دانلود مقاله فیزیک مدرن

word قابل ویرایش
28 صفحه
4700 تومان

فیزیک چیست :
هدف علم هرگز اثبات و « حقایق تغییر ناپذیر » و تثبیت « عقاید قطعی و ابدی » نیست . علم
می کوشد گام به گام به واقعیت نزدیکتر شود و به تدریج درهای بسته گنجینه اسرار طبیعت را به روی آدمی بگشاید و پرده های ابهام را یکی پس از دیگری پاره کند ، تا بلکه به قله معرفت « ممکن » تقرب بیشتری حاصل نماید . بدون آنکه در هیچیک از مراحل تکامل خود مدعی بر « صحت کامل و نهایی» باشد . برتراندراسل
عالی ترین هدف دانشمند فیزیک ، کشف آن قوانین کلی و اساسی است که به صورت منطقی ،
می توان با آنها تصویری از جهان ساخت . آلبرت انیشتین

مقدمه :

فیزیک مدرن چیست ؟
نارساییهای فیزیک کلاسیک، تقریبا همزمان با پیشرفتهای سریع آن ظاهر شد و چون دانشمندان با تئوریهای موجود نتوانستند این اشکالات را برطرف کنند به جستجوی کشف علت برآمدند و سرانجام با ابداع تئوریهای جدید ، فیزیک مدرن را پی افکندند اساس فیزیک مدرن بر تئوری نسبیت و تئوری کوانتمی قرار دارد .

فیزیک مدرن شامل چه بخشهایی است ؟
با تغییراتی که در محدوده عمل هر یک از بخش های فیزیک کلاسیک صورت گرفت و نیز با توجه به پایه های تئوری و کاربردهای جدید ، فیزیک به بخش های جدیدی تقسیم شد .
این بخش ها عبارتند از :
۱- فیزیک ذرات بنیادی ۲- فیزیک هسته ای ۳- فیزیک اتمی و مولکولی ۴- فیزیک پلاسما و شاره ها
۵- فیزیک حالت جامد ۶- فیزیک ستاره ها و سیاره ها ۷- صوت ۸- اپتیک (نور ) موضوع این تحقیق درباره فیزیک هسته ای است مطالعه هسته اتم نشان می دهد که ذرات سنگین درون هسته (پروتونها و نوترونها) مشابه الکترونها بر روی مدار مشخصی قرار دارند . مطالعه در مشخصات هسته اتم ، عده ذرات تشکیل دهنده هسته انرژی پیوند میان این ذرات ، انرژی هسته ای ، راکتورهای اتمی ، بمب های اتمی و هیدروژنی ، رادیواکتیویته طبیعی و مصنوعی موضوع فیزیک هسته ای است .

ساختار هسته ای :
از آزمایش رادرفورد درباره بمباران اتم ها توسط ذرات آلفا و آزمایشهای مشابه دیگر در مورد پراکندگی پی بردیم که هسته اتم بسیار کوچک در حدود یک ده هزارم خود اتم است ولی تقریبا تمامی جرم اتم در همین هسته با همه کوچکی متمرکز است معنی این گزاره آنست که چگالی ماده هسته ای بسیار زیاد تقریبا Kg/m 31017*2 است بنابر تحقیقات موزلی هر هسته با عدد اتمی Z شامل Z بار مثبت است ، یعنی ، چگالی بار میانگین در ماده هسته ای نیز بسیار بزرگ است – تقریبا ۱۰۲۵ کولن برمترمکعب .

می دانیم که هسته از پروتون و نوترون هایی تشکیل یافته است اگر نیروی ربایشی دیگری برای نگهداشتن پروتونها در کنار هم وجود نداشت ، نیروی رانشی کولنی بین آنها هسته را از هم می پاشاند این نیروی اضافه را نیروی هسته ای یا نیروی « قوی » می گویند برای دو پروتون مجاور هم در داخل یک هسته ، این نیرو ۱۰۰ بار قویتر از نیروی رانشی کولنی است این نیروی قوی درست به همان صورت که نیروی کولنی بر دینامیک ا لکترونهای اتم حاکم است بر دینامیک پروتونها و نوترونهای هسته‌حاکم است . به علت قدرت بیشتر نیروی قوی انرژی

برانگیختگی حالتهای هسته ای خیلی از انرژیهای برانگیختگی حالتهای اتمی بیشترند . اختلاف انرژی بین حالتهای اتمی به یک تا چند ev می رسد ، در حالی که اختلاف انرژی بین حالتهای هسته ای به یک تا چند Mev سر می زند . گذر بین حالتهای اتمی به گسیل نور مرئی یا پرتوهای X منجر می شود در حالیکه گذر بین حالتهای هسته ای به گسیل پرتوهای
می انجامد .
متاسفانه ، نیروی قوی را نمی توان با هیچ فرمول ساده ای مانند فرمول (مربوط به قانون کولن یا قانون گرانش نیوتن) توصیف کرد ، رفتار آن به صورت تابعی از فاصله فقط به طور ناقص شناخته شده است در نتیجه ، فیزیکدانان هسته ای نمی توانند حالتهای ایستای مربوط به هسته را از اصول اولیه ، به همان روشی که فیزیکدانان اتمی حالتهای اتم را محاسبه می کنند بدست آورند . در عوض فیزیکدانان هسته ای اغلب به مدلهای نظری برای هسته ،مانند مدل قطره مایع یا مدل پوسته ای تکیه می کنند . این مدلها کاریکاتورهای دنیای حقیقی به شمار می آیند . این مدل ها تصاویری نظری طرحواره ای اند که بخشی از واقعیت را در بر می گیرند و برخی جنبه های ساختار هسته ای را توضیح می دهند ، اما توضیح جامع از همه جنبه های حقیقت از آنها برنمی آید.

ایزوتوپها
هر گاه جرم اتم های یک نمونه شیمیایی خالص از عنصری را توسط طیف سنج جرمی اندازه گیری کنیم ، پی می بریم که چنین نمونه شیمیایی خالص آمیزه ای از اتم ها با جرم های متفاوت است .اتم هایی را که از نظر شیمیایی یکسانند ولی جرم های متفاوت دارند ایزوتوپ می نامند . مثلا ، نئون دارای دوازده ایزوتوپ با علامتگذاریهایی به این 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 ، که جرمشان در گستره ۰۳/۱۶ تا۰۱/۲۷ یکای جرم اتمی قرار دارد شاخص بالا در سمت چپ ، عدد جرمی نامیده می شود این عدد برابر جرم بر حسب یکای اتمی است ، که به نزدیکترین عدد صحیح گرد شده است (به عبارت دقیقتر ، این شاخص بالا برابر مجموع تعداد

پروتونها و نوترونهای موجود در هسته است ) نمونه های طبیعی نئون شامل آمیزه ای از ایزوتوپهای (۹۲/۹۰% ) Ne20 ، (۲۵۷/۰% )Ne 21 ،(۸۲/۸% ) Ne 22 است .سایر ایزوتوپهای نئون در طبیعت وجود ندارند ، این ایزوتوپها بسیار ناپایدارند و فقط می توان آنها را بطور مصنوعی و از طریق تبدیل عناصر ، یا «کیمیاگری» هسته ای در راکتورهسته ای یا شتاب دهنده ، تولید کرد . صفت ممیزه مشترک ایزوتوپهای Ne 20 و Ne 22 این است که از میان تمامی عناصر شیمیایی ، نخستین ایزوتوپهای کشف شده به شمار می آیند . این ایزوتوپها را ج . ج . تامسون در سال ۱۹۱۲ یا طیف سنج جرمی شناسایی کرد و اندک زمانی پس از آن ، آستون طی آزمایشهای پردردسر بخش آنها را از هم جدا کرد . دانشمندی بنام چادویک با اندازه گیری انرژی
هسته های خارج شده ، به محاسبه جرم نوترون توفیق یافت . این کشف به پیدایش تصویر جدید هسته انجامید . هسته تشکیل شده است ازZ پروتون وA-Z نوترون . نوترونها ذراتی ناپایدارند . یک نوترون آزاد بطور خودبخودی در مدت تقریبا ۱۵ دقیقه وا می پاشد ، به یک پروتون تبدیل می شود و یک الکترون و یک پادنوترینو می آفریند n p+e+
این واکنش را واپاشی  می نامند زیرا شامل بیرون انداختن یک الکترون ، یا ذره - است .

اندازه و شکل هسته
اولین اندازه گیریهای مربوط به ابعاد هسته حاصل کار رادرفورد است ، که پی برد پراکندگی یک ذره توسط یک هسته نسبت به برآورد قانون کولن به ازای مقادیر خیلی کوچک پارامتر برخورد ، اختلاف چشمگیری نشان می دهد . تعبیر رادرفورد به درستی به این ترتیب بود که این انحراف ها ناشی از تماس بین ذره آلفا و هسته است و شعاع تقریبی ۱۵-۱۰*۳ را برای هسته آلومینیوم به دست آورد از زمان رادرفورد تاکنون آزمایشهای پراکندگی جامع فراوانی انجام شده است که طی آنها ثابت شده است که شعاع هسته با متناسب است

که در اینجا r0 =1/2 * 10-15 m است .
جامعترین آزمایشهای پراکندگی در سالهای ۱۹۵۰ توسط هوفستاتر و دستیارانش انجام شد در این آزمایشها نه تنها شعاع هسته را تعیین کردند بلکه چگالی باردر داخل هسته را نیز مورد برسی قرار دادند الکترون برای کاوش چگالی بار داخل هسته بسیار مناسب است زیرا میدان نیروی هسته ای را لمس نمی کند الکترون تنها نیروی الکتریکی وارد از سوی پروتون را لمس و به آسانی به داخل هسته نفوذ می کند شکل ۱ چگالی بار را برای بعضی هسته های معمولی بصورت تابعی از فاصله شعاعی نشان می دهد

شکل ۱ : چگالی بار مربوط به چند هسته ، برحسب تابعی از شعاع مطابق آزمایشهای پراکندگی الکترون
هوفستاتر . به ازای هر هسته شعاع با خط چین مشخص شده است

پراکندگی نوترون و پروتون هم به ساختار داخلی خودشان مربوط است و هم به ساختار هسته بستگی پیدا می کند . فرض کردیم که هسته ها کروی هستند این مطلب در مورد اغلب هسته ها صادق است ولی بعضی هسته ها بیضی وارند که اختلاف بین قطر بزرکتر و قطر کوچکتر آن به حدود ۲۰% می رسد مثلا در شکل (۲) ایزوتوپ Lu 176 نشان داده شده است

شکل ۲: شکل هسته Lu 176 ، یک بیضوار کشیده

نیروی « قوی»
از آنجا که پروتونها در داخل هسته در فاصله کمی از همدیگر قرار دارند ، نیروی رانشی کولنی بین آنها خیلی بزرگ است . برای آنکه هسته در حالت تعادل قرار گیرد این نیرو را باید یک نیروی ربایشی دیگر، نیروی هسته ای یا نیروی « قوی » خنثی کند این نیرو در قویترین حالت خود از نیروی کولنی خیلی قویتر است ، مثلا دو پروتون ، به فاصله به مرکز fm 2 نیروی رانشی کولنی N 6 در حالی که نیروی ربایشی قوی در حدود N 103*2 است ولی نیروی قوی فقط در گستره محدودی قوی است در فواصلی بیشتر ازfm 3 نیروی قوی سریعا به صفر

می رسد یکی از جنبه های مهم نیروی قوی ، استقلال آن از بار است : نیروی موثر بین دو نوکلئون از این که آنها دو پروتون ، دو نوترون و یا یک پروتون یا یک نوترون باشند مستقل است جنبه دیگر آن وابستگی به اسپین است نیروی بین دو نوکلئون با اسپین موازی نسبت به نیروی بین دو نوکلئون با اسپین پاد موازی ، قویتر است
نیروی قوی نیروی چند جسمی است یعنی نیروی بین دو نوکلئون در یک هسته به موقعیت تمام نوکلئونهای مجاوردیگر بستگی دارد ساده ترین سیستمی که می توانیم در آن کنش نیروی قوی را مطالعه کنیم دوترون ، هسته اتم دوتریم ( H 2 یا D 2 ) است که از یک پروتون و یک نوترون مقید به یکدیگر تشکیل شده است

تشدید مغناطیسی هسته NMR
با بهره گیری از آزمایشهای اشترن- گرلاخ گشتاور مغناطیسی هسته ها را مستقیما اندازه گرفته اند . ولی دقیق ترین اندازه گیریهای مربوط به گشتاورهای مغتاطیسی با روش تشدید مغناطیسی هسته انجام شده است که بر تعیین بسامد تشدیدی برای گذار بین حالتهایی با آرایشهای اسپینی متفاوت مربوط به هسته در یک میدان مغناطیسی ، متکی است اگر هسته ای با گشتاور مغناطیسی در یک میدان مغناطیسی یکنواختB0 در امتداد z قرار گیرد در اینصورت انرژی اش عبارتست از :
U=-z B0
گشتاور مغناطیسیz بر طبق قاعده متعارف کوانتیده می شود :

در اینجا g عبارتست از ضریب g مربوط به هسته . از این رو ، ترازهای انرژی هسته در میدان مغناطیسی عبارتست از :

اختلاف انرژی بین ترازهای انرژی مجاور هم عبارتست از و بسامد متناظر با چنین گذاری به این قرار است :

تشدید مغناطیبسی هسته بر یک میدان مغناطیسی نوسانی متکی است که با میدان مغناطیسی یکنواخت B0 زاویه قائمه می سازد این میدان مغناطیسی نوسانی عرضی را پیچه ای تولید می کند که نمونه حاوی اسپین های هسته ای را احاطه کرده است این پیچه بوسیله نوسان کننده بسامد رادیویی راه اندازی می شود.
روش تشدید باریکه مولکولی توسط رابی و همکارانش ابداع شد این روش رابطه بسیار نزدیکی با آزمایش اشترن – گرلاخ دارد و در روش تشدید القایی که توسط بلاخ ابداع شد نمونه در داخل یک میدان مغناطیسی ثابت غوطه ور می شود . و پیچه ای که میدان مغناطیسی نوسانی عرضی را تامین می کند ، آنرا در بر می گیرد . شرط تشدید با نیروی محرکه الکتریکی القا شده ای آشکار می شود که اسپین های متغیر در داخل نمونه آن را در یک پیچه گردآور اضافی مجاور آن ایجاد می کند ( شکل ۳)

شکل ۳ : آرایش مربوط به یک آزمایش تشدید مغناطیسی هسته ( NMR ) . نمونه مورد بررسی در داخل یک میدان مغناطیسی یکنواخت پایدار ( قائم ) قرار داده شده است و در معرض یک میدان مغناطیسی نوسانی ( افقی ) قرار دارد که توسط یک پیچه RF تولید می شود . هر وقت که اسپینهای هسته ای به طور ناگهانی تغییر جهت دهند ، یک پیچه گرد آور نیروی محرکه الکتریکی القایی را ثبت می کند .

تشدید مغناطیسی هسته در پزشکی کاربرد های عملی با ارزش یافته است در آن حوزه ، در روش جدیدی برای ایجاد تصویر از قسمتهای داخلی بدن انسان مورد استفاده قرار گرفته است این روش بر شالوده بستگی بسامد تشدید به شدت میدان مغناطیسی متکی است . اگر بدن آدمی در یک میدان مغناطیسی B0 قرار گیرد که در یک طرف که در یک طرف بدن

شدیدتر از طرف دیگر باشد (میدان مغناطیسی با شیب فضایی)در این صورت هسته های یک سمت بدن نسبت به هسته های سمت دیگر در بسامد بالاتری به تشدید درمی آیند در بافتهای بدن هیدروژن قراوان است از این رو برای تشکیل تصویرهای تشدید مغناطیسی هسته (NMR ) بهتر است که بر هسته های هیدروژن تکیه کنیم ولی تصویری که فقط متکی به چگالی هیدروژن باشد دقایق کالبد شناختی کافی را بدست نمی دهد چنین تصویری فاقد سایه روشن است زیرا چگالی هیدروژن در سرتاسر بدن یکنواخت است .
در شکل ۴ تصویرهایی را مشاهده می کنید که با روش NMR تهیه شده اند توان تفکیک بدست آمده در این تصویر با بهترین تصویرهایی که به کمک روبش پرتو X حاصل شده است قابل قیاس می باشد تصویربرداریNMR نسبت به پرتوهای X دارای دو مزیت مهم است میدان های مغناطیسی هیچگونه

صدمه ای به بدن وارد نمی آورند در صورتی که پرتوهای X به بدن آدمی آسیب یونشی وارد می آورند علاوه بر این ، تصویرهای پرتو X غالبا به چگالی الکترون حساسند در صورتی که تصویرهای NMR به شرایط شیمیایی و فیزیکی گوناگونی در بافتها حساسند به این ترتیب تصویرهای پرتو X تنها تغییرات اساسی در اندازه و شکلهای اعضاء را آشکار می کنند ، در صورتی که تصویرهایNMR تغییرات فیزیولوژیکی دقیق رانیز آشکار می کنند

شکل ۴ : تصویرهای NMR از مقاطع سر انسان

تبدیل های هسته ای
در هر واکنش شیمیایی ، باز آرایش اتم ها در مولکولها به شکل گیری مولکولهای جدید می انجامد به همین ترتیب ،در واکنش هسته ای ، باز آرایش پروتونها و نوترونها در هسته ها به تشکیل هسته های جدید منجر می شود تشکیل هسته های جدید به این گونه یکی از تغییر حالتهای عناصر به شمار می آید مثلا در واکنش  بریلیم به کربن تبدیل می شود به این ترتیب فیزیکدانان هسته ای رویای کیمیاگران را برای تبدیل عناصر به عالم واقع تعبیر کردند تقریبا تمام ایزوتوپهای ناپایدار از طریق

تبدیل های هسته ای در فرآیند های مصنوعی تولید شده اند . تعداد زیادی از این ایزوتوپها کاربردهای مهم صنعتی و پزشکی دارند به علاوه ، تمام عناصر سنگین تر از پلوتونیم ، به کمک تبدیل های مصنوعی تولید شده اند ، این عناصر به طور طبیعی وجود ندارند .

انرژی رها یا جذب شده شده در هر واکنش هسته ای خیلی بیشتر از انرژیی است که در واکنش های شیمیایی رها یا جذب می شود . نوعاً ، تغییر انرژی در خلال یک باز آرایش اتم ها در مولکول ، از مرتبه ev1 است ؛ در حالی که تغییر انرژی در خلال یک باز آرایش پروتونها و نوترونها در یک هسته از مرتبه MeV1 است . یعنی ، تعداد زیادی از واکنش های هسته ای را تنها می توان با بمباران یک هسته به وسیله یک پرتابه فوق العاده پر انرژی راه اندازی کرد ؛ این وضعیت فیزیک دانان هسته ای را به تکامل شتابدهنده ها هدایت کرد که باریکه شدیدی از چنین ذراتی را تولید می کرد . انرژی زیادی که در واکنش های هسته ای آزاد می شود ، به کاربردهای صنعتی و نظامی نیز منجر شد : رآکتورها و بمب های هسته ای

واپاشی پرتوزا
اغلب ایزوتوپها ناپایدارند ؛ اینها از طریق واکنشهای هسته ای خودبخود وا می پاشد . و به ایزوتوپهای پایدارتر دیگری تبدیل می شوند . ایزوتوپهای ناپایدار پرتوزا هستند ، یعنی ، واکنش های هسته ای خود بخود آنها با گسیل پرتوهای  ، پرتوهای  یا پرتو های  همراه است پرتوهای  عبارتند از ذرات آلفای
( هسته He4 ) پر انرژی ، پرتوهای  الکترونها و پاد الکترونهای پر انرژی ، و پرتو های  فوتونهای پرانرژی اند . و پرتو زایی در سال ۱۸۹۶ توسط بکرل کشف شد .
بعضی از هسته ها به جای گسیل یک پاد الکترون ، یک الکترون جذب می کنند ، که هسته این الکترون را از یکی از پوسته های الکترونی اتم به دام می اندازد . یک نمونه از چنین واکنشی عبارت است از :
Ne 22   + Na22

شکل ۵ : تبدیلهای هسته ای که از طریق واپاشی  ، واپاشی  و
گیر اندازی الکترون ایجاد شده است . هر ایزوتوپ مطابق نمودار ایزوتوپها بوسیله یک چهار گوش در صفحه Z – N نمایش یافته است یک تبدیل هسته ای Z و N را تغییر می دهد و
می توان آن را به صورت یک جابجایی در صفحه Z – N نمایش داد

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
wordقابل ویرایش - قیمت 4700 تومان در 28 صفحه
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد