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 ؟
نارسایی های 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 تئوری های 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 :
1- فیزیک ذرات بنیادی 2- فیزیک هسته ای 3- فیزیک اتمی و مولکولی 4- فیزیک پلاسما و شاره ها
5- فیزیک حالت جامد 6- فیزیک ستاره ها و سیاره ها 7- صوت 8- 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 1025 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 100 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 پرتوهایg
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.
ایزوتوپ ها
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 03/16 تا01/27 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 (92/90% ) Ne20 ، (257/0% )Ne 21 ،(82/8% ) 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 1912 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 15 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 b می نامند زیرا شامل بیرون انداختن یک الکترون ، یا ذره -b 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 15-10*3 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 1950 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 1 چگالی بار را برای بعضی هسته های معمولی بصورت تابعی از فاصله شعاعی نشان می دهد
شکل 1 : 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 20% می رسد مثلا در شکل (2) ایزوتوپ Lu 176 نشان داده شده است
شکل 2: 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 )[1] است که از یک پروتون و یک نوترون مقید به یکدیگر تشکیل شده است