نوکلئون چیست؟ – به زبان ساده

۱۵۱ بازدید
آخرین به‌روزرسانی: ۲۶ اردیبهشت ۱۴۰۳
زمان مطالعه: ۱۷ دقیقه
نوکلئون چیست؟ – به زبان ساده

در مطالب قبلی با ساختار اتم و اجزای آن بر اساس مدل کوانتومی آشنا شدیم و دیدیم که اتم‌ها از دو بخش مهم به نام هسته و ابر الکترونی دور آن ساخته می‌شوند. خود هسته نیز شامل دو ذره، به نام‌های پروتون و نوترون است. بهتر است مطالعه هسته را به کمک یک ذره انجام دهیم که آن ذره «نوکلئون» (Nucleon) نام دارد. نوکلئون همان پروتون یا نوترون داخل هسته است و تعداد نوکلئون‌های هسته، عدد جرمی اتم است. در این مطلب از مجله فرادرس، ابتدا یاد می‌گیریم که نوکلئون چیست و چه تفاوتی با سایر ذرات داخل اتم مانند پروتون، نوترون و الکترون دارد. سپس با تشریح مفاهیمی مانند هسته و ایزوتوپ، توضیح می‌دهیم نوکلئون‌ها از چه ذراتی ساخته شده‌اند، نیروی بین آن‌ها چیست و چه تفاوتی با سایر نیروها دارد.

997696

نوکلئون چیست؟

به هر ذره‌ داخل هسته اتم مثل پروتون یا نوترون، نوکلئون گفته می‌شود. پس دو نوع نوکلئون داریم، پروتون با بار مثبت و نوترون بدون بار. نیروی جاذبه بین نوکلئون‌های هسته، نیروی هسته‌ای یا نیروی قوی نام دارد که باعث می‌شود هسته یک اتم از هم نپاشد. اینکه ذره داخل هسته پروتون باشد یا نوترون، روی اندازه این نیرو اثری ندارد. بنابراین علت نام‌گذاری نوکلئون روی پروتون و نوترون، مستقل بودن اندازه نیروی هسته‌ای از بار ذره داخل هسته است. تعداد نوکلئون‌های هسته با عدد جرمی اتم برابر است.

ذرات قرمز و طوسی به هم چسبیده شده - نوکلئون چیست
هسته‌ شامل دو نوع نوکلئون

یکی از مباحث مهم در مورد نوکلئون‌ها، نحوه برهم‌کنش آن‌ها با هم در داخل هسته است. این برهم‌کنش، نیروی هسته‌ای یا «برهم‌کنش قوی» (Strong Interaction) نامیده می‌شود. تا سال ۱۹۶۰، تصور بر این بود که نوکلئون خودش یک ذره بنیادی است و از ذرات کوچک‌تری ساخته نشده است. اما امروز می‌دانیم که هر نوکلئون، از سه «کوارک» (Quark) ساخته شده است. این سه کوارک دارای پیوندهایی هستند که منشا آن، برهم‌کنش قوی است. در بخش‌های بعدی راجع‌به کوار‌ک‌ها بیشتر توضیح خواهیم داد.

چند ذره رنگی داخل دو دایره قرار داده شده‌اند.
کوارک‌های سازنده هر نوکلئون

از منظر علم فیزیک، نوکلئون در نقطه‌ای قرار می‌گیرد که «فیزیک هسته‌ای» (Nuclear Physics) و «فیزیک ذرات» (Particle Physics) هم‌پوشانی دارند. در فیزیک ذرات، یک سری معادلات بنیادی مطرح شدند که خواص کوارک‌ها و برهم‌کنش قوی آن‌ها را توصیف می‌کنند. این معادلات توضیح می‌دهند که کوارک‌ها چگونه با هم پیوند دارند و پروتون‌ها و نوترون‌ها را تشکیل می‌دهند.

اما زمانی که چند نوکلئون کنار هم قرار می‌گیرند تا هسته یک اتم را شکل دهند، حل این معادلات از فیزیک ذرات خیلی پیچیده می‌شود. در این شرایط فیزیک هسته‌ای راه‌گشا خواهد بود. در فیزیک هسته‌ای، نوکلئون‌ها و برهم‌کنش‌های بین آن‌ها به کمک مدل‌های خاصی مطالعه می‌شوند. این مد‌ل‌ها می‌توانند در پیش‌بینی‌های مختلف رفتار هسته کمک کنند، مثلا اینکه آیا یک هسته خاص «واپاشی هسته‌ای» (Radioactive Decay) دارد یا خیر. در ادامه مطلب بیشتر توضیح خواهیم داد که نوکلئون چیست.

یادگیری نوکلئون با فرادرس برای دانش‌آموزان

پیش از اینکه توضیحات خود را در مورد هسته اتم شروع کنیم، اگر به دنبال یادگیری مفاهیم ساختار اتم و هسته بر اساس کتاب‌های درسی خود هستید، می‌توانید فیلم‌های آموزشی تهیه شده در فرادرس را به‌ترتیب زیر مشاهده کنید:

نام یک مجموعه آموزشی
  1. فیلم آموزش علوم تجربی هشتم بخش شیمی فرادرس
  2. فیلم آموزش شیمی پایه دهم فرادرس
  3. فیلم آموزش شیمی دهم حل سوالات امتحانات نهایی فرادرس
  4. فیلم آموزش فیزیک پایه دوازدهم فرادرس
  5. فیلم آموزش فیزیک دوازدهم مرور و حل تمرین فرادرس
  6. فیلم آموزش فیزیک دوازدهم نکته و حل تست کنکور فرادرس

هسته چیست؟

برای اینکه بهتر متوجه شویم نوکلئون چیست، لازم است ابتدا محیطی که نوکلئون در آن قرار دارد، یعنی هسته اتم را بشناسیم. برای اینکه درک بهتری از ابعاد هسته داشته باشیم، فرض کنید یک سانتی‌متر را به ۲۵ میلیارد قسمت مساوی تقسیم کنیم. در این صورت اندازه هر قسمت برابر با اندازه اتم خواهد شد. بنابراین احتمالا بتوانید حدس بزنید اندازه هسته چقدر کوچک‌تر است. اگر تمایل دارید مباحث مرتبط مانند ساختار اتم، جرم اتمی و ایزوتوپ‌ را بهتر بیاموزید، لینک فیلم آموزش شیمی یک پایه دهم فرادرس در ادامه آورده شده است:

مدارهای دایره‌ای حول چند ذره
تصویری از اتم و اجزای آن

«هسته» (Nucleus یا Nuclide) کوچک‌ترین و سنگین‌ترین بخش هر اتم است که از دو ذره به نام‌های پروتون و نوترون یا به عبارتی از نوکلئون‌ها ساخته می‌شود. عموما شکل هسته را یک دایره در نظر می‌گیرند. چون پروتون ذره‌ای با بار مثبت و نوترون ذره‌ای بدون بار است، بنابراین بار هسته در مجموع مثبت است که منشا آن نیز به نوکلئون‌های دارای بار مثبت یعنی پروتون‌ها باز‌می‌گردد. یک اتم در درجه اول با تعداد پروتون‌های هسته‌اش تعریف می‌شود.

پس می‌توانیم بگوییم کمیتی به نام عدد اتمی که برابر است با تعداد پروتون‌های هسته یک اتم یکی از مهم‌ترین و اولین کمیت‌ها در شناخت یک عنصر محسوب می‌شود. عدد اتمی را با Z نشان می‌دهیم. اهمیت بالای عدد اتمی در این است که تمام اتم‌های دارای عدد اتمی یکسان، خواص شیمیایی خیلی نزدیک به هم دارند. در جدول تناوبی عناصر نیز، به هر عدد اتمی یک جایگاه داده شده است.

حروف X و A و Z
نماد شیمیایی یک عنصر (X) و مشخصات آن

در شکل بالا محل قرارگیری عدد اتمی و عدد جرمی در کنار نماد شیمیایی یک عنصر نشان داده شده است. گفتیم بیشتر جرم اتم، در هسته آن است. جرم پروتون فقط ۰٫۱۳ درصد کمتر از جرم نوترون است. در جدول زیر، مقایسه جرم و بار برای دو ذره پروتون و نوترون انجام شده است (1e=1.6×1019 C1e=1.6\times 10^{-19} \ C). به اختلاف جرم خیلی کوچک این دو ذره مجددا توجه کنید:

نام ذرهجرم برحسب کیلوگرم (kg)بار الکتریکی برحسب کولن (C)
پروتون (p)1.6726×10271.6726\times 10^{-27} +1e+1e
نوترون (n)1.67496×10271.67496\times 10^{-27} 00

علت جرم بالای هسته، جرم بالای نوکلئون‌های آن در مقایسه با جرم الکترون‌های خارج از هسته است. بنابراین با اینکه بیشتر فضای اتم در اختیار الکترون‌ها است، اما در حقیقت الکترون‌ها بخش کوچکی از جرم اتم را تشکیل می‌دهند. در جدول زیر، مقادیر جرم و بار برای نوکلئون و الکترون به‌عنوان دو ذره که یکی در داخل هسته اتم و دیگری خارج از هسته اتم قرار دارد، آورده شده است:

نام ذرهجرم برحسب کیلوگرم (kg)بار الکتریکی برحسب کولن (C)
الکترون (e)9.11×10319.11\times 10^{-31} 1e-1e
نوکلئون1.67×10271.67\times 10^{-27} +1e+1e

ایزوتوپ چیست؟

پس از یادگیری هسته اتم و اجزای آن، برای اینکه بهتر متوجه شویم نوکلئون چیست، با یک مفهوم مهم در فیزیک هسته یعنی «ایزوتوپ» (Isotope) آشنا می‌شویم. در جدول تناوبی، هر عنصر توسط تعداد نوکلئون‌های داخل هسته و همچنین تعداد الکترون‌های دور آن از عنصر دیگر متمایز می‌شود. تعداد پروتون‌های اتم هر عنصر مشخص است و به همین ترتیب، تعداد الکترون‌ها نیز برای هر اتم خنثی مشخص است. اما تعداد نوترون‌های داخل هسته می‌تواند تغییر کند.

چند ذره داخل مدار دایره‌ای شکل
تفاوت ایزوتوپ‌های مختلف یک عنصر، در تعداد نوترون‌ها است.

اتم‌هایی که دارای تعداد پروتون‌های برابر ولی تعداد نوترون‌های نابرابر باشند، ایزوتوپ نامیده می‌شوند. این اتم‌ها خواص شیمیایی مشابهی دارند، اما در جرم و خواص فیزیکی متفاوت‌اند. ایزوتوپ‌ها می‌توانند پایدار یا ناپایدار باشند، یعنی برخی ایزوتوپ‌ها تابش می‌کنند و برخی دیگر نه. اگر ایزوتوپی ناپایدار باشد و تابش کند، «رادیوایزوتوپ» (Radioisotope) نامیده می‌شود.

با توجه به تعریفی که برای ایزوتوپ ارائه شد، عدد اتمی ایزوتوپ‌های یک عنصر شبیه هم است و حتی موقعیت در جدول تناوبی نیز برای آن‌ها یکی است. اما جرم اتمی ایزوتوپ‌های یک عنصر، با هم فرق دارد. پس هر عنصر شیمیایی دارای یک یا چند ایزوتوپ است و خواص مختلف ایزوتوپ‌های یک عنصر، به جرم آن بستگی دارد.

سه مدار دایر‌ه‌ای که داخل هر کدام چند ذره است.
سه ایزوتوپ هیدروژن

برای مثال، عدد اتمی هیدروژن برابر با یک است، اما دارای سه ایزوتوپ است. یعنی همان‌طور که در شکل بالا مشاهده می‌کنید، سه هسته با یک پروتون برای هیدروژن وجود دارد که هر هسته به‌ترتیب شامل صفر، یک و دو عدد نوترون است. هر سه ایزوتوپ هیدروژن در جدول تناوبی فقط یک جایگاه را اشغال می‌کنند که متناظر است با عنصری با عدد اتمی یک. در ادامه این بخش، در مورد تاریخچه کشف هسته و ذرات آن توضیحات مختصری را ارائه می‌کنیم تا درک بهتری از تعریف نوکلئون به‌دست آورید.

کشف هسته

در ادامه یادگیری خود راجع‌به اینکه نوکلئون چیست، در این بخش کمی در مورد تاریخچه کشف هسته و اجزای آن، یعنی پروتون و نوترون یا نوکلئون صحبت می‌کنیم. در سال ۱۹۱۱، فیزیک‌‌دانی به نام «ارنست رادرفورد» (Ernest Rutherford) متوجه شد در مرکز اتم بخشی به نام هسته وجود دارد که ۱۰۰۰۰ برابر از خود اتم کوچک‌تر است. در آزمایش‌های رادرفورد، با بمباران اتم‌های نیتروژن توسط ذرات آلفا، اتم‌های اکسیژن به همراه یون‌های هیدرژون تولید شدند. او خیلی زود فهمید که این یون‌های هیدروژن نشان‌دهنده ذره جدیدی به نام پروتون هستند.

نقاشی از ارنست رادرفورد
ارنست رادرفورد

به این ترتیب اساسی‌ترین جز سازنده هسته اتم، یعنی پروتون به‌عنوان ذره‌ای با علامت بار مثبت و اندازه باری مساوی با اندازه بار الکترون کشف شد. همچنین مشخص شد که تعداد پروتون‌های داخل هسته با تعداد الکترون‌هایی که دور هسته می‌چرخند، برابر است و در نتیجه اتم از لحاظ الکتریکی خنثی است.

یک محفظه قرمز برای وارد کردن پرتوی از ذرات که در خروجی آن میکروسکوپ قرار دارد.
بخشی از آزمایش رادرفورد و کشف پروتون

در مشاهدات بعدی، دانشمندان متوجه شدند که جرم هسته بیشتر اتم‌ها تقریبا دو برابر جرم پروتون‌های داخل آن است. این مسئله باعث شد رادرفورد این نظریه را مطرح کند که احتمالا هسته اتم دارای ذرات بدون بار دیگری با جرمی اندازه جرم پروتون است. رادرفورد نتوانست این نظریه خود را ثابت کند اما در سال‌های بعد، همکارش «جیمز چادویک» (James Chadwick) نوترون را کشف کرد. به این ترتیب نوترون به‌عنوان ذره‌ای با جرم مشابه جرم پروتون اما بدون بار، ذره دیگری است که هسته را می‌سازد.

نیروی بین نوکلئون‌ها چیست؟

تا این‌جا یاد گرفتیم که نوکلئون چیست و چه جایگاهی در هسته دارد. ممکن است این سوال برای شما مطرح شود، با توجه به اینکه هسته اتم شامل تعدادی ذره با بار مثبت و تعدادی ذره بدون بار است، آیا دافعه بین این ذرات مثبت نباید باعث از هم پاشیدن هسته شود؟ آیا بین پروتون‌های مثبت داخل هسته نیروهای الکتریکی وجود ندارند؟

تصویری از دو ذره قرمز و یک ذره زرد به هم چسبیده
نیروهای بین نوکلئون‌ها

از فیزیک الکتریسیته و قانون کولن یاد گرفته‌ایم که ذرات دارای بار الکتریکی هم‌نام یا هم‌نوع، به هم دیگر نیروی الکتریکی از نوع دافعه وارد می‌کنند. پس انتظار داریم بین پروتو‌ن‌های داخل هسته نیروی دافعه الکتریکی وجود داشته باشد و این دافعه موجب ناپایداری هسته شود. اما هسته از این نظر پایدار است. بنابراین احتمالا در داخل هسته نیرویی وجود دارد که با این نیروی الکتریکی مقابله می‌کند و آن، نیروی هسته‌ای است.

هیدکی یوکاوا کنار تخته در حال تدریس
هیدکی یوکاوا

این نیرو که به برهم‌کنش یا نیروی قوی هم معروف است، برای اولین بار در سال ۱۹۳۵ توسط دانشمند ژاپنی به نام «هیدکی یوکاوا» (Hideki Yukawa) توصیف شد. اندازه‌ این نیروی جاذبه بین نوکلئون‌های هسته، ۱۰۰ برابر بزرگ‌تر از اندازه نیروی دافعه الکتروستاتیکی بین پروتون‌ها است. نحوه عمل نیروی هسته‌ای به این صورت است که هر نوکلئون فقط به نزدیک‌ترین نوکلئون مجاورش در هسته، نیروی جاذبه وارد می‌کند. بنابراین نیروی هسته‌ای، نیروی جاذبه بین نوکلئون‌ها است.

دو مجموعه ذرات قرمز و سفید به هم چسبیده
نیروی هسته‌ای قوی (سمت راست) و نیروی الکتروستاتیکی (سمت چپ) داخل هسته

اندازه نیروی قوی به بار نوکلئون‌ها بستگی ندارد و اندازه نیروی قوی بین هر دو نوکلئون با اندازه نیروی قوی بین جفت دیگر برابر است، یعنی فرقی ندارد نیروی بین دو پروتون را در نظر بگیریم، یا نیروی بین دو نوترون یا یک پروتون و یک نوترون را. پس لزوم نام‌گذاری پروتون و نوترون در قالب نوکلئون اینجا مشخص می‌شود. در واقع از دیدگاه نیروی هسته‌ای تفاوتی ندارد ذارت داخل هسته اتم چه باری داشته باشند و پروتون باشند یا نوترون.

تصویری از نیروگاه هسته‌ای در غروب

بنابراین در این مباحث، تمام ذرات داخل هسته شامل نوترون و پروتون با یک ذره به نام نوکلئون شناخته می‌شوند. گفته بودیم که هسته ابعاد خیلی کوچکی دارد، پس نیروی هسته‌ای فقط در فواصل خیلی کوتاه یعنی در ابعاد هسته عمل می‌کند. از طرفی چون نیروی هسته‌ای کوتاه‌برد است، بنابراین اندازه آن بسیار قوی است. اگر این نیرو از هسته خارج شود، انرژی هسته‌ای نامیده می‌شود که به دلیل قدرت فوق‌العاده بالای آن، در ساخت بمب‌های هسته‌ای کاربرد دارد.

نیروی هسته‌ای قوی یا نیروی قوی، یکی از چهار نیروی بنیادی در طبیعت محسوب می‌شود و ذرات کوچک‌تری به نام کوارک‌ها را به هم پیوند می‌دهد تا ذرات زیراتمی آشناتر برای ما، مانند پروتون‌ها یا نوترون‌ها را بسازد. داخل هسته به‌جز نیروی هسته‌ای قوی و نیروی دافعه الکتروستاتیکی، نیروی هسته‌ای ضعیف و نیروی گرانشی هم وجود دارد. اما اندازه این دو نیرو بسیار کوچک است.

چند نیرو بین ذرات مختلف
چهار نیروی بنیادی طبیعت و مقایسه قدرت این نیروها

در شکل بالا مشاهده می‌کنید که نیروی گرانشی در مقایسه با نیروی هسته‌ای قوی، نیروی ضعیفی محسوب می‌شود. همچنین نیروی هسته‌ای ضعیف یا نیروی ضعیف نیرویی است که در فرآیندهایی مانند واپاشی بتا دیده می‌شود. برخلاف نیروی قوی که همیشه جاذبه است، نیروی هسته‌ای ضعیف جاذبه یا دافعه است. نیروهای الکترومغناطیسی نیز شامل نیروهای الکتریکی و نیروهای مغناطیسی هستند که توضیح دادیم در هسته فقط نیروی الکتریکی داریم و به چه شکل عمل می‌کند.

گلوئون چیست؟

می‌خواهیم دقیق‌تر یاد بگیریم که ماهیت نیروی بین هر دو نوکلئون چیست. برخلاف نیروهای الکترومغناطیسی و نیروی گرانشی که توسط قانون کولن و قانون گرانش نیوتن فرمول‌بندی و ساده شدند، فرمول یا قاعده ریاضی خاصی برای توصیف نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف وجود ندارد. طبق مدل استاندارد ذرات، نیروهای هسته‌ای بر اثر تبادل ذره‌ای به نام «گلوئون» (Gluon) به وجود می‌آیند. گلوئون از کلمه glue به معنای چسب گرفته شده است و دقیقا چنین کارکردی دارد.

چندین ذره آبی و سبز و چند فنر قرمز داخل یک زمینه گرد صورتی
عملکرد نیروی هسته‌‌ای از طریق تبادل گلوئون

این ذره در قالب نیروی هسته‌ای باعث می‌شود ذرات هسته علی‌رغم نیروی دافعه بین بارهای مثبت، در کنار هم قرار باقی بمانند. اگر بخواهیم برای گلوئون یک همتا پیدا کنیم، می‌توانیم فوتون را مثال بزنیم. همان‌طور که فوتون میانجی‌گر نیروی الکترومغناطیسی است، گلوئون هم واسطه نیروی هسته‌ای است. طبق شکل بالا، نیروی هسته‌ای با تبادل گلوئون بین ذرات سازنده نوکلئون‌ها یعنی کوارک‌ها عمل می‌کند. در بخش‌های بعد در مورد کوارک‌ها بیشتر توضیح می‌دهیم.

واپاشی هسته

در بخش گذشته یاد گرفتیم منشا نیروی بین نوکلئون چیست. در این بخش می‌خواهیم تفاوت دو نیروی مهم داخل هسته، یعنی نیروی دافعه الکتریکی بین پروتون‌ها و نیروی هسته‌ای قوی بین نوکلئون‌ها را دقیق‌تر بیان کنیم و ببینیم عدم‌تعادل این دو نیرو چه آثاری روی هسته خواهد داشت.

نیروی الکتروستاتیکی برخلاف نیروی هسته‌ای یک نیروی بلندبرد است، به این معنا که هر پروتون داخل هسته به پروتونی که لزوما مجاورش نیست، نیروی دافعه وارد می‌کند. پس هر پروتون، تمام پروتون‌های دیگر داخل هسته را دفع می‌کند. اما نیروی هسته‌ای کوتاه‌برد است، یعنی هر نوکلئون فقط به نوکلئون مجاور خود نیروی جاذبه وارد می‌کند.

دو مجموعه ذره به یک ذره بزرگ سبز تبدیل شده‌اند.
تفاوت نیروها در هسته بزرگ و هسته کوچک

علی‌رغم اینکه گفتیم نیروی هسته‌ای خیلی قوی‌تر از نیروی الکتریکی است، اگر تعداد پروتون‌های هسته افزایش یابد (هسته‌های بزرگ)، اندازه نیروی الکتریکی از نیروی هسته‌ای بیشتر می‌شود و هسته ناپایدار است. در این موقعیت برای اینکه هسته پایدار بماند، باید تعداد نوترون‌هایش زیاد شود. معمولا چنین هسته‌هایی خود به خود واپاشی یا پرتوزایی می‌کنند. طبق آزمایش‌، معمولا هسته‌هایی که عدد اتمی بزرگ‌تر از ۸۳ دارند، قطعا ناپایداراند. در مطلب «واپاشی پرتوزا (Radioactive Decay) — به زبان ساده» از مجله فرادرس، انواع واپاشی هسته‌های ناپایدار و ذرات تولید شده طی این فرآیندها، به‌صورت خلاصه توضیح داده شده است.

انرژی بستگی نوکلئون

در بخش قبل به این موضوع که نیروی بین هر دو نوکلئون چیست، کاملا پرداخته شد. نکته جالبی که در مورد هسته وجود دارد این است که جرم هسته از مجموع جرم‌ نوکلئون‌های تشکیل‌دهنده آن کمتر است. این در حالی است که انتظار داریم جرم هسته دقیقا با مجموع جرم‌های اجزای سازنده‌اش یعنی نوکلئون‌ها یا نوترون‌ها و پروتون‌ها برابر باشد. این پدیده «کاستی جرم هسته» نام دارد و با مفهومی به نام «انرژی بستگی» (Binding Energy) شناخته می‌شود.

ذرات سبز به هم چسبیده از هم جدا شده‌اند.
نوکلئون‌های جدا شده از هم و مفهوم انرژی بستگی هسته

برای محاسبه انرژی بستگی، از رابطه معروف «انیشتین» (Einstein) برای بیان ارتباط جرم و انرژی در نظریه نسبیت خاص استفاده می‌شود. اگر این اختلاف جرم جزئی را با m \triangle m نشان دهیم و آن را در رابطه انیشیتن قرار دهیم، برای انرژی بستگی خواهیم داشت:

mc2 \triangle mc^2

در این رابطه c برابر است با سرعت نور در خلا با مقدار 3.8×108 ms3.8\times 10^{8} \ \frac{m}{s}. با ضرب شدن این مقدار کم اختلاف جرم در عدد بزرگی به صورت c۲، قطعا مقدار انرژی بستگی بزرگ خواهد شد. درواقع، این رابطه بیان می‌کند که اگر ذرات یک هسته از هم جدا شوند، انرژی لازم برای جداسازی این ذرات جزئی از جرم آن‌ها خواهد شد. پس انرژی بستگی هسته یا مقدار انرژی لازم برای جدا کردن نوکلئون‌های یک هسته، مقدار بسیار بزرگی است. به عبارت دیگر، این اختلاف جرم اندک با انرژی خیلی بزرگی معادل است.

کوانتیدگی انرژی نوکلئون‌ها

در بخش قبل متوجه شدیم که انرژی بستگی نوکلئون چیست. انرژی نوکلئون‌ها به‌صورت یک سری بسته‌های مجزا یا کوانتیده است. اگر از مطالعه ساختار اتم به خاطر داشته باشید، برای اولین بار در مدل بور نظریه کوانتش ترازهای انرژی الکترون‌های دور هسته مطرح شد. در داخل هسته هم وضعیت مشابهی برقرار است. پس نوکلئون‌های داخل هسته نمی‌توانند هر مقدار انرژی دلخواهی داشته باشند، بلکه دارای مقادیر انرژی معین و مجزا هستند.

مفهوم مشابه دیگری که مانند الکترون‌ها برای نوکلئون‌های درون هسته هم صادق است، برانگیختگی به ترازهای با انرژی بالاتر است. نوکلئون‌ها می‌توانند با جذب انرژی به ترازهای انرژی بالاتر بروند و در نتیجه هسته برانگیخته شود. معمولا هسته برانگیخته را با درج علامت ستاره در بالای نماد شیمیایی آن مشخص می‌کنند. به همین صورت، یک هسته برانگیخته نیز با گسیل یک فوتون انرژی به حالت پایه برمی‌گردد.

چند ذره به هم چسبیده به یک هسته کوچک‌تر و یک فوتون انرژی تبدیل شده‌اند.
هسته برانگیخته مادر با گسیل یک فوتون گاما، به هسته پایه تبدیل می‌شود.

پس تا اینجا مفهوم ترازهای انرژی و برانگیختگی برای ذرات خارج هسته اتم یعنی الکترون‌ها و ذرات داخل هسته اتم یعنی نوکلئون‌ها مشابه بود. ولی یک تفاوت بزرگ در انرژی‌های لازم برای برانگیختگی ترازهای انرژی این دو ذره وجود دارد. اختلاف بین ترازهای انرژی الکترون‌ها در اتم از مرتبه الکترون‌ولت (eV) است، در حالی که اختلاف بین ترازهای انرژی نوکلئون‌ها از مرتبه کیلوالکترون‌ولت (keV)‌ تا مگاالکترون‌ولت (MeV) است.

نوکلئون از چه ساخته می‌شود؟

تا این بخش از مطلب نوکلئون چیست، چند بار تکرار شد که نوکلئون‌ها از ذرات کوچک‌تری به نام کوارک ساخته می‌شوند. در این بخش می‌خواهیم ببینیم کوارک چیست، تفاوت نوکلئون‌ها از نظر اجزای سازنده آن‌ها یعنی کوارک‌ها به چه صورت است و کوارک‌ها چگونه کنار هم قرار می‌گیرند تا یک نوکلئون ساخته شود.

سه ذره با رنگ قرمز آبی و سبز
کوارک‌های بالا و پایین سازنده یک نوکلئون

هر نوکلئون یک ذره ترکیبی است، به این معنا که از ذرات کوچکتری به نام کوارک ساخته می‌شود. کوارک‌ها انواع مختلفی دارند، اما در این مبحث ما با کوارک‌های بالا (up) و کوارک‌های پایین (down) کار داریم. در شکل بالا مشاهده می‌کنید که این دو کوارک با علامت u و d نمایش داده شده‌اند. کوارک‌های بالا، سبک‌ترین کوارک‌ها محسوب می‌شوند و کوارک‌های پایین از نظر سبکی، در درجه دوم قرار می‌گیرند.

تفاوت اساسی دو نوع نوکلئون یعنی پروتون و نوترون، در ترکیب کوارک‌های سازنده آن‌ها است. این ترکیب شامل کوارک‌های بالا و پایین است. پروتون نوکلئونی است که از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین ساخته شده است، در حالی که نوترون نوکلئونی است که از یک کوارک بالا و دو کوارک پایین تشکیل می‌شود. بنابراین شکل بالا، مربوط به یک پروتون است.

چند دایره آبی، قرمز و نارنجی به هم چسبیده
کوارک‌های سازنده نوترون و پروتون

دیدیم که پروتون و نوترون یا به‌عبارتی نوکلئون‌ها، از نظر نوع اجزای سازنده شامل کوارک‌های بالا یا پایین هستند ولی تعداد هر کدام از این نوع کوارک‌ها در دو نوع نوکلئون متفاوت است. حالا می‌خواهیم ببینیم کوارک‌ها چگونه به هم متصل می‌شوند و نوترون یا پروتون را می‌سازند.

همان‌طور که در بخش نیروی هسته‌ای گفتیم، کوارک‌ها توسط نیروهای برهم‌کنش قوی یا ذرات واسطه‌ای به نام گلوئون‌ها به‌ هم متصل می‌شوند. گلوئون‌ها در واقع ذراتی هستند که بین کوارک‌ها مبادله می‌شوند و به این صورت آن‌ها را به هم پیوند می‌دهند. در شکل زیر گلوئون‌ها به شکل یک فنر بین هر دو کوارک، نمایش داده شده‌اند.

در دو زمینه دایره‌ای، چند ذره با فنر به هم وصل شده‌اند.
کوارک‌ها و گلوئون‌های هر نوکلئون

انواع نوکلئون چیست؟

در بخش‌های فهمیدیم که نوکلئون چیست و از چه ساخته می‌شود. طبق تعریف می‌توانیم بگوییم دو نوع نوکلئون داریم، پروتون و نوترون. پروتون آن نوکلئونی است که باردار است و نوترون نوکلئونی که بدون بار یا خنثی است. در این بخش می‌خواهیم تفاوت‌های این دو نوع نوکلئون را به‌خصوص با در نظر گرفتن اجزای سازنده آن‌ها یعنی کوارک‌، بیشتر بررسی کنیم.

نوکلئون‌ها به‌عنوان نمادی از ذرات داخل هسته و الکترون‌ها به‌عنوان ذرات خارج از هسته، در کنار هم اتم را می‌سازند. شباهت نوکلئون و الکترون در این است که هر دوی این ذارت دارای اسپینی به اندازه 12\frac{1}{2} هستند. به‌عبارت دیگر، هر دوی این ذارت یک «فرمیون‌» (Fermion) محسوب می‌شوند. بنابراین چون هر دو ذره فرمیون هستند، «اصل طرد پاولی» (Pauli Exclusion Principle) نیز برای هر دو صادق است.

چند ذره سفید و بنفش داخل چند مدار دایره‌ای
جایگاه نوکلئون‌ها و الکترون‌ها در یک اتم

اصل طرد پاولی بیان می‌کند که هیچ دو ذره فرمیونی نباید در حالت‌های کوانتومی کاملا یکسان قرار بگیرند. پس هیچ دو نوکلئونی در یک هسته اتمی، نمی‌توانند در حالت کوانتومی مشابهی باشند. شباهت‌های دیگر الکترون و نوکلئون را در بخش کوانتیگی انرژی یا برانگیختگی ترازهای انرژی این دو ذره توضیح دادیم.

نوترون چیست؟

آموختیم نوکلئون چیست و دیدیم که پروتون و نوترون هر دو به‌عنوان اجزای هسته یک اتم، نوعی نوکلئون محسوب می‌شوند. اما این ذارت می‌توانند خارج از هسته اتم و به‌صورت آزاد هم وجود داشته باشند. با اینکه نوترون‌های آزاد ناپایدار هستند و دارای نیمه‌عمری حدود ۱۳ دقیقه‌اند، اما کاربردهای فراوانی در قالب تابش نوترونی یا پراکندگی نوترون دارند.

یک اختلاف مهم پروتون و نوترون به‌عنوان دو نوع نوکلئون، این است که تمام اتم‌های یک عنصر لزوما دارای تعداد نوترون‌های برابری نیستند. در حالی که تمام اتم‌های یک عنصر حتما تعداد پروتون‌های برابری در هسته‌های خود دارند. همان‌طور که در بخش «ایزوتوپ چیست» توضیح دادیم، برابر نبودن تعداد نوترون‌های داخل هسته برای اتم‌های یک عنصر باعث می‌شود ایزوتوپ‌های عنصر را داشته باشیم. پس نوترون ذره‌ای پایدار که داخل اتم باقی بماند، نیست.

چند ذره صورتی و آبی در کنار هم قرار دارند.
محاسبه بار نوترون و پروتون بر اساس کوارک‌های سازنده

گفتیم نوترون از یک کوارک بالا و دو کوارک پایین ساخته می‌شود. یک کوارک بالا دارای بار الکتریکی با مقدار +23e+\frac{2}{3}e و یک کوارک پایین دارای بار الکتریکی با مقدار 13e-\frac{1}{3}e است. بنابراین اگر بخواهیم بار یک نوترون (n) را محاسبه کنیم، با نشان دادن کوارک بالا با up و کوارک پایین با down، خواهیم داشت:

qn=1×qup+2×qdown=1×(23e)+2×(13e)=0q_n=1\times q_{up} + 2 \times q_{down}=1\times(\frac{2}{3}e) +2\times(-\frac{1}{3}e)=0

در این رابطه q بار الکتریکی است که بر حسب کولن (C)‌ است و e اندازه بار الکترون است که برابر است با 1.6×10191.6\times 10^{-19} کولن. پس اندازه بار نوترون با توجه به چینش کوارک‌هایش صفر به‌دست آمد. همچنین در بخش «هسته چیست» گفته بودیم که اختلاف خیلی کوچکی بین جرم پروتون و نوترون وجود دارد. حالا که کوارک‌های تشکیل‌دهنده این دو ذره را شناخته‌ایم، احتمالا بتوانیم علت این اختلاف را تشخیص دهیم. اختلاف جرم پروتون و نوترون، به اختلاف جرم کوارک‌های بالا و پایین تشکیل‌دهنده این دو ذره بازمی‌گردد.

پروتون چیست؟

یاد گرفتیم که نوکلئون چیست و دیدم که یکی از انواع آن، پروتون است. در بخش «هسته چیست» با بخشی از خواص پروتون و نوترون آشنا شدیم. با توجه به کوارک‌های سازنده یک پروتون، برای پروتون (p) هم مشابه بخش قبل می‌توانیم اندازه بار را محاسبه کنیم:

qp=2×qup+1×qdown=2×(23e)+1×(13e)=+1eq_p=2\times q_{up} + 1 \times q_{down}=2\times(\frac{2}{3}e) +1\times(-\frac{1}{3}e)=+1e

پس بار پروتون برابر شد با بار الکترون، همان‌طور که از قبل می‌دانستیم. همچنین در این بخش می‌خواهیم ببینیم آیا پروتونی بدون پیوند با نوکلئون دیگر وجود دارد یا خیر.

یکی از نمونه‌های پیوند نداشتن پروتون با یک نوکلئون دیگر، در هسته اتم هیدروژن است. این نوع اتم هیدروژن، در واقع فراوان‌ترین ایزوتوپ هیدروژن به‌شمار می‌رود. در هسته اتم هیدروژن، یک پروتون فقط با یک الکترون پیوند دارند و می‌دانیم که الکترون، یک نوکلئون محسوب نمی‌شود. شرایط دیگری که در آن ممکن است یک پروتون پیوندی با نوکلئون دیگر نداشته باشد، در یون‌ها (Ions)‌ است یا در پرتوهای کیهانی (Cosmic Rays).

 

یادگیری نوکلئون با فرادرس برای دانشجویان

قبل از اینکه جمع‌بندی خود را در مورد اینکه نوکلئون چیست، ارائه کنیم، اگر علاقه‌مندید دانش خود را در زمینه مباحث فیزیک ذرات بنیادی و فیزیک هسته‌ای و در سطوح دانشگاهی ارتقا دهید، دیدن این فیلم‌های آموزشی تهیه شده در فرادرس را به شما پیشنهاد می‌کنیم:

نام یک مجموعه آموزشی
  1. فیلم آموزش شیمی عمومی ۱ و ۲ مرور و حل مساله فرادرس
  2. فیلم آموزش رایگان آشنایی با فیزیک اتمی و هسته ای فرادرس
  3. فیلم آموزش رایگان واکنش های هسته ای فرادرس
  4. فیلم آموزش رایگان مقدمات فیزیک ذرات بنیادی فرادرس
  5. فیلم آموزش فیزیک هسته‎ ای ۲ فرادرس
  6. فیلم آموزش مبانی فیزیک ذرات بنیادی فرادرس
  7. فیلم آموزش رایگان فیزیک هسته ای پیشرفته فرادرس
  8. فیلم آموزش رایگان معرفی رشته مهندسی هسته ای – دانشگاه، بازار کار و ادامه تحصیل فرادرس
  9. فیلم آموزش طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته NMR پیشرفته فرادرس

جمع‌بندی

در این مطلب از مجله فرادرس آموختیم که ذره‌ای به نام نوکلئون چیست و چه تفاوتی با سایر ذارت مانند الکترون دارد. نوکلئون به‌عنوان نمادی از تمام ذرات داخل هسته اتم، یعنی پروتون و نوترون است. نیروی بین نوکلئون‌ها در هسته اتم نیروی هسته‌ای قوی است و تعادل این نیرو با نیرو دافعه الکتریکی بین پروتون‌ها، باعث می‌شود هسته از هم نپاشد. نوکلئون‌ها از سه ذره کوچک‌تر به نام کوارک ساخته می‌شوند که ترکیب کوارک‌های سازنده پروتون با کوارک‌های سازنده نوترون متفاوت است.

آزمون نوکلئون

در انتهای مطلب نوکلئون چیست، اگر تمایل دارید میزان یادگیری خود را بیازمایید، می‌توانید به سوالات چهار گزینه‌ای آزمون زیر پاسخ دهید. پس از اتمام آزمون، با کلیک روی بخش «دریافت نتیجه آزمون» نمره نهایی قابل مشاهده است.

کدام یک از گزینه‌های زیر در داخل هسته یک اتم وجود ندارد؟

انرژی بستگی بین نوکلئون‌ها

نیروی دافعه الکتریکی بین پروتون‌ها

نیروی جاذبه قوی بین پروتون‌ها

نیروی گرانشی

شرح پاسخ

پاسخ صحیح گزینه اول است. همان‌طور که گفتیم داخل هسته نیروی الکتریکی دافعه بین پروتون‌ها، نیروی هسته‌ای قوی بین نوکلئون‌ها شامل دو پروتون یا دو نوترون یا یک پروتون و یک نوترون و همچنین نیروی‌ گرانشی وجود دارد.

ولی انرژی بستگی هسته مفهومی است که کاستی جرم هسته را توضیح می‌دهد، به این معنا که اگر در عمل بتوانیم اجزای یک هسته را کامل از هم جدا کنیم، باید انرژی بزرگی اندازه انرژی بستگی هسته به نوکلئون‌های سازنده هسته منتقل شود. پس این انرژی در هسته وجود ندارد.

چرا نوترون‌ها و پروتون‌های داخل یک هسته را نوکلئون نام‌گذاری کرده‌اند؟

چون اندازه بار نوترون و پروتون یکسان است.

چون جرم‌ نوترون و پروتون نزدیک به هم است.

چون نیروی هسته‌ای به بار ذره بستگی ندارد.

چون علامت بار نوترون و پروتون یک نوع است.

شرح پاسخ

گزینه سوم درست است. گزینه اول و آخر نه‌تنها علت این نام‌گذاری نیستند، بلکه کاملا اشتباه بیان شده‌اند. اندازه بار و علامت بار نوترون و پروتون یکسان نیست. نوترون ذره‌ای بدون بار است، در حالی که پروتون ذره‌ای با بار مثبت و اندازه بار 1e است. گزینه دو جمله درستی است و جرم این دو ذره خیلی به هم نزدیک است، اما علت نام‌گذاری نوکلئون این مسئله هم نیست.

نیروی هسته‌ای نیرویی است که اندازه آن به بار نوکلئون‌ها بستگی ندارد. یعنی نیروی قوی بین دو نوترون با نیروی قوی بین دو پروتون اندازه برابری دارد. به همین جهت نوترون و پروتون در قالب یک ذره به نام نوکلئون نام‌گذاری شدند تا مطالعات هسته روی یک ذره انجام شود.

کدام گزینه در مورد نیروی هسته‌ای قوی اشتباه است؟

نیروی‌ هسته‌ای قوی کوتاه‌برد است.

نیروی هسته‌ای قوی باعث پایداری هسته می‌شود.

نیروی هسته‌‌ای قوی از نیروهای مغناطیسی کوچک‌تر است.

نیروی هسته‌ای قوی از نیروی الکتروستاتیکی قوی‌تر است.

شرح پاسخ

گزینه سوم نادرست است. نیروی هسته‌ای قوی از تمام سه نیروی بنیادی دیگر در طبیعت، یعنی نیروهای الکترومغناطیسی، گرانشی و هسته‌ای ضعیف قوی‌تر است. نیروی مغناطیسی جز نیروهای الکترومغناطیسی محسوب می‌شود.

 اگر در هسته‌ای ۱۰ پروتون و ۱۱ نوترون وجود داشته باشد، تعداد نوکلئون‌های این هسته چقدر است؟

۱۰

۱۱

قابل محاسبه نیست، چون تعداد نوترون‌ها و پروتون‌ها در این هسته برابر نیستند.

۲۱

شرح پاسخ

پاسخ درست گزینه آخر است. تعداد نوکلئون‌ها برابر است با تعداد تمام پروتون‌ها و نوترون‌های هسته. پس باید مجموع p+n را محاسبه کنیم که ۲۱ می‌شود.

کدام گزینه صحیح است؟

تمام نوکلئون‌های داخل یک هسته به‌صورت دقیقی دارای جرم کاملا برابراند.

علت اختلاف جرم نوکلئون‌های داخل هسته این است که کوارک‌های سازنده نوترون‌ها و پروتون‌ها متفاوت‌اند.

همه نوکلئون‌ها دارای تعداد برابری از کوارک‌های بالا و پایین هستند.

همه نوکلئون‌ها از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین ساخته می‌شوند.

شرح پاسخ

گزینه دوم درست است. یک اختلاف جرم خیلی کوچکی بین جرم نوترون و جرم پروتون به‌عنوان دو نوع نوکلئون وجود دارد که به نوع کوارک‌های سازنده این دو ذره برمی‌گردد. در پروتون دو کوارک بالا داریم با بار ۲/۳، در حالی که در نوترون دو کوارک پایین داریم با بار ۱/۳. بنابراین گزینه اول اشتباه است، به‌خصوص اینکه از واژه دقیق هم استفاده شده است.

گزینه سوم و چهارم هم اشتباه هستند. دو نوع نوکلئون داریم، پروتون و نوترون که هیچ‌کدام تعداد برابری کوراک بالا و پایین ندارند. همچنین فقط پروتون است که از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین ساخته می‌شود، در حالی که نوترون از دو کوارک پایین و یک کوارک بالا تشکیل می‌شود.

کدام گزینه بیان‌گر برهم‌کنش نوکلئون-نوکلئون نیست؟

برهم‌کنش نوکلئون-نوکلئون همان نیروی هسته‌ای قوی است.

برهم‌کنش نوکلئون-نوکلئون همان نیروی هسته‌ای ضعیف است.

برهم‌کنش نوکلئون-نوکلئون کوتاه‌برد است.

برهم‌کنش نوکلئون-نوکلئون جاذبه است.

شرح پاسخ

فقط گزینه دوم جمله درستی نیست. برهم‌کنش نوکلئون-نوکلئون همان نیروی هسته‌ای قوی است که یک نیروی کوتاه‌برد در حد ابعاد هسته اتم و از نوع جاذبه محسوب می‌شود.

ذراتی که موجب تبادل نیروی هسته‌ای قوی داخل هسته می‌شوند، ... نامیده می‌شوند.

کوارک

گلوئون

نوکلئون

نوترون

شرح پاسخ

گزینه دوم صحیح است. نیروی هسته‌ای قوی داخل هسته، بین هر دو کوارک توسط ذرات میانجی به نام گلوئون عمل ‌می‌کند.

عدد جرمی اتم برابر است با:

تعداد پروتون‌های داخل هسته

مجموع تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های داخل هسته

تعداد نوکلئون‌های داخل هسته

گزینه دو و سه هر دو صحیح هستند.

شرح پاسخ

گزینه آخر درست است. می‌دانیم عدد جرمی A برابر است با n+p، یعنی مجموع تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های داخل هسته. از طرفی، این مجموع با تعداد نوکلئون‌های داخل هسته هم برابر است.

کدام یک از ذرات زیر نیروی قوی را حس نمی‌کند؟

الکترون

نوکلئون

کوارک

پروتون

شرح پاسخ

گزینه اول یعنی الکترون درست است. نیروی هسته‌ای قوی یا نیروی قوی نیرویی است که داخل هسته اتم عمل می‌کند و روی ذرات داخل هسته، مثل نوکلئون‌ها یا پروتون و نوترون عمل می‌کند. به‌صورت دقیق‌تر، این ذرات از کوارک ساخته شده‌اند و این نیرو روی کوارک‌ها اثر می‌کند. بنابراین الکترون‌ها که خارج از هسته اتم هستند، چنین نیرویی را دریافت نمی‌کنند.

نیروهایی که به‌ترتیب باعث پایداری هسته و اتم می‌شوند، کدام‌اند؟

نیروی هسته‌ای قوی بین نوکلئون‌ها و نیروی جاذبه الکتروستاتیکی بین الکترون‌ها و پروتون‌ها

نیروی هسته‌ای قوی بین پروتون‌ها و و نیروی جاذبه الکتروستاتیکی بین الکترون‌ها و پروتون‌ها

نیروی هسته‌ای قوی بین نوکلئون‌ها و نیروی دافعه الکتروستاتیکی بین پروتون‌ها

نیروی هسته‌ای قوی بین نوکلئون‌ها و نیروی دافعه الکتروستاتیکی بین الکترون‌ها

شرح پاسخ

گزینه اول درست است. پایداری هسته با توجه به وجود نیروی دافعه الکتروستاتیکی بین پروتون‌ها در هسته، با نیروی جاذبه هسته‌ای قوی که بین نوکلئون‌ها وجود دارد، برقرار می‌شود. پایداری اتم هم به خاطر نیروی جاذبه بین هسته با بار مثبت و الکترون‌های دور هسته با بار منفی است.

بر اساس رای ۰ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.
منابع:
WikipediaBritannicaEnergy EducationVedanta
نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *