فیزیک ذرات بنیادی
امروزه مدت زیادی نگذشته که ثابت شده تمامی مواد از مولکول ها، مولکول ها هم از اتم ها، اتم ها از هسته ها و الکترون ها و هسته ها از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده اند اما پروتون ها و نوترون ها والکترون ها از چه چیزی ترکیب یافته اند؟ این ذزات ، ذرات بنیادی یعنی ذرات غیر قابل تجزیه نام دارند. با فرض اینکه تجزیه بیشتر آنها باعث می شود که به ذرات دیگری تبدیل شود.
تاریخچه
در اواخر قرن بیستم دانشمندان درباره ساختمان پنهانی ذرات بنیادی به یک مطالعه سیستماتیک و مداوم پرداختند. این مطالعه ابتدا از نوکلئون ها (اجزای هسته ) یعنی پروتون ها و نوترون ها شروع شد. عموما در فیزیک هسته ای این کار می توانست دردوخط اصلی ادامه یابد.
بررسی پدیده های شامل ذرات بنیادی با فیزیک هسته ای
کوشش برای شکستن یا خرد کردن یک ذره بنیادی در صورت امکان و تبدیل آن به اجزا تشکیل دهنده اش اگر اجزا تشکیل دهنده ای داشته باشد. برای این منظور ذرات مشابه دیگر را با سرعت های حتی المقدور نزدیک به سرعت نور شتاب داده و این گلوله های شتاب دار را به ذرات بنیادی موجود در اتم های دیگر برخورد می دهند. برای مثال برای بمباران هیدروژن یونیزه شده (یعنی پروتون) از پروتون های شتابدار یا برای بمباران پروتون و ذرات آلفا از پروتون و ذرات آلفا ی دیگر استفاده گردد.
انرژی لازم برای این عمل فقط می تواند به کمک شتابدهنده های قوی ذرات باردار فراهم شود تولید ذرات باردار شتابدار برای دسترسی به انرژی های دهها میلیون و بالاخره دهها هزار میلیون الکترون ولت زمانی یک کار بزرگ تلقی می شد.
بررسی ساختمان ذرات بنیادی
این روش بر اساس پدیده آشنای نوری قرار داشت. هر چه ماده مورد مشاهده کوچکتر باشد طول موج نور تابانده شده به این ماده بایستی کوتاهتر گردد. اگر طول موج نور از طول جسم بزرگتر باشد موج به آسانی از اطراف جسم عبور کرده و چیزی دیده نمی شود. و اگر از طول جسم کوچکتر باشد موج منعکس شده بازتاب نور) و جسم روشن شده و قابل رویت می گردد.
دیدگاه موجی ذرات
دوبروی (De Broglie) کشف کرد که هر چه ذرات سریعتر حرکت کنند خواص موجی بیشتری از خود نشان می دهد. پس از این کشف تهیه نوعی میکروسکوپ الکترونی ممکن گردید که در آنها الکترون با انرژی 100Kev شتاب داده می شد. این میکروسکوپ رویت اجسام با قطر چند انگستروم را میسر می سازد. که هر آنگستروم برابر 8- ^ 10 سانتیمتر می باشد.
مطابق نظریه دوبروی هرچه ذرات سنگین تر بوده و سریعتر حرکت کند ، طول موج معادل آن کوتاهتر خواهد بود. این مطالب نشان می دهد اگر الکترونی تا انرژی چند صد میلیون الکترون ولت شتاب داده شود طول موجش آنقدر کوچک می شود که متناسب با اندازه ذرات هسته ای شده و می تواند برای بررسی ساختمان هسته اتمی بکار رود.
ساختار فیزیک ذرات بنیادی
- از بازتاب و پخش این فیزیک امواج برای اندازه گیری ذرات داخل هسته استفاده می شود. اگر الکترونی تا انرژی یک یا دو هزار میلیون الکترون ولت شتاب یابد طول موج الکترون چندین مرتبه کوچکتر از قطر ذرات هسته ای می شود. این فیزیک امواج تحقیق ساختمان پروتون هاو نوترون ها را ممکن می سازد از روزی که دانشمندان به یک "توپخانه اتمی قوی" مسلح شدند.ذرات جدید اتمی یکی پس از دیگری کشف گردید.
- انرژی معادل با یک میلیون الکترون ولت موجب کشف الکترون مثبتی به نام پوزیترون شد. شتاب دهنده هایی با صدها میلیون الکترون ولت تهیه مصنوعی مزون ها را ممکن ساخت. مزون ها اولین بار در پرتوهای کیهانی کشف شدند.توسعه شتابدهنده های با انرژی بسیار زیاد موجب کشف ضد ذرات گردید.ضد ذرات تشکیل دهندگان اصلی ضد ماه می باشد که عمده ترین انها عبارتند از: ضد پروتون ، ضد نوترون و غیره.
- بسیاری از ذرات کشف شده ، ذرات ناپایدارند آنها پس از یک دوره زمانی بسیار کوتاه تجزیه شده و به تعدادی ذرات کوچکتر و پایدارتر تبدیل می شود این ذرات کوچکتر پایدارتر شامل : الکترون ها ، نوترون ها ، اشعه گاما و یا نوترینو ها می باشند.
- ذرات ناپایدار ممکن است به ضد ذرات معادل خود که اصولا پایدارترند ، تبدیل می گردند.
- همانگونه تا بحال معلوم شده هیچیک از ذرات بنیادی شناخته شده نمی توانند به اجزا کوچکتر شکسته شوند. آنها همگی به نام ذرات بنیادی معرفی شده است به همین دلیل نشان می دهد که ساختمانی ندارند.
تقسیم بندی ذرات ناپایدار :
ذرات ناپایدار بدو گروه به صورت زیر تقسیم می شوند:
- یک دسته از آن شامل ذرات سنگین تر از الکترون ولی سبک تر از پروتون است که مزون (Meson) نام دارند.
- گروه دیگر شامل ذرات سنگین تر از پروتون است که هیپرون(Hyperon) خوانده می شوند. هیپرون ها فقط به ذرات هسته ای از جمله پروتون ها و نوترون ها تجزیه می شوند.
جهان ، بزرگترین مجموعه ممکن است که از ذرات بنیادی شکل یافته است. این ذرات توسط نیروهای گرانشی ، الکترومغناطیسی و هسته‌ای به هم پیوند یافته‌اند. سلسله مراتب ساختمانی آن در فضا ( از هسته‌های اتم گرفته تا ابر کهکشانها) و سیر تکاملی آن (از گوی آتشین تا اشکال کنونی) توسط ویژگیهای ذرات بنیادی و برهمکنش آنها اداره می‌شود. بنابراین ، تشریح ساختمان جهان و تکامل آن بر اساس خواص و برهمکنش ذرات بنیادی صورت می‌گیرد.
ماده جهان از ذرات بنیادی تشکیل شده است. اجسام ، بدن انسان ، ستارگان و ... سیستم‌هایی متشکل از ذرات بنیادی هستند که از نظر تعداد و نحوه جفت و جور شدن با هم تفاوت دارند. بنابراین ، وجود ذرات بنیادی باید در تمام پدیده های جهان ملموس باشد. فیزیک ذرات بنیادی درک عمیقتر و دید بالایی را در مورد ساختمان و تکامل اجسام منفرد مانند اتم‌ها ، مولکول‌ها ، بلورها ، صخره‌ها ، سیارات ، ستارگان ، منظومه‌های ستاره‌ای و کل جهان ارائه می‌دهد. برای همین مطالعه ذرات بنیادی برای فیزیک معاصر و بخصوص اختر فیزیک و کیهان شناسی اهمیت اساسی دارد.
خواص ذرات بنیادی
ذرات بنیادی دیده نمی‌شوند. فقط از اثری که می‌گذارند و یا پدیده‌هایی را که سبب می‌شوند ، پی به وجودشان برده می‌شود.
برخی خواص ذرات بنیادی با تعمیم مفاهیم فیزیک کلاسیک ناشی می‌شود. مانند ؛ جرم ، انرژی و بارالکتریکی
برخی دیگر از خواص ذرات بنیادی ریشه در مکانیک نسبیتی دارد. مانند ؛ زمان ویژه ، طول ویژه
عمده خواص ذرات بنیادی با تئوری‌های مکانیک کوانتومی تشریح می‌شوند. برای درک این رفتارها ، پدیده‌های کوانتومی از جمله اسپین ، بار لپتونی ، بار باریونی ، اسپین ایزوتوپی ، شگفتی ، زوجیت ، کوانتوم عمل ، نابودی زوج ، تولید زوج ، اصل طرد پاولی ، اصل دوگانگی موج و ذره و ... بایستی بررسی شوند.
هر ذره ، توسط مجموعه‌ای از اعداد مشخص می‌شود که آن را از دیگر ذرات مجزا می‌کند. و ویژگیهای آنرا توضیح می‌دهد.
ویژگیهایی همچون جرم سکون ، بارالکتریکی ، اسپین ، بار باریونی ، بار لپتونی ، شگفتی ، اسپین ایزوتوپی ، زوجیت برای ذرات بنیادی ساکن هستند اما خواص اندازه حرکت خطی ، اندازه حرکت زاویه‌ای ، انرژی کل به دنیای اطراف ارتباط دارند.