ماده و پاد ماده

فرآيند جالبي تحت عنوان توليد زوج ماده - پاد ماده وجود دارد که از نظر اهميت و مفاهيم بنيادي بي نظير است. توليد و واپاشي زوج يک مثال بسيار بارز و عالي از تبديل انرژي به ماده  و بالعکس است. بررسي نظري اين پديده نخستين بار توسط ديراک در سال 1928 صورت گرفت. ديراک با حل معادله:

بصورت:

به جاي آنکه قسمت منفي انرژي را به دليل غير فيزيکي بودن آن کنار بگذارد، به پژوهش پيرامون پيامدهاي تمامي معادله پرداخت و به نتايج بسيار جالبي رسيد. به طور خلاصه ديراک با توجه به قسمت منفي رابطه ي بالا وجود پاد ماده را پيشگويي کرد. اگر اين پيشگويي درست مي بود، مي بايست براي ذره اي مانند الکترون، ذره ي ديگري وجود داشته باشد که حرم حالت سکون آن برابر جرم الکترون باشد. تجزيه تحليل ديراک چنين نشان مي داد که اين ذره بايد داراي بار الکتريکي مثبت باشد. چهار سال بعد، آندرسن اين ذره را در اشعه ي کيهاني کشف کرد و آن را پوزيترون ناميدند.بعدها در آزمايشگاه نيز با واپاشي فوتون زوج الکترون - پوزيترون توليد شد. فوتوني با انرژي زياد(فوتون گاما)، تمامي انرژي E=hv خود را در برخورد با هسته از دست مي دهد و يک زوج الکترون - پوزيترون مي آفريند. پوزيترون ذره اي است که کليه ي خواص آن با خواص الکترون يکسان است مگر بار الکتريکي و علامت گشاور مغناطيسي آن، زيرا بار الکتريکي پوزيترون مثبت است.

توليد زوج الکترون - پوزيترون

در فرآيند توليد زوج الکترون - پوزيترون اصولي بايد محفوظ بماند تا اين پديده روي دهد. اين اصول عبارتند از بقاي انرژي نسبيتي کل، بقاي اندازه حرکت و بقاي بار الکتريکي، زيرا فوتون از نظر الکتريکي خنثي است و مجموع بارهاي الکتريکي بعد از توليد نيز بايد صفر باشد.

در ارتباط با توليد زوج، فرايند معکوسي وجود دارد که نابودي زوج ناميده مي شود. يک الکترون و يک پوزيترون مجاور يکديگر، در هم ادغام مي شوند و به جاي آن انرژي تابشي به وجود مي آيد.

نابودي زوج

امروزه مشاهده ي توليد و واپاشي زوج الکترون - پوزيترون در آزمايشگاه يک پديده ي عادي بشمار مي رود. در سال 1955 براي نخستين بار زوجهاي پروتون- پاد پروتون و نوترون - پاد نوترون در آزمايشگاه آفريده شدند.

 توجه به نحوه ي توليد زوج الکترون – پوزيترون مي تواند در شناخت منشاء نيروي الکتريکي موثر باشد، بهمين دليل اين بحث مطرح شد. قبل از توليد زوج الکترون – پوزيترون، يک فوتون با انرژي بالا وجود داشت و فوتون نيز از نظر بار الکتريکي خنثي است. اما بعد از توليد زوج الکترون – پوزيترون، دو ذره ي باردار بوجود مي آيد که هر يک داراي يک ميدان الکتريکي مخالف هستند. اين فرايند را چگونه مي توان توجيه کرد؟ نمي توانيم از اين فرايند بسادگي بگذريم، زيرا نشانه هاي بسيار آشکاري وجود دارد که ما را در شناخت منشاء بار الکتريکي رهنمون شود.

فوتون و بار الکتريکي

 مي دانيم يک فوتون حامل دو ميدان الکتريکي و مغناطيسي عمود بر هم است. اما اين تنها کافي نيست که بتوانيم به نتيجه مورد نظر برسيم، بلکه بايد تاثير ميدان گرانشي را بر فوتون نيز مد نظر قرار دهيم و آنگاه با ديدي متفاوت همه ي اين موارد را جمع بندي کرده و نتيجه گيري کنيم. 

بياييد يکبار ديگر به رفتار فوتون در ميدان گرانشي توجه کنيم. در فصل دوم ديديم که يک فوتون داراي جرمي برابر:

m=hv/c²

است. بنابراين وزن اين فوتون در ميدان گرانشي زمين برابر خواهد شد با:

mg=(hv/c²)g

فرض کنيم فوتون در سقوط قائم بطرف زمين به فاصله yسقوط کند. در اينصورت طبق قانون بقاي انرژي خواهيم داشت:

 hv'=hv+mgy

شکل زير حرکت فوتون در حال سقوط در يک ميدان گرانشي را نشان مي دهد که با ورود گراويتونها به آن انرژي (جرم)، فرکانس و شدت ميدانهاي الکتريکي و مغناطيسي آن افزايش مي يابد.

در هر صورت آزمايش هاي انجام شده روي زمين هم نشان مي دهد که با سقوط فوتون در ميدان گرانشي، انرژي آن افزايش مي يابد و همين انرژي در توليد زوج الکترون – پوزيترون به دو بار الکتريکي مخالف مي گردد. حال فرايند را از اين منظر نگاه کنيد:

بار الکتريکي  <=  انرژي الکترومغناطيسي

بار الکتريکي مثبت + بار الکتريکي منفي <=    انرژي الکترومغناطيسي

در اين فرايند نکات قابل توجهي وجود دارد:

1 : گرانش از ذراتي تشکيل شده که داراي خواص الکتريکي هستند (بار – رنگ).

2- فوتون نیز از دو نوع بار-رنگ مثبت و منفی تشکیل می شود که تعداد آنها در ساختمان فوتون برابرند. بهمین دلیل فوتون از نظر الکتریکی خنثی است. شکل زیر:

3 - در فرايند توليد زوج ماده – پاد ماده، بار رنگ هاي منفي در کنار هم قرار مي گيرند و بار الکتريکي منفي را ايجاد مي کنند. بار – رنگ هاي مثبت نيز با هم ترکيب شده و بار الکتريکي مثبت را بوجود مي آورند. شکل زير:

هنگام تولید زوج ماده - پاد ماده بار-رنگهای مثبت با هم جمع شده و ذره ی باردار مثبت بوجود می آید.

هنگام تولید زوج ماده - پاد ماده بار-رنگهای منفی با هم جمع شده و ذره ی باردار منفی بوجود می آید

4 : علت ترکيب گراويتونها با يکديگر خاصيت بار – رنگي آنهاست. بهمين دليل خلا مي تواند انرژي توليد کند.

بار-رنگها دارای اسپین هستند و ذرات نیز دارای اسپین می باشند. فیلمهای زیر که توسط دوست عزیز آقای محمدرضا حسینی ساخته شده است، بخوبی بار-رنگها و اسپین آنها را در ساختمان فوتون و ذرات باردار نظیر الکترون و پوزیترون نشان می دهد. در مورد کوارکهای مثبت و منفی نیز بهمین ترتیب است. فیلمهای زیر با استفاده از Real Player قابل مشاهده است.

26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40