غالباً گفته می شود که علم دو گونه است - علوم بزرگ و کوچک. شکافتن اتم علم بزرگی است. این کشور دارای امکانات عظیم تجربی، بودجه های هنگفت است و سهم شیر از جوایز نوبل را دریافت می کند.
چرا فیزیکدانان نیاز به تقسیم اتم داشتند؟ پاسخ ساده - برای درک نحوه عملکرد اتم - فقط کسری از حقیقت را شامل می شود، اما دلیل کلی تری نیز وجود دارد. صحبت به معنای واقعی کلمه از شکافتن اتم کاملاً صحیح نیست. در واقع، ما در مورد برخورد ذرات پرانرژی صحبت می کنیم. در برخورد ذرات زیراتمی که با سرعت زیاد حرکت می کنند، دنیای جدیدی از فعل و انفعالات و میدان ها متولد می شود. تکه‌های ماده حامل انرژی عظیم، که پس از برخورد پراکنده شده‌اند، اسرار طبیعت را پنهان می‌کنند که از زمان "آفرینش جهان" در روده‌های اتم مدفون مانده است.
امکاناتی که در آنها برخورد ذرات با انرژی بالا انجام می شود - شتاب دهنده های ذرات - با اندازه و هزینه خود شگفت زده می شوند. عرض آنها به چندین کیلومتر می رسد و در مقایسه با آنها، حتی آزمایشگاه هایی که در آنها برخورد ذرات بررسی می شود بسیار کوچک به نظر می رسند. در سایر زمینه های تحقیقات علمی، تجهیزات در آزمایشگاه قرار می گیرند؛ در فیزیک پرانرژی، آزمایشگاه ها به شتاب دهنده متصل می شوند. اخیراً مرکز تحقیقات هسته ای اروپا (سرن)، واقع در نزدیکی ژنو، چند صد میلیون دلار برای ساخت یک شتاب دهنده حلقه ای اختصاص داده است. محیط تونلی که برای این منظور ساخته می شود به 27 کیلومتر می رسد. این شتاب دهنده که LEP (LEP، حلقه الکترون-پوزیترون بزرگ) نامیده می شود، برای شتاب دادن به الکترون ها و پادذرات آنها (پوزیترون ها) تا سرعت هایی طراحی شده است که فقط «یک مو» با سرعت نور متفاوت است. برای دریافت ایده ای از مقیاس انرژی، تصور کنید که به جای الکترون ها، یک سکه پنی به چنین سرعت هایی شتاب می گیرد. در پایان چرخه شتاب، انرژی کافی برای تولید 1000 میلیون دلار برق خواهد داشت! جای تعجب نیست که چنین آزمایشاتی معمولاً به عنوان فیزیک با انرژی بالا طبقه بندی می شوند. با حرکت به سمت یکدیگر در داخل حلقه، پرتوهای الکترون‌ها و پوزیترون‌ها برخوردهای رو به رو را تجربه می‌کنند که در آن الکترون‌ها و پوزیترون‌ها از بین می‌روند و انرژی کافی برای ایجاد ده‌ها ذره دیگر آزاد می‌کنند.
این ذرات چیست؟ برخی از آنها همان "آجرهایی" هستند که ما از آنها ساخته شده‌ایم: پروتون‌ها و نوترون‌هایی که هسته‌های اتم را می‌سازند، و الکترون‌هایی که در اطراف هسته‌ها در گردش هستند. ذرات دیگر معمولاً در مواد اطراف ما یافت نمی شوند: عمر آنها بسیار کوتاه است و پس از انقضای آن، به ذرات معمولی تجزیه می شوند. تعداد انواع چنین ذرات کوتاه مدت ناپایدار شگفت انگیز است: چند صد مورد از آنها قبلاً شناخته شده است. مانند ستارگان، ذرات ناپایدار آنقدر زیاد هستند که نمی‌توان آنها را «با نام» تشخیص داد. بسیاری از آنها فقط با حروف یونانی نشان داده می شوند و برخی به سادگی اعداد هستند.
مهم است که به خاطر داشته باشید که همه این ذرات ناپایدار متعدد و متنوع به هیچ وجه به معنای واقعی کلمه اجزای پروتون، نوترون یا الکترون نیستند. الکترون ها و پوزیترون های پرانرژی در حال برخورد به هیچ وجه در بسیاری از قطعات زیراتمی پراکنده نمی شوند. حتی در برخورد پروتون‌های پرانرژی، که آشکارا از اجسام دیگر (کوارک‌ها) تشکیل شده‌اند، معمولاً به معنای معمول به اجزای سازنده تقسیم نمی‌شوند. آنچه در چنین برخوردهایی اتفاق می افتد بهتر است به عنوان تولید مستقیم ذرات جدید از انرژی برخورد دیده شود.
حدود بیست سال پیش، فیزیکدانان کاملاً از فراوانی و تنوع ذرات زیراتمی جدید که به نظر می‌رسید پایانی نداشت، گیج شده بودند. درک دلیل این همه ذرات غیرممکن بود. شاید ذرات بنیادی مانند ساکنان باغ وحش با تعلق ضمنی خود به خانواده ها باشند، اما بدون هیچ گونه طبقه بندی مشخص. یا شاید همانطور که برخی خوش بینان معتقد بودند، ذرات بنیادی کلید جهان را در دست دارند؟ ذرات مشاهده شده توسط فیزیکدانان چیست: قطعات ناچیز و تصادفی ماده یا خطوط کلی یک نظم مبهم درک شده که در مقابل چشمان ما ظاهر می شود و نشان دهنده وجود ساختاری غنی و پیچیده از دنیای زیرهسته ای است؟ امروزه در وجود چنین ساختاری شکی نیست. عالم صغیر نظمی عمیق و عقلانی دارد و ما شروع به درک معنای همه این ذرات می کنیم.
ایزوتوپ مناسب را انتخاب کنید.برخی از عناصر یا ایزوتوپ ها تحت واپاشی رادیواکتیو قرار می گیرند و ایزوتوپ های مختلف ممکن است رفتار متفاوتی داشته باشند. رایج ترین ایزوتوپ اورانیوم دارای وزن اتمی 238 و متشکل از 92 پروتون و 146 نوترون است، اما هسته های آن معمولاً نوترون ها را بدون تقسیم به هسته های عناصر سبک تر جذب می کنند. ایزوتوپ اورانیوم که هسته آن دارای سه نوترون کمتر یعنی 235 U است، بسیار راحت تر از U238 شکافت می شود و ایزوتوپ شکافت پذیر نامیده می شود.
برای اینکه واکنش پس از فروپاشی اتم اول ادامه یابد، باید ایزوتوپ کافی جمع آوری شود.برای انجام این کار، داشتن حداقل مقدار مشخصی ایزوتوپ شکافت پذیر لازم است که واکنش را پشتیبانی کند. این کمیت جرم بحرانی نامیده می شود. مواد اولیه کافی برای رسیدن به جرم بحرانی و افزایش احتمال پوسیدگی مورد نیاز است.
یک هسته اتمی از یک ایزوتوپ را به سمت هسته دیگری از همان ایزوتوپ شلیک کنید.از آنجایی که ذرات زیراتمی آزاد بسیار نادر هستند، اغلب لازم است که آنها را از اتم های حاوی این ذرات جدا کنیم. یک راه برای انجام این کار شلیک یک اتم از ایزوتوپ به دیگری از همان نوع است.
آتش به هسته های ایزوتوپ شکافت پذیر با ذرات زیر اتمی.یک ذره زیراتمی منفرد می تواند به یک اتم 235 U برخورد کند و آن را به دو اتم جداگانه از عناصر دیگر تقسیم کند و سه نوترون تولید کند. ذرات زیراتمی را می توان از یک منبع کنترل شده (مانند تفنگ نوترونی) به دست آورد یا از برخوردهای هسته ای ایجاد شد. معمولا از سه نوع ذرات زیر اتمی استفاده می شود.
همجوشی هستهای
کشف ایزوتوپ های عناصر پایدار، اصلاح اندازه گیری بار اولیه اولین دستاوردهای فیزیک پس از جنگ (1917-1918) بود. در سال 1919، یک کشف هیجان انگیز جدید انجام شد - شکافت مصنوعی هسته. این کشف توسط رادرفورد در کمبریج در آزمایشگاه کاوندیش انجام شد که او در همان سال 1919 ریاست آن را بر عهده داشت.
رادرفورد برخورد ذرات a با اتم های سبک را مطالعه کرد. برخورد یک ذره a با هسته چنین اتمی باید آنها را تسریع کند. بنابراین، هنگامی که یک ذره a به هسته هیدروژن برخورد می کند، سرعت خود را 1.6 برابر افزایش می دهد و هسته 64 درصد انرژی خود را از ذره a می گیرد. چنین هسته‌های شتاب‌دار به راحتی توسط سوسوزن‌هایی که هنگام برخورد با صفحه سولفید روی رخ می‌دهند، شناسایی می‌شوند. آنها در واقع توسط مارسدن در سال 1914 مشاهده شدند.
رادرفورد آزمایش‌های مارسدن را ادامه داد، اما، همانطور که خودش اشاره کرد، این آزمایش‌ها "در فواصل زمانی بسیار نامنظم انجام می‌شد، زیرا مشاغل روزمره و کارهای مرتبط با جنگ اجازه می‌داد..." "آزمایش‌ها حتی برای مدت طولانی به طور کامل متوقف شدند." تنها پس از پایان جنگ آزمایش ها به طور منظم انجام شد و نتایج آن در سال 1919 در چهار مقاله تحت عنوان کلی «برخورد ذرات a با اتم های سبک» منتشر شد.
ابزاری که رادرفورد برای مطالعه چنین برخوردهایی به کار برد، یک محفظه برنجی به طول 18 سانتی متر، ارتفاع 6 سانتی متر و عرض 2 سانتی متر بود.یک صفحه فلزی پوشیده شده با ماده فعال منبع ذرات a بود. دیسک در داخل محفظه قرار داده شد و می‌توان آن را در فواصل مختلف از صفحه سولفید روی تنظیم کرد، که بر روی آن سوسوزن‌ها با استفاده از میکروسکوپ مشاهده شد.
محفظه را می توان با گازهای مختلف پر کرد (شکل 78 را ببینید).
برنج. 78. طیف نگار جرمی Dempester
هنگامی که اکسیژن خشک یا دی اکسید کربن معرفی شد، تعداد سوسوزن ها به دلیل جذب ذرات a توسط لایه گاز کاهش یافت. رادرفورد در مقاله چهارم نوشت: «اما یک اثر غیرمنتظره زمانی که هوای خشک به دستگاه وارد شد، کشف شد. به‌جای کاهش، تعداد سوسوزن‌ها افزایش یافت و برای جذب تقریباً 19 سانتیمتر هوا، تعداد آنها تقریباً 2 برابر بیشتر از آن چیزی بود که در خلاء مشاهده شد. از این آزمایش مشخص شد که ذرات a، هنگام عبور از هوا، سوسوزن‌هایی را ایجاد می‌کنند که مربوط به طول مسیرهای بزرگ است، که روشنایی آن برای چشم تقریباً برابر با روشنایی H-سوزن‌ها است. از آنجایی که این اثر در اکسیژن و دی اکسید کربن مشاهده نشد، می توان به احتمال زیاد استدلال کرد که این اثر منشأ آن را مدیون نیتروژن است.
محفظه با نیتروژن تمیز و کاملاً خشک شده پر شد. "در نیتروژن خالص، تعداد سوسوزن های مربوط به یک برد طولانی بیشتر از هوا بود." بنابراین، "سوسوزن های دوربرد مشاهده شده در هوا باید به نیتروژن نسبت داده شود."
با این حال، لازم بود نشان داده شود که ذرات دوربرد a که باعث سوسوزن می‌شوند «نتایج برخورد ذرات a با اتم‌های نیتروژن هستند».
طرح اولین نصب Millikan
رادرفورد از طریق آزمایش‌های متعدد نشان داد که واقعاً چنین است و در نتیجه چنین برخوردهایی ذرات با حداکثر برد 28 سانتیمتر، مشابه اتم‌های H به دست می‌آیند. رادرفورد نوشت: «از نتایج به‌دست‌آمده تا کنون، اجتناب از این نتیجه‌گیری دشوار است که اتم‌های دوربرد ناشی از برخورد ذرات a با نیتروژن اتم‌های نیتروژن نیستند، بلکه به احتمال زیاد، اتم‌های هیدروژن یا اتم‌های هیدروژن هستند. اتم هایی با جرم 2 اگر چنین است، پس باید نتیجه بگیریم که اتم نیتروژن به دلیل نیروهای عظیمی که در برخورد با ذره سریع الف ایجاد می شود در حال تجزیه است و اتم هیدروژن آزاد شده بخشی از اتم را تشکیل می دهد.
بنابراین، پدیده شکافتن هسته های نیتروژن در هنگام برخورد ذرات سریع الف کشف شد و برای اولین بار این ایده بیان شد که هسته های هیدروژن بخشی جدایی ناپذیر از هسته اتم ها هستند. متعاقباً، رادرفورد اصطلاح "پروتون" را برای این جزء از هسته پیشنهاد کرد. رادرفورد مقاله خود را با این جمله به پایان رساند: «نتایج به طور کلی نشان می‌دهد که اگر بتوان از ذرات a یا ذرات سریع متحرک مشابه با انرژی بسیار بالاتر برای آزمایش‌ها استفاده کرد، تخریب ساختارهای هستهای بسیاری از اتم‌های سبک را می‌توان تشخیص داد.»
در 3 ژوئن 1920، رادرفورد به اصطلاح سخنرانی باکری را با عنوان "ساختار هسته ای اتم" ایراد کرد. رادرفورد در این سخنرانی در مورد نتایج تحقیقات خود در مورد برخورد ذرات a با هسته های اتم و در مورد شکافتن هسته های نیتروژن، با بحث در مورد ماهیت محصولات شکافت، فرضی در مورد احتمال وجود هسته ها با جرم 3 و 2 و هسته هایی با جرم یک هسته هیدروژن، اما با بار صفر. در همان زمان، او از این فرضیه که برای اولین بار توسط ماریا اسکلودوسکا-کوری بیان شد، ادامه داد که الکترون ها بخشی از هسته اتم هستند.
رادرفورد می نویسد که «به نظر او بسیار قابل قبول است که یک الکترون بتواند دو هسته H و شاید حتی یک هسته H را به هم متصل کند. اگر فرض اول درست باشد، احتمال وجود اتمی با جرم حدود 2 و با یک بار را نشان می دهد. چنین ماده ای را باید به عنوان ایزوتوپ هیدروژن در نظر گرفت. فرض دوم شامل ایده امکان وجود اتمی با جرم 1 و بار هسته ای برابر با صفر است. چنین تشکیلاتی کاملاً محتمل به نظر می رسند... چنین اتمی خواص کاملاً خارق العاده ای خواهد داشت. میدان خارجی آن عملاً باید برابر با صفر باشد، به استثنای مناطق بسیار نزدیک به هسته. در نتیجه باید توانایی عبور آزادانه از ماده را داشته باشد. وجود چنین اتمی احتمالاً به سختی با طیف‌سنجی تشخیص داده می‌شود و نمی‌توان آن را در یک ظرف بسته نگه داشت. از طرف دیگر، باید به راحتی وارد ساختار اتم شود و یا با هسته آن ترکیب شود، یا توسط میدان شدید دومی شتاب گرفته و یک اتم H باردار یا یک الکترون یا هر دو ایجاد کند.
اینگونه بود که فرضیه وجود نوترون و ایزوتوپ سنگین هیدروژن مطرح شد. این بر اساس فرضیه ارائه شده توسط M. Sklodowska-Curie بیان شد که هسته اتم ها از هسته هیدروژن (پروتون) و الکترون تشکیل شده است.
این مفهوم بلافاصله اعداد هسته ای مشخصه A و Z را توضیح داد.
با این حال، ویژگی‌های هسته مانند عدد جرمی A و بار Z ناکافی بودند. در سال 1924، قبل از کشف اسپین، دبلیو پائولی پیشنهاد کرد که هسته دارای گشتاور مغناطیسی است که بر حرکت الکترون های مداری تأثیر می گذارد و در نتیجه ساختاری فوق ظریف از خطوط طیفی ایجاد می کند. توضیح ساختار ظریف طیف ها با حضور گشتاورهای مغناطیسی هسته ها توسط اسپین منجر به تقسیم هسته ها به دو نوع شد. هسته های نوع زوج با اسپین عدد صحیح از آمار بوز تبعیت می کنند، هسته های نوع فرد با اسپین نیمه صحیح از آمار فرمی دیراک پیروی می کنند. بنابراین، طبق نظریه پروتون-الکترون، هسته های متشکل از تعداد زوج الکترون و پروتون باید از آمار بوز، از یک عدد فرد - آمار فرمی دیراک پیروی کنند.
در سال 1930 معلوم شد که هسته نیتروژن از آمار بوز تبعیت می کند ، اگرچه طبق نظریه پروتون-الکترون ساختار هسته ، از 21 ذره (14 پروتون ، 7 الکترون) تشکیل شده است. این واقعیت در علم به عنوان فاجعه نیتروژن شناخته می شود.
در همان سال، زمانی که فاجعه نیتروژن کشف شد، نتایج آزمایش‌های ال. مایتنر و اورتمن منتشر شد که نتایج آزمایش‌های الیس و وستر در سال 1927 را تأیید کرد. این آزمایش‌ها نشان داد که انرژی کل (3 پرتو، اندازه گیری شده توسط یک میکروکالری متر دیواره ضخیم، کمتر از تفاوت بین انرژی هسته های اولیه و محدود است، به عنوان مثال، بخشی از انرژی ساطع شده توسط هسته در طی واپاشی p ناپدید می شود، و در نتیجه تضاد آشکار با قانون بقای وجود دارد. انرژی.
راه حل مشکل فاجعه نیتروژن و معمای طیف p بر اساس ایده وجود ذرات خنثی در طبیعت - سنگین به نام نوترون و سبک - به نام نوترینو ارائه شد. ، نوترون کوچک، به پیشنهاد فرمی.
از ماجراهای آقای تامپکینز نویسنده گاموف گئورگیفصل 12 در داخل هسته سخنرانی بعدی آقای تامپکینز در مورد فضای داخلی هسته به عنوان مرکزی که الکترون های اتمی به دور آن می چرخند بود. پروفسور شروع کرد: خانم ها و آقایان. - سعی خواهیم کرد بیشتر و بیشتر به ساختار ماده بپردازیم
از کتاب [سخنرانی برای دانش آموزان مدرسه] نویسنده ایوانف ایگور پیروویچدنیای شگفت انگیز درون هسته اتم
برگرفته از کتاب جدیدترین کتاب حقایق. جلد 3 [فیزیک، شیمی و فناوری. تاریخ و باستان شناسی. متفرقه] نویسنده کوندراشوف آناتولی پاولوویچدنیای شگفت انگیز درون هسته اتم
برگرفته از کتاب نوترینو - ذره شبح مانند اتم نویسنده آسیموف ایزاک از کتاب درس تاریخ فیزیک نویسنده استپانوویچ کودریاوتسف پاول از کتاب سفرهای بین سیاره ای [پروازها به فضای جهان و رسیدن به اجرام آسمانی] نویسنده پرلمان یاکوف ایسیدوروویچساختار هسته اگرچه به نظر می رسید که مسئله تابش یک ذره؟ در نهایت روشن شود، از آنجایی که قانون بقای بار الکتریکی محقق شد، فیزیکدانان به تحقیقات خود ادامه دادند. برای آنها یک راز باقی مانده بود که چگونه یک هسته با بار مثبت می تواند ساطع کند
برگرفته از کتاب تاریخ بمب اتمی نویسنده مانیا هوبرتدافعه درون هسته تا سال 1932 مشخص شد که هسته ها منحصراً از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده اند. نظریه های قبلی که ادعا می کردند الکترون در هسته وجود دارد، کنار گذاشته شدند. اگرچه این کار بسیاری از مشکلات را به یکباره حل کرد، اما سوالی پیش آمد که قبلا وجود نداشت
برگرفته از کتاب خطر سیارک-دنباله دار: دیروز، امروز، فردا نویسنده شوستوف بوریس میخائیلوویچجاذبه درون هسته اگر هنگام در نظر گرفتن هسته های اتم، برهمکنش های گرانشی نادیده گرفته شوند و فقط برهمکنش های الکترومغناطیسی در نظر گرفته شوند، توضیح وجود هسته دشوار است. ذراتی که از آن تشکیل شده است به دلیل نیروهای عظیم نمی توانند ترکیب شوند
از کتاب ماری کوری. رادیواکتیویته و عناصر [بهترین راز حفظ شده ماده] نویسنده Paez Adela Munozکشف هسته اتم اجازه دهید یکی از اکتشافات اساسی رادرفورد را با جزئیات بیشتری بررسی کنیم - کشف هسته اتم و مدل سیاره ای اتم. ما دیدیم که جذب اتم به منظومه سیاره ای در همان ابتدای قرن بیستم انجام شد. اما این مدل سخت بود
از کتاب نویسندهمدل پروتون-نوترونی هسته در 28 مه 1932، فیزیکدان شوروی، D. D. Ivanenko یادداشتی در Nature منتشر کرد که در آن پیشنهاد کرد که نوترون، همراه با پروتون، یک عنصر ساختاری هسته است. وی خاطرنشان کرد: چنین فرضیه ای مشکل فاجعه نیتروژن را حل می کند. که در
از کتاب نویسندهدرون هسته این سفر بی سابقه برای مسافران هسته ژول ورن به همان اندازه که در رمان توصیف شده است آرام و امن نخواهد بود. با این حال فکر نکنید که در طول سفر از زمین به ماه خطر آنها را تهدید می کند. اصلا! اگر توانستند لحظه به لحظه زنده بمانند،
از کتاب نویسندهبه فصل هشتم 6. فشار داخل گلوله توپ برای خوانندگانی که می خواهند محاسبات ذکر شده در صفحه 65 را تأیید کنند، این محاسبات ساده را در اینجا ارائه می دهیم.
از کتاب نویسنده از کتاب نویسنده4.2. مشخصات فیزیکی، ساختار هسته در دهه گذشته، دانش ما در مورد دنباله دارها و فرآیندهای رخ داده در آنها به طور قابل توجهی گسترش یافته است. افزایش شدید علاقه به دنباله دارها با آماده سازی و برگزاری یک فضای بین المللی تسهیل شد
از کتاب نویسندهرادرفورد و کشف هسته اتمی چه اتفاقی برای کسی افتاد که در جوانی بازیکن راگبی خوبی بود و سپس قبل از دیگران حدس زد که اتم می تواند تجزیه شود؟ ارنست رادرفورد "تبعید" آمریکایی خود را در ژانویه 1907، مدتی پس از مرگش تکمیل کرد.
شکافتن هسته اتم های عناصر مختلف در حال حاضر به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. همه نیروگاه های هسته ای بر روی واکنش شکافت کار می کنند؛ اصل عملکرد همه سلاح های هسته ای بر اساس این واکنش است. در مورد یک واکنش کنترل شده یا زنجیره ای، اتم که به قطعات تقسیم شده است، دیگر نمی تواند به عقب متصل شود و به حالت اولیه خود بازگردد. اما با استفاده از اصول و قوانین مکانیک کوانتومی، دانشمندان موفق شدند اتم را به دو نیمه تقسیم کرده و مجدداً بدون نقض یکپارچگی خود اتم، آنها را به هم وصل کنند.
دانشمندان دانشگاه بن از اصل عدم قطعیت کوانتومی استفاده کردند که به اجسام اجازه می دهد در چندین حالت همزمان وجود داشته باشند. در این آزمایش، دانشمندان با کمک برخی ترفندهای فیزیکی، یک اتم را در دو مکان به طور همزمان ایجاد کردند که فاصله بین آنها کمی بیشتر از یک صدم میلی متر بود که در مقیاس اتمی فقط یک فاصله بسیار زیاد است.
چنین اثرات کوانتومی فقط در دماهای بسیار پایین می توانند خود را نشان دهند. اتم سزیم با نور لیزر تا دمای یک دهم یک میلیونیم درجه بالای صفر مطلق خنک شد. سپس اتم سرد شده در یک تله نوری پرتوی نور از یک لیزر دیگر نگه داشته شد.
مشخص است که هسته یک اتم می تواند در یکی از دو جهت بچرخد، بسته به جهت چرخش، نور لیزر هسته را به سمت راست یا چپ فشار می دهد. "اما یک اتم در یک حالت کوانتومی معین، می تواند "شخصیت دوپاره" داشته باشد، نیمی از آن در یک جهت می چرخد، دیگری در جهت مخالف. اما، در عین حال، اتم هنوز یک جسم کامل است. آندریاس استفن، فیزیکدان می گوید. بنابراین، هسته یک اتم، که بخش‌هایی از آن در جهت مخالف می‌چرخند، می‌تواند توسط پرتو لیزر به دو قسمت تقسیم شود و این بخش‌های اتم را می‌توان با فاصله قابل توجهی از هم جدا کرد، که دانشمندان در آزمایش خود موفق به دریافت آن شدند.
دانشمندان ادعا می کنند که با استفاده از روشی مشابه، می توان به اصطلاح "پل های کوانتومی" ایجاد کرد که رسانای اطلاعات کوانتومی هستند. یک اتم یک ماده به دو نیم تقسیم می شود که به دو طرف تقسیم می شوند تا زمانی که با اتم های مجاور تماس پیدا کنند. نوعی بستر جاده تشکیل می شود، دهانه ای که دو ستون پل را به هم متصل می کند و از طریق آن می توان اطلاعات را منتقل کرد. این امر ممکن است به دلیل این واقعیت است که اتم به این روش تقسیم شده به دلیل درهم تنیدگی اجزای اتم در سطح کوانتومی، همچنان یک کل واحد در سطح کوانتومی است.
دانشمندان دانشگاه بن قصد دارند از این فناوری برای مدل‌سازی و ایجاد سیستم‌های کوانتومی پیچیده استفاده کنند. دکتر آندریا آلبرتی، رهبر این تیم می گوید: «اتم برای ما مانند دنده ای است که به خوبی روغن کاری شده است. با استفاده از بسیاری از این چرخ‌دنده‌ها، می‌توانید یک ماشین حساب کوانتومی با ویژگی‌های بسیار فراتر از پیشرفته‌ترین رایانه‌ها ایجاد کنید.
غالباً گفته می شود که علم دو گونه است - علوم بزرگ و کوچک. شکافتن اتم علم بزرگی است. این کشور دارای امکانات عظیم تجربی، بودجه های هنگفت است و سهم شیر از جوایز نوبل را دریافت می کند.
چرا فیزیکدانان نیاز به تقسیم اتم داشتند؟ پاسخ ساده - برای درک نحوه عملکرد اتم - فقط کسری از حقیقت را شامل می شود، اما دلیل کلی تری نیز وجود دارد. صحبت به معنای واقعی کلمه از شکافتن اتم کاملاً صحیح نیست. در واقع، ما در مورد برخورد ذرات پرانرژی صحبت می کنیم. در برخورد ذرات زیراتمی که با سرعت زیاد حرکت می کنند، دنیای جدیدی از فعل و انفعالات و میدان ها متولد می شود. تکه‌های ماده حامل انرژی عظیم، که پس از برخورد پراکنده شده‌اند، اسرار طبیعت را پنهان می‌کنند که از زمان "آفرینش جهان" در روده‌های اتم مدفون مانده است.
تأسیساتی که بر روی آنها برخورد ذرات با انرژی بالا انجام می شود - شتاب دهنده های ذرات - با اندازه و هزینه خود شگفت زده می شوند. عرض آنها به چندین کیلومتر می رسد و در مقایسه با آنها، حتی آزمایشگاه هایی که در آنها برخورد ذرات بررسی می شود بسیار کوچک به نظر می رسند. در سایر زمینه های تحقیقات علمی، تجهیزات در آزمایشگاه قرار می گیرند؛ در فیزیک پرانرژی، آزمایشگاه ها به شتاب دهنده متصل می شوند. اخیراً مرکز تحقیقات هسته ای اروپا (سرن)، واقع در نزدیکی ژنو، چند صد میلیون دلار برای ساخت یک شتاب دهنده حلقه ای اختصاص داده است. محیط تونلی که برای این منظور ساخته می شود به 27 کیلومتر می رسد. شتاب دهنده ای که LEP (LEP، حلقه الکترون-پوزیترون بزرگ) نام دارد، برای شتاب دادن به الکترون ها و پادذرات آن ها (پوزیترون ها) تا سرعت هایی طراحی شده است که فقط یک تار مو با سرعت نور فاصله دارند. برای دریافت ایده ای از مقیاس انرژی، تصور کنید که به جای الکترون ها، یک سکه پنی به چنین سرعت هایی شتاب می گیرد. در پایان چرخه شتاب، انرژی کافی برای تولید 1000 میلیون دلار برق خواهد داشت! جای تعجب نیست که چنین آزمایشاتی معمولاً به عنوان فیزیک با انرژی بالا طبقه بندی می شوند. با حرکت به سمت یکدیگر در داخل حلقه، پرتوهای الکترون‌ها و پوزیترون‌ها برخوردهای رو به رو را تجربه می‌کنند که در آن الکترون‌ها و پوزیترون‌ها از بین می‌روند و انرژی کافی برای ایجاد ده‌ها ذره دیگر آزاد می‌کنند.
این ذرات چیست؟ برخی از آنها همان آجرهایی هستند که ما از آنها ساخته شده‌ایم: پروتون‌ها و نوترون‌هایی که هسته‌های اتمی را می‌سازند، و الکترون‌هایی که در اطراف هسته‌ها در گردش هستند. ذرات دیگر معمولاً در مواد اطراف ما یافت نمی شوند: عمر آنها بسیار کوتاه است و پس از انقضای آن، به ذرات معمولی تجزیه می شوند. تعداد انواع چنین ذرات کوتاه مدت ناپایدار شگفت انگیز است: چند صد مورد از آنها قبلاً شناخته شده است. مانند ستارگان، ذرات ناپایدار آنقدر زیاد هستند که نمی‌توان آنها را «با نام» تشخیص داد. بسیاری از آنها فقط با حروف یونانی نشان داده می شوند و برخی به سادگی اعداد هستند.
مهم است که در نظر داشته باشید که همه این ذرات ناپایدار متعدد و متنوع به هیچ وجه به معنای واقعی کلمه نیستند. قطعات تشکیل دهندهپروتون ها، نوترون ها یا الکترون ها. الکترون ها و پوزیترون های پرانرژی در حال برخورد به هیچ وجه در بسیاری از قطعات زیراتمی پراکنده نمی شوند. حتی در برخورد پروتون‌های پرانرژی، که آشکارا از اجسام دیگر (کوارک‌ها) تشکیل شده‌اند، معمولاً به معنای معمول به اجزای سازنده تقسیم نمی‌شوند. آنچه در چنین برخوردهایی اتفاق می افتد بهتر است به عنوان تولید مستقیم ذرات جدید از انرژی برخورد دیده شود.
حدود بیست سال پیش، فیزیکدانان کاملاً از فراوانی و تنوع ذرات زیراتمی جدید که به نظر می‌رسید پایانی نداشت، گیج شده بودند. قابل درک نبود برای چیاینقدر ذرات شاید ذرات بنیادی مانند ساکنان باغ وحش با تعلق ضمنی خود به خانواده ها باشند، اما بدون هیچ گونه طبقه بندی مشخص. یا شاید همانطور که برخی خوش بینان معتقد بودند، ذرات بنیادی کلید جهان را در دست دارند؟ ذرات مشاهده شده توسط فیزیکدانان چیست: قطعات ناچیز و تصادفی ماده یا خطوط کلی یک نظم مبهم درک شده که در مقابل چشمان ما ظاهر می شود و نشان دهنده وجود ساختاری غنی و پیچیده از دنیای زیرهسته ای است؟ امروزه در وجود چنین ساختاری شکی نیست. عالم صغیر نظمی عمیق و عقلانی دارد و ما شروع به درک معنای همه این ذرات می کنیم.
اولین گام برای درک جهان خرد در نتیجه سیستماتیک کردن همه ذرات شناخته شده، درست مانند قرن 18 برداشته شد. زیست شناسان کاتالوگ های دقیقی از گونه های گیاهی و جانوری تهیه کردند. مهمترین ویژگی ذرات زیراتمی جرم، بار الکتریکی و اسپین است.
از آنجایی که جرم و وزن به هم مرتبط هستند، ذرات با جرم بزرگ اغلب به عنوان "سنگین" شناخته می شوند. رابطه انیشتین E \u003d mc ^ 2 نشان می دهد که جرم یک ذره به انرژی آن و در نتیجه به سرعت آن بستگی دارد. یک ذره متحرک سنگین تر از یک ذره در حال سکون است. وقتی مردم در مورد جرم یک ذره صحبت می کنند، منظورشان آن است. توده استراحت،زیرا این جرم مستقل از حالت حرکت است. ذره ای با جرم سکون صفر با سرعت نور حرکت می کند. بارزترین مثال ذره ای با جرم سکون صفر فوتون است. اعتقاد بر این است که الکترون سبک ترین ذرات با جرم سکون غیر صفر است. پروتون و نوترون تقریبا 2000 برابر سنگین تر هستند، در حالی که جرم سنگین ترین ذره ای که در آزمایشگاه ایجاد شده است (ذرات Z) حدود 200000 برابر جرم یک الکترون است.
بار الکتریکی ذرات در محدوده نسبتاً باریکی متفاوت است، اما همانطور که اشاره کردیم، همیشه مضربی از واحد اصلی بار است. برخی از ذرات، مانند فوتون ها و نوترینوها، بار الکتریکی ندارند. اگر بار یک پروتون با بار مثبت 1+ در نظر گرفته شود، بار یک الکترون -1 است.
در فصل 2 ما یک مشخصه ذره دیگر را معرفی کرده ایم - اسپین. همچنین همیشه مقادیری را می گیرد که مضربی از یک واحد اساسی هستند که به دلایل تاریخی 1 انتخاب می شود /2. بنابراین، پروتون، نوترون و الکترون دارای اسپین هستند 1/2, و اسپین فوتون 1 است. ذراتی با اسپین های 0، 3/2 و 2 نیز شناخته شده اند. ذرات بنیادی با اسپین های بزرگتر از 2 یافت نشده اند و نظریه پردازان معتقدند ذراتی با چنین اسپین هایی وجود ندارند.
اسپین یک ذره یک مشخصه مهم است و بسته به مقدار آن، همه ذرات به دو دسته تقسیم می شوند. ذرات با اسپین های 0، 1 و 2 "بوزون" نامیده می شوند - به افتخار فیزیکدان هندی Chatyendranath Bose، و ذرات با چرخش نیمه صحیح (یعنی با اسپین 1/2 یا 3/2). - "فرمیون ها" به افتخار انریکو فرمی. تعلق به یکی از این دو کلاس احتمالاً مهمترین در لیست مشخصات ذرات است.
یکی دیگر از ویژگی های مهم یک ذره طول عمر آن است. تا همین اواخر اعتقاد بر این بود که الکترون ها، پروتون ها، فوتون ها و نوترینوها کاملاً پایدار هستند، یعنی. یک عمر بی نهایت داشته باشد نوترون تا زمانی که در هسته "قفل" است پایدار می ماند، اما یک نوترون آزاد در حدود 15 دقیقه تجزیه می شود. تمام ذرات شناخته شده دیگر بسیار ناپایدار هستند، طول عمر آنها از چند میکروثانیه تا 10-23 ثانیه متغیر است. چنین فواصل زمانی به طور غیرقابل درک کوچکی به نظر می رسد، اما نباید فراموش کرد که ذره ای که با سرعتی نزدیک به سرعت نور پرواز می کند (و بیشتر ذرات متولد شده در شتاب دهنده ها دقیقاً با چنین سرعتی حرکت می کنند) موفق می شود در یک میکروثانیه مسافت 300 متر را طی کند.
ذرات ناپایدار دچار فروپاشی می شوند که یک فرآیند کوانتومی است و بنابراین همیشه عنصر غیرقابل پیش بینی در فروپاشی وجود دارد. طول عمر یک ذره خاص را نمی توان از قبل پیش بینی کرد. بر اساس ملاحظات آماری، تنها میانگین طول عمر را می توان پیش بینی کرد. معمولاً از نیمه عمر یک ذره صحبت می شود، زمانی که طول می کشد تا جمعیت ذرات یکسان به نصف کاهش یابد. آزمایش نشان می دهد که کاهش جمعیت به صورت تصاعدی رخ می دهد (شکل 6 را ببینید) و نیمه عمر 0.693 از میانگین طول عمر است.
برای فیزیکدانان کافی نیست که بدانند این یا آن ذره وجود دارد - آنها تلاش می کنند تا بفهمند نقش آن چیست. پاسخ به این سوال به خواص ذرات ذکر شده در بالا و همچنین به ماهیت نیروهای وارد بر ذره از خارج و داخل آن بستگی دارد. اول از همه، خواص یک ذره با توانایی (یا ناتوانی) آن برای شرکت در برهمکنش قوی تعیین می شود. ذرات شرکت کننده در برهمکنش قوی یک کلاس خاص را تشکیل می دهند و نامیده می شوند آندرون هاذراتی که در برهمکنش ضعیف شرکت می کنند و در برهمکنش قوی شرکت نمی کنند نامیده می شوند لپتون ها،که به معنی "ریه" است. بیایید نگاهی کوتاه به هر یک از این خانواده ها بیندازیم.
لپتون ها
معروف ترین لپتون ها الکترون است. مانند همه لپتون ها، به نظر می رسد که یک جسم نقطه ابتدایی باشد. تا آنجا که مشخص است، الکترون هیچ ساختار داخلی ندارد. از هیچ ذره دیگری تشکیل نشده است. اگرچه لپتون ها ممکن است بار الکتریکی داشته باشند یا نداشته باشند، اما همه آنها اسپین یکسانی دارند 1/2, از این رو آنها فرمیون هستند.
یکی دیگر از لپتون های شناخته شده، اما بدون بار، نوترینو است. همانطور که قبلاً در فصل ذکر شد. 2، نوترینوها مانند ارواح گریزان هستند. از آنجایی که نوترینوها در فعل و انفعالات قوی یا الکترومغناطیسی شرکت نمی کنند، تقریباً به طور کامل ماده را نادیده می گیرند و طوری از آن نفوذ می کنند که گویی اصلاً وجود ندارد. قدرت نفوذ بالای نوترینوها برای مدت طولانی تایید تجربی وجود آنها را بسیار دشوار می کرد. تقریباً سه دهه پس از پیش‌بینی نوترینوها نگذشته بود که سرانجام آنها در آزمایشگاه کشف شدند. فیزیکدانان باید منتظر ایجاد راکتورهای هسته ای بودند که در طی آن مقدار زیادی نوترینو منتشر می شود و تنها در این صورت امکان ثبت برخورد رو به رو یک ذره با هسته و در نتیجه اثبات وجود آن وجود داشت. امروزه می‌توان آزمایش‌های بسیار بیشتری را با پرتوهای نوترینو انجام داد، که در هنگام فروپاشی ذرات در یک شتاب‌دهنده به وجود می‌آیند و ویژگی‌های لازم را دارند. اکثریت قریب به اتفاق نوترینوها هدف را «نادیده می‌گیرند»، اما هر از گاهی نوترینوها همچنان با هدف تعامل دارند، که این امکان به دست آوردن اطلاعات مفید در مورد ساختار سایر ذرات و ماهیت برهمکنش ضعیف را می‌دهد. البته آزمایش با نوترینوها بر خلاف آزمایش با سایر ذرات زیراتمی نیازی به استفاده از حفاظت خاصی ندارد. قدرت نفوذ نوترینوها به قدری زیاد است که کاملا بی ضرر هستند و بدون اینکه کوچکترین آسیبی به او وارد شود از بدن انسان عبور می کنند.
علیرغم ناملموس بودن، نوترینوها جایگاه ویژه‌ای در میان سایر ذرات شناخته‌شده دارند، زیرا فراوان‌ترین ذرات در کیهان هستند و یک میلیارد برابر از الکترون‌ها و پروتون‌ها بیشتر هستند. جهان اساساً دریایی از نوترینوها است که گهگاه اتم هایی در آن یافت می شود. حتی ممکن است که مجموع جرم نوترینوها از مجموع جرم ستارگان بیشتر شود و بنابراین این نوترینوها هستند که سهم اصلی را در گرانش کیهانی دارند. به گفته گروهی از محققان شوروی، نوترینو دارای جرم سکون کوچک، اما نه صفر (کمتر از یک ده هزارم جرم الکترون) است. اگر این درست باشد، نوترینوهای گرانشی بر جهان مسلط می شوند که در آینده ممکن است باعث فروپاشی آن شود. بنابراین، نوترینوها، در نگاه اول، "بی ضررترین" و غیر بدنی ترین ذرات، می توانند باعث فروپاشی کل جهان شوند.
لپتون های دیگر شامل میون است که در سال 1936 در محصولات برهمکنش پرتوهای کیهانی کشف شد. معلوم شد که یکی از اولین ذرات زیراتمی ناپایدار شناخته شده است. از همه نظر، به جز پایداری، میون شبیه یک الکترون است: بار و اسپین یکسانی دارد، در برهمکنش های یکسان شرکت می کند، اما جرم بیشتری دارد. در حدود دو میلیونیم ثانیه، یک میون به یک الکترون و دو نوترینو تجزیه می شود. میون ها به طور گسترده در طبیعت پراکنده هستند، آنها بخش قابل توجهی از تابش کیهانی پس زمینه را تشکیل می دهند که توسط شمارنده گایگر روی سطح زمین ثبت می شود.
برای سال‌ها، الکترون و میون تنها لپتون‌های باردار شناخته شده بودند. سپس، در پایان دهه 1970، سومین لپتون باردار کشف شد که "تائو لپتون" نامیده شد. با جرمی در حدود 3500 جرم الکترون، لپتون تاو آشکارا "سنگین وزن" در سه لپتون باردار است، اما از همه جهات مانند یک الکترون و یک میون رفتار می کند.
این لیست از لپتون های شناخته شده به هیچ وجه تمام نشده است. در دهه 1960 مشخص شد که چندین نوع نوترینو وجود دارد. یک نوترینو از یک نوع همراه با یک الکترون در هنگام واپاشی یک نوترون و یک نوترینو از نوع دیگر - در هنگام تولد یک میون - متولد می شود. هر نوع نوترینو با لپتون باردار خود جفت می شود. بنابراین، یک "نوترینوی الکترونی" و یک "نوترینوی میون" وجود دارد. به احتمال زیاد، باید یک نوترینوی از نوع سوم نیز وجود داشته باشد که همراه با تولد یک لپتون تاو است. در این مورد، تعداد کل انواع نوترینو سه و تعداد کل لپتون ها شش است (جدول 1). البته هر لپتون پادذره مخصوص به خود را دارد. بنابراین تعداد کل لپتون های متمایز دوازده است.
میز 1
شش لپتون مربوط به تغییرات باردار و خنثی است (ضد ذرات در جدول گنجانده نشده اند). جرم و بار به ترتیب بر حسب واحد جرم و بار الکترون بیان می شوند. شواهدی وجود دارد که نوترینوها می توانند جرم کمی داشته باشند
هادرون ها
بر خلاف تعداد انگشت شماری لپتون هادرون شناخته شده، به معنای واقعی کلمه صدها مورد وجود دارد. این به تنهایی نشان می دهد که هادرون ها ذرات بنیادی نیستند، بلکه از اجزای کوچکتر ساخته شده اند. همه هادرون ها در فعل و انفعالات قوی، ضعیف و گرانشی شرکت می کنند، اما آنها در دو نوع رخ می دهند - بار الکتریکی و خنثی. در میان هادرون ها، نوترون و پروتون شناخته شده ترین و گسترده ترین هستند. هادرون‌های باقی‌مانده کوتاه‌مدت هستند و یا در کمتر از یک میلیونیم ثانیه به دلیل برهمکنش ضعیف، یا بسیار سریع‌تر (در حدود 10-23 ثانیه) به دلیل برهمکنش قوی تجزیه می‌شوند.
در دهه 1950، فیزیکدانان به شدت در مورد فراوانی و تنوع هادرون ها متحیر بودند. اما کم کم ذرات بر اساس سه ویژگی مهم دسته بندی شدند: جرم، بار و اسپین. به تدریج نشانه هایی از نظم ظاهر شد و تصویر روشنی نمایان شد. نکاتی وجود داشت مبنی بر اینکه تقارن ها در پشت آشفتگی ظاهری داده ها پنهان شده است. در سال 1963، زمانی که موری گل مان و جورج زوایگ از موسسه فناوری کالیفرنیا نظریه کوارک ها را ارائه کردند، گامی تعیین کننده برای کشف راز هادرون برداشته شد.
برنج. 10 هادرون ها از کوارک ها ساخته می شوند. پروتون (بالا) از دو کوارک u و یک کوارک d تشکیل شده است. پیون سبکتر (پایین) مزونی است که از یک کوارک u و یک آنتی کوارک d تشکیل شده است. هادرون های دیگر همه نوع ترکیبی از کوارک ها هستند.
ایده اصلی این نظریه بسیار ساده است. همه هادرون ها از ذرات کوچکتری به نام کوارک ساخته شده اند. کوارک ها می توانند به یکی از دو روش ممکن با یکدیگر ترکیب شوند: یا به صورت سه قلو یا به صورت جفت کوارک-آنتی کوارک. ذرات نسبتاً سنگین از سه کوارک تشکیل شده اند - باریون ها،که به معنی "ذرات سنگین" است. شناخته شده ترین باریون ها نوترون و پروتون هستند. جفت کوارک-آنتی کوارک سبکتر ذراتی را تشکیل می دهند که به آنها می گویند مزون ها -"ذرات واسط". انتخاب چنین نامی با این واقعیت توضیح داده می شود که اولین مزون های کشف شده موقعیت متوسطی را در جرم بین الکترون ها و پروتون ها اشغال کردند. برای توضیح همه هادرون های شناخته شده در آن زمان، ژل مان و تسوایگ سه نوع مختلف ("طعم") کوارک را معرفی کردند که نام های نسبتاً عجیبی دریافت کردند: و(از جانب بالا-بالا)، د(از جانب پایین-پایین تر) و s (از عجیب- عجیب). با فرض امکان ترکیب های مختلف طعم ها، وجود تعداد زیادی هادرون قابل توضیح است. به عنوان مثال، یک پروتون از دو تشکیل شده است و-و یک کوارک d (شکل 10) و نوترون از دو کوارک d و یک کوارک یو تشکیل شده است.
برای اینکه نظریه ارائه شده توسط گل-مان و تسوایگ معتبر باشد، لازم است فرض کنیم که کوارک ها بار الکتریکی کسری را حمل می کنند. به عبارت دیگر، آنها یک بار دارند که مقدار آن 1/3 یا 2/3 واحد اساسی - بار الکترون است. ترکیبی از دو و سه کوارک می تواند بار کل برابر با صفر یا یک داشته باشد. همه کوارک ها دارای اسپین 1/2 هستند. بنابراین آنها فرمیون هستند. جرم کوارک ها به اندازه جرم ذرات دیگر با دقت مشخص نشده اند، زیرا انرژی پیوند آنها در یک هادرون با جرم خود کوارک ها قابل مقایسه است. با این حال، کوارک s سنگین‌تر است و-و d کوارک ها
در داخل هادرون ها، کوارک ها می توانند در حالت های برانگیخته باشند، از بسیاری جهات شبیه به حالات برانگیخته یک اتم، اما با انرژی های بسیار بالاتر. انرژی اضافی موجود در هادرون برانگیخته جرم آن را چنان افزایش می دهد که قبل از ایجاد نظریه کوارک ها، فیزیکدانان به اشتباه هادرون های برانگیخته را برای ذرات کاملاً متفاوت در نظر گرفتند. اکنون ثابت شده است که بسیاری از هادرون های به ظاهر متفاوت در واقع فقط حالت های برانگیخته یک مجموعه بنیادی از کوارک ها هستند.
همانطور که قبلاً در فصل ذکر شد. 5، کوارک ها با یک برهمکنش قوی کنار هم نگه داشته می شوند. اما در تعاملات ضعیف نیز شرکت می کنند. نیروی ضعیف می تواند طعم کوارک را تغییر دهد. به این ترتیب فروپاشی نوترون رخ می دهد. یکی از کوارک های d در نوترون به یک کوارک u تبدیل می شود و بار اضافی، الکترونی را که در همان زمان متولد می شود، می برد. به طور مشابه، با تغییر طعم، برهمکنش ضعیف منجر به پوسیدگی هادرون های دیگر می شود.
وجود s-کوارک ها برای ساخت ذرات به اصطلاح "عجیب" ضروری است - هادرون های سنگین که در اوایل دهه 1950 کشف شدند. رفتار غیرمعمول این ذرات، که نام آنها را برانگیخت، این بود که به دلیل برهم کنش قوی نمی‌توانستند تجزیه شوند، اگرچه هم خودشان و هم محصولات تجزیه آنها هادرون بودند. فیزیکدانان در مورد اینکه چرا، اگر ذرات مادر و دختر هر دو به خانواده هادرون ها تعلق داشته باشند، چرا نیروی قوی باعث تجزیه آنها نمی شود، متحیر شده اند. به دلایلی، این هادرون ها برهمکنش ضعیف بسیار کمتر را ترجیح می دهند. چرا؟ نظریه کوارک ها به طور طبیعی این معما را حل کرد. نیروی قوی نمی تواند طعم کوارک ها را تغییر دهد - فقط نیروی ضعیف می تواند. و بدون تغییر در طعم، همراه با تبدیل کوارک به و-یا دی کوارک، واپاشی غیرممکن است.
روی میز. شکل 2 ترکیب های ممکن مختلف کوارک های سه طعم و نام آنها (معمولا فقط یک حرف یونانی) را نشان می دهد. بسیاری از حالت های برانگیخته نشان داده نمی شوند. این واقعیت که همه هادرون های شناخته شده را می توان از ترکیب های مختلف سه ذره اساسی به دست آورد، نماد پیروزی اصلی نظریه کوارک ها بود. اما با وجود این موفقیت، تنها چند سال بعد بود که شواهد فیزیکی مستقیم از وجود کوارک ها به دست آمد.
این شواهد در سال 1969 در یک سری آزمایش های تاریخی که بر روی یک شتاب دهنده خطی بزرگ در استانفورد (کالیفرنیا، ایالات متحده آمریکا) - SLAC انجام شد، به دست آمد. آزمایشگران استنفورد به سادگی استدلال کردند. اگر واقعاً کوارک‌هایی در پروتون وجود داشته باشد، برخورد با این ذرات در داخل پروتون قابل مشاهده است. تنها چیزی که نیاز است یک "پرتابه" زیرهسته ای است که بتواند مستقیماً به درون هسته پروتون شلیک شود. استفاده از هادرون دیگر برای این منظور بی فایده است، زیرا ابعادی مشابه پروتون دارد. یک پرتابه ایده آل می تواند یک لپتون باشد، مانند یک الکترون. از آنجایی که الکترون در برهمکنش قوی شرکت نمی‌کند، در محیطی که کوارک‌ها تشکیل می‌دهند «در گیر نمی‌شود». در عین حال، الکترون می تواند حضور کوارک ها را به دلیل وجود بار الکتریکی روی آنها احساس کند.
جدول 2
سه طعم کوارک، u، d، و s با بارهای +2/3، -1/3، و -1/3 مطابقت دارند. آنها به صورت سه تایی ترکیب می شوند تا هشت باریون نشان داده شده در جدول را تشکیل دهند. جفت کوارک-آنتی کوارک مزون ها را تشکیل می دهند. (برخی ترکیب ها مانند sss حذف شده اند.)
در آزمایش استنفورد، شتاب‌دهنده سه کیلومتری اساساً به عنوان یک «میکروسکوپ» الکترونی غول‌پیکر عمل می‌کرد که تصویربرداری از داخل یک پروتون را ممکن می‌کرد. یک میکروسکوپ الکترونی معمولی تشخیص جزئیات کوچکتر از یک میلیونم سانتیمتر را ممکن می سازد. از سوی دیگر، پروتون چندین ده میلیون بار کوچکتر است و تنها توسط الکترون هایی که به انرژی 2.1010 eV شتاب می گیرند، می توان آن را "احساس" کرد. در زمان آزمایش های استنفورد، تعداد کمی از فیزیکدانان به نظریه ساده شده کوارک ها پایبند بودند. اکثر دانشمندان انتظار داشتند که الکترون ها توسط بارهای الکتریکی پروتون ها منحرف شوند، اما فرض بر این بود که بار به طور مساوی در داخل پروتون توزیع شده است. اگر این درست بود، عمدتاً پراکندگی ضعیف الکترون ها رخ می داد، یعنی. هنگام عبور از پروتون ها، الکترون ها دچار انحرافات شدید نمی شوند. آزمایش نشان داد که الگوی پراکندگی به شدت با الگوی مورد انتظار متفاوت است. همه چیز به گونه ای اتفاق افتاد که گویی برخی از الکترون ها به اجزای سخت ریز برخورد می کنند و در باورنکردنی ترین زوایای از آنها می پرند. اکنون می‌دانیم که کوارک‌ها اجزای سختی درون پروتون‌ها هستند.
در سال 1974، یک نسخه ساده شده از نظریه کوارک ها، که در آن زمان در بین نظریه پردازان به رسمیت شناخته شده بود، ضربه حساسی دریافت کرد. در عرض چند روز، دو گروه از فیزیکدانان آمریکایی - یکی در استنفورد به رهبری برتون ریشتر، و دیگری در آزمایشگاه ملی بروکهاون به سرپرستی ساموئل تینگ - به طور مستقل کشف یک هادرون جدید را اعلام کردند که ذره psi نام داشت. به خودی خود، کشف هادرون جدید به سختی قابل توجه بود، اگر نه برای یک مورد: واقعیت این است که در طرح ارائه شده توسط نظریه کوارک ها، جایی برای یک ذره جدید وجود نداشت. تمام ترکیبات ممکن کوارک‌های u، d و s و آنتی‌کوارک‌های آنها قبلاً «استفاده شده‌اند». یک ذره psi از چه چیزی ساخته شده است؟
مشکل با روی آوردن به ایده ای که مدتی در هوا وجود داشت حل شد: باید عطر چهارمی وجود داشته باشد که تا به حال کسی ندیده باشد. عطر جدید قبلاً نام خود را داشت - جذابیت (جذابیت) یا سی. پیشنهاد شد که یک ذره psi مزونی متشکل از یک کوارک c و یک آنتی کوارک c (c) است، یعنی. سی سی از آنجایی که آنتی کوارک ها حامل آنتی آروما هستند، جذابیت ذره psi خنثی می شود و بنابراین تأیید تجربی وجود طعم جدید (جذابیت) باید منتظر می ماند تا امکان تشخیص مزون ها وجود داشته باشد که در آن کوارک های جذاب با آنها جفت می شوند. ضد کوارمپ طعم های دیگر. . اکنون یک رشته کامل از ذرات جذاب شناخته شده است. همه آنها بسیار سنگین هستند، بنابراین کوارک جذاب از کوارک عجیب سنگین تر است.
وضعیتی که در بالا توضیح داده شد در سال 1977 تکرار شد، زمانی که به اصطلاح مزون آپسیلون (UPSILON) وارد صحنه شد. این بار، بدون تردید، طعم پنجم به نام b-quark (از پایین - پایین و اغلب زیبایی - زیبایی یا جذابیت) معرفی شد. مزون آپسیلون یک جفت کوارک-آنتی کوارک است که از کوارک های b تشکیل شده است و بنابراین زیبایی پنهانی دارد. اما، مانند مورد قبلی، ترکیب متفاوتی از کوارک ها در نهایت کشف "زیبایی" را ممکن کرد.
جرم نسبی کوارک ها را حداقل می توان از این واقعیت قضاوت کرد که سبک ترین مزون، پیون، از جفت تشکیل شده است. و-و دی کوارک ها با آنتی کوارک ها. مزون psi حدود 27 برابر و مزون آپسیلون حداقل 75 برابر سنگین تر از پیون است.
گسترش تدریجی فهرست طعم های شناخته شده به موازات افزایش تعداد لپتون ها اتفاق افتاد. بنابراین این سوال واضح مطرح شد که آیا هرگز پایانی وجود خواهد داشت؟ کوارک ها به منظور ساده کردن توصیف کل انواع هادرون ها معرفی شدند، اما حتی در حال حاضر این احساس وجود دارد که لیست ذرات دوباره خیلی سریع در حال رشد است.
از زمان دموکریتوس، ایده اساسی اتمیسم این بود که در مقیاسی کوچک، ذرات واقعاً بنیادی وجود داشته باشند که ترکیبات آنها ماده اطراف ما را تشکیل می دهند. اتمیسم جذاب است زیرا ذرات بنیادی غیرقابل تقسیم (طبق تعریف) باید در تعداد بسیار محدودی وجود داشته باشند. تنوع طبیعت به دلیل تعداد زیادی از اجزای تشکیل دهنده نیست، بلکه ترکیب آنهاست. وقتی کشف شد که هسته های اتمی بسیار متفاوتی وجود دارد، این امید از بین رفت که آنچه ما امروز اتم می نامیم با ایده یونانیان باستان درباره ذرات بنیادی ماده مطابقت دارد. و اگرچه طبق سنت ما همچنان در مورد "عناصر شیمیایی" مختلف صحبت می کنیم، مشخص است که اتم ها به هیچ وجه ابتدایی نیستند، بلکه از پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها تشکیل شده اند. و به محض اینکه تعداد کوارک ها خیلی زیاد است، این وسوسه وجود دارد که فرض کنیم آنها نیز سیستم های پیچیده ای هستند که از ذرات کوچکتر تشکیل شده اند.
اگرچه به همین دلیل نارضایتی هایی از طرح کوارک وجود دارد، اکثر فیزیکدانان کوارک ها را ذرات واقعاً ابتدایی - نقطه مانند، غیرقابل تقسیم و بدون ساختار داخلی می دانند. از این نظر آنها شبیه پپتون ها هستند و مدت هاست که پیشنهاد شده است که باید یک رابطه عمیق بین این دو خانواده متمایز اما از نظر ساختاری مشابه وجود داشته باشد. دلایل چنین دیدگاهی از مقایسه خواص لپتون ها و کوارک ها ناشی می شود (جدول 3). لپتون ها را می توان با مرتبط کردن هر لپتون باردار با یک نوترینوی مربوطه به صورت جفت گروه بندی کرد. کوارک ها را نیز می توان به صورت جفت دسته بندی کرد. برگه 3 به گونه ای طراحی شده است که هر سلول ساختار واقع در مقابل خود را تکرار می کند. به عنوان مثال، در سلول دوم، میون به عنوان یک "الکترون سنگین" و جذابیت و کوارک های عجیب به عنوان انواع سنگین نمایش داده می شوند. و-و d کوارک ها از کادر بعدی، می توانید ببینید که لپتون تاو یک "الکترون" حتی سنگین تر است، و کوارک b نسخه سنگین وزن کوارک d است. برای یک تشبیه کامل، یک نوترینوی دیگر (تائولپتونی) و طعم ششم کوارک ها که قبلاً نام واقعی را دریافت کرده است. (حقیقت، تی).در زمان نگارش این کتاب، شواهد تجربی وجود t کوارک ها هنوز به اندازه کافی قانع کننده نبود و برخی از فیزیکدانان حتی در وجود کوارک های t تردید داشتند.
جدول 3
لپتون ها و کوارک ها به طور طبیعی جفت می شوند. همانطور که در جدول نشان داده شده است. جهان اطراف ما از چهار ذره اول تشکیل شده است. اما گروه های بعدی ظاهراً قسمت بالایی را تکرار می کنند و در تاج نوترینو از ذرات بسیار ناپایدار تشکیل شده اند.
آیا می تواند چهارم، پنجم و غیره باشد؟ بخارات حاوی ذرات حتی سنگین تر؟ اگر چنین است، نسل بعدی شتاب‌دهنده‌ها احتمالاً به فیزیکدانان توانایی تشخیص چنین ذرات را می‌دهند. با این حال، توجه کنجکاوی بیان می شود، که از آن نتیجه می شود که جفت های دیگری، به جز سه نام، وجود ندارند. این توجه بر اساس تعداد انواع نوترینو است. به زودی خواهیم فهمید که در لحظه انفجار بزرگ، که نشانه ظهور کیهان بود، تولد شدید نوترینوها وجود داشت. نوعی دموکراسی تضمین می کند که هر نوع ذره به اندازه بقیه ذرات انرژی دارد. بنابراین، هرچه انواع مختلف نوترینوها بیشتر باشد، انرژی بیشتری در دریای نوترینوهایی که فضای بیرون را پر می کنند، وجود دارد. محاسبات نشان می دهد که اگر بیش از سه نوع نوترینو وجود داشته باشد، گرانش ایجاد شده توسط همه آنها تأثیر مخرب شدیدی بر فرآیندهای هسته ای که در چند دقیقه اول زندگی کیهان رخ داده است، خواهد داشت. بنابراین، از این ملاحظات غیرمستقیم نتیجه گیری بسیار قابل قبولی حاصل می شود که سه جفت نشان داده شده در جدول. 3، تمام کوارک ها و لپتون هایی که در طبیعت وجود دارند خسته شده اند.
جالب است بدانید که تمام مواد معمولی در جهان فقط از دو سبک‌ترین لپتون (یک الکترون و یک الکترون نوترینو) و دو سبک‌ترین کوارک تشکیل شده‌اند. وو د).اگر همه لپتون ها و کوارک های دیگر به طور ناگهانی وجود نداشته باشند، ظاهراً در دنیای اطراف ما تغییرات بسیار کمی ایجاد می شود.
ممکن است کوارک‌ها و لپتون‌های سنگین‌تر نقش نوعی پایه را برای سبک‌ترین کوارک‌ها و لپتون‌ها بازی کنند. همه آنها ناپایدار هستند و به سرعت به ذرات واقع در سلول بالایی تجزیه می شوند. برای مثال، لپتون تاو و میون به الکترون تجزیه می‌شوند، در حالی که ذرات عجیب، جذاب و زیبا به سرعت به نوترون یا پروتون (در مورد باریون‌ها) یا لپتون (در مورد مزون‌ها) تبدیل می‌شوند. این سوال پیش می آید: برای چیآیا همه این ذرات نسل دوم و سوم وجود دارند؟ چرا طبیعت به آنها نیاز داشت؟
