این جزوه به صورت دست نویس است.
این جزوه درس استاتیک دکتر محمدرضا تابش پور دانشگاه صنعتی شریف می باشد که به طور کامل و بسیار عالی به ارائه مباحث مطرح در این واحد درسی پرداخته است.
این جزوه در 56 صفحه با کیفیت عالی اسکن شده و امیدواریم در جهت کمک به شما عزیزان مورد استفاده قرار بگیرد.
فرضیه پلانک ، سرآغاز مکانیک کوانتومی
در سال 1900، "ماکس پلانک" ، نظریه‌ای ابداع کرد که با منحنی‌های تجربی تابش جسم سیاه ، مطابقتی عالی از خود ارائه داد. فرض او این بود که اتمهای جسم سیاه ( ماده‌ای که تمام نورهای تابیده به آن را جذب کند ) ، تنها قادرند نورهایی را گسیل سازند که مقادیر انرژی آنها توسط رابطه hv داده می‌شود. در رابطه ، v فرکانس تابش و h ، ثابت تناسب است که به ثابت پلانک معروف است. با قبول مقدار ، منحنی‌هایی بدست می‌آیند که با منحنی‌های تجربی جسم سیاه کاملا مطابقت دارند. کار پلانک سرآغاز مکانیک کوانتومی بود.
به دنبال پلانک ، "انیشتین" نیز مشاهدات مزبور را بر اساس اندیشه تشکیل نور از اجزایی ذره گونه تشریح کرد که آنها را فوتون نامید که انرژی هر یک از آنها برابر است با:
احتمال و مکانیک کوانتومی
موضوع احتمال ، یک نقش اساسی را در مکانیک کوانتومی ایفا می‌کند. در مکانیک کوانتومی ، سروکار ما با احتمالاتی است که با متغیر پیوسته‌ای مانند مختصه x درگیرند. صحبت از احتمال پیدا شدن یک ذره در یک نقطه خاص مانند x = 0.5000 حاوی چندان معنایی نیست، زیرا تعداد نقطه‌ها در روی محور x نامتناهی ، ولی تعداد در اندازه گیریهای ما به هر حال متناهی است و از این رو ، احتمال وصول با دقت به 0.5000 بینهایت کم خواهد بود.
این است که به جای آن از احتمال یافتن ذره در یک فاصله کوتاه از محور x ، واقع بین x+dx , x صحبت می‌شود که در آن dx یک طول بینهایت کوچک است. طبیعتا احتمال فوق متناسب با فاصله کوچک dx بوده و و برای نواحی مختلف محور x متغیر خواهد بود. بنابراین احتمال اینکه ذره در فاصله مابین x و x+dx پیدا شود، مساوی g(x)dx است که در اینجا (g(x بیانگر نحوه تغییرات احتمال روی محور x است. تابع (g(x چون برابر مقدار احتمال در واحد طول است، لذا چگالی احتمال نامیده می‌شود.
چون احتمالات ، اعداد حقیقی و غیر منفی‌اند، لذا (g(x باید یک تابع حقیقی باشد که همه جا غیر منفی است. تابع موج می‌تواند هر مقدار منفی و یا مقادیر مختلط را به خود بگیرد و از این نظر به عنوان یک چگالی احتمال محسوب نمی‌شود. مکانیک کوانتومی به عنوان یک اصل می‌پذیرد که چگالی احتمال برابر است.
زمینه های بروز مکانیک کوانتومی :
نسبیت و مکانیک کونتوم دو نظریه اساسی قرن بیستم هستند . همچنانکه می دانید در آغاز قرن بیستم تحول عطیمی در فیزیک ایجاد شد. از یکطرف ثابت بودن سرعت نور در تمام دستگاه های مختصات ما را به پذیرش نظریه نسبیت می کند. یعنی پذیرفتن اتساع زمان و انقباض مکان.
همزمان با این مسئله در سال 1907 با مقاله فوتوالکتریک انیشتین مکانیک موانتوم متولد می شود. بعضی ها هم اعتقاد دارند تاریخ پیدایش مکانیک کوانتوم در سال 1900 با نظریه ماکس پلانک در مورد تابش جسم سیاه می باشد .
در یک قرن پیش پلانک روی مسائلی در ارتباط با ویژگی های اساسی حرارت کار می کرد. هنگامی که او در تلاش بود تا ماهیت گرما و نور برخاسته از یک جسم ساده گرم و درخشان «جسم سیاه) را دریابد، متوجه شد که ناگزیر است عقیده ای به ظاهر مسخره را بپذیرد. اینکه انرژی تابشی برخاسته از اجسام نه به صورت پیوسته بلکه در بسته هایی مجزا به اطراف پراکنده می شود.
درسال 1900، ماکس پلانک فیزیک دان آلمانی اعلام کرد که با فرض یک تشعشع الکترومغناطیسی خفیف (در طول موج یا در فرکانس)، منحنی فرضی بدست آمده کاملاً با منحنی ناشی از آزمایش منطبق خواهد بود. به عبارت دیگر، انرژی اتمی تابان E با فرمول زیر تعریف می شود:
E = n.h.f , n عدد صحیح است , 6,62 x 10-27 s.erg = h ثابت پلانک , f فرکانس نوسانات اتمی
این رویداد شروع عصر مکانیک کوانتومی را رقم زد. به دلیل اینکه پلانک موفق به تعریف انعکاس جسم سیاه شد جایزه نوبل فیزیک را درسال 1918 به خود اختصاص داد.
پلانک هر یک از این بسته ها را یک "کوانتوم" نامید. که واژه ای برگرفته از لاتین و به معنای "چه مقدار" است و در جمع "کوانتا" خوانده می شود. و رابطه ای را روی کاغذ آورد که انرژی آنها را به فرکانس ربط می داد. با این کار او پدر نظریه مکانیک کوانتومی شد. این نظریه شامل قوانینی بود که بر این بسته های انرژی حاکم بودند. و البته به زودی مشخص شد که دامنه نفوذ آنها بسیار فراتر از همین بسته هاست.
با اینکه منحنی فرضی پلانک با منحنی ای که عملا از آزمایشات به دست می آمد تطبیق کامل داشت، متأسفانه، برای مدّت حداقل 5 سال، فرضیه ی او مبتنی بر ماهیّت خفیف تابش اتمی، تا سال1905 و چاپ مقاله ی اینشتین و شرح آن بر فرضیه ی تأثیرات فوتوالکتریک، استقبال چندانی نیافت. با این حال، تئوری پلانک که وجود دو سطح انرژی اتمی خفیف را برای توضیح تشعشع جرم سیاه بیان می کرد،
تابش جسم سیاه
هر جسم جامدی کسر یعنی از تابش فرودی بر سطح خود را درمی‌آشامد، بقیه این تابش بازتاب می‌یابد. یک جسم سیاه ایده‌آل به صورت ماده‌ای که تمامی تابش فرودی را ، بدون هیچ بازتابس درمی‌آشامد، تعریف می‌شود
از دیدگاه نظریه کوانتومی ، جسم سیاه عبارت است از ماده‌ای که تعداد بیشماری تراز انرژی کوانتیده (در گستره وسیعی از اختلاف انرژیها) است. بطوری که هر نوترونی که با بسامدی بر آن فرود آید در آشامیده می‌شود. از آنجا که انرژی درآشامیده بوسیله یک ماده دمای آن را افزایش می‌دهد، اگر هیچ انرژی گسیل نشود، یک درآشام کامل یا جسم سیاه ، گسیل کننده کامل نیز هست
اطلاعات اولیه
تمام اجسام در دمای متناهی ، امواج الکترومغناطیسی تابش میکنند. طیفهای تابشی ناشی از گازهای اتمی ، که در آنها اتمها بسیار از هم دور و فقط بطور ضعیف به هم بر هم کنش میکنند، شامل فرکانس‌ها یا طول موجهای گسسته هستند. طیف مولکولها، که علاوه بر گذارهای الکترونی ، با سمعهای ناشی از گذارها دورانی و ارتعاشی همراه هستند، نیز شامل خطوط گسسته‌اند
یک جسم جامد ، از لحاظ تابش یا درآشامی از این هم پیچیده‌تر است، و از بعضی لحاظ می‌توان آن را به عنوان یک مولکول بسیار بزرگ که تعداد درجات آزادی آن متناظر افزایش یافته است، در نظر گرفت. تابش گسیل شده توسط جامد ، با تابش تمام فرکانس‌ها یا طول موج‌ها، شامل یک طیف پیوسته است. بر این اساس به صورت ایده‌آل ماده‌ای تعریف می‌شود که می‌تواند تمام فرکانس‌های طیف الکترومغناطیسی را جذب کند. همین جسم اگر چنانچه گرم شود، باید بتواند تمام فرکانس‌های طیف الکترومغناطیسی را تابش کند
جسم سیاه تقریبی
کاواکی که حفره بسیار کوچکی در روی آن تعبیه شده است، تقریب بسیار خوبی از جسم سیاه است. هر تابشی مه بر این حفره بتابد، از طریق آن وارد کاواک می‌شود و احتمال بسیار کمی وجود دارد که بلافاصله مجددا باز تابیده شود. در عوض بازتابش، این تابش یا درآشامیده می‌شود یا بطور مکرر در دیواره‌های داخلی جسم سیاه بازتاب می‌یابد. در نتیجه عملا تمامی تابش که از طریق این حفره وارد کاواک می‌شود، در این ظرف درآشامیده می‌شود
حال اگر کاواک مورد نظر را تا دمای مفروضTحرارت دهیم، دیواره‌های درونی آن، با آهنگ یکسان فوتونها را گسیل میکنند و درمی‌آشامند. تحت این شرایط می‌توان گفت که تابش الکترومغناطیسی با دیواره‌های داخلی در تعادل گرمایی است. کیرشهف نشان داد که طبق قانون دوم ترمودینامیک تابش داخل کاواک در هر طول موجی باید همسانگرد (یعنی ، شار تابشی مستقل از راستا باشد)، همگن (شار تابشی در تمام نقاط فضا یکسان باشد) بوده و نیز در تمام کاواک‌هایی که دمایشان برابر است یکسان باشد
خواص عمومی تابش جسم سیاه
انرزی که در بازه کوچک فرکانسی dv بین فرکانس‌های v و v+dv گسیل می‌شود، در دمای ثابت نخست با فرکانس افزایش پیدا می‌کند، سپس به یک تعداد ماکزیمم می‌رسد، و سرانجام در فرکانس‌های باز هم بالاتر کاهش می‌یابد
با افزایش دمای جسم تابش کننده کسر بیشتری از تابش گسیل شده توسط مولفه‌های فرکانس بالاتر حمل می‌شود
طیف تابش جسم سیاه مستقل از ماده‌ای است که تابش کننده از آن ساخته شده است
توجیه خواص جسم سیاه با استفاده از نظریه کلاسیک
تمام کوششها برای به دست آوردن منحنی‌های مشاهده شده تجربی در مورد تابش جسم سیاه ، با شکست مواجه شد. از جمله این کوششها می‌توان به قانون وین استفاده کرد. وی با استفاده از مدلی که جز برای تاریخ دانها، برای دیگران جالب نبود، شکل خاصی را برای انرژی تابشی یا گسیل شده بر حسب دما ارائه داد. قانون وین با وجود این که با مفاهیم کلی فیزیک کلاسیک سازگاری نداشت، توانست در فرکانس‌های بالا نتایج تجربی را به خوبی تفسیر کند. اما در فرکانس‌های پایین با مشکل مواجه می‌شد
کار دیگری که در این زمینه انجام شد، قانون ریلی – جینز بود. ریلی قانون خود را از دو نتیجه کلاسیکی قانون تقسیم مساوی انرژی و محاسبه تعداد مدهای تابش الکترومغناطیسی محبوس در داخل کاواک بدست آورد. قانون ریلی – جینز نیز در فرکانس بالا که در آن فرمول وین صادق است با نتایج تجربی وفق نمی‌دهد اما در فرکانس‌های پایین می‌توانست منحنی‌ها را توجیه کند. بطور کلی ریلی – جینز نمی‌تواند درست باشد، چون این قانون چگالی انرژی کل را بینهایت پیشگویی می‌کند
توجیه موافق با آزمایش تابش جسم سیاه
در سال 1900 ماکس پلانک با تلفیق ماهرانه قوانین وین در فرکانس‌های بالا و ریلی – جینز در فرکانس‌های پایین ، رابطه‌ای را ارائه داد که می‌توانست در تمام فرکانس‌ها با نتایج تجربی در توافق باشد. حسن رابطه پلانک در این است که هرگاه فرکانس به سمت صفر میل کند، این قانون به قانون ریلی – جینز تبدیل می‌شود. همچنین در صورتی که فرکانس بزرگتر باشد، قانون وین نتیجه می‌شود.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 18صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
مقدمه
این مقاله شامل سه بخش کلی می باشد که به ترتیب خاصی و به صورت تدریجی کنار یکدیگر قرارگرفته اند، قسمت اول تاریخچه کوتاهی را از کشف رادیواکتیویته بیان می کند که با معرفی چهاردانشمند با نام های هانری بکرل، ماری کوری، ارنست رادرفورد و پل اوریچ ویلارد همراه است، در قسمت اول تحقیق(تاریخچه) ارنست رادرفورد بیش تر مورد توجه و بوده و قسمتی از زندگی وی و تحقیقات او بیان شده است.
قسمت دوم این تحقیق به معرفی مواد پرتوزا، اصطلاحات راجع به این موضوع، ماهیت پرتوهای آلفا، بتا و گاما، واپاشی و قانون سدی می پردازد که سعی شده است درمورد همه مفاهیم و مباحث جزیی بحث و نتیجه گیری شود و بلاخره در قسمت سوم گفتار حاضر از تریتیم به عنوان یک عنصر رادیواکتیو نام برده شده، آن را معرفی کرده ایم، میزان خطرات آن و روش اندازه گیری خطرات را نیز بیان نموده ایم تا به عنوان یک مثال همه مفاهیم روی آن کار شود.
امیدوارم از خواندن این مقاله شیرین، لذت ببرید...
تاریخچه کشف مواد پرتوزا
هانری بکرل، دانشمند فرانسوی، زمانی که مشغول تحقیق بر روی مواد دارای خاصیت فسفرسانس بود متوجه شد که تاثیر نور مرئی و سنگ معدن اورانیوم(سولفات پتاسیم اورانیوم)برروی یک فیلم عکاسی بسته بندی شده همانند است( بعدها مشخص شد که سنگ معدن اورانیوم از خود پرتوهای آلفا و گاما گسیل کرده و چون پرتوهای گاما همان پرتوهای X پرانرژی هستند و از جنس نور یا امواج الکترومغناطیسی اند، بنابر این اورانیوم، چنین تاثیری بر روی فیلم عکاسی بسته بندی شده وی گذاشته)، در همین حین ماری کوری خاصیت پرتوزایی را کشف کرد و با تعداد محدودی ماده پرتوزا مانند پولونیم(فلز ضعیف) و رادیم(فلز قلیایی خاکی) آشنا گردید و نام های کنونی چون رادیواکتیو(پرتوزا) یا رادیواکتیویته(پرتوزایی) را وی برگزید ومنتشر ساخت، در آن زمان، اطلاعات بشر در مورد این مواد بسیار کم بود و رادرفورد در پی اکتشافات تازه ای درمورد این مبحث نوین بود.
ارنست رادرفورد در سال 1895 به “آزمایشگاه کاوندیش” دانشگاه کمبریج آمد تا در آنجا تحت مدیریت “جی.جی امسون” مشغول به کار شود، تامسون که استاد فیزیک تجربی بود، رادرفورد را فعالانه در آزمایشگاه به کار گرفت، رادرفورد در اوایل کار تحقیقاتی خود با انجام آزمایشی که فکر آن از خود وی بود دو تابش رادیواکتیو ناهمانند شناسایی کرد، او پی برد که بخشی از تابش با برگه ای به ضخامت یک پانصدم سانتی متر قابل ایستادن بود اما برای متوقف کردن بخش دیگر برگه های بس ضخیم تری لازم بود. او اولین اشعه ای را که تابشی با بار الکتریکی مثبت و یونیزه کننده ای قوی بود و به سهولت در مواد جذب می شد اشعه آلفا نام داد. اشعه دوم را که تابشی با بار الکتریکی منفی بود و تشعشع کمتری ایجاد می کرد اما قابلیت نفوذ آن در مواد زیاد بود را اشعه بتا نامید. تابش نوع سومی که شبیه پرتوهای ایکس بود، در سال 1900 بوسیله پل اوریچ ویلارد (فیزیکدان فرانسوی) کشف شد، این پرتو نافذترین تابش را داشت. طول موج آن بسیار کوتاه و فرکانس آن فوق العاده زیاد بود تابش جدید، پرتو گاما نام گرفت. رادرفورد و همکارانش کشف کردند که فعالیت تشعشعی طبیعی مشهود در اورانیوم: فرآیند خروج ذره آلفا از هسته اتم اورانیوم بصورت یک هسته اتم هلیم و بر جای ماندن اتمی سبکتر از اتم اورانیوم در اورانیوم به ازاء هر خروج ذره آلفا از آن است از کشف آنها نتیجه گیری شد که رادیوم تنها عنصر از شرته عناصر حاصل از فعالیت تشعشعی اورانیوم است.
رادرفورد در سال 1904 نخستین کتاب خود به نام فعالیت تشعشعی را که امروزه از کتب کلاسیک نوشته شده در آن زمینه شناخته می شود را منتشر کرد و به سرعت دست به کار تدوین نظریه های تازه در باره ساختار اتم شد. آن دوره پر ثمرترین دوره زندگی دانشگاهی او بود رادرفورد به پاس کوشش های علمی خود در دانشگاه منچستر نشان ها و جوایز زیادی دریافت کرد که دریافت جایزه نوبل سال 1907 در شیمی نقطه اوج آن بود. این نشان افتخار را البته برای کارهایی که در کانادا در زمینه فعالیت تشعشعی عناصر کرده بود به او دادند، بزرگترین دستاورد رادرفورد در دانشگاه منچستر کشف ساختار هسته اتم بود پیش از رادرفورد اتم به گفته خود او یک موجود نازنین سخت و قرمز و یا به حسب سلیقه خاکستری بود اما اینک یک منظومه شمسی بسیار ریز متشکل از ذرات بی شمار بود که مظنون به نهفته داشتن اسرار ناگشوده متعدد دیگر در سینه هم بود.
رادرفورد در سال 1937 در اثر یک فتق محتقن(گونه ای تورم ناشی از انسداد اعضای درونی) در گذشت او در آن هنگام 66 ساله و هنوز سرزنده و قوی بود سهم رادرفورد در شکل گیری درک کنونی ما از ماهیت ماده از هر کس دیگری بیشتر است و به همین علت، او را پدر انرژی هسته ای نامیده اند.
ماده پرتوزا چیست؟
ماده پرتوزا ماده ای است که طی یکسری فعل و انفعالات خاص در هسته ی اتم های خود، پرتوها یا تابش های خاصی را گسیل می کند، همه مواد طبیعی یا مصنوعی قابلیت پرتوزایی ندارند و این قابلیت فقط در موادی مشاهده می شود که هسته ای ناپایدار دارند و برای تبدیل شدن به یک ترکیب پایدار از خود پرتوهایی را گسیل
می کنند.
تابش های هسته ای به طور کلی به سه دسته ی پرتوهای آلفا، بتا و گاما تقسیم می گردند. هر ماده ی رادیواکتیو پرتوهای مشخصی را گسیل می کند، به طور مثال: هسته اتم های رادیوکربن و رادیو استرانسیوم پرتو بتا گسیل می کنند، هسته های رادیوکبالت پرتوی بتا و پرتوی گاما تشعشع می کنند و هسته های رادیوم و اورانیوم پرتو آلفا و پرتوی گاما گسیل می کنند، بنابر این می توان نتیجه گرفت که هر ماده ای قابلیت پرتوزایی ندارد و موادی که قابلیت پرتوزایی دارند، از بین پرتوهای آلفا، بتا و گاما فقط تعداد خاص و مشخصی را گسیل می کنند و همانطور که در مثال های گذشته اشاره شد، به طور مثال، هسته های رادیوکبالت پرتوهای بتا ساطع می کنند و این هسته ها قابلیت صادرکردن پرتوهای آلفا و گاما را ندارند و در گسیل تابش های هسته ای محدود می باشند.
مواد رادیو اکتیو شامل دو دسته هستند:
ا- ماده پرتوزای طبیعی و 2- ماده پرتوزای مصنوعی
ماده پرتوزای طبیعی آن دسته از مواد پرتوزا است که در طبیعت به صورت ذاتی وجود دارند و انسان در به وجود آمدن آن ها هیچ نقشی ندارد.
و ماده پرتوزای مصنوعی آن دسته از مواد پرتوزا را شامل می شود که ساخته دست انسان هستند و برای تولید آن ها، انسانی تلاش کرده است.
این نوع دسته بندی در برخی کتب جزو قوانین سدی بیان شده است(مانند کتاب شیمی عمومی تالیف غلامرضا قاضی مقدم، توضیحات بیش تر در فسمت منابع) اما در برخی دیگر به صورت مجزا آمده است.
پرتوهای آلفا، بتا و گاما دارای جنس، بارالکتریکی، قدرت نفوذ و انرژی متفاوتی هستند و منشا و مبدا هرکدام نیز ممکن است متفاوت باشد.
در واکنش های هسته ای ماده ای که پرتو گسیل می کند را ماده مادر یا ماده اولیه می نامند و فرآورده یا آن ماده ای که پس از واپاشی بر جای می ماند را ماده دختر
می نامند.
نیمه عمر مواد رادیواکتیو، یک عنصر، مدت زمانی است که طول می کشد تا یک ماده پرتوزا نیمی از قدرت خود را از دست بدهد، به طور مثال نیمه عمر کربن-14 حدود 5600 سال می باشد یا اورانیم 238 دارای نیمه عمر 5 میلیارد سال است، یعنی 5 میلیارد سال طول می کشد تا اورانیوم 238 نیمی از خاصیت رادیواکتیویته خود را از دست دهد، پس بنابراین یک عنصر اورانیوم 238 حدود 10 میلیار سال طول می کشد تا به طور کلی خاصیت رادیواکتیویته خود را از دست دهد.
از آنجایی که مواد پرتوزا قابلیت نفوذ در بافت های زنده را نیز دارند، بنابر این میزان تابش های هسته ای اطراف ما همواره می بایست آزمایش و بررسی شوند که این کار(اندازه گیری میزان پرتوهای الفا، بتا و گاما در اطراف زندگی) توسط دستگاهی به نام گایگر-مولر اندازه گیری می شود که این نام از نام سازندگانش اقتباس شده است.
ماهیت پرتوهای آلفا، بتا و گاما
هر سه نوع تابش هسته ای دارای خصوصیات متفاوتی نسبت به یکدیگر هستند و مشخصه ای ویژه خود دارند که برخی مشخصات بارز آنها را پی میگیریم:
در مقایسه ی قدرت نفوذ پرتوهای آلفا و بتا و گاما رادرفورد مشاهده نمود که:پرتوهای آلفا توسط ورقه ای از کاغذ متوقف می شوند و قابلیت نفوذ درون ورقه کاغذ را ندارند یا به عبارت دیگر نمی توانند از کاغذ عبورکنند. پرتوهای بتا از ورقه ی کاغذی عبور کرده اما در برخورد با ورقه ی آلومینیومی با ضخامت 1.16 اینچ متوقف می شوند و بلاخره پرتوهای گاما که قابلیت نفوذ در یک دیوار بتونی ضخیم را دارا
می باشد اما نمی توانند از ورقه ای سربی با ضخامت بسیار زیاد عبورکنند، بنابراین از این مشاهدات می توان نتیجه گرفت که پرتوهای آلفا قدرت نفوذی کم تر از پرتوهای بتا و پرتوهای بتا قدرت نفوذی کم تر از پرتوهای گاما دارند. در بین تابش های هسته ای پرتوهای گاما دارای قدرت نفوذ بیش تری هستند اما ذکر این نکته لازم است که نافذترین پرتوهای جهان، پرتوهای کیهانی هستند که قابلیت نفوذ در یک کوه را نیز دارند و به طور نامحسوسی همواره از اعماق میان ستاره ای یا شراره های خورشید زمین را بمباران می کنند و در اعماق زمین نفوذ می کنند.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 10 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید