کوانتش در نظریه سی. پی. اچ.ساده سازی و شهودی کردن فیزیک، امتیاز نظریه سی. پی. اچ. است نه ضعف آن. کوانتش در نظریه سی. پی. اچ. اثر کامپتون، اثر فوتوالکتریک، تولید و نابودی زوج و نظریه سی. پی. اچ.
مقدمه: کنش بین فوتون و الکترون به فرایندهای آزمایشگاهی محدود نمی شود، بلکه در تمام پدیده های معمولی نظیر روشنایی لامپ یا اجاق گرفته تا مشاهدات کیهان شناختی نیز قابل توجه است. بنابراین شناخت کنش بین فوتون و الکترون در شناخت ماهیت فیزیکی جهان نقش بسیار مهمی دارد. یونیزه شدن گاز و ایجاد پلاسما و حتی تابش اشعه ایکس توسط اجرام بزرگ، همگی در زمینه ی کنش فوتون و الکترون قابل مطالعه و بررسی است. لازم به یادآوری است که مطالب این فصل از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. مورد بررسی قرار گرفته که قبلاً از دیدگاه مکانیک کوانتوم در فصل 30: پدیده فوتوالکتریک ، فصل 35: انرژی گرمایی مظهر انرژی ها ، فصل 47 : خواص و رابطه موجی ذرات و فصل 50: کنش فوتون و ماده-اثر کامپتون مطرح شده است. قبلاً ساختمان فوتون در تعریف سی. پی. اچ. و ویژگیهای آن ، نظریه سی. پی. اچ. و قانون دوم نیوتن ، معماهای فیزیک و نظریه سی. پی. اچ. ساختمان فوتون و انرژی گرمایی تشریح شد و در فصل 89: ترمودینامیک، انتروپی و نظریه سی. پی. اچ. علت تابش اجسام توضیح داده شد. کنش فوتون و الکترون در اینجا پدیده های زیر از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. بررسی می شود: 1- جذب و تابش فوتون توسط الکترون 2 - یونیزه شدن اتمها و تولید پلاسما بر اثر تابش 3- اثر کامپتون (انتقال بخشی از انرژی فوتون به الکترون). 4- عکس اثر کامپتون (انتقال انرژی الکترون به فوتون) 5- اثر فوتوالکتریک 6- تولید زوج الکترون - پوزیترون و تباهی زوج.
فوتون، سی. پی. اچ. و ویژگیهایش ویژگیهای سی. پی. اچ. در نمودار زیر مشخص شده است. جدول ویژگیهای سی. پی. اچ.
رابطه (4) با اقتباس از هامیلتونی تعریف شده است. همچنانکه در فصل 65 بیان شد لاگرانژین بصورت تفاصل انرژی پتانسیل از انرژی جنبشی تعریف می شود و هامیلتونی مجموع این دو انرژی است، یعنی لاگرانژین L=T-U هامیلتونین H=T+U T انرژی جنبشی و U انرژی پتانسیل چون در نظریه سی. پی. اچ. ، اسپین یکی از کمیتهای بنیادی است، و با استفاده از اسپین سی. پی. اچ. ، پدیده های فیزیکی قابل توجیه هستند، لذا با تعدیل در هامیلتونی، بجای انرژی پتانسیل، انرژی اسپینی منظور شد. تجربه نشان داده که انرژی فوتون هنگام سقوط در میدان گرانشی، افزایش می یابد. افزایش انرژی فوتون هنگام سقوط در میدان گرانشی، ناشی از کاری است که گرانش روی فوتون انجام می دهد. کاری که نیروی گرانش روی فوتون انجام می دهد، تنها به معنی ساده ی افزایش انرژی آن نیست، بلکه مفاهیم عمیق تری در این پدیده نهفته است. اگر این پدیده را بخواهیم از دیدگاه نظریه میدان کوانتومی نگاه کنیم، باید بپذیریم که گراویتونها در ساختمان فوتون نفوذ کرده و علاوه بر افزایش انرژی، موجب افزایش شدت میدانهای الکتریکی و مغناطیسی آن نیز می شوند. بنابراین یک فوتون از تعدادی سی. پی. اچ. تشکیل می شود که با حرکت دورانی (اسپین) کنار یکدیگر حرکت می کنند. بنابراین هر سی. پی. اچ. دارای دو نوع انرژی انتقالی و انرژی اسپینی می باشد. از جمله در ساختمان فوتون، فرض کنیم یک فوتون از تعداد k سی. پی. اچ. تشکیل شده باشد، در اینصورت سی. پی. اچ. های تشکیل دهنده ی آن دارای سه نوع حرکت و در نتیجه دارای سه نوع انرژی هستند (شکل زیر) که مجموع این سه انرژی برابر مقدار ثابتی است. برای توضیح بیشر به مکانیزم تولید ذرات باردار توسط بوزون هیگز مراجعه کنید.
ساختمان فوتون: سی. پی. اچ. دارای سه نوع حرکت است، با سرعت c همراه فوتون، اسپین فوتون و اسپین خود سی. پی. اچ.
1- جذب و تابش فوتون توسط الکترون هرگاه فوتونی با انرژی E جذب الکترون شود، الکترون از تراز انرژی پائین به تراز انرژی بالاتر صعود می کند. الکترون با تابش یک فوتون با همین مقدار انرژی به حالت اول بر می گردد. (شکل 1)
شکل 1: الکترون با جذب فوتون، به تراز انرژی بالاتر صعود می کند و با تابش آن به مدار اولیه بر می گردد. توضیح سی. پی. اچ. یک فوتون از تعداد k سی. پی. اچ. تشکیل شده که انرژی انتقالی و اندازه حرکت آن برابر است با:
انرژی انتقالی و اندازه حرکت یک فوتون که شامل تعداد k سی. پی. اچ. است. انرژی و در نتیجه فرکانس (و طول موج) فوتون تابع تعداد سی. پی. اچ. k موجود در ساختمان فوتون است. هنگامیکه فوتون جذب الکترون مقید در اتم می شود، انرژی و اندازه حرکت الکترون تغییر می کند. اما الکترون منزوی نیست و تحت تاثیر سایر ذرات موجود در اتم و میدانهای الکتریکی و مغناطیسی ناشی از آنها (پروتونها و الکترونهای دیگر) است. نیروی الکتریکی ناشی از هسته، جنان عمل می کند که الکترون در پائینترین سطح انرژی ممکن قرار گیرد. اگر انرژی فوتون جذب شده E نتواند شدت میدان الکتریکی ناشی از هسته را خنثی کند، الکترون با تابش فوتون ورودی به حالت اولیه باز می گردد.
2 - یونیزه شدن اتمها و تولید پلاسما در بخش یک مشاهده شد که الکترون با جذب فوتون از یک تراز انرژی به تراز بالتر صعود می کند. حال اگر فوتونهای تابشی انرژی لازم برای جدا کردن الکترون از قید هسته را دارا باشند، الکترون جدا می شود. در اتم تک الکترونی (هیدروژن) با جدا سازی الکترون و هسته، گاز یونیزه می شود. همجنین اگر به اتم هلیوم به اندازه کافی انرژی داده شود، اتم هلیوم هر دو الکترون خود را از دست می دهد و به ذره آلفا تبدیل می شود. در مورد اتمهای سنگین تر نظیر اکسیژن، برای آنکه همه ی الکترونها اتم را ترک کنند انرژی بیشتری نیاز است. چنانچه همه ی الکترونها اتم را ترک کنند، حالتی از ماده ایجاد می شود که آن را پلاسما می گویند. در شکل 2 عنصر اکسیژن مورد بررسی قرار گرفته است.
شکل 2: چهار حالت اکسیژن همچنانکه در شکل بالا مشاهده می شود، اکسیژن از حالت جامد به مایع و به گاز تبدیل می شود. اختلاف بین این سه حالت تنها در فاصله ی بین مولکولها و اندازه حرکت آنها است. اندازه حرکت مولکولها در حالت گاز بیشتر از حالت مایع و در مایع بیشتر از جامد است. با افزایش حرارت، مولکولها با سرعت بیشتری از یکدیگر دور می شوند. اگر به مولکولهای گاز انرژی بیشتری داده شود، تراز انرژی الکترونها دائماً بالا می رود تا جاییکه اتم را ترک می کنند و پلاسما ایجاد می شود. بنابراین در حالت پلاسما سرعت (اندازه حرکت) هسته و الکترون از سه مرحله قبلی (جامد، مایع و گاز) بیشتر است. نظریه سی. پی. اچ. در نظریه سی. پی. اچ.، انرژی همان ماده است و تنها تفاوت آنها در اختلاف سرعت انتقالی آنها است. انرِژی با سرعت c حرکت می کند و سایر ذرات (از جمله مولکولهای موجود در سیستم) با سرعت v<c جابجا می شوند. لذا با توجه به خواص سی. پی. و هامیلتونی سی. پی. اچ. ECPH=T+S انرژی متوسط اجزای یک سیستم تابع تعداد سی. پی. اچ. هایی است که از طریق انتقال انرژی حرارتی وارد سیستم می شوند. برای تبدیل مایع به گاز باید سرعت جابجایی اتمها (یا مولکولها) را در سیستم افزایش داد. بهمین دلیل بایستی تعداد k سی. پی. اچ. که با سرعت نور c حرکت می کنند، وارد سیستم شود و اندازه حرکت سیستم افزایش یابد. فرض کنیم اجزای سیستم (اتمها یا مولکولهای موجود در سیستم) از n سی. پی. اچ. تشکیل شده باشد که با سرعت متوسط v حرکت می کنند، اگر تعداد k سی. پی. اچ. که با سرعت انتقالی c حرکت می کنند وارد سیستم شود، آنگاه سرعت متوسط جدید سیستم از رابطه زیر به دست می آید:
سرعت متوسط جدید سیستم تابع k است که از طریق انرژی حرارتی وارد سیستم می شود. با افزایش دمای سیستم، سرعت متوسط مولکولها افزایش می یابد و علاوه بر آن تراز انرژی الکترونها بالا می رود و حجم مولکولها نیز افزایش می یابد. هرچه تراز انرژی الکترونها بالاتر رود، آمادگی بیشتری برای ترک اتم خواهند داشت. لذا با ورود سی. پی. اچ. های جدید (از طریق انتقال انرژی حرارتی به سیستم) الکترونها، انرژی لازم را برای ترک اتم کسب می کنند و گاز یونیزه می شود. اگر انرژی ورودی به اندازه ی کافی باشد، همه ی الکترونهای اتمها، از قید هسته زاد می شوند و ماده حالت پلاسما پیدا می کند.
3- اثر کامپتون (انتقال بخشی از انرژی فوتون به الکترون) در مثالهای بالا، فوتون فوتون جذب الکترون می شود، اما ممکن است در برخورد فوتون با ذره ی باردار، فوتون تنها قسمتی از انرژی خود را از دست بدهد. این نوع برهم کنش بین امواج الکترومغناطیسی و اجسام، همان پراکندگی امواج الکترومغناطیسی توسط ذرات باردار جسم است. نظریه کوانتومی پراکندگی امواج الکترومغناطیسی، به اثر کامپتون مشهور است. نظریه کوانتومی ایجاب می کند که ذره ی باردار در هنگام برخورد با فوتون انرژی کسب کند. در اینجا فوتون قسمتی از انرژی خود را را از دست می دهد و این انرژی به ذره ی باردار منتقل می شود. در این صورت ذره و فوتون هر دو با انرژی و اندازه ی حرکت جدید در مسیرهایی که الزاماً مسیر قبلی نیست به حرکت خود ادامه می دهند. (شکل 3) اثر کامپتون حتی زمانیکه الکترون در قید هسته است نیز امکان پذیر است.
شکل 3:اندازه حرکت فوتون پراکنده کمتر از اندازه حرکت و انرژی فوتون فرودی است که این مقدار توسط الکترون جذب شده است.
دیدگاه سی. پی. اچ. فوتونی شامل k سی. پی. اچ. با یک الکترون برخورد می کند، در اثر این برخورد تعداد k'
در اینجا me جرم حالت سکون الکترون است که با جذب k' C سی. پی. اچ. مجموعه
4- عکس اثر کامپتون (انتقال انرژی الکترون به فوتون) هنگامیکه یک الکترون با سرعت نسبیتی ( نزدیک بسرعت نور) در حرکت است، اگر با یک فوتون کم انرژی برخورد کند، قسمتی از انرژی خود را به فوتون منتقل می کند و فوتون با انرژی زیاد به حرکت خود ادامه می دهد. این پدیده را عکس اثر کامپتون می نامند که در سوپر نوا (AGNs) مشاهده شده است. (شکل 4).
شکل 4: فوتونی با انرژی کم با یک الکترون پر انرژی برخورد می کند و انرژی الکترون به فوتون منتقل می شود دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. در پدیده عکس اثر کامپتون، یک الکترون پر انرژی (الکترونی که با سرعت نزدیک به سرعت نور) در حرکت است که با یک فوتون کم انرژی (نظیر تابش زمینه کیهانی) برخورد می کند. اگر شرایط برخورد بگونه ای باشد که جهت حرکت فوتون فرودی با الکترون تقریباً یکی باشد، سی. پی. اچ. های فوتون فرودی با سی. پی. اچ. های انرژی الکترون با هم ترکیب شده و یک فوتون پر انرژی x-ray تابش می شود. در این مورد می توان نوشت:
الکترون قبل از برخورد با سرعت v نزدیک بسرعت نور در حرکت است این پدیده در اطراف اجسام سماوی بزرگ نظیر سوپرنوا یا حتی اطراف سیاه چاله ها که الکترونها با سرعت زیاد در حرکتند، روی می دهد. بسیاری از مشاهدات نجومی نشان می دهد که چنین اجسامی می تونند منابع مهمی از تابش اشعه ایکس باشند. (شکل 5)
شکل 5: برخی از کوزارها و سیاه چاله ها منع عظیمی از تابش اشعه ایکس هستند
5- اثر فوتوالکتریک در پدیده فوتوالکتریک (شکل 6) فوتون جذب الکترون می شود و الکترون را از قید هسته آزاد می کند.
شکل 6: فوتون جذب الکترون می شود و آن را از قید هسته آزاد می کند. دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. فرض کنیم در یک جسم که از اتمهای A تشکیل شده است، انرژی لازم برای آنکه الکترون از اتم جدا شود برابر E2 باشد و فوتونی که دارای چنین انرژی باشد باید حداقل دارای k2 سی. پی. اچ. باشد. به این جسم با تابشی که انرژی فوتونهای آن E1 است، که در آن E1<E2 و در نتیجه تعداد سی. پی. اچ. هر فوتون کمتر از k2 است، انرژی می دهیم. الکترونهای جسم با دریافت این مقدار انرژی E1 تغییر مدار داده و با بازگشت به حالت اول همین مقدار انرژی را تابش می کنند. (شکل 7).
شکل 7: تابش تا زمانیکه انرژی کافی نداشته باشد نمی تواند الکترون را از جسم جدا کند
در شکل 7 الف، جسم با دریافت انرژی E1 گرمتر می شود، اما چون این مقدار انرژی کمتر از آستانه جدا کردن الکترون است، هیچ الکترونی آزاد نمی شود. هرچه شدت تابش افزایش یافت، جسم نیز با شدت بیشتری بازتابش می کند، اما الکترون از سطح آن جدا نمی شود.
در شکل 7 ب، انرژی فوتون فرودی می تواند الکترون را سطح جسم جدا کند، اما انرژی الکترون آزاد شده کمتر از حالت ج است. در حالت ج، الکترون آزاد شده با سرعت بیشتری نسبت به حال ب حرکت می کند. حال اگر شدت تابش افزایش یابد (انرژی فوتون فرودی ثابت است) تعداد بیشتر الکترون آزاد می شود، اما انرژِی الکترونهای آزاد شده تغییر نمی کند، زیرا تعداد سی. پی. اچ. های موجود در فوتون نیز تغییر نکرده است. یعنی:
هرجه شدت تابش بیشتر باشد، تعداد بیشتری الکترون آزاد می شود و هرچه انرژی تابش بیشتر باشد (k بزرگتر باشد)، الکترونهای آزاد شده با سرعت بیشتری بحرکت در می آیند. اگر تابش ادامه یابد و انرژی تابشی نیز افزایش یابد، جسم به گاز تبدیل شده، نخست یونیزه می شود و سرانجام به پلاسما تبدیل می شود.
6- تولید زوج الکترون - پوزیترون و تباهی زوج فوتونی با انرژی زیاد، تمامی انرژی E خود را در برخورد با هسته از دست می دهد و یک زوج الکترون - پوزیترون می آفریند. پوزیترون ذره ای است که کلیه ی خواص آن با خواص الکترون یکسان است مگر بار الکتریکی و علامت گشاور مغناطیسی آن، زیرا بار الکتریکی پوزیترون مثبت است. (شکل 8)
شکل 8: تولید زوج الکترون و پوزیترون در ارتباط با تولید زوج، فرایند معکوسی وجود دارد که نابودی زوج نامیده می شود. یک الکترون و یک پوزیترون مجاور یکدیگر، در هم ادغام می شوند و به جای آن انرژی تابشی (دو فوتون) به وجود می آید.
دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. اگر تنها به رابطه جرم - انرژی E=mc2 بسنده کنیم و این فرایند را بعنوان تاییدی مجدد برای آن در نظر بگیریم، نمی توانیم به بسیاری از سئولات و معماهای فیزیک پاسخ مناسبی بدهیم. زیرا فرایند تولید و واپاشی زوج یکی از پیچیده ترین پدیده های فیزیکی است. اما اگر با نگرشی متفاوت به این پدیده برخورد کنیم، می توانیم مکانیزم تولید ذرات باردار را استنتاج کرده و علاوه بر آن بسیاری از معماهای فیزیک را نیز پاسخگو باشیم. این پدیده نیاز به بررسی همه جانبه دارد تا به سئوالات مختلف پاسخ گوید که در مکانیزم هیگز به آن پرداخته شده است. توجه به این پدیده نشان می دهد که قبل از تولید زوج، یک فوتون (از نظر الکتریکی خنثی) به دو ذره با بار مثبت و منفی واپاشیده می شود. دو ذره باردار الکترون و پوزیترون یکدیگر را جذب می کنند، یعنی پس از تولید زوج علاوه بر فرمیون شاهد حضور بوزون نیز می باشیم. بنابراین می توان نتیجه گرفت که فرمیونها، خود تولید کننده بوزون هستند. یک فوتون با تعداد k سی. پی. اچ. دارای انرژی E در مجاورت هسته، به دو ذره الکترون و پوزیترون هر یک به جرم me واپاشیده می شود. یعنی:
همانطور که در مکانیزم تولید ذرات باردار توضیح داده شده است، فوتون شامل سه نوع ذره بار- رنگ مثبت، بار - رنگ منفی و مغناطیس رنگ است که در مجاورت هسته بار-رنگهای مثبت به پوزیترون و بار-رنگهای منفی به الکترون تبدیل می شوند.
فصل 78: تعریف سی. پی. اچ. و ویژگیهای آن فصل 79: نظریه سی. پی. اچ. و قانون دوم نیوتن فصل 80: نظریه سی. پی. اچ. و نسبیت خاص فصل 81: نظریه سی. پی. اچ. و زمان فصل 82: تابع زمان و قضیه کار انرژی فصل 83: معادلات الکترومغناطیس و میدان گرانشی فصل 84: نیروی الکتریکی موثر هسته بر الکترونها فصل 85: سرعت نور و نظریه سی. پی. اچ. فصل 86: بار - رنگها فضا را خمیده می کنند فصل87: سوال وجواب سی.پی.اچ فصل 88 : معماهای فیزیک و نظریه سی. پی. اچ. فصل 89: ترمودینامیک، انتروپی و نظریه سی. پی. اچ.منابع: www.marchplasma.com/ فرستنده: حسین جوادی
بازگشت به فهرست کتابC سی. پی. اچ. از فوتون جدا شده و جذب الکترون می شود. در این فرایند با استفاده از قانون بقای اندازه حرکت (با فرض ساکن بودن الکترون قبل از برخورد) می توان نوشت: |
با سرعت 
