منابع پایان نامه درباره سلسله مراتب، تحولات فناوری، نظریه بنیادی، نظریه مدل

فهرست جدول‌ها

عنوان صفحه

جدول ( 1- 1 ): دسته بندی لپتون ها 5
جدول ( 1-2 ): دسته بندی کوارک ها 6
جدول (4-1): مقایسه انرژی بستگی هسته ای در مدل (INM ) با مدل قطره مایع و داده های
تجربی 51
جدول(4-2): ضریب پایداری هسته (α ) برای هسته های مختلف 54
جدول (4-3): مقایسه انرژی آزاد شده در واکنش های هسته ای در مدل (INM) با مقادیر تجربی و مدل قطره مایع 58
جدول (4-4): محاسبه سطح مقطع کوارک ها در انرژی های مختلف 62
جدول (4-5): سطح مقطع واکنش Li^7+p بر اساس مدل شبه کوارکی با در نظر گرفتن 20% کوارک دریا در انرژی‌های مختلف 65
جدول (4-6): مقایسه سطح مقطع واکنش 〖Li〗^7 (p,n) 〖Be〗^7 بر اساس مدل شبه کوارکی با در
نظر گرفتن 20% کوارک دریا با مقادیر تجربی در انرژی‌های مختلف وقتی پیوندهای کوارکی مشترک قبل و بعد از برخورد را در نظر بگیریم 67
جدول (4-7): مقایسه سطح مقطع واکنش B^11 (p,n)C^11 بر اساس مدل شبه کوارک با در
نظر گرفتن 20 % کوارک دریا با مقادیر تجربی در انرژی های مختلف، وقتی پیوند های کوارکی مشترک قبل و بعد از برخورد را در نظر بگیریم 69
جدول (4-8): مقایسه آهنگ واکنشp-B^11 بر اساس مدل شبه کوارک با در نظر گرفتن 20% کوارک دریا با مقدار تجربی 75
جدول (4-9): مقایسه آهنگ واکنشp-〖Li〗^6 بر اساس مدل شبه کوارک با در نظر گرفتن 20% کوارک دریا با مقدار تجربی 78

فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه

شکل ( 1- 1 ): سلسله مراتب ساختار ماده 4
شکل (1-2): گره بنیادی 8
شکل (1-3): پراکندگی مولر 8
شکل (1-4): پراکندگی باهاباها 9
شکل(1-5 ): گره کوارک – گلوئونی 10
شکل (1- 6 ): نمودارqq qq → 10
شکل (1- 7 ): پایستگی رنگ در گره کوارک-گلوئونی 11
شکل(1-8): گره باردار بنیادی لپتونی 13
شکل (1-9): پراکندگی نوترینو و میوان 13
شکل (1- 10): گره خنثی بنیادی لپتونی 13
شکل (1-11 ): پراکندگی نوترینو و میوان 14
شکل (1-12 ): گره باردار بنیادی کوارک 14
شکل (1-13 ): گره خنثی بنیادی کوارک 14
شکل (2-1): نمودار انرژی بستگی بر نوکلئون 20
شکل(2-2): نمودار توزیع هسته های پایدار 21
شکل (2-3): نمودار شماتیک سطوح انرژی 22
شکل (2-4): سهمی های جرمی 24
شکل (2-5): ترازهای انرزی نوکلئون ها 27
شکل ( 2-6): ترازهای انرژی در یک چاه پتانسیل گرد شده شامل یک شکافتگی قوی
اسپین – مدار 30
شکل ( 3-1 ): رشته مراحل یک واکنش هسته ای بر طبق نظریه وایسکوف 35
عنوان صفحه

شکل ( 3-2): واکنش هسته ای در سیستم آزمایشگاهی 39
شکل ( 3-3): واکنش هسته ای در سیستم مرکز جرم 40
شکل ( 3-4): آرایش اساسی تجربی برای تعیین سطح مقطع یک واکنش هسته ای 44
شکل (4-1): مدل کوارکی و اعداد جادویی 49
شکل (4-2): داده های تجربی انرژی بستگی هسته ای به ازای هر نوکلئون بر حسب عدد جرمی 52
شکل(4-3): داده های انرژی بستگی هسته ای به ازای هر نوکلئون در مدل قطره مایع برحسب عدد جرمی 53
شکل (4-4) : داده های انرژی بستگی هسته ای به ازای هر نوکلئون در مدل جامع هسته ای بر حسب عدد جرمی 53

فصل اول

ذرات بنیادی

1-1- مقدمه

تحقیقات امروز فیزیکدانان ذرات بنیادی در پیچیده ترین دستگاهها نشان دهنده بلند پروازی بشر برای دستیابی به ساختارهای بنیادی عالم بوده است. جدول تناوبی عناصر از اولین کارهای اصولی بود که نشان می داد بلوک های سازنده ماده، بنیادی هستند و تعداد زیاد این عناصر و نظم جدول به زیر ساختارهای این مواد اشاره داشت. تا سال 1932 الکترون e، پروتون p، نوترون n به عنوان ساختارهای نهایی ماده شناخته شده بودند. نظریه ها همراه با تلاش های آزمایشگاهی در قرن اخیر، بشر را به دنیای باز هم ریزتر ( ذرات بنیادی سازنده عالم ) هدایت کرد: جهان کوارک ها، لپتون ها و بوزون های پیمانه ای [1].
دهه 1950 همچنین شاهد یک سری تحولات فناوری بود که طی آنها باریکه های پرانرژی ذرات در آزمایشگا هها تولید شد. در دهه 1960 این آزمایش ها منجر به کشف تعداد زیادی از ذرات ناپایدار با نیمه عمرهای بسیار کوتاه شد و نیاز به یک نظریه بنیادی برای حل حجم زیاد مشاهدات فراهم شده، احساس گردید. در اواسط دهه 1960مدل کوارکی برای این منظور ابداع گشت. موری گلمن و تقریبا به طور همزمان جورج زوایگ، مدلی را ارائه نمودند که در آن، این ذرات حالت مقیدی در سه نوع کوارک بودند. به این ترتیب کوارک ها به عنوان ذرات بنیادی تر مطرح شدند. نام کوارک اولین بار توسط گلمن پیشنهاد شد1. شواهد تجربی برای وجود کوارک ها به عنوان ذرات واقعی در دهه 1960 طی آزمایشاتی شبیه به آزمایشات رادرفورد به دست آمد. در این آزمایشها باریکه های پر انرژی الکترون و نوترینو به وسیله نوکلئون ها پراکنده می شدند. تحلیل توزیع زاویه ای ذرات پراکنده شده نشان داد که نوکلئون ها حالت‌های مقید سه جزء نقطه گونه با مشخصات شبیه کوارک های پیشنهاد شده هستند.
کوارک ها دارای بار کسری -1/3 e و +2/3 e می باشند. تصویر امروزه ما نیز بر همین اساس است. کوارک ها به همراه تعدادی از ذرات دیگر مثل الکترون ها و نوترینو ها واقعا بنیادی اند اما نوکلئون ها چنین نمی باشند [2 ].
طبق مدل کوارک تا به امروز ذرات شناخته شده را می توان در دو گروه جای داد:
1) لپتون ها: که در بر همکنش های قوی شرکت نمی کنند، مانند الکترون، و اسپین نیمه صحیح ( .. . . . و 3/2 1/2 و ) دارند.
2) هادرون ها: که ذرات شرکت کننده در بر همکنش های قوی و تشکیل شده از کوار
ک ها هستند. هادرون ها خود شامل مزون ها و باریون ها می شوند، و باریون ها هم شامل نوکلئون ها و هایپرون ها هستند.
مزون ها ذراتی با اسپین صحیح ( . . .و2و1و0 ) و حالت مقید جفت کوارک – پادکوارک qq ̅ می باشند و از آمار بوز – انیشتین تبعیت می کنند. باریون ها اسپین نیمه صحیح ( . . . و 3/2 1/2 و ) دارند و آمار فرمی – دیراک در مورد آنها صدق می کند و از سه کوارک qqq یا سه پادکوارک q ̅q ̅q ̅ ساخته شده اند.
پروتون و نوترون جزء نوکلئون ها هستند و پروتون از سه کوارک uud و نوترون از سه کوارک udd ساخته شده اند [1].
شکل (1-1) مقیاس های متفاوت در سلسله مراتب ساختار ماده را نشان می دهد. با افزایش انرژی، ساختارهای کوچک و کوچک تر قابل مشاهده اند: هسته، نوکلئون ها، کوارک ها [3 ].

شکل ( 1- 1 ): سلسله مراتب ساختار ماده

1-2- مدل استاندارد

بهترین نظریه ذرات بنیادی که در زمان حاضر در اختیار داریم، مدل استاندارد نامیده می شود. هدف این نظریه، تبیین کلیه پدیده های مرتبط با ذرات بنیادی ( به جز کوانتوم های گرانش ) از طریق بررسی ویژگی های ذرات و بر همکنش های بین آنهاست. ذرات بنیادی به عنوان موجوداتی نقطه ای و فاقد ساختار یا حالت های بر انگیخته تعریف می شوند. بنابراین، فیزیک ذرات بنیادی بر خلاف فیزیک هسته ای، تنها از یک نظریه برای تفسیر داده های خود استفاده می کند [4].
از دیدگاه کنونی، تمام مواد از سه نوع ذره بنیادی ساخته شده است: لپتون ها، کوارک ها و واسطه ها. شش لپتون که بر حسب بار خود ( (Qعدد الکترونی ( L_e) عدد میوآنی ( L_μ) و عدد تاو ( L_τ) رده بندی می شوند. آنها طبیعتا به سه خانواده (یا نسل ) تقسیم بندی می شوند (جدول (1-1)).
همچنین شش آنتی لپتون وجود دارد که تمام علامت های بار وL_e و L_μ و L_τ آنها برعکس است. مثلا پوزیترون دارای بار 1+ و عدد الکترونی 1- است. از این رو، 12 لپتون وجود دارد.

جدول ( 1- 1 ): دسته بندی لپتون ها

Le

Q

L

0

0

0

0

1

1

-1

0

e

υe

0

0

1

1

0

0

-1

0

μ

μυ

1

1

0

0

0

0

-1

0

τ

υ_τ

به همین ترتیب 6 طعم کوارک وجود داردکه بسته به بار، بالا ( U )، پایین (D )، شگفتی ( S )، افسون ( C)، زیبایی (B ) و حقیقت (T ) رده بندی شده اند (جدول (1-2 )). کوارک ها نیز سه نسل دارند. برای آنتی کوارک ها نیز تمام نشانه ها به نشانه های مخالف خود تبدیل می شوند. در ضمن، هر کوارک و آنتی کوارک به سه رنگ یافت می شوند. از این رو شمار آنها 36 عدد است.
سرانجام هر اندر کنشی واسطه ای دارد: فوتون برای نیروی الکترو مغناطیسی، دو بوزون W و یک بوزون Z برای نیروی ضعیف، گراویتون برای جاذبه، و گلوئون برای نیروی قوی. در مدل استاندارد هشت گلوئون مشابه وجود دارد که خود گلوبال ها رنگ دارند و نباید به صورت منفرد یافت شوند.
تعداد کل ذرات بنیادی عبارتند از: 12 لپتون، 36کوارک، 12 واسطه (بدون در نظر گرفتن گراویتون، چون این ذره در مدل استاندارد نیست ).
جدول ( 1-2 ): دسته بندی کوارک ها

T

B

C

S

U

D

Q

q
0

0
0

0
0

0
0

0
0

1
-1

0
-1/3
2/3
d

u
0

0
0

0
0

1
-1

0
0

0
0

0
-1/3
2/3
s

c
0

1
-1

0
0

0
0

0
0

0
0

0
-1/3
2/3
b

t

تئوری گلاشو- واینبرگ- سلام نیز دست کم یک ذره هیگز را پیش بینی می کند، بنابراین روی هم رفته 61 ذره وجود دارد. تجربه به ما می آموزدکه نخست اتم و سپس هسته و هم اکنون هادرون ها مرکب بوده اند و خیلی ها بر این باورندکه شماری از این 61 ذره نیز خود مرکب اند [1].

1-3- نیروهای چهار گانه

همه بر همکنش های موجود توسط چهار نیروی اساسی طبیعت توصیف می شوند: قوی، الکترومغناطیسی، ضعیف و جاذبه. به هر یک از این نیروها یک تئوری فیزیکی تعلق می گیرد.
تئوری کلاسیکی نیروی جاذبه توسط قوانین جهانی جاذبه نیوتن توصیف می شود و تعمیم نسبیتی آن نظریه نسبیت عام انیشتین است.
تئوری توصیف کننده نیروی الکترومغناطیسی، الکترودینامیک است که فرمول بندی کلاسیکی آن توسط ماکسول ارائه شده و تئوری کوانتومی آن در سال 1940 توسط فاینمن، توماناگا و شوینگر کامل شد.
تئوری اولیه نیروی ضعیف که ابتدا برای فیزیک کلاسیک نا شناخته بود توسط فرمی در سال 1933 ارائه شد و با کارهای لی و یانگ، فاینمن و گلمن و چند نفر دیگر تصحیح شد و در دهه شصت توسط گلاشو، واینبرگ و سلام کامل گردید و امروزه دینامیک طعم2 نامیده می شود.
نیروی قوی تا پیدایش ناگهانی نظریه کوانتوم کرومودینامیک3 ( ( QCDدر دهه هفتاد ( صرفه نظر از کار یوکاوا در سال 1934 ) توصیفی نداشت.
نظریه مربوط به هر کدام از این نیرو ها با مبادله ذرات واسطه توصیف می شود: واسطه در نیروی گرانش، گراویتون4 و در نیروی الکترو مغناطیسی فوتون5 است. نیروی ضعیف به وسیله بوزون های برداری واسطه6 Z و W^± مبادله می شوند و در نیروی قوی گلوئون ها7 این نقش را بازی می کنند [1].

1-4- الکترو دینامیک کوانتومی ( QED )

الکترودینامیک کوانتومی کهن ترین و موفق ترین نظریه در زمینه دینامیک است و سایر نظریه ها نیز بر اساس همین نظریه طرح ریزی شده اند. تمام پدیده های الکتروم
غناطیسی سرانجام به مرحله اصلی زیر (شکل (1-2)) تبدیل می شوند.

شکل (1-2): گره بنیادی

این شکل بیان می کند: ذره باردار الکترون وارد می شود و فوتون را جذب و یا دفع می کند و سپس خارج می شود.
در مراحل پیچیده تر، دو یا چند گره راس اولیه را به هم وصل می کنیم، به عنوان مثال شکل زیر را در نظر بگیرید:

شکل (1-3): پراکندگی مولر

در اینجا دو الکترون وارد می شوند و یک فوتون بین آنها رد و بدل می شود و سپس هر دو خارج می شوند. این شکل بر همکنش بین دو الکترون را نشان می دهد. در نظریه کلاسیک، آن را دافعه کولمب میان بارهای هم نام می گوییم(شکل (1-3)). در QED این فرایند پراکندگی مولر نام دارد.

شکل (1-4): پراکندگی باهاباها

قانون این است که خط حاوی ذره که در زمان به سمت عقب حرکت می کند، به عنوان پادذره است که به جلو حرکت می کند. بنابراین در این مرحله یک الکترون و یک پوزیترون خنثی می شوند تا یک فوتون را تشکیل دهند و این فوتون نیز به نوبه خود یک جفت الکترون و پوزیترون دیگر تولید می کند. این پدیده بر همکنش بین دو بار غیر هم نام یعنی جذب کولمب را نمایش می دهد. در QED این فرایند، پراکندگی باهاباها نامیده می شود (شکل (1-4)). با کاربرد فقط دو گره می توان نمودارهای دیگری را نیز ساخت.
اگر ما گره های بیشتری را وارد کنیم امکان تشکیل نمودارهای گوناگون به سرعت افزایش می یابد. البته برای هر بر همکنش بی نهایت نمودار فاینمن وجود دارد. خوشبختانه هر گره در نمودار فاینمن نمایانگر یک فاکتور از 1/137 = ( =( e^2/ħc α است و به علت کوچک بودن این عدد نمودارهای با گره های بیشتر، سهم کمتری در محاسبات دارند [1].

1-5- کرومودینامیک کوانتومی (QCD )

کوانتوم کرومودینامیک یک بخش مهم از نظریه مدل استاندارد است که توصیف کننده بر همکنش های قوی کوارک ها و گلوئون ها است. نظریه شامل سه طعم کوارک سبک s و d و u و سه طعم کوارک سنگین c و b و t با اسپین 1/2 است. بر خلاف QED در اینجا واسطه ها مستقیما با هم برهمکنش دارند و ذرات واسطه بدون جرم اند، رنگ دارند ولی بدون طعم فرض می شوند.
این تئوری دارای دو خصوصیت است:
اول اینکه در محدوده فواصل زیاد بین کوارک ها جفتیدگی مؤثر بسیار بزرگ می شود و منجر به پیدایش محبوسیت8 می شود. به این معنی که کوارک ها برای همیشه درون هادرون ها محبوسند. خصوصیت دیگر QCD آزادی مجانبی9 است. به این معنی که ثابت جفتیدگی در برهمکنش های انرژی بالا (که معادل فواصل کوتاهتر است ) کوچکتر می شود و در انرژی های کم یا فواصل زیاد، بزرگ می شود [5].
برهمکنش قوی می تواند با یک پتانسیل تجربی مشخص شود:
Vs = a/r + br (1-1)
r فاصله میان کوارک ها و a و b ضرایبی با واحد های انرژی ضرب در طول و انرژی تقسیم بر طول هستند. فاکتور a/r پتانسیل، با افزایش فاصله میان کوارک ها باعث افزایش نیروی قیدی آنها می شود و خاصیت محبوسیت کوارک ها را بیان می کند [6]. لازم به ذکر است بدانیم که رنگ های کرومودینامیک نقش بار الکتریکی را بازی می کنند.

شکل(1-5 ): گره کوارک – گلوئونی

از آنجایی که لپتون ها نمی توانند رنگ ها را با خود حمل کنند، در برهمکنش قوی شرکت نمی کنند.

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *