Scientific Information

زندگي تكثير ثروتی است كه نامش محبت است

مقدمه ای بر ذرات بنیادی
ساعت ۱۱:۳٦ ‎ق.ظ روز پنجشنبه ٢٠ اسفند ۱۳۸۸  

 همانطور که از نام این علم مشخص است شاخه ای از علم بزرگ فیزیک است . این علم به بررسی ذرات ساختاری جهان می پردازد و به ما می گوید که این ذرات چگونه با هم در کنش و واکنش هستند . این علم تحقیق هایی بر روی ذرات زیر اتمی و ساختار آنها نیز دارد . این تحقیقات توسط شتاب دهنده های بزرگ صورت می گیرد .

قبل از بحث در مورد تقسیم بندی ذرات بنیادی باید چند نکته ی خاص در مورد این ذرات توجه کنیم ؛ به نکات زیر توجه کنید:

اسپین

اسپین می تواند به این صورت شرح داده شود که « اسپین میزان حرکت زاویه ای یک ذره است » . حرکت زاویه ای یکی از واقعیت هایی است که در دل ذره جای دارد و یکی از خواص آن به شمار می آید ، مانند : جرم یک ذره . اسپین اندازه ی حرکت در تمام مراحل درحرکت و انرژی ثابت به نظر می رسد .

میزان اسپین می تواند به صورتهای زیر باشد :

1- اگر اسپین یک ذره صفر باشد ذره قادر است در یک حالت بماند 

 

spin = 0

 

2- اگر اسپین ذره  یک دوم باشد ذره می تواند در دو حالت بماند 

 

spin = 1/2

 

3- اگر اسپین ذره یک باشد آنگاه ذره می تواند در سه حالت بماند

 

 spin = 1

 

4 – اگر اسپین ذره دو باشد آنگاه ذره قادر است در سه حالت بماند

 

 spin = 2

 

برای مثال فرمیون ها ( دسته ای از ذره ها هستند که در بخشهای بعدی در مود آنها به بحث خواهیم پرداخت ) دارای اسپین یک دوم هستند 

 

spin = 1/2             

رنگ

 

خاصیت دیگری که از ذرات بنیادی به نمایش در می یاید ویژگی است که به رنگ معروف است . این خاصیت در کوارکها تعریف می شود ( در قسمت های بعدی در مورد کوارک ها بحث می کنیم ) از این جهت کوارک ها را به سبز و قرمز و آبی دسته بندی می کنند . ممکن است در ذهن شما این موضوع تداعی شود که واقعا" این موضوع در مورد کوارک ها صدق می کند ، اما این تفکری نا آگاهانه است ، این تقسیم بندی از لحاظ بار آنها است . می دانیم که هر ذره ی آزاد در طبیعت رنگ سفید دارد ، هرچند که کوارک ها به طور آزاد یافت نمی شوند .

 

پاد ماده و ذرات مجازی  

 

هر ذره دارای ذره ای مشابه خود ولی با  بار مخالف خود است که ضد ذره یا پاد ذره نام می گیرد . برای مثال بار الکترون منفی است ولی ذره ای همانند الکترون وجود دارد که پوزیترون نامیده می شود و بار آن بر خلاف الکترون است یعنی مثبت است . پاد ماده یک اصطلاح است و هر دو این ذرات ماده هستند . حال ممکن است که بگوئیم  در این صورت پروتونی داریم در بخش تقسیم بندی ذرات متوجه پاسخ  این سؤال خواهید شد .

براساس اصل عدم قطعیت مکانیک کوانتوم خلاء هیچ گاه به طور مطلق خالی نیست بلکه در آن ذرات و پاد ذراتی وجود دارد که مجازی هستند و قابل رؤیت نیستند پس این فضا به طور % 100 خالی نیست .

 

تقسیم بندی ذرات بنیادی

 

 حال که مقدمه ای از بعضی خواص ذرات را دریافتیم می توانیم آنها را تقسیم بندی کنیم . ذرات به طور کلی به دو دسته فرمیون ها

 Fermions

   یا ماده سازها و بوزون ها

Bosons

  و یا ذرات حمل کننده ی نیرو تقسیم می شوند

 

همانطور از نام فرمیون ها بر می آید در ساختن ماده نقش دارند . فرمیون ها خود به دو دسته ی کوارک ها

Quarcks

  و لپتون ها

 Lepton

   تقسیم می شوند . در اینجا خاصیت اسپین را به یاد آورید ؛ تمام فرمیون ها دارای اسپین یک دوم هستند

 

 Fermions have spin 1/2                               

 

حال به شرح کوارک ها که خود دسته ای از فرمیون ها هستند می پردازیم . کوارک ها خود به 6 دسته تقسیم می شوند که عبارتند از :

1- کوارک

up

 یا بالا : این کوارک جرمی معادل

 

0/004 GeV/c²

 

   دارد و بار الکتریکی آن دو سوم است

 . charge = 2/3

 

2- کوارک

down

  یا پائین : این کوارک جرمی معادل  

GeV/c² 0/08

  دارد و بار آن منفی یک سوم است

 . charge = -1/3  

3- کوارک

 charm

 یا افسون : این کوارک جرمی معادل

1/5 GeV/c²

   است و باری در حدود دو سوم دارد

charge = 2/3

4- کوارک

strange

  یا عجیب : این کوارک جرمی برابر با

0/15 GeV/c²

  دارد و بار آن منفی یک سوم است

charge = -1/3

5- کوارک

top

  یا سر : این کوارک جرمی معادل

176 GeV/c²

  دارد و بارش برابر دو سوم است

charge = 2/3 

6- کوارک

 bottom

  یا زیر : این کوارک جرمی برابر با

4/7 GeV/c²

  دارد و بار الکتریکی آن برابر منفی یک سوم است

charge = -1/3

این اطلاعات در جدول زیر قابل مشاهده است

 

نام کوارک

اسپین

جرم GeV/c²       

بار الکتریکی

Up  یا بالا

1/2

0/004

2/3

Down  یا پائین

1/2

0/08

-1/3

Charm  یا افسون

1/2

1/5

2/3

Strange  یا عجیب

1/2

0/15

-1/3

Top  یا سر

1/2

176

2/3

Bottom  یا زیر

1/2

4/7

-1/3

 

همانطور که می دانیم کوارک ها ذرات سازنده ی نوکلئون ها ( نوترون ها و پروتون ها ) هستند . اما از میان این شش نوع کوارک فقط دو نوع از آنها که بالا و پائین هستند در ساختمان نوکلئون ها هستند . برای مثال یک نوترون از یک کوارک بالا و دو کوارک پائین ساخته شده است . حالا که ما اطلاعات بار کوارک ها را داریم می توانیم ثابت کنیم که یک نوترون خنثی است .

2/3 – 1/3 – 1/3 = 0                                                                         

پس بار نوترون خنثی است

به طور کلی ذراتی که از کوارک ساخته می شوند به هادرون نام دارند .  ذراتی که از کوارک تشکیل شده به شرح زیر هستند

 

1- مزون ها

Mesons

   این ذرات از دو کوارک تشکیل شده اند . و ناپایدار هستند . پیون ها و کاوون ها از این دسته اند برای مثال یک پیون از یک آنتی کوارک پائین و یک کوارک بالا ساخته شده است

 

2- باریون ها

 Baryons

   این ذرات از سه کوارک تشکیل شده اند مانند پروتون ها و نوترون ها . یک پروتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پائین تشکیل شده است

3- به تازگی گفته می شود که ذره ای پنج کوارکی نیز کشف شده است البته چون طول عمرش بسیار کوتاه است به آن ذره ی تشدیدی گفته می شود ذره ی تازه کشف شده

1/5 GeV/c²

  جرم دارد . البته وجود این ذره توسط دانشمندان آلمانی ، ژاپنی و آمریکایی نیز تأیید شده است . هنوز برای این ذره جای تحقیق وجود دارد

 

حال به بازگو کردن دسته ی دیگر فرمیون ها یعنی لپتون ها می پردازیم . لپتون ها درست همانند کوارک ها  به 6 دسته تقسیم می شوند . به تقسیم بندی زیر توجه کنید .

 

1- نوترینو الکترون  :  این ذره ی جرمی معادل  

 

 GeV/c²  0/000000007 >

 

 دارد و بار آن صفر است

charge = 0

2- الکترون : این ذره جرمی برابر با

0/00051 GeV/c²

  و بار آن منفی یک است

 charge = -1

 

3- نوترینو موئون : این ذره جرمی معادل

< 0/0003 GeV/c²

 دارد و بارش برار صفر است

charge = 0

 

4- موئون : این ذره جرمی معادل

0/106 GeV/c²

   دارد و بار آن منفی یک است

 charge = -1

 

5- نوترینو تاو : این ذره جرمی معادل

< 0/03 GeV/c²

  دارد و بارش الکتریکی آن صفر می باشد

  charge = 0

 

6- تاو : این ذره جرمی در حدود

1/7771 GeV/c²

   دارد و بارش منفی یک است

 charge = -1

 

این اطلاعات را در جدول زیر می توانید مشاهده کنید

 

 

 

نام لپتون

اسپین

جرم GeV/c²       

بار الکتریکی

نوترینو الکترون

1/2

0/000000007 >

0

الکترون

1/2

0/00051

-1

نوترینو موئون

1/2

< 0/0003

0

موئون

1/2

0/106

-1

نوترینو تاو

1/2

< 0/03

0

تاو

1/2

1/7771

-1

 

 حال که طبقه بندی فرمیون ها را دریافتیم می توان اتم را با ساختار فرمیونی توصیف کرد ، در هسته ی اتم نوکلئون ها وجود دارند که خود از کوارک ها ساخته شده اند . الکترون ها که نوعی لپتون هستند در گرداگرد اتم در اوربیتال ها در چرخش هستند پس واحد های مولکولی که اتم ها هستند از فرمیون ها تشکیل شده اند .

با این وجود می توان تقسیم بندی دیگری نیز انجام داد که به این صورت است . هر ذره ی سبک از الکترون موزون نامیده می شود و موزون ها خود سه دسته اند که عبارت است از :

1- مو موزون

2- پی موزون

3- کا موزون

اگر ذرات تشکیلی از پروتون سنگین تر باشند در این صورت یک هیپرون داریم که هیپرون ها خود به دسته های زیر تقسیم بندی می شوند .

1- هیپرون لاندا

2- هیپرون کسی

3- هیپرون سیگما

4- هیپرون امگا

 

در بخش لپتون ها از واژه ای به نام نوترینو استفاده کردیم ، خوب است که بدانیم نوترینو ذره ای بنیادی است که با سرعت نور حرکت می کند گفته می شود که این ذره دارای جرم سکون نیست ، ولی به نظر می آید که جرمی در حدود 14 تا 16 الکترون ولت داشته باشد . اگر این جرم تصدیق شود در رأی ما درباره ی هستی تغییر داده شود . این ذره از واپاشی بتای هسته های اتمی به همراه یک زوج الکترونی و پوزیترونی آزاد می شود .

 

قبل از اینکه در زمینه بوزون ها به بحث بپردازیم لازم است که مطالبی در مورد چهار نیروی بنیادی بدانیم ، پس به مطالب زیر توجه کنید

 

1- نیرو ی گرانش : این نیرو در میان چهار نیروی دیگر که شرح خواهیم داد ضعیف به نظر می رسد ، همانطور که می دانیم میدان گرانش در تمام اجسام جرم دار مشاهده می شود . براساس یافته های نیوتن نیروی گرانش بین دو جسم برابر با حاصل ضرب جرم آنها بر مجذور فاصله ی آنها است .  این میدان در نجوم کاربرد دارد زیرا این نیرو در فاصله های زیاد کارگر است . برای مشخص کردن ضعیفی آن می توان از دو ذره استفاده کرد اگر نیرو گرانش بین آنها را محاسبه کنیم و با مقدار به دست آمده ی نیرو الکترومغناطیسی در رابطه کولن مقایسه کنیم در می یابیم که این نیرو حدود ده به توان چهل بار از نیرو ی الکترومغناطیسی کوچکتر است . از روی این ناچیزی بعضی از دانشمندان آن را در نظر نمی گیرند 

 

2- نیروی الکترو مغناطیسی : وقتی قصد بحث از این نیرو را داریم باید در مورد بارها سخن گوئیم . برای مثال نیروی جاذبه بین دو

بار ناهمنام و ... این ذره توسط ذراتی که عضو بوزون ها هستند در ادامه مقاله آنها را شرح خواهیم داد حمل می شوند و بر آنها ذرات نیرو اعمال می کنند . این نیرو نسبت به گرانش قوی تر است

 

3- نیروی پر قدرت کوارک : در ابتدا از رنگ کوارک ها سخن به میان آمد این نیرو به نیروی رنگ نیز معروف است . این نیرو کوارک ها  در پروتون ها و نوترون ها و پروتون ها را در هسته  در کنار هم قرار می دهد

 

4- نیروی ضعیف : این نیرو در فاصله های بسیار کم کارگر است . این نیرو در ذره هایی مشاهده می شود که نه حالت دوم و نه حالت سوم بر آنها اثر می کند  . این نیرو کوارکها و لپتون های سنگین به کوارک ها و لپتون های سبکتر وا می پاشاند

 

حالا که مقدمه از نیرو های بنیادی به دست آوردم قادریم دسته ی دیگر از ذرات را که بوزون نام دارند  و نیرو را حمل می کنند  شرح دهیم ، در واقع شرح بالا به درک بهتر این مطلب کمک خواهد کرد

 

بوزون ها خود بر هفت دسته اند که عبارتند از

1- گراویتون : گفته می شود که این ذره نیروی گرانش را حمل می کند هرچند که تاکنون مشاهده نشده است . این ذره اسپینی برابر با 2 دارد و جرمش صفر است همچنین بار آن نیز صفر است

  

2- فوتون : این ذرات نیروی الکترومغناطیسی را حمل می کنند و در واقع در میان بارها به پرواز درآمده و موجب ایجاد این نیرو در میان آنها می شود این نیرو جرم صفر را دارا است بار آن نیز صفر است ، همچنین اسپینی معادل یک دارند . گفتنی است که این ذرات مشاهده شده اند

 

3- ذرات  

W+ and W-

که عامل واپاشی لپتون ها وکوارک های سنگین هستند هر کدام شامل یک ذره باردار و خنثای

z

 می باشند حمل کننده ی نیروی ضعیف می باشند . گفتنی است که ذرات  

W+ and W-

 به ترتیب از چپ به راست دارای جرم های

GeV/c² 80 وGeV/c² -80

 هستند . همچنین ذره ی

z

 دارای جرم

91GeV/c²

 است . بار ذرات

 w

  به همان ترتیب بالا برابر 1 و 1- است و بار

 z

 نیز 0 است . اسپین همه ی اینها یک است . این ذرات مشاهده شده اند

 

4- گلوئون : گفته می شود که این ذره حمل کننده ی نیروی رنگ است . البته این ذره به طور مستقیم مشاهده نشده است بلکه به طور غیرمستقیم رؤیت شده است . این ذره اسپینی برابر یک دارد و جرم و بارش صفر هستند

 

ذره ی دیگری به نام هگز نیز وجود دارد که هنوز مشاهده نشده است . گفته می شود که اسپین آن صفر است و و بارش نیز صفر است . همچنین جرمی معادل

> 78 GeV/c²

 دارد گفته می شود این ذره در کنش ها میدانی ایجاد می شود که توسط هگز حمل می شود . هگز یکی از سه حرف اصلی نظریه ی

CPH

 است که

H

 آخر همان واژه ی

 Higgs

 است

این اطلاعات در جدول زیر قابل مشاهده است

 

 

 

نام بوزون

اسپین

جرم GeV/c²       

بار الکتریکی

گراویتون

2

0

0

فوتون

1

0

0

 W+

1

80

1

W-

1

-80

-1

Z

1

91

0

گلوئون

1

0

0

هگز

0

78

0

 

این خلاصه ای از تقسیم بندی ذرات بنیادی در علم فیزیک بنیادی بود 


 

 

 


کلمات کليدي: