تئوری آزمایش

در فضای پیرامون ما تعداد زیادی الکترون وجود دارد و اگر ذره‌ای با بار الکتریکی مثبت را در این فضا قرار دهیم، می‌تواند الکترون را به خود جذب کند. این کار اساس آزمایش قطره روغن ملیکان است. یعنی اگر قطرات روغن در حین سقوط در هوا یونیزه شوند و به این ترتیب باردار گردند، می‌توانند چند الکترون از محیط را جذب کنند. بنابراین می‌توان با اندازه گیری این بارها به بار الکترون پی برد. این آزمایش را رابرت ملیکان برای اندازه گیری بار یک الکترون منفرد طراحی کرد.

زمانی که یک قطره روغن بدون بار در هوا سقوط می‌کند، سه نیروی وزن ، ارشمیدس ، چسبندگی (با ویسکوزیته) بر آن وارد می‌شود. دو نیروی وزن و ارشمیدس مقدار ثابتی دارند و مستقل از سرعت قطره می‌باشند، اما نیروی چسبندگی ثابت نبوده و مقدار آن بستگی به سرعت دارد. بنابراین در هنگام سقوط قطره مقدار نیروی چسبندگی افزایش یافته و بالاخره زمانی می‌رسد که برآیند نیروهای وارد بر قطره صفر شود. در این حالت حرکت قطره یکنواخت بوده و سرعت آن مقدار نهایی و ثابت خواهد شد. در این حالت می‌توان شعاع قطره روغن را از شرط صفر شدن برآیند نیروهای وارد بر قطره بدست آورد.

حال اگر قطره روغن در حین سقوط مقداری بار الکتریکی به خود بگیرد و آن را میان دو صفحه موازی با فاصله معین که به اختلاف پتانسیل معین V وصل شده است، قرار دهیم، چون قطره روغن باردار شده است، لذا در میدان الکتریکی موجود میان صفحات بر آن نیرویی اعمال می‌شود. اختلاف پتانسیل و فاصله صفحات مقادیر معلومی هستند که خودمان تنظیم می‌کنیم. می‌توانیم به کمک این نیروی الکتریکی قطره را به حالت سکون درآوریم و چون شعاع قطره را از قبل می‌دانیم، لذا مقدار بار الکتریکی از صفر شدن برآیند کل نیروها در این حالت محاسبه می‌شود.

وسایل آزمایش

اطاقک ملیکان

محفظه کوچکی به عمق چند میلیمتر با کف و سقف فلزی که به الکترودهایی برای اعمال ولتاژ متصل شده است، اطاقک ملکیان نامیده می‌شود. این اطاقک حاوی یک لوله روشنایی ورودی از دیوار اطاقک و سوراخی در سقف آن برای پاشیدن قطرات می‌باشد.

میکروسکوپ برای مشاهده قطره‌ها

در یک سر لوله میکروسکوپ ، عدسی شیئی نصب شده است که از سوراخی واقع در یکی از دیواره‌های اطاقک به مشاهده قطرات روغن می‌پردازد. در سر دیگر لوله ، عدسی چشمی قرار دارد و طول لوله قابل تنظیم است تا تصویر قطره‌ها در چشم به حالت وضوح در آید. البته حرکت قطره توسط میکروسکوپ به صورت معکوس دیده می‌شود. در قسمت عدسی شئی یک چهارخانه نیز وجود دارد.

سیستم روشنایی

این سیستم از یک لامپ ذره‌بینی کوچک تشکیل شده است که در یک انتهای لوله روشنایی قرار دارد و نور آن پس از طی مسافت داخل لوله ، به اطاق وارد می‌شود. این سیستم فقط قادر است، اجسام واقع در امتداد لوله را روشن سازد و بعد از بازتاب نور از آن جسم ، بقیه اتاق نیز به حالت نیمه روشن در می‌آید.

قطره‌پاش

قطره‌پاش از نوع عطرپاش بوده و قطرات روغن را با فشار تلمبه لاستیکی به صورت پودر به درون اتاقک می‌پاشد. در این حالت اگر روشنایی اتاقک کافی باشد، قطرات ریز ستاره مانند را در حال حرکت به طرف بالا ، می‌توان مشاهده کرد.

منبع رادیواکتیو

این منبع برای یونیزه کردن هوا بکار می‌رود.

دستگاههای الکتریکی

این قسمت شامل منبع ولتاژ جریان مستقیم با سیستم کنترل ولتاژ متشکل از پتانسیومتر برای تغییر ولتاژ و کلید برای اعمال ولتاژ در جهت دلخواه و قطع و وصل آن می‌باشد.

شرح آزمایش

چراغ را روشن می‌کنیم. مدار الکتریکی را آماده کرده، منبع ولتاژ را روشن می‌کنیم و دکمه آن را تا حدود 200 ولت می‌چرخانیم. در حالی که پشت دوربین می‌نشینیم، دکمه کنترل را روی علامت + یا – (قطع و وصل) به اختیار قرار می‌دهیم و در حالی که دستمان روی تغییر ولتاژ کلید کنترل قرار دارد، می‌توانیم پاشیدن قطرات را شروع کنیم و بلافاصله چشمه رادیو اکتیو را روی آن در مدت چند ثانیه قرار می‌دهیم، تا محیط یونیده شود.

بلافاصله بعد از روئیت قطره‌ها ، شروع به تغییر دادن ولتاژ می‌کنیم، تا یک قطره انتخابی در پایین چهارخانه به حالت سکون درآید. (برای کنترل اینکه قطرات باردار شده یا نشده‌اند، کافیست که دقت کنیم بعضی از قطرات را که در حین حرکت لحظه‌ی متوقف شده و سپس جهت حرکت خود را تغییر می‌دهند، ببینیم.). حال فورا کلید را برگردانده و همزمان با آن کرونومتر را بکار می‌اندازیم. در حالی که با چشم آن قطره را دنبال می‌کنیم، صبر می‌کنیم تا چهارخانه را طی کند. به مجرد رسیدن قطره به انتهای خانه چهارم کرونومتر را متوقف و چشم را از دوربین جدا می‌کنیم.

نتایج

ملیکان و همکاران او بار هزاران قطره را اندازه گرفته و دریافتند که با در نظر گرفتن خطای اندازه گیری ، بار هر قطره مضرب صحیحی از بار پایه e (بار الکترون) است، یعنی بار هر قطره e ، 2e ، e و … بوده و هیچگاه 0.76 e یا 2،49 e نیست. این امر به دلیل این است که بار الکتریکی آن چنان چیزی نیست که بتوان آن را بطور نامحدودی تقسیم کرد، بلکه به صورت مضرب صحیحی از یکای طبیعی e است.

مغناطیس (Magnetic)

تاریخچه

علم مغناطیس از این مشاهده که برخی سنگها (ماگنتیت) تکه‌های آهن را جذب می کردند سرچشمه گرفت. واژه مغناطیس از ماگنزیا یا واقع در آسیای صغیر ، یعنی محلی که این سنگها در آن پیدا شد، گرفته شده است. زمین به عنوان آهنربای دائمی بزرگ است که اثر جهت دهنده آن بر روی عقربه قطبهای آهنربا ، از زمانهای قدیم شناخته شده است. در سال 1820 اورستد کشف کرد که جریان الکتریکی در سیم نیز می‌تواند اثرهای مغناطیسی تولید کند، یعنی می‌تواند سمت گیری عقربه قطب نما را تغییر دهد.

در سال 1878 رولاند (H.A.Rowland) در دانشگاه جان هاپکینز متوجه شد که یک جسم باردار در حال حرکت (که آزمایش او ، یک قرص باردار در حال دوران سریع) نیز منشاأ اثرهای مغناطیسی است. در واقع معلوم نیست که بار متحرک هم ارز جریان الکتریکی در سیم باشد. جهت مطالعه زندگینامه علمی رولاند فیزیکدان برجسته آمریکایی به کتاب زیر مراجعه شود:

Phusics by John D.Miller,Physics

Today , July 1976Rowland،s البته دو علم الکتریسیته و مغناطیس تا سال 1820 به موازات هم تکامل می یافت اما کشف بنیادی اورستد و سایر دانشمندان سبب شد که الکترومغناطیس به عنوان یک علم واحد مطرح شود. برای تشدید اثر مغناطیسی جریان الکتریکی در سیم می‌توان را به شکل پیچه‌ای با دورهای زیاد در آورد و در آن یک هسته آهنی قرار داد. این کار را می‌توان با یک آهنربای الکتریکی بزرگ ، از نوعی که معمولا در پژوهشگاههای برای کارهای پژوهشی مربوط به مغناطیس بکار می‌رود، انجام داد.

تولد میدان مغناطیسی

دومین میدانی که در مبحث الکترومغناطیس ظاهر می شود، میدان مغناطیسی است. این میدانها و به عبارت دقیقتر آثار این میدانها از زمانهای بسیار قدیم ، یعنی از همان وقتی که آثار مغناطیسهای طبیعی سنگ آهنربا (Fe₃O₄ یا اکسید آهن III) برای اولین بار مشاهده شد، شناخته شده‌اند. خواص شمال و جنوب یابی این ماده تاثیر مهمی بر دریانوردی و اکتشاف گذاشت با وجود این، جز در این مورد مغناطیس پدیده ای بود که کم مورد استفاده قرار می گرفت و کمتر نیز شناخته شده بود، تا اینکه در اوایل قرن نوزدهم اورستد دریافت که جریان الکتریکی میدان مغناطیسی تولید می‌کند.

این کار تواأم با کارهای بعدی گاؤس ، هنری . فاراده و دیگران نشان دادند که این شراکت واقعی بین میدانهای الکتریکی و مغناطیسی وجود دارد و این دو توأم تحت عنوان میدان الکترومغناطیسی حضور دارند. به عبارتی این میدانها به طرز جدایی ناپذیری در هم آمیخته شده‌اند.

حوزه عمل و گسترش میدان مغناطیسی

تلاش مردان عمل به توسعه ماشینهای الکتریکی ، وسایل مخابراتی و رایانه‌ها منجر شد. این وسایل که پدیده مغناطیسی در آنها دخیل است نقش بسیار مهمی در زندگی روزمره ایفا می‌کنند. با گسترش و سریع علوم از اعتبار این علوم اولیه کاسته نمی‌شود و همیشه سازگاری خود را با کشفیات جدید حفظ می‌کند.

مغناطیسهای طبیعی و مصنوعی

• بعضی از سنگهای آهن یاد شده در طبیعت خاصیت جذب اشیای آهنی کوچک ، مانند براده‌ها یا میخهای مجاور خود را دارند. اگر تکه‌ای از چنین سنگی را از ریسمانی بیاویزیم ، خودش را طوری قرار می‌دهد که راستایش از شمال به جنوب باشد، تکه‌های چنین سنگهایی به آهنربا یا مغناطیس معروف است.
  
  
• یک تکه آهن یا فولاد با قرار گرفتن رد مجاورت آهنربا ، آهنربا یا مغناطیده می‌شود، یعنی توانایی جذب اشیای آهنی را کسب می‌کند. خواص مغناطیسی این تکه آهن یا فولاد هر چه به آهنربا نزدیکتر باشد، قویتر است. وقتی که تکه‌ای از آهن و آهنربا با یکدیگر تماس پیدا کنند ، مغناطش یا آهنربا شدگی به مقدار ماکزیمم (میخ آهنی که به آهنربا نزدیک شود خاصیت آهنربایی پیدا می‌کند و براده‌های آهنربا را جذب می‌کند) می‌باشد.

• هنگامی که آهنربا دور شود، تکه آهن یا فولاد که توسط آهنربا شده‌اند بخش زیادی از خواص مغناطیسی بدست آورده را از دست می‌دهند، ولی باز هم تا حدی آهنربا می‌مانند. از اینرو به آهنربای مصنوعی تبدیل می‌شوند و همان خواص آهنربای طبیعی را دارد. این پدیده را می‌توان با آزمایش ساده‌ای به اثبات رسانید. خاصیت آهنربایی که به هنگام تماس تکه آهن با آ‌هنربا پیدا می‌شود بر خلاف مغناطش بازمانده که با دور شدن آهن ربا باقی می‌ماند، مغناطش موقت نامیده می‌شود. آزمایشهایی از این نوع نشان می‌دهد که مغناطش بازمانده خیلی ضعیفتر از مغناطش موقت است، مثلا در آهن نرم فقط کسر کوچکی از آن است.
  
  
• هم مغناطش موقت و هم مغناطش بازمانده برای درجات مختلف آهن و فولاد متفاوت است. مغناطش موقت آهن نرم و آهن تابکاری شده از آهن نرم و فولاد تابکاری نشده به مقدار زیادی قویتر است. بر عکس مانده مغناطش فولاد ، به ویژه درجاتی از آن که شامل مثلا آمیزه کبالت است، خیلی قویتر از مغناطش باز مانده در آهن نرم است. در نتیجه ، اگر دو میله یکسان ، یکی ساخته شده از آهن نرم و دیگری از فولاد را اختیار کنیم و آنها را در مجاورت آهنربای یکسانی قرار دهیم ، میله آهن نرم قویتر از فولاد آهنربا می‌شود.
  
  ولی اگر آهنربا را دور کنیم، میله آهن نرم تقریبا بطور کلی مغناطیده می‌شود، در حالیکه میله فولاد مقدار قابل توجهی از خاصیت آهنربایی اولیه خود را حفظ می کند. در نتیجه ، آهنربای دائمی از میله فولادی از میله آهنی خیلی قویتر است. به این دلیل آهنرباهای دائمی را از درجات خاصی از فولاد درست می‌کنند نه از آهن.
  
  
• آهنرباهای مصنوعی که بطور ساده با قرار دادن تکه‌ای فولاد در نزدیکی یک آهنربا یا با تماس با آن بدست آمده نسبتا ضعیف هستند. آهنرباهای قویتر را با مالیدن تیغه فولادی با آهنربا در یک جهت بدست می‌آورند. البته در این حالت نیز آهنرباهایی که بدست می‌آید که از آهنربایی که مغناطش به توسط آن انجام شده است، ضعیفتر است. هر نوع ضربه یا تکانی در طول مغناطش عمل را آسانتر می‌کند. برعکس تماس دادن آهنربای دائمی با تغییر ناگهانی و زیاد دمای آن ممکن است باعث وامغناطش آن شود.
  
  
• وامغناطش بازمانده نه تنها به ماده بلکه به شکل جسمی که آهنربا می‌شود نیز بستگی دارد. میله‌های نسبتا کوتاه و کلفت از آهن نرم بعد از دور شدن آهنربا تقریبا به کلی خاصیت آهنربایی را از دست می‌دهند. با وجود این ، اگر همین آهن را برای ساختن سیمی به طول 300 تا 500 برابر قطر آن بکار بریم، این سیم (ناپیچیده) خاصیت مغناطیسی خود را به مقدار زیادی حفظ خواهد کرد.

 

مقدمه

کشف ذرات زیر اتمی جدید باعث سر در گمی دانشمندان شده است. این ذرات عجیب و ناشناخته تئوری پردازان را واداشته است تا در نظریات خود در مورد نیروهای قوی که ذرات زیر اتمی را در اتمها کنار یکدیگر نگه می‌دارد، تجدیدنظر کنند. احتمالاً این ذره جدید که DS2317 نام گرفته ، صورت غیر متداولی از کورکها است. کوارکها ذرات بسیار ریزی هستند که در دسته‌های سه تایی وجود دارند و اجزای سازنده پروتونها و نوترونها هستند. شاید این ذره جدید ناشناخته کوارکی باشد که حول کوارک دیگر در حال چرخش است، شاید هم مولکول جدیدی است که از چهار کوارک ساخته شده است.







مارچللو گئورگی از دانشگاه پیزای ایتالیا و اعضای گروهش پس از صرف وقت سه ساله و جمع آوری اطلاعات از آشکارساز بابار (BaBar) مرکز شتاب دهنده خطی استنفورد (Slac) در کالیفرنیا با DS 2317 مواجه شدند. وقتی که Slac الکترون را با پوزیتون که ضد ماده الکترون محسوب می‌شود، برخورد می‌دهد، آشکارساز باربار تعداد زیادی از ذراتی که در نتیجه این برخورد بوجود می‌آیند را شناسایی می‌کند. گئورگی می‌گوید: «ما از نتایج این آزمایشات بسیار شگفت زده شدیم، اما چیزی که بیش از همه باعث اعجاب ما شد، جرم این ذرات است. جرم این ذرات از مقدار پیش بینی شده کمتر و در عین حال بسیار دقیق و مشخص بود.

جرم بسیاری از این ذرات پرانرژی دقیقاً مشخص نیست و با کمی عدم قطعیت همراه است. اما وزن DS 2317 دقیقاً مشخص است و مقدار آن برابر 2316 مگاالکترون ولت است. الکترون ولت واحدی است که فیزیکدانان برای اندازه گیری مقدار جرم و انرژی ذرات بکار می‌برند. استیا ایچتن (Estia Eichten) نظریه پرداز فیزیک نظری از آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی در باتاویای ایلینویز می‌گوید، شاید این جرم دقیق به محققین کمک کند تا ماهیت دقیق نیرویی که اتمها را در کنار یکدیگر نگه می‌دارد، درک کنند. از آنجایی که در مقیاسهای کوچک جرم و انرژی معادل یکدیگرند، دانستن جرم یک کوارک جدید می‌تواند ما را به شناخت نیروهای قوی که در داخل ذرات حاکم است، راهنمایی کند.

طی تحقیقاتی که بعدها صورت گرفت، تصور می‌شد که DS 2317 از کوارکهای سنگین و ناشناخته‌ای تشکیل شده است. دیوید سینابر و یکی از متخصصین فیزیک انرژی بالا در دانشگاه کورنل در ایتاکای نیویورک می‌گوید: «قسمت عمده‌ای از اطلاعاتمان در مورد نیروهای قوی از بررسی کوارکهای سبکتر حاصل شده است. اما امکان دارد با بررسی کوارک سنگینتر اطلاعات جدیدی کسب کنیم.»

انواع کوارک

کوارکها در شش گروه مختلف جای می‌گیرند: بالا ، پایین ، جذاب ، عجیب ، زیر و رو. دسته‌های سه تایی از کوارکهای بالا و پایین که جزء سبکترین و معمولی‌ترین کوارکها محسوب می‌شوند، پروتونها و نوترونهای مواد عادی را که اطراف ما را فرا گرفته است تشکیل می‌دهد. اما ممکن است DS 2317 از دو کوارک تشکیل شده باشد و ذره کمیابی به نام مزون را بوجود آورده باشد. ایچتن می‌گوید این مزون ممکن است تا حدودی شبیه یک اتم باشد. اتمی که در آن یک کوآرک سبک «ضد ـ عجیب» (anti-Strange) حول یک کوآرک سنگینتر «جذاب» (Charm) در حال چرخش است.

اما سایر محققین در تفسیر پدیده‌های مشاهده شده ، نظریات پیچیده‌تری را ابراز می‌کنند. جاناتان رزنر فیزیکدان نظری دانشگاه شیکاگو می‌گوید احتمال دارد که ذره جدید حاوی جفتهایی از کوارکهای مزدوج باشد. وجود مولکولهایی حاوی چنین ذرات زیر اتمی مدتها قبل پیش بینی شده بود. سینابرو می‌گوید: «ما تاکنون هیچ شاهدی مبنی بر وجود اینگونه ذرات نداشتیم. اما اگر این شیء وجود داشته باشد، واقعاً جای تعجب است.» محققین Slac در مرکز سنکروتون انرژی بالای دانشگاه کورنل و سازمان تحقیقات شتاب دهنده انرژی بالا در ژاپن ضمن کنکاش در اطلاعات قدیمی ، در صددند نظریات خود را در مورد ذراتی شبیه DS 2317 بیازمایند.

شیمی مدیون پروتون

نوترونها و پروتونها از ذراتی ساخته شده‌اند که کوارکهای بالا و پایین نامیده می‌شوند. هر پروتون شامل دو کوارک بالا و یک کوارک پایین است، در حالی که هر نوترون دارای دو کوارک پایین و یک کوارک بالا است. کوارکهای پایین کمی سنگینتر از کوارکهای بالا هستند و به همین دلیل وزن نوترونها از پروتونها بیشتر است. بار هر کوارک بالا برابر دو سوم بار مثبت است و هر کوارک پایین دقیقا یک سوم بار مثبت را با خود دارد. به همین دلیل پروتون دارای یک بار الکتریکی مثبت است، در حالی که نوترونها خنثی هستند و باری ندارند.







در عین حال ما هنوز هم جرم دقیق کوارکها را نمی‌دانیم. به همین دلیل دانشمندان سعی دارند ضمن آزمایشات مختلف جرم آنها را دریابند. در عین حال نظریه پردازان نیز سعی دارند قطعات حاصل از برخورد ذرات مختلف را بررسی کرده و سرعت انجام واکنشهای مختلف را محاسبه کنند. آنها امیدوارند با این روش بتوانند به ساختار یک هسته اتم دست نخورده دست یافته و دریابند چه میزان از اختلاف در خواص کوارکهای بالا و پایین از اختلاف جرمشان ناشی می‌شود و چه مقدار از این اختلاف بخاطر تفاوت در بارهای الکتریکی است.

آنها امیدوارند با این آزمایشات جرم دقیق کوارکها را دریابند. بیراون کولک فیزیکدان نظری دانشگاه آریزونا می‌گوید: «هم آزمایشات انجام شده و هم تفسیرهای نظری ارائه شده در این مورد بسیار پیچیده است و بنابراین لازم است هم از نتایج آزمایشات و هم تفسیرهای نظری کمک گرفت و با تلفیق نتایج حاصل از این آزمایشات اطلاعات مهمی در مورد جرم کوارکها بدست آورد.» اختلاف بین کوارکهای بالا و پایین به این معنی است که اگر یک نوترون را به حال خود رها کنیم به یک پروتون تبدیل می‌شود. اما این سرنوشت نهایی نوترونها نبود.

این ذرات با قرار گرفتن در کنار الکترونها که بار منفی دارند، می‌توانند اتمهای هیدروژن را بوجود آورند که ماده سوختی اولیه ستارگان محسوب می‌شود. ادوارد استفنسون که یکی از فیزیکدانان دانشگاه ایندیانا است می‌گوید: «دنیای مملو از پروتون به این معنی است که مقدار زیادی هیدروژن در اختیار داریم. بدون در اختیار داشتن پروتون ، شیمی به آن صورتی که امروز می‌شناسیم، ممکن نبود.» البته باید در نظر داشت همین اختلاف کم در جرم این کوارکها نتایج بسیاری را در پی داشته است. اخیراً یک گروه از دانشمندان دانشگاه ایندیانا دو هسته دوتریم را به هم برخورد دادند.

دوتریم نوعی اتم هیدروژن است که در هسته خود یک پروتون و یک نوترون دارد. گروهی دیگر نیز در دانشگاه اوهایو با استفاده از نوترون و پروتون واکنش همجوشی هسته‌ای انجام دادند. طی هر دو این آزمایشات ذراتی حاصل شد که آنها را پیون می‌نامند. این دانشمندان معتقدند ایجاد پیون نشانه عدم تقارن بار است که از اختلاف در اجزای تشکیل دهنده پروتونها و نوترونها ناشی می‌شود. این اختلاف در جرم عامل اصلی ترکیب اجزای عالم است.