نام‌نویسی
پس از تکمیل اطلاعات زیر، گذرواژه برای شما ارسال می‌شود.

پیش‌تر در مورد اعماق اتم و سفر به مرکز اتم و کوانتوم نوشتیم (اگر دوست داشتید بخوونید). در اینجا به صورت جزئی‌تر به مسائل نگاه می‌کنیم تا ببینیم واقعا اجسام از چه چیزی ساخته شده‌اند. با ویندوزسنتر همراه باشید.

محصولات جدید فروشگاه ساری تک

اجسام از چی ساخته شدن؟

چگونه بفهمیم که اجسام از چه چیزی ساخته شده‌اند؟

انرژی و موج

برای پی بردن به اینکه یک جسم از چه ساخته شده است، ممکن است به آن نگاه کنید، آن را گرم کنید و ببینید چه روی می‌دهد؛ آن را به زور خُرد کنید و یا… برداشت نادرست عمومی این است که روش سوم همان کاری است که فیزیک‌دان‌های انرژی‌های زیاد یا «ذرات» انجام می‌دهند. این اصطلاح از ایامی به جا مانده است که شتاب‌دهنده‌های ذرات را «اتم شکن» می‌نامیدند و در واقع از دید تاریخی این همان چیزی بود که اتفاق می‌افتاد. اما امروزه هدف‌ها و شیوه‌های کار بسیار متفاوت و پیچیده‌تر شده‌اند.

برای پی بردن و راه‌های ساده و عمومی که بالاتر گفتیم یک وجه تشابه می‌توان آورد؛ استفاده از انرژی. برای گزینه گرم کردن، پیشتر دیدیم که چگونه دما و انرژی به هم مربوط هستند. حتی در نگاه کردن به اشیا هم متوجه اهمیت انرژی می‌شویم.

شما به دلیل تابش نور از سطح نمایشگر خود قادر به دیدن کلمات و تصاویر ظاهر شده در صفحه هستید. در اینجا نکته کلی این است که یک چشمه تابش (نور)، یک جسم مورد بررسی (صفحه) و یک آشکارساز (چشم شما) وجود دارند. در هر نقطه‌ای که بر صفحه‌ای از کاغذ وجود دارد (برای مثال) میلیون‌ها اتم کربن وجود دارد و شما هرگز نخواهید توانست تک‌تک اتم‌ها را، حتی با پرقدرت‌ترین عدسی‌ها، ببینید. اتم‌ها کوچک‌تر از طول موج نور مرئی بوده و از این رو نمی‌توانند با عدسی معمولی یا میکروسکوپ از هم تفکیک داده شوند.

نور نوعی تابش الکترومغناطیسی است. چشم ما تنها به بخش کوچکی از تمام طیف الکترومغناطیسی واکنش نشان می‌دهد؛ اما به کمک ابزارهای خاص می‌توان به همه‌ی آن دسترسی پیدا کرد. نور مرئی پُر شدت‌ترین تابشی است که خورشید گسیل می‌کند و چشم انسان چنان تکامل یافته است که تنها این گستره‌ی خاص را ثبت کند. همه‌ی گستره‌ی طیف  الکترومغناطیسی در اینجا وجود دارد و می‌توان با تشبیه کردن به صوت، آن را دریافت کرد. یک اوکتاو صوت، یعنی نصف کردن طول موج (یا دو برابر کردن بسامد) یک نت (مانند نت لا در  ) به طول موج اوکتاو بالاتر (لا در ). در رنگین کمان نیز این چنین است: رنگین کمان، یک اوکتاو در طیف الکترومغناطیسی است. با رفتن از نور سرخ به نور آبی، طول موج نصف می‌شود، طول موج نور آبی نصف طول موج نور سرخ است (به بیان دیگر بسامدی که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی با آن نوسان می‌کنند، برای نور آبی دو برابر نور سرخ است). طیف المترومغناطیسی در هر دو سو گسترده است. فراتر از کران نور آبی – جایی که نو فرابنفش، پرتو X و پرتوهای گاما را می‌یابیم – طول موج‌ها کوتاه‌تر از طول موج‌های رنگین کمان مرئی‌ هستند. در مقابل، یعنی در سوی مخالف، در طول موج‌های بلندتر فروتر از سرخ، امواج فروسرخ، میکروموج و امواج رادیویی را داریم.

می‌توان طیف الکترومغناطیسی را در ورای رنگین کمان هم حس کرد. چشم ما نمی‌تواند تابش فروسرخ را ببیند اما سطح پوست ما می‌تواند آن را به صورت گرما حس کند. دوربین‌های فروسرخ جدید می‌توانند ولگردها را با گرمایی که از خود گسیل می‌کنند ببینند. این نبوغ انسان است که ماشین‌هایی ساخته است که می‌توانند بینایی ما را به همه‌ی گستره‌ی الکترومغناطیسی بگسترانند و به وسیله آن حقایق ژرفی را درباره‌ی سرشت اتم آشکار سازند.

ناتوانی ما در دیدن اتم به این واقعیت مربوط است که نور مانند موج رفتار می‌کند و امواج به آسانی از اجسام ریز پراکنده نمی‌شوند. برای دیدن یک شیء، طول موج پرتو نور باید کوچک‌تر از خود شیء باشد. بنابراین، برای دیدن مولکول‌ها یا اتم‌ها باید نوری بتابانیم که طول موج‌ش هم‌اندازه‌ یا کوتاه‌تر از ابعاد آنها باشد. امواج نور، آن‌هایی که چشم ما به آن‌ها حساس است، طول موجی در حدود  دارند (یا به بیان دیگر: 10000 طول موج در یک میلی‌متر می‌گنجد). این اندازه هنوز هزار بار بزرگ‌تر از اندازه‌ی اتم است. برای اینکه احساسی از دشواری این کار داشته باشید، فرض کنید که دنیا ده میلیون بار بزرگ شده باشد. یک طول موج نور، اگر ده میلیون بار بزرگ شود، بزرگ‌تر از یک انسان خواهد شد؛ در حالیکه یک اتم در این مقیاس فقط یک میلی‌متر خواهد بود که بسیار کوچک‌تر از آن است که موج بلند آبی را آشفته کند. برای اینکه مجال دیدن مولکول‌ها و اتم‌ها را پیدا کنیم به نوری با طول موجی بسیار کوتاه‌تر از این‌ها نیاز است. باید خیلی از کران نور آبی فراتر رفت و به طول موج‌های ناحیه‌ی پرتو X و ورای آن، رسید.

پرتو X، نوری است با چنان طول موج کوتاهی که می‌تواند از ساختارهای معمولی در قیاس مولکولی، نظیر ساختارهای بلوری پراکنده شود. طول موج پرتوهای X از اندازه اتم‌های منفرد بزرگ‌تر است، بنابراین؛ هنوز هم اتم‌ها را نمی‌شود دید. اما، در چهارچوب منظم بلورها، فاصله‌ی صفحه‌های مجاور هم‌اندازه‌ی طول موج پرتو X است. بنابراین پرتوهای X مکان نسبی اجسام درون بلورها را از هم تفکیک می‌کند. این را بلورنگاری پرتو X گویند.

اگر لحظه‌ای، به جای موج‌های الکترومغناطیسی به موج‌های آب بیندیشید، می‌توانید به نوعی از همانندی دست پیدا کنید. سنگی را در آب ساکن بیاندازید. موج‌ها پخش می‌شوند. اگر تصویری از این طرح‌های دایره‌ای به شما نشان داده شود، می‌توانید نتیجه بگیرید که سنگ در کجا بوده است. اگر تعدادی سنگ به طور هم زمان به آب انداخته شوند طرح امواج پیچیده‌تری به وجود می‌آیند که با به هم رسیدن و تداخل‌شان فرورفتگی‌ها و برآمده‌گی‌هایی پدید می‌آید. از طرح به دست آمده، البته با دشواری، می‌توان نتیجه گرفت که سنگ‌ها در چه مکان‌هایی به آب افتاده‌اند. بلورنگاری پرتو X، هم مستلزم آشکارسازی امواجی است که چندین بار از لایه‌های منظم بلور پراکنده شده‌اند و برای به دست آوردن ساختار بلورین هم رمزگشایی طرح است. به این شیوه، شکل و فرم مولکول‌های بسیار پیچیده، مانند DNA به دست می‌آید.

برای تفکیک اتم‌های تنها، به طول موج‌هایی از این هم کوتاه‌تر نیاز است و این کار نه تنها با نور، بلکه با پرتو ذراتی ماننده الکترون هم می‌توان انجام داد. این پرتوها برتری خاصی دارند که بار الکتریکی‌شان است و می‌توان از آن استفاده کرد و به کمک میدان‌های الکتریکی بر سرعتشان افزود و انرژی زیادی به آنها داد. با این کار می‌توانیم فاصله‌های کوتاه‌تر را بکاویم؛ اما برای اینکه بفهمیم چرا، باید مسیر را اندکی تغییر دهیم تا ببینیم انرژی و طول موج چگونه به هم مربوط هستند.

از کشف‌های بزرگ نظریه‌ی کوانتومی یکی این بود که ذره‌ها می‌توانند خاصیتی موج‌گونه داشته باشند و بر عکس، موج‌ها می‌توانند چون بسته‌های گسسته ذرات – که «کوانتوم» نامیده می‌شوند – رفتار کنند. بنابراین موج الکترومغناطیسی همانند فوران کوانتوم‌ها – فوتون‌ها رفتار می‌کند.

با در نظر گرفتن رابطه میان انرژی و دما، می‌بینید که چگونه دما و طول موج به هم مربوط‌ هستند. لذا واضح است که چگونه اجسامی با دماهای متفاوت، در طول موج‌های متفوات نیز تابش می‌کند بدین معنی که هر چه جسم داغ‌تر باشد، طول موج تابش آن کوتاه‌تر خواهد بود. برای نمونه اگر جریانی از یک رشته سیم بگذرد و آن را گرم کند، نخست به صورت تابش فروسرخ گرما گسیل کرده و با گرم‌تر شدن آن – هزار درجه یا بیشتر – نور مرئی تابش کرده و اتاق را روشن می‌کند. گازهای داغ پیرامون خورشید می‌توانند پرتو X گسیل کنند و برخی از ستاره‌های بسیار داغ پرتوهای گاما را گسیل می‌کنند.

برای آنکه ژرفای درون اتم را بکاویم به یک چشمه طول موج بسیار کوتاه نیاز داریم. چون در آزمایشگاه نمی‌توان ستاره‌ی گسیلنده‌ی گاما ساخت، از خود ذره‌های بنیادی – مانند الکترون و پروتون – استفاده کرده و آنها را در میدان‌های الکتریکی سرعت می‌دهیم. هر چه سرعت آن‌ها بیشتر باشد، انرژی و تکانه آن‌ها بیشتر و طول موج وابسته به آن‌ها کوتاه‌تر است. بنابراین پرتو ذرات پُر انرژی می‌توانند اجسامی به کوچکی اتم را از هم تفکیک کرده و می‌توانیم به هر فاصله‌ی کوتاهی که می‌خواهیم نگاه کنیم. تنها کاری که باید انجام دهیم، سرعت دادن به این ذره‌هاست و به آن‌ها انرژی بیشتر و بیشتری داده تا به تبعاد کوچک‌تری دست یابیم. برای تفکیک فاصله‌هایی در ابعاد اتم انرژی از مرتبه‌ی GeV (گیگا الکترون ولت) لازم است. این مقیاس انرژی را فیزیک انرژی‌های زیاد می‌نامیم. در پایان قرن بیستم انرژی‌هایی از این دست متداول بوده و هم اینکه به انرژی‌هایی از رده TeV (ترا الکترون ولت) وارد شده و ماده را در ابعاد بسیار کوچک‌تری کاووش می‌کنیم. بنابراین هنگامی که می‌گوییم الکترون و کوارک ساختار ژرف‌تری ندارند، بدین معنی است که به سطح انرژی بالاتری برای تفکیک بیشتر در این ابعاد دسترسی نداریم ولی ممکن است در انرژی‌های بالاتر این مواد نیز، مواد تشکیل دهنده خود را آشکار کنند که هم اکنون از لحاظ تجربی و آزمایشگاهی برای ما مقدور نیست.

شتاب دادن ذرات

برای شتاب دادن ذره‌ها تا ده یا چند صد GeV به فضای بزرگی نیاز داریم. برای نمونه فناوری پایان قرن بیستم می‌توانست الکترون را با آهنگی شتاب دهد که در یک باریکه الکترون در هر متر، چند ده MeV (مگا الکترون ولت) انرژی کسب کند. در مرکز شتاب‌دهنده استانفورد در کالیفورنیا (SLAC) شتاب‌دهنده‌ای به طول سه کیلومتر وجود دارد که باریکه‌های الکترونی با انرژی GeV 50 تولید می‌کند. در سِرن (CERN) ژنو الکترون‌ها به دایره‌ای 27 کیلومتری هدایت شده تا انرژی‌ای در حدود  GeV 100 دست یابند. پروتون‌ها چون بسیار سنگین‌تر و هم چنین پرتوان‌تر هم هستند، شتاب‌دهنده‌ای بزرگ‌تر مورد نیاز است که این چنین هدفی برای آن‌ها هم برآورده شود. این رابطه کوانتومی میان فاصله‌ی کوتاه (و در نتیجه طول موج‌های کوتاه لازم برای کاویدن آن‌ها) و انرژی زیاد باریکه‌هاست که معمای ظاهری نیاز به ماشین‌های هرچه بزرگ‌تر برای کاوویدن فاصله‌های هرچه کوتاه‌تر را به وجود می‌آورد.

هدف آزمایش‌های اولیه کاویدن قلب هسته‌ی اتم، از طریق برخورد باریکه‌های ذرات پرانرژی با آن بود. انرژی ذره‌های باریکه در مقیاس با انرژی‌ای که یک هسته تنها دارد و آن را یکپارچه نگه داشته است، بسیار زیاد است و در نتیجه این باریکه اتم را خُرد کرده و ذره‌های آن را جدا می‌سازد و می‌توان در این فرایند ذره‌های جدید را به وجود آورد. دلیل نام قدیمی اتم‌شکن همین است.

پیوست

Leave a Reply

Your email address will not be published.

Developed by Nasour Naghipour