دانلود مقاله ذرات بنیادی

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.

جرم ذرات بنیادی جرم ذرات بنیادی بسیار کوچک است ، از اینرو آنها را می‌توان تا سرعت بالایی رساند.

مانند فوتونها که بدون جرم بوده و بالاترین سرعت ممکن «سرعت نور) را دارا هستند.

سبکترین ذره با جرم غیر صفر الکترون است با جرمی در حدودme = 9x10-28 gr اغلب به عنوان واحدی برای سنجش جرم سایر ذرات به کار می‌برند.

جرم پروتون برابر mp=1836me و جرم نوترون mn=1838.6me می‌باشد.

انرژی ذرات بنیادی انرژی به سبب تغییرپذیری زیادش بر کل جهان حاکم است که ساختمان فضایی ، تکامل زمانی تمام سیستم‌ها از ذرات بنیادی گرفته تا خوشه‌های کهکشانی را تعیین می‌کند.

این تنوع انرژی به چند برهمکنش معدود بین ذرات بنیادی می‌تواند تقلیل یابد.

عدد باریونی ذرات سنگین ، باریون نام دارند.

چنانچه باریونها به حال خود رها شوند ، متلاشی می‌گردند.

تنها باریون پایدار پروتون است.

در تمام فرایندهای مشاهده شده ، تعداد باریونها همواره بقا دارد «قانون بقای باریون ΔN=0).قانون بقای باریون پایداری پروتونها را بیان می‌کند ، باریونی سبکتر از پروتون وجود ندارد.

آزمایشات نشان داده‌اند که مدت زمانی که طول می‌کشد تا پروتون تلاشی یابد طولانی تراز 1022 سال ، یعنی +1 ( N برابرعدد جرمی A است) و برای پاد هسته ها N عدد لپتونی فرمیونهای سبک همان لپتونها هستند که عدد لپتونی را با L نشان می‌دهند.

برای لیپون‌ها «الکترون ، موئون ، نوترینو) این عدد برابر L=+1 ، برای غیر لیپونها (باریونها ، بوزونها) این عدد برابر L=0 و برای پالیتونها «پوزیترون ، موئون مثبت ، پادنوترینو) این عدد برابر L=-1 می‌باشدو قانون بقای لیپتون بصورت ΔL=0 می‌باشد.

یعنی مجموع تمام لیپتونها قبل و بعد از واکنش مقدار ثابتی دارند.

ایزواسپین برهمکنش قوی نوکلئون‌ها در هسته ، به بار الکتریکی بستگی ندارد.

اندرکنش‌های N-P ، N-N ، P-P ، همگی شبیه هم هستند و تفاوت چندانی بین نکلئونهای باردار و خنثی وجود ندارد.

که اختلاف آنها به وسطه ایزواسپین بیان می‌شود.

شگفتی شگفتی (strangeress) به منظور توضیح یک رفتار عجیب بین هیپرونها و مزونهای K (کائونها) معرفی شده است.

این ذرات توسط برهمکنش قوی به وجود آمده‌اند و از طریق برهمکنش ضعیف متلاشی می‌شوند.

زوجیت زوجیت یکی از ویژگیهای اساسی ذرات بنیادی است که متناظر با انعکاس آینه ای مختصات فضایی است.

این ویژگی ، یک خاصیت تقارنی تابع موج است.

زوجیت ممکن است مثبت یا منفی باشد بر حسب آنکه تابع موج در اثر انعکاس فضایی ، زوج یا فرد باشد.

زوجیت در بر همکنش‌های قوی و الکترومغناطیسی بقا دارد.

اما در برهمکنش‌های ضعیف نقض می شود.

چکیده ذرات بنیادی واحدهای اساسی برای ساختمان جهان می باشند و بر اساس جرم در حال سکونشان به بار یونها (ذرات سنگین) ، لپتونها (ذرات سبک) و مزونها (ذرات میان وزن) طبقه بندی می شوند.

بیشتر ذرات بنیادی و احتمال تمام آنها می توانند در نتیجه تبدیل انرژی به ماده به وجود آیند حداقل انرژی لازم برای تولید گروهی از ذرات از معادله انرژی انیشتین بدست می آید.

در چگالی های زیاد ذرات ناپایدار «نوترون ، هیپرونها ، مزونها) پایدار می شوند.

و نیز ذرات پایدار «الکترون و پروتون) می‌توانند در اثر برخوردهای متقابل با ذرات خود نابود شوند.

چنانچه واحدهای اساسی پایدار (ذرات بنیادی پایدار) ، دارای وجود تضمین شده‌ای نباشند، هیچ چیز در جهان مادی وجود تضمین شده‌ای نخواهد داشت.

ذرات بنیادی پی بردن به اجزای سازنده طبیعت از 2500 سال قبل که یونانیان ایده اتم باوری را مطرح کردند، ذهن پژوهشگران را به خود مشغول کرده اند.

هر چند طبیعت همه اجسام مادی را ازتقریبا 100 عنصر تشکیل می دهد.

اما این اتم ها را می توان فقط با توجه به سه ذره بنیادی:الکترون،پروتون و نوترون فهمید.

کوشش ما در جهت نگرش عمیق تر به الکترون ناموفق بوده است – بنظر می رسید که الکترون ذره بنیادی و بدون ساختار داخلی باشد.

اما وقتی نوکلئون های پرانرژی به یکدیگر برخورد می کنند،نتیجه حاصل دارای پیچیدگی بیشتر است نه سادگی.

بطوریکه صدها ذره جدید بعنوان محصول این واکنش ها پدیدار می شود.

نظم و ترتیب و طبقه بندی ویژگی های ذرات سبب پیدایش مدل کوارک و سیستم مکانیکی نوینی به نام کرمودینامیک کوانتمی شد.

چهار نیروی بنیادی این نیروها به ترتیب افزایش قدرتشان عبارتند از: گرانش،برهم کنش ضعیف،الکترومغناطیس،برهم کنش قوی 1.برهم کنش گرانشی: نیروی گرانشی بین پروتون ها وقتی که سطحشان بر یکدیگر مماس است بسیار کوچکتر از نیروی قوی بین آنهاست((ده به توان منفی سی و هشت برابر)).

تفاوت بنیادی بین گرانش و سایر برهم کنش ها در آن است که،در مقیاس عملی،گرانی انباشتی و دارای برد بی نهایت است، درحالیکه بر هم کنش های قوی و ضعیف در فواصل طولانی تر از ابعاد نوکلئون تاثیری ندارند.

2.برهم کنش ضعیف: برهم کنش ضعیف عامل واپاشی بتازا،و سایر فرایندهای واپاشی مشابه است که در آن ذرات بنیادی دخیل اند،این برهم کنش نقشی در پیوند هسته ها ندارد.

نیروی ضعیف بین دو پروتون همسایه در حدود(10 به توان 7 -) برابر نیروی قوی بین آنهاست.

نیروی ضعیف در شناخت رفتار ذرات بنیادی اهمیت دارد،ونقش آن در درک تحول عالم حیاتی است.

3.برهم کنش الکترومغناطیسی: الکترومغناطیس در ساختار و برهم کنش های ذرات بنیادی مهم است.برد برهم کنش های الکترومغناطیسی بی نهایت است.

بسیاری از نیروهای ماکروسکوپی معمولی (مانند اصطحکاک،مقاومت هوا،کنش و تنش) در نهایت ناشی از نیروهای الکترومغناطیسی هستند.

در داخل اتم نیروهای الکترومغناطیسی مسلط اند.

4.نیروی قوی: نیروی قوی عامل پیوند هسته ها بشمار می آید،در برهم کنش ها و واپاشیهای اغلب ذرات بنیادی نیروی حاکم است.

بعضی از ذرات(مانند الکترون) این نیرو را به هیچ وجه حس نمی کنند.

برد این نیرو نسبتا کوتاه، و در حدود ،یک فمتو متر) است.1fm) تعریف ذرات بنیادی واقعی: ذرات بنیادی به لحاظ نیم عمرشان و نیز پایداریشان و ظاهر شدن در واکنش ها و پدیده های میکروسکوپیک و در کل خواص شیمیایی و فیزیکی خودشان در خانواده های مختلف دسته بندی و بررسی می شوند عده ای از این ذرات با فراوانی بیشتر در اغلب اوقات ظاهر می شوند و پدیده های میکرو سکوپیک را کنترل می کنند، به ذرات بنیادی واقعی معروف هستند.

اساسا چهار دسته هیپرون وجود دارد که عبارتند از: هیپرون لاندا هیپرون سیگما هیپرون کسی هیپرون امگا تمام هیپرون ها به ذرات هسته ای تجزیه می گردند.هر هیپرون دارای یک ضد ذره با علامت مخالف است.دنیای ذرات بنیادی هم از نظرتنوع ذرات و هم از نظر نوع تاثیرات و تبدیلات متقابل ، دنیای غنی محسوب می شود .

هادرون ها: تحقیقاتی که با شتابدهنده ها یی بزرگ انجام شده اند بطور قوی به دانش ذرات بنیادی کمک کرده اند قبل از همه اشاره ها به بزرگترین خانواده ذرات هادرون ها یعنی ذرات شرکت کننده در برهمکنش های قوی هسته ای است ، اشاره می کنیم.

در حال حاضر چند صد از این گونه ذرات از جمله باریون ها و پاد باریون ها و مزون ها شناخته شده اند.بیشتر این ذرات در نتیجه اندرکنش ها قوی هسته ای به هادرون های دیگر وامی پاشند آنها عمر کوتاهی دارند که در فرایند های هسته ای معمول چنین زمانی ( ثانیه 23-10) را نمی توان مستقیما اندازه گرفت.اما هادرون هایی با عمر 13-10 تا 8-10 ثانیه نیز وجود دارند.

برد واپاشی این ذرات با عمر دراز اندرکش های ضعیف ما کم هستند.

تعداد خیلی زیادی از هادرون ها کشف شده و گروه بندی آنها در رده ها و خانواده های مختلف ، طبیعت بنیادی آنها را مبهم جلوه می دهد.مدل کوارکی ساختار هادرون ها گروه بندی هادرون ها را در خانواده و طبیعت و ساختار این خانواده ها و همچنین دیگر خواص ساده هادرون ها را بطور خیلی طبیعی توضیح می دهد.

اصول بنیادی این مدل را می توان به شرح زیر فرمول بندی کرد: هادرون ها را به معنای درست کلمه نمی توان جز ذرات بنیادی به شمار آورد آنها ساختار درونی پیچیده ای دارند و مانند هسته های اتمی دستگاه های مقید و متشکل از ذرات به راستی بنیادی یا اساسی اند.

عناصر اصلی ساختارهادرون ها کوارک نام دارد .

نظام هادرونی امکان می دهد که اظهار کنیم کلیه باریونهای شناخته شده از سه کوارک و پاد باریونها از سه پاد کوارک تشکیل شده اند.

در حالی که تمام مزون ها از یک کوارک و یک پاد کوارک تشکیل شده است .

دست کم شش نوع کوارک وجود دارد که هر کدام آنها حاصل عدد کوانتومی جدید یعنی طعم هادرونی است و به صورت زیر تقسیم بندی می شوند: کوارک b (کوارک زیبا) کوارک c (کوارک افسون) کوارک d (کوارک پایین) کوارک s (کوارک شگفت) کوارک t (کوارک درست) کوارک u (کوارک بالا) لپتونهای متنوعی کشف شدهاند که آنها براساس خواص فیزیکی و کوانتومی ویژه خود «جرم ، بار ، اسپین و غیره) به صورت زیر تقسیم بندی می شوند: لپتون های الکترون (e): اینها به نوبه خود دو دسته اند: الکترون ها نوترینوی الکترون لپتون های موئون: اینها نیز به نوبه خود دو دسته اند: موئون نوترینو موئون لپتون های تو (T): اینها نیز دو دسته اند: لپتون های تو منفی نوترینو تو فوتون ها: فوتون ها جرم در حال سکونشان برابر صفر است و اسپینی برابر یک دارند.

گلوئون ها: گلوئون ها جرم در حال سکونشان مساوی صفر است.

و اسپینی مساوی یک دارند.

گلوئون ها درون هادرون ها هستند ودر حالت آزاد مشاهده نشده اند .

بوزون ها: در فیزیک ذرات برهمکنش های ضعیف هسته ای نیز نقش مهمی ایفا می کنند اینها تنها اندرکشی هستند که می توانند شخصیت ذرات پایه را عوض کنند.

و ضمن پیروی از قوانین بقای بارهای لپتونی و باریونی موجب تبدیل های متقابل آنها شود.

ساز و کار نیروهای برهمکنش ضعیف هسته ای مدتهای مدید نظر پژوهشگران را بسوی خود جلب کرده بود.

فرضیه ای مطرح شده است که مطابق آن این نیروها از تعادل نوع خاصی کوانتوم های میدان نیروی برهمکنش ضعیف هسته ای به نام بوزون ها ی میانی ناشی می شود.

برخلاف گلوئون ها ، بوزون های میانی مثل فوتون ها باید در حالت آزاد وجود داشته باشند.

نظریه امکان وجود ، سه تا از این بوزون های میانی را پیش بینی می کند.چند تا از این ذرات (بوزون های میانی) سرانجام در سال 1982 کشف شدند.

لپتون ها- کوارک ها- هیپرون ها منابع : http://bionuclear.mihanblog.com/Post-29.ASPX http://www.danehsnameh.roshd.ir http://www.aftab.ir