك در Maccles Field به دنیا آمد و در دانشگاه منچستر به تحصیل پرداخت. و به عنوان دانشجوی فوق لیسانس زیر نظر ارنست رادرفورد (E.Rutherford) به كارش ادامه داد. در ۱۹۱۳ به منظور كار زیر نظر هانس گایگر (H.Geiger)، مخترع شمارشگر گایگر، رهسپار لیپزیك شد. در آنجا كار وی این بود كه طیف اشعه بتای صادر شده به وسیله اجسام رادیواكتیو مختلف را كه اساساً متفاوت به نظر می رسیدند، مطالعه كند. این تفاوت به این خاطر بود كه طیف آنها توزیع پیوسته ای از انرژی های حركتی را نشان می داد كه تقریباً از صفر تا مقادیر نسبتاً زیاد را در برمی گرفت. هنوز چیزی از آغاز فعالیت وی نزد گایگر نگذشته بود كه خود را چنان یك بیگانه و دشمن یافت. كار او در پاییز همان سال ۱۹۱۴ كامل و برای انتشار آماده بود كه ناگهان جنگ جهانی اول در گرفت و او به عنوان دشمن توقیف و در تمام مدت جنگ به اردوگاه های اسرای جنگی اعزام شد. او در این مدت سرما و گرسنگی را تحمل كرد. با این حال با كمك های والتر نرنست (W.Nernst) اجازه یافت تا پژوهش های مقدماتی خود را دنبال كند.

وی در بازگشت به انگلستان در ۱۹۱۹ از سوی رادرفورد برای همكاری با دانشگاه كمبریج فراخوانده شد و از ۱۹۲۱ تا ۱۹۳۵ به عنوان دستیار مدیر پژوهش های آزمایشگاه كاوندیش به خدمت پرداخت.

در این فاصله بود كه چادویك بزرگ ترین اكتشاف خود یعنی كشف نوترون ها را در ۱۹۳۲ به ثمر رسانید. تا پیش از این كشف، فیزیكدانان تنها انتظار وجود دو نوع ذره بنیادی پروتون (P) با بار الكتریكی مثبت و الكترون (e) با بار الكتریكی منفی را داشتند. و بر همه روشن بود كه این دو ذره نمی توانند در تبیین تمامی پدیده های اتمی مشاهده شده كفایت كنند. برای مثال هسته اتم كربن كه وزن اتمی آن ۱۲ است باید ۱۲ پروتون داشته باشد اما چون بار هسته كربن فقط ۶ است باید ۶ بار الكتریكی منفی نیز داشته باشد و فرض بر این بود كه بارهای منفی به وسیله ۱۶ الكترون فراهم می شود كه به ۱۲ پروتون پیوسته اند تا یك هسته اتم كربن را تشكیل دهند. با تمامی اینها فرض وجود الكترون ها در هسته به لحاظ نظریه كوانتوم به مشكلات بزرگی منتهی می شد. رادرفورد در ۱۹۲۰ راه حل مشابهی را مبنی بر وجود پروتون های بدون بار مطرح ساخت. با این فرضیه اصلاً لزومی نداشت كه الكترون ها درون هسته اتم وجود داشته باشند و تركیب هسته كربن مثلاً می توانست چنین نوشته شود: ۶ نوترون + ۶ پروتون = ۱۲ C. از این رو در ۱۹۲۵ برنامه مفصلی در آزمایشگاه كاوندیش به راه افتاد كه موضوع آن بیرون كشیدن نوترون ها از هسته بعضی از عناصر سبك و در نتیجه اثبات وجود آنها بود. اما چون نتایج آزمایش منفی بود، برنامه متوقف شد و اثبات وجود نوترون ها چند سالی به تاخیر افتاد. در پی همین آزمایشات چادویك در طول دهه ۱۹۲۰ كوشید تا با بمباران هسته اتم آلومینیوم توسط ذرات آلفا (هسته هلیم)، نوترون ها را كشف كند. گزارش بسیار نویدبخشی كه در ۱۹۳۰ به اطلاع رسید حكایت از آن داشت كه بمباران هسته اتم بریلیم با ذرات آلفا منجر به تولید پرتوهای بسیار نافذی می شود. در ۱۹۳۲ بود كه ایرن و فردریك ژولیت كوری دریافتند كه عناصر سبكی مانند بریلیم هنگامی كه با ذرات آلفای سریع حاصل از پلوتونیوم بمباران شوند، تابش بسیار با نفوذی گسیل می دارند. این تابش با میدان مغناطیسی منحرف نمی شود اما وقتی از موم پارافینی می گذرد سبب بیرون اندازی پروتون هایی می شود كه سرعت بسیار زیادی دارند. اما كوری ها نتوانستند توضیح رضایت بخشی برای توان نفوذ و انرژی زیاد تابش مذكور فراهم آورند. آنها حدس می زدند كه چنین پرتوهایی احتمالاً از پرتوهای گاما، پرتوهای الكترومغناطیسی با طول موج بسیار كوتاه، تشكیل می شوند. چادویك نشان داد كه پرتوهای گاما، پروتون ها را گسیل نمی دارند بلكه این نتیجه تنها در صورتی قابل تبیین است كه ذرات گسیل شده جرم تقریباً مشابهی با پروتون ها اما بدون بار الكتریكی داشته باشند.

این ذرات همان نوترون ها بودند. بدین ترتیب چادویك به خاطر این اكتشاف برنده جایزه نوبل فیزیك سال ۱۹۳۵ شد. در سال ۱۹۳۶ بین چادویك كه آرزوی ساخت یك سیكلوترون را در آزمایشگاه كاوندیش در سر می پروراند و رادرفورد كه به شدت با تمامی پروژه هایی از این دست مخالف بود، اختلاف نظرهایی درگرفت و بدین ترتیب بود كه چادویك تصمیم گرفت كه كرسی استادی فیزیك دانشگاه لیورپول را كه به وی پیشنهاد شده بود، بپذیرد. و در آنجا بود كه وی نخستین سیكلوترون بریتانیا را ساخت. و هنگام شروع جنگ جهانی دوم برای حمایت از ادعای اوتوفریش (O.Frisch) و رادولف پیرلز (R.Peierls) مبنی به امكان ساخت بمب اتمی آماده بود. در نتیجه طی جنگ بیشتر وقت خود را به عنوان رئیس هیأت بریتانیا برای پروژه منهتن در آمریكا گذرانید. او به خاطر انجام این خدمات در ۱۹۴۵ مفتخر به دریافت لقب سر شد و در ۱۹۵۸ به كمبریج بازگشت و به عنوان استاد كالج گوتویل تا هنگام بازنشستگی در ۱۹۵۸ به كار خود ادامه داد.

چگونگی کشف نوترون توسط چادویک

در سال 1920 راردرفورد اظهار داشت که پروتونِ درون هسته ممکن است دارای یک الکترون باشد و در چنین صورتی این الکترون چنان محکم به آن بسته شده که یک ذره ی خنثی ایجاد کرده است. رادرفورد حتی برای این ذره ی فرضی نام نوترون را پیشنهاد کرد. فیزیکدانها در جستجوی نوترون برآمدند، لیکن تحقیق آنها دست کم با دو مشکل مواجه بود:

1- آنان نمی توانستند ماده ای طبیعی بیابند که از خود نوترون گسیل یا تابش نماید (مثل مواد پرتوزا که ذرات آلفا یا همان پروتون ها را تابش می کند)

 2- روشهایی که برای آشکار سازی ذرات اتمی به کار برده می شد، همگی به آثار بار الکتریکیِ ذرات بستگی داشت و به طور مستقیم درباره ی ذرات خنثی بکار نمی آمد. از این رو تا سال 1932، تحقیق درباره ی یافتن نوترون ناموفق ماند.

اثبات وجود نوترونها، در سال 1932، در راس یک سری آزمایشهای فیزیکدانهای کشورهای مختلف قرار گرفت.

قبل از آن در سال 1930، گ. بث و نیز ه. بکر در آلمان دریافتند که وقتی نمونه هایی از بور یا بریلیم با ذرات آلفا بمباران شود، تابشهایی از آنها گسیل می شود که در آن وقت به نظر می رسید که از همان پرتوهای گاما هستند، دست کم از این لحاظ که پرتوهای گاما بار الکتریکی ندارند. به ویژه بریلیم اثر مشخصی از این نوع داشت. مشاهدات فیزیکدان ها در آلمان، فرانسه و ... نشان می داد که تابش حاصل از بریلیم، نفوذی بیشتر (مثلا" در سرب) از هر گونه تابش گاما که تا آن زمان شناخته شده بود، دارد و انرژی آن در حدود 10 مگا ولت است. بنابراین تابش مذکور بسیار پر انرژیتر از پرتوهای گاما که قبلا" مشاهده شده بودند، بود و به همین دلیل مورد توجه واقع شد.

در میان انان که درباره ی این تابش به پژوهش پرداختند فیزیکدانان فرانسوی ژولیو و همسر او ایرن کوری _دختر کوری های دانشمند- بودند. آنان به بررسی این تابش مرموز در پارافین پرداختند. پارافین ماده ای است که پر از هیدروژن است. ژولیو و همسرش در جریان آزمایشهای خود دریافتند که تابش حاصل از بریلیم که گفتیم 10MEV انرژی دارد، پروتون هایی بیرون می اندازد که تنها 5MEV انرژی دارد. و این با قوانین پایستگی جرم و انرژی که تا آن زمان مشخص شده بود، تناقض داشت. و فیزیکدانها به دنبال فرضیه ی دیگری برای ماهیت این تابش ها پرداختند. چنانچه تابش ناشناخته گاما باشد، یعنی از فوتون (و نه ذره) های پر انرژی تشکیل شده باشد، باید همه ی انرژی خود را در اثر برخورد منتقل می کرد.

فیزیکدان انگلیسی، جیمز چادویک، نتایج پیچیده ی مشابهی ، در جریان انجام واکنش های هسته ای، برای پس زنیِ هسته های چند عنصر سبک از جمله هلیم، لیتیم، کربن ، نیتروزن و آرگون به دست اورد. در سال 1932، چادویک فرضیه ی موفقیت آمیزی درباره ی ماهیت تابش مذکور طرح کرد. چادویک در رساله ی کامل خود تحت عنوان "وجود نوترون" می گوید:

اگر ما فرض کنیم که تابش مورد نظر، تابش کوانتومی یا همان پرتوهای گاما نیست، بلکه مرکب از ذراتی است که جرمشان بسیار نزدیک به جرم پروتون است، تمام اشکالات مربوط به برخورد (که قوانین پایستگی جرم و انرژی را نقض می کرد، از بین می رود. هم در مورد فرکانس آنها و هم درمورد فرکانس آنها و هم در مورد انتقال انرژی به جرمهای متفاوت. برای توضیح قدرت نفوذ زیاد این تابش، باید فرض کنیم که این ذرات بار موثری ندارند. باید فرض کنیم که هر یک از ذرات این تابش مرموز، از ترکیب نزدیک به همی از یک پروتون و یک الکترون است و همان "نوترونی" است که راردرفورد در سخنرانی سال 1920 خود آن را مورد بحث قرار داده بود.

درواقع این ذرات کلاسیک و بزرگ (ونه فوتون) هستند که در اثر برخورد کل انرژی خود را منتقل نمی کنند. و نوترون های دارای 10MEV در اثر برخورد با پروتون هایی که دارای جرم مساوی خود هستند، تنها 5MEVاز انرژی را منتقل می کنند و بقیه صرف جابجایی جرم ها می شود.

مانند دو توپ بیلیارد که وقتی این دو توپ که دارای جرم های کاملا" یکسان هستند، با هم رودررو برخورد می کنند، تمام انرژی انها به هم منتقل می شود، اما وقتی برخورد انها رو در رو نباشد ، انرژی جنبشی کمتری منتقل می شود و در مورد این پرتابها نیز دقیقا" همین اتفاق می افتد. بنابراین به طور متوسط، انرژی جنبش حدود 5 مگا ولت برای پروتون های پس زده شده که از برخورد با پروتون های دارای انرژی حدود 10 مگا ولت تولید می شود، مقدار درستی خواهد بود، درصورتی که جرم های پروتون و نوترون برابر باشد. چادویک با استفاده از قوانین پایستگی و محاسبات زیادی دریافت که جرم نوترون کمی از جرم پروتون بیشتر و برابر 1/6 AMU است. مشکلات اندازه گیری انرژی جنبشی هسته های پس زده موجب شد که این فقط مقدار تقریبی باشد. لیکن به اندازه کافی دقیق بود تا نشان دهد نوترون جرمی نزدیک به جرم پروتون دارد

دیگران کاشتند ما خوردیم

ما بکاریم دیگران بخورند

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: