مقاله در مورد ویژگی های هسته اتمی

ویژگی های هسته های اتمی

پیش از کشف نوترون، فیزیک دانان تصور می کردند که هسته اتم تنها از پروتون ها و الکترون ها تشکیل شده است. این مدل با تناقض های بسیاری روبه رو بود و تلاش ها برای ارائه نظریه ای درباره ساختار هسته، ناکام می ماند. اما پس از کشف نوترون در واکنش های هسته ای، ایده ای جدید شکل گرفت که هسته اتم شامل پروتون ها و نوترون ها است. نخستین بار، دانشمند شوروی د. د. ایوانکو این فرضیه را مطرح کرد.

از همان ابتدا مشخص شد که جرم نوترون با جرم پروتون دقیقاً برابر نیست، اما به آن بسیار نزدیک است. این موضوع توضیح روشنی برای تفاوت ایزوتوپ های یک عنصر ارائه داد. همان طور که خواهیم دید، هر ایزوتوپ را می توان با دو عدد مشخص کرد:

1. عدد اتمی (Z): این عدد، که در جدول تناوبی نمایش داده می شود، برابر با تعداد پروتون های هسته است و تعداد الکترون های اتم را نیز تعیین می کند. ازآنجاکه واکنش های شیمیایی به ساختار هسته بستگی ندارند، عدد اتمی تعیین کننده رفتار شیمیایی عناصر است.
2. عدد جرمی: این عدد برابر با مجموع پروتون ها و نوترون های هسته است. بنابراین، ایزوتوپ های یک عنصر از نظر تعداد نوترون ها با یکدیگر تفاوت دارند.

آزمایش های دقیق نشان داده اند که هر یک از این ذرات ویژگی های منحصربه فردی دارند که در ساختار هسته اتم نقش مهمی ایفا می کنند.

جرم پروتون برابر با 1.6726 × 10^-24 گرم است که 1836 مرتبه از جرم الکترون بیشتر است. پروتون دارای اسپین 1/2 است و ممان مغناطیسی نوترون مخالف اسپین آن است و برابر با 0.966 × 10^-24 واحد در سیستم سانتی متر-گرم-ثانیه می باشد. اسپین و ممان مغناطیسی هسته های اتمی به روش های مختلفی مورد بررسی قرار می گیرند. این روش ها شامل طیف نگاری اپتیکی، طیف نگاری رادیویی و بررسی های انحراف ستون ذره ها در میدان مغناطیسی ناهمگن می باشند. اصول کلی این روش ها در کتاب های قبلی همین سری، به ویژه در بخش “الکترون”، مورد بحث قرار گرفته است.

در اینجا، صرفاً به ارائه واقعیت های بنیادی می پردازیم که در چند دهه گذشته توسط گروه بزرگی از فیزیک دانان کشف شده است. مهمترین نکته این است که قوانین فیزیک کوانتومی که مربوط به ممان زاویه ای (گشتاور) هستند، در مورد تمام ذرات صدق می کنند. بنابراین، در مورد هسته اتمی، می توان فرمول زیر را برای گشتاور زاویه نوشت:

در اینجا، ثابت پلانک (h) که در تمامی فرمول های فیزیک کوانتومی استفاده می شود، نمایان است. معمولاً اسپین همان پارامتر h است. نظریه به وضوح بیان می کند و آزمایش ها نشان می دهند که اسپین هر ذره باید معادل 1/2، 1، 3/2، و به همین ترتیب باشد.

با بررسی جدول مقادیر اسپین هسته های مختلف (که از آزمایش های متنوع به دست آمده اند)، سیستم های جالبی مشاهده می کنیم. به ویژه در هسته هایی با تعداد زوج پروتون ها و نوترون ها، اسپین هسته معادل صفر است. تعداد نوکلئون ها (یعنی ذرات هسته ای) که مضربی از چهار هستند، نقش بسیار مهمی ایفا می کند. در بسیاری از موارد (هرچند نه در همه موارد)، اسپین هسته اتمی را می توان به طور زیر محاسبه کرد:

1. نزدیک ترین عدد مضرب 4 به عدد جرمی A را پیدا کنید.
2. اختلاف را در 1/2 ضرب کنید.

برای مثال، در لیتیم با عدد جرمی 6، اسپین برابر 1/2 است، در لیتیم-7 برابر 3/2 و در بورون-10 برابر 1 است. در بورون-11 نیز اسپین برابر 3/2 است.

این قانون به وضوح قابل درک است: هسته هایی با عدد جرمی زوج دارای اسپین عددی کامل (صحیح) هستند یا اسپین آن ها صفر است. هسته هایی با عدد جرمی فرد دارای اسپین معادل با مضرب 1/2 هستند.

اصل استثناء (ممنوعیت پالی) در مورد پروتون ها و نوترون های هسته نیز صادق است. دو ذره مشابه تنها زمانی می توانند یک سطح انرژی را اشغال کنند که اسپین های آن ها مخالف یکدیگر باشد. از آنجا که نوترون ها و پروتون ها ذرات متفاوتی هستند، یک سطح می تواند دو پروتون و دو نوترون را در خود جای دهد. در این گروه فشرده با اسپین صفر، ما اتم هلیوم را استنباط می کنیم (که همان ذره آلفا است).

وجود اسپین به معنی وجود ممان مغناطیسی است. همان طور که می دانیم، رابطه ای از تناسب مستقیم بین مومنتم مکانیکی (گشتاور) L و ممان مغناطیسی M وجود دارد. در اینجا، ممان مغناطیسی می تواند هم راستا یا مخالف اسپین باشد.

جرم نوترون کمی بیشتر از جرم پروتون است و برابر با 1.6749 × 10^-24 گرم می باشد. نوترون اسپین 1/2 دارد.

بوسون ها و فرمیون ها

در نهایت، به اصل استثناء پالی اشاره کردیم که تنها در مورد یک طبقه از ذرات صادق است. این ذرات را فرمیون می نامند. فرمیون ها شامل الکترون ها، پروتون ها و نوترون ها هستند و همچنین تمام ذراتی که از تعداد فردی میون ها تشکیل شده اند. دسته دوم از ذرات بوسون ها هستند. بوسون ها شامل فوتون ها، برخی ذرات بنیادی کوتاه عمر (مانند پی-مزون ها) و (مهمتر از همه) تمام ذراتی که از تعداد زوج فرمیون ها تشکیل شده اند، می باشند.

برای تعداد بوسون هایی که می توانند یک سطح انرژی را اشغال کنند، هیچ محدودیتی وجود ندارد. در دماهای بسیار پایین، بوسون ها معمولاً در پایین ترین سطح انرژی ممکن تجمع می کنند. در دماهای پایین تر، تعداد بوسون ها ممکن است به طور تقریبی برابر با تعداد کل بوسون ها باشد.

فهرست مطالب
ویژگی های هسته های اتمی
بوسون ها وفرمیون ها
جرم وانرژی هسته اتمی
انرژی واکنش های هسته ای

منابع و ماخذ :
فوتون و هسته ها سری فیزیک برای همه ، جلد 4
نویسنده : آ . کیتا یگارودسکی
ترجمه : نازارها مبارچیان ، آرارات عنبر چیان .