بزرگترین آزمایشگاه فیزیک ذرات جهان
سازمان اروپایى تحقیقات هسته اى یا «سرن» واقع در ژنو به عنوان بزرگترین آزمایشگاه فیزیک ذرات جهان، هفته گذشته پنجاهمین سال فعالیت خود را جشن گرفت. فعالیت این سازمان، درک بشر از کهکشان ها را به میزان قابل توجهى افزایش داده و همکارى هاى علمى بین المللى را در این زمینه تقویت کرده است. دولت سوئیس به عنوان هدیه پنجاهمین سال تولد «سرن»، مرکزى به نام «جهان علم و نوآورى» را که یک مرکز شبکه اى جدید و نیز مکانى براى بازدید علاقه مندان است، به این سازمان اهدا کرد. در سازمان اروپایى تحقیقات هسته اى که هدف آن «کشف رازهاى مبداء جهان» اعلام شده است، دانشمندانى از80 کشور جهان فعالیت دارند و حدود 6 هزار و 500 دانشمند دیگر از بیش از500 دانشگاه و مرکز تحقیقاتى دانشمند میهمان آن محسوب مى شوند. به گفته «چارلز کلایبر» وزیر علوم و پژوهش هاى سوئیس، در50 سال گذشته سازمان اروپایى تحقیقات هسته اى کانون همایش و ملاقات دانشمندان مختلف جهان با ریشه هایى از تمامى ملت ها، فرهنگ ها، مذاهب و اقوام بوده است. کلایبر در مراسم جشن پنجاهمین سالگرد تاسیس «سرن» گفت: «در این مرکز مناقشات و دشمنى هاى سیاسى به هیچ وجه راه ندارد و حکمفرمایى همین روحیه باعث شده است این سازمان بتواند در چگونگى شکل گیرى تفکر انسان نسبت به طبیعت و آغاز جهان کمک هاى قابل ملاحظه اى داشته باشد.»
سازمان تحقیقات هسته اى اروپا که در سال1954 توسط 12 کشور بنیان نهاده شد، یکى از نخستین طرح هاى مشترک اروپایى است. مقر این سازمان در ژنو است اما آزمایشگاه بسیار عظیم آن که در زیر زمین قرار دارد، عملاً وارد خاک فرانسه مى شود. وزیر علوم سوئیس گفته است «سرن» در عین حال که یک سازمان سوئیسى است یک سازمان فرانسوى و اروپایى نیز هست. فعالیت هایى که در طول سال هاى گذشته در سازمان تحقیقات هسته اى اروپا انجام شده منجر به سه جایزه نوبل و نیز پیشرفت هاى چشمگیر در زمینه فناورى و مهندسى شده است. یکى از مشهورترین ابداعات مرکز تحقیقات هسته اى اروپا، علامت «دبلیو دبلیو دبلیو» (www) است که هر روز ده ها میلیون کاربر رایانه در سراسر جهان براى ارتباط با یکدیگر از آن استفاده مى کنند. دبلیو دبلیو دبلیو یا شبکه سراسرى جهانى در اوایل دهه 1990 به منظور ایجاد ارتباط میان متخصصان فیزیک ذرات در «سرن» ابداع شد. سازمان تحقیقات هسته اى اروپا در زمینه تکمیل شتاب دهنده هاى ذرات نیز نقش بسیار مهمى داشته است. این شتاب دهنده ها با استفاده از میدان هاى الکترومغناطیس، موج هایى از ذرات با انرژى بسیار زیاد تولید مى کنند که از آنها به عنوان ابزارى براى صنعت، داروسازى و تحقیقات استفاده مى شود. هم اکنون فعالیت هاى «سرن» عمدتاً روى تکمیل «برخورددهنده عظیم هادرون» (LHD) متمرکز است. دانشمندان انتظار دارند که با استفاده از این دستگاه فوق العاده قوى بتوانند درک انسان را از چهار نیروى بنیادى طبیعت به میزان بى سابقه اى افزایش دهند. انتظار مى رود دستگاه ال اچ دى که قرار است در سال2007 شروع به کار کند، عمیقاً به درون ماده نفوذ نموده تا این سئوال را پاسخ دهد که آیا در جهان چیزى به جز آنچه به چشم دیده مى شود، نیز وجود دارد؟
آزمایش فرانک - هرتز
بر اساس نظریه مکانیک کوانتومی می‌دانیم که دستگاه های اتمی مانند اتم هیدروژن کوانتیده‌اند و انرژی‌های مجاز گسسته‌اند بنابراین یک فوتون با انرژی h) hv ثابت پلانک و v فرکانس نور است) تنها در صورتی می تواند توسط اتم جذب شود که انرژی آن با اختلاف انرژی بین دو حالت مجاز در ساختمان اتم برابر باشد. ممکن است این سوال در ذهن ایجاد شود که آیا می‌توان انرژی یک دستگاه کوانتیده را از طریق برخورد با ذرات دیگر، مانند الکترون نیز تغییر داد. آزمایش فرانک - هرتز در مقام پاسخ گفتن به این سوال طراحی و اجرا شده است.
تاریخچه
برای نخستین بار در سال 1914 آزمایش فرانک و هرتز نشان داد که بر انگیختگی انتها توسط بمباران ذره‌ای امکان‌پذیر است و کوانتش انرژی بر این فرآیند نیز حاکم است.
آزمایش فرانک هرتز در مورد اتم هیدروژن
فرض کنید اتمهای هیدروژن ، در حالت پایه ، توسط یک باریکه انرژی از الکترونهایی که انرژی جنبشی آنها از 10.2 الکترون ولت (انرژی برانگیختگی اولین حالت برانگیخته هیدروژن) کمتر است بمباران شوند. چون اتم هیدروژن در حالت پایه نمی‌تواند انرژی خود را کمتر از این تعداد افزیش دهد الکترونها با اتمهای هیدروژن بطور کاملا کشسان برخورد می‌کنند (برخورد کشسان) و انرژی جنبشی کل ذرات خروجی در این برخورد، با انرژی جنبشی کل ذرات ورودی کاملا برابر است
. از طرف دیگر، الکترونهای تک انرژی که انرژی جنبشی آنها دقیقا برابر با 10.2 الکترون ولت است با اتمهای هیدروژن در حالت پایه برخورد می‌کنند و این برخورد می‌تواند غیر کشسان باشد. در این حالت با تبدیل انرژی جنبشی اولیه الکترون به انرژی داخلی اتم هیدروژن ، این اتم یک گذار به ترازهای بالا ، از حالت پایه به اولین حالت برانگیخته ، انجام می‌دهد. اتمهایی که به این طریق به یک حالت برانگیخته می‌رسند پس از آن می‌توانند با گسیل یک فوتون با انرژی 10.2 الکترون ولت ، به حالت پایه واپاشیده شوند.
اگر الکترونهای بمباران کننده دارای انرژی جنبشی بیشتر از 10.2 الکترون ولت باشند، نیز برخورد کشسان خواهد بود، فقط مقدار 10.2 الکترون ولت به انرژی داخلی برانگیختگی اتم تبدیل خواهد شد. انرژی جنبشی باقیمانده به صورت انژی جنبشی الکترون خروجی ظاهر میشود. با افزایش باز هم بیشتر انرژی ذرات بمباران کننده ، اتمها می‌توانند به دومین حالت برانگیخته و به حالتهای بالاتر برسند. در هر کدام از این برخوردهای غیر کشسان ، اتم فقط آن انرژی را که باعث گذار از یک تراز انرژی کوانتیده به تراز بالاتر خواهد شد، جذب می‌کند و مازاد انرژی بصورت انرژی جنبشی الکترون خروجی خواهد بود.
آزمایش فرانک - هرتز با بخار جیوه
در آزمایش اولیه فرانک - هرتز الکترونها وادار به برخورد با اتمهای بخار جیوه شدند، طول موج تابش متناظر با گذار بین حالت پایه و اولین حالت برانگیخته جیوه برابر 2536 آنگستروم است. انرژی معادل با آن برابر با 21.88 الکترون ولت است. فرانک و هرتز دریافتند که الکترونهایی با این حداقل انرژی جنبشی برای تولید برانگیختگی در اتمهای جیوه مورد نیاز هستند. این مطلب از این حقیقت استنباط شد که وقتی انرژی الکترونها از 4.88 الکترون ولت کمتر بود، برخوردها کاملا کشسان بودند، ولی وقتی که انرژی آنها بیشتر بود تعدادی برخورد غیر کشسان رخ می‌داد. در همان زمان معلوم شد که اگر ، و فقط اگر ، الکترونهایی با حداقل انرژی برانگیختگی 4.88 الکترون ولت با اتمهای جیوه برخورد کنند، اتمهای جیوه تابش 2536 آنگسترومی گسیل می‌کنند.
اهمیت تاریخی آزمایش فرانک - هرتز
اهمیت تاریخی آزمایش فرانک - هرتز در این است که ، این آزمایش نشان داد که دستگاههای اتمی کوانتیده‌اند و این موضوع ، نه فقط در جذب و گسیل فوتون ، بلکه در بمباران ذره‌ای نیز نمایان شد. در عمل می‌توان برخوردهای غیر کشسان الکترونها را از طریق اندازه گیری جریان الکتریکی ناشی از حرکت الکترونها در یک گاز مولکولی مشاهده کرد.
روشهای دیگر برای آزمایش فرانک – هرتز
روش ساده‌تر و متداولتری برای انگیختن اتمها توسط فرانک - هرتز پیشنهاد شد. در این روش از تخلیه الکتریکی توسط یک میدان الکتریکی خارجی استفاده میشود که در آن الکترونها و یونها شتاب می‌گیرند و انرژی جنبشی خیلی بالا کسب می‌کنند. این روش در عمل ، با اعمال یک اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو الکترود واقع در یک اتاقک شیشه‌ای محتوی گاز انجام میشود. از اینرو با برانگیختگی گرمایی و برانگیختگی الکتریکی طیفهای گسیلی تولید میشود.
آزمایش ماشین فواره ساز
مواد و و سایل لازم
یک عدد نی
یک بطری نوشابه
یک بطری دهانه گشاد
رنگ خوراکی
دو قطعه پارچه
خمیر مجسمه سازی
روش آزمایش
مرحله اول:
یک سر نی را در دهانه بطری نوشابه که کاملا خشک است قرار دهید.
در حالی که نی را نگه داشته اید دهانه بطری را با خمیر مجسمه سازی کاملا مسدود کنید .
سه چهارم بطری دهانه گشاد را آب بریزید.
چند قطره رنگ خوراکی در آب داخل بطری دهانه گشاد بریزید تا محلول تیره رنگی به دست آید.
بطری را بر دهانه بطری دهانه گشاد طوری بر گردانید که انتهای آزاد نی حدود 3 سانتی متر درون محلول رنگی قرار گیرد
.
یک تکه پارچه را با آب داغ خیس کرده و در بالای بطری وارونه شده قرار دهید.
مشاهده می شود که حبابهایی درون آب رنگی تشکیل می شود.
مرحله دوم:
یک قطعه پارچه خیس را به مدت 5 دقیقه در جایخی یخچال قرار دهید.
پارچه ای را که در مرحله اول بر ته بطری وارونه قرار دادید بردارید و این پارچه خیس وسرد را به جای آن قرار دهید.
مشاهده می شود که آب رنگی داخل بطری دهانه گشاد از طریق نی وارد بطری وارونه می شود.
نتایج آزمایش
در مرحله اول با قرار دادن پارچه گرم دمای هوای درون بطری در اثر گرمای پارچه افزایش می یابد و هوا منبسط می شود. سپس به صورت حبابهای هوا وارد محلول می شود .
در مرحله دوم وقتی پارچه خیس و سرد را بر ته بطری وارونه قرار می دهید سرمای پارچه دمای هوای درون بطری را کاهش می دهد و آن را سرد می کند. وقتی هوای درون بطری سرد و سپس منقبض می شود فشار آن کاهش می یابد و کمتر از فشار هوای وارد بر سطح مایع در بطری دهانه گشاد می شود. این اختلاف فشار مایع رنگی درون بطری را به درون نی می فرستد و از آنجا مایع رنگی به درون بطری فوران می کند.