جدید ترین عناوین خبری امروز
Registering new users is currently not allowed.

نیروی هسته‌ای قوی چیست؟

نیروی هسته‌ای قوی یکی از چهار نیروی بنیادین طبیعت است؛ سه نیروی دیگر عبارتند از: گرانش، الکترومغناطیس و هسته‌ای ضعیف.همانطور که از نامش مشخص است نیروی قوی، قوی‌ترین نیروی طبیعت است.این نیرو مسئول مقید ماندن ذرات بنیادی ماده است که در کنار هم ذرات بزرگتر را تشکیل می‌دهند.

نیروی قوی اولین بار برای توضیح چرایی متلاشی نشدن ذرات هسته اتم مطرح شد. به نظر می‌رسید که به دلیل نیروی الکترومغناطیس دافعه بین پروتون‌های با بار مثبت که در هسته قرار دارند باید هسته از هم گسیخته شود. بعدها یافت شد که نیروی قوی نه تنها ذرات هسته را کنار هم نگاه می‌دارد، بلکه مسئول کنار هم قرار گرفتن کوارکها و تشکیل هادرون‌ها نیز می‌باشد.

نیروی هسته‌ای قوی عامل پایداری هسته اتم است

کوارک‌ها و هادرون‌ها

کوارک‌ها در ۱۹۶۴ بطور مستقل توسط گلمن و زویگ نظریه پردازی شدند، و اولین بار در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده خطی استنفورد (SLAC) در ۱۹۶۸ کشف شدند. گلمن نام کوارک را برای این ذرات با الهام از رمانِ “Finnegan’s Wake” اثر جیمز جویس انتخاب کرد.

رمان جیمز جویس که نام کوارک برای اولین بار در آن ذکر شده است

آزمایش‌ها در شتاب‌دهنده‌های ذرات در دهه ۵۰ و ۶۰ نشان داد که پروتون‌ها و نوترون‌ها نماینده‌ی یک خانواده بزرگ از ذرات به نام هادرون‌ها هستند. تا کنون بیش از ۲۰۰ ذره هادرون کشف شده است که به باغ وحش هادرونی مشهورند.
دانشمندان روش‌هایی که کوارک‌ها می‌توانند ذرات هادرون را تشکیل دهند مورد مطالعه دقیق قرار داده‌اند. دو نوع اصلی از هادرون‌ها وجود دارند: باریون‌ها و مزون‌ها. هر باریون از سه کوارک تشکیل یافته است، و هر مزون از یک کوارک و یک پادکوارک ساخته شده است که یک پادکوارک در واقع پادماده یک کوارک است که بار الکتریکی متضاد آن دارد. باریون‌ها دسته‌ای از ذرات هستند که پروتون‌ها و نوترون‌ها را تشکیل می‌دهند. مزون‌ها ذرات با عمر کوتاهی هستند که در شتاب‌دهنده‌های بزرگ ذرات و در برهمکنش‌های پرتوهای کیهانی انرژی بالا با جو زمین تولید می‌شوند.

ویژگی‌های کوارک: طعم و رنگ

کوارک‌ها در شش گونه هستند که فیزیکدان‌ها به آن‌ها «طعم» می‌گویند. بر حسب افزایش جرم، طعم‌های کوارک عبارتند از: بالا(up)، پایین(down)، شگفت(strange)، افسون(charm)،ته(bottom) و سر(top). کوارک‌های بالا و پایین پایدار هستند و پروتون‌ها و نوترون‌ها را می‌سازند. برای مثال، پروتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین تشکیل یافته است و به صورت (uud) نمایش داده می‌شود.
دیگر طعم‌ها که سنگین‌تر هستند تنها در برهمکنش‌های انرژی بالا تشکیل می‌شوند و نیم-عمر بسیار کوتاهی دارند. بطور معمول این طعم‌ها در مزون‌ها مشاهده می‌شوند که می‌توانند شامل ترکیب‌های مختلفی از طعم‌ها به صورت زوج کوارک-پادکوارک باشند.
آخرین طعم، یعنی کوارک سر(top quark) در ۱۹۷۳ توسط کوبایاشی و ماساکاوا نظریه پردازی شد، اما در سال ۱۹۹۵ در آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی فرمی (Fermilab) کشف شد. کوبایاشی و ماسکاوا در ۲۰۰۸ نوبل فیزیک را برای پیش‌بینی کوارک سر کسب کردند.

انواع مختلف خانواده کوارک‌ها

کوارکها ویژگی دیگری نیز دارند که باز هم به شش شکل ظاهر می‌شود. این ویژگی «رنگ» نامیده می‌شود، اما نباید با معنای متداول رنگ اشتباه گرفته شود. این شش تظاهر رنگ عبارتند از: قرمز، آبی، سبز، پادقرمز، پادآبی و پادسبز. پادرنگ‌ها به پادکوارک‌ها تعلق دارند. ویژگی‌ رنگ کوارک‌ها توضیح دهنده این است که چطور کوارک‌ها قادر به تبعیت از اصل طرد پائولی هستند، که طبق این اصل هیچ دو جسم یکسانی نمی‌توانند مکان واحدی را اشغال نمایند. به همین دلیل، کوارک‌هایی که هادرون‌های مشابهی را می‌سازند باید رنگ‌های متفاوتی داشته باشند. بنابراین، تمام سه کوارک در یک باریون رنگ‌های متفاوتی دارند، و یک مزون باید شامل یک کوارک رنگی و یک پادکوارک با پاد-رنگ متناظر باشد.

گلئون‌ها

نیروی هسته‌ای قوی از تبادل ذرات حامل نیرویی به نام بوزون‌ها نتیجه می‌شود. ذرات ماده انرژی را با تبادل بوزون‌ها با یکدیگر تبادل می‌کنند. نیروی قوی با نوعی از بوزون‌ها به نام «گلئون» (gluon) منتقل می‌شود. نام این ذره از کارکرد آن که شبیه به چسبی (glue) ذرات هسته را کنار هم نگه می‌دارد و باریون‌ها را درست می‌کنند آمده است. چیز عجیبی در جاذبه بین دو کوارک رخ می‌دهد: نیروی قوی با افزایش فاصله بین دو ذره کاهش نمی‌یابد، بلکه بر عکس نیروی الکترومغناطیس با افزایش فاصله نیروی قوی نیز افزایش می‌یابد، شبیه به کشیدن یک فنر مکانیکی.

همان‌طور که برای یک فنر مکانیکی، حدی برای کشیدگی وجود دارد، دو کوارک نیز می‌توانند تا فاصله مشخصی از هم دور شوند، که در حدود قطر پروتون است. وقتی به این حد برسند، انرژی عظیم مورد نیاز برای رسیدن به این جدایی ناگهان به جرم به صورت یک جفت کوارک-پادکوارک تبدیل می‌شود. این تبدیل انرژی به جرم طبق اصل هم ارزی مشهور جرم-انرژی اینشتین رخ می‌دهد. به دلیل این‌که این تبدیل هر بار که ما سعی کنیم کوارک‌ها را از یکدیگر جدا کنیم رخ می‌دهد، کوارک آزاد تا کنون مشاهده نشده است و بر این باوریم که هرگز کوارک تنها یافت نخواهد شد.

پس‌ماندِ نیروی قوی

وقتی سه کوارک در یک پروتون یا نوترون مقید شده‌اند، نیروی قوی تولید شده توسط گلئون‌ها تقریبا خنثی شده است چرا که تقریبا همه نیرو برای مقید کردن کوارک‌ها کنار هم صرف می‌شود. در نتیجه، نیرو اغلب درون ذرات محصور شده است. اما، یک کسر بسیار کوچک از نیرو بیرون پروتون یا نوترون عمل می‌کند. این کسر از نیرو می‌تواند بین پروتون‌ها و نوترون‌ها عمل کند. این اثر به «پسماندِ نیروی قوی» یا نیروی هسته‌ای مشهور است، و ذرات هسته اتم را بر خلاف دافع الکترومغناطیس بین پروتون‌ها کنار هم نگاه می‌دارد.

بر عکس نیروی قوی، پسماند نیروی قوی به سرعت در فواصل کوتاه افت می‌کند و تنها بین ذرات مجاور درون هسته قابل توجه است. اما نیروی دافعه الکترومغناطیس، آهسته‌تر افت می‌کند، بنابراین در تمام هسته عمل می‌کند. در نتیجه، در هسته‌های سنگین به خصوص آن‌هایی که عدد اتمی‌شان بیشتر از ۸۲ باشد، در حالی که نیروی هسته‌ای بین ذرات تقریبا ثابت می‌ماند، نیروی الکترومغنطیس برآیند روی ذرات با افزایش عدد اتمی رشد می‌کند و به نقطه‌ای می‌رسد که سرانجام ذرات هسته را از هم جدا می‌کند. فرآیند شکافت هسته‌ای به عنوان جنگ بین نیروی جاذبه هسته‌ای و نیروی دافعه الکترومغناطیس است. در شکافت هسته، دافعه الکتروستاتیک پیروز می‌شود.

انرژی آزاد شده با شکست نیروی هسته‌ای ذرات پر سرعت و پرتوهای گاما که به آن پرتوزایی می‌گویند ایجاد می‌کند. برخورد با ذرات حاصل واپاشی هسته‌های مجاور می‌تواند موجب فرآیند زنجیره واکنش هسته‌ای شود.

به اشتراک بگذارید
دسته ها:
برچسب ها:
دیدگاه ها 0

دیدگاه بگذارید

avatar
  Subscribe  
Notify of
رفتن به نوارابزار