پروتون، نوترون و طیف های اتمی

مقدمه:

کشف الکترون و محاسبه نسبت بار به جرم آن، نشان داد که اتم ذره ی بنیادی نیست و خود اتم نیز از ذرات دیگری تشکیل شده است. از سال 1820 که وابستگی نیروهای الکتریکی و مغناطیسی  مطرح شد تا 1920 که اجزای تشکیل دهنده ی هسته ی اتم مورد بحث واقع شد، آغازی برای شناخت سنگ بنای اولیه ی جهان شد. نگاهی کوتاه به تاریخ کشفیات مهم فیزیک بخوبی نشانگر شتاب رو به رشد این کشفیات است. در سال 1932 ذرات زیر اتمی به الکترون، پروتون و نوترون خلاصه می شد و چند سال بعد جدول بندی ذرات زیر اتمی ضروری به نظر می رسید. این جدول چنان سریع رشد کرد که جدول استاندارد ذرات بنیادی از آن میان پدیدار گشت. 

اشعه ی آندی و پروتون

در سال 1886 گولد اشتاین مشاهده کرد که اگر کاتود لامپ تخلیه شکافهایی داشته باشد، تابش دیگری در جهت مخالف اشعه ی کاتودی جریان می یابد. وی این اشعه را اشعه ی کانالی نامید. چون اشعه ی کانالی در جهتی مخالف با اشعه ی کاتدی که بار منفی دارد حرکت می کند، تامسون پیشنهاد کرد که این تابش را اشعه ی مثبت بنامند.

تامسون به محاسبه نسبت q/mیعنی نسبت بار به جرم پروتون پرداخت. تامسون برای اندازه گیری نسبتq/m پرتوهای مثبت روشی جدید ابداع کرد.وی فرض کرد که هر ذره ی پرتو مثبت دارای باری مساوی و متضاد با بار الکترون است. همچنین ثابت کرد که نسبت بار به جرم اندازه گیری شده برای اتم هیدروژن، برابر با مقداری است که از تقسیم بار الکترون بر جرم یک اتم به دست می آید. از مقدارq/mهیدروژن معلوم شد که جرم ذرات مثبت 1837 برابر جرم الکترون است.

در سال 1911 ارنست رادرفورد، در آزمایشهایی که در آنها که نیتروژن با ذرات آلفا بمباران می شد، دوباره با چنین ذرات باردار مثبتی روبرو شد و آنرا به عنوان هسته هیدروژن شناسایی کرد. تا سال 1920، او به این نتیجه رسیده بود که این ذره ، ذره بنیادی است و با توجه به این که واژه "protos" ، در زبان یونانی به معنی نخستین است، آنرا پروتون نامید تا موقعیت اولیه در خور اهمیت آن را در میان هسته‌های اتمی عناصر نشان دهد.

جرم پروتون برابر است باmp = 938.272 MeV/C2 = 1.6726X10-27 Kg که 1836 برابر جرم الکترون است. برای مشاهده واپاشی پروتون به ذرات سبکتر ، جستجوی تجربی فراوانی انجام شده ، ولی تا به حال نتیجه‌ای حاصل نشده است. مستقل از مد واپاشی ، حد پایین طول عمر میانگین پروتون ، τ ، را می توان حدود 1025 سال دانست. عمر میانگین پروتون در بعضی از مدهای واپاشی خاص به حد بالاتری می‌رسد، برای مثال در واپاشی

p → e+ + π0

 مقدارτ بزرگتر از 1032 سال است. که در آن e+ , n0 نوترینو و پوزیترون هستند. (به ذرات بنیادی مراجعه کنید).  بار الکتریکی پروتون مثبت است. این بار در مقایسه با بار الکترون مقداری مساوی و علامتی مخالف دارد.

 qp = -qe = -e

شواهد تجربی نشان می‌دهد که ماده (از لحاظ بار الکتریبکی) خنثی است.

اشعه ی ایکس و عناصر رادیو آکتیو

در سال 1895 رونتگن که روی لامپ تخلیه الکتریکی کار می کرد به طور ناگهانی متوجه تابش عجیبی شد. این تابش در میدان الکتریکی یا مغناطیسی منحرف نمی شد. همچنین رونتگن مشاهده کرد که این پرتو به طور محسوسی شکسته یا پراکنده نمی شود. بنابراین نتیجه گرفت که این پرتو از جنس ذرات باردار و نور معمولی نیست. رونتگن این اشعه را طول موج آن کوتاهتر از طول موج های بالای بنفش بود، اشعه ایکس نامید.

پس از کشف اشعه ایکس بسیاری از دانشمندان به بررسی این تابش جدید و فوق العاده نافذ علاقه مند شدند. یکی از این افراد بکرل بود. پدر بکرل نسبت به فلوئورسانس علاقه مخصوصی داشت. از مواد فلوئورسانسی که بکرل بزرگ به کار می برد، سولفات اورانیل پتاسیم بود. بکرل عقیده داشت که ممکن است در تابش فلوئورسانس این ماده اشعه ی ایکس وجود داشته باشد. وی مقداری از این ماده را که حاوی اورانیوم است روی کاغذ سیاهی که در زیر آن صفحه ی حساس عکاسی بود گذاشت و آنرا در معرض نور خورشید قرار داد.

ساختمان دستگاه تولید اشعه ایکس بسیار ساده است.

تفنگ الکترونی، الکترونهایی با انرژی زیاد شلیک می کند.

الکترونها بر اثر برخورد به هدف، اشعه ایکس تابش می کنند.

بکرل چنین استدلال می کرد که نور خورشید نمی تواند از کاغذ سیاه بگذرد، اما اگر در تابش فلوئورسانسی که این ماده تولید می کند اشعه ایکس باشد، این اشعه بر صفحه عکاسی اثر خواهد کرد. با ابری شدن هوا کار خود را متوقف کرد و تا بازگشت آفتاب صفحات را عکاسی را که تکه های حاوی اورانیوم روی آن بود در کشو میز قرار داد. پس از چند روز تصمیم گرفت به هر صورت صفحات عکاسی را ظاهر کند. با این عمل متوجه شد که صفحه ی عکاسی بر اثر تابش اشعه ای بسیار قوی بکلی سیاه شده است. وی نظر داد که این تابش بایستی بوسیله اورانیوم پدید آمده باشد. در اثر این دقت و کنکاش بیشتر در آن، عناصر رادیو آکتیو به طور اتفاقی کشف شد.

به دنبال این کشف تحقیقات گسترده ای برای یافتن عناصر رادیو آکتیو و خواص آنها صورت گرفت. پژوهش های فشرده ای که توسط ماری کوری و پیر کوری و رادفورد و دیگران صورت گرفت منجر به کشف چندین عنصر رادیو آکتیو گردید. در تحقیقات بعدی مشخص شد که عناصر رادیو آکتیو سه نوع تابش منتشر می کنند. ارنست رادرفورد ماهیت سه نوع پرتو گسیل یافته از مواد پرتوزای موجود در طبیعت را توضیح داد. این سه نوع پرتو با سه حرف نخستین الفبای یونانی آلفا (α) ، بتا (β) و گاما (γ) مشخص می‌شوند.

در میدان میغناطیسی پرتو گاما منحرف نمی شود.

اشعه بتا زیاد منحرف می شود و اشعه آلفا کم منحرف می شود

یک - اشعه گاما، یک موج الکترومغناطیسی با فرکانس زیاد است، یعنی انرژی زیادی دارد. تابش گاما اصولا صورتی از نور با انرژی بسیار زیاد است. پرتوهای گاما بدون بار و شبیه پرتوهای ایکس‌اند.

دو - اشعه بتا، اشعه ی بتا متشکل از الکترونها است. تابش بتا مرکب از جریانی از الکترونهاست که تقریبا با سرعت km/s 130000  سیرمی‌کنند.بعدها مشخص شد که همراه با اشعه بتا ذره دیگری به نام پاد نوترینو گسیل می شود.

سه - اشعه آلفا، که هسته ی اتم هلیوم است.

 km/s 16000  از ماده پرتوزا بیرون می‌جهند. نخستین بار که ذرات α مورد مطالعه قرار گرفتند نوترون هنوز کشف نشده بود. امروزه ما می‌دانیم که ذره آلفا مرکب از دو پروتون و دو نوترون است.

رادیو آکتیویته و اکتشافات مربوط به آن سبب معرفی منبع جدیدی از انرژی شد که غنی تر از همه منابع شناخته شده بود.

نوترون و ایزوتوپ

اكتشافات  مواد راديواكتيويته و ايزوتوپها پرسشهاي جديدي را درباره ساختمان اتمها  مطرح كرد و پرسشهايي كه هسته اتمي را در بر مي‌گرفت.  در سال 1919 رادرفورد دريافت كه وقتي گاز نيتروژن با ذرات <?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" /><?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />حاصل از بيسموت 214 بمباران مي‌شود، ذرات سريعي توليد می گردد که می ‌تواند بيشتر از خود ذرات آلفای بيسموت در گاز سير كند. رادرفورد نتيجه گرفت كه يك ذره  مي‌تواند موجب فروپاشي مصنوعي هسته نيتروژن شود كه يكي از محصولات فروپاشي آن پروتون باشد. ليكن اين فرايند به آساني صورت نمي‌گيرد.

نتايج تجربي نشان داد كه تقريباً از هر یک ميليون ذره   كه از ميان گاز عبور مي‌كند فقط يك پروتون توليد مي‌شود.

در سال 1920 رادرفورد اظهار داشت كه پروتون درون هسته ممكن است داراي يك الكترون باشد و در چنين صورتي اين الكترون چنان محكم به آن بسته شده كه يك ذره خنثي ايجاد كرده است. رادرفورد حتي براي اين ذره فرضي و خنثی نام نوترون را پيشنهاد كرد.

در سال 1930 دانشمندان در آلمان دريافتند كه وقتي نمونه‌هايي از بور يا بريليم با ذرات آلفا بمباران شود، تابشهايي از آنها گسيل مي‌يابد كه در آن وقت به نظر مي‌رسيد كه از همان نوع پرتون‌هاي گاما هستند. دست كم از اين لحاظ كه پرتوهاي گاما بار الكتريكي ندارند.

در سال 1932چادويك در رساله خود تحت عنوان «وجود نوترون» مي‌گويد: «اگر ما فرض كنيم كه تابش مورد نظر تابش كوانتومي {پرتو گاما} نيست، بلكه مركب از ذره‌هايي است با جرم بسيار نزديك به جرم پروتون، تمام اشكالات مربوط به برخورد از ميان مي‌رود، هم در مورد فركانس آنها و هم در مورد انتقال انرژي به جرمهاي متفاوت. براي توضيح قدرت نفوذ زياد اين تابش، بايد فرض كنيم كه اين ذرات بار مؤثري ندارند. بايد فرض كنيم كه هر يك از آنها تركيب نزديك به همي از يك پرتون و يك الكترون است، و همان «نوتروني» است كه رادرفورد در سخنراني سال 1920 خود آن را مورد بحث قرار داد.»  پس، بر طبق فرضيه چادويك، وقتي عنصري همچون بريليم با ذره آلفا بمباران شود واكنش هسته‌اي صورت مي‌گيرد كه نوترون توليد مي‌كند.

  نمايانگر نوترون است

نوتروني كه بنا بر فرض چادويك بار صفر و جرمي برابر 1 دارد.  كشف نوترون با جرم نزديك به يك واحد بدون بار الكتريكي، نظر رادرفورد را مبني بر اينكه هسته اتمي از پروتون و نوترون ساخته شده است، تأييد كرد. اين فرضيه بعد از مدتي كوتاه در سال 1932 به وسيله‌ هايزنبرگ به عنوان مبناي يك تئوري هسته‌اي مفصلتر قرار گرفت و هنوز هم مبناي تلاشهايي است كه براي بيان خواص و ساختار هسته به عمل مي‌آيد. بر طبق فرضيه پروتون – نوتروني هسته بك اتم با عدد اتمي z و عدد جرمي A مركب از Z پروتون و A-Z نوترون است.

با كشف نوترون در سال 1932 اين تصور حاصل شد كه اجزاي اصلي ساختمان ماده سه ذره «بنيادي» است: پروتون، نوترون و الكترون.

فیزیک هسته ای چیست؟

درون هر اتم می توان سه ذره ریز پیدا کرد: پروتون، نوترون و الکترون.

پروتونها در کنار هم قرار می گیرند و هسته اتم را تشکیل می دهند، در حالی که الکترونها به دور هسته می چرخند. پروتون بار الکتریکی مثبت و الکترون بار الکتریکی منفی دارد و از آنجا که بارهای مخالف ، یکدیگر را جذب می کنند، پروتون و الکترون هم یکدیگر را جذب می کنند و همین نیرو، سبب پایدار ماندن الکترونها در حرکت به دور هسته می گردد. در اغلب حالت ها تعداد پروتونها و الکترونهای درون اتم یکسان است، بنابراین اتم درحالت عادی و طبیعی خنثی است.

اندازه گيري جرم اتمها با کمک دستگاه طيف سنج نشان مي دهد که همه اتمهاي يک عنصر جرم يکساني ندارند. از آنجا که عدد اتمي در واقع تعداد پروتونها در همه اتمهاي يک عنصر يکسان است، پس تفاوت جرم بايد مربوط به تعداد نوترونهاي موجود در هسته ي اتم باشد. اين مطالعات به معرفي مفهوم ايزوتوپ انجاميد. ايزوتوپها اتمهاي يک عنصر هستند که عدد اتمي يکسان و عدد جرمي متفاوت دارند. براي مثال آزمايشها وجود دو ايزوتوپ کلر 35 (CL۳۵۱۷) و کلر37 (CL۳۷۱۷) را به اثبات رسانده است.

اگر 13 پروتون و 14 نوترون، یک هسته را تشکیل دهند و 13 الکترون هم به دور آن بچرخند، یک اتم آلومینیوم بوجود خواهد آمد. همه آلومینیوم هایی که در طبیعت یافت می شوند، AL27 یا آلومینیوم 27 نامیده می شوند. عدد 27 نشان دهنده جرم اتمی است که مجموع تعداد پروتونها و نوترونهای هسته را نشان می دهد.

بسیاری از اتمها در شکل های مختلفی وجود دارند. مثلاً مس دو شکل دارد: مس 63 که 70 درصد کل مس موجود در طبیعت است و مس 65 که 30 درصد بقیه را تشکیل می دهد. شکل های مختلف اتم، ایزوتوپ نامیده می شوند. هر دو اتم مس 63 و مس 65 دارای 29 پروتون هستند، ولی مس 63 دارای 34 نوترون و مس 65 دارای 36 نوترون است. هر دو ایزوتوپ خصوصیات یکسانی دارند و هر دو هم پایدارند.

اتمهای ناپایدار

تا اوایل قرن بیستم، تصور می شد تمامی اتم ها پایدار هستند، اما با کشف خاصیت پرتوزایی اورانیوم توسط بکرل مشخص شد برخی عناصر خاص دارای ایزوتوپ های رادیواکتیو هستند و برخی دیگر، تمام ایزوتوپ هایشان رادیواکتیو است. رادیواکتیو بدان معنی است که هسته اتم از خود تشعشع ساطع می کند.

هیدورژن مثال خوبی از عنصری است که ایزوتوپ های متعددی دارد و فقط یکی از آنها رادیو اکتیو است. هیدروژن طبیعی ( همان هیدروژنی که ما می شناسیم) در هسته خود دارای یک پروتون است و هیچ نوترونی ندارد. ( البته چون فقط یک پروتون درهسته وجود دارد نیازی به نوترون نیست) ایزوتوپ دیگر هیدروژن، هیدروژن 2 یا دو تریوم است که یک پروتون و يک نوترون در هسته خود جای داده است. دوتریوم، فقط 015/0 درصد کل هیدروژن را تشکیل می دهد و در طبیعت بسیار کمیاب است، با این حال مانند هیدورژن طبیعی رفتار می کند. البته از یک جهت با آن تفاوت دارد و آن، سمی بودن دوتریوم در غلظت های بالاست. دوتریوم هم ایزوتوپ پایداری است، ولی ایزوتوپ بعدی که تریتیوم خوانده می شود، ناپایدار است.

تریتیوم که هیدروژن 3 نیز خوانده می شود، در هسته خود یک پروتون و دو نوترون دارد و طی یک واپاشی رادیواکتیو به هلیوم 3 تبدیل می شود. این بدان معنی است که اگر ظرفی پر از تریتیوم باشد، پس از یک میلیون سال، ظرف پر از هلیوم 3 خواهد بود. هلیوم 3 از 2 پروتون و یک نوترون ساخته شده وعنصری پایدار است .

در برخی عناصر مشخص، به طور طبیعی همه ایزوتوپ ها رادیواکتیو هستند. اورانیوم بهترین مثال برای چنین عناصری است که علاوه بر رادیواکتیویته زیاد، سنگین ترین عنصر رادیواکتیو هم هست که به طور طبیعی یافت می شود. علاوه بر آن، هشت عنصر رادیواکتیو طبیعی هم وجود دارند که عبارتند از پولوتونیوم، استاتین، رادون، فرانسیم، رادیوم، اکتینیوم، توریم و پروتاکتسینانیوم. عناصر سنگین تر از اورانیوم که به دست بشر در آزمایشگاه ساخته شده اند، همگی رادیواکتیو هستند.

تابش های طبیعی خطرناک

درست است که واپاشی رادیواکتیو، یک فرآیند طبیعی است و عناصر رادیواکتیو هم بخشی از طبیعت هستند، ولی این تابش های رادیواکتیو برای موجودات زنده زیان بار هستند. ذرات پر انرژی آلفا، بتا، نوترونها، پرتوهای گاما و پرتوهای کیهانی، همگی به تابش های یون ساز معروفند، بدین معنی که بر همکنش آنها با اتم ها منجر به جداسازی الکترون ها از لایه ظرفیتشان می شود. از دست دادن الکترونها، مشکلات زیادی از جمله مرگ سلول ها و جهش های ژنتیکی را برای موجودات زنده به دنبال دارد. جالب است بدانید جهش ژنتيکي عامل بروز سرطان است.

درات آلفا، اندازه بزرگتری دارند و از این رو توانایی نفوذ زیادی در مواد ندارند، مثلاً حتی نمی توانند از یک ورق کاغذ عبور کنند. از این رو تا زمانی که در خارج بدن هستند تأثیری روی افراد ندارند. ولی اگر مواد غذایی آلوده به مواد تابنده ذرات آلفا بخورید، این ذرات می توانند آسیب مختصری درون بدن ایجاد کنند.

ذرات بتا توانایی نفوذ بیشتری دارند که البته آن هم خیلی زیاد نیست، ولی در صورت خورده شدن خطر بسیار بیشتری دارند. ذرات بتا را می توان با یک ورقه فویل آلومینویم متوقف کرد.

پرتوهای گاما همانند اشعه X فقط با لایه های ضخیم سربی متوقف می شوند. نوترونها هم به دلیلی بی یار بودن، قدرت نفوذ بسیار بالایی دارند و فقط با لایه های بسیار ضخیم بتن یا مایعاتی چون آب و نفت متوقف می شوند. پرتوهای گاما و پرتوهای نوترون به دلیل همین قدرت نفوذ بالا می توانند اثرات بسیار وخیمی بر سلول های موجودات زنده بگذارند، تأثیراتی که گاه تا چند نسل ادامه خواهد داشت.

طيف اتمي

همانطور كه مي‌دانيم نيوتون براي نخستين بار با گذراندن نور خورشيد از منشور ، طيف نور سفيد را تشكيل داد. نيوتون نشان داد كه نور سفيد آميزه‌اي از رنگهاي مختلف است و گسترده طول موجي اين رنگها از 0.4 ميكرومتر (بنفش) تا 0.7 ميكرومتر (قرمز) است. طيف نور سفيد يك طيف پيوسته است. به همين ترتيب مي‌توان طيف هر نوري را توسط پاشندگي در منشور شناسايي كرد.  طيف نور گسيل شده از بخار هر عنصری را طيف اتمي آن عنصر مي‌نامند. پس مي‌توان گفت كه طيف اتمي عنصرهاي مختلف با هم تفاوت دارد. اما علت اينكه در طيف اتمي خطوط مختلفي ديده مي‌شود، چيست؟

خطوط طيفي

طيف اتمي مستقيما به ترازهاي انرژي اتم نسبت داده مي‌شود. هر خط طيفي متناظر يك گذار خاص بين دو تراز انرژي يك اتم است. پس آنچه در طيف نمايي داراي اهميت است، تعيين ترازهاي انرژي يك اتم به كمك اندازه گيري طول موجهاي طيف خطي گسيل شده از اتمها است. پايين ترين تراز انرژي ، حالت پايه و همه ترازهاي بالاتر حالتهاي برانگيخته ناميده مي‌شوند. موقعي كه يك اتم از حالت بر انگيخته بالاتر به يك حالت برانگيخته پايين تر گذاري را انجام مي‌دهد. يك فوتون متناظر به يك خط طيفي گسيل مي‌شود.

طيف نشري

اگر جسمي بتواند نور توليد كند و نور توليد شده را از منشوري عبور دهيم، طيفي بدست مي‌آيد كه طيف نشري ناميده مي‌شود. اگر رنگهاي طيف حاصل بهم متصل باشند، طيف نشري اتصالي و اگر فاصله‌اي بين آنها باشد، طيف نشري انفصالي يا خطي مي‌نامند. به عنوان مثال لامپ حاوي بخار بسيار رقيق را در نظر بگيريد. اين لامپ بصورت لوله باريك شيشه‌اي است كه درون آن يك گاز رقيق در فشار كم وجود دارد.  

دو الكترود به نامهاي كاتد و آند در دو انتهاي لوله قرار دارند.  اگر بين اين دو الكترود ، ولتاژ بالايي برقرار شود، اتمهاي گاز درون لامپ شروع به گسيل نور مي‌كنند. اگر اين بخار مربوط به بخار جيوه باشد، اين گسيل به رنگ نيلي - آبي است. اگر اين نور را از منشور بگذرانيم و طيف آن را تشكيل دهيم مي‌ينيم كه اين طيف پيوسته نيست. بلكه تنها از چند خط رنگي جدا از هم با طول موجهاي معين تشكيل شده است.