دانلود مقاله فیزیک مدرن

بخشی از مقاله

فيزيك چيست :
هدف علم هرگز اثبات و « حقايق تغيير ناپذير » و تثبيت « عقايد قطعي و ابدي » نيست . علم
مي كوشد گام به گام به واقعيت نزديكتر شود و به تدريج درهاي بسته گنجينه اسرار طبيعت را به روي آدمي بگشايد و پرده هاي ابهام را يكي پس از ديگري پاره كند ، تا بلكه به قله معرفت « ممكن » تقرب بيشتري حاصل نمايد . بدون آنكه در هيچيك از مراحل تكامل خود مدعي بر « صحت كامل و نهايي» باشد . برتراندراسل
عالي ترين هدف دانشمند فيزيك ، كشف آن قوانين كلي و اساسي است كه به صورت منطقي ،
مي توان با آنها تصويري از جهان ساخت . آلبرت انيشتين

مقدمه :

فيزيك مدرن چيست ؟
نارساييهاي فيزيك كلاسيك، تقريبا همزمان با پيشرفتهاي سريع آن ظاهر شد و چون دانشمندان با تئوريهاي موجود نتوانستند اين اشكالات را برطرف كنند به جستجوي كشف علت برآمدند و سرانجام با ابداع تئوريهاي جديد ، فيزيك مدرن را پي افكندند اساس فيزيك مدرن بر تئوري نسبيت و تئوري كوانتمي قرار دارد .

فيزيك مدرن شامل چه بخشهايي است ؟
با تغييراتي كه در محدوده عمل هر يك از بخش هاي فيزيك كلاسيك صورت گرفت و نيز با توجه به پايه هاي تئوري و كاربردهاي جديد ، فيزيك به بخش هاي جديدي تقسيم شد .
اين بخش ها عبارتند از :
1- فيزيك ذرات بنيادي 2- فيزيك هسته اي 3- فيزيك اتمي و مولكولي 4- فيزيك پلاسما و شاره ها
5- فيزيك حالت جامد 6- فيزيك ستاره ها و سياره ها 7- صوت 8- اپتيك (نور ) موضوع اين تحقيق درباره فيزيك هسته اي است مطالعه هسته اتم نشان مي دهد كه ذرات سنگين درون هسته (پروتونها و نوترونها) مشابه الكترونها بر روي مدار مشخصي قرار دارند . مطالعه در مشخصات هسته اتم ، عده ذرات تشكيل دهنده هسته انرژي پيوند ميان اين ذرات ، انرژي هسته اي ، راكتورهاي اتمي ، بمب هاي اتمي و هيدروژني ، راديواكتيويته طبيعي و مصنوعي موضوع فيزيك هسته اي است .

ساختار هسته اي :
از آزمايش رادرفورد درباره بمباران اتم ها توسط ذرات آلفا و آزمايشهاي مشابه ديگر در مورد پراكندگي پي برديم كه هسته اتم بسيار كوچك در حدود يك ده هزارم خود اتم است ولي تقريبا تمامي جرم اتم در همين هسته با همه كوچكي متمركز است معني اين گزاره آنست كه چگالي ماده هسته اي بسيار زياد تقريبا Kg/m 31017*2 است بنابر تحقيقات موزلي هر هسته با عدد اتمي Z شامل Z بار مثبت است ، يعني ، چگالي بار ميانگين در ماده هسته اي نيز بسيار بزرگ است – تقريبا 1025 كولن برمترمكعب .

مي دانيم كه هسته از پروتون و نوترون هايي تشكيل يافته است اگر نيروي ربايشي ديگري براي نگهداشتن پروتونها در كنار هم وجود نداشت ، نيروي رانشي كولني بين آنها هسته را از هم مي پاشاند اين نيروي اضافه را نيروي هسته اي يا نيروي « قوي » مي گويند براي دو پروتون مجاور هم در داخل يك هسته ، اين نيرو 100 بار قويتر از نيروي رانشي كولني است اين نيروي قوي درست به همان صورت كه نيروي كولني بر ديناميك ا لكترونهاي اتم حاكم است بر ديناميك پروتونها و نوترونهاي هسته‌حاكم است . به علت قدرت بيشتر نيروي قوي انرژي

برانگيختگي حالتهاي هسته اي خيلي از انرژيهاي برانگيختگي حالتهاي اتمي بيشترند . اختلاف انرژي بين حالتهاي اتمي به يك تا چند ev مي رسد ، در حالي كه اختلاف انرژي بين حالتهاي هسته اي به يك تا چند Mev سر مي زند . گذر بين حالتهاي اتمي به گسيل نور مرئي يا پرتوهاي X منجر مي شود در حاليكه گذر بين حالتهاي هسته اي به گسيل پرتوهاي
مي انجامد .
متاسفانه ، نيروي قوي را نمي توان با هيچ فرمول ساده اي مانند فرمول (مربوط به قانون كولن يا قانون گرانش نيوتن) توصيف كرد ، رفتار آن به صورت تابعي از فاصله فقط به طور ناقص شناخته شده است در نتيجه ، فيزيكدانان هسته اي نمي توانند حالتهاي ايستاي مربوط به هسته را از اصول اوليه ، به همان روشي كه فيزيكدانان اتمي حالتهاي اتم را محاسبه مي كنند بدست آورند . در عوض فيزيكدانان هسته اي اغلب به مدلهاي نظري براي هسته ،مانند مدل قطره مايع يا مدل پوسته اي تكيه مي كنند . اين مدلها كاريكاتورهاي دنياي حقيقي به شمار مي آيند . اين مدل ها تصاويري نظري طرحواره اي اند كه بخشي از واقعيت را در بر مي گيرند و برخي جنبه هاي ساختار هسته اي را توضيح مي دهند ، اما توضيح جامع از همه جنبه هاي حقيقت از آنها برنمي آيد.

ايزوتوپها
هر گاه جرم اتم هاي يك نمونه شيميايي خالص از عنصري را توسط طيف سنج جرمي اندازه گيري كنيم ، پي مي بريم كه چنين نمونه شيميايي خالص آميزه اي از اتم ها با جرم هاي متفاوت است .اتم هايي را كه از نظر شيميايي يكسانند ولي جرم هاي متفاوت دارند ايزوتوپ مي نامند . مثلا ، نئون داراي دوازده ايزوتوپ با علامتگذاريهايي به اين شرح است : Ne16 و Ne17 و Ne18 و Ne19 و Ne20 و Ne21 و Ne22 و Ne23 و Ne24 و Ne25 و Ne26 و Ne27 ، كه جرمشان در گستره 03/16 تا01/27 يكاي جرم اتمي قرار دارد شاخص بالا در سمت چپ ، عدد جرمي ناميده مي شود اين عدد برابر جرم بر حسب يكاي اتمي است ، كه به نزديكترين عدد صحيح گرد شده است (به عبارت دقيقتر ، اين شاخص بالا برابر مجموع تعداد

پروتونها و نوترونهاي موجود در هسته است ) نمونه هاي طبيعي نئون شامل آميزه اي از ايزوتوپهاي (92/90% ) Ne20 ، (257/0% )Ne 21 ،(82/8% ) Ne 22 است .ساير ايزوتوپهاي نئون در طبيعت وجود ندارند ، اين ايزوتوپها بسيار ناپايدارند و فقط مي توان آنها را بطور مصنوعي و از طريق تبديل عناصر ، يا «كيمياگري» هسته اي در راكتورهسته اي يا شتاب دهنده ، توليد كرد . صفت مميزه مشترك ايزوتوپهاي Ne 20 و Ne 22 اين است كه از ميان تمامي عناصر شيميايي ، نخستين ايزوتوپهاي كشف شده به شمار مي آيند . اين ايزوتوپها را ج . ج . تامسون در سال 1912 يا طيف سنج جرمي شناسايي كرد و اندك زماني پس از آن ، آستون طي آزمايشهاي پردردسر بخش آنها را از هم جدا كرد . دانشمندي بنام چادويك با اندازه گيري انرژي
هسته هاي خارج شده ، به محاسبه جرم نوترون توفيق يافت . اين كشف به پيدايش تصوير جديد هسته انجاميد . هسته تشكيل شده است ازZ پروتون وA-Z نوترون . نوترونها ذراتي ناپايدارند . يك نوترون آزاد بطور خودبخودي در مدت تقريبا 15 دقيقه وا مي پاشد ، به يك پروتون تبديل مي شود و يك الكترون و يك پادنوترينو مي آفريند n p+e+
اين واكنش را واپاشي  مي نامند زيرا شامل بيرون انداختن يك الكترون ، يا ذره - است .

اندازه و شكل هسته
اولين اندازه گيريهاي مربوط به ابعاد هسته حاصل كار رادرفورد است ، كه پي برد پراكندگي يك ذره توسط يك هسته نسبت به برآورد قانون كولن به ازاي مقادير خيلي كوچك پارامتر برخورد ، اختلاف چشمگيري نشان مي دهد . تعبير رادرفورد به درستي به اين ترتيب بود كه اين انحراف ها ناشي از تماس بين ذره آلفا و هسته است و شعاع تقريبي 15-10*3 را براي هسته آلومينيوم به دست آورد از زمان رادرفورد تاكنون آزمايشهاي پراكندگي جامع فراواني انجام شده است كه طي آنها ثابت شده است كه شعاع هسته با متناسب است

كه در اينجا r0 =1/2 * 10-15 m است .
جامعترين آزمايشهاي پراكندگي در سالهاي 1950 توسط هوفستاتر و دستيارانش انجام شد در اين آزمايشها نه تنها شعاع هسته را تعيين كردند بلكه چگالي باردر داخل هسته را نيز مورد برسي قرار دادند الكترون براي كاوش چگالي بار داخل هسته بسيار مناسب است زيرا ميدان نيروي هسته اي را لمس نمي كند الكترون تنها نيروي الكتريكي وارد از سوي پروتون را لمس و به آساني به داخل هسته نفوذ مي كند شكل 1 چگالي بار را براي بعضي هسته هاي معمولي بصورت تابعي از فاصله شعاعي نشان مي دهد

شكل 1 : چگالي بار مربوط به چند هسته ، برحسب تابعي از شعاع مطابق آزمايشهاي پراكندگي الكترون
هوفستاتر . به ازاي هر هسته شعاع با خط چين مشخص شده است

پراكندگي نوترون و پروتون هم به ساختار داخلي خودشان مربوط است و هم به ساختار هسته بستگي پيدا مي كند . فرض كرديم كه هسته ها كروي هستند اين مطلب در مورد اغلب هسته ها صادق است ولي بعضي هسته ها بيضي وارند كه اختلاف بين قطر بزركتر و قطر كوچكتر آن به حدود 20% مي رسد مثلا در شكل (2) ايزوتوپ Lu 176 نشان داده شده است

شكل 2: شكل هسته Lu 176 ، يك بيضوار كشيده

نيروي « قوي»
از آنجا كه پروتونها در داخل هسته در فاصله كمي از همديگر قرار دارند ، نيروي رانشي كولني بين آنها خيلي بزرگ است . براي آنكه هسته در حالت تعادل قرار گيرد اين نيرو را بايد يك نيروي ربايشي ديگر، نيروي هسته اي يا نيروي « قوي » خنثي كند اين نيرو در قويترين حالت خود از نيروي كولني خيلي قويتر است ، مثلا دو پروتون ، به فاصله به مركز fm 2 نيروي رانشي كولني N 6 در حالي كه نيروي ربايشي قوي در حدود N 103*2 است ولي نيروي قوي فقط در گستره محدودي قوي است در فواصلي بيشتر ازfm 3 نيروي قوي سريعا به صفر

مي رسد يكي از جنبه هاي مهم نيروي قوي ، استقلال آن از بار است : نيروي موثر بين دو نوكلئون از اين كه آنها دو پروتون ، دو نوترون و يا يك پروتون يا يك نوترون باشند مستقل است جنبه ديگر آن وابستگي به اسپين است نيروي بين دو نوكلئون با اسپين موازي نسبت به نيروي بين دو نوكلئون با اسپين پاد موازي ، قويتر است
نيروي قوي نيروي چند جسمي است يعني نيروي بين دو نوكلئون در يك هسته به موقعيت تمام نوكلئونهاي مجاورديگر بستگي دارد ساده ترين سيستمي كه مي توانيم در آن كنش نيروي قوي را مطالعه كنيم دوترون ، هسته اتم دوتريم ( H 2 يا D 2 ) است كه از يك پروتون و يك نوترون مقيد به يكديگر تشكيل شده است

تشديد مغناطيسي هسته NMR
با بهره گيري از آزمايشهاي اشترن- گرلاخ گشتاور مغناطيسي هسته ها را مستقيما اندازه گرفته اند . ولي دقيق ترين اندازه گيريهاي مربوط به گشتاورهاي مغتاطيسي با روش تشديد مغناطيسي هسته انجام شده است كه بر تعيين بسامد تشديدي براي گذار بين حالتهايي با آرايشهاي اسپيني متفاوت مربوط به هسته در يك ميدان مغناطيسي ، متكي است اگر هسته اي با گشتاور مغناطيسي در يك ميدان مغناطيسي يكنواختB0 در امتداد z قرار گيرد در اينصورت انرژي اش عبارتست از :
U=-z B0
گشتاور مغناطيسيz بر طبق قاعده متعارف كوانتيده مي شود :

در اينجا g عبارتست از ضريب g مربوط به هسته . از اين رو ، ترازهاي انرژي هسته در ميدان مغناطيسي عبارتست از :

اختلاف انرژي بين ترازهاي انرژي مجاور هم عبارتست از و بسامد متناظر با چنين گذاري به اين قرار است :

تشديد مغناطيبسي هسته بر يك ميدان مغناطيسي نوساني متكي است كه با ميدان مغناطيسي يكنواخت B0 زاويه قائمه مي سازد اين ميدان مغناطيسي نوساني عرضي را پيچه اي توليد مي كند كه نمونه حاوي اسپين هاي هسته اي را احاطه كرده است اين پيچه بوسيله نوسان كننده بسامد راديويي راه اندازي مي شود.
روش تشديد باريكه مولكولي توسط رابي و همكارانش ابداع شد اين روش رابطه بسيار نزديكي با آزمايش اشترن – گرلاخ دارد و در روش تشديد القايي كه توسط بلاخ ابداع شد نمونه در داخل يك ميدان مغناطيسي ثابت غوطه ور مي شود . و پيچه اي كه ميدان مغناطيسي نوساني عرضي را تامين مي كند ، آنرا در بر مي گيرد . شرط تشديد با نيروي محركه الكتريكي القا شده اي آشكار مي شود كه اسپين هاي متغير در داخل نمونه آن را در يك پيچه گردآور اضافي مجاور آن ايجاد مي كند ( شكل 3)

شكل 3 : آرايش مربوط به يك آزمايش تشديد مغناطيسي هسته ( NMR ) . نمونه مورد بررسي در داخل يك ميدان مغناطيسي يكنواخت پايدار ( قائم ) قرار داده شده است و در معرض يك ميدان مغناطيسي نوساني ( افقي ) قرار دارد كه توسط يك پيچه RF توليد مي شود . هر وقت كه اسپينهاي هسته اي به طور ناگهاني تغيير جهت دهند ، يك پيچه گرد آور نيروي محركه الكتريكي القايي را ثبت مي كند .

تشديد مغناطيسي هسته در پزشكي كاربرد هاي عملي با ارزش يافته است در آن حوزه ، در روش جديدي براي ايجاد تصوير از قسمتهاي داخلي بدن انسان مورد استفاده قرار گرفته است اين روش بر شالوده بستگي بسامد تشديد به شدت ميدان مغناطيسي متكي است . اگر بدن آدمي در يك ميدان مغناطيسي B0 قرار گيرد كه در يك طرف كه در يك طرف بدن

شديدتر از طرف ديگر باشد (ميدان مغناطيسي با شيب فضايي)در اين صورت هسته هاي يك سمت بدن نسبت به هسته هاي سمت ديگر در بسامد بالاتري به تشديد درمي آيند در بافتهاي بدن هيدروژن قراوان است از اين رو براي تشكيل تصويرهاي تشديد مغناطيسي هسته (NMR ) بهتر است كه بر هسته هاي هيدروژن تكيه كنيم ولي تصويري كه فقط متكي به چگالي هيدروژن باشد دقايق كالبد شناختي كافي را بدست نمي دهد چنين تصويري فاقد سايه روشن است زيرا چگالي هيدروژن در سرتاسر بدن يكنواخت است .
در شكل 4 تصويرهايي را مشاهده مي كنيد كه با روش NMR تهيه شده اند توان تفكيك بدست آمده در اين تصوير با بهترين تصويرهايي كه به كمك روبش پرتو X حاصل شده است قابل قياس مي باشد تصويربرداريNMR نسبت به پرتوهاي X داراي دو مزيت مهم است ميدان هاي مغناطيسي هيچگونه

صدمه اي به بدن وارد نمي آورند در صورتي كه پرتوهاي X به بدن آدمي آسيب يونشي وارد مي آورند علاوه بر اين ، تصويرهاي پرتو X غالبا به چگالي الكترون حساسند در صورتي كه تصويرهاي NMR به شرايط شيميايي و فيزيكي گوناگوني در بافتها حساسند به اين ترتيب تصويرهاي پرتو X تنها تغييرات اساسي در اندازه و شكلهاي اعضاء را آشكار مي كنند ، در صورتي كه تصويرهايNMR تغييرات فيزيولوژيكي دقيق رانيز آشكار مي كنند

شكل 4 : تصويرهاي NMR از مقاطع سر انسان

تبديل هاي هسته اي
در هر واكنش شيميايي ، باز آرايش اتم ها در مولكولها به شكل گيري مولكولهاي جديد مي انجامد به همين ترتيب ،در واكنش هسته اي ، باز آرايش پروتونها و نوترونها در هسته ها به تشكيل هسته هاي جديد منجر مي شود تشكيل هسته هاي جديد به اين گونه يكي از تغيير حالتهاي عناصر به شمار مي آيد مثلا در واكنش  بريليم به كربن تبديل مي شود به اين ترتيب فيزيكدانان هسته اي روياي كيمياگران را براي تبديل عناصر به عالم واقع تعبير كردند تقريبا تمام ايزوتوپهاي ناپايدار از طريق

تبديل هاي هسته اي در فرآيند هاي مصنوعي توليد شده اند . تعداد زيادي از اين ايزوتوپها كاربردهاي مهم صنعتي و پزشكي دارند به علاوه ، تمام عناصر سنگين تر از پلوتونيم ، به كمك تبديل هاي مصنوعي توليد شده اند ، اين عناصر به طور طبيعي وجود ندارند .

انرژي رها يا جذب شده شده در هر واكنش هسته اي خيلي بيشتر از انرژيي است كه در واكنش هاي شيميايي رها يا جذب مي شود . نوعاً ، تغيير انرژي در خلال يك باز آرايش اتم ها در مولكول ، از مرتبه ev1 است ؛ در حالي كه تغيير انرژي در خلال يك باز آرايش پروتونها و نوترونها در يك هسته از مرتبه MeV1 است . يعني ، تعداد زيادي از واكنش هاي هسته اي را تنها مي توان با بمباران يك هسته به وسيله يك پرتابه فوق العاده پر انرژي راه اندازي كرد ؛ اين وضعيت فيزيك دانان هسته اي را به تكامل شتابدهنده ها هدايت كرد كه باريكه شديدي از چنين ذراتي را توليد مي كرد . انرژي زيادي كه در واكنش هاي هسته اي آزاد مي شود ، به كاربردهاي صنعتي و نظامي نيز منجر شد : رآكتورها و بمب هاي هسته اي

واپاشي پرتوزا
اغلب ايزوتوپها ناپايدارند ؛ اينها از طريق واكنشهاي هسته اي خودبخود وا مي پاشد . و به ايزوتوپهاي پايدارتر ديگري تبديل مي شوند . ايزوتوپهاي ناپايدار پرتوزا هستند ، يعني ، واكنش هاي هسته اي خود بخود آنها با گسيل پرتوهاي  ، پرتوهاي  يا پرتو هاي  همراه است پرتوهاي  عبارتند از ذرات آلفاي
( هسته He4 ) پر انرژي ، پرتوهاي  الكترونها و پاد الكترونهاي پر انرژي ، و پرتو هاي  فوتونهاي پرانرژي اند . و پرتو زايي در سال 1896 توسط بكرل كشف شد .
بعضي از هسته ها به جاي گسيل يك پاد الكترون ، يك الكترون جذب مي كنند ، كه هسته اين الكترون را از يكي از پوسته هاي الكتروني اتم به دام مي اندازد . يك نمونه از چنين واكنشي عبارت است از :
Ne 22   + Na22

شكل 5 : تبديلهاي هسته اي كه از طريق واپاشي  ، واپاشي  و
گير اندازي الكترون ايجاد شده است . هر ايزوتوپ مطابق نمودار ايزوتوپها بوسيله يك چهار گوش در صفحه Z - N نمايش يافته است يك تبديل هسته اي Z و N را تغيير مي دهد و
مي توان آن را به صورت يك جابجايي در صفحه Z - N نمايش داد