مقاله در مورد ویژگیهای هسته های اتمی

بخشی از مقاله

ويژگيهاي هسته هاي اتمي

دردوران پيش ازكشف نوترون ، فيزيك دانان هستـــه اتمـــي را شامــل الكتـــرون ها
وپروتون هاتصور مي كردند 0 اين شكل ازنمايش ، تناقض هاي زيادي راپيش مي كشيد و تلاش هابراي آفرينش نظريه ساختمان هسته اي ، همگي با ناكامي روبرو مي شدند 0 به محض كشف نوترون دربرخوردهاي هسته اي ، بلافاصله اين ايده سربلند كرد كه هسته اتمي شامل پروتون ونوترون است 0 نخستين بار ، د 0 د0 ايوانكو ، دانشمند شوروي اين فرضيه راپيش كشيد 0

ازهمان ابتداء روشن بود كه جرم نوترون برابرجرم پروتون نباشد ، بسيار به آن نزديك است 0 اين امر ، بلافاصله ، تعبيرواضحي ازاختلافات موجود بين ايزوتوپ هاي همان ويكي عنصرراپيش كشيد 0
همان گونه كه خواهيم ديد ، به هرايزوتوپ مي توان دوعددرانسبت داد ، يكي عددترتيبي درجدول تناوبي عنصرها ، Z است كه برابربا تعداد پروتون درهسته است 0 عددترتيبـــــي ( ياعدد اتمي كه ترتيب اتم هارادرجدول تناوبي نشان مي دهد ) 0 شمارالكترون هاي مربوط به اتم راتعيين مي كند 0 هرگاه چنين باشد ، دراين صورت روشن است كه عدداتمي بايد مسئول رفتارشيميايي عنصرها باشد ( به اين دليل كه واكنش هاي شيميايي شامل هسته ها نمي شوند ) 0
حال ، عددجرمي برابر مجموع تعدادنوترون هاوپروتون هااست 0 بنابراين ايزوتوپ هاي همان ويكي

عنصرازنظرتعدادنوترون هادرهسته با هم فرق دارند 0
آزمايش هاي بسياردقيق ، خصيصه هاي هردوذره كه هسته اتمي راتشكيل مي دهند ،
24-
راروشن كرده است 0 جرم پروتون برابر 10 *6726/1 گرم است كه 1836 مرتبه پــرجـــرم


ترازالكترون است 0 پروتون داراي اسپين ---- است 0 ممان مغناطيسي نــوترون مخــالف

2
23-
اسپين است و برابر 10*966/0 واحد درسيستم سانتي متر – گرم – ثانيه است 0
اسپين وممان مغناطيسي هسته هاي اتمي به روش هاي گوناگون مورد بررسي قرار ميگيرنـد
از طيف نگاري اپتيكي ، طيف نگاري راديويي ،بررسي هاي انحراف ستون ذره هادر ميدان مغناطيسي ناهمگن استفاده مي شود 0 اصول كلي اين روش ها در كتاب ســوم ايـن ســري
" الكترون " ، و دربخش هاي پيشين كتاب فعلي بحث شده است 0 ما دراين جا صرفا" به ارائه واقعيت هاي بنيادي بسنده مي كنيم كه درچند دهه گذشته گروه بزرگي ازفيزيك دانان به آن دست يافتند 0
بيش ازهرچيز ، من ميل دارم تاكيد كنم كه قانون هاي فيزيك كوانتمي مربوط به ممان ممونتم ( ياگشتاورزاويه اي ) درمورد تمام ذره هاصدق پيدا مي كند 0 بنابراين درموردهسته اتمي ، مي توان فرمولي به قرارزيربراي گشتاورزاويه نوشت :
در اين جا ، كميت - ، ثابت پلانك است كه درهمه فرمول هاي فيزيك كوانتمي با آن روبرو مي شويم 0
معمولا" ، اسپين همان پارامتر h است ونه اين بيان ، نظريه به صراحت مي گويدوآزمايش به
1 3
طورنماياني نشان مي دهد كه اسپين هر ذره بايد معادل 0 ، ----- ، 1 ، ----- و الي آخر
2 2
باشد 0
بامروري برجدول مقداراسپين هسته هاي گوناگون ( كه به ياري آزمايش هاي گوناگوني به دست آمده است ) 0 شماري نظام هاي جالب را مي يابيم 0 بيش از هرچيز ، درهسته اي به تعداد زوج پروتون ها ونوترون ها ، اسپين هسته معادل صفر است .
تعداد نوكلئون ها ( يعني ذره هاي هسته اي ) كه مضربي از چهاراست ، ظاهرا نقش بسياربزرگي ايفاء مي كند 0 دربسياري موردها ( بااين وجود كه نه درهمه موردها) ، اسپين هسته اتمي رامي توان از قرارزير به دست آورد :

1 نزديكترين عدد مضرب 4 به عدد جرمي A رابيرون بكشيد ، اختلاف را در --- ضرب كنيد
2 1
براي مثال درليتيم با عددجرمي 6 ، اسپين برابر ---- * 2 = 1 است ، درليتيم – 7 آن برابر
2
3 3
----- و در بورون – 10 آن برابر 1 است ودربورون – 11 آن برابر ----- است 0
2 2
قانون بيش ازهرچيزي ، بديهي است : هسته هايي با عدد جرمي – A زوج داراي اسپين با عددكامل ( صحيح ) هستند يا اسپين آن ها صفر است 0 هسته هايي باعددجرمي A فـــرد

1
داراي اسپين معادل با مضرب ---- هستند 0
2
اصل استثناء ( خروج ) پولي را هم درمورد پروتون ها وهم نوترون ها هسته مي توان به كارگرفت 0 دو ذره مانندهم تنها مي توانند به شرطي همان سطح انرژي را اشغال كنند ( در همان سطح باقي بمانند ) كه اسپين ها آنها مخالف هم باشد 0 از آن جا كه نوترون و پروتون ذره هاي متفاوتي هستند ، يك سطح مي تواند دوپروتون و دونوترون را درخود جاد هد 0 درايـن گروه فشرده بااسپين صفر ما اتم هليم را استنباط مي كنيم ( كه همان ذره آلفا باشد )
حضور اسپين به معني حضورممان مغناطيسي است 0 همان گونه كه مي دانيم رابطه اي ازتناسب مستقيم بين مومنتم مكانيكي ( گشتاور ) L و ممان مغناطيسي M وجود دارد 0 دراين جا ، ممان مغناطيسي مي تواند موافق يامخالف اسپين باشد 0 ممان ( عزم ) مغناطيسي
23-
پروتون برابر 10 * 41/1 واحد درسيستم سانتي متر- گرم – ثانيه است 0 جرم نوترون تاحــد

24- 1

ناچيزي از جرم پروتون بيش تر است 0 يعني برابر 10 * 6749/1 گرم 0 نوترون ، اسپين ----
2
دارد 0
بوسون ها وفرميون ها BOSONS FERMIONS
ما به كرات تاكيد كرده ايم كه يك سطح انرژي تنها مي تواند دوذره با اسپينهاي مخالف رادرخود جادهد، زمان آن فرارسيده است كه گفته شود ، اين اصل ( اصل استثناء پولي ) تنهادرمورد يك طبقه ازذره ها صدق پيدا مي كند 0 آن هـا رافرميــون مي نامنــد 0 فرميون هاعبارتنداز الكترون ،

دومي از ذره ها بــه نام بوســون وجـوددارد 0 بوسون هاعبارتند از فوتون شماري ازذره هاي بنيادي كوتاه عمر ( مانند، مثلا" پي – مزون ) و ( مهم تراز همه ) همه ذره هايي كه شامل تعداد زوج فرميون ها هستند 0
براي تعداد بوسون هايي كه مي توانند يك سطح انرژي را اشغال كنند 0 محدوديتي وجودندارد 0 براي داشتن استنباط بهتري از تفاوت بين فرميون ها وبوسون ها 0 دردماي بسيارپائين ، بوسون ها به طورعمده درپائين ترين سطح انرژي ممكن ، جمع مي شوند0
درپائين ترين دماها ، تعداد بوسون ها واقع شده در " زيرزمين " ممكن است تقريبا" باكل تعداد بوسونها برابر باشد 0

سعي نكنيد تامنظور گفتار اخير را " درك كنيد " تنها به خاطرش بسپاريد ، زيرا آن چه گفته شد ،به راستي ، حقيقت محض است 0 ولي من متاسفم كه هرباربايد چيزهايي ( بدون ارائه اثبات ) را به اطلاع خواننده برسانم كه تنها به ياري معادله هاي رياضي بسيار پيچيده ميتوان آنها را اثبات كرد 0
معلوم مي شود كه درموردهاي معيني ، بوسون مي توانند ودرموردهايي نمي توانند به تعدادزيادي درسطح انرژي مجزايي جمع شوند 0 هرگاه بتوانند مي گوييم كه يك تجمع بوس اينشتيني روي داده است 0
هنگامي كه تعدادزيادي ازذره هابرروي سطح تجمع مي كنند ، حركت آن به طورايده آلي باهم موافق وسازگار مي شود 0 ذره هاي دوقلوبه رغم آشفتگي ( بي نظمي )گرمايي ، به طور يكساني در اطراف حركت مي كنند 0
دركتاب دوم از اين سري ما از مايع شگفت انگيزي گفتگو كرديم كه دردماهاي پائين از فوق رواني ( قابليت مايع بودن فوق العاده ) برخوردار است 0 اين مايع مجموعه اي از اتم هاي 4HC (هليم ) است 0 اتم هاي اين ايزوتوپ ،بوسون هستند 0 دردماي 19/2 درجه بالاتراز صفر مطلق ، تجمعي ( به هم فشرده شدن ) ازذره ها روي مي دهدكه به مايع ، ويژگي شگفت انگيزي وارد مي كند : فوق رواني 0
فوق رواني : ازدست دادن اصطكاك راميتوان به صورت بسيارتقريبي به قرارزير توضيح داد: هرگاه تنها يك اتم از ميان شكاف نهايتا" باريكي بگذرد ، بقيه اتم ها همگي بي درنگ ازآن تقليد مي كنند 0
عملا" مابادوپديده سروكارداريم : جايي كه قلويي از ذره ها بدون توجه به مانع ها ، حركت ميكند 0 جريان فوق رواني اتم هاي 4He- ، به جريان الكتريكي بامقاومت صفر مي ماند كه دربسياري از فلزهاو آلياژها همچنين دردماي پائين ديده مي شود ( فوق رسانايي ) 0

ولي الكترون ها ، فرميون هستند 0 آنها نمي توانند باهم تجمع كنند 0 راه گريز ازاين بن بست درسال 1956 يافت شد ، هنگامي كه سه دانشمند آمريكايي نظريه اي را مطرح كردند 0 طبق آن الكترون مي تواند درپائين ترازدماي معيني به شكل جفت ها دربيايند وهمان گونه كه درهمان اوائل اشاره كرديم ، يك جفت ازفرميون ها ، همان بوسون است 0 درنتيجه ، هنگامي فوق رسانايي برقرار مي شود كه يك چنين بوسون هايي برروي سطح انرژي مجزايي تجمــع ( فشرده ) مي كنند 0

اين دوپديده جالب توجه ، فوق رواني وفوق رسانايي همان ويكي توضيح رادارند 0 ذره ها مجزايي مسيري را انتخاب مي كند كه " مناسب تر " است وسايرذره هاهمگي آن رادنبال مي كنند 0
هرگاه ايده تبديل فرميون ها به بوسون ها براثركوپلينگ ( زوج شدن ) به صورت جفت ها ، درست باشد ، در اين صورت ما مي توانيم بپرسيم : آيا ايزوتوپ هليم با عددجرمي 3 ، كه اسپين دارد

وفرميون است ، مي تواند مانند 4He - ، فوق روان شود 0
از همان آغاز آشكاربود كه هرگاه اين پديده وجود داشته باشد ، دراين صورت درهرحال دردماهاي بسيارپائين ترازدماي انتقال ايزوتوپ اساسي هليم ، 4He - بـه حالــت فـوق روان ( ممكن است ) 0 دليل ، روشن است : هسته اتم هليم ، 3He- شامل دوپروتون و يك نوترون است 0 بديـن معني آن به اندازه 25% سبك ترازبرادرش است 0 بنابرايــن ، طبيعتا" حركـت گرمايي آن شديدترخواهد بودوبرقراري رژه اي از بوسون ها دردماهاي پائين ترممكن خواهد شد0 ولي درچه دماهايي ؟ متاسفانه ، نظريه نمي توانست دماي انتقال 3He به حالت فوق روان 3راپيش گويي كند 0 پيش ازاين كه درسال 1974 ، هليم (He-) فوق روان را به دست آيد ، ثابت قدم بودن خيال آساو غلبه برمشكلات عظيم لازم بود 0
در چه دمايي ، انتقال روي مي دهد ؟ شايسته ترازهمه اين است كه پاسخ را به صورت درشت چاپ كنيم : در 27 00/0 درجه كلوين ، هرگاه خواننده فكركند كه اختلاف دودرجه اي بين اين وهليم معمولي ، 4 چيزي براي گفتن ندارد ، اوفكرديگري به مغزش خطوركرده است 0 اين به هيچ وجه مانند اختلاف 20 درجه و 18 درجه سانتي گراد نيست 0 دراين رويدادروزمره ، دمـا
293
باعامل ----- نزول كرده است ، درحالي كه درمورد بحث شده ، دما 1000 مرتبه افت كــرده
291
است 0 موفقيت عظيمي كه فيزيك تجربي بدان نايل شده است وپيروزي فيزيك نظري كــه
3

كوپلينگ ( زوج شدن – مزوج ) اتم هاي He به جفت " بوسوني " راپيش گويي كرد 0
جرم وانرژي هسته اتمي :
به طورگذرايادآوري شدكه عددجرمي ، مقداردقيق جرم هسته رابه عددصحيح ( كاملي ) گرد مي كند 0
1
امروزه ، روش موردقبول انتخاب واحدجرم اتمي به عنوان ----- جرم ايزوتوپ كربن – 12
12

است 0 12C

جرم هاي نسبي ايزوتوپ هاي تمام اتم هاتاحدناچيزي باعددصحيح فرق دارند، ولي اين اختلاف بازهم چنان قابل توجه است كه مانمي توانيم اين اختلاف را به خطاهاي تجربي نسبت
دهيم 0 جرم هيدروژن 1 ،برابر 00807/1 ، جرم دوتريم ( هيدروژن سنگين ) به هيچ وجه دوبرابراين مقدارنيست ، آن برابر 01463/2 است 0
بررسي دقيقي از جدول جرم هاي ايزوتوپ هانشان مي دهد كه جرم هسته ها ، كم ترازمجموع جرم هاي ذره هاي بيناديني است كه هسته جديدراتشكيل مي دهند 0 براي مثال جرم نوترون برابر 00888/1 ، جرم پروتون برابر 008807/1 است ، جرم دونوترون و دوپروتون برابر 0339/4 است ، بااين وجود جرم هسته اتم هليم كه شامل دونوترون و دوپروتون ميباشد برابراين عدد نيست ، بلكه برابر 0038/4 است 0 بدين ترتيب جرم هسته هليم ، كمترازمجموع جرم هاي ذره اي تشكيل دهنده هسته ، به اندازه 0301/0 واحداتمي است ، چيزي كه هزاران مرتبه بيش ترازدقت اندازه گيري است 0
هيج شكي نمي تواند باشدكه اين اختلاف هاي كوچك ، معناي ژرفي دارند 0 آن چيست ؟
پاسخ توسط نظريه نسبيت داده شده است 0 ظاهرشد ن آن برروي صحنه درآن لحظه ، بــي
شك موثرتراز زماني بود كه آزمايش ها وابستگي جرم الكترون به تندي الكترون راتاييد كرد
اين واقعيت كه مجموع جرم هاي پروتون ها ونوترون هاي تشكيل دهنده هسته كمترازجرم هسته ( كه نقصان جرمي ناميده مي شود ) است ، دقيقا" و به وضوح به ياري معادله مشهـور
E mc، تفسير مي شود 0 هرگاه سيستمي مقداري انرژي E به دست مي آوردياازدست ميدهد ، جرم اين سيستم به مقدار زيرافزايش مي يابد ( يابه ترتيب ، كاهش مي يابد :
E E
-------- m --------- =m
2 2
C C

نقصان جرمي هسته ( ازنقطه نظراين اصل ) بدين ترتيب تفسيري بسيار طبيعي اخذ ميكند
آن معيارسنجش انرژي پيوندذره هاي هسته اي است 0
درشيمي وفيزيك انرژي پيوند به صورت " كار " ي تعريف مي شود كه براي گسيختن كامل پيوند مربوطه بايد مصرف شود 0 هرگاه شكافتن هسته به صورت ذره هاي بنيادي ممكن ميبود 0 در اين صورت جرم سيستم به مقدار نقصان جرمي m افزايش مي يافت 0
خردكردن هسته به آزاد شدن مقدار عظيمي انرژي منجر مي شد 0 به آساني مي تــــوان

27-
محاسبه كرد كه تغيير درجرم به اندازه يك هزارم واحد نسبي ،يعني به اندازه 10*66/1 گرم

هم ارز ( معادل ) در حدود 1 ميليون الكترون ولت است 0
با دانستن جرم اتمي هسته ، خواننده بلافاصله چيزبسيارجالبي رامتوجه خواهد شد 0 هرگاه ماانرژيي كه پروتون ها ونوترون هارا درهسته به هم پيوند مي دهدرا به تعدادذره هاتقسيم كنيم ، ماهمان و يكي عدد MeV- ( مگاالكترون ولت ، يا ميليون الكترون ولت ) براي همـــه
هسته هابه جزبرخي هسته هاي سبك ترازهمه ، را به دست مي آوريم 0 ازاين به طور كاملا"
مشخصي نتيجه مهمي حاصل مي شود : تنها نوترون ها و پروتون هايي كه نزديك تراز هم

ه واقع شده اند برهم تاثير مي گذارند ( واكنش نشان مي دهند )كه بدان معني است كه نيروهاي هسته اي درفرازفاصله هاي كوچكي عمل مي كنندوهرگاه شخص تا فاصله هايــي
درحدابعاد اين ذره ها (يعني ، منظور 10 سانتي متر است ) ازپروتون هاونوترون هادورشـود
نيروهاي هسته اي عملا" صفر مي شوند 0
مقدار ( كميت ) 8 مگاالكترون ولت را مي توان باانرژي هاي پيوندهاي شيميايي ملكول ها مقايسه كرد 0 اين مقايسه اين واقعيت جالب رامي دهدكه انرژي پيوند شيميايي ، معمولا" برابرچندين الكترون ولت براتم است 0 اين بدان معني است كه براي تجزيه ملكول هابـــه
اتم ها، چندين ميليون بارانرژي كم تري لازم است تادرموردي كه بخواهيم هسته اتمي را گسيخته ( شكاف دادن يا فيسيون ) بكنيم 0
از آن چه گذشت روشن است كه نيروهاي هسته اي ، به مقدارهاي خيال آسايي دســـت مي يابند، همچنين بديهي است كه نيروهاي هسته اي طبقه جديدي از نيروهاراتشكيل ميدهند ، ازآن روكه آنهاقادربه محكم نگه داشتن ذره هايي به يكديگرهستندكه داراي بارهاي الكتريكي همنام هستند 0 نيروهاي هسته اي ، قابل تبديل به نيروهاي الكتريكي هستند 0
نظام هائي كه اين دونوع نيرواز آن پيروي مي كنند ، به مراتب متمايزومشخص هستند 0نيروهاي الكترومغناطيسي به كندي تضعيف مي شوند ووسيله هاي ميدان هاي الكترومغناطيسي ازذره ه

اي بارداردرفاصله هاي عظيمي راثبت مي كنند 0 برعكس ، نيروهاي هسته اي به سرعت زيادي باافزايش فاصله افت مي كنند 0 درعمل ، آ ن هافراترازمحدوده هاي هسته اتمي عمل نمي كنند 0
تفاوت مهم ديگراين است كه نيروهاي هسته اي ( بسيارهمانند نيروهاي والانسي ( ظرفيتي شميايي ) ازويژگي اشباع برخوردارند 0 هر( ذره هسته اي ، يعني پروتون يانوترون ) باتعداد

محدودي از نزديكترين همسايه خود وارد عمل مي شود ( برآن تاثير مي گذاردياواكنش نشان مي دهد ) 0 درمورد عمل ( كنش ) نيروهاي الكترومغناطيسي ، يك چنين محدوديتي وجود ندارد 0
بنابراين سه نوع نيرودرطبيعت وجوددارد : جاذبه اي ( جاذبه يا گرانشي ) ، الكترومغناطيسي و هسته اي 0 آياد رست است ؟ تابدين جامابه يقين نمي دانيم 0 فيريك دان ها ادعا ميكنند
كه نيروي چهارمي بانام نسبتا" نامناسب " كنش متقابل ضعيف " وجود دارد 0 مادراين جا به

موضوع نخواهيم پرداخت ، پيش تربه اين دليل كه تاحدي اميدواري هست تا آن رابه نيروهاي الكترومغناطيسي تبديل كرد 0
انرژي واكنش هاي هسته اي :
ما دوواقعيت مهم راروشن كرده ايم 0 نخست ،هسته اتمي مي تواند درواكنش هايي وارد شود ( شركت كند ) كه مطابق با نماهايي روي مي دهند كه بسيارمانند نماهاي آشنابراي شيمي دان ها است 0 دوم ، هسته هاي اصلي وذره هاي جديدا" توليد شده هميشه از نظرجرم تاحدناچيزي فرق خواهند داشت ( اين به اين علت است كه مجموع عددهاي جرمي حفظ مي شود ولي مجموع جرم هاي هسته ها پيش ازوپس از واكنش حفظ نمي شود )
فزون براين ، ماهم چنين ديديم كه تفاوت هاي قابل گذشت درجرم ها بارهاشدن ياجذب مقدارهاي عظيمي ازانرژي ، همراهي مي شوند0

گرماي رها شده درواكنش هاي شيميايي ، به هيچ وجه باانرژي هايي كه درطول تبديل هاي هسته اي آزاد يا جذب مي شوند ، قابل مقايسه نيست 0
اجازه بدهيد براي مصورساختن اين نكته ، چند مثال رادرنظربگيريم 0