محاسبه ی سرعت پلاسمای کامل، توجیه تابش سیکلوترون و سنکروترون

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
MRT

عضویت : پنج‌شنبه ۱۳۸۶/۴/۲۱ - ۱۸:۱۷


پست: 2065

سپاس: 93


تماس:

محاسبه ی سرعت پلاسمای کامل، توجیه تابش سیکلوترون و سنکروترون

پست توسط MRT »

محاسبه ی سرعت پلاسمای کامل، توجیه تابش سیکلوترون و سنکروترون

ما در مورد دما و حرارت در هر حالت فیزیکی، با تعاریف بخصوص خود سر و کار داریم. به طور مثال با کم شدن دما، مایع آب یخ زده و جامد یخ می شود و با افزایش حجم روبرو میشود. اگر گرم شود در اول یخ ذوب و حجم آن آب کاهش پیدا کرده، سپس بخار میشود و با افزایش دما به فشار بخار آب افزوده میشود. ولی با کاهش دمای فلزات، آنها منقبض می شوند و با گرم شدن و ذوب شدن، منبسط میشوند. ولی نا فلزی همچون سیلیسیم بدینگونه نیست. یعنی با ذوب شدن، حجمش کم میشود و در حالت انجماد مثل آب، افزایش حجم پیدا می کند. دما در ذرات باردار با سرعت تعریف میشود و با تعاریف دما و حرارت در حالت اتم، مولکول، ترکیبات، گاز و ... بسیار متفاوت است. یعنی هر قدر سرعت و انرژی جنبشی ذرات باردار زیاد شود، اصطلاحا گفته میشود که دمای آنها بالا رفته است. پس برای افزایش دما و حرارت یا همان انرژی جنبشی ذرات باردار، از شتاب دهنده ها استفاده میشود. ولی قوی ترین و بزرگترین شتاب دهنده های مدرن روز دنیا همچون سرن، در شتاب دهی به ذرات محدودیت دارند. بهتر است بگوییم یک مشکل یا معضل جدی و حاد یا بغرنج لاینحل دارند که با نوشیدن الکل یا شامپاین (شراب گازدار) حل نمیشود. در این مبحث سعی می کنیم این محدودیت دما یا سرعت ذرات را توضیح داده و یا توجیه کنیم. در مبحث قبلی عنوان کردیم که با افزایش انرژی یک ذره تا مقدار 70.11 درصد از انرژی یا جرم اولیه حالت سکونش، بار الکتریکی آن کلا از بین رفته و به پلاسمای کامل یا مطلق تبدیل میشود. که افزایش سرعت آن دیگر غیر ممکن و غیر عملی خواهد شد. چون تاثیر نیروی الکترومغناطیسی بر آن صفر میشود. یعنی برای افزایش سرعت، دیگر هیچ نیروی پیشرانی در دسترس نخواهد بود. اینک باید حد نهایی سرعت این ذره باردار یا پلاسمای مطلق را محاسبه کنیم:

تصویر

یعنی ماکزیمم یا حد نهایی سرعت ذرات باردار در شتاب دهنده های الکترومغناطیسی 81 درصد سرعت نور است. اگر شتاب دهنده ای سرعت بیشتری را اعلام کند دو حالت کلی دارد. یا در محاسبه سرعت خطا کرده یا پدیده ای در آن شکل گرفته که نیاز به توجیه علمی دارد و آن را بعدا ارایه خواهیم کرد و شاید نشانه عوارض سوء مصرف الکل باشد. ولی ما باید چگونگی افزایش انرژی جنبشی و دما و همچنین کاهش یا نابودی بار الکتریکی ذرات را اولا درک و سپس توجیه علمی کنیم. وگرنه بروز فاجعه اجتناب ناپذیر است. نظر نسبیت این است که با افزایش سرعت، انرژی جنبشی نیز افزایش می یابد. در نتیجه به جرم ذره افزوده میشود و در حد سرعت نور، این جرم بی نهایت میشود و رسیدن به سرعت نور را غیر ممکن می داند. آنهم تنها به دلیل افزایش جرم به صورت نامحدود. ولی بعدا توضیح خواهیم داد که برسی آزمایشگاهی و یا کارگاهی انرژی جنبشی اجسام در سرعت های بالا، برای استفاده نظامی به عنوان یک جنگ افزار کارآمد، برای اولین بار توسط نازی ها در ارتش رایش آلمان بوده است. که اکثرا از کاربید تنگستن یا خود فلز تنگستن (وزین سنگ) استفاده می شده است و بعدها امریکایی ها از اورانیوم ضعیف شده استفاده کرده اند. که نتایج نهایی این تحقیقات فوق محرمانه و در نوع خود بسیار پیشرفته و بدیع، منجر به ارایه تئوری نسبیت در این زمینه از فیزیک مکانیک شده است. به طور خیلی خلاصه ژرمان ها موفق به توجیه علمی پدیده های مشاهد شده در آزمون های نظامی نشدند. بعدها خود انیشتین نه تنها موفق به درک مفهوم انرژی جنبشی و اینرسی نشد، بلکه توضیح و توجیه خوبی هم ارایه ننموده است. چون نتیجه تحقیقات، کد نویسی شده و غیر قابل درک و تحلیل برای آلبرت کد گشا بوده اند. یعنی طبق نظریه او با شتاب دادن و افزایش سرعت یک پرتابه کوچک مثلا کالیبر 8.57 ماوزر، میتوان به جرمی به اندازه کل کیهان دست یافت. که عقلانی و منطقی به نظر نمی رسد. اما واقعیت چیست؟ بدون در نظر گرفتن انتزاع یا نظریات ایده آلیستی نسبیت انیشتین. خوب ممکن است این سوال مطرح شود که اصلا دانستن این مطالب به چه درد ما می خورد؟ جواب اینکه ممکن است علت عدم دسترسی به سرعت نور در شتاب دهنده ها، توهمات یا برداشت های اشتباه و غلط آلبرت رمز گشا از چک نویس های ارتش آلمان نازی نبوده باشد و بعد از گذر از این مرز، با ذرات ناشناخته و دردسر سازی روبرو و مواجه شویم! و صد البته گمراه کننده که ما را قرن ها از تمدن و دانش پیشرفته و درست دور کند. ابتدا باید بدانیم سیکلوترون چیست؟

سیکلوترون نوعی شتاب‌ دهنده حلقوی ذرات کوچک باردار است. که توسط ارنست‌ لارنس در سال 1929-1930 در دانشگاه کالیفرنیا اختراع و در سال 1932 ثبت شد. این نوع شتاب دهنده برای شتاب دادن به ذراتی همچون پروتون و تحریک عناصر و تبدیل آنها برای تولید رادیو ایزوتوپ کاربرد دارد. آنها به گونه ای کیمیاگری را ممکن می سازند اما نه به صورت دائمی بلکه موقتی. یعنی کارشان تغییر عدد اتمی عناصر است تا در آینده واپاشی بتا مثبت داشته باشند. به طور خلاصه با استفاده از یک میدان مغناطیسی بسیار قوی عمود بر سطح زمین، یک میدان الکتریکی حلقوی بسیار قوی افقی و موازی با سطح زمین ایجاد میشود. یعنی همان زاویه 90 درجه ای خودمان در مباحث قبلی. سپس داخل این میدان الکتریکی حلقوی فرضی، یک جریان الکتریکی متناوب دیگر راه می اندازند تا ذرات باردار همانند پروتون که از مرکز سیستم تزریق میشوند، اولا چپ و راست شده، سپس روی مسیرهای حلقوی شتاب و سرعت بگیرند. این دایره ها بسته و طول آنها بینهایت است. یعنی جریان الکتریکی متناوب آنها را عقب جلو می کند ، ولی میدان مغناطیسی این مسیر های مستقیم را خم و منحنی وار می کند.

تصویر

تصویر

نقطه B مرکز سیستم و محل تزریق ذرات باردار است و دوایر آبی رنگ مسیر چرخش و حرکت بینهایت وار ذرات باردار است. نقطه A محل فرضی برای خروج ذرات باردار است. یعنی اگر سرعت و انرژی آنها کم و ثابت باشد، نزدیک به مرکز هستند. ولی با افزایش سرعت و انرژی، از مرکز فاصله گرفته و به شعاع های بالاتر صعود یا پرش می کنند. یعنی هسته یا یک اتم عنصر شبیه سازی یا مهندسی معکوس شده است. آنهم به صورت وارونه همانند یک ژنراتور معکوس شکافت هسته ای. یعنی درست عکس یک سیستم کوانتومی پیاده سازی شده است. و اگر سرعت و انرژی ذرات از محدوده مشخص و تعریف شده ای گذر کند، ذرات از محیط خارجی سیستم (نقطه A) به طرف بیرون پرتاب میشوند و در یک خط مستقیم به حرکت خود ادامه می دهند. به بیان ساده سیکلوترون یک نوع سانتریفیوژ ذرات باردار است .که از نیروی جانب مرکز در آن استفاده میشود. تصور کنید ساچمه های فولادی را داخل یک استوانه با دریچه های فنری وارد کنیم. که این استوانه با سرعت زاویه ای در حال چرخش است. با افزایش نیروی جانب مرکز، این ساچمه ها میتوانند از دریچه های فنری عبور کرده و به طرف بیرون پرتاب شوند. و گرنه مجبورند داخل استوانه و پشت درهای فنری بسته شده، باقی بمانند و بچرخند. ما نام آنها را سانتریفیوژ الکترومغناطیسی، مغناطیس ثابت و الکتریک سیکلی ( پریودی-متناوب یا متغییر) ذرات باردار می گذاریم که در کیمیاگری موقت کاربرد دارند. مثلا تنگستن را به رنیوم 186 یا آهن را به کبالت 55 تبدیل می کند که بعدها واپاشی بتا مثبت کرده و به حالت قبلی خود بر می گردند.

تصویر

اما آنچه که مد نظر ماست نه کیمیاگری بلکه توجیه تابش سیکلوترون است. یعنی طیف حاصل از سیکلوترون طیفی پیوسته است که انرژی های بالا در محدوده طیفی از امواج میلیمتری تا اشعه ایکس را شامل میشود.

تصویر

موضوع خیلی ساده است. خطوط قرمز مسیر پرش، ارتقا یا صعود و همچنین مسیر نزول یا سقوط الکترون ها در مدار های دایره ای شکل است. و منحنی آبی رنگ مسیر کلی افزایش یا کاهش انرژی جنبشی الکترونها است نه مسیر حرکت کلی الکترونها . مسیر حرکت الکترونها بسیار فشرده تر از این و اختلاف بسیار جزئی و اندکی با محیط یک دایره دارد.

در واقع اگر انرژی جنبشی ذرات زیاد شود، هم ارز آن از توان یا نیرو یا انرژی بار الکتریکی ذره تخلیه میشود. یعنی از بار الکتریکی آنها کاسته میشود و این مقدار کاهش بار الکتریکی به صورت تابش الکترومغناطیسی ذره به طرف میدان خواهد بود. و برعکس اگر از انرژی جنبشی آنها کاسته شود، هم ارز آن به توان یا نیرو یا انرژی بار الکتریکی ذره شارژ میشود. یعنی به بار الکتریکی آنها افزوده میشود و این مقدار افزایش بار الکتریکی، به صورت تابش الکترومغناطیسی میدان به طرف ذره خواهد بود. در این سیستم کوانتومی وارونه یا معکوس یک اتم، ساخته شده به دستان هنرمند بشریت همانند ژنراتور های هسته ای معکوس شکافت، فرض بر این است که تابش نوع اول تابش مثبت ولی تابش نوع دوم تابش منفی خواهد بود. حال میدان چیست؟ همان میدان واحد تعریف شده در مباحث قبلی . ولی شما کل این سیستم را میدان در نظر بگیرید فهم و درک آن راحت تر است. در واقع ما در این نوع از شتاب دهند با یک سیستم تبادل انرژی کوانتومی مابین ذره باردار و میدان نیروی واحد سرو کار داریم. یعنی در مرکز سیستم بار الکتریکی یک یا ماکزیمم، انرژی جنبشی و سرعت صفر است. ولی در محیط و خروجی سیستم، بار الکتریکی نزدیک به صفر یا مینیمم، انرژی جنبشی ماکزیمم و نهایت سرعت قابل دسترس 81 درصد سرعت نور خواهد بود. یعنی خروجی سیستم در حد پلاسمای کامل یا مطلق است. و اما معادله دیراک شاگرد ارشد و وفادار انیشتین.

تصویر
تصویر

معادله اول و خط عمود سمت راست مربوط به ذره باردار در مرکز سیستم شتاب دهنده یا یک مثلث قائم الزاویه است که طول یکی از ضلع های آن صفر است. و علت آن اینکه ذره ثابت بوده و تکانه یا اندازه حرکت زاویه ای ندارد. ولی معادله دوم و شکل هندسی سمت چپ مربوط به جرم کل نسبیتی یک ذره باردار با سرعت 81 درصد سرعت نور است. که مسلما تکانه و اندازه حرکت خواهد داشت. وتر همان مقدار انرژی کل در دو حالت خواهد بود. اشکال فوق و زوایای بدست آمده را خوب به خاطر بسپارید. ما آنها را در جایی بسیار مهم و درخور توجه مربوط به آزمایشگاه ذرات بنیادی ردیابی کرده ایم و با نشان دادنش به شما، شگفت زده و شوکه خواهید شد. مخصوصا بعد از تجزیه و تحلیل نتایج و توجیه های کوانتومی ما . پس منتظر باشید.

تصویر

با توجه به اینکه رابطه دیراک تکانه یا اندازه حرکت ذرات باردار را مدنظر گرفته و بحث ما پیرامون بار الکتریکی و انرژی جنبشی ذرات است، از معادلات قبلی خودمان استفاده خواهیم کرد یعنی:

تصویر
تصویر

به هر حال سازندگان سیکلوترون عنوان می کنند که انرژی الکترون های شتاب دار، از رابطه زیر بدست می آید:

تصویر

یعنی اگر شعاع مدار چرخش الکترون ها زیاد شود، انرژی جنبشی آنها زیاد شده است و به همین میزان تابش سیکلوترون خواهیم داشت. که به باور ما این تابش مثبت است. چون از طرف ذره به میدان است. ولی اگر شعاع مدار چرخش الکترون ها کم شود، انرژی جنبشی آنها کم شده و به همین میزان تابش سیکلوترون خواهیم داشت. که این تابش منفی بوده چون از طرف میدان به ذره است. تابش ها در نزدیکی مرکز از نوع مایکروویو میباشد. ولی در سرعت نزدیک به 81 درصد سرعت نور از نوع اشعه ایکس خواهد بود. لازم به توضیح است حرکت کلی الکترون ها به سوی مدارهای بالا با شعاع بیشتر است. ولی حرکت های رو به پایین هم وجود دارند، که همگی باعث و بانی تابش سیکلوترون خواهند شد و در میان مرکز و محیط بیرونی، تابش های مرعی نیز خواهیم داشت. سیستم درست برعکس و وارونه یک اتم کوانتومی پیاده سازی شده است. یعنی مقدار انرژی جنبشی ذره و مقدار بار الکتریکی ذره رابطه عکس دارد.

تصویر

به باور ما یک ذره باردار چه در حال سکون و چه در حالت حرکت با میدان واحد در کنش است. با ذخیره انرژی جنبشی در آن، بار الکتریکی به صورت تابش، آن را ترک می کند و دلیل تداوم سرعت نیز همان است. چون ذره همواره سعی می کند بار از دست داده اش را از میدان پس بگیرد و این کنش، تبدیل به یک نیروی پیشران دائمی برای آن میشود. اینک باید بدانیم که سنکروترون چیست؟

تصویر

وضعیت کاملا مشابهی در یک سیکلوترون و سنکروترون برای ذرات باردار تا زیر سرعت حد نهایی 81 درصد سرعت نور وجود دارد. ولی مشکل حاد زمانی روی میدهد که مقدار الکل خون محققین ذرات بنیادی بالا رود و سعی شود سرعت ذرات باردار از این حد مجاز و بحرانی تعریف شده فراتر رود. یعنی ابر پلاسما تولید شود. سیستم های معمولی شتاب دهی به ذارت باردار برای تولید ابر پلاسما کار ساز نیست. بلکه سیستم های بسیار پیچیده و گران قیمتی همچون شتاب دهند سرن یا برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) لازم است. کار این شتاب دهنده ها وارد کردن نیروی الکتریکی فوق العاده قوی لحظه ای به ذرات باردار است. تا بتوانند زیر این حد مجاز، انرژی لازم برای شکستن این محدوده سرعت را کسب کنند. نتیجه کاملا مشخص است. چندین حالت ممکن وجود دارد. ما در این مبحث در مورد (LHC) مطالبی ارایه نمی کنیم و بعدا در مورد آن توضیحاتی ارایه خواهیم کرد. بحث ما در مورد شتاب دهند های مشابه سرن است، که در آنها تابش های سنکروترون در محدوده اشعه ایکس وجود دارد.


تصویر


پدیده جالبی که در بالا و پایین این محدوده از سرعت روی میدهد اینکه، با گذر از این محدوده از سرعت، نه تنها بار الکتریکی ذره از بین می رود، بلکه بار الکتریکی قبلی کم کم وارونه شده و بار مخالف حالت قبلی و در مقدار ضعیف پدیدار میشود. یعنی جهت نیروی الکتریکی شتاب دهنده نسبت به جهت حرکت ذره معکوس میشود. که نه تنها مثل ترمز عمل می کند، بلکه سعی می کند سرعت و شتابی منفی در خلاف جهت حرکت قبلی به آن ذره بدهد. نتیجه کاملا مشخص است سرعت ذره به زیر حد مجاز می رسد و بار الکتریکی اولیه، کم کم پدیدار میشود و جهت نیروی الکتریکی شتاب دهند، میتواند دوباره به آن سرعت و شتاب مثبت در جهت اولیه بدهد. یعنی ذره در سرعت بالا و پایین این حد مجاز، شروع به نوسان آونگی می کند. و انرژی مکانیکی این حرکت رفت و برگشتی به جلو و عقب (افزایش و کاهش سرعت یا شتاب نسبت به شتاب دهند) به صورت تابش اشعه ایکس آشکار میشود. اینک اگر انرژی بیشتری در شتاب دهنده اعمال شود، یا از پروتون به جای الکترون استفاده شود ، انرژی تابش ها تا سطح گاما افزایش پیدا کرده و ..... که بعدا توضیح داده خواهد شد. در سنکروتورن ها ، این تابش تپشی است و ساختار زمانی مشخصی دارد. مدت زمان هر تپ بین 60 تا 600 پیکو ثانیه و فاصله ی زمانی بین تپ ها میتواند بین 60 تا 600 نانو ثانیه باشد.

تصویر

اینک با توجه به زحمات نیلز هنریک داوید بور، صلح طلب و مخالف جنگ افزار هسته ای، درست برعکس آلبرت رمز گشا، مطالب فوق را به ایشان تقدیم و اعلام می داریم که طرز فکر و اندیشه ایشان در مورد ساختار اتم، کاملا درست بوده است. چرا که الکترون ها، هم در زمان ارتقاء در ترازهای انرژی و هم در زمان تنزل در ترازهای انرژی از خود تابش خواهند داشت. با این تفاوت که دو نوع تابش با انرژی مثبت و منفی، خلاف جهت یکدیگر خواهیم داشت. یکی از آنها مربوط به انرژی جنبشی ذره است و دیگری مربوط به بار الکتریکی آن و اگر هیچ تغییری در کمیت های فیزیکی الکترون بوجود نیاید، تابشی هم در کار نخواهد بود. پس تعادلی مابین بار الکتریکی الکترون و انرژی جنبشی آن بوجود خواهد آمد که حرکت آن تقریبا تا بینهایت و ابد ادامه خواهد داشت. یعنی ما نمیتوانیم الکترونهای مدار یک اتم را ذرات باردار یک سیکلوترون فرض کنیم. چون این خود ما هستیم که با اندازه گیری کمیت های فیزیکی به آنها مقدار می دهیم و تغییراتی در آن مقادیر ایجاد می کنیم. و اینکه مسئله انرژی گم شده در تابش پرتو بتا چنان شدت گرفت که در سال ۱۹۲۹ نیلز بور پیشنهاد کرد که شاید اصل پایستگی انرژی در حوزه هسته بکار نیاید. و واقعا هم به کار نخواهد آمد . چون انرژی ژولی با میدان الکترومغناطیسی و میدان واحد هم ارز و قابل تبدیل به یکدیگر هستند.





محمدرضا طباطبايي 7/10/1400
با توجه به ماده 8 قوانین تالار گفتمان شبكه فیزیك هوپا :

ارايه انديشه‌هاي نو در فيزيك و متافيزيك ، رياضيات مختص فيزيك ، حساب و هندسه دوجيني در وب سايت شخصي :

http://www.ki2100.com



تصویر

ارسال پست