آشکارساز نیم رسانا

دید کلی

توزیع الکترونها در یک جامد را می‌توان بر حسب یک سری از نوارهای انرژی که هر نوار آن افقی تعداد محدودی الکترونها را در خود جای می‌دهد تصویر کرد. پایین‌ترین نوارهای انرژی حاوی الکترونهایی هستند که پیوند محکمی با هسته اتمهایی که جسم جامد را تشکیل می‌دهند دارند. الکترونهایی که در انرژیهای بالاتر هستند آنهایی هستند که پیوند سستی به هسته‌ها دارند. در یک نیم رسانا انرژی لازم برای بالا بردن یک الکترون در فاصله شکاف انرژی بین نوارهای ظرفیتی و رسانش اندک است دادن یک الکترون به نوار رسانش نتیجه‌اش بر جای ماندن یک جای خالی در نوار ظرفیتی است و از آنجا که این جای خالی هم میدان الکتریکی متحرک است مثل الکترونی با بار مثبت است که حفره نامیده می‌شود در یک نیم رسانا مثل سولفید کادمیوم یک فوتون جذب شده تولید یک زوج الکترون و حفره می‌کند یک فوتو رسانایی نظیر این می‌تواند در یک مدار الکتریکی برای آشکار سازی تابش مورد استفاده قرار گیرد.

 

آشکار سازهای فوتو ولتایی

اگر ماده نوع n (حامل‌های اکثریت الکترونها) در کنار ماده نوع p (حاملهای اکثریت حفره‌ها) قرار گیرد، الکترونهای اضافی حفره‌ها در دور و بر پیوندگاه این دو نوع ماده ترکیب می‌یابند. این روند ترکیب ، انرژی‌های نسبی نوارهای رسانشی و ظرفیتی را تغییر می‌دهد. جریان حفره‌ها را الکترونها در پیوندگاه را متوقف می‌کند و باعث ایجاد یک میدان الکتریکی موضعی دائم در پیوندگاه می‌شوند اگر یک کوانتوم از تابش هر فردی بر منطقه پیوندگاه جذب و یک زوج الکترون و حفره تولید شده باشد. چنانچه میدان پیوندگان ، حاملان بار را پیش از اینکه بتواند دوباره ترکیب یابند، از همدیگر جدا کند آنگاه در یک مدار باز یک ولتاژ غیر صفر در دو قطبی پدیدار می‌شود و در یک مدار بسته جریان الکتریکی برقرار خواهد شد.

هرگاه یک وسیله اندازه گیری ولتاژ یا جریان به مدار افزوده شود، حاصلش یک آشکار ساز نور است. آشکار سازی که ولتاژ یا جریان را بدون هر منبع اضافی ولتاژ تغذیه می‌کند گفته می‌شود که در مد فوتوولتایی کار می‌کند. یک آشکار ساز نیم رسانا قادر است که تابش را به توان الکتریکی تبدیل کند. وسیله‌ای که این کار را به بهترین وجه انجام می‌دهد سلول خورشیدی است. این پیوندها از ماده نوع n و p که منطقه پیوندگاه بزرگ است می‌سازند. نور ورودی بر این سطح وسیع تولید زوج الکترون حفره می کند و الکتریسیته ایجاد می شود.

فوتو آشکار سازها

یکی از مزایای استفاده از نیم رساناها در مد فوتوولتایی این است که به منبع قدرت خارجی هیچ نیازی وجود ندارد ولی هرگاه که زمان پاسخ سریع و حساسیت بیشتر باشد، آنگاه یک ولتاژ تغذیه به دو قطبی اعمال می‌شود این کار میدان را در منطقه پیوندگاه افزایش می‌دهد و حجمی موسوم به لایه تهی تولید می‌کند که در آن هیچ حامل بار متحرکی وجود ندارد به سبب حضور میدان الکتریکی پاسخ زمانی چنین وسایلی را می‌توان تا 10 نانو ثانیه کاهش داد. برای افزایش دادن اندازه پیوندگاه و لذا لایه تهی بعضی اوقات دوقطبی‌هایی با یک لایه اضافی که دارای رسانندگی یکسان با مواد (خالص) هستند ساخته می‌شود. لایه‌ها در ترتیب p-i-n هستند که در آن i نماینده ذاتی است این وسیله را یک فوتو دوقطبی PIN می‌نامند.

 

فوتو دوقطبی‌های بهمنی

میان فوتو دوقطبی‌های نیم رسانای ارزان قیمت و فوتو تکثیرکنهای گران قیمت ، شکاف حساسیت بزرگی در حدود 1 آمپر بر وات تا 1000 آمپر بر وات وجود دارد این شکاف را فوتو دوقطبی‌های بهمنی که حساسیت آنها در دور 10 وبر تا 1000 آمپر بر وات است، پر می‌کنند. فوتو دوقطبی بهمنی شبیه لامپ فوتوتکثیرکن است‌، در معنای میکروسکوپی یک فوتون جذب شده تولید زوج الکترون – حفره می‌کند. هر حامل بار که بوسیله میدان مذکور مقداری شتاب می‌گیرد با شبکه بلوری نیم رسانا برخورد می‌کند. در چنین حالتی انرژی جنبشی افزایش یافته تبدیل به ایجاد زوجهای حاصل بار اضافی می‌شود مثل الکترونها در تکثیرکننده فوتونی که تولید الکترونهای بیشتری در نتیجه برخورد با داینودها می کند . این روش تکثیر بار است که نام فوتو دوقطبی بهمنی را به آن داده است.

آرایه‌های فوتو دیودی

یک آرایه دو قطبی عبارت است از یک ردیف خطی یا یک ردیف دو بعدی از دو قطبی‌هایی که به همدیگر به گونه‌ای وصل می‌شوند که مدار الکترونیکی حاصل بتواند پاسخ فوتو دوقطبی‌ها را به روالی منظم ذخیره و قرائت کند. این وسیله ترکیبی است از یک لامپ تصویر ، یک صفحه عکاسی و یک فوتو دوقطبی. ساختمان این آرایه‌ها با ساختمان یک مدار یکپارچه در مقیاس بزرگ مشابهت زیاد دارد یک آرایه فوتو دوقطبی اساساً از یک رشته فوتو دوقطبی‌ها به صورت یک خط یا یک مربع نشانده می‌شوند، تشکیل می‌یابد. خود دوقطبی‌ها یا دارای ظرفیت کوچک هستند یا همراه یک خازن ساخته می‌شوند. یک آرایه فوتو دوقطبی ثبات ، تغییر مکان - دوقطبی‌ها و خازن را به خط تصویری وصل می‌کند تا خازن را پر کرده و یک لایه تهی در دوقطبی ایجاد کند. طی نوردهی فوتونهای ورودی جذب می‌شوند و تولید زوجهای الکترون – حفره می‌کنند.

کاربردهای ویژه

آرایه فوتو دوقطبی یک تزویج عالی بین اپتیک و تکنولوژی نیم رساناها می‌باشد. از این آرایه می‌توان در کاربردهای صنعتی به عنوان یک سنجنده غیر تماسی هم برای ذخیره و اندازه‌گیری و هم برای تشخیص نقوش استفاده کرد. در بینابینی علمی کاربرد آن بصورت یک صفحه عکاسی الکترونی که دارای مزیت خطی بودن و مرتبط به کامپیوتر است رواج دارد. در زمینه‌های گرافیکی و مخابراتی می‌تواند جای تلویزیون را بگیرد، قیمت اکثر فصایل آن نسبتاً گران است بالاخص در کاربردهایی که مستلزم ذخیره کامپیوتری و نرم افزارهای مرتبط با آن است این امر مصداق می‌یابد.

آشكار سازهاي سنتيلاسيون (سوسوزن)

دو نوع آشكار ساز سوسوزن وجود دارد (1) بلورهای معدني جامد و (2) پلاستيك و مايعات آلي. در اين سوسوزنها نوع برانگيختگي متفاوت بوده ولي نتيجه نهائي يكسان است. با عبور ذرات باردار از ميان ماده انرژي از دست رفته بوسيله آنها به انرژي برانگيختگي بلورهای معدني يا برانگيختگي مولكولي مولكولهاي آلي تبديل مي گردد. انرژي برانگيختگي بصورت فلورسانس يا سوسوزني رها مي شود. تعداد فوتونهاي نوري گسيل شده در هر واقعه متناسب با انرژي از دست رفته بوسيله ذره باردار اوليه در واقعه است. وابستگي زماني گسيل فلورسانس، و لذا شكل پالس خروجي وابسته به نوع خاص ماده است.

اگر چه ماده سوسوزن از يكصد سال پيش براي آشكارسازي تابش يونساز مورد استفاده قرار گرفته، كاربرد گسترده آنها به زمان توسعه لامپ تكثير كننده نوري (فوتومولتي پلاير PMT) يعني به حدود 50 سال پيش بر مي گردد. اين لامپ خلاء اندازه گيري مقدار بسيار كم نور را امكان پذير مي سازد. در يك PMT فوتونهاي فرودي به يك فوتوكاتد برخورد مي كنند كه در اين صورت فوتوالكترون آزاد مي گردد. سپس فوتو الكترونها بطرف الكترود ديگري در پتانسيل بيشتر شتاب داده مي شوند كه در آنجا الكترونهاي برخورد كننده پرانرژي موجب گسيل الكترونهاي بيشتري مي گردند. اين فرايند تكثير الكترون در طي يك سري الكترودها، ادامه پيدا مي كند. تعداد الكترونها كه در نهايت در الكترود نهائي جمع آوري شده ممكن است. ميليونها برابر بيشتر از تعداد الكترونها باشد كه آبشار را شروع كرده اند. در اصل يك تقويت كننده فوتون به الكترون است.

يك مجموعه ويژه آشكار ساز سنتيلاتور داراي يك ماده سنتيلاسيون بسته است كه از نظر اپتيكي روي يك فوتوكاتد PMT سوار شده است. يك رشته تقسيم کننده ولتاژ (VDS) در (PMT) و يك پيش تقويت كننده جهت توليد يك پالس ولتاژ از الكترونهاي جمع آوري شده در الكترونهائي PMT بكار رفته است. اين اجزاء تشكيل دهنده معمولاً بصورت يك مجموعه به هم وصل شده اند. با بكاربردن اين آرايه معمولي، مجموعه آشكارساز يك دستگاه كاملي است كه تنها نياز به يك ولتاژ خارجي براي PMT و يك منبع تغذيه خارجي براي پيش تقويت كننده دارد. چنين مجموعه اي غالباً آشكارساز سوسوزني ناميده مي شود.

اندازه پالسهاي ولتاژ خروجي متناسب با انرژي انتقال يافته بوسيله ذرات باردار توليد شده در ماده سوسوزني است. يك پرتو گاماي نفوذي به ماده سوسوزني ممكن است انرژي خود را از طريق برهم كنش هاي فوتوالكتريك، پراكندگي كامپتون و توليد جفت انرژي خود را به سوسوزن بدهد. چنانچه همه(تمام) انرژي پرتو- گاماي فرودي به ماده سوسوزن انتقال يابد، تعداد فوتونهاي سنتيلاسيون توليد شده متناسب با انرژي پرتوگاماي فرودي مي باشد. لذا، با اندازه گيري توزيع اندازه هاي پالس يا توزيع ارتفاع پالس (PHD) توليد شده بوسيله آشكار ساز سوسوزن، توزيع انرژي پرتوهاي گاماي فرودي مي تواند ، تعيين گردد. لذا يكي از مهم ترين كاربردهاي آشكار سازهاي سنتيلاسيون اسپكتروسكوپي پرتو- گاما است. خواص آشكار سازهاي معمول سوسوزن در جدول 8-2 داده شده است.

 

 

جدول8-2: مواد معمولي سنتيلاسيون

ماده	ثابت واپاشی (نانو ثانيه  10^-9 s)	كاربردهاي عمده	توضيحات
معدني: NaI(Tl)	230	1)آشكار سازهاي پرتو x و 2)طيف سنج ها پرتو x و	1- رطوبت گير
			2- ماده با Z زياد
			3- 3 اينچ در 3 اينچ معمولترين براي پرتو
			4- قدرت تفكيك پرتو  با 6 تا 8%
			5- شكل عمودي استوانه اي معمولترين شكل، استوانه اي
			6- نوع- چاهي داراي كارآئي برجسته است.
آلي:	4/2	1)آشکارسازهای پرتوx و 2)آشکارسازهای دروازه ها و سطوح بزرگ 3) آشکارسازهای a و b و نوترونهای سریع 4) طیف سنج های b	1- غير رطوبت گير
BC-400			2- هزينه كم
NE-102			3- Z كم، حداقل اثر فوتوالكتريك
پلاستيك			4- بازدهي زياد براي ذرات باردار
			5- قابل دسترسي در اندازه ها و شكلهاي گوناگون

 

آشكار سازهاي سنتيلاسيونNaI

متداول­ترين ماده معدني سوسوزن NaI(TI) است. اين آشكارسازها در اندازه ها و اشكال گوناگوني قابل دسترسي هستند با توجه به اينكه حداكثر طول موج نور گسيل شده بوسيله اين ماده برابر 415nm است، پيدا كردن PMT هاي قابل دسترسي تجاري كه حداكثر حساسيت آنها با طيف گسيل فلورسانس منطبق باشد آسان است ثابت زماني واپاشی نسبتاً زياد معمولاً مسئله اي نيست چرا كه كارآئي بسيار زياد براي پرتو-X و پرتوگاما برتري زيادي بر پاسخ نوري آنها دارد. از آشكار سازهاي گوناگون (NaI(Tl  موجود كه براي مشخص نمودن ميدانهاي تابش پرتوگاما استفاده مي شود، آشكارساز استوانه اي دايره­اي با اندازه 3×3  اينچ، از نظر تاريخي مناسب مطلوب بوده است. اين نوع آشكار ساز  NaI(Tl)  بطور  گسترده اي بكار رفته و داده هاي كارآئي گسترده در كتابها و مجلات وجود دارد. توزيع ارتفاع پالسي معمول با)  NaI(Tl در شكل 8-6 نشان داده شده است.

با توجه به بازدهي بسيار زياد براي تابش الكترو مغناطيسي (شكل 8-7 را ملاحظه كنيد)، NaI(Tl)  بطور گسترده اي جهت اندازه گيري پرتوهاي- X و پرتوهاي –  بكار رفته است. آشكارسازهاي پرتوX-  با پنجره اي نازك حاوي آشكارساز بسيار نازك (NaI(Tl  غالباً براي اندازه گيري شدت و يا طيف انرژي  تابش الكترومغناطيسي با انرژي كم مورد استفاده قرار مي گيرد، با توجه به اينكه آشكار ساز هاي) NAI(Tl  نياز به خنك شدن ندارند، دازاي كاربردهاي زيادي هستند. كاربردهاي صحرائي با اين آشكار سازها امكان پذير است چرا كه مي توانند در مدت زمان طولاني در محيط گرم و مرطوب بكار گرفته شوند و بطور قابل ملاحظه اي در مقابل ضربه مقاومت نشان مي دهند و در مقابل تخريب تابشی هم مقاوم هستند.

اساساً براي هر كاربرد نياز به يك آشكار ساز با كارآئي زيادي پرتو گاما و با قدرت تفكيك متوسط، آشكار ساز) NaI(Tl  بوضوح انتخاب مناسبي است.

 

مقايسه سوسوزن هاي معدني

پيشرفتها در توموگرافي رایانه ای پرتو-X (CTX) و توموگرافي گسيل پوزيترون (PET) نيازهاي جديدي را در رابطه با سرعت، كارآئي، و عدد اتمي موثر سوسوزن هاي بكاررفته براي پرتوX- و فوتون نابودي را مطرح كرده است. جدول 8-3، NaI را با چند سنتيلاتورجديد معدني مقايسه مي كند.

 

جدول 8-3: مقايسه مواد معدني سوسوزن

سوسوزن	NaI(Tl)	BGO Bi4Ge3O12	LSO Lu2(SiO4)O	GSO Gd2siO5
بهره نسبي نور	100	20-15	75	25-20
طول موج قله (nm)	410	480	420	440
ثابت واپاشی (ns)	230	300	42و12	60-30
چگالي((g/cm^3	3/67	13/7	40/7	71/6
عدد اتمي موثر	51	75	66	59
ضريب شکست	85/1	15/2	82/1	85/1

 

آشكار سازهاي سوسوزن آلي

آشكارسازهاي سنتيلاسيون آلي نيز بسيار متداول هستند. وقتي كه آشكار ساز بزرگتر با هزينه كم مورد نياز باشد عالي ترين انتخاب هستند. اين سوسوزن براي طيف نهائي تابش الكترو مغناطيسي با انرژي زياد كاربردي ندارند چرا كه عدد اتمي كوچك حساسيت فوتوالكتريك آنها را محدود مي سازد. لذا، پراكندگي كامپتون از تقريباً 60keV تا 10MeV غالب است. علاوه بر آن، از آنجا كه آشكارسازها حاوي تنها هيدروژن و اكسيژن با چگالي 1/032g/cm³ باشند،  يك آشكار ساز ″نزديك معادل بافت″  تشكيل مي دهند. كاربردهاي معمول شامل دستگاههاي بازرسي قابل حمل و نقل ؛ مونيتورهاي قابل حمل و طيف سنج های ذره- بتا مي باشد.

8-3: آشكار سازهاي نيمه هادي پرتو- يونيزان

طرز كار اين آشكارسازهاي پرتو براساس جديدترين فناوري ها استوار است. تاثير اين آشكارسازها بر اندازه گيري پرتو با توجه به خواص يگانه نيمه­ هادي، مخصوصاً قدرت تفكيك انرژي برجسته آنها بسيار زياد بوده است.

 

جدول 8-4: آشكار سازهاي معمولي  نيمه هادي تابش يونساز

ماده	قدرت تفكيك انرژي(FWHM)	كاربرد اصلي	توضيحات
HPGe	2KeV در 1/33MeV 1KeV در 122KeV 0/15KeV در 5/9KeV	انرژي پرتو-X و پرتو گاما، اندازه گيري ها	1- قدرت تفكيك عالي
			2- عدد اتمي متوسط
			3- هزينه بالا با بازدهي پرتو ،  متغير است
			4- هنگام استفاده خنك شدن لازم دارد
			5- حجم كوچك
Si(Li)	0/14KeV در 5/9KeV  از ^55Fe	اندازه گيريهاي انرژی پرتو-   X (KeV پائين) و ذرات باردار  (مخصوصا α)	1- قدت تفكيك عالي
			2- عدد اتمي پائين
			3- هزينه پائين
			4- نياز به خنك شدن ندارد
			5- حجم پائين
			6- پنجره هاي ورودي نازك
تلورايد Cd/Zn/ (CZT)	1/5KeV در 122KeV از ^57CO	براي اندازه گيريهاي انرژي پرتوX- و انرژي كم پرتو	1- قدرت تفكيك خوب
			2- عدد اتمي بالا
			3 پر هزينه
			4- حداقل خنک شدن لازم دارد
			5- تنها در اندازه هاي پائين قابل دسترسي است

آشكارسازهاي جديد نيمه هادي ، پيوسته به بازار عرضه مي شوند. سه نوع از معمولترين اين آشكارسازها در جدول 8-4 توضيح داده شده اند.

 

 آشكارسازهاي نيمه هادي ژرمانيوم

دو نوع اصلي آشكارسازهاي نيمه هادي ژرمانيوم وجود دارند: (1) Ge(Li)، يك بلور ژرمانيوم همراه با رانش فاصله دار يونهاي ليتيوم براي حذف اثر، ناخالصي هاي طبيعي در بلور ژرمانيوم و (2) بلور ژرمانيوم با خلوص زياد HPGe كه اخيراً معرفي شده و در آن غلظت اتم ناخالص كمتر از 10¹⁰cm^-3 است. آشكارسازهاي گرانتر HPGe جايگزين فناوري Ge(Li) قديمي تر شده اند چرا كه مي توانند هنگامي كه مورد استفاده قرار نمي گيرند در دماي اتاق نگهداري شوند در حاليكه بلورهای Ge(Li) لازم است هميشه در دماي نيتروژن مايع نگهداري شوند.

آشكارسازهاي ژرمانيوم علاوه بر مزيت قدرت تفكيك انرژي استثنائي، براي آشكارسازي فوتونها كارآئي زياد دارند. كارآئي آنها براي پرتوهاي X- با انرژي هاي كم عالي بوده و براي پرتوهاي با انرژي گاما از 1KeV تا 10MeV خوب است. كيفيت اين آشكارسازها غالباً با NaI(Tl) و تلوريد روي (CZT)Cd/Zn مقايسه مي گردد. با توجه به عدد اتمي زيادتر و اندازه بزرگتر، آشكار سازهاي NaI(Tl) غالباً داراي كارآئي بيشتري براي پرتو گاما با انرژي زياد نسبت به آشكارسازهاي ژرمانيوم هستند ولي داراي قدرت تفكيك ضعيف انرژي مي باشند.

تولید زوج

ديد كلي

در تعبير رابطه معروف اينشتين (E = mc²) اصل هم ارزي جرم و انرژي بيان مي‌‌شود. به عبارت ديگر ، دو كميت جرم و انرژي به يكديگر قابل تبديل هستند. هرگاه تغييري در جرم حاصل شود، به وسيله تغيير ديگري در انرژي جبران مي‌‌شود. براي بررسي امكان تبديل انرژي به جرم مي‌‌توان به پديده توليد زوج اشاره كرد. به عبارت ديگر ، پديده توليد زوج مي‌‌تواند به اين پرسشها پاسخ دهد كه

• آيا مي‌‌توان از انرژي خالص ماده آفريد؟
  
  
• يا اينكه آيا مي‌‌توان انرژي سكون را به انرژي الكترومغناطيسي تبديل كرد؟
  
  البته لازم به ذكر است كه در چنين تبديلاتي بايد قوانين بقاي انرژي ، اندازه حركت و بار الكتريكي نقض نشود.

شرايط اوليه توليد زوج

در بين تمام ذرات شناخته شده ، الكترون داراي كوچكترين جرم سكون غيرصفر است و لذا كمترين انرژي براي توليد آن مورد نياز است. اما مي‌‌دانيم كه فوتون ذره‌اي بدون بار است، در حالي كه الكترون ذره‌اي باردار است. بنابراين براي اينكه قانون بقاي بار الكتريكي نقض نشود، علاوه بر الكترون بايد ذره باردار ديگري كه بار الكتريكي آن به اندازه بار الكتريكي الكترون با علامت مخالف است، ايجاد شود. اين ذره را پوزيترون مي‌‌گويند كه به آن پادذره الكترون نيز گفته مي‌‌شود.

الكترون و پوزيترون به جز از نظر علامت بارها ، از هر نظر ديگري به هم شبيه هستند. بنابراين اگر جرم سكون الكترون و پوزيترون را m_0 بگيريم، كمترين مقدار انرژي فوتون آفرينش يك زوج الكترون و پوزيترون ، با لحاظ كردن قانون بقاي انرژي برابر 2m0C² خواهد بود و چون انرژي سكون الكترون يا پوزيترون با لحاظ كردن مقادير جرم الكترون و سرعت نور برابر 0،51 ميليون الكترون ولت است، لذا كمترين مقدار انرژي فوتون يا به اصطلاح انرژي آستانه براي توليد بايد برابر 1،02 ميليون الكترون ولت باشد. بر اين اساس زوجهاي الكترون فقط به وسيله فوتونهاي اشعه گاما يا فوتونهاي اشعه ايكس كه طول موج خيلي كوتاهي دارند، قابل توليد است.

توليد زوج با انرژيهاي بيشتر از انرژي آستانه

اگر انرژي يك فوتون بيشتر از انرژي آستانه براي توليد زوج الكترون و حفره باشد، مازاد انرژي (يعني تفاضل انرژي فوتون و انرژي آستانه) به صورت انرژي جنبشي زوج آفريده شده ، ظاهر مي‌‌شود. اين انرژي مجموع انرژي جنبشي الكترون و پوزيترون است.

امكان توليد زوج در فضاي تهي

مي‌‌توان ثابت كرد كه در توليد ذره و پادذره انرژي و اندازه حركت بطور همزمان نمي‌‌توانند پايسته بمانند، مگر اينكه فوتون در نزديكي ذره سنگيني ، همچون هسته يك اتم باشند. به بيان ديگر ، پديده توليد زوج در فضاي تهي غيرممكن است. به عنوان مثال ، فرض مي‌‌كنيم كه در يك فضاي تهي ، فوتون ناپديد شده و يك زوج الكترون و حفره آفريده شود.

همچنين فرض كنيد كه ناظر نسبت به مركز جرم الكترون و پوزيترون ساكن است. در اين صورت اندازه حركت كل الكترون و پوزيترون نسبت به اين ناظر صفر خواهد بود. اما فوتوني كه زوج را توليد مي‌‌كند، در اين چارچوب مرجع داراي اندازه حركت غير صفر خواهد بود، چون فوتون در هر چارچوب مرجعي همواره با سرعت C حركت مي‌‌كند. بنابراين بايد قبل از برخورد اندازه حركت فوتون را داشته باشيم، نه اندازه حركت خالص بعد از برخورد را. بطور خلاصه ، يك فوتون نمي‌‌تواند خودبه‌خود در فضاي تهي به يك زوج الكترون _ پوزيترون واپاشيده شود.

آشكارسازي زوج الكترون و پوزيترون

به دليل اثرهاي يونشي كه ذرات باردار هنگام حركت خود در گاز توليد مي‌‌كنند، مسير حركت آنها قابل روئيت است. حال اگر در اين محيط يك ميدان مغناطيسي اعمال شود، در اين صورت پوزيترون و الكترون به دليل داشتن بارهاي الكتريكي مخالف در قوسهاي دايره‌اي با جهتهاي مخالف منحرف مي‌‌شوند. بنابراين مسير الكترون و پوزيترون قابل مشاهده خواهد بود.

كشف پوزيترون

وجود پوزيترونها در سال 1307 – 1928 توسط ديراك بطور نظري پيشگويي شد. چهار سال بعد اندرسون (C.D. Anderson) در جريان مطالعاتش روي تابش كيهاني ، پوزيترون را مشاهده و مشخص كرد. كمي ‌بعد از آن بوسيله شتابدهنده‌هاي ذره كه با چند ميليون الكترون ولت كار مي‌‌كردند، زوجهاي الكترون و پوزيترون در آزمايشگاه توليد شدند. امروزه مشاهده زوجهاي الكترون و پوزيترون در برهمكنش فوتونهاي با انرژي بالا و ماده يك پديده عادي به شمار مي‌‌روند. در سالهاي 1334 – 1955 براي نخستين بار زوجهاي پروتون _ پادپروتون و نوترون _ پادنوترون در آزمايشگاه آفريده شدند.

منبع: رشد

اثر کامپتون و فوتوالکتریک

پديدة كامپتون و فوتو الکتریک

پديدة كامپتون


يكي از بهترين آزمايشاتي كه به وسيله آن مي توان خاصيت ذره اي نور را مشاهده كرد و دريافت، اثر كامپتون است. اين پديده را كه نمي توان آنرا در پرتو فيزيك كلاسيك توجيه كرد آرتور هالي كامپتون در سال 1922 كشف كرده است. وي طي آزمايشي نشان داد كه با تابيدن نور با بسامد (رنگ) مشخص بر سطح فلزي براق، الكترون ها و فوتون ها به صورت ذره اي با يكديگر برخورد مي كنند.

با ابعادي ريزتر به اين اثر نگاه مي كنيم: در هنگام تابش يك فوتون به الكترون آزادي كه در سطح فلز قرار دارد برخورد مي كند و بخشي از انرژي خود را به الكترون مي دهد كه طي اين برخورد ذره را از مسير خويش منحرف كرده و به آن انرژي منتقل مي كند (شكل 1):

(شكل 1)

پس از اين برخورد بدليل اينكه اندازه حركت ثابت مي ماند فوتون تخريب مي شود كه اين تخريب با كاهش انرژي يا تغيير بسامد (رنگ) فوتون مي باشد. كه مقدار اين تغيير بسامد را مي توان با توجه به رابطه زير محاسبه كرد.(شكل 2)

(شكل 2)

از طرفي همانطور كه گفته شد انرژي ذره افزايش پيدا مي كند كه نتيجة اين افزايش انرژي، افزايش سرعت ذره مي باشد. (شكل 3)

(شكل 3)

با محاسبه انرژي فوتون پس از برخورد و با داشتن معلوماتي چون جرم الكترون، سرعت نور، انرژي ابتدايي فوتون مي توان زاويه انحراف الكترون را بدست آورد.(شكل 4)

(شكل 4)

ممكن است در برهم كنش فوتون با ماده همه انرژي فوتون به ماده منتقل شود و يا اينكه فوتون جذب الكترون شود:

 

اثر فوتوالكتريك:


اين اثر كه حالتي خاص از پديده كامپتون است يكي از 4 مقاله2 تكان دهنده اي بود كه آلبرت اينشتين3 در سال 1905 نوشت. البته تحقيقات اوليه اين اثر را هرتز4 در سال 1887انجام داد. هاينريش رودلف هرتز دانشمند آلماني كه سالهاي زيادي از عمر علمي خود را صرف تحقيقات بر روي امواج كرد آغازگر كشف اثري بود كه بعدها يك پايه استوار تجربي براي نظريه مكانيك كوانتوم و ذره ذره يا گسسته بودن انرژي شد.
هاينريش هرتز در حالي كه سرگرم مطالعات امواج الكترومغناطيس بود متوجه اين موضوع شد كه با تاباندن نور با طول موج هاي كوتاه يا ماورا بنفش به سطح كلاهك فلزي الكتروسكوپي با بار منفي باعث تخليه شدن كلاهك فلزي مي شود.
همانطور كه گفته شد كار بر روي اين اثر و توجيه آن در پرتو نظريه كوانتوم كه در آن روزها يك تئوري نوپا بود، به همت آلبرت اينشتين جوان انجام شد كه دستاوردي بزرگ براي او و علم فيزيك به همراه داشت. اينشتين به واسطه توجيه اين پديده نوبل فيزيك را از آن خود كرد و فيزيكدانان به نظريه بزرگ كوانتوم جدي تر از قبل نگاه كردند.
اين پديده مي گويد كه اگر برسطح فلزي براق نور بتابانيم مشاهده مي كنيم كه در فركانسي خاص و ويژه الكترونها از سطح فلز جدا مي شوند.(شكل 5)

(شكل 5)

حال اگر در محفظه اي ايده آل در مقابل سطح فلزي كه در حال گسيل كردن الكترون است (كاتد) قطعه اي آندي قرار دهيم. مي بينيم كه جريان الكتريكي ايجاد مي شود. كه به آن جريان فوتوالكتريكي مي گوييم. حال بايد ببينيم چه عواملي در اين پديده وجود دارد كه موجب مي شود تا براي توجيه آن به مكانيك كوانتوم رجوع كنيم.

آ - در اين پديده مشاهده مي شود كه شدت جريان فوتوالكتريكي ايجاد شده مستقل از شدت نور مي باشد و فقط به بسامد (رنگ) نور بستگي دارد. اين مشاهده در حالي انجام شد كه ماكس پلانك5 فيزيكدان بزرگ آلماني به تازگي با توجه به تابش جسم سياه اثبات كرده بود كه انرژي بر خلاف تصور مكانيك كلاسيك ماهيت كوانتايي يا ذره ذره دارد. كه مقدار انرژي نور تنها به بسامد بستگي داشته و از شدت آن مستقل است. اين مشاهده از پديده فوتوالكتريك به وسيله فرمول پلانك يا بطور كلي تئوري كوانتوم قابل توجيه بود

ب- هر كاتد داراي يك فركانس ويژه مي باشد بطوري كه اگر بسامد نور تابانده شده از اين فركانس ويژه يا بسامد آستانه كمتر باشد هيچ جريان فوتوالكتروني ايجاد نخواهد شد و اين آستانه براي فلزهاي مختلف متفاوت است. اينشتين با در نظر گرفتن كوانتومهاي انرژي نشان داد كه هر فوتون انرژي الكترون را به اندازه معين افزايش مي دهد پس بديهي است كه مقدار انرژي كه صرف جدا كردن الكترون مي شود از فلزي به فلز ديگر فرق كند، اما نبايد به انرژي الكترون بستگي داشته باشد

برخورد نوترون با ماده

روش برخورد نوترون با ماده :
1) پراکندگی
2) جذب
3) فعالسازي نوترونی

1) پراکندگی :
نوترون ها پس از برخورد با هسته ها ممکن است به طور کشسان یا
ناکشسان پراکنده شوند . در حالتی که برخورد ناکشسان است بخشی
از انرژِ جنبشی به هسته ي هدف منتقل می شود و آن را به حالت
برانگیخته می برد و سپس این انرژي برانگیختگی به صورت یک
فوتون گاما از هسته گسیل می شود .
محتمل ترین بر هم کنش ین نوترون هاي تند و مواد با عدد اتمی پایین
پراکندگی کشسان است . با بکاربردن قوانین پایستگی می توان نشان
داد که انرژي نوترون پراکنده پس از یک برخورد سر به سر چنین می
شود .

2) جذب
نوترون هاي تند اگر با موادي که اعداد اتمی پایین دارند بر هم کنش کنند به سرعت
انرژیشان را از طریق برخورد هاي کشسان از دست میدهند. نوترون ها هر چه به
انرژي هاي گرمایی نزدیکتر می شوند احتمال گیراندازیشان توسط هسته ي جاذب
بیشتر می شود . هنگامی که انرژي نوترون خیلی کم می شود سطح مقطع جذب
بسیاري از هسته ها با جذر انرژي جنبشی نوترون و بنابراین با سرعت نوترون نسبت
عکس پیدا می کنند .
3) فعالسازي نوترونی
فعالسازي نوترونی عبارتست از تولید یک نوع ایزوتوپ پرتوزا از طریق جذب نوترون.
فعالسازي بدین معنی است که هر ماده اي که تحت تابش نوترون قرار می گیرد ممکن
است به ماده اي پرتوزا تبدیل شود یعنی پس از خاتمه ي تابش نوترون هم ممکن
است خطر تابش همچنان باقی بماند. همچنین با استفاده از فعالسازي میتوان به
روش ساده اي شار نوترون ها را اندازه گیري کرد.
آهنگ واپاشی - آهنگ تولید = آهنگ افزایش اتم هاي پرتوزا

برهم كنش هاي تابش با ماده

در محيطي زندگي مي كنيم كه با ريزش تابش همراه است. تابش گسيل شده بوسيله هسته های پرتوزا، در داخل يا خارج از بدن، با بافتهاي ما برهم كنش مي دهد. تابش الكترومغناطيسي با كليه طول موجها، شامل امواج راديوئي، امواج ميكروني (ميكروويوها)، رادار و نور ساخته شده توسط انسان و همچنين با منشاء طبيعي، بطور ثابت ما را بمباران مي كنند. در جهان ما تعداد فوتونها بسيار بيشتر از ماده بوده، براي هر نوكلئون تقريباً 10⁹ فوتون وجود دارد.

 پرتوهاي كيهاني و بقايای اجزای اتمي كه آنها در طي برهم كنش ها در اتمسفر توليد مي كنند نيز، با ما برخورد مي نمايند. نوترينوها از واكنش هاي گداخت در ستارگان با آن تعداد در جهان منتشرمي شوند كه ميلياردها بر ثانيه از آنها از ميان هر سانتيمتر مربع از پوست ما عبور مي كنند. خوشبختانه عبور بخش اعظم اين تابش همچون نوترونيوها و امواج راديوئي از ما بی خطر است. تابش هاي ديگر همچون نور و تابش الكترومغناطيس با طول موج بلند معمولاً با بافتهاي ما برهم كنش بی خطر مي دهند. با وجود اين، تابش الكترو مغناطيسي با طول موج كوتاه (نور ماوراء بنفش، پرتو هاي X و پرتوهاي گاما) و ذرات باردار توليد شده بوسيله برهم كنش ها مي توانند با درجات گوناگون سلولهاي ما را تخريب نمايند.

جهت تخريب بيولوژيكي، ابتدا لازم است اين تابش براي يونيزه نمودن اتمهاي سلولي بر هم كنش دهد كه بنوبه خود، پيوندهاي مولكولي را تغيير داده و شيمي سلولها را عوض مي كند. بهمين صورت، جهت تخريب در مواد ساختاری و الكتريكي، لازم است موجب بر هم كنش هائي گردد كه پيوندهاي كريستالي و مولكولي را بشكند. چنين تابشي بايد قادر به توليد زوج هاي يون- الكترون بوده و تابش يونيزان خوانده می شود. تابش يونيزان خود به دو دسته تقسيم مي گردد : تابش يونيزان مستقيم كه بر هم كنش آنها موجب يونيزاسيون و برانگيختگي ماده مي گردد و تابش يونيزان غير مستقيم كه نمي تواند اتمها را يونيزه كند ولي موجب برهم كنشهائي می گردد كه محصولات باردار آنها بنام تابش ثانوي، مستقيماً باعث يونيزاسيون مي شود. ذرات باردار با حركت سريع همچون، ذرات آلفا، ذرات بتا و پاره هاي شكافت مي توانند ماده را يونيزه كنند. ذرات خنثي، همچون فوتونها و نوترونها، نمي توانند بصورت كولوني، با الكترونهاي ماده ای که از آن عبور مي كنند بر هم كنش دهند آنها موجب بر هم كنش هائي مي شوند كه در طی آن مقداري انرژي جنبشي فرودي خود را به ذرات باردار ثانوي منتقل مي كنند. در اين فصل، چگونگي بر هم کنش اين دو نوع تابش يونساز با ماده را ارائه خواهيم داد، همچنين بر چگونگي تضعيف اين تابش ها هنگام عبور از ميان ماده و كمي سازي آهنگ بر هم کنش آنها و انتقال انرژی به ماده تأکيد ويژه شده است.

 

7-1: تضعيف باريكه هاي ذره خنثي

در برهم كنش يك فوتون يا نوترون با محتواي تشكيل دهنده يك ماده نيروهاي با برد محدود حكم فرما است. در نتيجه، ذرات خنثی بر عكس ذرات باردار، در خطوط مستقيم در ميان يک ماده حركت كرده، و بوسيله بر هم كنش هاي "نقطه اي" گاه به گاه كه در آن ذره خنثي ممكن است جذب يا پراكنده شده يا موجب واكنش نوع ديگر گردد، متوقف می شود. برهم كنش ها طبيعتاً ضمني هستند، يعني فاصله مسافرت بين برهم كنش ها با ماده را تنها می توان تا حد ميانگيني يا حس قابل منتظره ای ، پيش بيني کرد.

بر هم كنش يك نوع معلوم تابش خنثي با ماده ممكن است بر طبق نوع برهم كنش و ماده ای كه با آن برهم كنش انجام مي­پذيرد طبقه بندي گردد. برهم كنش ممكن است با يك الكترون انجام پذيرد، و در بسياري از حالات رفتار الكترون همانند حالتي است كه الكترونها آزاد باشند. مشابه آن برهم كنش ممكن است با هسته­اي انجام پذيرد كه در بسياري از موارد همانند حالتي است كه در يك مولكول يا شبكه كريستالي پيوند نباشد. با وجود اين، در برخی از موارد  بويژه براي ذرات تابشی با انرژي نسبتاً پائين، پيوند مولكولي يا شبكه اي بايد در نظر گرفته شوند.

برهم كنش ممكن است يك پراكندگي تابش فرودي به همراه تغييري در انرژي آن باشد. يك برهم كنش پراكندگي ممكن است کشسان يا ناکشسان باشد. بعنوان مثال، برهم كنش يك فوتون گاما، با الكترون كه پراكندگي كامپتون خوانده می شود در نظر بگيريد، بر هم کنش با کل اتم در حالتي كه الكترون در داخل آن پيوند است، بايد کشسان باشد، چرا كه مقداري از انرژي فوتون فرودي بايد انرژي بستگی الكترون در اتم را جبران نمايد. با وجود اين،  در بسياري از حالات عملي، انرژي هاي بستگی الكترون بطور قابل ملاحظه اي پائين تر از انرژي هاي فوتون-گاما بوده و برهم كنش ممكن است بصورت يك پراكندگي کشسان خالص فوتون بوسيله يك الكترون آزاد در نظر گرفته شود. پراكندگی نوترون بوسيله يك هسته اتمي ممكن است کشسان باشد كه در اين حالت انرژي جنبشي نوترون فرودي با انرژی جنبشی نوترون پراكنده و هسته پس زن شريك است، يا ممكن است ناکشسان باشد، كه در اين حالت، انرژي جنبشي نوترون فرودي به انرژي داخلي هسته و از آنجا به يك پرتو گامای، گسيل يافته از هسته برانگيخته، انتقال يابد. لازم است توجه نمود كه براي هر دو حالت پراكندگي کشسان و ناکشسان، روابط منحصر بفردي بين تبادلات انرژي و زواياي پراكندگي از بقاء انرژي و تکانه خطي ظهور مي كند.

انواع ديگر برهم كنش ها طبيعتاً جاذب هستند. هويت ذره فرودي از بين رفته و تکانه نسبيتي كل و انرژي باقي مانده ، مقداري بصورت انرژي برانگيختگي هسته اي، مقداري بصورت انتقالي، ارتعاشي و انرژي چرخشي ظاهر مي شوند. نتيجه نهائي ممكن است گسيل تابش خاص به همان صورتي كه در پديده فوتوالكتريك و گیراندازی تابشی نوترون رخ  مي دهد باشد.

بحث در اين بخش به چگونگي تضعيف باريكه­اي از تابش با عبور از ميان ماده بطور مساوي براي نوترونها و فوتونها مي پردازد. در بخشهاي بعدي، توضيحات مخصوص هر نوع بر هم كنش هاي مستلزم  تابش خنثي و تابش ويژه- ماده داده مي شود. مفهوم ضريب بر هم كنش براي توضيح چگونگي برهم كنش ذرات- تابش با ماده معرفي گرديده، و سپس آنرا براي كمي سازي تضعيف باريكه اي  از ذرات خنثي با عبور از ميان بعضي از مواد بكار مي بريم.

مواد پرتوزا و تابش هاي هسته اي

 

 

مقدمه:

اين مقاله شامل سه بخش كلي مي باشد كه به ترتيب خاصي و به صورت تدريجي كنار يكديگر قرارگرفته اند، قسمت اول تاريخچه كوتاهي را از كشف راديواكتيويته بيان مي كند كه با معرفي چهاردانشمند با نام هاي هانري بكرل، ماري كوري، ارنست رادرفورد و پل اوريچ ويلارد همراه است، در قسمت اول تحقيق(تاريخچه) ارنست رادرفورد بيش تر مورد توجه و بوده و قسمتي از زندگي وي و تحقيقات او بيان شده است.

قسمت دوم اين تحقيق به معرفي مواد پرتوزا، اصطلاحات راجع به اين موضوع، ماهيت پرتوهاي آلفا، بتا و گاما، واپاشي و قانون سدي مي پردازد كه سعي شده است درمورد همه مفاهيم و مباحث جزيي بحث و نتيجه گيري شود و بلاخره در قسمت سوم گفتار حاضر از تريتيم به عنوان يك عنصر راديواكتيو نام برده شده، آن را معرفي كرده ايم، ميزان خطرات آن و روش اندازه گيري خطرات را نيز بيان نموده ايم تا به عنوان يك مثال همه مفاهيم روي آن كار شود.

اميدوارم از خواندن اين مقاله شيرين، لذت ببريد...

 

تاريخچه كشف مواد پرتوزا

هانري بكرل، دانشمند فرانسوي، زماني كه مشغول تحقيق بر روي مواد داراي خاصيت فسفرسانس بود متوجه شد كه تاثير نور مرئي و سنگ معدن اورانيوم(سولفات پتاسيم اورانيوم) بر روي يك فيلم عكاسي بسته بندي شده همانند است   ( بعدها مشخص شد كه سنگ معدن اورانيوم از خود پرتوهاي آلفا و گاما گسيل كرده و چون پرتوهاي گاما همان پرتوهاي X پرانرژي هستند و از جنس نور يا امواج الكترومغناطيسي اند، بنابر اين اورانيوم، چنين تاثيري بر روي فيلم عكاسي بسته بندي شده وي گذاشته)، در همين حين ماري كوري خاصيت پرتوزايي را كشف كرد و با تعداد محدودي ماده پرتوزا مانند پولونيم(فلز ضعيف) و راديم(فلز قليايي خاكي) آشنا گرديد و نام هاي كنوني چون راديواكتيو(پرتوزا) يا راديواكتيويته(پرتوزايي) را وي برگزيد ومنتشر ساخت، در آن زمان، اطلاعات بشر در مورد اين مواد بسيار كم بود و رادرفورد در پي اكتشافات تازه اي درمورد اين مبحث نوين بود.

ارنست رادرفورد در سال 1895 به �آزمایشگاه کاونديش� دانشگاه کمبريج آمد تا در آنجا تحت مديريت �جی.جی امسون� مشغول به کار شود، تامسون که استاد فيزيک تجربی بود، رادرفورد را فعالانه در آزمايشگاه به کار گرفت، رادرفورد در اوايل کار تحقيقاتی خود با انجام آزمايشي که فکر آن از خود وی بود دو تابش راديواكتيو ناهمانند شناسايي کرد، او پی برد که بخشی از تابش با برگه ای به ضخامت يك پانصدم سانتی متر قابل ايستادن بود اما برای متوقف کردن بخش ديگر برگه های بس ضخيم تری لازم بود. او اولين اشعه ای را که تابشی با بار الکتريکی مثبت و يونيزه کننده ای قوی بود و به سهولت در مواد جذب می شد اشعه آلفا نام داد. اشعه دوم را که تابشی با بار الکتريکی منفی بود و تشعشع کمتری ايجاد می کرد اما قابليت نفوذ آن در مواد زياد بود را اشعه بتا ناميد. تابش نوع سومی که شبيه پرتوهای ايکس بود، در سال 1900 بوسيله پل اوريچ ويلارد (فيزیکدان فرانسوی) کشف شد، اين پرتو نافذترين تابش را داشت. طول موج آن بسيار کوتاه و فرکانس آن فوق العاده زياد بود تابش جديد، پرتو گاما نام گرفت. رادرفورد و همکارانش کشف کردند که فعاليت تشعشعی طبيعی مشهود در اورانيوم: فرآيند خروج ذره آلفا از هسته اتم اورانيوم بصورت يک هسته اتم هليم و بر جای ماندن اتمی سبکتر از اتم اورانيوم در اورانيوم به ازاء هر خروج ذره آلفا از آن است از کشف آنها نتيجه گيری شد که راديوم تنها عنصر از شرته عناصر حاصل از فعاليت تشعشعی اورانيوم است.
رادرفورد در سال 1904 نخستين کتاب خود به نام فعاليت تشعشعی را که امروزه از کتب کلاسيک نوشته شده در آن زمينه شناخته می شود را منتشر کرد  و به سرعت دست به کار تدوين نظريه های تازه در باره ساختار اتم شد. آن دوره پر ثمرترين دوره زندگی دانشگاهی او بود رادرفورد به پاس کوشش های علمی خود در دانشگاه منچستر نشان ها و جوايز زيادی دريافت کرد که دريافت جايزه نوبل سال 1907 در شيمی نقطه اوج آن بود. اين نشان افتخار را البته برای کارهايی که در کانادا در زمينه فعاليت تشعشعی عناصر کرده بود به او دادند، بزرگترين دستاورد رادرفورد در دانشگاه منچستر کشف ساختار هسته اتم بود پيش از رادرفورد اتم به گفته خود او يک موجود نازنين سخت و قرمز و يا به حسب سليقه خاکستری بود اما اينک يک منظومه شمسی بسيار ريز متشکل از ذرات بی شمار بود که مظنون به نهفته داشتن اسرار ناگشوده متعدد ديگر در سينه هم بود.
رادرفورد در سال 1937 در اثر يک فتق محتقن(گونه ای تورم ناشی از انسداد اعضای درونی) در گذشت او در آن هنگام 66 ساله و هنوز سرزنده و قوی بود سهم رادرفورد در شکل گيری درک کنونی ما از ماهيت ماده از هر کس ديگری بيشتر است و به همين علت، او را پدر انرژی هسته ای ناميده اند.

 

ماده پرتوزا چيست؟

ماده پرتوزا ماده اي است كه طي يكسري فعل و انفعالات خاص در هسته ي اتم هاي خود، پرتوها يا تابش هاي خاصي را گسيل مي كند، همه مواد طبيعي يا مصنوعي قابليت پرتوزايي ندارند و اين قابليت فقط در موادي مشاهده مي شود كه هسته اي ناپايدار دارند و براي تبديل شدن به يك تركيب پايدار از خود پرتوهايي را گسيل مي كنند.

تابش هاي هسته اي به طور كلي به سه دسته ي پرتوهاي آلفا، بتا و گاما تقسيم مي گردند. هر ماده ي راديواكتيو پرتوهاي مشخصي را گسيل مي كند، به طور مثال: هسته اتم هاي راديوكربن و راديو استرانسيوم پرتو بتا گسيل مي كنند، هسته هاي راديوكبالت پرتوي بتا و پرتوي گاما تشعشع مي كنند و هسته هاي راديوم و اورانيوم پرتو آلفا و پرتوي گاما گسيل مي كنند، بنابر اين مي توان نتيجه گرفت كه هر ماده اي قابليت پرتوزايي ندارد و موادي كه قابليت پرتوزايي دارند، از بين پرتوهاي آلفا، بتا و گاما فقط تعداد خاص و مشخصي را گسيل مي كنند و همانطور كه در مثال هاي گذشته اشاره شد،  به طور مثال، هسته هاي راديوكبالت پرتوهاي بتا ساطع مي كنند و اين هسته ها قابليت صادركردن پرتوهاي آلفا و گاما را ندارند و در گسيل تابش هاي هسته اي محدود مي باشند.

مواد راديو اكتيو شامل دو دسته هستند، ا- ماده پرتوزاي طبيعي و 2- ماده پرتوزاي مصنوعي

ماده پرتوزاي طبيعي آن دسته از مواد پرتوزا است كه در طبيعت به صورت ذاتي وجود دارند و انسان در به وجود آمدن آن ها هيچ نقشي ندارد.

و ماده پرتوزاي مصنوعي آن دسته از مواد پرتوزا را شامل مي شود كه ساخته دست انسان هستند و براي توليد آن ها، انساني تلاش كرده است.

اين نوع دسته بندي در برخي كتب جزو قوانين سدي بيان شده است(مانند كتاب شيمي عمومي تاليف غلامرضا قاضي مقدم، توضيحات بيش تر در فسمت منابع) اما در برخي ديگر به صورت مجزا آمده است.

پرتوهاي آلفا، بتا و گاما داراي جنس، بارالكتريكي، قدرت نفوذ و انرژي متفاوتي هستند و منشا و مبدا هركدام نيز ممكن است متفاوت باشد.

در واكنش هاي هسته اي ماده اي كه پرتو گسيل مي كند را ماده مادر يا ماده اوليه مي نامند و فرآورده يا آن ماده اي كه پس از واپاشي بر جاي مي ماند را ماده دختر مي نامند.

نيمه عمر مواد راديواكتيو، يك عنصر، مدت زماني است كه طول مي كشد تا يك ماده پرتوزا نيمي از قدرت خود را از دست بدهد، به طور مثال نيمه عمر كربن-14 حدود 5600 سال مي باشد يا اورانيم 238 داراي نيمه عمر 5 ميليارد سال است، يعني 5 ميليارد سال طول مي كشد تا اورانيوم 238 نيمي از خاصيت راديواكتيويته خود را از دست دهد، پس بنابراين يك عنصر اورانيوم 238 حدود 10 ميليار سال طول مي كشد تا به طور كلي خاصيت راديواكتيويته خود را از دست دهد.

از آنجايي كه مواد پرتوزا قابليت نفوذ در بافت هاي زنده را نيز دارند، بنابر اين ميزان تابش هاي هسته اي اطراف ما همواره مي بايست آزمايش و بررسي شوند كه اين كار(اندازه گيري ميزان پرتوهاي الفا، بتا و گاما در اطراف زندگي) توسط دستگاهي به نام گايگر-مولر اندازه گيري مي شود كه اين نام از نام سازندگانش اقتباس شده است.

 

ماهيت پرتوهاي آلفا، بتا و گاما

 

 

 

هر سه نوع تابش هسته اي داراي خصوصيات متفاوتي نسبت به يكديگر هستند و مشخصه اي ويژه خود دارند كه برخي مشخصات بارز آنها را پي ميگيريم:

در مقايسه ي قدرت نفوذ پرتوهاي آلفا و بتا و گاما رادرفورد مشاهده نمود كه:پرتوهاي آلفا توسط ورقه اي از كاغذ متوقف مي شوند و قابليت نفوذ درون ورقه كاغذ را ندارند يا به عبارت ديگر نمي توانند از كاغذ عبوركنند. پرتوهاي بتا از ورقه ي كاغذي عبور كرده اما در برخورد با ورقه ي آلومينيومي با ضخامت 1.16 اينچ متوقف مي شوند و بلاخره پرتوهاي گاما كه قابليت نفوذ در يك ديوار بتوني ضخيم را دارا مي باشد اما نمي توانند از ورقه اي سربي با ضخامت بسيار زياد عبوركنند، بنابراين از اين مشاهدات مي توان نتيجه گرفت كه پرتوهاي آلفا قدرت نفوذي كم تر از پرتوهاي بتا و پرتوهاي بتا قدرت نفوذي كم تر از پرتوهاي گاما دارند. در بين تابش هاي هسته اي پرتوهاي گاما داراي قدرت نفوذ بيش تري هستند اما ذكر اين نكته لازم است كه نافذترين پرتوهاي جهان، پرتوهاي كيهاني هستند كه قابليت نفوذ در يك كوه را نيز دارند و به طور نامحسوسي همواره از اعماق ميان ستاره اي يا شراره هاي خورشيد  زمين را بمباران مي كنند و در اعماق زمين نفوذ مي كنند.

تابش هاي هسته اي از نظر جنس و بارالكتريكي تفاوت هاي محسوسي دارند، پرتوهاي الفا داراي بار مثبت هستند و از جنس هسته مثبت اتم هليم مي باشند و جرمي 4 برابر جرم هيدروژن يعني در حدود 4 a.m.u جرم دارند اين پرتوها به سهولت در مواد جذب مي شوند و يونيزه كننده اي قوي محسوب مي گردند، پرتوهاي بتا به طور كلي از جنس ذرات مي باشند، ذرات با بار الكتريكي منفي و همچنين ذرات با بار الكتريكي مثبت(ضدالكترونها يا همان پوزيترون ها)، بتاي منفي از جنس الكترون ها بوده و بار منفي دارد، بتاي مثبت در مقايسه با بتاي منفي فقط و فقط در نوع بارالكتريكي تفاوت دارد و  درواقع ، پوزيترون ها يا همان ذرات بتاي مثبت همان الكترون ها هستند با اين تفاوت كه با آن ها مثبت شده است.

هنگامي كه پوزيترون ها با يك ماده(هدف) برخورد مي كنند، با الكترون هاي درون ماده واكنش داده و هر دو از بين رفته و جرقه اي از گاما زده مي شود.

پرتوهاي گاما از نظر بارالكتريكي، خنثي هستند و هيچ گونه باري ندارند اين ذرات از جنس امواج الكترو مغناطيس يا هان نور هستند و در واقع همان پرتوهاي X پرانرژي مي باشند. پرتوهاي گاما داراي طول موج بسيار كوتاه و فركانس فوق العاده زيادي مي باشند و به دليل اينكه طول موج كمي دارند مي توان نتيجه گرفت كه انرژي فوق العاده زيادي را شامل مي شوند.

 

واپاشي پرتوهاي آلفا، بتا و گاما

واپاشي يكي از خواص مواد راديواكتيو يا پرتوزا ميباشد كه در طي يك واپاشي از يك ماده راديواكتيو پرتوهاي مشخصي واپاشيده مي شوند.

معمولا هسته ها ي اتم هايي از خود پرتوي آلفا گسيل مي كنند كه عدد جرمي آن ها بيش از 15 و عدد اتمي آن ها بيش از 82 باشد. در اتم هايي كه هسته هاي سبك تري دارند احتمال واپاشي آلفا بسيار كم است.

واپاشي بتايي متداول ترين نوع واپاشي مي باشد كه تقريبا تمام اتم هايي كه ناپايداري دارند، قابليت گسيل پرتوهاي بتا را دارند و مي توانند پرتوهاي بتا از خود ساطع كنند. واپاشي بتا مشتمل بر گسيل مستقيم يك الكترون از هسته است و در هنگام گسيل پرتوي بتا، به عدد اتمي ماده پرتوزا يك واحد افزوده مي شود، به طور مثال در گسيل بتا از هسته يك اتم هليوم (هليون)، علاوه بر اينكه هليم به پرتوي بتا و ليتيوم-6 تبديل مي شود، عدد اتمي آن نيز از 2 به 3 مي رسد(تغييرات مواد پرتوزا پس از واپاشي در قوانين سدي مورد بررسي قرار مي گيرد كه در ادامه به آن نيز اشاره خواهد شد).

هسته ي يك اتم مي تواند به طرق و روش هاي مختلف، برانگيخته شود و پس از برانگيختگي امواج الكترومغناطيس ازجنس نور گسيل كند كه بسته به سطح برانگيختگي مي تواند از امواج الكترومغناطيس با انرژي كم تا پرتوهاي گاما گسيل شود.

 

قانون سدي

قانون سدي به بررسي تغييرات يك ماده پرتوزا پس از گسيل تابش هاي هسته اي مي پردازد و بيان مي كند كه :

1-     هر ماده اي كه از خود پرتوي آلفا گسيل كند، 2 واحد از عدد اتمي آن و 4 واحد از عدد جرمي آن كم مي شود، در واقع دو پروتون و دو نوترون از بين مي روند.

2-     هر ماده اي كه از خود پرتوي بتا صادر كند، يك واحد به عدد اتمي آن افزوده مي شود يعني يك نوترون جاي خود را به يك پروتون مي دهد و عدد جرمي يكسان اما عدد اتمي يك واحد افزايش مي يابد.

 

بررسي يك عنصر راديواكتيو، خواص، و اندازه گيري ميزان خطرات آن ادامه دارد... 

 

مدل های هسته اتم

مدل های هسته ی اتم

 

در فیزیک اتمی، قوانین نیرو به خوبی ثابت شده است؛ لذا تمام مدل های اتمی بر مبنای این قانون ساخته شده اند. اما برای هسته، شکل قطعی قوانین نیرو معلوم نیست؛ بنابراین برای توضیح رضایت آمیز تمامی مشخصات هسته های پایا و ناپایا یک مدل تنها موجود نیست. مدل های مختلفی برای ساختار هسته ی اتم وجود دارند؛ اما هیچکدام نتوانسته اند به طور واضحی ساختمان هسته را تشریح کنند.

 

 

مدل های سه بعدی از هسته اتم

 

برخی از این مدل ها عبارتند از:

 i.    مدل لایه ای

 ii.   مدل قطره مایع

 iii.   مدل هسته مرکب

iv.   مدل اپتیکی

 v.   مدل اندرکنش مستقیم

 vi.  مدل جمعی

 vii.  مدل گاز فرمی

 

در زیر به برخی از مهم ترین مدل های هسته ای اشاره خواهیم کرد:

 

مدل قطره ای:

 در سال 1939 این  مدل توسط نیلز بور (برنده جایزه نوبل 1922در زمینه ی اتم) و جان ویلر مطرح شد . در این مدل، هسته را مشابه یک قطره کره ای شکل فرض می کنند . می دانیم که آن چه سبب کروی ماندن قطره می شود، نیروهای کشش سطحی قطره هستند؛ بنابراین سطح کره با حجم متناسب خواهد بود.

 

 

 

 

 با چنین استدلالی می توان گفت که بین نیروهای نگهدارنده ی نوکلئون های هسته و نیروهای کشش سطحی که مایع را کروی نگه می دارند شباهت وجود دارد؛ نیروهای نگه دارنده ی هسته دارای خصوصیات زیر هستند:

 

•   دارای برد کوتاه هستند.
•    نیروی درون هسته بسیار قوی تر از نیروی الکترواستاتیک بین نوکلئون ها است.
•    این نیروها مستقل از جفت شدگی سایر نوکلئون ها هستند.
•    این نیروها محدود هستند و هر نوکلئون فقط می تواند نزدیک ترین نوکلئون های خود را جذب کند.

 

 

 

مدل لایه ای:

مشابه وضعیت اتمی که الکترون ها موقعیت هایی را در لایه ها که توسط اعدا کوانتومی مختلف مشخص می شوند، اشغال می کنند و میزان اشغال الکترون ها در آخرین پوسته، خواص و رفتار اتمی را معین می کند، هسته ها نیز وضعیت این چنینی خواهند داشت. برای مثال در اتم ها با 2، 10، 18، 36، 54 و 86 الکترون های تمام لایه ها به طور کامل پر شده اند. چنین ساختمان الکترونی دارای انرژی بستگی فوق العاده زیاد بوده و بسیار پایدارند؛ بنابراین از نظر شیمیایی، خنثی بوده و گازهای بی اثری خواهند بود. هسته هایی هم که دارای 2، 8، 20، 28، 50، 82 و 126 نوترون یا پروتون هستند، دارای فراوانی بیش تر نسبت به هسته هایی با عدد جرمی مشابه هستند و این نشان می دهد که این گونه هسته ها از نظر ساختار، بسیار پایدار هستند. هسته های ذکر شده، نسبت به هسته های مجاور خود دارای خواص کاملاً متفاوت هستند. اعدادی که در بالا ذکر شدند، به اعداد سحر آمیز معروفند.  به کمک مدل قطره ای می توانیم تغییرات انرژی همبستگی را با عدد جرمی در نقاطی که منحنی دارای پیوستگی است، توضیح دهیم؛ ولی درنقاطی  که منحنی پیوسته نیست، این مدل جواب گو نخواهد بود و برای توضیح رفتارهای هسته ها که نسبت به N به طور پیوسته تغییر نمی کنند، مدل لایه ای مناسب تر است.

 

در این مدل برای هسته، ساختاری لایه ای در نظر گرفته شده که نوکلئون ها در سطوح خاصی قرار می گیرند که هر سطح دارای انرژی مخصوص به خود است؛ البته فاصله ی لایه های هسته ای از فاصله ی لایه های  الکترونی بیش تر است در این مدل نوکلئون ها نیز مانند الکترون با کسب انرژی، تحریک شده به لایه های بالاتر می رود. و قتی نوکلئون مجبور به بازگشت به لایه خود می شود یک فوتون آزاد می کند (پرتو گاما).

 

 مدل هسته ی مرکب (مدل لایه ای- دسته جمعی):

 

 

 

بور و موتلسون با ترکیب برخی از قسمت های مدل لایه ای با مدل قطره مایع، مدل هسته ی مرکب را پیشنهاد کردند که تفسیر بسیاری از نتایج تجربی را ممکن ساخت.

در مدل هسته ی مرکب، در عین حال که حرکت های دسته جمعی و حرکت های ذرات به صورت انفرادی در نظر گرفته می شود، مانند مدل لایه ای، هر نوکلئون بر روی مداری قرار دارد که توسط پتانسیل حاصل از اثر تمامی نوکلئون های دیگر هسته تعیین می شود.

 در ساختمان هسته، به دلیل حرکت دسته جمعی نوکلئون ها بر مدارهای فردی آن ها اثر می گذارد و پتانسیل ناحیه ای که نوکلئون ها در آن قرار می گیرند، تغییر می کند. اگر هسته دارای لایه های تقریباً پر باشند، به دلیل پایداری مرکز هسته، حرکت دسته جمعی نوکلئون ها دارای اهمیت چندانی نیست و مدل لایه ای (ذره ای) غالب است.

اگر تعداد پروتون ها و نوترون ها طوری باشد که فقط نصف یک لایه ی مربوط به نوکلئون ها پر شده باشد، مدل قطره مایع ( دسته جمعی) غالب است.

 

مدل گاز فرمی:

 

 

 

این مدل از مدل لایه ای اقتباس شده با این فرق که نوکلئون ها را مانند شکل بالا به طور جداگانه روی مدار در نظر گرفته است. طبق این مدل، نوترون ها و پروتون ها به صورت آزادانه در یک چاه پتانسیل جاذبه ای به ابعاد هسته حرکت می کنند. برهم کنش کولنی بین پروتون ها به وجود آورنده ی همین چاه پتانسیل است. به همین دلیل ته چاه پتانسیل برای پروتون در شکل بالا به اندازه ی چند ev بالاتر از نوترون هاست.

 

نقل از وبلاگ   /http://khayam.persianblog.ir ،  فیزیک هسته ای اثر مایوهوف و سایت www.ficker.com

 

جفت شدگی اسپین مدار

مقدمه :

کره زمین دارای دو نوع حرکت وضعی و انتقالی است. حرکت آن به دور خورشید را حرکت انتقالی و چرخش زمین به دور خودش را حرکت وضعیمی‌ گویند. هر یک از این دو نوع حرکت ، دارای اندازه حرکت زاویه‌ای مخصوص به خود است.

 

 

 حرکت انتقالی به دور خورشید، دارای اندازه حرکت زاویه‌ای مداری و حرکت وضعی دارای اندازه حرکت زاویه‌ای اسپینی (یا بطور اختصار اسپین) است. بدیهی است که اندازه حرکت زاویه‌ای کل برابر با مجموع این دو اندازه حرکت است.

 

 

اگر مدلی را در نظر بگیریم که زمین فقط یک نقطه مادی باشد، نسبت دادن اسپین به آن بی‌معنی خواهد بود. اما در مدل دیگری که زمین را با ابعاد محدود در نظر می‌‌گیریم، وجود  اسپین نیز امکان پذیر است. لذا اگر این قضیه را در مورد مدل اتمی ‌بوهر بکار ببریم، با این فرض که الکترون یک بار نقطه‌ای نبوده، بلکه یک کره کوچک فرض شود، در این صورت الکترون علاوه بر اندازه حرکت زاویه‌ای مداری (گردش به دور هسته) دارای اندازه حرکت زاویه‌ای اسپینی (اسپین) نیز می باشد.

 

 

تائید تجربی اسپین الکترون

حرکت چرخشی الکترون، نظیر حلقه جریانی است که گشتاور مغناطیسی خاص خود را دارد. اگر واقعا چنین گشتاور مغناطیسیی وجود داشته باشد، باید با میدان برهمکنش داشته و انرژی برهمکنشی متناظر این گشتاور مغناطیسی نیز وجود داشته باشد. این اثرها غیر از برهمکنش گشتاور مغناطیسی مداری با میدان مغناطیسی خارجی است.

بعبارت دیگر در طول موج خطوط طیفی که از اتمها گسیل می‌‌شود، باید جابجایی در ترازهای انرژی آنها ظاهر شود که مربوط به اسپین الکترون باشد. در طیف سنجی های دقیق، چنین جابجائی‌هایی دیده شده‌ است. این نوع آزمایشها و نیز شواهد تجربی دیگر نشان می‌‌دهند که الکترون ، تکانه زاویه‌ای و گشتاور مغناطیسی دارد که به حرکت آن بر مدار پیرامون هسته مربوط نبوده، بلکه به ذات ذره مربوط است.

 

ویژگیهای اسپین

تاسپین الکترون را با  S  نشان می‌‌دهند. مانند تکانه حرکت زاویه‌ای مداری، این کمیت نیز کوانتیده است. بنابراین در میدان مغناطیسی، S  هر جهتی را اختیار نمی‌‌کند و فقط مجاز است در جهت هایی قرار گیرد که مولفه آن در امتداد میدان مغناطیسی (اگر میدان مغناطیسی در جهت z  فرض شود) ، مضرب 1/2 از  ћ  باشد. یعنی:

 

 

تفاوت بارز مولفه  S_z (ناشی از اسپین) با مولفه z  انداه حرکت زاویه‌ای مداری ، در این است که اندازه حرکت زاویه‌ای مداری برخلاف S_z مضرب صحیحی از  ћ است.

 

مفهوم مقدار اسپین

برای درک اینکه مکانیک کوانتومی چه چیزی در باره ی اسپین ذره مطرح می کند، باید سرعت دوران اصلی و رابطه ی اسپین را با آن توضیح داد.این یک واحد بنیادی است که اسپین واقعی ذره  بر حسب آن اندازه گیری می شود. مکانیک کوانتومی می گوید که چگونه این سرعت را برای هر ذره محاسبه کنیم. برای مطالعه بیشتر  در این زمینه جرم اصلی و اسپین را مطالعه کنید.

 

اسپین الکترون در مکانیک کوانتومی

در مکانیک کوانتومی ‌که تابع موج جانشین مدارهای بوهر می‌‌شود، ارائه تصویری از چرخش الکترون غیر ممکن است. اگر توابع موج الکترون را مانند توده‌های ابری تصور کنیم که پیرامون هسته قرار گرفته‌اند، می‌‌توان تعداد بی‌شماری پیکان بسیار کوچک را در نظر مجسم کرد که در درون توده ابری پراکنده‌اند و همگی در یک راستا ، z+ یا z-  امتداد دارند. البته آنچه گفته شد یک تصور خیالی است و امیدی به دیدن ساختار اتمی ‌وجود ندارد. چون ابعاد آن هزاران مرتبه از طول موجهای نور کوچکتر است. همچنین برهمکنش فوتونها با اتم ، ساختاری را که دیدن آن مورد نظر است، بشدت تغییر می‌‌دهد.

در هر حال ، مفهوم اسپین الکترون با آزمایشهای متعدد تجربی مورد تائید قرار گرفته است و در مکانیک کوانتومی ‌برای مشخص کردن عدد کوانتومی ‌جدیدی به نام عدد کوانتومی ‌اسپینی الکترون در نظر گرفته می‌‌شد.

 

ساختار ریز

شکافت تراز انرژی در اثر گشتاور مغناطیسی اسپین الکترون در نبود میدان خارجی را جفت شدگی اسپین مدار می‌‌نامند. چون اسپین الکترون با میدان مغناطیسی ناشی از اندازه حرکت زاویه‌ای مداری (حرکت الکترون پیرامون هسته) برهمکنش می‌‌کند. در مکانیک کوانتومی ‌با استفاده از حل معادله شرودینگر مقدار این شکافتگی را می‌‌توان تعیین نمود. شکافتگی‌هایی را که از این نوع برهمکنش مغناطیسی در خطوط طیف مربوط به اتمهای مختلف ایجاد می‌‌شوند، در مجموع ساختار ریز می‌‌گویند.

 

 

البته شکافتگی‌های به مراتب کوچکتر دیگری نیز وجود دارند که حاصل برهمکنش گشتاور مغناطیسی هسته با تکانه زاویه‌ای مداری و اسپین الکترون هستند و ساختار فوق ریز نام دارد.

 

اعداد کوانتومی

در بررسی ساختار اتم مدلهای مختلفی ارائه شده است. ابتدایی‌ترین این مدلها ، مدل سیاره‌ای رادرفورد است. بعد از مدل سیاره‌ای رادرفورد ، نیلز بوهر مدل جدیدی را ارائه داد (مدل اتمی بوهر). این مدل می‌‌توانست ساختار طیفی اتم هیدروژن را توضیح دهد. در اصل موضوع بوهر که اساس و مبنای مدل بوهر است، فرض بر این است که الکترونها مقیدند در مدارهایی حرکت کنند که در آنها اندازه حرکت الکترون مضرب درستی از  ћ است.همچنین در این مدل فرض می‌‌شود که ترازهای انرژی کوانتیده‌اند. بعدها که ساختار طیف مربوط به عناصر مختلف مورد توجه قرار گرفت، انرژی هر الکترون در اتم را با یک سری اعداد که  اعداد کوانتومی نامیده می شوند، مشخص کردند.

 

 

 

 

بنابر نظریه الکترومغناطیس هرگاه ذره ی بارداری شتاب بگیرد، انرژی الکترومغناطیسی تابش می کند. بنابراین الکترونی که در ساختمان اتم دارای شتاب است می بایست در هسته سقوط می کرد. در مدل اتمی بور که ترازهای مجاز انرژی را مطرح کرد، این مشکل برطرف شد.

 

 عدد کوانتومی اصلی

گفتیم که ترازهای انرژی در اتم گسسته (کوانتومی) هستند. یعنی اگر اتم توسط تابش الکترومغناطیسی بمباران شود، تابش توسط الکترونها جذب می‌‌شود و الکترونها از ترازهای اولیه یا پایه خود تحریک شده و به ترازهای برانگیخته می‌‌روند. اما چون این حالت یک حالت ناپایدار است، لذاالکترون با گسیل تابش از تراز برانگیخته به تراز اولیه خود برمی‌‌گردد. مقدار انرژی جذب شده یا گسیل شده متناسب با فاصله ترازهای انرژی است.یعنی اگر انرژی تراز اولیه را با E و انرژی تراز برانگیخته را با  'E  مشخص کنیم، در این صورت فرکانس نور گسیل شده یا تحریک شده از رابطه  E - E΄ = hv  حاصل می‌‌شود.

 

اگر با تقریب مدار حرکت الکترون به دور هسته را دایره‌ای به شعاع  r فرض کنیم، با توجه به این که نیروی وارد شده از طرف هسته بر الکتروننیروی جانب مرکز است، لذا اگر بار هسته را برابر Ze در نظر بگیریم که در آن z عدد اتمی است، مقدار نیروی وارد بر الکترون با توجه به قانون کلمب برابر:

 

F=-kZe²/r²      

 

خواهد بود که در آن r شعاع مدار دایراه ای است. اما طبق قانون دوم نیوتن نیروی جانب مرکز برابر است با:

 

F=-mv²/r

 

با مساوی قرار دادن طرف راست دو معادله اخیر خواهیم داشت:

 

  mv²/r=kZe²/r²

 

   (1)      mv²=kZe²/r 

 

 

که در این رابطه v سرعت الکترون و m جرم آن است. از طرف دیگر انرژی پتانسیل الکترون برابر است با:

 

E_p=-kZe²/r

 

مجموع انرژی جنبشی الکترون 1/2mv² و انرژی پتانسیل آن برابر انرژی کل الکترون است. پس برای انرژ کل خواهیم داشت:

 

E= 1/2mv²-kZe²/r

 

و با در نظر گرفتن رابطه ی (1) خواهیم داشت:

 

E=-kZe²/2r

 

علامت منفی به دلیل مقید بودن الکترون در نظر گرفته شده است. از طرف دیگر ، چون طبق اصل موضوع بوهر ، اندازه حرکت الکترون باید مضرب صحیحی از  ћ باشد، در این صورت:

 

mvr=nћ  

 

 خواهد بود. n یک عدد طبیعی است و عدد کوانتومی اصلی نامیده می‌‌شود. که تنها می تواند مقادیر  ...,n=1,2,3 را داشته باشد.

 

عدد کوانتومی اندازه حرکت زاویه‌ای مداری

 عدد کوانتومی n که یک عدد صحیح و مثبت است، بزرگی اندازه حرکت زاویه‌ای الکترون به دور هسته را بر اساس اصل موضوع بوهر ، طبق رابطه L=nћ مشخص می‌‌کند. اما از دیدگاه مکانیک موجی درست نیست که برای الکترون یک مسیر مشخص دایره‌ای یا شکل دیگری را در نظر بگیریم. (اصل عدم قطعیت مانع این کار است) و نیز از این دیدگاه قاعده بوهر در مورد کوانتش بزرگی اندازه حرکت زاویه‌ای درست نیست. بر خلاف نظریه کلاسیک ، مکانیک موجی نشان می‌‌دهد که بزرگی اندازه حرکت زاویه‌ای مداری (L) یک دستگاه اتمی کوانتیده است و مقادیر ممکن آن می‌‌تواند از رابطه:

 

 

بدست آید. در این رابطه l عدد صحیحی است که عدد کوانتومی ‌اندازه حرکت زاویه‌ای مداری نامیده می‌‌شود. برای مقدار مفروض از عدد کوانتومی اصلی n خواهیم داشت:

l=0 to n-1

 

 

 

الکترون با جذب انرژی از مدار پائین به مدار بالا جهش می کند.

 

در نمادگذاری ترازها هر مقدار از l با یک حرف مشخص می‌‌شود. در این نمادگذاری مقدار  l=0 با حرف s و l=1 با حرف p  و  l=2 با حرف d و ... مشخص می شود. چون انرژی فقط برحسب عدد کوانتومی ‌اصلی مشخص می‌‌شود، بنابراین در مورد تک الکترونی که تحت تأثیر یک نیروی کولنی از جانب هسته است و در تراز n=3 , l=0,1,2 دارای انرژی یکسانی خواهند بود.

 

اعداد کوانتومی ‌مغناطیسی مداری

گفتیم که الکترون در اثر نیرویی که از طرف هسته بر آن وارد می‌‌شود، حول هسته می‌‌چرخد. چون الکترون یک ذره باردار است، بنابراین مدار الکترون را می‌‌توان یک مدار مغناطیسی در نظر گرفت. برای این مدار مغناطیسی و در واقع برای الکترون می‌‌توان یک گشتاور دو قطبی مغناطیسیتعریف نمود. این کمیت بر اساس اندازه حرکت زاویه‌ای مداری الکترون تعریف می‌‌شود که از رابطه ی زیر به دست می آید.

 

 

 

 

حال اگر یک میدان مغناطیسی خارجی بر آن اعمال شود، در این صورت میدان سعی می‌‌کند تا گشتاور دو قطبی مغناطیسی و به تبع آن L را در راستای میدان قرار دهد، اما در مکانیک موجی بردار اندازه حرکت زاویه‌ای مداری L نمی‌‌تواند هر جهتی را نسبت به میدان مغناطیسی اختیار کند، بلکه محدود به جهتهای به خصوصی است که برای آن مؤلفه بردار اندازه حرکت زاویه مداری، در راستای میدان مغناطیسی ، مضرب دستی از ћ باشد. بنابراین اگر جهت میدان مغناطیسی را در راستای محور z اختیار کنیم، در این صورت مؤلفه z بردار L از رابطه L_z = m_l ћ حاصل می‌‌شود. در این رابطه m_l عدد کوانتومی ‌مغناطیسی مداری است. به ازای یک مقدار مفروض l ، m_l می‌‌تواند مقادیر زیر را اختیار کند:
 

{ m_l ={-l  , -l + 1 , -l + 2 , � , 0 , �l-1 ,  l

 

 

 

عدد کوانتومی ‌مغناطیسی اسپینی

در نظریه کوانتومی ‌سه ثابت فیزیک کلاسیک مربوط به حرکت ذره‌ای که تحت تأثیر جاذبه عکس مجذوری قرار دارد، کوانتیده‌اند. این سه ثابت عبارتند از: انرژی ، بزرگی اندازه حرکت زاویه‌ای مداری و مؤلفه اندازه حرکت زاویه‌ای مداری در یک جهت ثابت از فضا. در مکانیک کوانتومی ‌به این ثابتهای حرکت اعداد کوانتومی n و l و m_l نسبت داده می‌‌شوند، اما علاوه بر این سه عدد کوانتومی ، عدد کوانتومی ‌دیگری به نام عدد کوانتومی ‌اسپینی که به مفهوم اسپین الکترون مربوط است، معرفی می‌‌شود.

در سال 1925/1304 گود اسمیت و اوهلنب یک اظهار داشتند که یک اندازه حرکت زاویه‌ای ذاتی ، کاملا مستقل از اندازه حرکت زاویه‌ای مداری ، به هر الکترون وابسته است. این اندازه حرکت ذاتی ، اسپین الکترون نامیده می‌‌شود. چون می‌‌توان آن را با اندازه حرکت ذاتی که هر جسم گسترده بر اساس دوران یا اسپین حول مرکز جرم خود دارد، مانسته داشت. البته لازم به توضیح است که در مکانیک موجی تلقی الکترون به عنوان یک کره ساده با بار الکتریکی صحیح نیست، بلکه صرفا به خاطر مشخص کردن اندازه حرکت زاویه‌ای اسپینی الکترون به کمک مدل قابل تجسم ، بهتر است که آن را به عنوان جسمی که در فضا دارای گسترش است و بطور پیوسته حول یک محور به دور خود می‌‌چرخد، فرض کنیم. 
 

اصل طرد پاولی  

وقتی که مدل اتمی بوهر با موفقیت ارائه و پذیرفته شد، این پرسش مطرح شد که الکترونها در سیستم سنگین چگونه سازمان پیدا می‌کنند؟ معادله شرودینگر هیچگونه جواب قانع کننده‌ای برای این پرسش نداشت. چون مطابق این معادله اگر دمای یک سیستم را به دمای نزدیک به دمای صفر مطلق نزدیک کنیم آنگاه انتظار می‌رود که تمام الکترونهای یک اتم به پایینترین سطح انرژی یعنی

n=1

منتقل می‌شوند. اما نتایج تجربی طیف شناس ها را نمی توان با این فرض توضیح داد. تا اینکه فردی به نام ولفگانگ پائولی توانست این معما را حل کند. وی نظریه‌ای پیشنهاد داد که امروزه با عنوان اصل ترد پائولی شناخته می شود.

مطابق این اصل در یک اتم در حالت پایه، هیچ دو الکترونی را نمی توان یافت که هر چهار عدد کوانتمی آن ها یعنی:

 

n,  l ,  m, s

 

یکسان باشد. بین هر جفت الکترون حداقل یکی از این اعداد متفاوت از دیگری است، این بیان اصل طرد پائولی در مدل اتمی بوهر است.

 

منابع

http://daneshnameh.roshd.ir/

 

http://www.colorado.edu/physics/2000/elements_as_atoms/spin.html

 

http://metaphysic.mihanblog.com/

 

درون هسته

الف ـ مدل لایه ای هسته

در حالی که الکترون های اتم، آزادانه در فضا حرکت می کنند و فواصلی نسبت به هم دارند که چند هزار برابر بزرگتر از قطر آنهاست، پروتون ها و نوترون ها که هسته(1) را تشکیل می دهند، همچون ماهی های ساردین در قوطی، به هم فشرده اند.

شکل 1- «هسته اتمی که از پروتون ها و نوترون ها تشکیل یافته است. آنهایی که در داخل هستند تحت تأثیر نیرویی قرار نمی گیرند، در صورتی که آنهایی که بر سطح آن هستند به درون کشیده می شوند.»
برخی از فیزیکدان ها معتقدند که هستک ها(2) یعنی پروتون ها و نوترون ها در داخل هسته، نظیر الکترون ها در اتم، در مدارهای مختلفی حرکت می کنند. ولیکن در مقایسه با الکترون ها، مدارهای حرکت هستک ها به خوبی مشخص نشده و ماهیت آنها به خوبی درک نشده اند. از آنجا که نیروی بین هستک ها به مراتب قویتر از نیروهای بین الکترون ها و هسته می باشد، در نتیجه انرژی بین ترازها در هسته ها به مراتب بزرگتر از انرژی بین ترازها در اتم ها می باشد. هسته های تحریک شده ممکن است با تابش فوتونی (به انرژیی برابر با اختلاف بین تراز اولیه و تراز انتهایی) به تراز پایین تر برود. این فوتون های پر انرژی را اشعه گاما می نامند. که این اشعه گاما در مسیر خروج از اتم ممکن است الکترونی را هم با خود از اتم خارج نماید. (در جابجایی الکترون از مداری به مدار پایین تر، ممکن است اشعه ایکس تابش شود.)
برای اتم هایی که عدد اتمی یا تعداد پروتون هایشان بیش از عدد 20 است تعداد نوترون ها بیشتر از تعداد پروتون ها می باشد. این نوترون های اضافی برای پایداری هسته های سنگین تر لازم اند. در این حالت نوترون های اضافی شبیه ماده چسبان و یا ماده عایقی جهت خنثی کردن نیروی دافعه بین پروتون ها می باشد. پیداست که فقط ترکیب معینی از نوترون ها و پروتون ها باعث پایداری هسته می شود. اگر در برابر تعداد معینی از پروتون ها، تعداد نوترون ها خیلی کم یا خیلی زیاد باشد، هسته حاصله پایدار نبوده و تجزیه رادیواکتیو می شود. برای مثال ایزوتوپ های اکسیژن که دارای تعداد نوترون های 8 و 9 و 10 می باشند پایدار، ولی ایزوتوپ های 5 و 6 و 7 و 11 و 12 آن رادیواکتیو هستند.
هسته هایی که کمبود نوترون دارند از طریق تجزیه بتای مثبت، خود را پایدار می سازند. یعنی یکی از پروتون های هسته آنها به نوترون و پوزیترون و نوترینو تجزیه می شود.

مانند هسته ناپایدار اکسیژن 16 که به هسته پایدار ازت 15 تبدیل می شود. در مقابل، هسته هایی که دارای نوترون اضافی هستند، تجزیه بتای منفی انجام می دهند، و یک الکترون و یک آنتی نوترینو تابش می کنند.

«همچنین هسته هایی که با کمبود نوترون مواجه هستند، می توانند با جذب الکترون تعداد نوترون هایشان را زیاد کنند، در این عمل یکی از الکترون های اتم با یکی از پروتون های هسته برخورد می کند، که از ترکیب آنها یک نوترون بوجود می آید. این عمل باعث می شود تا یک جای خالی در ابر الکترونی اطراف اتم پدید آید که به زودی به وسیله یکی از الکترون های دیگر پر می شود. این عمل منجر به تابش اشعه ایکس می شود. به طور معمول چون الکترونی که به وسیله هسته، جذب می شود از داخلی ترین لایه الکترون ها، یعنی لایه k می باشد بنابراین، این عمل را جذب k می نامند. از آنجا که هسته دختر، حاصل از جذب الکترون همان هسته حاصل از تجزیه بتای مثبت می باشند، اغلب این دو عمل با یکدیگر رقابت می کنند.» (3)
 «طریق دیگر که بعضی از هسته های ناپایدار تجزیه رادیواکتیو انجام می دهند تابش ذرات آلفاست. (شامل دو پروتون و دو نوترون که همان هسته هلیوم است.) تابش ذره آلفا باعث کاهش عدد اتمی به اندازه دو واحد و جرم اتمی به اندازه چهار واحد می شود. برای مثال اورانیوم 238 با تجزیه آلفا به توریوم 234 تبدیل می شود.»(4)

تجزیه آلفا، از هسته های سبک خیلی به ندرت رخ می دهد. اما در هسته های سنگین متداول است. برخلاف طیف انرژی ذرات بتا، طیف ذرات آلفا به صورت خطی می باشد. هسته های حاصل از تجزیه بتا یا جذب الکترون یا تجزیه آلفا نیز اغلب پس از تبدیل در حالت تحریک قرار گرفته و در نتیجه، یک یا چند پرتو گاما تابش می نمایند.
جرم تمام هسته ها کمی کمتر از مجموع جرم نوترون ها و پروتون های تشکیل دهنده آنهاست. این کسر جرم برابر با انرژی لازم جهت یکپارچه نگه داشتن هسته اتم است، که به انرژی بستگی یا انرژی پیوندی(5) موسوم است.
از طرف دیگر، یک هسته هم هنگامی که به هستک های خود تجزیه می شود همین مقدار انرژی را آزاد می نماید. «انرژی بستگی کل هسته ها تابع فزاینده ای از عدد جرمی (A) اتم است. اما این انرژی با یک نسبت ثابت افزایش نمی یابد. با توجه به منحنی شکل 2 هسته های با انرژی بستگی کم را می توان به آسانی شکست. در نتیجه هنگام تشکیل هسته نیز انرژی کمتری آزاد می شود.»(6)
در ناحیه هسته های با جرم اتمی بزرگ از شکسته شدن یک هسته به دو قسمت هسته های پایدارتری به وجود می آید. زیرا که انرژی های پیوندی هسته های با عدد جرمی بیش از 50، با افزایش عدد جرمی کم می شود. این بدان معنی است که نظام هستک ها وقتی پایدارتر است که یک هسته سنگین شکسته شود، مانند شکسته شدن هسته اورانیوم در نیروگاه های اتمی که به عمل شکافت یا فیسیون(7) معروف است.

شکل 2- منحنی انرژی بستگی هسته ها

از طرفی در هر واکنش که بتوان از ترکیب دو هسته نیم پایدار، یک هسته پایدارتر بوجود آورد، مقداری انرژی در عمل آزاد می شود. برای مثال وقتی دو تا دوترون (از ایزوتوپ های هیدروژن) هر یک با انرژی 23/2 میلیون الکترون ولت (Mev) با هم برخورد کنند، ایزوتوپ را با انرژی بستگی کلی Mev 48/8 بوجود می آورند که ازدیاد خالص انرژی بستگی دستگاه برابر است با: (Mev) 02/4=46/4-48/8 در این حالت این انرژی به صورت انرژی جنبشی هسته های تولید شده و در می آید. چنین واکنش هایی را که در آنها حداقل یکی از هسته های حاصل سنگینتر و پایدارتر از دو هسته سبکتر و کم پایدارتر است، واکنش های گداخت یا فیوژن(8) می نامند.
هیدروژن خورشید نیز به طور پیوسته از طریق فیوژن به هلیوم تبدیل شده و گرمای بسیار زیادی را نیز ایجاد می کنند.

 

چون برای واکنش های فیوژن حرارت و فشار بسیار زیادی لازم است، به همین دلیل بمب های هیدروژنی حامل یک بمب اتمی هستند که از هیدروژن سنگین (دوتریوم) و هیدروژن فوق سنگین (تری تیوم) احاطه شده است. در ابتدا بمب اتمی منفجر شده و سپس شرایط لازم حرارت و فشار برای انفجار هیدروژنی آماده می شود.
به هر حال یک روز ممکن است منابع نامحدود انرژی را از طریق فیوژن یا واکنش حرارتی ـ هسته ای(9) بدست آورد. با آنچه که گفته شد می توان نتیجه گرفت که در عمل شکافت، انرژی به وسیله تجزیه هسته بدست می آید، در صورتی که در عمل گداخت، هسته ها با هم ترکیب می شوند. در شکافت، کنش و واکنش های زنجیره ای به وسیله نوترون ها، که هیچ بار الکتریکی ندارند، انجام می شود. و چون هیچ نیرویی از هسته به نوترون ها وارد نمی شود، آنها به آسانی وارد هسته هایی مانند اورانیوم می گردند. ولی در گداخت، ذرات باید به هم جوش بخورند در نتیجه ذرات سنگینتر با جرم کمتر از جرم مجموع ذرات اولیه تولید می شود، که این تفاوت جرم به انرژی بسیار عظیمی تبدیل می گردد.
«در پدیده گداخت، هسته اتم ها با سرعت بالایی که بر اثر گرمای خیلی زیاد کسب می کنند با هم برخورد می نمایند و عمل ترکیب انجام می شود. با این سرعت زیاد، انرژی جنبشی ذرات، سد پتانسیلی را که در اثر نیروی کولونی بوجود آمده است خنثی می کنند (زیرا که بار مثبت هسته ها در شرایط معمولی باعث رانش هسته ها از هم می شود). کشف گداخت از سال های 1930 به بعد صورت گرفت و برای نخستین بار این پدیده در شتاب دهنده ذرات مشاهده شد.»(10)
معلوم شده است، هسته هایی که تعداد نوترون ها یا پروتون های آنها 2، 6، 8، 14، 20، 28، 50، 82 یا 126 می باشد، دارای پایداری ویژه ای هستند. این اعداد و این گونه هسته را اسرارآمیز یا ماژیک(11) می نامند. این اعداد که مربوط به تعداد نوترون ها یا پروتون های لازم برای پر کردن قشرها یا لایه های هستک ها از هسته به شمار می روند، مشابه با تعداد الکترون های اتم های کامل و خنثی هستند. وجود هسته های ماژیک دارای نتایج عملی زیادی در مهندسی هسته ای است. برای مثال هسته هایی که تعداد نوترون هایشان برابر با یکی از اعداد ماژیک است، نوترون را خیلی کم جذب می کنند.
مطالعه بسیاری از بی نظمی های هسته ای به این نتیجه گیری رسیده است که در هسته های ماژیک، پوسته های فرضی هسته سخت به یکدیگر فشرده می شوند. در حالی که پوسته های الکترونی همگی خارج از یکدیگرند و تشکیل یک ساختمان پیازی شکل را می دهند. اما در مورد هسته های ماژیک پوسته های نوترونی و پروتونی در هم فرو می روند و هر یک از آنها تمام فضای هسته ای را اشغال می کنند. این عدم تمایز هندسی میان پوسته های هسته ای از شدت تأثیر آنها می کاهد و مطالعه و توضیح آنها را دشوارتر می کند. تا اینکه ماریاگوپرت ـ مایر(12) (1972-1906) از آمریکا و هانس ژنسن(13) (1973-1907) از آلمان همزمان با یکدیگر این اشکال را از میان برداشتند و هر دو توانستند منظومه کاملی از پوسته های هسته ای بسازند که با واقعیت های مشهود سازگار درآید.

ب ـ مدل قطره ای هسته

در پی مدل لایه ای هسته، عده ای از فیزیکدانان همانند جورج گاموف(14) (1904-1868) مواد هسته ای را به قطره مایعی تشبیه می کنند که در آن مولکول ها به وسیله نیروهای چسبندگی به هم متصلند.
چگالی هسته به نسبت مرتبه بیشتر از چگالی آب است، و یک ظرف معمولی که از آن پر شده باشد، چند بیلیون تن وزن دارد. کشش سطحی سیال هسته ای بی اندازه بزرگتر از کشش سطحی سیال های معمولی است. به علت همین کشش سطحی است که هسته های اتم مثل قطرات باران، شکلی بسیار نزدیک به شکل کره دارند. ارتعاشات و دوران های این قطره های کوچک باید جوابگوی نشر اشعه گاما بر اثر تحریک هسته ها باشند. اما جان ویلر،(15) فیزیکدان آمریکایی معلوم داشته است که سیال هسته ای ممکن است به شکل کره های کوچک نباشد، بلکه می تواند اشکالی مختلف را بپذیرد. در این مورد نکته مهم این است که علاوه بر نیروهای چسبندگی هسته ای، نیروهای دافعه کولونی نیز میان بارهای الکتریکی مثبت پروتون ها وجود دارد که برعکس نیروهای کشش سطحی سعی بر انبساط حجم هسته دارند.
از آنجا که نیروهای کشش سطحی متمایل به این هستند که قطره های مایع را یکپارچه نگاه دارند، و دو قطره ای را نیز که با هم تماس پیدا می کنند به صورت یک قطره بزرگتر در آورند؛ باید انتظار داشت که در مورد عناصر سبک در فرایندهای همجوشی هسته ای انرژی آزاد شود. از طرف دیگر در مورد هسته های سنگین، نیروهای کولونی برتری خود را خواهند داشت، و فرایند همجوشی هسته ای یک فرایند انرژی زا خواهد بود. محاسبات نشان می دهد که ناحیه همجوشی تا حدود یک سوم راه جدول مندلیف (از سنگین ترین عناصر رو به عناصر سبک) گسترش یافته است. و هر چه به حد این ناحیه نزدیکتر می شویم، آزاد شدن انرژی مورد انتظار رفته رفته کوچکتر می شود.
اگر بخواهیم کمی دقیق تر مطلب را بیان کنیم باید بگوییم که پیدا کردن تعریفی برای ابعاد اتم به علت ابر الکترونی اطراف آن که بعد مشخصی ندارد تا اندازه ای مشکل است. زیرا که الکترون ها گاهی ممکن است از هسته دور شوند و گاهی از نزدیکی هسته عبور کنند از این نظر اندازه معقول یک اتم فاصله متوسط بین هسته و دورترین الکترونی است که در اطراف اتم پیدا می شود. جز چند اتم سبک، این شعاع متوسط تا حدودی برای تمام اتم ها یکی است: یعنی حدود
 سانتیمتر. از آنجا که تعداد الکترون های دور اتم با افزایش عدد اتمی زیاد می شود واضح است که دانسیته متوسط الکترونی در ابر الکترونی اطراف هسته نیز افزایش می یابد.
«هسته نیز شبیه اتم دارای یک مرز خارجی مشخص نیست. سطح آن مانند سطح اتم، منتهی با میزان کمتری تغییر می کند. اندازه گیری پراکندگی نوترون در برخورد با هسته ها نشان می دهد که با تقریب درجه اول، هسته را می توان کره ای درنظر گرفت که شعاع آن از رابطه زیر بدست می آید:
که R برحسب سانتیمتر و A عدد جرم اتمی است. از آنجا که حجم یک کره نیز متناسب با مکعب شعاع است. یعنی:
بنابراین حجم یک هسته متناسب با A می باشد. این هم بدان معنی است که نسبت A/V یعنی تعداد هستکها در واحد حجم برای هسته ها عدد ثابتی است. این یکنواختی دانسیته یا چگالی ماده هسته ای نشان می دهد که هسته ها شبیه قطرات مایع می باشند که بستگی به بزرگی و کوچکی هسته ندارد.»(16)
با اینکه مدل لایه ای کمک زیادی به شناسایی هسته و خواص آن کرده است ولی مدل قطره ای نیز جوابگوی مسائل بسیاری است، که در چارچوب مدل قبلی بی پاسخ می نمودند. حقیقت آن است که اگر لایه های هسته ای به راستی موجود باشند، با لایه های الکترونی اتم اختلاف زیادی خواهند داشت.
«تصور لایه برای هسته، تا حدودی غیر طبیعی به نظر می رسد. زیرا در درجه اول در هسته قسمت مرکزی موجود نیست، که ذرات در اطراف آن قرار گیرند. در ثانی گروه های تکمیل شده هسته ای با گروه های تکمیل یافته الکترونی متفاوتند. و سرانجام لایه های هسته ای از دو نوع ذره پروتون و نوترون اشغال می گردند.»(17)
در مورد هسته های سبک که از تعداد ناچیزی ذرات هسته ای تشکیل شده اند، اصطلاح لایه، چندان اشتباه نیست. ولی در هسته های بزرگ، ترازهای انرژی، جدایی خود را از دست می دهند، و هسته از نظر ساختمانی تا حدودی یکنواخت می گردد. در این حالت به خاطر فراوانی ذرات هسته ای ابرهای آنها در هم فرو می رود و حرکت مشخصی برای آنها قابل تصور نیست. به این جهت ذرات اخیر، از قوانین کوانتا متابعت نخواهند کرد و شباهت ترازهای هسته و اتم پایان می یابد.
«در سال 1938 سه پژوهشگر آلمانی اتوهان،(18) فریتز اشتراسمان و لیز مایتنر(19) با بمباران هسته های اورانیوم با یک دسته نوترون، ظهور هسته باریوم و تکنتیوم را مشاهده کردند. جرم اتمی باریوم وقتی به جرم اتمی تکنتیوم افزوده می شد، برابر بود با جرم اتمی اورانیوم. بنابراین در اثر برهمکنش نوترون ها، هسته اتم اورانیوم شکافته می شد. بدین گونه، آنها کشف کردند که برخی از فرآورده های تاباندن نوترون بر اورانیوم، دارای جرم کمتری هستند که غالباً به نصف جرم اتمی اورانیوم می رسند. در این هنگام معلوم شد که نه تنها ذره ای از اتم خارج نشده، بلکه اتم شکافته شده است.»(20)
بور، جان ویلر، فرمی و عده ی دیگری از فیزیکدانان در پی تفسیر واکنش بالا براساس مدل قطره ای هسته دریافتند که بر اثر اصابت نوترون به هسته، آن را به ارتعاش در آورده و شکل آن را کشیده تر می کند. تعادل میان کشش سطحی و نیروهای الکتریکی به هم می خورد. نیروهای کشش سطحی سعی می کنند که هسته را به شکل کروی آن باز گردانند و حال آن که نیروهای الکتریکی می خواهند دامنه شکل را افزایش دهند. هرگاه نسبت بین محورهای بلند و کوتاه بیضی واره از حد معینی تجاوز کند، شکافی در امتداد سطح استوایی آن پدید می آید و هسته به طور کامل دو پاره می شود.

شکل 3- شکافت هسته اتم توسط نوترون

به زودی دریافتند که در شکافت هر هسته اورانیوم دو نوترون نیز دفع می شود (به طور متوسط بیشتر از 5/2 نوترون در هر شکافت). این نوترون ها نیز به نوبه خود ممکن است به هسته های دیگر اصابت کرده آنها را نیز بشکافانند. در این صورت چهار نوترون به همراه انرژی گرمایی بیشتری تولید می شود، که نوترون های حاصله نیز خواهند توانست چهار هسته دیگر را نیز مورد اصابت قرار دهند. بنابراین فعل و انفعالی زنجیره ای پدید می آید که به سرعت تمامی تکه اورانیوم را فرا می گیرد، که حاصل آن در کل آزاد شدن مقدار عظیمی انرژی هسته ای است.
اورانیوم طبیعی شامل 3/99% اورانیوم 238 و 7/0% اورانیوم 235 است، که تنها اورانیوم 235 اشتهای شدیدی به نوترون دارد. «با این همه راه انداختن فعل و انفعال در اورانیوم طبیعی توسط انریکو فرمی فراهم شد. که براساس اصل کندسازی (21) بنا شده بود.
در آن زمان می دانستند که ایزوتوپ های سنگین اورانیوم اشتهای زیادی به جذب نوترون های تند و سریع دارند. حال آنکه ایزوتوپ سبک، نوترون های کندرو را ترجیح می دهد. از آنجا که نوترون هایی که در شکافت هسته ای اورانیوم نشر می شوند سرعت بسیار زیادی دارند، لازم بود که سرعت آنها به سطح اشتهای اورانیوم 235 کاهش داده شود، تا اورانیوم 238 نتواند آنها را ببلعد. انجام دادن این کار با مخلوط کردن اورانیوم طبیعی با مقدار زیادی مواد کندساز(22) امکان یافت. کندساز یعنی عنصری که اتم های آن چون گرایشی به جذب نوترون ها ندارند، قسمتی از انرژی جنبشی نوترونی را از فرایند تصادم دور نگاه می دارند.»(23) معلوم شده است که ایزوتوپ سنگین هیدروژن و اتم کربن از بهترین کندسازهایند.
نخستین پیل اتمی که در آن از کندساز کربنی (آجرهای گرافیت) استفاده شده بود توسط گروهی، زیر نظر فرمی در دانشگاه شیکاگو ساخته شد و در دوم دسامبر 1942 بکار افتاد. بدیهی است که فعل و انفعال زنجیری هسته ای در پیل های کند شده به کندی پیش می رود و انرژی تولید شده نمی تواند نه به مصارف جنگی و نه به مصارف عادی برسد. اما پلوتونیوم حاصل از این واکنش ها از اورانیوم 235 به مراتب نوترون خواهی شدیدتری را دارد. و در اثر اصابت نوترونی به آن آسانتر شکسته می شود و شکافت آن، نوترون های فرعی بیشتری همراه دارد (به طور متوسط در هر بار 9/2 نوترون)، و از طرفی چون پلوتونیوم خواص شیمیایی متفاوتی با اورانیوم دارد به آسانی می توان پس از اتمام فعل و انفعالات پیل اتمی، آن را از بقیه اورانیوم جدا ساخت.



بدین وسیله از یک طرف بمب اتمی ساخته شد و از طرف دیگر رؤیای کیمیاگران مبنی بر تبدیل عناصر به یکدیگر تا حدودی به واقعیت پیوست.
بنا به اهمیت کار فرمی و همکارانش مطالب بالا را با توجه به یادداشت های لارافرمی (همسر فرمی) و لئونا مارشال (همکار فرمی) به طور دقیقتر بیان می کنیم: آنچنان که می دانیم در سال 1919، راترفورد از اشعه آلفا (متصاعد شده از رادیوم) برای شکافتن اتم ازت استفاده نمود. سپس در سال 1932 چادویک، برلیوم را با اشعه آلفا بمباران کرد و کربن و نوترون را بدست آورد. در همین راستا ژولیو و ایرن کوری نیز در سال 1933 با کمک دستگاه های شتاب دهند، ذرات آلفای شتاب داده شده را بر آلومینیوم تاباندند و فسفر رادیواکتیو بدست آوردند (رادیواکتیویته مصنوعی).
با رسیدن خبر کشف رادیواکتیویته مصنوعی به محافل علمی جهان، فرمی در سال 1934 بر آن شد که همراه با گروهش (آمالدی،(24) سگره،(25) رازتی،(26) آگوستینو و...) همه عناصر را یکی یکی با کمک نوترون بمباران بنماید. نوترون برخلاف ذره آلفا دارای بار الکتریکی نیست و به راحتی می تواند به هسته اتم نزدیک گردد. (از اینرو این کشف فرمی گامی بزرگ در روند تحقیقات اتمی بود.) ولی از آنجا که در تمام بمباران ها، هر عنصری به عنصر نزدیک به خودش تبدیل می شد، آنان پنداشتند که از بمباران اورانیوم با نوترون عنصر جدید 93 را بدست آورده اند. (در آن زمان عنصر 92 آخرین عنصر کشف شده بود.)
به زودی در سال 1934 اوتوهان (1968-1879) و لیز مایتنر (کاشفان عنصر 91 یعنی پروکتانیوم) با کمک روش های شیمیایی دریافتند که موضوع عنصر 93 صحت ندارد. در پی سیاست ضد یهودی نازی ها مایتنر مجبور شد به سوئد برود، در نتیجه اتوهان، بقیه آزمایش های خود را با کمک فریتز اشتراسمان(27) دنبال نمود. آنان در سال 1938 طی نامه ای برای مایتنر توضیح دادند که نوترون، اورانیوم را در حقیقت به دو پاره می شکافد. پاره هایی در حدود نصف عدد اتمی اورانیوم.
در سال های 37-1935 بور و فریتز کالکار(28)، مدل قطره مایعی هسته را ابداع و تکمیل نموده بودند. بر اساس این مدل، بور، می بایستی مسئله عملی شکافت هسته ای را حدس می زد. ولی سرنوشت این مسئله به این شکل شد که مایتنر خبر شکافت هسته اورانیوم را با پسر عمه اش اوتوفریش(29) در میان گذاشت. فریش که برحسب تصادف در کنفرانسی از زبان بور مدل قطره مایعی هسته را شنیده بود، مقدار کشش سطحی قطره مایع و نیروی دافعه الکتریکی پروتون ها را محاسبه نموده و پاره های شکافت اورانیوم را با استفاده از اصطلاحی پزشکی در مورد تکثیر سلولی، «فیش یافیسیون» نامید. مایتنر نیز ضمن محاسبات خود پی برد که در هر شکافت می بایستی 200 میلیون الکترون ولت انرژی گرمایی آزاد گردد. سپس فریش با موافقت مایتنر خود را به کپنهاک رساند تا موضوع شکافت هسته ای را به بور خبر دهد. در آن زمان بور به خاطر دیدار با آینشتاین عازم آمریکا بود، او به محض ورود به آمریکا، جامعه علمی آمریکا را از این خبر آگاه ساخت. از آن طرف فرمی از دست فاشیست های ایتالیا در ژانویه 1939 (یعنی یک هفته قبل از بور) به آمریکا مهاجرت کرده و بلافاصله در دانشگاه کلمبیای نیویورک مشغول تدریس و تحقیق شده بود. چون فرمی و همکارانش می دانستند که نازی های آلمان مشغول بررسی ساخت بمب اتمی (یا به عبارت دقیق تر بمب هسته ای) می باشند، پس لئوزیلارد(30) و اوژن ویگنر(31) را نزد آینشتاین (مشهورترین دانشمند آن روز) فرستادند تا فرضیه شکافت هسته ای و انرژی آزاد شده از این شکافت ها را (که از فرمول نیز قابل محاسبه بود) برای او توضیح بدهند. آینشتاین نیز در آگوست 1939 نامه ای به روزولت رئیس جمهور وقت آمریکا نوشت و او را از اهمیت کار، آگاه ساخت. در نتیجه با دستور روزولت امکانات مالی و فنی مناسبی برای دانشمندان اتمی فراهم گردید.
سرانجام فرمی و گروهش (کسانی چون لئوزیلارد، جیمز فرانک،(32) والتر زین،(33) آلبرت واتنبرگ،(34) هربرت آندرسون،(35) جان مارشال،(36) اوژن ویگنر، ادوارد تلر،(37) جان ویلر،(38) و لئونا مارشال لیبی(39) با استفاده از نتایج پژوهشی زیر:
1ـ چشمه نوترونی: به عنوان شکافنده هسته های اورانیوم
2ـ صفحه های گرافیتی (صد تن زغال در 51 لایه): به عنوان کند کننده نوترون های حاصل از شکافت اورانیوم (که در ضمن جاذب نوترون هم نبودند).
3ـ میله های کادمیومی: به عنوان کنترل کننده واکنش زنجیره ای (زیرا که کادمیوم یک جاذب قوی نوترون بود.)
4ـ گلوله های کروی شکل اورانیوم که می بایستی بر روی صفحات گرافیتی به صورت پراکنده قرار داده شوند.
در دوم دسامبر 1942، اولین پیل اتمی(40) دنیا را بکار انداختند. (چون صفحات زغالی همراه با گلوله های اورانیومی لایه لایه و تناوبی بر روی هم قرار گرفته بودند به آنها در مجموع پیل می گفتند.) و از آنجا که هدف بدست آوردن برق نبود در این پیل فقط انرژی گرمایی بدست آمد.
به هر حال از نظر تئوری، انرژی حاصله از این آزمایش فقط یک لامپ را می توانست روشن نماید. در نهایت گروه فرمی ثابت نمود:
1ـ واکنش زنجیره ای امکان پذیر است (تکنولوژی بمب های هسته ای).
2ـ واکنش زنجیره ای قابل کنترل است (تکنولوژی نیروگاه های هسته ای).
در سال 1945 در آمریکا، اولین بمب هسته ای جهان به سرپرستی رابرت اوپنهایمر(41) به طور آزمایشی منفجر گردید. در سال 1949 شوروی ها اولین بمب هسته ای خود را منفجر کردند و سپس در سال 1953 اولین بمب هیدروژنی خود را نیز به سرپرستی ایگور واسیلیوویچ کورچاتف(42) (1960-1902) به طور آزماشی منفجر کردند. (البته آمریکا اولین بمب هیدروژنی خود را به سرپرستی ادوارد تلر در سال 1952 مورد آزمایش قرار داده بود). در همین راستا اولین نیروگاه هسته ای جهان در سال 1954 در شوروی، دومین نیروگاه در سال 1956 در انگلستان و سومین آن در سال 1958 در آمریکا شروع به کار نمودند.
امروزه در رآکتورهای اتمی (نیروگاه های هسته ای)(43) که جهت تولید برق ساخته شده اند، در محفظه های تحت فشار(44) با کمک چشمه های نوترونی(45) هسته های اورانیوم شکافته می شوند. سپس گرمای حاصله به موادی مانند آب منتقل می گردد. با کمک دستگاه کنترل فشار(46) آب این مدار(47) حتی در دماهای 200-300 درجه سانتیگراد به صورت مایع نگاه داشته می شود.
سپس آب این مدار وارد دستگاه مولد بخار(48) می شود تا آب مدار دوم را به بخار آب تبدیل کند. در این حالت از یک طرف آب مدار اول با کمک پمپ هایی، دوباره وارد دستگاه محفظه تحت فشار می شود، تا عمل قبلی خود را تکرار کند. و از طرف دیگر بخار آب مدار دوم هم وارد توربین ها می شود تا پره توربین ها را به حرکت در آورد، سپس از چرخش محور توربین(49) در یک میدان مغناطیسی، در محور توربین برق تولید می شود. به عبارت دیگر انرژی مکانیکی، به انرژی الکتریکی تبدیل می گردد. آب مدار دوم نیز وارد دستگاه چگالنده(50) شده و با کمک آب رودخانه یا دریا خنک شده و سپس توسط پمپ هایی به دستگاه مولد بخار برگردانده می شود. آب دریا یا رودخانه نیز که مدار سوم را تشکیل می دهد پس از خنک کردن آب مدار دوم به جای اول خود باز گردانیده می شود.
برای کنترل تعداد و سرعت نوترون های شکافنده هسته های سوخت،(51) از کند کننده هایی چون آب سبک، آب سنگین و گرافیت استفاده می شود. در نتیجه، نیروگاه های هسته ای با توجه به نوع کند کننده، نوع خنک کننده مدار اول (گاز یا آب سبک یا آب سنگین یا فلز مذاب) و نوع سوختشان، به سه دسته کلی تقسیم می شوند:
1ـ رآکتورهای آب سبک (LWR)
2ـ رآکتورهای گازی (GCR)
3ـ رآکتورهای آب سنگین (HWR)
در حال حاضر در دنیا دو نوع رآکتور آب سبک وجود دارد.
1ـ رآکتورهای با آب تحت فشار (RWR) که در بالا شرح داده شد.
2ـ رآکتورهای با آب جوشان (BWR) که در این نوع نیروگاه ها آب مدار اول تحت فشار زیاد نبوده و در همان مدار به صورت بخار در می آید.

شکل 4- نمودار کلی یک نیروگاه PWR

و اما در مورد فیوژن و رآکتورهای فیوژنی (واکنشگرهای گداختی) لازم به تذکر است که برای اولین بار در سال 1938 هانس آلبرشت بته(52) فیزیکدان آلمانی، اعلام کرد که انرژی خورشید از همجوشی دو اتم هیدروژن که تشکیل یک اتم هلیوم را می دهند، پدید می آید.
در ساده ترین فرایند گداز یا گداخت، چهار هسته هیدروژن معمولی یا سبک در هم ادغام می شوند و یک هسته هلیوم با مقدار زیادی انرژی تولید می کنند. در این واکنش هفت هزارم از جرم، مطابق رابطه آینشتاین، به انرژی تبدیل می شود. اما در گداخت دوتریوم با دوتریوم، یا دوتریوم با تریتیوم ، یا دوتریوم با هلیوم 3 انرژی های بیشتری آزاد می شود.
یعنی:






رآکتوری که به وسیله گداز هسته ای، انرژی مفید تولید می کند، برای شروع به مقداری انرژی اولیه نیاز دارد تا شرایط مناسب برای انجام واکنش های گرما ـ هسته ای با آهنگی قابل ملاحظه در آنها ایجاد گردد. در این دماهای زیاد (حدود 000/000/100 درجه کلوین) هیدروژن به پلاسما تبدیل می شود. یعنی به ترکیبی از هسته ها و الکترون های آزاد. با کمک میدان های قوی مغناطیسی پلاسما را محصور و کنترل می کنند. در این حالت است که هسته های دوتریوم و تریتیوم به راحتی به یکدیگر نزدیک می شوند و گداخته می گردند. در فرایند گداز، تریتیوم، یک پروتون از دوتریوم می رباید و به هلیوم تبدیل می شود، و نوترون گسیل می گردد. در ضمن مقدار زیادی انرژی (6/17 میلیون الکترون ولت) به ازای هر واکنش آزاد می شود، که بیشتر این انرژی را نوترون ها حمل می کنند. در واکنشگر گدازی این انرژی جنبشی باید به گرما تبدیل شود. تا با ایجاد بخار، توربین مولد الکتریسیته را به کار اندازد.
یکی از روش های تبدیل انرژی نوترون ها به گرما آن است که رآکتور گداختی را با پوششی بپوشانیم، تا نوترون ها را کند و سپس جذب نماید، و خود نیز در ضمن این فرایند گرم شود. ماده این پوشش از لیتیوم است. این فلز علاوه بر تولید گرما، در واکنش با نوترون ها موجب زایش تریتیوم بیشتری می شود که به کار سوخت اصلی می آید.
بدین ترتیب لیتیوم که تا 1100 درجه سانتیگراد گرم شده، گرمایش توسط سیکل پتاسیم مایع به اولین توربین برده می شود تا در آنجا الکتریسیته تولید گردد.
مسئله محصور کردن پلاسما (برای مثال از طریق محصور کردن مغناطیسی)(53) یکی از مشکلات تکنیکی این نوع رآکتورهاست. ساخت و بهره برداری از این نوع رآکتورها از نظر تکنیکی و اقتصادی هنوز مورد رضایت نیست. و در حال حاضر دانشمندان جهان مشغول بررسی و تحقیق بر روی این زمینه اند.

شکل 5- مقطعی از یک رآکتور فیوژنی با حصار مغناطیسی چنبره ای

پ ـ مدل قطره ای ـ لایه ای هسته

پس از عرضه مدل های قطره ای و لایه ای در مورد ساختمان هسته اتم، در هر دو مدل نارسایی های چندی دیده می شد. «مدل لایه ای، نمودها و ویژگی هسته آرام و معمولی را روشن می ساخت. مدل قطره ای بازگو کننده مشخصات هسته تحریک شده ای بود که ذرات وابسته به آن در جوش و خروشند. و امکان متلاشی شدن، آن را تهدید می کند.»(54)
یکی از ضعف های مدل قطره ای این است که چگالی بار الکتریک در هسته اتم عناصر مختلف نمی تواند یکسان و ثابت باشد (مانند همه قطرات مایع). چگالی بار الکتریک فقط به تعداد پروتون های موجود در هسته بستگی دارد. برای مثال، هسته اتم هیدروژن که فقط از یک پروتون تشکیل شده و نوترون ندارد، باید دارای زیادترین چگالی بار الکتریک باشد. در هسته هایی که تعداد نوترون ها و پروتون ها با یکدیگر برابرند، چگالی بار باید نصف چگالی بار الکتریک در هسته اتم هیدروژن باشد، و سرانجام در سنگین ترین هسته ها، که تعداد پروتون ها 39% کل ذرات هسته را تشکیل می دهد، چگالی بار باید کمترین مقدار را داشته باشد. اما یک چنین کاهش تدریجی بار الکتریک، با ساختمان منفصل و محدود ماده، که حجم معین و مشخصی را اشغال کرده باشد، تطبیق نمی کند. «به علاوه نمی توان یقین داشت که سطح خارجی هسته، همان قدر مشخص و معین باشد که برای قطره مایع مشخص است. زیرا قبول این فرض ایجاب می کند که بار الکتریک که به طور یکسان در داخل هسته توزیع شده و دارای مقدار ثابت و معینی است، به ناگهان در سطحی که هسته را محدود کرده است صفر شود.
تئوری کوانتیک جدید نشان می دهد که بار الکتریک در هسته، ناگهان در یک سطح معینی صفر نمی شود، بلکه در قشر نازکی به تدریج شروع به کاهش می کند و کم کم به صفر نزدیک می شود.»(55)
سرانجام در سال 1972 مدل واحدی از ترکیب مدل های قطره ای و لایه ای، به وسیله فیزیکدان دانمارکی اوج بور(56) فرزند نیلز بور، بنیان نهاده شد و مدل تعمیم یافته نام گرفت.
تئوری تعمیم یافته بر این اساس است که اگر تعداد پروتون ها و نوترون های موجود در هسته برابر اعداد ماژیک و یا نزدیک به آنها باشد، خواص لایه ای ظاهر می شود. در غیر این صورت به ویژه اگر در لایه تکمیل نشده به اندازه تعداد ذرات لایه تکمیل شده قبلی، ذره موجود باشد، خواص قطره ای آشکار می گردد.
به نظر می رسد که ذرات واقع در خارج لایه های تکمیل شده، عامل تمام بی نظمی ها و اغتشاشات هسته ای می باشند. برعکس، ذراتی که در لایه های تکمیل شده قرار دارند، آرام ترند و به طور مستقیم در فعالیت های هسته شرکت نمی کنند.
میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی و بسیاری دیگر از نمودهای هسته که براساس مدل تعمیم یافته محاسبه شده اند، با تجربه موافق هستند. ولی به هر حال مشکل اصلی این مدل و دیگر مدل های هسته ای، عدم شناسایی نیروهای هسته ای است. این نیروها فوق العاده قوی بوده و با بار الکتریکی ارتباط ندارند. نیروهای یاد شده در فواصل بسیار نزدیک اعمال می گردند و مانند تمام نیروهای داد و ستدی به جهت اسپین ذرات وابسته اند.
اطلاعات بیشتر، در مورد نیروهای هسته وقتی حاصل می شود که فیزیکدان ها به درون خود ذرات هسته ای نیز راه یابند. و ساختمان آنها را بررسی نمایند. دانش فیزیک، این برنامه را تازه آغاز کرده است.

پی نوشت ها :

1ـ Nucleus
2ـ Nucleon
3ـ مقدمه ای بر مهندسی هسته ای، جان، آر، لامارش، ترجمه علی پذیرنده، انتشارات دانشگاه تهران، صفحه 23
4ـ مقدمه ای بر مهندسی هسته ای، جان، آر، لامارش، صفحه های 23 و 24
5ـ Binding Energy
6ـ مقدمه ای بر مهندسی هسته ای، جان، آر، لامارش، صفحه های 34 و 35
7ـ Fission
8ـ Fusion
9ـ Thermo-Nuclear
10ـ گداخت، چشمه انرژی فردا، اثر مسعود نراقی، انتشارات سازمان انرژی اتمی ایران، صفحه 10
11ـ Magic
12ـ Maria Goeppert-Mayer
13ـ J.Hans D.Jensen
14ـ Gamov
15ـ John Wheeler
16ـ مقدمه ای بر مهندسی هسته ای، جان، آر، لامارش، ترجمه علی پذیرنده، انتشارات دانشگاه تهران، صفحه 13
17ـ الفبای مکانیک کوانتا، اثر ویتالی رایدنیک، ترجمه مجتبی جعفرپور، انتشارات گوتنبرگ، صفحه 183
18ـ Otto Hahn
19ـ Lise Meitner
20ـ مجله دانشمند، ویژه نامه فیزیک، خرداد 65، صفحه 120
21ـ Moderation
22ـ Moderator
23ـ سرگذشت فیزیک، اثر جورج گاموف، ترجمه رضا اقصی، انتشارات سکه، صفحه 259
24ـ E.Amaldi
25ـ E.Segre
26ـ Rasetti
27ـ Fritz Strasman
28ـ Fritz Kalkar
29ـ Otto Frich
30ـ Leo Szilard
31ـ Eugen Wigner
32ـ James Franck
33ـ Walter Zinn
34ـ Albert Wattenberg
35ـ Herbert Anderson
36ـ John Marshall
37ـ E.Teller
38ـ John Wheeler
39ـ Leona M.Libby
40ـ Atomic Pile
41ـ Robert Oppenheimer
42ـ Igor Vasilievich Kurchatov
43ـ Nuclear Power Plant
44ـ Pressuer Vessel
45ـ Neutron Sources
46ـ Pressurizer
47ـ Loop
48ـ Steam Generator
49ـ Shaft
50ـ Condensor
51ـ Fuel
52ـ Hans Albrecht Bethe
53ـ Magnetic Confinement
54ـ الفبای مکانیک کوانتا، ویتالی رایدنیک، صفحه 191
55ـ اتم و انرژی اتمی (جلد دوم)، اثر کاظم عضوامینیان، انتشارات جانزاده، صفحه 129
56ـ Oge Bohr

منبع مقاله : 
ارزنده نیا، محمد، (1387) اتم و الفبای کتاب طبیعت، تهران: اطلاعات، کتابهای سپیده، چاپ سوم