دانلود تحقیق ویژگی های هسته های اتمی

دردوران پیش ازکشف نوترون ، فیزیک دانان هسته اتمی را شامل الکترون ها

وپروتون هاتصور می کردند 0 این شکل ازنمایش ، تناقض های زیادی راپیش می کشید و تلاش هابرای آفرینش نظریه ساختمان هسته ای ، همگی با ناکامی روبرو می شدند 0 به محض کشف نوترون دربرخوردهای هسته ای ، بلافاصله این ایده سربلند کرد که هسته اتمی شامل پروتون ونوترون است 0 نخستین بار ، د 0 د0 ایوانکو ، دانشمند شوروی این فرضیه راپیش کشید 0

ازهمان ابتداء روشن بود که جرم نوترون برابرجرم پروتون نباشد ، بسیار به آن نزدیک است 0 این امر ، بلافاصله ، تعبیرواضحی ازاختلافات موجود بین ایزوتوپ های همان ویکی عنصرراپیش کشید 0

همان گونه که خواهیم دید ، به هرایزوتوپ می توان دوعددرانسبت داد ، یکی عددترتیبی درجدول تناوبی عنصرها ، Z است که برابربا تعداد پروتون درهسته است 0 عددترتیبی ( یاعدد اتمی که ترتیب اتم هارادرجدول تناوبی نشان می دهد ) 0 شمارالکترون های مربوط به اتم راتعیین می کند 0 هرگاه چنین باشد ، دراین صورت روشن است که عدداتمی باید مسئول رفتارشیمیایی عنصرها باشد ( به این دلیل که واکنش های شیمیایی شامل هسته ها نمی شوند ) 0 

حال ، عددجرمی برابر مجموع تعدادنوترون هاوپروتون هااست 0 بنابراین ایزوتوپ های همان ویکی عنصرازنظرتعدادنوترون هادرهسته با هم فرق دارند 0

آزمایش های بسیاردقیق ، خصیصه های هردوذره که هسته اتمی راتشکیل می دهند ،

                                                        24-

راروشن کرده است 0 جرم پروتون برابر  10 *6726/1 گرم است که 1836 مرتبه پرجرم

ترازالکترون است 0 پروتون دارای اسپین ---- است 0 ممان مغناطیسی نوترون مخالف

                                                      2

                     23-   

اسپین است و برابر 10*966/0 واحد درسیستم سانتی متر – گرم – ثانیه است 0

اسپین وممان مغناطیسی هسته های اتمی به روش های گوناگون مورد بررسی قرار میگیرند

از طیف نگاری اپتیکی ، طیف نگاری رادیویی ،بررسی های انحراف ستون ذره هادر میدان مغناطیسی ناهمگن استفاده می شود 0 اصول کلی این روش ها در کتاب سوم این سری

 " الکترون " ، و دربخش های پیشین کتاب فعلی بحث شده است 0 ما دراین جا صرفا" به ارائه واقعیت های بنیادی بسنده می کنیم که درچند دهه گذشته گروه بزرگی ازفیزیک دانان به آن دست یافتند 0

بیش ازهرچیز ، من میل دارم تاکید کنم که قانون های فیزیک کوانتمی مربوط به ممان ممونتم ( یاگشتاورزاویه ای ) درمورد تمام ذره هاصدق پیدا می کند 0 بنابراین درموردهسته اتمی ، می توان فرمولی به قرارزیربرای گشتاورزاویه نوشت :

در این جا ، کمیت - ، ثابت پلانک است که درهمه فرمول های فیزیک کوانتمی با آن روبرو می شویم 0

معمولا" ، اسپین همان پارامتر h است ونه این بیان ، نظریه به صراحت می گویدوآزمایش به

                                                                             1              3

طورنمایانی نشان می دهد که اسپین هر ذره باید معادل 0 ، ----- ، 1 ، ----- و الی آخر

                                                                             2                2

باشد 0

بامروری برجدول مقداراسپین هسته های گوناگون ( که به یاری آزمایش های گوناگونی به دست آمده است ) 0 شماری نظام های جالب را می یابیم 0 بیش از هرچیز ، درهسته ای به تعداد زوج پروتون ها ونوترون ها ، اسپین هسته معادل صفر است .

تعداد نوکلئون ها ( یعنی ذره های هسته ای ) که مضربی از چهاراست ، ظاهرا نقش بسیاربزرگی ایفاء می کند 0 دربسیاری موردها ( بااین وجود که نه درهمه موردها) ، اسپین هسته اتمی رامی توان از قرارزیر به دست آورد :

                                                                                      1                                        نزدیکترین عدد مضرب 4 به عدد جرمی A رابیرون بکشید ، اختلاف را در --- ضرب کنید

                                                                                               2                                                                                   1         

برای مثال درلیتیم با عددجرمی 6 ، اسپین برابر ---- * 2 = 1 است ، درلیتیم – 7 آن برابر

                                                               2  

   3                                                                                3

----- و در بورون – 10 آن برابر  1 است ودربورون – 11 آن برابر ----- است 0

   2                                                                                   2              

قانون بیش ازهرچیزی ، بدیهی است : هسته هایی با عدد جرمی – A زوج دارای اسپین با عددکامل ( صحیح ) هستند یا اسپین آن ها صفر است 0 هسته هایی باعددجرمی A فرد                                             

                                                    1

دارای اسپین معادل با مضرب ---- هستند 0

                                                   2

  اصل استثناء ( خروج ) پولی را هم درمورد پروتون ها وهم نوترون ها هسته می توان به کارگرفت 0 دو ذره مانندهم تنها می توانند به شرطی همان سطح انرژی را اشغال کنند ( در همان سطح باقی بمانند ) که اسپین ها آنها مخالف هم باشد 0 از آن جا که نوترون و پروتون ذره های متفاوتی هستند ، یک سطح می تواند دوپروتون و دونوترون را درخود جاد هد 0 دراین گروه فشرده بااسپین صفر ما اتم هلیم را استنباط می کنیم ( که همان ذره آلفا باشد )

حضور اسپین به معنی حضورممان مغناطیسی است 0 همان گونه که می دانیم رابطه ای ازتناسب مستقیم بین مومنتم مکانیکی ( گشتاور ) L و ممان مغناطیسی M وجود دارد 0 دراین جا ، ممان مغناطیسی می تواند موافق یامخالف اسپین باشد 0 ممان ( عزم ) مغناطیسی

                      23-

پروتون برابر 10 * 41/1 واحد درسیستم سانتی متر- گرم – ثانیه است 0 جرم نوترون تاحد

                                                           24-                                                    1

ناچیزی از جرم پروتون بیش تر است 0 یعنی برابر 10 * 6749/1 گرم 0 نوترون ، اسپین ----

                                                                                                           2

دارد 0

بوسون ها وفرمیون ها    BOSONS FERMIONS

ما به کرات تاکید کرده ایم که یک سطح انرژی تنها می تواند دوذره با اسپینهای مخالف رادرخود جادهد، زمان آن فرارسیده است که گفته شود ، این اصل ( اصل استثناء پولی ) تنهادرمورد یک طبقه ازذره ها صدق پیدا می کند 0 آن ها رافرمیون می نامند 0 فرمیون هاعبارتنداز الکترون ، پروتون و نوترون و همچنین همه سایرذره هاکه ازتعداد فردیومیون ها تشکیل شده اند 0 طبقه دومی از ذره ها به نام بوسون وجوددارد 0 بوسون هاعبارتند از فوتون شماری ازذره های بنیادی کوتاه عمر ( مانند، مثلا" پی – مزون ) و ( مهم تراز همه ) همه ذره  هایی که شامل تعداد زوج فرمیون ها هستند 0

برای تعداد بوسون هایی که می توانند یک سطح انرژی را اشغال کنند 0 محدودیتی وجودندارد 0 برای داشتن استنباط بهتری از تفاوت بین فرمیون ها وبوسون ها 0 دردمای بسیارپائین ، بوسون ها به طورعمده درپائین ترین سطح انرژی ممکن ، جمع می شوند0

درپائین ترین دماها ، تعداد بوسون ها واقع شده در " زیرزمین " ممکن است تقریبا"  باکل تعداد بوسونها برابر باشد 0

سعی نکنید تامنظور گفتار اخیر را  " درک کنید "  تنها به خاطرش بسپارید ، زیرا آن چه گفته شد ،به راستی ، حقیقت محض است 0 ولی من متاسفم که هربارباید چیزهایی ( بدون ارائه اثبات ) را به اطلاع خواننده برسانم که تنها به یاری معادله های ریاضی بسیار پیچیده میتوان آنها را اثبات کرد 0

معلوم می شود که درموردهای معینی ، بوسون می توانند ودرموردهایی نمی توانند به تعدادزیادی درسطح انرژی مجزایی جمع شوند 0 هرگاه بتوانند می گوییم که یک تجمع بوس اینشتینی روی داده است 0

هنگامی که تعدادزیادی ازذره هابرروی سطح تجمع می کنند ، حرکت آن به طورایده آلی باهم موافق وسازگار می شود 0 ذره های دوقلوبه رغم آشفتگی ( بی نظمی )گرمایی ، به طور یکسانی در اطراف حرکت می کنند 0

درکتاب دوم از این سری ما از مایع شگفت انگیزی گفتگو کردیم که دردماهای پائین از فوق روانی ( قابلیت مایع بودن فوق العاده ) برخوردار است 0 این مایع مجموعه ای از اتم های 4HC (هلیم ) است 0 اتم های این ایزوتوپ ،بوسون هستند 0 دردمای 19/2 درجه بالاتراز صفر مطلق ، تجمعی ( به هم فشرده شدن ) ازذره ها روی می دهدکه به مایع ، ویژگی شگفت انگیزی وارد می کند : فوق روانی 0

فوق روانی : ازدست دادن اصطکاک رامیتوان به صورت بسیارتقریبی به قرارزیر توضیح داد: هرگاه تنها یک اتم از میان شکاف نهایتا" باریکی بگذرد ، بقیه اتم ها همگی بی درنگ ازآن تقلید می کنند 0

عملا" مابادوپدیده سروکارداریم : جایی که قلویی از ذره ها بدون توجه به مانع ها ، حرکت میکند 0 جریان فوق روانی اتم های 4He-  ، به جریان الکتریکی بامقاومت صفر می ماند که دربسیاری از فلزهاو آلیاژها همچنین دردمای پائین دیده می شود ( فوق رسانایی ) 0

ولی الکترون ها ، فرمیون هستند 0 آنها نمی توانند باهم تجمع کنند 0 راه گریز ازاین بن بست درسال 1956 یافت شد ، هنگامی که سه دانشمند آمریکایی نظریه ای را مطرح کردند 0 طبق آن الکترون می تواند درپائین ترازدمای معینی به شکل جفت ها دربیایند وهمان گونه که درهمان اوائل اشاره کردیم ، یک جفت ازفرمیون ها ، همان بوسون است 0 درنتیجه ، هنگامی فوق رسانایی برقرار می شود که یک چنین بوسون هایی برروی سطح انرژی مجزایی تجمع ( فشرده ) می کنند 0 این دوپدیده جالب توجه ، فوق روانی وفوق رسانایی همان ویکی توضیح رادارند 0 ذره ها مجزایی مسیری را انتخاب می کند که " مناسب تر " است وسایرذره هاهمگی آن رادنبال می کنند 0

هرگاه ایده تبدیل فرمیون ها به بوسون ها براثرکوپلینگ ( زوج شدن ) به صورت جفت ها ، درست باشد ، در این صورت ما می توانیم بپرسیم : آیا ایزوتوپ هلیم با عددجرمی 3 ، که اسپین دارد وفرمیون است ، می تواند مانند 4He  - ، فوق روان شود 0

از همان آغاز آشکاربود که هرگاه این پدیده وجود داشته باشد ، دراین صورت درهرحال دردماهای بسیارپائین ترازدمای انتقال ایزوتوپ اساسی هلیم ، 4He -  به حالت فوق روان ( ممکن است ) 0 دلیل ، روشن است : هسته اتم هلیم ، 3He- شامل دوپروتون و یک نوترون است 0 بدین معنی آن به اندازه 25% سبک ترازبرادرش است 0 بنابراین ، طبیعتا" حرکت  گرمایی آن شدیدترخواهد بودوبرقراری رژه ای از بوسون ها دردماهای پائین ترممکن خواهد شد0 ولی درچه دماهایی ؟ متاسفانه ، نظریه نمی توانست دمای انتقال 3He به حالت فوق روان   3راپیش گویی کند 0 پیش ازاین که درسال 1974 ، هلیم (He-) فوق روان را به دست آید ، ثابت  قدم بودن خیال آساو غلبه برمشکلات عظیم لازم بود 0

در چه دمایی ، انتقال روی می دهد ؟ شایسته ترازهمه این است که پاسخ را به صورت درشت چاپ کنیم : در 27 00/0 درجه کلوین ، هرگاه خواننده فکرکند که اختلاف دودرجه ای بین این وهلیم معمولی ، 4 چیزی برای گفتن ندارد ، اوفکردیگری به مغزش خطورکرده است 0 این به هیچ وجه مانند اختلاف 20 درجه و 18 درجه سانتی گراد نیست 0 دراین رویدادروزمره ، دما

           293   

باعامل ----- نزول کرده است ، درحالی که درمورد بحث شده ، دما 1000 مرتبه افت کرده

              291

است 0 موفقیت عظیمی که فیزیک تجربی بدان نایل شده است وپیروزی فیزیک نظری که

                                                             3

کوپلینگ ( زوج شدن – مزوج ) اتم های He به جفت " بوسونی " راپیش گویی کرد 0

جرم وانرژی هسته اتمی :

 به طورگذرایادآوری شدکه عددجرمی ، مقداردقیق جرم هسته رابه عددصحیح ( کاملی ) گرد می کند 0

                                                                                               1

امروزه ، روش موردقبول انتخاب واحدجرم اتمی به عنوان ----- جرم ایزوتوپ کربن – 12

                                                                              12

است 0 12C

جرم های نسبی ایزوتوپ های تمام اتم هاتاحدناچیزی باعددصحیح فرق دارند، ولی این اختلاف بازهم چنان قابل توجه است که مانمی توانیم این اختلاف را به خطاهای تجربی نسبت