2016/10/05

ساختار اتم و کوارک

کتر بیژن باران

شناخت جهان از ماده به ذره به اتم به کوارک رسیده است. دانش انسان در سده 21 از جهان ریز/ میکرو و کلان/ ماکرو در ماده بشکل ذره در نسبیت آینشتاین، ماده بشکل موج در مکانیک کوانتوم؛ انرژی جنبشی/ پتانسیل؛ فضازمان؛ ساختار عناصر، مدل استاندارد ذرات، نیروی 4گانه گرانش، الکترو مغناطیس، هسته ای ضعیف، هسته ای قوی خلاصه می شود.

 

شناخت از جهان محدود به کیهان دیدنی یعنی 5% جهان است؛ در حالیکه 95%جهان در تاریکی است. برای علم شرمآور است که فقط 5% حجم یا 4% باریون کیهان شناسایی شده؛ تمام قوانین فیزیک، شیمی، بیولوژی در 5% کیهان دیدنی کاربردی اند. در 400 سال گذشته دانشهای زیر تبیین شدند: نیرو، ماده، ذره، موج، نور، سیاهچاله، مهبانگ، اتم شکن.

 

با 2گانگی ذره نسبیت و موج کوانتوم مکانیک؛ طیف ماده از ریز در شکافت اتم تا کلان در کهکشانها و مهبانگ برای پژوهش باز شد. یعنی اصول حاکم بر آن شناخته شدند. کیهان از کهکشانها، فضازمان، انرژی ساخته شده؛ هر کهکشان دارای بخش تاریک و اتمها با ماده معمولی الکترون منفی و پروتون مثبت، نوترون خنثی، نوترینو، ضد ماده، فوتون، ذرات هیگز است.

 

از سده 20 شناخت اتم از مدل کیک کشمش راترفورد به مدل چرخ فلک مدارات انرژی دار الکترون بدور هسته اتم رسید. اکنون مدل استاندارد ذرات ریز اتم در 4نیروی جهان رایج است. سپس به کنشهای اتمی انرژی زا رسید: شکافت fission  اتم سنگین پلوتونیوم و همجوشی fusion اتم سبک هیدورژن. کشف 4نیرو تقویمی بوده؛ با افزایش دانش نخست گرانش، بعد دومی و سومی، در 1905 نیروی هسته ای قوی کشف شدند.

 

با آشکارگرها، برخورد دهنده ها، ابزارهای رایانه ای با شکافتن و تصادم ذرات ریز اجزای اتم به کوارک، نوترنیو، مزون و همارزی ماده و انرژی- این شناخت ژرفتر شد. در سده 20 فیزیک از ریاضی از نوع آینشتاین به داده های آماری دهه 1930 و استنتاجات منطقی هابل رسید. آیا اصول فیزیک مانند کنش- واکنش نیوتن، ناظر و محور مختصات نسبیت آینشتاین، عدم قطعیت هایزنبرگ در علوم اجتماعی بکار می آیند؟

 

در 3حوزه مدارات الکترون بوهر، ژنوم انسان واتسون-گریک، تابش زمینه کیهانی موج بسآمد خیلی زیاد / های فرکانس، علم از شناخت جهان ریز به کلان رسید. در پایان این سده اجزای اتم شکافته شده؛ ذره بنیانی کوارک سازنده باریون مشتمل بر هسته اتم با پروتون، نوترون با جرم و بار یافته شد. ساختار ماده در اتم، ذرات ریز، بار، چرخش، مزه و موج الکتروکهربا خلاصه شد.

 

اکنون گرانش/ جاذبه نیوتن مستند شده. جهت فیزیک تکمیل نظریه اتحاد 4نیروی طبیعت در 2مدل استاندارد ذرات و کیهان شناسی، تبیین ماده و انرژی تاریک، سازگاری نسبیت با کوانتوم می باشد. مرکز هر کهکشان سیاهچاله است. یک ویژگی جهان، خنثی بودن آن از لحاظ بار الکتریکی است. بنابراین برای هر الکترون منفی یک پروتون مثبت است.

 

تابش نور روی زمین رصد می شود. برای مشاهدهٔ مستقیم پرتوهای کیهانی باید از جو خارج شد. در فضا هم مانند فیزیک ذرات روی زمین، آشکارگر/ دیتکتور به‌کار می‌رود. ذرات در شتاب دهنده‌های زمینی بیشینه به انرژی 10 بقوه 12 الکترون ولت می ‌رسند، پرتوهای کیهانی یک آزمایشگاه طبیعی عالی برای فیزیک ذرات است. برخی ماهواره‌ها و سفینه های فضایی دارای آشکارگر پرتو کیهانی پیوسته چرنکوف و طیف فلورسنز اند.

 

در سده 20 درک فضا از اثیر و خلاء به ماده و انرژی تاریک ارتقاء یافت. در آن سده سرعت زیاد، ناظر در محور مختصات، ریاضیات میدان چندبعدی، عدم قطعیت در شناخت از جهان وارد شدند. ابزار اندازه گیری بیرون از جو برای سیاهچاله، کهکشان، منظومه/ خوشه، ستاره در چرخه زایش تا مرگ، سیاره خاکی/ گازی، شهاب، پرتو زمینه کیهانی پدید آمد.

 

ماده صفت 2گانه ذره و موج دارد. تامسون 1897ساختار ماده را در مدل ایستای کیک کشمش تجسم کرد. راترفورد 1911 اتم را با پویش بار منفی الکترون بدور هسته با بار مثبت ارتقاء داد. ماده تا دهه 1940 اتم و ذرات الکترون منفی، پروتون مثبت، نوترون خنثی در کتب فیزیک تبیین می شد. ولی در سده 21 این ساختار دقیقتر شد.

 

از دهه‌ ۱۹۶۰ در آزمایشگاه نشان داده شد: ذرات با انرژی‌های بسیار زیاد پراکندگی راترفورد بیشتر دارند. پس هسته های اتم با اندازه‌گیری زاویه انحراف لپتون‌ها مانند الکترون و میون بیشتر پراکندگی دارند. فوتون‌ پیوسته با الکترون‌ اندرکنش/ اینتراکشن تامسون، مانند مدل تصادم توپهای بیلیارد، دارد.

 

در اغلب آثار آینشتاین ذره الویت داشته؛ در کوانتوم مکانیک دهه 1930 پلانک، شرویدنگر، دیراک، هایزنبرگ، موجیت ماده غالب است. تابش یا انرژی الکترومغناطیسی بنا به نظریه موج، پدیده‌ای ارتعاشی است که در فضا انتشار می‌یابد؛ از 2میدان‌ عمود بر هم الکتریکی و کهربایی پیدا می شود.

 

میدان الکتریکی در صفحهٔ عمودی و میدان کهربایی در صفحهٔ افقی در پیشروی موج اند. موج الکترو مغناطیس نوع عرضی پیش ‌رونده است که از این 2میدان‌ پدید می آید. موج حرکت این 2 میدان بدون نیاز به واسطه در فضاست. تابش/ موج الکترو مغناطیس را نور نامند. نور مرئی فقط بخشی از گسترهٔ/ طیف این نوع موج است.

 

این موج از طول موج بلند رادیویی، ای ام، اف ام، ریز موج/ میکروویو، مادون قرمز/ فروسرخ، رنگین کمانی مرئی، ماورای بنفش/ فرابنفش، تا طول موج کوتاه پرتو ایکس، پرتو گاما است. رنگین کمان سرخ، نارنجی، زرد، سبز، نیلی، آبی، بنفش با طول موج 4 تا 7 ضربدر 10 به قوه  7- متر و انرژی 2.5 الکترون ولت است. بخش مریی این موج بنا به ترتیب افزایش بسامد نام‌های رنگی را دارد. چشم انسان تا 1 میلیون رنگ را می بیند.

 

موری گل-مان و جرج زویگ در ۱۹۶۴ مدل کوارک را برای رده ‌بندی هادرون‌ معرفی کردند. برای وجود فیزیکی آنها شواهد ناچیزی بودند تا اینکه آزمایش پراکندگی ناکشسان/ اینالاستیک ژرف در ۱۹۶۸ آزمایشگاه شتاب‌دهنده خطی استانفورد SLAC انجام شد. برای وجود هر 6 مزه کوارک، شواهدی به‌دست آمد. آخرین مزه‌ کوارک سر بود که در ۱۹۹۵ آزمایشگاه فرمی کشف شد. در برخورد 2 ذره بهم، پراکندگی در تصادم کش سان مانند 2 کلاف نخ یا غیرکش/ ناکشسان inelastic مانند 2 توپ بیلیارد اند.

 

پراکندگی ناکشسان ژرف برای جستجو درون هادرون به ویژه باریون‌ یعنی پروتون و نوترون با کاربرد الکترون، میون و نوترینو انجام می‌شود. این فرایند نخستین شاهد برای واقعی بودن کوارک است که تا پیش از آن زمان یک پدیده ریاضی انگاشته می شد. ناکشسان یعنی ذره هدف بخشی از انرژی جنبشی را جذب می‌کند. سان = مانند.

 

در نیمه سده 20 تلسکوپهای قویتر به رصد کیهان پرداخته؛ ابزار دقیقتر رفتار اجزا و ذرات اتم را ضبط کرد. ماده در نسبیت ذره و کوانتوم موج تبیین شد. با رشد فنآوری دیجیتال داده های نجومی و اتمی بهتر پردازش شده؛ تبدیلشان به تصاویر رنگی رایانه کمک به فهم بهتر پدیده ها کرد. اکنون مدل استاندارد کیهانشناسی مهبانگ با ماده و انرژی تاریک گسترنده رایج است.

 

جدول مندلیف با وزن اتمی عناصر برای ترکیبات شیمیایی و بعد جدول ایزوتوپهای عناصر برای کنشهای اتمی پدید آمدند. شکافت عنصرها با ذرات اتمی پروتون، نوترون، الکترون، فوتون و آزادی انرژی در بمب و نیروگاه اتمی بکار رفتند. برخی ابزار اندازه گیری انرژی و پرتو در زیر می آیند. نیروگاه اتمی دارای مخزنی برای کنشهای هسته ای مواد سوختی تحت کنترل، تدوام، خنک کن در رهایی انرژی و تبدیل آن به برق می باشد. نمونه: نیروگاه بوشهر با توان 1000 مگاوات.

 

فرق نیروگاه با بمب اتمی این است که هر 2 انرژی تولید کرده؛ اولی کنترل شده؛ دومی بدون کنترل و مخرب است. شتابدهنده ساختمانی است که اتمها یا ذرات در میدان الکترومغناطیس سرعت نور گرفته؛ نمونه CERN در سویس. شکافت ذرات اتمی به رده بنده 700 ریزذره/ ساباتمیک مانند نوترنیو، مزون، کوارک منجر شد. آنها در ماده هستند؛ نیز با حسگرهای جدید در فضا اندازه گیری شدند. کامران وفا نظریه تار را مطرح کرد؛ جنبه هایی از ناهماهنگی نسبیت اینشتاین و مکانیک کوانتوم را حل کرد.

 

نظریهٔ ریسمان/ تار String در فیزیک نظری انرژی‌های زیاد است. در دهه ۱۹۸۰ برای اتحاد 4نیرو، یعنی گرانش، کهربا، هسته ای قوی و ضعیف، در تئوری اَبَر گرانش با مدل کاکو برای ماده بمثابه تار عرضه شد. یعنی ذرات اولیه به جای متمرکز بودن در یک نقطه، در تارهای 1بعدی کوچک ردیف اند. ارتعاشات تار در طول های گوناگون ساز مانند گیتار صداهای متناظر تولید کند.

 

کهکشانها از ستارگان، ماده تاریک، انرژی تاریک ساخته شده اند. کیهان/ یونورس مریی، شناخته در 4بعد فضازمان بنا به نظریه ریسمان کاربردی به بیرون/ مالتیورس با ابعاد بسیارگانه نشت می کند. این نظر رییس بزرگترین شتابدهنده ذرات در چین - نیما ارکانی با پدر و مادر تبریزی است. نطریه تار گرانش نسبیت عام و مدل استاندارد برای میدان کوانتوم را با 3نیروی دیگر ربط می دهد. در آغاز به تبیین نیروی هسته‌ای قوی کمک کرده؛ با کرومو دینامیک کوانتوم اندر کنش قوی کوارکها در گلوآن با داشتن "رنگ" از رواج افتاد.

 

حاملهای 4نیرو بترتیب زیرند: گلوان در کرومو دینامیک کوانتوم نیروی قوی، بوزون نوع زد و دوبلو در نیروی ضعیف الکترومغناطیس، فوتون در الکترو دینامیک کوانتوم در نیروی ضعیف، گراویتون در گرانش. این اجزاء و حاملها ذرات بنیانی ماده اند. کرومو دینامیک کوانتوم نظریه میدان برای اندرکنش قوی بین کوارک، گلوان، رنگ است. الکترو دینامیک کوانتوم نظریه میدان الکترو مغناطیس و اندرکنش ذرات باردار است. https://home.cern/about/physics/standard-model

 

مدل استاندارد ذرات اجزای بنیانی سازنده ماده میدانهای کوانتوم با 4نیرو در دهه 1970 پس از تایید تجربی کوارک تکمیل شد. از آن پس تا کنون کشف کوارک سر ۱۹۹۵، تاو نوترینو ۲۰۰۰، بوزون هیگز ۲۰۱۳ نتایج تجربی در "مدل استاندارد همه چیز" را تبیین می کنند. این مدل برای تبیین آزمایشات در 2نوع کوارک و لپتون هر نوع از 6 ذره جفتی/ نسلی، است. نسل 1 سبکترین و با ثبات ترین برای ساختن تمام ماده های با ثبات کیهان بوده؛ 6کوارک جفتی بالا و پایین دارند.

 

این مدل، مانند جدول مندلیف یک شکل 2 بعدی بوده؛ افقی آن بوزون و فرمیون؛ عمودی آن کوارک و لپتون اند. نیروی گرانش به ذره گراویتون نیاز داشته که تاکنون در آزمایشگاه رصد نشده است. این مدل گرانش نسبیت عام و گسترش شتابدار کیهان از گنجاندن ماده تاریک در مشاهدات کیهان‌شناسی، نوسانات نوترینوها، جرم‌های غیر صفرشان ناتوان است. این مدل با ۶۱ ذره 3 رسته دارد: لپتون‌، کوارک‌، میانجی. http://fizikgarn21.vcp.ir/2/

 

ذرات زیر اتمی/ ساباتمیک 3 نوع بنیانی، مرکب، شبه ذرات اند: 1-بنیانی- فرمیون‌: کوارکها‌ 6گونه اند که هر یک را یک مزه نامند: بالا، پایین، افسون، شگفت، سر، ته. هرکدام جفت با پاد اند. لپتون: الکترون، پوزیترون، میون، پادمیون، تاو، پادتاو، الکترون‌نوترینو، الکترون‌پادنوترینو، میون‌نوترینو، میون‌پادنوترینو، تاونوترینو، تاوپادنوترینو. بوزون‌: پیمانه‌ای، نرده‌ای. دیگر موارد: ارواح.

 

فرضی: اَبَرشریک‌ها: گواگینو‌، گلوینو، گراویتینو، فوتینو. دیگر موارد: هیگزینو، نوترالینو، چارجینو، اکسینو، اسفرمیون/ کوارک اند. دیگر موارد: ذره پلانک A0، دیلاتون G J، فرمیون، مایورانا m، تاکیون، لپتوکوارک، ایکس وای دبلیوپریم، زدپریم، نوترینو، سترون پرئون. 2-مرکب-هادرون‌: باریون با 3کوارک و 1مزون در نوع اومگا، لمبدا، هایپرون غیرهسته ای باردار با 3کوارک‌. مزون‌/ کوارکونیوم. دیگر موارد. این ذرات جزء اتمی اند. اجزای اتمی الکترون، پروتون، نوترون اند. باریون با سرعت غیر نسبیتی نور حرکت می کند.

 

هسته اتم دی کوارک، اتم اگزاتیک، پوزیترونیوم، مئونیوم، تاو اونیا، اَبَراتم مولکول است. فرضی: هادرون‌ غیرعادی، باریون‌ غیر عادی، دی باریون، پنتاکوارک، اسکرمیون مزون‌ غیرعادی، گلوبال تترا کوارک. دیگر موارد: مولکول مزونی، پومرون. 3-شبه ذرات- سولیتون دیویدوف: دراپلتون، اکسیتون، حفره، مگنون، فونون، پلاسمارون، پلاسمون، پلاریتون، پولارون، روتون، تریون.

 

مدل استاندارد 4 نیرو/ اندرکنش بنیادی طبیعت  https://en.wikipedia.org/wiki/Fundamental_interaction

 

اندرکنش

گرانش

نیروی ضعیف

الکترومغناطیس

قوی

الکترو ضعیف

بنیانی

پس‌ماند

قابلیت تاثیر بر

جرم - انرژی

مزه

بار الکتریک

بار رنگ

هسته اتم

ذرات تحت تاثیر این نیرو

همه

کوارک‌، لپتون‌

ذرات با بار الکتریک

کوارک‌، گلوان‌

هادرون‌

ذرات میانجی

گراویتون
نادیده

W+ W Z0 مزون ضعیف با بار + یا- یا 0 خنثی

گاما یا فوتون

گلوان‌

مزون‌

قدرت در حد کوارک

10 بقوه 41-

10 بقوه 4-

۱

۶۰

غیر از کوارک‌

قدرت در حد پروتون‌/ نوترون

10 بقوه 36- بواحد eV

10 بقوه 7-

۱

غیر از هادرون‌

۲۰

 

هیگز بوزون ذره بنیانی در میدان هیگز است که به پیدایش ذرات جرم دار کمک می کند. بوزون هیگز دلایلی ارائه می کند برای تفاوت‌ فوتونها که بدون جرم اند و بوزون‌های W و Z که نسبتاً پرجرم و در نیروی هسته‌ای ضعیف اند. در جرم ذرات بنیانی، فوتون‌ها الکترومغناطیس پدید آورند. در ساختار میکروسکوپیک و ماکروسکوپیک تفاوت این 2 در ماده مؤثر ند. پس بوزون هیگز در ماده مهم ‌است. ویکی پیدیا/بوزون_هیگز

 

ماده از کوارک با چرخش و لپتون ساخته شده؛ کوارک در 3 رنگ است. 6 لپتون در 3 نسل الکترون، میون، تاو اند. آنها بار و جرم داشته؛ نوترینو خنثی، با جرم ناچیز است. کوارک‌ها 2نوع هادرون می سازند: نوع اول مزون حاوی 1 کوارک و 1 پادکوارک است. نوع دوم ریزاتم/ ساباتمیک مانند مزون و نوترینو است. اندازه پروتون و نوترون 10 بقوه 15- متر بوده؛ جرم الکترون یک بر 1840 جرم پروتون، ناچیز است. کوارک‌ سازنده هادرون‌ را نمی‌توان از آن جدا کرد. پس کوارک‌ را دقیقتر از هادرون‌ نمی توان بررسی کرد.

 

باریون از کوارک ساخته شده که ذرات اتم با بار الکترونیک پروتون مثبت، نوترون خنثی را می سازد. این گروه از ماده، سنگین تر از دیگر گروه‌ ها ست. ریشه واژه باریون از باریس یونانی به معنی سنگین است. باریون‌ با سرعت غیر نسبیتی حرکت می‌کند، پس انرژی جنبشی آن بسیار کمتر از جرم-انرژی می‌باشد. عمده جرم اتم در نوکلئون یعنی پروتون و نوترون در هسته است که از ذرات بنیانیتر کوارک ساخته شده‌اند. https://fa.wikipedia.org/wiki/ کوارک

 

ذراتی را که از 3 کوارک ساخته شده‌اند باریون می‌نامند. دو کوارک بالا و یک کوارک پایین، پروتون را می‌سازند؛ نوترون از 1 کوارک بالا و 2 کوارک پدید آید. از تمام حالات ممکن برای باریون، تنها پروتون و نوترون پایدارند. لذا این 2تنها ذره باریونی مهم در جهان اند. گرچه الکترون از کوارک ساخته نشده؛ ولی در باریون دسته‌بندی می‌شود.

 

هادرون ذره ریزاتمی باریون و مزون است که اندرکنش قوی می کند. تحدید رنگ  Color confinement یعنی ذره بار رنگ داشته؛ ذره مانند کوارک‌ آزاد نبوده؛ لذا بطور مستقیم نادیدنی اند. ذره را فقط می‌توان درون هادرون‌ از جمله باریون مانند پروتون، نوترون، مزون‌ یافت. لذا بیشتر دانش کوارک‌ از رفتار هادرون‌ حاصل می شود. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/quark.html

 

کوارک‌ صفات ذاتی گوناگون دارد: بار الکتریک، بار رنگ، اسپین/ چرخ، جرم. کوارک با جرم و بار تنها ذره بنیانی مدل استاندارد ذرات است که هر 4 نیروی بنیانی را تجربه می‌کند. این 4نیرو بقرار زیرند: الکترومغناطیس، هسته‌ای قوی، هسته‌ای ضعیف، گرانش. نیز کوارک‌ تنها ذره‌ای است که بار الکتریک ‌اش مضرب صحیحی از بار بنیانی نیست. کوارک بالا و پایین کوچکترین جرم را دارد که از واپاشی سنگین‌ترها به سرعت پدید می آید: تبدیل شدن از جرم بیش‌تر به جرم کم‌تر.

 

هر مزه کوارک یک پادذره متناظر به نام پادکوارک دارد. تنها تفاوت آن با کوارک متناظرش اندازه یکسان ولی علامت مخالف است. لذا کوارک‌ بالا و پایین عموماً پایدار بوده؛ رایج‌ترین آنهاست. کوارک‌های دیگر فقط در برخوردهای پر انرژی مانند پرتو کیهانی و شتاب‌ دهنده‌ های ذرات پدید می آیند.

 

منابع.  ‏2016‏/10‏/03

 

گرچه قبلاً وجود امواج گرانشی غیرمستقیم گزارش شده‌بود. رصدخانه زمینی لایگو، فضایی لیسا، آژانس فضایی اروپا برای آشکارسازی این امواج راه‌اندازی شدند. پایهٔ مدل‌های کنونی کیهان‌شناسی، برمبنای جهانِ در حال انبساط است. پیش‌ بینی‌های این نظریه مانند گذر زمان، هندسهٔ فضا، حرکت اجسام در سقوط آزاد و انتشار نور با پیش 

 

به بقیه گزیده های مقالات دکتر بیژن باران کلیک نماید  

 

 
 

admin@vatandar.at

 
 مدیر مسوول : انجنیر هما یوسفی
صاحب امتیاز : انجنیرنجیب یوسفی
کليه ی حقوق بر اساس قوانين کپی رايت  محفوظ و متعلق به وطندار می باشد