شیمیدان

شیمیدان

شیمیدان

شیمیدان

۳ مطلب با موضوع «شیمی پایه» ثبت شده است

۱۳
آبان ۹۵
روی لینک زیر کلیک راست در پنجره جدید باز کنید.

http://www.ptable.com/?lang=fa
۰ نظر موافقین ۰ مخالفین ۰ ۱۳ آبان ۹۵ ، ۲۰:۰۱
جابر انصاری
۱۱
آبان ۹۵

اسید سولفوریک

قبلا برای تعریف اسیدها از ویژگی های اسیدی استفاده می شد. اما با مفهوم جدیدی از اتم، تعریف متفاوتی از اسیدها به کار می رود. 


مهم ترین اسید صنعتی اسید سولفوریک می باشد.

سولفوریک اسید که در گذشته با نام جوهر گوگرد

خوانده می شد، اسیدی بسیار قوی است که با هر درصدی در آب حل می شود و فرمول شیمیایی آن H2SO4 است. پی اچ (pH) این اسید (0/5)  می باشد.
سولفوریک اسید برای نخستین بار توسط جابربن حیان کشف شد. او با تقطیر کانی های سولفات آهن  ، این اسید را به دست آورد.سولفات (II)ومس 

اسید سولفوریک، اسیدی معدنی و بسیار قوی است که به طور طبیعی در گازهای خارج شده از آتشفشان وجود دارد و با هر درصدی در آب حل می شود. واکنش آن با آب به شدت گرمازا است به همین دلیل باید از اضافه کردن یک باره  آب به آن اجتناب کرد. اسید سولفوریک میل ترکیبی زیادی با آب دارد به طوری که در واکنش با سایر مواد هیدروژن و اکسیژن آنها را با صورت آب جدا می کند. اسید سولفوریک خورنده است و قسمت عمده ای از باران اسیدی را تشکیل می دهد. 

قطرات آب به هنگام بارش با آلاینده های کارخانه ها و خودرو ها که در هوا معلق هستند واکنش می دهند و تولید اسید می کنند. اسید سولفوریک با فلزات واکنش می دهد و هر چه دما بالاتر رود میزان این واکنش بیشتر خواهد شد اما بر روی جیوه و سرب تاثیری ندارد. اسید سولفوریک در لیست مواد خطرناک قرار گرفته است.

می توان میزان صنعتی بودن کشور ها را با میزان تولید و مصرف اسید سولفوریک آنها متناسب دانست.
اسید سولفوریک از انحلال گاز SO3 در آب بدست می آید، البته روش های صنعتی زیادی برای تولید این اسید پر کار برد وجود دارد. (مانند روش مجاورت و روش اتاق های سربی)
همچنین این اسید را می توان به خیلی از اسید های دیگر تبدیل کرد، مانند نیتریک اسید، هیدروکلریک اسید،هیدروژن پروکسید و....

روش رایج تهیه آزمایشگاهی اسید هایی مانند نیتریک اسید(HNO3) و اسید کلریدریک (HCl)،اینگونه است که ابتدا مقداری سولفوریک اسید را در ظرف تقطیر ریخته، نمک با یون مورد نظر (یون کلرید،نیترات و...) را به آن اضافه کرده و بعد از بستن درب ظرف،آنرا حرارت می دهند و اسید مورد نظر را از آن طرف ظرف، جمع آوری میکنند.
مثلا، نمک خوراکی را با اسید سولفوریک ترکیب کرده و بعد از تقطیر، اسید هیدروکلریک تشکیل خواهد شد.

اسید سولفوریک یکی از مواد شیمیایی پر استفاده است. این ماده در واکنش های شیمیایی و فرآیندهای تولید سایر ترکیبات شیمیایی کاربرد بسیار زیادی دارد. 

کار برد این محصول در صنایع عبارتند از:

صنایع مهمات سازی، صنایع آبکاری، استخراج فلزات، سنتزهای شیمیایی، پالایشگاه های نفت، صنایع باطری سازی، صنایع شوینده، صنایع کشش کاری، صنایع تولید مواد شیمیایی، صنایع تصفیه روغن، صنایع تصفیه فاضلاب های صنعتی، صنایع نساجی، مواد شوینده، رنگ نقاشى و دیگر صنایع کاربرد دارد.

از مهم ترین استفاده های آن در تولید کودهای شیمیایی، صنایع شیمیایی ( ضدیخ ، حشره کش ها، دارویی، احیای آلومینیوم) صنعت آهن و فولاد، پاک کننده های مصنوعی، اسیدی کردن چاه های نفت، جداسازی مس با عیار کم، استخراج اورانیوم، چسب مصنوعی ( مواد رنگی (نایلون رنگی، جوهر تحریر و تهیه Tio2 از ایلمنیت) ابریشم مصنوعی و فیلم ( پارچه های ابریشمی، نخ اطراف تایر و فیلم های ژاسی)، صنایع کاغذ سازی ( دستمال کاغذی ، روزنامه، جعبه های مقوایی، کاغذ تحریر و سایر مقواها)، مواد منفجره را می توان نام برد. اسید سولفوریک در واکنش با اسید نیتریک، یون نیترونیوم را تولید می کند که در فرآیند نیترودار کردن بسیاری از ترکیبات دیگر استفاده می شود.

فرآیند نیترودار کردن در صنایع تولید مواد منفجره مانند تولید تری نیتروتولوئن، نیتروگلیسیرین و... استفاده می شود.
اسید سولفوریک در انباره های سربی مانند باتری ماشین به عنوان محلول الکترولیت استفاده می شود. اسید سولفوریک ، یک عامل آبگیری بسیار قوی نیز می باشد. 

در اکثر واکنش ها به عنوان عامل هیدراتاسیون استفاده می شود و در تولید میوه های خشک هم به میزان کم، از اسید سولفوریک برای جذب آب موجود استفاده می کنند.
از دیگر کاربردهای این اسید میتوان به کاربرد اسید سولفوریک در باغات پسته با هدف اصلاح شرایط     ph خاک اشاره کرد.

مواد ناسازگار با آن شامل:

  1 - اکثر فلزات، اکسید فلزات، قلیاها، الکل ها، اکسید کننده های قوی و اسیدها می باشند. اسید سولفوریک حلال اکثر فلزات می باشد و به شدت خورنده است.
 
2- در شرایط جوی گرم ممکن است اسید، فیومها و ذرات التهاب زا و اکسیدهای سمی سولفور در هوا آزاد شوند.
.
-در کل اسید سولفوریک ماده ای است پایدار و فاقد هرگونه پلیمریزاسیون خطرناکی می باشد3
  .
-اسید سولفوریک باعث اکسیداسیون، دهیدروژنه شدن و سولفوناسیون ترکیبات آلی می شود4
 
5 - جهت رقیق نمودن اسید سولفوریک هرگز آب به اسید اضافه نکنید، چراکه باعث پاشش و جوشش اسید می شود. همیشه بایستی اسید را اندک اندک به آب اضافه نمود.

فرآیند تولید اسید سولفوریک از گوگرد

در حال حاضر مهمترین روش تولید اسید سولفوریک، تولید از گوگرد عنصری است. دی اکسید گوگرد ممکن است از اکسیداسیون گوگرد خام و یا اکسیداسیون سولفیدهای فلزی گوگرد نظیر سولفید مس، سولفید سرب، سولفید نیکل، سولفیدهای آهن، سولفید روی و یا سولفید مولیبدیم تولید شود. 


اکسیداسیون سولفید هیدروژن می شود. (H2S) نیز منجر به تولید دی اکسید گوگرد  تبدیل دی اکسید  گوگرد به تری اکسید گوگرد در فرایند اکسیداسیون کاتالیستی با کاتالیست سدیم و یا پنتا اکسید وانادیم اصلاح یافته انجام می شود. 

در نهایت از هیدراسیون تری اکسید گوگرد اسید سولفوریک تولید می شود. اصلی ترین روش تولید تجاری اسید سولفوریک به این صورت است که ابتدا دی اکسید گوگرد از گوگرد تهیه می شود. سپس دی اکسید گوگرد در فرایند اکسیداسیون کاتالیستی به تری اکسید گوگرد تبدیل می شود و سپس از واکنش تری اکسید گوگرد با آب اسید سولفوریک غلیظ تولید می شود.

 


۰ نظر موافقین ۰ مخالفین ۰ ۱۱ آبان ۹۵ ، ۲۱:۳۹
جابر انصاری
۱۰
آبان ۹۵

                                                                                                                                           

اتم (Atom)

کوچکترین واحد تشکیل دهنده یک عنصر شیمیایی است که خواص منحصر به فرد آن عنصر را حفظ می‌کند. تعریف دیگری آن را به عنوان کوچکترین واحدی در نظر می‌گیرد که ماده را می‌توان به آن تقسیم کرد بدون اینکه اجزاء بارداری از آن خارج شود. اتم ابری الکترونی که هستهٔ اتم را احاطه کرده‌است. هسته نیز خود از پروتون و نوترون تشکیل شده است. زمانی که تعداد پروتون‌ها و الکترون‌های اتم با هم برابر هستند اتم از نظر الکتریکی در حالت خنثی یا متعادل قرار دارد در غیر این صورت آن را یون می‌نامند که می‌تواند دارای بار الکتریکی مثبت یا منفی باشد. اتم‌ها با توجه به تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های آنها طبقه‌بندی می‌شوند. تعداد پروتون‌های اتم مشخص کننده نوع عنصر شیمیایی و تعداد نوترون‌ها مشخص‌کننده ایزوتوپ عنصر است.

نظریه فیزیک کوانتوم تصویرپیچیده‌ای ازاتم ارائه می‌دهدواین پیچیدگی دانشمندان رامجبورمی‌کند که جهت توصیف خواص اتم بجای یک تصویرمتوسل به تصاویرشهودی متفاوتی ازاتم شوند.بعضی وقت‌هامناسب است که به الکترون به عنوان یک ذره متحرک به دور هسته نگاه کرد و گاهی مناسب است به آنها عنوان ذراتی که در امواجی با موقعیت ثابت در اطراف هسته (مدار: orbits) توزیع شده اند نگاه کرد. ساختار مدارها تا حد بسیار زیادی روی رفتار اتم تأثیر گذارده و خواص شیمیایی یک ماده توسط نحوه دسته بندی این مدارها معین می‌شود.

اجزا

جهت بررسی اجزاء یک ماده، می‌توان به صورت پی در پی آن را تقسیم کرد. اکثر مواد موجود در طبیعت ترکیب شلوغی از مولکول‌های مختلف است. با تلاش نسبتاً کمی می‌توان این مولکول‌ها را از هم جدا کرد. مولکول‌ها خودشان متشکل از اتم‌ها هستند که توسط پیوندهای شیمیایی به هم پیوند خورده اند. با مصرف انرژی بیشتری می‌توان اتم‌ها را از مولکول‌ها جدا کرد. اتم‌ها خود از اجزاء ریزتری بنام هسته و الکترون تشکیل شده که توسط نیروهای الکتریکی به هم پیوند خورده اند و شکستن آنها انرژی بسی بیشتری طلب می‌کند. اگر سعی در شکستن این اجزا زیر اتمی با صرف انرژی زیاد بکنیم، کار ما باعث تولید شدن ذرات جدیدی می‌شود که خیلی از آنها بار الکتریکی دارند.

همانطور که اشاره شد اتم از هسته و الکترون تشکیل شده است. جرم اصلی اتم در هسته قرار دارد؛ فضای اطراف هسته عموماً فضای خالی می‌باشد. هسته خود از پروتون  و نوترون تشکیل شده، الکترون هم بار منفی دارد. این سه ذره عمری طولانی داشته و در تمامی اتم‌های معمولی که به صورت طبیعی تشکیل می‌شوند یافت می‌شود. بجز این سه ذره، ذرات دیگری نیز در ارتباط با آنها ممکن است موجود باشد؛ می‌توان این ذرات دیگر را با صرف انرژی زیاد نیز تولید کرد ولی عموماً این ذرات زندگی کوتاهی داشته و از بین می‌روند.

اتم‌ها مستقل از اینکه چند الکترون داشته باشند (۳ تا یا ۹۰ تا)، همه تقریباً یک اندازه دارند. به صورت تقریبی اگر ۵۰ میلیون اتم را کنار هم روی یک خط بگذاریم، اندازه آن یک سانتیمتر می‌شود. به دلیل اندازه کوچک اتم ها، آنها را با واحدی به نام انگسترم که برابر ۱۰- ۱۰ متر است می‌سنجند.

ذرات زیراتمی

ذره زیراتمی به بخشی از ذرات بنیادی و ذرات ترکیبی گفته می‌شود که کوچکتر از اتم هستند.فیزیک ذرات و فیزیک هسته‌ای بخشی از فیزیک هستند که به مطالعه این ذرات می‌پردازند.

معروفترین ذرات زیر اتمی الکترونها، پروتونها و نوترونها هستند. پروتون و نوترون ذرات ترکیبی هستند که از کوارک تشکیل شده‌اند. دیگر ذرات زیراتمی فوتون و نوترینو هستند که توسط خورشید ایجاد می‌شود. بیشتر ذرات زیر اتمی از طریق بررسی پرتو کیهانی کشف شدند. پرتوها بردو نوعند: یونیزاسیون وغیر یونیزاسیون. پرتوها به دوگونه به ذرات زیر اتمی تاثیر می گذارند پرتوهای یونیزاسیون دربرخورد با ذرات زیر اتمی رادیکال‌های آزاد تولید کرده مثل آلفا وبتا واما پرتوهای غیر یونیزاسیون که بار نداشته وایجاد پوزش نمی کنند مثل اشعه گاما وایکس.از آنها در شتابدهنده‌ها استفاده می‌شود.

فرمیون (Fermion)

بر اساس نام فیزیکدان ایتالیایی انریکو فرمی نام گذاری شده‌است .به ذرات بنیادی با اسپین نیمه گفته می‌شود. اصولا همه ذره‌های اساسی در مکانیک کوانتومی، یا از فرمیون‌ها یا از بوزون‌ها هستند. الکترون‌ها، لپتون‌ها، نیتریون‌ها و حتی کوارک‌ها همگی فرمیون می‌باشند. به این ترتیب، ذرات تشکیل‌شده از تعداد فردی از فرمیون‌ها نیز، جزو فرمیون‌ها می‌شوند.

در فیزیک ذرات،فرمیون‌ها ذراتی هستند که ازآمار فرمی–دیراک،تبعیت می‌کنند،در مقابل آنها،بوزونها از آمار بوز – اینشتین پیروی می‌کنند .

به هر جهت تمایز بین دو مفهوم در فیزیک کوانتومی نامشخص است .فرمیون‌ها می‌توانند ذرات بنیادی باشند مانند الکترون یا ترکیبی باشند مثل پروتون . همهٔ فرمیون‌های مشاهده شده، دارای اسپین نیمه صحیح هستند برخلاف بوزون‌ها که اسپین صحیح دارند . در قضیه اسپین - آمار ، نشان داده می‌شود که یک تابع موج، با تعویض جای دو فرمیون همسان،منفی می‌شود. البته در سیستم‌های بوزونی، با جابه جایی دو بوزون، تابع موج هیچ تغییری نمی‌کند.در مدل استاندارد،دو گونه فرمیون بنیادی وجود دارد:کوارک‌ها و لپتون‌ها.در کل ۲۴ فرمیون متفاوت وجود دارد: ۶ کوارک و ۶ لپتون، که هر کدام با پاد ذرهٔ متناظرش همراه است.

۱۲ کوارک : 6 ذره (u • d • s • c • b • t ) به همراه ۶ پاد ذرهٔ متناظر( tu • d • s • c • b)

۱۲ لپتون : ۶ ذره (eμτνeνμντ ) به همراه ۶ پاد ذرهٔ متناظر (+e+ • μτ+νeνμντ)

فرمیون‌های مرکب، مانند پروتون‌ها و نوترون‌ها، بخش اساسی و ضروری ماده‌اند . فعل و انفعالات داخلی ضعیف فرمیون‌ها، می‌تواند همچنین رفتار بوزونی نشان دهد.

تعریف و ویژگی‌های اساسی

طبق تعریف،فرمیون‌ها ذراتی هستند که از آمار فرمی-دیراک تبعیت می‌کنند.ذراتی که بوسیلهٔ آمار فرمی-دیراک توصیف می‌شوند،از اصل طرد پاؤلی پیروی می‌کنند.به این معنی که تمایل ندارند در کنار هم قرار بگیرند،یعنی فرمیون‌ها منزوی هستند و هیچ دو فرمیونی نمی‌تواند در یک لحظهٔ معین،یک حالت کوانتومی را اشغال کنند. این ذرات طبق اصل طرد پائولی هنگامی که در یک حالت کوانتومی قرار می‌گیرند همدیگر را دفع می‌کنند و اگر ذره‌ای در یک حالت کوانتومی خاص قرار گیرد مانع از آن می‌شود که ذره دیگری هم بتواند به آن حالت دسترسی یابد .این امر،باعث سختی و استحکام حالت‌هایی می‌شود که شامل فرمیون هستند ( هسته، اتمها ،مولکولها و ... )؛بنابراین گاهی اوقات گفته می‌شود که فرمیون‌ها بخش اصلی ماده هستند،در حالی که بوزون‌ها ذراتیند که فعل و انفعالات را انتقال می‌دهند (حاملان نیرو) یا بخش اصلی تشعشعاتند. میدان‌های کوانتومی فرمیون‌ها،که میدانهای فرمیونیک  ( fermionic fields ) نامیده می‌شوند از روابط تبدیل متعارفی و استاندارد،پیروی می‌کنند .

اصل طرد پاولی درمورد فرمیون‌ها و استحکام ناشی از آن در ماده،منجر می‌شود به پایداری لایه‌های الکترون و ترکیب اتم‌ها و بنابراین ساخت ترکیبات شیمی ممکن می‌شود . همچنین دلیلیست برای فشار داخلی مادهٔ تبهگن که تا حد زیادی حالت تعادل کوتوله‌های سفید و ستاره‌های نوترونی را برقرار می‌کند .

تمام ذرات بنیادی دارای یک خصوصیت کوانتوم مکانیکی اند که می‌توان تقریباً آن را چرخش فرض کرد. فرمیون‌ها (الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها) دارای چرخش‌هایی هستند که مضارب نیمه صحیح اند؛ بدین معنا که اگر بخواهیم با استعاره صحبت کنیم باید بگوئیم که لازم است دو دور کامل بچرخند تا به وضعیت ابتدایی خویش بازگردند. بوزون‌ها (مثلاً فوتون‌ها) دارای چرخش‌هایی با مضرب صحیح (۰ ۱، ۲، و غیره) هستند.

در سیستم‌های بزرگ،تفاوت بین آمار بوزونی و فرمیونی تنها در چگالی‌های بالا وقتی در تابع‌های موج،همپوشانی وجود داشته باشد،ظاهر می‌شود.در چگالی‌های پایین،هر دو آمار با تقریب خوبی توسط قاعدهٔ آماری ماکسول – بولتزمن جواب می‌دهند که توسط مکانیک کلاسیک بیان می‌شود .

انواع فرمیون

فرمیون‌ها شامل دو بخش اصلی شناخته شده هستند:

کوارک:

یک ذره بنیادی و جزء اساسی تشکیل دهنده ماده می‌باشد. کوارک‌ها با هم ترکیب می‌شوند تا ذرات مرکبی به نام هادرون (hadron) را به وجود آورند، پروتون و نوترون یکی از معروف‌ترین آنها هستند. آنها تنها ذرات بنیادی برای آزمایش همه چهار برهم کنش اساسی یا نیروهای اساسی در مدل استاندارد می‌باشند. به خاطر پدیده‌ای که به تجدید رنگ معروف است، کوارک‌ها هیچ گاه به صورت انفرادی یافت نمی‌شوند؛ آنها را فقط می‌توان درون هاردونها پیدا کرد. به همین دلیل بیشتر آنچه که ما درباره کوارک‌ها می‌دانیم از مشاهده خود هاردونها به دست آمده‌است.شش نوع مختلف از کوارک‌ها وجود دارد که به طعم (flavor) شهرت دارند : بالا (up)، پایین(down)، افسون(charm)، بیگانه(strange)، نوک(top) و پایین(bottom). بالا و پایین دارای کمترین وزن در بین کوارک‌ها می‌باشند. کوارک‌های سنگین تر در طول یک فرآیند واپاشی به سرعت به کوارکهای بالا(up) و پایین(down) تبدیل می‌شوند: تبدیل شدن از حالت وزن بیشتر به حالت وزن کمتر. به همین علت کوارک‌های بالا و پایین عموما پایدار می‌باشند و رایج‌ترین کوارک‌ها در عالم می‌باشند،در حالی که کوارک‌های strange، charm، top، bottom فقط در تصادم‌های با انرژی زیاد تولید می‌شوند ( مثل تابشهای کیهانی و شتاب دهنده‌های ذرات). یک پروتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین تشکیل شده است،ولی نوترون از یک کوارک بالا و دو کوارک پایین تشکیل شده است؛کوارک‌ها به وسیله گلوئون به هم می‌چسبند. کوارک‌ها خواص ذاتی گوناگونی دارند که شامل شارژ الکتریکی، شارژ رنگ، اسپین و جرم می‌باشد. برای هر یک از طعم‌های کوارک یک پادماده متناظر وجود دارد که به پادکوارک نیز شناخته می‌شوند و فقط در برخی خصوصیات دارای علامت مخالف می‌باشد. کوارک‌ها تنها ذرات شناخته شده می‌باشند که شارژ الکتریکی آنها کسری از شارژ پایه می‌باشد.

پروتون

ساختار کوارکی پروتون

ترکیب:

ذره بنیادی

استدلال:

ماری گلمان (1964)جورج زویگ (1964)

خانواده:

فرمیون

کشف شده:

SLAC (~1968)

گروه:

کوارک

نماد:

q

رده:

۱٬۲٬۳

No. of types:

(u, d, c, s, t و b)

برهم‌کنش:

نیروی ضعیف٬نیروی قوی٬نیروی جاذبه٬ نیروی الکترومغناطیس

بار الکتریکی:

+2⁄3 e, −1⁄3 e

ذره بنیادی:

آنتی‌کوارک (q)

بار رنگ:

بله

پاد ذره بنیادی:

پاد پروتون

اسپین:

1⁄2

لپتون:

ذره ایست با اسپین ۱/۲ (فرمیون) که نیروی هسته‌ای قوی روی آن تأثیر ندارد.بطور کلی شش لپتون وجود دارد سه تا ازآنها دارای بارالکتریکی بوده وسه تای دیگر هم فاقد بارالکتریکی هستند.لپتون‌ها جز ذرات بنیادین شناخته شده‌اند یعنی ذراتی که از ذرات کوچک‌تر تشکیل نشده‌اند البته فعلاً معروفترین لپتون همان الکترون است ē بایک بار منفی؛ دولپتون بارداردیگر میون (muon (μ وتاو (τ) هستند، که ازنظربارمثل الکترون ولی دارای جرم خیلی بیشتر نسبت به آن هستند.لپتونهای بدون بار سه نوع نوترینو(neutrinos (υ هستند که عبارت‌اند از نوترینوی الکترون، نوترینوی میون و نوترینوی تاو. نوترینوها فاقد بارالکتریکی بوده ولی دارای جرم بسیار ناچیزی هستند ویافتن آنها هم بسیار مشکل است.

لپتون‌ها شامل : نوترینو، لپتون تاو، میون، پوزیترون و الکترون است.

فرمیون‌های بنیادی

تمام ذرات بنیادی مشاهده شده یا فرمیون هستند یا بوزون .فرمیون‌های شناخته شده به دوگروه تقسیم می‌شوند:کوارک‌ها ولپتون‌ها

کوارک‌ها ، پروتون‌ها و نوترون‌ها و سایر باریون‌ها را می‌سازند که فرمیون‌های مرکبند . همچنین مزون‌ها را شامل می‌شوند که بوزون‌های مرکبند .

لپتون‌ها الکترون‌ها و ذرات سنگین (muon لپتون‌های ناپایدار و tauon لپتون‌ها با بار منفی ) را شامل می‌شوند .

فرمیون‌های مرکب

ذرات مرکب (مانند هادرون‌ها،هسته‌ها و اتم‌ها)می‌توانند بسته به اجزای اصلیشان،فرمیون یا بوزون باشند.به طور دقیق تر،به دلیل وابستگی بین اسپین و آمار،اگر ذره‌ای تعداد فردی فرمیون داشته باشد،خودش فرمیون است و اسپین نیمه صحیح خواهد داشت . برای مثال :

  • یک باریون مانند پروتون و نوترون ،شامل سه کوارک فرمیونیست . بنابراین یک فرمیون است .

·         هستهٔ اتم کربن-۱۳ ،شامل ۶ پروتون و ۷ نوترون است . بنابراین یک فرمیون است .

  • اتم هلیوم-۳ (۳He)، از دو پروتون، یک نوترون و ۲ الکترون تشکیل شده و بنابراین یک فرمیون است .

رفتار فرمیونی یا بوزونی یک ذره(یا سیستم)مرکب،تنها در فواصل طولانی(در مقایسه با اندازهٔ سیستم)دیده می‌شود.هنگامی ساختار سه بعدی اهمیت می‌یابد که ذره ( یا سیستم ) مرکب، طبق ساختار تشکیل دهنده اش رفتار کند .

وقتی که فرمیون‌ها درمجاورت باجفتشان مرزضعیفی داشته باشد،می توانند ازخود رفتار بوزونی نشان دهند.این،اساس ابررسانایی و ابرشارگی هلیوم-۳ است .

حالت چگالیدهٔ فرمیونی

طی مدت زمان طولانی ماده را به سه حالت می‌شناختند که عبارت بودند از :جامد،مایع و گاز.اما امروزه می‌دانیم که حداقل شش حالت برای ماده وجود دارد که عبارتند از:جامد،مایع ،گاز،پلاسما،حالت چگالیده بوز-انیشتین و حالت چگالیده فرمیونی

"دبورا جین" (Deborah Jin) از دانشگاه کلورادو که گروهش در اواخر پاییز ۱۳۸۲ ، موفق به کشف حالت چگالیده فرمیونی شده‌است، می‌گوید: وقتی با شکل جدیدی از ماده روبرو می‌شوید، باید زمانی را صرف شناخت ویژگیهایش کنید. آنها این ماده تازه را با سرد کردن ابری از پانصدهزار اتم پتاسیم با جرم اتمی ۴۰ تا دمایی کمتر از یک میلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق پدیدآوردند. این اتمها در چنین دمایی بدون گرانروی جریان می‌یابند و این ، نشانه ظهور ماده‌ای جدید بود. در دماهای پایین‌تر چه اتفاقی می‌افتد؟ هنوز نمی‌دانیم.

حالت چگالیده فرمیونی تا حدی شبیه چگالش بوز-اینشتین است. هر دو حالت از اتم‌هایی تشکیل شده‌اند که این اتم‌ها در دمای پایین به هم می‌پیوندند و جسم واحدی را تشکیل می‌دهند. در چگالش بوز-اینشتین اتم‌ها از نوع بوزون هستند در حالی که در چگالش فرمیونی اتم‌ها،فرمیون هستند. این شکل از ماده چنان بدیع است که هنوز اغلب خواص آن ناشناخته‌است. اما آنچه که مسلم است اینست که این حالت در دمای بسیار پایین قابل دسترسی است.

اتمهای پتاسیم با عدد جرمی ۴۰ ، فرمیون هستند زیرا دارای ۱۹ الکترون، ۱۹ پروتون و ۲۱ نوترون هستند و حاصل جمع این سه عدد برابر ۵۹ می‌شود.

دستیابی به حالت ششم ماده

دکتر جین و همکارانش، برای دستیابی به حالت چگالیدهٔ فرمیونی،تعداد ۵۰۰ هزار اتم پتاسیم با عدد جرمی ۴۰ را تا دمایی کمتر از یک میلیونیوم کلوین سرد کردند. این دما بسیار نزدیک به صفر مطلق است. در این حالت اتمهای پتاسیم بدون آنکه چسبندگی میان آنها وجود داشته باشد، به صورت مایع جریان یافتند. برای مقابله با خواص ادغام ناپذیری فرمیون می‌توان از تأثیر میدان مغناطیسی بر آن استفاده کرد. میدان مغناطیسی سبب می‌شود فرمیون‌های تنها جفت شوند قدرت این پیوند را میدان مغناطیسی تعیین می‌کند.جفت اتم‌های پتاسیم برخی خواص فرمیون را حفظ می‌کنند ولی شبیه بوزونها عمل می‌کنند. یک جفت الکترون می‌تواند در جفت دیگری ادغام شود و جفت تازه در جفتی دیگر ادغام شود و این کار ادامه یابد تا سر انجام ماده چگال فرمیونی شکل گیرد.حالت‌های پنجم و ششم ماده تنها موادی هستند که حرکت مولکول‌های آنها بسیار آهسته‌است و در شرایط خاص آزمایشگاهی تهیه می‌شوند. این مواد، کاربرد فراوانی در علم و صنعت و مخصوصاً فناوری فضایی دارند . دانشمندان ،خواص این مواد را قبل از کشف،پیش بینی کرده بودند ولی روش تهیه آنها برای دانشمندان مجهول بود اما با بررسی خواصشان مشخص شد که برای تهیه این مواد به یخچال‌های پیشرفته نیاز است که امکان ساخت آن تنها در دهه اخیر مهیا شده‌است .این یخچالها می‌توانند دما را تا حد زیادی به صفر مطلق نزدیک کنند.

ویژگی‌های حالت چگالیدهٔ فرمیونی

از جمله خصوصیات منحصر به فرد چگال فرمیونی می‌توان به گرانروی (غلظت) بسیار زیاد آن اشاره کرد که مشابه این پدیده را در ابررساناها می‌بینیم. در یک ابررسانا جفت الکترون‌ها می‌توانند بدون هیچ مقاومتی جریان یابند. این ویژگی دانشمندان را امیدوار به ساختن ابر رساناهایی کرده که در دمای اتاق قابل استفاده باشند.

الکترون‌ها به دلیل این که خاصیت چسبندگی میان آن نیست و به راحتی می‌توانند جریان یابند و مانند یک ابر رسانای بسیار مدرن عمل کنند، می‌توانند بدون آن که با مقاومت الکتریکی مواجه شوند به راحتی جریان یابند.

بوزون (Boson)

در فیزیک ذرات بوزون‌ها ذرات زیر اتمی هستند که از آمار بوز-آلبرت اینشتین تبعیت می کنند.بوزون‌ها بر اساس نام ساتیندرا بوز و آلبرت اینشتین نام گذاری شده اند .در مقابل انها فرمیون‌ها هستند که از امار فرمی-دیراک تبعیت می کنند. چندین بوزون میتوانند حالت کوانتومی مشابهی را اشغال کنند ،بنابراین بوزون هایی با انرژی یکسان می توانند مکان مشابهی را در فضا اشغال نمایند. بنابراین بوزون‌ها اغلب ذراتی هستند که حاملین نیرو هستند در حالی که فرمیون‌ها معمولاً بخش اصلی ماده می باشند .

بوزون‌ها ممکن است ساده و مقدماتی باشند مثل فوتون ها یا مرکب باشند مثل مزون ها . همهٔ بوزون ها دارای اسپین صحیح هستند ؛بر خلاف فرمیون ها که دارای اسپین نیمه صحیح هستند .این مطابق است با قضیه اسپین-آمار که به این صورت بیان میشود :در تئوری میدان کوانتوم نسبیتی ذرات با اسپین صحیح بوزون هستند و ذرات با اسپین نیمه صحیح فرمیون هستند. بیشتر بوزون‌ها ذرات مرکب هستند.در مدل استاندارد 5 بوزون وجود دارد که مقدماتی هستند :چهار بوزون شاخص (γ • g • W± • Z)  و  یک بوزون هیگز (H0) .بر خلاف بوزون‌های شاخص ،بوزون‌های هیگز هنوز به طور تجربی مشاهده نشده اند. بوزون‌های مرکب در ابرشارگی و بعضی کاربردهای حالت چگالیدهٔ بوز-انیشتین مهم هستند .

تعریف و ویژگی‌های اساسی

بر اساس تعریف ،بوزون‌ها ذراتی هستند که از آمار بوز انیشتین تبعیت می کنند. وقتی جای 2 بوزون با هم عوض می شود،تابع موج سیستم تغییری نمی کند در حالیکه فرمیون‌ها از آمار فرمی-دیراک و اصل طرد پاولی تبعیت می کنند.

نتیجه دیگر این است که اسپکتروم یک فوتون گازی شکل ، در تعادل دما ،پلانک-اسپکتروم نامیده میشود. مثل تابش جسم سیاه یا تابش زمینه کیهانی.

خصوصیات لیزرهاومیزرها(تقویت امواج میکروویو)،ابرشاره هلیوم-4وحالت چگالیدهٔ بوز-انیشتین،همگی ازاثرات بوزون‌ها هستند.

در همه نیروهایی که ما می شناسیم، فعل وانفعال ‌های بوزون‌های مجازی و فرمیون‌های حقیقی، تعامل اساسی نامیده می شود. بوزون هایی که در این تعامل‌ها شرکت می کنند ، بوزون‌های پیمانه ای نامیده می شوند.

همهٔ ذرات مقدماتی که ما میشناسیم یا بوزون هستند یا فرمیون ، که بنا به اسپین آنها ، ذرات با اسپین نیمه صحیح را فرمیون و ذرات با اسپین صحیح بوزون‌ها هستند. در کوانتوم مکانیکی این مشاهده کاملا تجربی است در حالی که در کوانتوم نسبیتی بنا به قضیه اسپین-آمار ،ذرات با اسپین نیمه صحیح نمی توانند بوزون و ذرات با اسپین صحیح نمی توانند فرمیون باشند.در سیستم‌های بزرگ تفاوت میان تعداد بوزون‌ها و فرمیون‌ها فقط در غلظت‌های بالا معلوم می شود.

بوزون‌های مقدماتی

بوزون‌های ساده یا مقدماتی مشاهده شده ،بوزون‌های پیمانه ای هستند مثل فوتون‌ها و بوزون‌های w , zو gluons .

  • فوتون‌ها حامل نیروی میدان مغناطیسی هستند.
  • بوزون هایz, w  حامل نیروهای ضعیف هسته ای هستند.
  • Gluons حامل نیروی بنیادین (نیروی قوی هسته ای) هستند.

در آخر،بسیاری ازرویکردهای گرانش کوانتومی نیرویی برای گرانش درنظرمی گیرد به نامgravitonکه یک بوزون بااسپین 2 است .

بوزون‌های مرکب

ذرات مرکب مثل هسته و اتم می توانند بوزون یا فرمیون باشند،که بستگی به ترکیبات آنها دارد به طور دقیق به دلیل رابطه میان تعداد و اسپین،ذراتی که تعداد زوجی از فرمیون‌ها را حمل می‌کند تا وقتی که اسپین صحیح دارند یک بوزون هستند .

مثال‌های دیگر شامل موارد زیر است:

  • یک مزون که شامل 2 فرمیون کوارک است یک بوزون است.
  • هسته اتم کربن-12 که شامل 6 پروتون و 6 نوترون است ،یک بوزون است.
  • اتم هلیوم-4 که تشکیل شده از 2 پروتون و 2نوترون و2 الکترون، یک بوزون است .

تعدادی از بوزون‌ها از ذرات مرکب تشکیل شده اند مثلا از ذرات ساده که پتانسیل محدودی دارند و این که یک بوزون باشد یا فرمیون تاثیری ندارد.

هادرون  (Hadron)

در فیزیک ذرات ، هادرون (گرفته شده از زبان یونانی به معنای محکم، سخت) عبارتست از وضعیت محدود کوارک‌ها. هادرونها به اتفاق یکدیگر یک نیروی قوی ایجاد می‌نمایند که همچون عملکرد اتم‌ها با هم،در اثر نیروی الکترومغناطیسی است.دو زیرمجموعه از هادرونها وجود دارد: باریون‌ها و مزون‌ها. از میان معروفترین باریونها، می‌توان به پروتون‌ها و نوترون‌ها اشاره کرد.

مقدمه

طبق الگوی کوارک ، خصوصیات هادرونها مقدمتا از طریق به اصطلاح کوارکهای ظرفیت تعیین می‌گردد. مثلا، پروتون از دو کوارک فوقانی (هر کدام دارای بار الکتریکی ۳/۲+) و یک کوارک تحتانی (واجد بار الکتریکی ۳/۱-) تشکیل می‌شود. با افزودن این بارها به هم، بار پروتونی برابر با ۱+ حاصل می‌شود. اگرچه کوارکهای مرکب نیز حامل بار رنگ (بی ارتباط با رنگ ظاهری) می‌باشند، ویژگی نیروی قوی هسته‌ای که تجدید رنگ نامیده می‌شود مستلزم آن است که هر وضعیت ترکیبی حامل بار ته نشست رنگ نباشد. یعنی، هادرونها باید بی‌رنگ باشند. دو روش برای تحقق این امر وجود دارد: سه کوارک با رنگهای متفاوت، یک کوارک تکرنگ و یک ضد کوارک حامل عامل ضد رنگ. هادرونهای مبتنی بر الگوی اول ابرون‌ها هستند در حالی که هادرونهای نوع اخیر مزون‌ها نامیده می‌شوند.

همچون کلیه ذرات فرواتمی، برای هادرونها نیز اعداد کوانتومی تعیین می‌گردد که به بازنمودهای گروه پوآنکاره مربوط می‌گردد: (mpcJ) که در آن J عدد کوانتومی اسپین، p زوجیت ذاتی ذره، و c هم یوغی بار یا زوجیت نوع c و گشتاور چهارگانه ذره m (یعنی جرم آن) هستند. توجه کنید که جرم هادرون بسیار کوچک بوده و به جرم کوارکهای ظرفیت آن بستگی دارد و نیز در اثر معادل جرم- انرژی،بخش اعظم جرم از مقدار فراوان انرژی مرتبط با نیروی قوی هسته‌ای حاصل می‌شود. هادرونها نیز می‌توانند حامل اعداد کوانتوم دارای تعامل ضعیف همچون ایزواسپین (یا زوجیت نوع- G)،و شگرفی باشند. تمام کوارکها یک عدد کوانتومی افزایشی و ابقا شده به نام عدد باریون (B) دارند که معادل ۳/۱+ برای خود کوارکها و مقدار ۳/۱- برای ضد کوارکها است. این یعنی آن که باریونها- گروه‌های سه کوارکی- عدد باریونی ۱=Bدارند در حالی که مزونها دارای عدد باریونی۰=B می‌باشند.

هادرونها وضعیتهای تحریک شده‌ای تحت عنوان ارتعاشات دارند. هر هادرون در وضعیت عادی می‌تواند وضعیتهای تحریک شده مختلفی داشته باشد؛ طی آزمایشهای فیزیک ذرات صدها نوع ارتعاش برای آنها مشاهده شده‌است. ارتعاشات بسیار سریع (طی حدود ۲۴- ۱۰ ثانیه) در اثر نیروی قوی هسته‌ای تخریب می‌شوند.

در فازهای دیگر ماده پویافام کوانتوم QCD، هادرونها از بین می‌روند. مثلا، در دما و فشار بسیار زیاد، در صورت وجود اعداد تعاملی ضعیف در کوارکها، نظریه پویافامی کوانتوم (QCD) پیش بینی می‌کند که کوارکها و گلوؤن‌ها بطور ضعیف با هم تعامل نموده و دیگر درون هادرونها محدود نخواهند شد. این خصوصیت به عنوان آزادی مجانبی شناخته می‌شود که به لحاظ آزمایشگاهی در مقیاسهای انرژی بین یک گیگا الکترون ولت (Gev) و یک ترا الکترون ولت Tev))مورد تایید قرار گرفته‌است.

باریونها

کلیه انواع شناخته از باریون‌ها از سه کوارک ظرفیت تشکیل می‌گردند، و بنابراین از گروه فرمیون‌ها هستند. آنها دارای عدد باریونی۱= B هستند،در حالی که در ضد باریونها (که از سه ضد ذره کوارک تشکیل شده‌اند) عدد باریونی ۱- = B است. باریونها حاوی یک جفت ضد کوارک اضافی هستند که پنتاکوارک نامیده می‌شود. شواهد مربوط به وضعیتها طی آزمایشهای متعدد در اوایل سال ۲۰۰۰ حاکی از آن بوده اگرچه این باور از آن زمان تاکنون مورد تکذیب قرار گرفته‌است. هیچگونه مدرکی درباره حالات باریون حتی با جفت کوارک- ضدکوارک بیشتر وجود ندارد.

مزونها

مزونها باریون‌هایی هستند که از یک جفت کوارک- آنتی کوارک تشکیل می‌شوند. عدد باریونی آنها ۰ = B است. نمونه‌هایی از مزونها معمولاً در آزمایشهای فیزیک ذرات تولید می‌شود از جمله پیون‌ها و کائون‌ها. پیون از طریق ته نشست قوی نقش نگهدارنده بخشهای هسته اتم را به یکدیگر ایفا می‌کند. مزونهای فرضی بیش از یک جفت کوارک- ضد کوارک دارند؛ مزون از دو جفت کوارک- ضدکوارک به نام تتراکوارک تشکیل شده‌است. در حال حاضر هیچگونه مدرکی دال بر وجود آنها وجود ندارد. مزونهایی که خارج از طبقه بندی الگوی کوارک قرار می‌گیرند، مزونهای بیگانه خوانده می‌شوند. این مزونها شامل گلوبال‌ها (گلوؤنهای به هم چسبیده) و مزونهای دورگه می‌گردد (مزونها توسط گلوءن‌های تحریک شده محدود می‌گردند).

ذرات بنیادی در فیزیک



ذرات بنیادی اولیه

فرمیون‌ها:  کوارک‌ها: •کوارک نوک t  •کوارک ته b  •کوارک افسون  c • کوارک بیگانه•  s کوارک پایین d •کوارک بالا u

 لپتون‌ها:  •نوترینوتاو  •   ντ نوترینو الکترون •  νeنوترینو میون νμ •لپتون تاو τ- • τ+   •میون  μ- • μ+   •پوزیترون•  e+ الکترون: e- بوزون‌ها: بوزون‌های تبادلگر نیرو• W± • Z0 گلوئون •      g فوتون: γ



ذرات ترکیبی

هادرون‌ها: باریون‌ها/هیپرون/هسته• ذره آبشار  Ξb •ذره امگا  Ω •ذره خی  Ξ •ذره سیگما  Σ •ذره لامبدا  Λ •باریون دلتا   Δ •نوترون  n •پروتون  :p مزون‌ها/کوارکونیوم‌ها  •  Υذره اپسیلون •  ذرات        J/ψ                                                                                                          •مزون رو ρ       •کائون•   K پیون π      :

 

۰ نظر موافقین ۰ مخالفین ۰ ۱۰ آبان ۹۵ ، ۰۰:۴۵
جابر انصاری