انرژی هسته ای...۸

 اسپین

اتم ها در اثر گرفتن انرژى، تابش مى کنند. این تابش ناشى از این است که الکترون هاى اطراف هسته، انرژى مى گیرند و بعد این انرژى را به صورت یک فوتون با طول موج معین بازمى تابانند. اما خود این طیف در مجاورت میدان الکترومغناطیسى، به چند طول موج جدا از هم تفکیک مى شود. علت  

 این است که الکترون ها در اتم، اندازه حرکت زاویه اى هم 

  دارند.                                            

                                                    Aaron              

اشترن و گرلاخ نشان دادند که الکترون ها علاوه بر این اندازه حرکت زاویه اى، خاصیت دیگرى هم دارند که فقط در حضور میدان مغناطیسى آن را بروز مى دهند. به دلیل شباهت این خاصیت به اندازه حرکت زاویه اى، نام آن را «اندازه حرکت زاویه اى ذاتى» یا اسپین نهادند. بعدها ثابت شد که علاوه بر الکترون، باقى ذرات بنیادى هم اسپین دارند. مهمترین ویژگى اسپین این است که یک خاصیت کاملاً کوانتومى است و مشابه کلاسیک ندارد. ذراتى که اسپین نیم صحیح دارند (یک دوم، سه دوم، …) فرمیون مى نامند، مثل الکترون، پروتون، نوترون و… این ذرات تشکیل دهنده ماده هستند. در مقابل ذراتى که اسپین صحیح دارند(صفر، ۱ ، ۲ و…) بوزون گفته مى شوند، مثل فوتون، مزون، گلوتون و… این ذرات حامل نیروها هستند.

 ایزواسپین و نیروى هسته اى

هنگامى که نوترون توسط چادویک کشف شد، این واقعیت مسلم شد که علاوه بر نیروى گرانش و الکترومغناطیسى، حداقل یک نیروى دیگر در طبیعت وجود دارد و این نیرو است که عامل پیوند نوکلئون ها (پروتون ها و نوترون ها) درون هسته است. زیرا در صورت عدم وجود این نیرو، در اثر دافعه شدید بارهاى مثبت پروتون ها بر هم، هسته از هم مى پاشد. از این مثال برمى آید که اولاً این نیرو باید جاذبه اى باشد تا در مقابل دافعه پروتون ها بایستد و ثانیاً برد آن باید خیلى کوتاه باشد و از ابعاد هسته بیشتر نباشد. زیرا نیروى الکترومغناطیسى (در مدل بوهر) آرایش الکترون ها در مدارهاى اتمى را به خوبى توضیح مى داد. اما واقعیت مهم و جالب تر این است که باید براى این نیرو، پروتون و نوترون به یک شکل دیده شوند و فارغ از اختلاف بار الکتریکى این دو ذره یک شکل باشند. هایزنبرگ با استفاده از این واقعیت و با ایده گرفتن از نظریه اسپین، مفهوم ریاضى جدیدى به نام «ایزوتوپ اسپین» یا ایزواسپین را معرفى کرد. او پیشنهاد کرد که همان طور که در حضور میدان الکتریکى خطوط طیفى یکى هستند و با ظهور میدان مغناطیسى به چند خط دیگر شکافته مى شوند، نوکلئون ها (پروتون و نوترون) هم در حقیقت در مقابل نیروى هسته اى یک ذره هستند اما هنگام ظهور نیروهاى الکترومغناطیسى به دو ذره با ایزواسپین متفاوت تبدیل مى شوند.

نیروى هسته اى قوى

یوکاوا فیزیکدان ژاپنى در سال ۱۹۳۵ براى توضیح نیروى هسته اى گفت: این نیرو باید در اثر مبادله ذره اى به نام پیون (مزون پى) بین نوکلئون ها به وجود بیاید. چون این ذره نسبتاً سنگین است، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ ایجاب مى کند که برد این نیرو کوتاه باشد، به این ترتیب ایده مبادله ذره، توانست تمام ویژگى هاى نیروى هسته اى را توضیح بدهد. پیون ها هم مثل نوکلئون ها براى نیروى هسته اى یک ذره به شمار مى روند اما ایزواسپین آنها یک است یعنى در مقابل نیروى الکترومغناطیسى ۳ حالت پیون با بار مثبت و با بار منفى و خنثى را دارند. یک پروتون، با از دست دادن یک پیون مثبت به نوترون تبدیل مى شود و این پیون مثبت خود یک نوترون دیگر را به پروتون تبدیل مى کند. دوتا نوترون یا دوتا پروتون هم مى توانند با هم پیون خنثى (صفر) مبادله کنند. یک نوترون هم با از دست دادن یک پیون منفى به پروتون تبدیل مى شود و این پیون منفى با یک پروتون دیگر، یک نوترون تولید مى کند. به این ترتیب با مبادله این ذرات، نوکلئون ها در هسته پایدار مى مانند.

 نیروى هسته اى ضعیف

یکى از ویژگى هاى بارز نوترون نیم عمر آن است. نوترون در حالت آزاد پس از ۱۸ دقیقه متلاشى و به یک پروتون و یک الکترون تبدیل مى شود. این مدت بسیار طولانى تر از تمام پدیده هایى است که با نیروى قوى سروکار دارد. نیرو هاى الکترومغناطیسى هم بر نوترون بدون بار عمل نمى کنند. پس واضح است که تلاشى نوترون، ناشى از یک نیروى جدید در طبیعت است. به علت ضعیف بودن این نیرو نسبت به نیروى هسته اى آن را نیروى هسته اى ضعیف نام گذاشتند. تلاشى هسته که نتیجه آن تولید پرتو بتا است هم ریشه در این نیرو دارد.