Atomic Nuclear Physics MSc-Med-Phys1ssu.ac.ir/.../Atomic_Nuclear_Physics_MSc-Med-Phys1.pdf ·...

10/22/2014

1

دكتر علي اصغر پرَچ

10/22/2014

2

فهرست

نظريه اتمي ماده، الكتريسيته و تابش: 1

مدل هاي اتمي: 2

اتم هاي چند الكتروني: 3

امواج و ذرات : 4

ساختار هسته و مفاهيم اساسي هسته: 5

برخوردهاي تابش هاي هسته اي با ماده: 6

سنجش و اندازه گيري راديواكتيويته: 7

واكنش هاي هسته اي، شكافت و جوش هسته اي : 8

شتابدهنده ها و رآكتورهاي هسته اي: 9

3Atomic theory of matter By: Dr.A.A Parach

4Atomic theory of matter By: Dr.A.A

Parach

10/22/2014

3


Parach

6

Atomic theory of matter By: Dr.A.A Parach

10/22/2014

4


Parach

8

Atomic theory of matter By: Dr.A.A Parach

10/22/2014

5

Ancient Atomic Theory

The atomic theory of matter was first proposed byLeucippus, a Greek philosopher who lived at around400BC. At this time the Greeks were trying to understandthe way matter is made.

According to Anassagora, it is possible to subdivide

matter in smaller and smaller parts, and he proposedthat this process can be continued with no limit. InAnassagora's view, you can always divide a bit of

substance into two parts, and each of these parts is alsodivisible into two parts, and so on--no matter how smalleach part gets there is no problem dividing it again intoeven smaller parts.

But according to Leucippus, eventually you arrive atsmall particles which can not be further subdivided.Leucippus called these indivisible particles atoms (fromthe Greek word atomos, meaning “indivisible”).

Leucippus

Atomic theory of matter By: Dr.A.A Parach 9

Ancient Atomic Theory continued..

Leucippus's atomic theory was further developed by his

disciple, Democritus who concluded that infinite

divisibility of a substance belongs only in the imaginary

world of mathematics.

Democritus suggested the atomic theory, explaining that all

things are "composed of minute, invisible, indestructible

particles of pure matter which move about eternally in

infinite empty.". If a sample of a pure element was divided

into smaller and smaller parts, eventually a point would

be reached at which no further cutting would be

possible—this was the atom of that element.Democritus

According to the ancient Greeks, atoms were all made of the same basic material,

but atoms of different elements had different sizes and shapes. The sizes, shapes,

and arrangements of a material’s atoms determined the material’s properties. It was

believed that there were four elements that all thing were mare from; Earth, Air,

Fire and Water.


10/22/2014

6

Atomos

� To Democritus, atoms

were small, hard particles

that were all made of the

same material but were

different shapes and

sizes.

� Atoms were infinite in

number, always moving

and capable of joining

together.



Parach

10/22/2014

7

This theory was ignored and forgotten for more than 2000 years!


Why?

• The eminent philosophers of the time, Aristotle and Plato, had a more respected, (and ultimately wrong) theory.

Aristotle and Plato favored the earth, fire, air and water approach to the nature of matter. Their

ideas held sway because of their eminence as

philosophers. The atomos idea was buried for

approximately 2000 years.


10/22/2014

8


Parach


Parach

10/22/2014

9



steps in new atomic theory

1- Lavoisier in 1780 :

law of conservation of mass:

states that for any system closed to all transfers of matter and energy (both of

which have mass), the mass of the system must remain constant over time, as

system mass cannot change quantity if it is not added or removed.

The law implies (requires) that during any chemical reaction, nuclear reaction, or

radioactive decay in an isolated system, the total mass of the reactants or starting

materials must equal the mass of the products.

2- Proust in 1797:

law of definite proportions:

ستا مشخص و ثابت سازنده عناصر جرمي نسبت هميشه خالص شيميايي تركيب يك در

states that a chemical compound always contains exactly the same proportion of

elements by mass. An equivalent statement is the law of constant composition,

which states that all samples of a given chemical compound have the same

elemental composition by mass. For example, oxygen makes up about 8/9

of the

mass of any sample of pure water, while hydrogen makes up the remaining 1/9

of

the mass.

10/22/2014

10

مدل اتمي دالتون 1.

مدل اتمي تامسون2.

مدل اتمي رادرفورد3.

مدل اتمي بور4.

مدل كوانتومي اتم 5.

Physics of radiation By:Dr.A.A Parach 19

مدل تامسون مدل رادفورد

مدل بور مدل كوانتومي


10/22/2014

11

:نظريه ي اتمي دالتون

:رددالتون نظريه اتمي خود را با اجراي آزمايش در هفت بند بيان ك

.ماده از ذره هاي تجزيه ناپذيري به نام اتم ساخته شده است -1

.همه ي اتم ها يك عنصر ، مشابه يكديگرند -2

.اتم ها نه به وجود مي آيند و نه از بين مي روند -3

همه ي اتم هاي يك عنصر جرم يكسان و خواص شيميايي يكسان -4

.دارند

اتم هاي عنصرهاي مختلف به هم متصل مي شوند و مولكول ها را به-5

.وجود مي آورند

همواره نوع و تعداد نسبي اتم, در هر مولكول از يك تركيب معين -6

.هاي سازنده ي آن يكسان است

وه ي واكنش هاي شيميايي شامل جابه جايي اتم ها و يا تغيير در شي-7

.اتصال آن ها است

.نظريه هاي دالتون نارسايي ها و ايرادهايي دارد و اما آغازي مهم بود

چالشهاي نظريه دالتون

ولي شد نقض دالتون اتمي نظريه بندهاي اكثر آينده هاي زمان در كه هرچند• جيهتو را زيادي هاي هپديد توانست اينكه دليل به نظريه اين خود زمان در

.گرديد برخوردار زيادي مقبوليت از نمايد

گازها واكنش مورد در را قانوني ميالدي 1809 سال در فرانسوي گيلوساك• يهنظر .داشت تضاد دالتون اتمي نظريه با اول نگاه در كه نمود پيشنهاد

:باشد مي زير شرح به گيلوساك

قراربر واكنش در كننده شركت زهاياگ حجم بين اي ساده نسبت هميشه"• ود و شده تركيب اكسيژن گاز حجم يك با هيدروژن گاز دوحجم مثالً .است".نمايد مي ايجاد آب بخار حجم


10/22/2014

12


ميان گازهاي هيدروژن و اكسيژن را درست 1به 2اگر نسبت ساده •

بين ذرات اين دو گاز 1به 2پس بايستي نسبت ساده . فرض كنيم

هر عنصر كوچكترين ذراتبا توجه به اينكه دالتون . نيز برقرار باشد

مي پنداشت در مورد اين آزمايش ويگازي شكل را اتمهاي منفرد

اده و بايد دو اتم هيدروژن با يك اتم اكسيژن واكنش د ": مي گفت

م دو اتم آب به وجود آورد، يعني يك اتم اكسيژن بايد به دو ني

.تقسيم شود كه امكان پذير نيست



ميالدي با آزمايش هاي خود به نتايجي رسيد كه اين تضاد را رفع 1811آووگادرو در سال •:نتايج آزمايش آوگادرو به اين شرح است. نمود

ك به صورت دو اتمي است نه ت... ذرات گازهايي مانند هيدروژن، اكسيژن، نيتروژن، كلر و -1•.اتمي

ل حجمهاي يكسان از گازها در شرايط مشابه از لحاظ دما و فشار داراي تعداد مساوي مولكو-2•قانون آووگادرو= .هستند

:آوگادرو بعد از رفع اين تناقض نوشت•

ونه مي توان ديگر ناگزير نيستيم كه مانند دالتون آشتفه خاطر شويم و از خود بپرسيم كه چگ " " .OنهO 2يك اتم را به دو نيم تقسيم كرد؟ در اينجا


10/22/2014

13

:نظريه ي اتمي دالتون

ساير مواردي كه نظريه ي دالتون نمي :توانست توجيه كند

و نتايج ) الكتروليز(پديده ي برقكافت -1مربوط به آن

پيوند يوني ـ فرق يون با اتم خنثي -2پرتو كاتدي -3پرتوزايي و واكنش هاي هسته اي -4مفهوم ظرفيت در عناصر گوناگون -5پديده ي ايزوتوپي -6

مدل كيك كشمشي�

اري بي درنگ ساخت -الكترون –جوزف تامسون پس از كشف نخستين ذره ي زير اتمي �:وي ويژگي اتم خود را چنين برشمرد . براي اتم تعريف كرد

با ) ههست(الكترون ها كه ذره هايي با بارمنفي هستند درون فضاي كروي ابر گونه اي -1.بار الكتريكي مثبت پراكنده شده اند

مجموع بنابر اين مقدار بار مثبت فضاي كروي ابر گونه با. اتم در مجموع خنثي است -2.بار منفي الكترون ها برابر است

.ارد اين ابر كروي مثبت جرمي ندارد و جرم اتم به تعداد الكترون هاي آن بستگي د -3

.جرم زياد اتم از وجود تعداد بسيار زيادي الكترون در آن ناشي مي شود -4


10/22/2014

14

را به كمك مدل اتمي تامسون رادرفورد نتوانست تشكيل تابشهاي مواد پرتوزا�.توجيه كند

براي شناسايي 1915وي در سال . از اين رو در درستي مدل اتمي تامسون ترديد كرد �.دقيق تر ساختاراتم آزمايش جالبي راطراحي واجرا كرد

ه او در اين آزمايش ورقه ي نازكي از طال را با ذره هاي الفا بمباران كرد به اميد ان ك �ن ميزان همه ي ذره هاي پرانرژي و سنگين الفا كه داراي بار مثبت نيز هستند با كمتري

.اما آزمايش نتايج ديگري داشت . انحراف از اين ورقه ي نازك عبور كنند

اويه اي بازگشت ذره هاي الفا با ز: رادرفورد از نتايج اين آزمايش شگفت زده شد و گفت �ه مانند اين است كه يك گلوله ي توپ را ب. واقعا ًباور نكردني است º180نزديك به

.ند سمت دستمال كاغذي پرتاب كنيم وان گلوله به عقب بر گردد و با ما بر خورد ك



10/22/2014

15

رادرفورد با استفاده از نتايج آزمايش خود مدل ديگري براي اتم پيشنهاد كرد كه�.ناميده شد مدل اتم هسته دار

ه است در اين مدل براي اتم يك هسته ي بسيار كوچك در نظر مي گيريم كه اوال ً جرم اتم در ان متمركز شد�است كه ثانيا ً داراي بار مثبت است محل تجمع بار هاي مثبت است بيشتر حجم اتم را فضاي خالي پر كرده.

.الكترون ها در اين فضا مي چرخند

:رادر فورد مدل باال را با استفاده از مشاهدات ونتيجه گيري هاي زير پيشنهاد كرد �

مشاهدات�

.بيشتر ذره هاي الفا بدون انحراف و در مسير مستقيم از ورقه ي نازك طال عبور كردند -1.بيشتر حجم اتم را فضاي خالي تشكيل داده است: نتيجه

.تعداد زيادي از ذره هاي الفا با زاويه ي اندكي از مسير اوليه منحرف شدند -2يك ميدان الكتريكي قوي در اتم وجود دارد: نتيجه

از مسيراوليه º90با زاويه اي بيش از) حدود يك از بيست هزار ( تعداد بسيار اندكي از ذره ها ي الفا -3.منحرف شدند

.اتم طال هسته اي بسيار كوچك با جرم زياد دارد: نتيجه



10/22/2014

16

نتيجه گيريها�

.بيشتر حجم اتم را فضاي خالي تشكيل مي دهد -الف

.يك ميدان الكتريكي قوي در اتم وجود دارد -ب

.اتم طال هسته اي بسيار كوچك با جرم بسيار زياد دارد -ج

ت آزمايش بعدي رادرفورد وهمكارانش از ديگر اسرار اتم پرده برداش�. دومين ذره ي سازنده ي اتم نيزشناسايي شد1919ودر سال

بار بزرگي +(1 نسبي بار با اي ذره پروتون . گرفت نام پروتون ذره اين� بار1837 وجرمي است )است برابر الكترون بار با ان الكتريكي. دارد الكترون جرم از تر سنگين



10/22/2014

17



10/22/2014

18

رادرفورد و ديگر دانشمندان يك سري آزمايشات 1920در اوايل سال �شات، در هر موردي از آزماي.تغيير حالت يك اتم به اتم ديگر ترتيب دادند

.هسته ي هيدروژن تابش مي شد

ازي پيدا بود كه هسته هيدروژن نقش اساسي اي در ساختار هسته اتم ب �مثبت و با مقايسه نسبت جرم به بار هسته ها ، فهميدند كه بار. ميكنه

هسته ي هر عنصري ميتواند بر اساس تعداد صحيحي از هسته هاي .هيدروژن بيان شود

دانشمندا ن مرتبا به هسته هاي هيدروژن به عنوان 1920در اواخر سال �.پروتون اشاره ميكردند


: ت وي گف. يكسال بعد رادرفورد از وجود ذره ي ديگري در اتم سخن به ميان اورد �ان مي پروتون ها تنها ذره ي سازنده ي هسته نيستند بلكه آزمايش هاي من نش«

كي دهد كه درهسته ي اتم بايد ذره ي ديگري وجود داشته باشد كه بار الكتري» . ندارد ولي جرم ان با جرم پروتون برابر است

سي رادرفورد دوازده سال بر اين نكته تأ كيد كرد ولي در جامعه ي علمي ان روز ك�. گفته ي او را بدون ارايه ي شواهد آزمايشگاهي پذيرا نبود

ك يكي از دانشجويان پرتالش وبا ذكاوت او كه جيمز چادوي1932سرانجام در سال �بات نام داشت با طراحي ازمايشي هوشمندانه وجود اين ذره ي خنثي را در اتم با اث

. رسانيد

تاباند ) Be(او ذرات الفا را به اتم هاي بريليم : آزمايش چادويك ازاين قرار بود كه �وي نام اين . ونوترون به دست امد )C(و در اثر واكنش هسته اي انجام شده كربن

.ذره ي جديد را نوترون نام نهاد


10/22/2014

19

رادرفورد مدل از استفاده با توان نمي را ها اتم براي نشري طيف وجود� در دباش پيوسته ها اتم طيف بايد رادرفورد مدل براساس چون نمود توجيه. بود داده ارئه را خطي نشري طيف هيدروژن هاي اتم حاليكه

و هيدروژن اتم خطي نشري طيف ثابت الگوي ميان معنا با ارتباط وجود � . ساخت مشغول خود به را بسياري دانشمندان ذهن آن هاي اتم ساختار

تميا مدل رابطه اين كشف راه در دانماركي دانشمند بور نيلز 1913 سال در� مات براي اي تازه مدل و دانست نارسا ارتباط اين توجيه براي را رادرفورد . كرد پيشنهاد هيدروژن


: بوهر اين مدل را با فرضيات زير ارائه كرد

. الكترون در اتم هيدروژن در مسيري دايره اي شكل به دور هسته گردش مي كند -1

. انرژي اين الكترون با فاصله ي آن از هسته رابطه اي مستقيم دارد -2

لكترون در واقع ا. اين الكترون فقط ميتواند در فاصله هاي معين وثابتي پيرامون هسته گردش كند -3. تنها مجاز است كه مقادر معيني انرژي را بپذيرد


10/22/2014

20

مدار ترين نزديك ( ممكن انرژي تراز ترين پايين در ً معموال الكترون اين -4 . گويند مي پايه حالت انرژي تراز اين به . دارد قرار )هسته به

از هك ساخت قادر را ان توان مي الكترون اين به انرژي معين مقدار دادن با -5 باال رژيان با ترازي ( برانگيخته حالت به )كمتر انرژي با ترازي( پايه حالت

. كند پيدا انتقال )تر

اين از است پايدار نا برانگيخته حالت در الكترون -6از بود گرفته اين از پيش كه را انرژي مقدار همان رو نتيجه در گردد مي باز پايه حالت وبه دهد مي دست حالت به بازگشت هنگام به برانگيخته الكترون ميان انرژي تفاوت واقع در كه خودرا اضافي انرژي پايه با فوتوني انتشار طريق از است شده ياد انرژي تراز دو

. دهد مي دست از معيني موج طول



10/22/2014

21

:نتايجي كه از مدل بور بدست مي آيد

. كند هر چه از هسته فاصله ميگيريم انرژي الكترون افزايش پيدا مي -الف

ي براي هر يك از اين ترازها ي انرژي يك عدد كوانتومي اصلي در نظر م -ببه نزديك( پايدار ترين تراز الكتروني . نشان ميدهيم ) n(گيريم كه با نماد

.است =1n) هسته

انتمي در بور با كوانتيده در نظر گرفتن ترازهاي انرژي يا به عبارت ديگر كونظر گرفتن مبادله ي انرژي هنگام جابه جايي ميان ترازهاي ياد شده

.توانست با موفقيت طيف نشري خطي هيدروژن را توجيه كند


)موجي خصلت بر تأكيد با ( اتم كوانتومي مدل�

ي گانه دو رفتار مبناي بر اتريشي مشهور فيزيكدان شرودينگر اروين 1926سال در� . داد پيشنهاد اتم براي مدلي ان موجي رفتار بر تأكيد وبا الكترون

حضور از شكل اي دايره مدار يك به الكترون كردن محدود جاي به مدل اين در وي� . اورد ميان به سخن اوربيتال نام به بعدي سه فضايي در الكترون

ايبر كه گونه همان گرفت نتيجه رياضي ي پيچيده بسيار محاسبات انجام از پس او� است نياز )ارتفاع و وعرض طول ( عدد سه به فضا در جسم يك موقعيت كردن مشخص

. داريم نياز هايي داده چنين به نيز اتم يك ازاوربيتالهاي هريك كردن مشخص براي


10/22/2014

22

كه كرد استفادهsm وn،l، lm عدد 4 از منظور اينبه شرودينگر�. شوند مي خوانده كوانتمي عددهاي

يك واقع در است آمده شرودينگر اتمي مدل در كه كوانتمي هاي عدد� نشان ما به را الكترون يك مكان خواهد مي كه آدرسي هستند، آدرس . دهد

حدوا از يكي در اي، طبقه چند ساختمان يك در الكترون نماييد فرض� در و واحد، اين هاي اتاق از يكي در اي، طبقه چند ساختمان اين هاي و رفتهگ قرار )نشسته يا خوابيده كنيد فرض( خاص وضعيتي در هم اتاق كدام در الكترون كه بگوييم آدرس يك دادن با خواهيم مي ما

را آن و گرفته قرار s(m(وضعيتي چه در وm)l( اتاق ،(l)واحد ،(n)طبقه.نماييم توصيف


� n ربو كه است عددي همان شود مي گفته اصلي كوانتمي عدد كه در . بود برده كار خودبه مدل در انرژي ترازهاي كردن مشخص براي الكتروني هاي اليه ي واژه از انرژي هاي تراز جاي به كوانتمي مدل

. كند مي رامعين انرژي سطحnو ميشود استفاده

�1n=چه هر و ميدهد نشان را الكتروني ي اليه ترين پايدار nباالتر ي تههس پيرامون . يابد مي افزايش الكتروني ي اليه انرژي سطح رود. است شده مشاهده الكتروني ي اليه هفت حداكثر اتم

به گرفته قرار آن در الكترون كه اي اليه باشد، كوچكترn چه هر�.بود خواهد كمتر الكترون انرژي و تحرك درنتيجه و نزديكتر هسته


10/22/2014

23

شده تشكيل واحد چندين از است ممكن طبقه هر كه همانطور � زير ناي .است شده تشكيل اليه زير چند يا يك از نيز اليه هر باشد، اليه، هر براي و شود مي داده نشانl كوانتومي اعداد با ها اليه

دارند، اسمي كدام هر كه .شود مي شامل را n-1 ,…,0 ي گسترهl=0 اوربيتال اسمش s ،اسم است l=1اوربيتال p و است ....

زير هر شود، مي اتاق چند يا يك شامل ساختماني واحد يك كه همانطور� ستا ممكن كه است اوربيتال اتاقك چند يا يك ي دربرگيرنده نيز اليه

و دهند مي نشان lmنماد با را اوربيتالها يا اتاقها .بگيرد جا آن در الكترون مثال عنوان به .كند مي تبعيتl,…,0,…,+l- زير فرمول از آن تعداد

شامل را 1+ , 0 , 1- هايlm با اوربيتال يا اتاق سه ،=1l باp اوربيتالهاي .شود مي


در چرخد مي جهتي چه در كه الكترون وضعيت درنهايت� با رااين ، آن عكس يا ساعت، هاي عقربه حركت جهتsm آن نماد و .دهند مي نشان اسپيني كوانتومي عدد

� اعداد و بوده�� و +

�.شود مي شامل را-


10/22/2014

24

.مدل كوانتومي مانند مدل بور براي الكترون ها سطوح انرژي در نظر گرفته مي شوددر دقيقيدر مدل كوانتومي بر خالف مدل بور براي حركت الكترون به دور هسته مسير .توصيف نمي شود ) هستهاحتمال حضور الكترون در فضاي معيني در اطراف ( در مدل كوانتومي با اوربيتال

.و كار داريمسر .الكترون اشغال مي شود 2هر اوربيتال حداكثر با

يشتر باطراف غذا احتمال حضور پرنده در ( موقعيت پرنده در قفس داراي ظرف غذا: تصور ساده اوربيتال دن جابه جا شولي چگونگي نسبي حضور الكترون را در اطراف هسته اتم مي توان داشت احتمال ) است

.الكترون را از نقطه اي به نقطه ديگر نمي توان مشخص كرددر مي احتمال حضور الكترون را با نقطه نشان مي دهندو تراكم اين نقاط در اطراف هسته به صورت ابري

.آيد كه براي نمايش مدل ابر الكتروني بكار مي رود.هر كجا تراكم ابر الكتروني بيشتر باشد احتمال حضور الكترون بيشتر است تعريف (باشد % 90به شكل كره دور هسته كه احتمال يافتن الكترون در آن فضا بيش از فضايي : اوربيتال

)دقيق تر .اد استبه ناحيه اي پيرامون هسته اتم گفته مي شود كه در آن احتمال يافتن الكترون ها زي: اوربيتال ط در مدل كوانتومي ، اتم به صورت خوشه مركزي از نوترون ها و پروتون ها توصيف مي شود كه توس

الكترون هايي كه در حال حركت اند احاطه شده اند

اصل طردپاولي

و nه در يك اربيتال اتمي بيش از دو الكترون جاي نمي گيرد و زماني ك -1

l وm يكسان باشد بايدs متفاوت باشد.

رون ها هر الكترون تركيب معيني از اعداد كوانتايي دارد كه با ديگر الكت -2

.متفاوت است

ترونكاتم هايي با بيش از يك ال

10/22/2014

25

هب معروف اصلي ي ارائه :پائولي

:پائولي طرد اصل

دتوان نمي اتم در اوربيتالي هيچ

جاي خود در الكترون دو از بيش

الكترون دو اتم، يك در يا دهد

عدد چهار هر كه يافت توان نمي

.باشد برابر آنها كوانتمي

: هوند

:معروف به قاعده ي هونداي ي قاعده ارائه يك زيراليه ، ابتدا نيمه پر مي شود و سپس

.شروع به كامل شدن مي نمايد

10/22/2014

26

يخته تفاوت مهم اتم هيدروژن در حالت پايه و برانگ:با اتم هاي چند الكتروني

اصلي سطح يك به وابسته ... و d,p,s هاي اربيتال كليه انرژي-1 نهيدروژ اتم براي شرودينگر معادله حل از كه آنچه مطابق انرژي در هك بينيم مي كه صورتي در است يكسان آيد مي دست به مانند اتمهاي در 2p الكترون انرژي مثالً و نيست چنين الكتروني چند اتم مي 3s انرژي از بيش 3p انرژي و 2s الكترون از بيش الكتروني چند باشد

ارب افزايش علت به الكتروني چند اتمهاي در اربيتالها تمام -2.شوند مي منقبض اي ه انداز تا هسته،


10/22/2014

27


ل مقدار بنابراين مطابق معادله شرودينگر، به هر اربيتا

ر موثر بمهمترين عامل . مشخصي انرژي وابسته است

رونها بر اثر متقابل الكت. استمقدار اين انرژي، بار هسته

.دارنديكديگر نيز نقش خود را

ها مثال

آرايش الكتروني

10/22/2014

28

Psy 8960, Fall ‘06 55

اسپين

Psy 8960, Fall ‘06 56

كشف اسپين: آزمايش اشترن گرالخ

كشف وجود ممان مغناطيسي در ذرات •

داراي اسپين

اي با يك بيم الكتروني داراي الكترون ه •

استپايين وباال اسپين

10/22/2014

29

اسپين

كه در حال چرخش) پروتون، نوترون و الكترون(هر ذره اي • مي است داراي اسپين بوده و عدد اسپين به آن اختصاص داده

شود

)مثل بار و جرم(كه از خواص بنيادي ذرات است •

اسپين شبيه چرخش يك كره حول محور خودش است •

Spin axis

57

58

مغناطيسیگشتاور دوقطبی �� )Magnetic Dipole Moment(

شتاورگ داراي الكتريكي، بار بودن دارا دليل به )هستك ها( هسته اي ذرات تمامي �.هستند مغناطيسي دوقطبي

دوقطبي گشتاور مقدار توصيف براي اي هسته مگنتون بنام واحدي از �.گردد مي استفاده هسته مغناطيسي

اي هسته مغناطيسي گشتاور براي انرژي سطح دو 0.5 اسپين با پروتون براي � .دارد وجود

10/22/2014

30

Psy 8960, Fall ‘06 59

اثر زيمن

) Zeeman Effect(

60

)Zeeman Effect (اثر زيمن �

دو سطح انرژي 1/2براي پروتون با اسپين

.ردبراي گشتاور مغناطيسي هسته اي وجود دا

10/22/2014

31

61

)Zeeman Effect (اثر زيمن �

تفاوت به 0B و بين تعامل ،0B خارجي مغناطيسي ميدان يك اعمال از پس اب زير رابطه طبق بر انرژي سطح دو و گشته منجر حالت دو بين انرژي

:مي كنند پيدا تفاوت يكديگر

.ي استاين خاصيت پايه اساسي براي تصويرگيري تشديد مغناطيس �

ترازهاي انرژي در يك ميدان مغناطيسي

سي ميدان مغناطيتحت ) ذره باردار داراي اسپين(اگر يك ذره كه داراي ممان مغناطيسي است و يا محور ((µ)دهيم ذره طوري جهت گيري مي كند كه دو قطبي مغناطيسي آن قرارخارجي

. ميدان خارجي قرار گيرد) و در جهت(موازي ) اسپين آنبه انرژي پتانسيل بستگي(قرار گرفتن ميله آهنربا در ميدان مغناطيسي خارجي : مثال

) جهت گيري دو قطبي نسبت به ميدان دارد

درغیاب�میدان

درحضور�میدان

62

10/22/2014

32

مفاهيم اساسي هسته

:در يك اتم ذرات بسيار ريزي شناخته شده است،اما معروف ترين آن ها سه ذره مي باشند كه عبارتند از

3

2

1

(n)نوترون

(e)الكترون-

(P)پروتون+

:بار الكتريكي



1-

1+

)خنثي(ندارد

:جرم

:جرم

:جرم

نا چيز

مرتبه1837از الكترون .بيشتر است

كمي ازپروتون

.بيشتر است

10/22/2014

33

:ذره در اتم 3محل قرار گرفتن اين در داخل هسته پروتون و نوترون وجود دارد ولي در اطراف هسته الكترون ها وجود دارند،در ضمن اتم در حالت

.يعني تعداد الكترون ها و تعداد پروتون ها با هم برابر است.عادي خنثي است

e

p

n

+

-

من :الكتروننمي ذارم .بياين بيرون

العاده كوچك فوق هسته مجموعه اي از ذرات باردار با بار مثبت مي باشد كه در يك حجم: تعريف هستهمقيد شده اند كه اين به هم) نيروي برهمكنش قوي هسته اي(ه تمركزيافته اند وبا نيروي بسيار قوي و برد كوتا لچگال مركزي در حا جرم اتم را در خود دارد و الكترون ها در اربيتال هايي حول اين نقطه متراكم كل مجموعه .ددوران هستن

: ذرات اساسي كه كليه هسته ها از آنها تركيب شده است عبارتند از :اجزاي اصلي هستهپروتون ها) 1 ها نوترون) 2

10/22/2014

34

:اين خواص بر دونوع است كه عبارتند از: خواص اساسي هسته.مانند جرم،اندازه،بار.خواصي هستند كه وابسته به زمان نيستند:خواص مستقل از زمان.مانند واپاشي پرتوزا و واكنش هاي هسته اي.خواصي هستند كه وابستگي به زمان دارند:خواص وابسته به زمان

:جرم هسته را مي توان با فرمول زير پيدا كرد:جرم و بار هستهM=Z×Mh+N×Mn

.كه در آن جرم هسته، جرم يك اتم هيدروژن و جرم نوترون مي باشد MMhMn

آزمايش هاي دقيق تر با بهره گيري از پراكندگي ذرات هسته اي ديگر و الكترون ها نشان : شعاع هسته:داده اند شعاعي كه در ان آثار هسته اي ظاهر مي شود از رابطه زير بدست مي آيد

كه در آن ثابت شعاع است .R=R0A

(1/3)R0

.هسته ها مانند اتم ها مي توانند در حالت برانگيخته با انرژي هاي معين باشند: خواص ديناميكي هسته)اشعه ي گاما.(گذارهاي بين حالت هاي برانگيخته با گسيل تابش الكترو مغناطيسي صورت مي گيرد

هسته ها همچنين مي توانند به يگديگر تبديل شوند بعضي از تبديل ها خود به خود با گسيل الكترون هاي مثبت يا.يا گسيل ذره آلفا صورت مي گيرد) ذره بتا(منفي

.تبديل هاي متنوعي را مي توان توسط بمباران هسته اي القا كرد.)مجموعشان ثابت است.(تعداد نوكلئون ها تحت هر شرايطي و هر تبديلي پايسته است:قانون بقاي ذرات

10/22/2014

35

به تعداد پروتون درون هسته ي يك اتم گفته مي شود كه عددي است ثابت و صحيح و (z):عدد اتمي.آن را با نشان مي دهند Z

به مجموع تعداد پروتون و نوترون تشكيل دهنده ي هسته ي يك اتم گفته مي شود(A):عدد جرمي.كه عددي است متغير و صحيح كه آن را با نشان مي دهند A

هنگامي كه يك عنصر مانند را نشان ميدهيم در گوشه ي باال سمت چپ عدد جرمي و در گوشه ي .پايين سمت چپ عدد اتمي را مي نويسيم

M

MA

Z

عدد جرمي

عدد اتمي

اما تجربه نشان داده استفاده.از آن جايي كه جرم هاي اتمي به صورت نسبي اندازه گيري مي شوند واحد ندارنداز اين رو شيميدان ها يكاي را به معناي واحد جرم اتمي.از يكايي مناسب براي جرم اتم ها سودمند است .معرفي كردند

amu

1

1 amu = C

12

جرم12

جرمg amu

0005/0

0073/1

0087/1

بار الكتريكي

1-

1+

0

نماد نام ذره

الكترون

پروتون

نوترون

e01-

p11

n10

10 109/9x28-

10 675/1 x24-

10 673/1x24-

10/22/2014

36

جرم اتم به تعداد پروتون و نوترون درون هسته ي آن بستگي دارد و جرم الكترون ها حتي اگر بيش .از صد الكترون هم داشته باشد بر جرم اتم تأثير چشمگيري نخواهد داشت

A Z N= +��د ��

��د ا

��اد ��ون

به.(دانشمندان با كمك دستگاهي به نام طيف سنج جرمي جرم تم ها را با دقت بسيار زيادي اندازه گيري مي كنند.)مفهوم ايزوتوپ پي بردند

.انزه گيري ها نشان مي دهند كه همه ي اتم هاي يك عنصر جرم يكساني ندارند

10/22/2014

37

.اتم هاي يك عنصر كه در تعداد نوترون با هم متفاوت دارند گويند به:ايزوتوپ

8 8 8

8 8 8

N 8 9 10

ne-

np+

O168 O

178 O

188

.ايزوتوپ ها در تعداد نوترون تفاوت دارند:نتيجه

:ايزوتوپ ها از چه نظر يكسان مي باشند

تعداد پروتون)1

تعداد الكترون)2

عدد اتمي)3

خواص شيميايي)4

Xطول موج اشعه ي حاصل شده از آن ها)5

:ايزوتوپ ها از چه نظر تفاوت دارند

تعداد نوترون)1

عدد جرمي)2

خواص فيزيكي)3

ميزان فراواني در طبيعت)4

ميزان انحراف در ميدان مغناطيسي)5 :ايزوتوپ هاي هيدروژن

توضيحاتطرز نمايشتعداد نوترونتعدادالكترونتعداد پروتوننمادشيميايينام ايزوتوپ

پروتيم)هيدروژن معمولي(

دوتريم)هيدروژن سنگين(

تريتيم)هيدروژن پرتوزا(

1

1

1

1

0

1

تنها اتمي است كه نوترون ندارد لذا سبكترين اتم نيز به

.شمار مي آيد

-راديواكتيو و پرتوزا ميباشددر-هسته ي ناپايدار دارد

طبيعت به ميزان ناچيز يافت.ميشود

در طبيعت به ميزان نا چيز.يافت مي شود

112

H1

1

HياD

1

1

2

2

Hيا

T

1

1

3

3

1p

1p1N

1p2N

10/22/2014

38

كل ايزوتوپ هاي كشف شده

كل ايزوتوپ پايدار

2300

279

1

1

1

10

Fتعداد ايزوتوپ پايدار

Alتعداد ايزوتوپ پايدار

Pتعداد ايزوتوپ پايدار

Snتعداد ايزوتوپ پايدار

يون.ذره اي كه الكترون گرفته يا از دست داده: تعريف

.هرذره اي كه الكترون گرفته است: آنيونبه دو صورت

.هر ذره ايكه الكترون از دست داده :كاتيون

)آنيون(يون منفي )كاتيون(يون مثبت

10/22/2014

39

و با ها نزديكترين اليه هاي اتم را اشغال مي كنندبه طور طبيعي الكترون�. تحريك مي شوند) اليه هاي خالي(جذب انرژي، موقتاً به اليه هاي باالتر

هاي مختلف صورت مي گيرد؛ براي مثال، گرم كردن جذب انرژي به روش�ماده، قرار دادن در ميدان الكتريكي قوي، عبور ذرة باردار از ميان ماده و

.ضربة مكانيكي

و اتم با جذب انرژي الزم براي خروج الكترون از اتم، فرآيند يونسازي اتفاق �.شود باقي مانده يون ناميده مي

االتر اگر مقدار انرژي جذب شده فقط براي انتقال الكترون به الية خالي ب �.كافي باشد، فرآيند را برانگيختگي و اتم را برانگيخته مي نامند

Physics of radiation By:Dr.A.A. Parach 77

ورمرئي، ن(طيسهاي برانگيخته به طور كلي ناپايدار بوده، با انتشار تابش الكترومغنا اتم�.ثانيه به حالت طبيعي باز مي گردند 10-9عموماً در ) xنور فرابنفش يا پرتوي

، 2به ترتيب داراي Mو K ،L، در اليه هاي 11براي مثال، اتم سديم با عدد اتمي �. الكترون ولت هستند -1و -63، -1072هاي الكترون با انرژي 1و 8

eV1فقط Mو خروج از الية eV1072اتم سديم Kبراي خروج الكترون از الية�برانگيخته مي شود و در Mبه Lالكترون از الية eV 62با جذب . انرژي نياز است

. منتشر مي كند eV 62بازگشت پرتوي الكترومغناطيس

و طبق تعريف، الكترون آزاد، انرژي صفر و الكترون محصور در اتم، انرژي منفي�. الكترون آزاد و متحرك انرژي مثبت دارد


10/22/2014

40

:نوكلئيدها� .مي شود ناميده نوكلوئيد هسته، مختلف انواع و عنصر اتم، مختلف انواع�

آن )Z( اتمي عدد و )A( جرمي عدد با نوكلوئيد يك ولي ) Z( اتمي عدد با به تنهايي عنصر يك�.مي شود شناخته

A است )N(نوترون و )Z( پروتون تعداد مجموع نوكلوئيد، يك جرمي عدد � = Z + N .

.است جرمي عدد 131 و نوترون 78 و پروتون 53 از مركب نوكلوئيد مثال براي�

عدداتمي و جرمي عدد به ترتيب Zو Aكه است صورت به نوكلوئيدها براي گذاري عالمت� .است متعلق به آن نوكلوئيد كه است عنصري Xو نوكلوئيد

عدد با د هاينوكلوئي .مي شوند تقسيم بندي نوترون تعداد و عدداتمي عددجرمي، براساس نوكلوئيد ها� و مي نامند ايزوتوپ را يكسان عدد اتمي با نوكلوئيد هاي ،مي نامند ايزوبار را يكسان جرمي

.مي نامند ايزوتون را مساوي نوترون تعداد با نوكلوئيد هاي

مي تشكيل نوترون N=A-Z و پروتون Z تعداد از A جرمي عدد و Z اتمي عدد با اتم هر هسته� .شود

79Physics of radiation By:Dr.A.A. Parach

با جرمي عدد .گويند مي جرمي عدد اتم يك نوترونهاي و پروتونها تعداد مجموع به�Aشود مي داده نشان. A = Z+ Nباشد مي صحيح عددي هميشه جرمي عدد .ندارد اعشار هرگز و

.است اتمي واحد حسب بر اتم جرم اتمي، جرم�

اتم به مربوط 12 جرمي عدد , اتمي واحد اين �

.باشد مي 12 كربن

جرم شود مي گفته مثال طور به و نامند ميamu اختصار به را اتمي واحد اين� عدد داراي كه اكسيژن اتم جرم يعني .استamu برابر16 ، 16اكسيژن اتم يك

.است amu16برابر است، 16 جرمي


10/22/2014

41


اتم در را الكترونها و نوترونها و پروتونها جرم مجموع اتمي جرم : گفت بايد پرسش اين به پاسخ براي� آنها ) اتم در نوترون و پروتون تعداد مجموع (جرمي عدد خالف بر اتمها جرم و كند مي مشخص .است كسري و نبوده صحيح مقداري

دعد پس باشد، مي خود اتم هسته در نوترون دوازده و پروتون يازده داراي سديم اتم مثال، عنوان به� يك جرم .كنيم مي عمل صورت اين به سديم اتمي جرم تعيين براي اما .است 11 + 12 = 23 آن جرمي اتمي جرم واحد حسب بر نيز نوترون يك جرم و 1/0073 برابر amu اتمي جرم واحد حسب بر پروتونamuاتمي جرم واحد حسب بر نيز الكترون يك جرم و 1/0087 برابر amuباشد مي0/0005 برابر.

11× 1/0073= 11/0830 مجموع جرم پروتونهاي اتم سديم�

11 × 1/0087 =11/0957 سديم اتم نوترونهاي جرم مجموع�

:با است برابر سديم اتم از ايزوتوپ اين اتمي جرم .شود مي نظر صرف بودن ناچيز دليل به الكترونها جرم از�

�22/176 = 11/0830 + 11/0957

و پروتون جرم شود، مي گيري اندازه آن اساس بر اتمها جرم كه amu كربني واحد مقياس در خالصه بطور پس� .است كسري عددي و نبوده ) 1 ( واحد نوترون

يانگينم لذا .هستند متفاوت هاي فراواني درصد با مختلف هاي ايزوتوپ كلرداراي مثل عناصر از بسياري طرفي از� عتطبي در ايزوتوپ هر فراواني درصد و آن ايزوتوپهاي به عنصر يك اتمي جرم(است صحيح غير عدد اتمي جرم

.)دارد بستگي


10/22/2014

42

:بنابراين به اختصار مي توان گفت كه�

�

يكه عدد جرمي ، مجموع تعداد پروتونها و نوترونهاست، درحال

.جرم اتمي عبارت است از جرم يك اتم بر حسب واحد اتمي

عدد جرمي هميشه عددي صحيح است در حاليكه جرم اتمي

.اينطور نيست


.دارند متفاوتي)A(جرمي عدد و يكسان )Z(اتمي عدد كه هستند نوكلئيدهايي�

مساوي هايپروتون تعداد ،عنصر يك ايزوتوپ هاي بنابراين .است اتم هسته پروتون هاي تعداد بيانگر اتمي عدد �.مي شود ناشي آنها هسته در موجود نوترون هاي تعداد اختالف از ايزوتوپ ها اتمي جرم در اختالف .دارند

آن ياتم جرم آخر در و )-( فاصله خط يك سپس عنصر، آن نام ابتدا ،عنصر يك ايزوتوپ هاي دادن نشان براي� .مي شود نوشته ايزوتوپ

است )تريتيوم( 3-هيدروژن و )دوتريوم( 2-هيدروژن ،)پروتيوم( 1-هيدروژن ايزوتوپ سه داراي هيدروژن مثالً� .است نوترون 2 و 1 ،0 حاوي ترتيب به آنها هسته كهپرتوزا تريتيوم پايدار، دوتريوم�

نيز نهاآ شيميايي ويژگي هاي بنابراين دارند، مشابهي الكتروني ساختار عنصر يك ايزوتوپ هاي كه آنجا از� توپايزو يك در موجود نوترون هاي تعداد نسبت اگر .است متفاوت آنها هسته اي ويژگي هاي اما است، يكسان

.مي كند پيدا شدن متالشي به تمايل هسته باشد، زياد خيلي يا كم خيلي آن پروتون هاي به

.است شده پيشنهاد ايزوتوپ واژه برابر در »هم مكان« و »همجا« واژه هاي فارسي در�


10/22/2014

43

.باشند هداشت برابر نوترون هاي تعداد كه گويند هسته هايي به ايزوتون�.يكديگرند ايزوتون نوترون 7 داشتن با 13-بور و 12-كربن مثال بطور


ايزوبار به اتم هايي از يك عنصر كه عدد جرمي برابري و عدد اتمي�. متفاوت داشته باشند، ايزوبار مي گويند

�Ca40, K40, Ar40, Cl40, S40


10/22/2014

44

. ودحالت برانگيخته يك هسته را گويند و با ستاره مشخص مي ش�


.باشد مي خاص نسبيت نتايج از انرژي و جرم ارزي هم�

لخت چهارچوب هاي در حركت و نسبيت اصول درباره نظريه اي خاص نسبيت�.مي باشد

الصليا آلماني فيزيكدان اينشتين آلبرت توسط ميالدي 1905 سال در نظريه اين � .شد مطرح داشت آمريكايي تابعيت كه

زا پيش كه خود اطراف پديده هاي از شماري از را ما فيزيكي درك خاص نسبيت�.هدمي د تغيير مي شدند بررسي گاليله معادالت و نيوتن نسبيت توسط آن

زياد ربسيا سرعت هاي با حركت حال در اجسام بررسي هنگام خاص نسبيت تاثير� .مي شود مالحظه قابل )نور سرعت به نزديك(


10/22/2014

45

:شوند مي تبديل يكديگر به زير رابطه با انرژي و جرم رابطه اين طبق بر�

.باشد مي ماده سكون جرم m فوق معادله در� :داريم كند، حركت v سرعت با m صورتيكه در�

!!گردد مي نهايت بي اش انرژي كند، حركت v=c سرعت با اي ذره اگر�!ندارد؟ وجود مادي ذره براي خال در نور سرعت به رسيدن امكان :نكته�


.است متمركز هسته در اتمي جرم اعظم قسمت�

.است متر فمتو ¼ با برابر و ثابت يك 0r آن در كه شود مي برآورد 0r=r(A)3/1 رابطه از هسته شعاع�

.اند خورده پيوند يكديگر به اي هسته قوي نيروي توسط )پروتون و نوترون(هستكها هسته، درون�

.باشد مي )متر فمتو(هسته ابعاد حدود در نيرو اين برد�

.كند غلبه كولني رانش بر تواند مي كه قوي آنقدر�

:است زير صورت به هسته پروتون و نوترون پتانسيل انرژي�.نيست اينگونه نوترون براي ولي كرد غلبه كولني دافعه بر بايد هسته به پروتون كردن نزديك براي :نكته�


تحت تاثير هسته=پتانسيل منفي

10/22/2014

46

.شوند مي تغيير دستخوش گوناگون صور به اتمي هاي هسته� گرماده يا اند گرماگير يا اي هسته واكنشهاي� در )اتمي(شيميايي واكنشهاي انرژي حاليكه در است MeV درحدود اي هسته واكنشهاي انرژي�

.باشد مي eV حدود.است انرژي به جرم تبديل از ناشي گرمازا، اي هسته واكنشهاي در شده آزاد انرژي�=2c m∆ Q:با برابر شده آزاد انرژي باشد ∆m جرم كاهش اگر�

:انرژي و AMU ميان كمي رابطه�.باشد مي 12 كربن اتم جرم دوازدهم يك با برابر AMU هر تعريف به بنا� :داريم است گرم 12 با برابر 12 كربن )مول يك(اتم 02/6×2310 جرم�


قيد هسته انرژي بستگي به ازاي هر هستك، انرژي اي است كه بايستي به نوترون يا پروتون داد تا از�. آزاد شود

نوترون مجزا داد تا تشكيل هسته ) A-Z(و پروتون مجزا Zبه عبارت ساده تر انرژي اي كه بايد به �.دهند Mاي به جرم

. به ازاي هر هستك مي باشد MeV8اين انرژي تقريبا از مرتبه �

�M جرم هسته اي بر حسب واحدamu


10/22/2014

47

مقدار .شود مي آزاد انرژي MeV 4/8 مقدار بهواپاشي در �است؟ چقدر amu حسب بر شده نابود جرم

5/1 -د0/51 -ج0/051 -ب0/0051 )الف

100 عادلم الكتريكي توان تا شود تبديل انرژي به بايد جرم گرم ميلي چند �)شود فرض 100 تبديل ضريب(شود؟ توليد ساعت يك در مگاوات

20 )د4)ج2)ب1 )الف


الكترون انرژي افزايش .است 0.511MeV الكترون سكون حال در انرژي � MeV حسب بر يابد مي افزايش نور سرعت درصد 80 به سكون حال از وقتياست؟ چقدر

0/852 -د0/511 -ج0/405 -ب0/341 )الف

است؟ MeV چندبراي نوكلئون هر ازاي به بستگي انرژي �

)u.m.a934939.55=FeMu,.m.a008665.1=nmu,.m.a007825.1=pmMeV,5.931u=.m.a1(

9/125 )د8/790)ج7/571)ب6/593 )الف


10/22/2014

48

شود مي حاصل Ra-226 آلفازاي واپاشي در كه آلفايي ذره جنبشي انرژي � ،226/025403 با برابر بترتيب He-4 و Ra-226 ، Rn-224 جرم( است؟ MeV چند

)باشند مي اتمي واحد 4/002603 و 222/017571

4/871 -د4/828 -ج4/785 -ب4/742 )الف


:اي هسته هاي مدل پيدايش علت�

.است يافته تكوين اي هسته ساختار و نيروها درباره كامل تئوري يك غياب در اي هسته هاي مدل�

زيرا .رود مي بكار اي هسته هاي پديده از خاصي جنبه توضيح براي يك هر داردكه وجود مدل چند امروزه � در ذره يلگس از كه هايي پديده .كنند نمي كفايت ها پديده تمام بيان براي تنهايي به ها مدل اين از يك هيچ.دارند وسيع اي گستره اي هسته همجوشي و هسته اي شكافت هاي واكنش تا اكتيو راديو زوال

:از عبارتند دهد قرارمي بحث مورد را اي هسته هاي پديده عمده كه ها مدل اين ترين برجسته از مدل دو �

اي اليه مدل1.

مدل قطره مايع2.

)جذب،انعكاس،عبور،انحراف(طبق خواص اپتيكي >----مدل اپتيكي 3.

طبق چاه پتانسيل >----مدل گاز فرمي 4.

)2و1تركيب (مدل اجتماعي 5.


10/22/2014

49

شد مطرح ويلر جان و بور نيلز توسط1939 سال درمدل اين�

تهگرف نظر در باردار مايع قطره يك با مشابه مايعي ـ قطره مدل در هسته� .شود مي

ايع ها نيز در يك قطره م مولكولپيشنهاد اين مدل از اين رو بوده است كه �. با نيروهاي برد كوتاه به جسم پيوسته اند

مي دانيم كه آن چه سبب كروي ماندن قطره مي شود، نيروهاي كشش �سطحي قطره هستند


در مايع قطره يك در ها مولكول همچون هسته در ذرات مدل اين طبق بر � نيروهاي علت به را خود تماميت هسته و هستند دائمي اي كاتوره حركت.دارد مي نگه مايع قطره سطحي كشش با مشابه

.است بوده مفيد اي هسته هاي واكنش بيان براي مخصوصاً مدل اين�

يكاف اضافي جنبشي انرژي و شود هسته وارد ، خارج از است ممكن ذره يك� يا وترونن يك با پروتون يك فرار تا برساند هسته هاي نوترون و ها پروتون به

.شود ممكن آلفا ذره يك يا دوترون يك همچون آنها از تركيبي


10/22/2014

50

و سته نگهدارنده ي نوكلئون هاي هبا چنين استداللي مي توان گفت كه بين نيروهاي �كه مايع را كروي نگه مي دارند شباهت وجود دارد؛ كشش سطحي نيروهاي

:نيروهاي نگه دارنده ي هسته داراي خصوصيات زير هستند�

. داراي برد كوتاه هستند �

. است نيروي درون هسته بسيار قوي تر از نيروي الكترواستاتيك بين نوكلئون ها�

. اين نيروها مستقل از جفت شدگي ساير نوكلئون ها هستند�

اي خود اين نيروها محدود هستند و هر نوكلئون فقط مي تواند نزديك ترين نوكلئون ه�.را جذب كند


دچار كند هاي نوترون با ) Pu239 و235U( نوكلئيدها از بعضي ا چر :كه سوال اين به مايعي ـ قطره مدل� سريع نوترونهاي با فقط ) Th232و238U( ها هسته ديگر از بعضي كه حالي در شود، مي هسته اي شكافت اشتهد وجود انرژي از معين حداقلي مقدار بايد كه است اين پاسخ دارد اي ساده پاسخ شود، مي شكافته

.دهد شكل تغيير كافي قدر به را هسته تا باشد

را انرژي مقدار اين .آيند فائق الكتريكي جاذبه نيروهاي بر بتواند الكتريكي رانش نيروهاي كه شكلي تغيير�ياري به توان مي شود، مي ناميده سازي فعال انرژي كه

رابطه كه كرد، حساب مايعي ـ قطره مدل رياضي تئوري

.دهد مي را هسته همبستگي انرژي كلي و يافته تعميم


10/22/2014

51

موقعيت ها الكترون كه اتمي وضعيت مشابه�مختلف كوانتومي اعدا توسط كه ها اليه در را هايي

ميزان و كنند مي اشغال شوند، مي مشخص رفتار و خواص پوسته، آخرين در ها الكترون اشغال چنيني اين وضعيت نيز ها هسته كند، مي معين را اتمي

.داشت خواهند

درها نوكلئونكه شده گرفته نظر دراي اليه ساختاريهسته، براي مدل اين در � تهالب است؛ خود بهمخصوص انرژي داراي سطح هركه گيرند مي قرار خاصي سطوح.است تر بيش الكتروني هاي اليه ي فاصله از اي هسته هاي اليه ي فاصله

هاي يهال به شده تحريك انرژي، كسب با الكترون مانند نيز ها نوكلئون مدل اين در � آزاد وتونف يك شود مي خود اليه به بازگشت به مجبور نوكلئون قتي و .رود مي باالتر كند مي


مايعي ـ قطره مدل كه هسته ديگر خواص براي�اي هسته مدل .آيد برنمي آنها توجيه عهده از ها نوترون عمدتا كه نوكلئيدهايي .است الزم ديگري نوكلئيدهايي از پايدارتر ، است زوج آنها هاي پروتون و .است فرد آنها هاي نوترون يا ها پروتون عده كه هستند

تعداد يدارا كه هايي هسته داد نشان هسته پايداري درباره بيشتر تجربي مطالعات� نوترون ... و 82 و 50 و 20 و 8 و 2 تعداد يا پروتون ... و 82 و 50 و 20 و 8 و 2

.پايدارند و متعدد معموالً هستند،

خود نحوي به توانند مي ها پروتون كه است براين فرض هسته اي پوسته مدل در� عمل حون همين به مستقالً توانند مي نيز ها نوترون كنند مرتب هايي پوسته در را

.كنند


10/22/2014

52

اين .آيند مي حساب به پرشده ها پوسته دارند، جادويي اعداد كه هايي هسته در� جمله از مواردي در و شده پرداخته و ساخته كوانتومي مكانيك مبناي بر مفصالً مدل

مي اماگ هاي فوتون و بتا ، آلفا ذرات گسيل موجب كه نوكلئيدها از خواصي بررسي بوده قموف ها هسته اطراف مغناطيسي و الكتريكي هاي ميدان چگونگي بيان شوند،.ندك نمي كمكي شكافت عمل توضيح براي هسته اي پوسته مدل ليكن .است

مدل دارد وجود مايعي – قطره مدل و مدل اين بين اساسي هاي تفاوت واقع در� دارد دتاكي اند، شده مرتب الگوها آن در ها نوكلئون كه مفيد الگوهاي بر اي پوسته

.دكن مي تصوير اي كاتوره حركت در را هسته ماده ، مايعي ـ قطره مدل كه حالي در رديگ بعضي براي و موفق اي هسته هاي پديده از بعضي توجيه براي مدل دو هر

.است ناموفق


. ود استبسيار محد) يعني، آرايش الكترونها در اليه هاي مختلف( دانش ما از ساختمان هسته در مقايسه با اتم �

ه اليه هاي ها در اتم با جذب انرژي، برانگيخته شده، بها نظير الكتروناين نكته حائز اهميت است كه نوكلئون�بق مدل اليه بر ط(.پايين ترين آرايش ممكن نوكلئونها را حالت پاية هسته مي نامند. اشغال نشدة باالتر مي روند

)اي

. معموالً اليه هاي باال تر به عنوان تراز انرژي يا حالت برانگيخته ناميده مي شوند�

. نوكلئونها نظير الكترونها انرژي بستگي متفاوتي دارند�

تلف متفاوت در هسته هاي مخ) مقدار انرژي الزم براي بيرون كشيدن نوكلئون ازهسته (انرژي بستگي نوكلئون �. است

برابر متوسط 1000كه ) 8تا MeV )5ها در بيشتر هسته ها در محدودة متوسط انرژي بستگي نوكلئون�. رون از اتم استانرژي بستگي الكترون در اتمهاست، بنابراين خروج پروتون يا نوترون از هسته، مشكل تر از الكت

ابل ها قيعني به مقدار زيادي انرژي احتياج است كه در رآكتورهاي هسته اي، شتاب دهنده ها و يا سيكلوترون.تأمين است


10/22/2014

53

با و )ثانيه 10-11 از كمتر( است كوتاه بسيار هسته يك برانگيختگي زمان� . گرددمي باز پايه حالت به برانگيخته اتم مشابه پرانرژي پرتوي انتشار

يهپا حالت مشابه برانگيخته هستة نوترون تعداد و عدد اتمي جرمي، عدد� يك تةبرانگيخ حالت .) نامندمي ايزومر را هسته يك برانگيخته حالت( است مي شود مشخص عنصر اختصاري حرف باالي در ستاره عالمت با هسته

يه،ثان چند ( است مدت طوالني هسته برانگيختگي زمان موارد، برخي در� التح را هسته برانگيختگي حالت موارد اين در )سالها حتي يا دقيقه چند

،است پايدار شبه هسته هاي ترينمعروف ازTc m99 .مي نامند شبه پايدار آن افتراق وجه و هسته پايدار شبه حالت نشانة جرمي عدد از بعد mحرف

.است هسته پايدار حالت از


106

.نيروهايي هستند كه تمام پديده هاي فيزيكي در طبيعت توسط آنها صورت مي گيرد

نيروي گرانش1.

سنيروي الكترومغناطي2.

نيروي هسته اي ضعيف3.

نيروي هسته اي قوي4.

Physics of radiation By:Dr.A.A Parach

10/22/2014

54

107

.همه اجسام داراي جرم يكديگر را توسط نيروي گرانش جذب مي كنند�

.تأثير جذب يك جسم داراي جرم، بر جسم داراي جرم ديگر به صورت وزن رخ مي نمايد�

گير پديده گرانش معموالً در مقياس هاي بزرگ يا خيلي بزرگ هنگامي كه جرمِ دست كم يكي از اجسام در�. خيلي زياد است رخ مي نمايد

.بنابراين نمودهاي گرانش در حركت اجسام آسماني و مسير سياره ها به گرد خورشيد ديده مي شود�ضعيف ترين نيروي بنيادي �

. آمد استدر اكثر فعاليت هاي روزمره، از جمله فرستادن موشك به فضا قانون جاذبه عمومي نيوتن كامالً كار�


108

كيلوگرم در سطح زمين 1محاسبه نيروي گرانش وارد بر جسمي به جرم


10/22/2014

55

اطيسالكترومغن = هم با دو اين ارتباط و مغناطيسي و الكتريكي پديده هاي مطالعه�

.است طبيعت بنيادي نيروي 4 از يكي الكترومغناطيسي نيروي�

ندگيز در كه )گرانش جز به(است پديده هايي بيشتر توصيف گر الكترومغناطيس�.مي افتد اتفاق روزمره

هايميدان و الكتريكي ميدانهاي تجلي دو هر در كه است الكترومغناطيس نيروي� از و دهستن الكترومغناطيس از مختلف اما ساده جنبه هاي دو هر .مي باشد مغناطيسي

.اند مربوط يكديگر يه ذاتا رو اين109Physics of radiation By:Dr.A.A Parach

برعكس و مغناطيسي ميدان توليد الكتريكي ميدان تغيير بنابراين،� نام به اثر اين مي كند الكتريكي ميدان توليد مغناطيسي ميدان تغيير ريكي،الكت ژنراتورهاي براي عمل اساس و است، الكترومغناطيسي القاي

.مي باشد ترانسفورماتورها و القايي موتورهاي

دهستن معمول الكتريكي پديده هاي معلول الكتريكي ميدانهاي� مانند( ريكيالكت جريان و )باتري ولتاژ مانند( الكتريكي پتانسيل:مانند

سمغناطي با مربوط نيروي معلول مغناطيسي ميدانهاي .)برق جريانهستند


10/22/2014

56

فقط در واكنش هاي هسته اي وجود دارد و مسئول واپاشي بتا�تبديل نوترون به پروتون، الكترون و نوترينو�

111Physics of radiation By:Dr.A.A Parach

كنار هم نگه داشتن پروتون ها و نوترون ها درون هسته �

. ر نگه داردآنها را كنار يكديگ) بار مثبت(آنقدر قوي است كه مي تواند عليرغم دافعه بين پروتونها�

اورانيوم طبيعي توليد ) تن 1(كيلوگرم 1000ميليون كيلو وات ساعت الكتريسيته از 45بيش از �. مي شود

20يش از توليد اين مقدار انرژي الكتريكي با استفاده از سوخت هاي فسيلي ملزم به سوزاندن ب�.ميليون مترمكعب گاز است 30زغال سنگ سياه و ) كيلو گرم20/000/000(هزار تن

تن زغال سنگ 20/000=تن اورانيوم �1

112

جوش هسته ايشكافت هسته اي

10/22/2014

57

رفتار

بر حسب متر برد نيرو قدرت نسبي نيروي پايه

1 / r7 10 -15 1 قوياي هسته

1 / r2 ∞ 10 − 2 الكترومغناطيس

1 / r5 − 1 / r7 10 − 17 10 − 5 ضعيفاي هسته

1 / r2 ∞ 10 − 38 گرانش

113Physics of radiation By:Dr.A.A Parach

Atomic Nuclear Physics MSc-Med-Phys1ssu.ac.ir/.../Atomic_Nuclear_Physics_MSc-Med-Phys1.pdf ·...

Documents

Transcript of Atomic Nuclear Physics MSc-Med-Phys1ssu.ac.ir/.../Atomic_Nuclear_Physics_MSc-Med-Phys1.pdf ·...