موضوع مقاله: پراکندگی الکترون | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # پراکندگی الکترون | مقدمه: این پدیده به دلیل نیروهای الکترواستاتیکی موجود در ماده روی می‌دهد و اگر یک میدان مغناطیسی خارجی وجود داشته باشد، ممکن است تحت تأثیر نیروی لورنتس منحرف شود. | ## بخش 1: پراکندگی الکترون | پراکندگی الکترون کاربردهای بسیار گسترده‌ای دارد؛ از استفاده از الکترون‌های تندرو در میکروسکوپ‌های الکترونی گرفته تا کاربرد در انرژی‌های بسیار بالا در سامانه‌های هادرونی که امکان اندازه‌گیری توزیع بار در نوکلئون‌ها و بررسی ساختار هسته‌ای را فراهم می‌کند. پدیدهٔ پراکندگی الکترون این امکان را فراهم کرده که جزئیات بسیاری از ساختار اتمی را بشناسیم؛ از آرایش اتم‌ها در مواد گرفته تا اینکه پروتون‌ها و نوترون‌ها خود از ذرات بنیادی کوچک‌تری به نام کوارک تشکیل شده‌اند. الکترون‌ها هنگام عبور از یک جامد می‌توانند به چندین شیوه پراکنده شوند: بدون پراکندگی: هیچ پراکندگی‌ای رخ نمی‌دهد و پرتو بدون انحراف از نمونه عبور می‌کند. او دربارهٔ وجود ذرات زیراتمی با بار واحد حدس‌هایی ارائه داد؛ همچنین اتم را به‌صورت یک «الکتروسفر (Electrosphere)» شامل پوسته‌های متحدالمرکز از ذرات باردار که یک هستهٔ مادی را احاطه کرده‌اند، تصور می‌کرد. پراکندگی کامپتون معمولاً در ارتباط با برهم‌کنش الکترون‌های اتم ذکر می‌شود، با این حال پراکندگی کامپتون هسته‌ای نیز وجود دارد. این آزمایش توانست ماهیت موج‌گونهٔ الکترون‌ها را نشان دهد و بدین ترتیب فرضیهٔ دوبروی (de Broglie) مبنی‌بر موجی‌بودن ذرات ماده را تأیید کرد. پس از این دوره، توجه به LEED کاهش یافت و پراش الکترون‌های پرانرژی محبوبیت پیدا کرد تا اینکه در اوایل دههٔ ۱۹۶۰ علاقه به LEED دوباره احیا شد؛ از افراد برجسته در این دوره می‌توان به اچ. پدیده‌ها الکترون‌ها می‌توانند توسط سایر ذرات باردار از طریق نیروهای کولنی الکترواستاتیکی پراکنده شوند. یک توصیف بسیار دقیق از تمام انواع پراکندگی الکترون شامل جنبه‌های کوانتومی و نسبیتی توسط نظریهٔ الکترودینامیک کوانتومی (QED) ارائه می‌شود. در این شکل، دایرهٔ نقطه‌چین به‌معنای میدان مغناطیسی رو به بیرون از صفحه و دایرهٔ ضربدر به‌معنای میدان مغناطیسی رو به داخل صفحه است.نیروی لورنتس که به نام فیزیک‌دان هلندی هندریک لورنتس نام‌گذاری شده، برای یک ذرهٔ باردار q (در دستگاه SI) به‌صورت زیر داده می‌شود: در این رابطه، عبارت qE نیروی الکتریکی ناشی از میدان الکتریکی موجود E را که بر ذرهٔ باردار q اثر می‌گذارد، توصیف می‌کند. عبارت qv × B نیروی مغناطیسی ناشی از میدان مغناطیسی B را توصیف می‌کند که هنگام حرکت ذره با سرعت v بر آن اثر می‌گذارد. هندریک لورنتس در سال ۱۸۹۲ این مفهوم را بسط داد و نام او بر آن نهاده شد، هنگامی که نیروهای ناشی از میدان الکتریکی را نیز به آن افزود. با نوشتن این رابطه به‌صورت معادلهٔ حرکت برای یک ذرهٔ آزاد با بار q و جرم m داریم: و در حالت نسبیتی (Relativistic) با درنظر گرفتن انقباض لورنتس، این رابطه به‌شکل زیر درمی‌آید: که در آن γ عامل لورنتس است و به‌صورت زیر تعریف می‌شود: این معادلهٔ حرکت نخستین‌بار در ۱۸۹۷ در آزمایش جی. تامسون دربارهٔ پرتوهای کاتدی تأیید شد؛ او نشان داد که انحراف این پرتوها در میدان مغناطیسی ناشی از حرکت جریان ذرات بارداری است که امروز آن‌ها را الکترون می‌نامیم. صورت‌های گوناگون این رابطه نیروی مغناطیسی وارد بر یک سیم حامل جریان (که گاهی نیروی لاپلاس نامیده می‌شود)، نیروی محرکه الکتریکی در یک حلقهٔ سیم درحال حرکت در میدان مغناطیسی (جنبه‌ای از قانون القای فارادی) و نیروی وارد بر ذره‌ای که ممکن است با سرعت نزدیک‌به سرعت نور حرکت کند (صورت نسبیتی نیروی لورنتس) را توصیف می‌کند. نمودار نشان می‌دهد که بارهای همنام یکدیگر را دفع و بارهای ناهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند. وقتی q1q2 > 0 باشد، نیروها دافعه هستند (مطابق شکل) و وقتی q1q2 < 0 باشد، نیروها جاذبه خواهند بود (برخلاف شکل). در این حالت: که در آن: بردار فاصلهٔ دو بار است و بردار یکه در راستای بردار فاصله (از q2 به‌سمت q1) است. قانون کولن بیان می‌کند که: بزرگی نیروی الکتریکی میان دو بار نقطه‌ای، به‌طور مستقیم با حاصل‌ضرب مقدار بارها متناسب است و به‌طور معکوس با مربع فاصلهٔ میان آن‌ها رابطه دارد. | ## بخش 2: پراکندگی الکترون | این نیروها برداری، دارای برد بی‌نهایت و طبق قانون سوم نیوتن برهم‌کنندهٔ بزرگی برابر و جهت مخالف هستند. وقتی هر دو بار q1 و q2 هم‌علامت باشند، نیرو دافعه و اگر مختلف‌‌العلامت باشند، نیرو جاذبه است. برخورد کشسان پراکندگی کشسان حالتی است که در آن برخورد میان ذرهٔ هدف و ذرهٔ فرودی موجب حفظ کامل انرژی جنبشی کل سیستم می‌شود. برخورد ناکشسان پراکندگی ناکشسان حالتی است که در آن انرژی جنبشی کل، پس از برخورد، حفظ نمی‌شود و در نتیجه حالت‌های درونی یکی یا هر دو ذره تغییر می‌کند. این تغییر به‌دلیل آن است که بخشی از انرژی جنبشی به گرما، امواج (مانند صوت)، ارتعاشات میان ذرات تشکیل‌دهندهٔ هر یک از اجسام برخوردکننده یا سایر برانگیختگی‌ها مانند نور تبدیل می‌شوند. در برخی موارد، ذرات ممکن است به چند بخش شکسته شوند و انرژی می‌تواند صرف شکستن پیوندهای شیمیایی میان اجزای آن‌ها شود. علاوه‌بر پراکندگی، نتایج دیگری نیز ممکن است رخ دهد، از جمله: واکنش‌ها (Reactions) که در آن ساختار ذرات درگیر تغییر می‌کند و ذراتی جدید و پیچیده‌تر تولید می‌شوند؛ خلق ذرات جدید که شامل تولید ذراتی است که ذرات اولیه به‌طور ذاتی حامل آن‌ها نبوده‌اند. انواع دیگر پراکندگی پراکندگی الکترون- مولکول پراکندگی الکترون توسط اتم‌ها و مولکول‌های منفرد در فاز گاز رخ می‌دهد. این پدیده نقش اساسی در فیزیک و شیمی پلاسما داشته و برای کاربردهایی نظیر فیزیک نیمه‌هادی‌ها اهمیت بالایی دارد. در سال ۱۹۲۳، با تاباندن تابش با طول موج مشخص (در این مورد، پرتوی ایکس) به یک هدف کربنی نشان داده شده که الگوی پراکندگی به هیچ‌وجه با نظریهٔ کلاسیک تابش سازگار نیست. پدیدهٔ کامپتون را می‌توان چنین توصیف کرد: فوتون‌های پرانرژی به‌طور ناکشسان با الکترون‌های منفرد برخورد می‌کنند. فوتون ورودی بخشی از انرژی خود را به الکترون منتقل می‌کند و فوتون پراکنده‌شده دارای انرژی، فرکانس کمتر و طول موج بزرگ‌تر خواهد بود. تغییر طول موج در این پراکندگی تنها به زاویهٔ پراکندگی برای یک ذرهٔ هدف داده‌شده وابسته است. این کشف در دههٔ ۱۹۲۰ اهمیت ویژه‌ای داشت؛ چراکه ماهیت ذره‌ای نور که توسط اثر فوتوالکتریک مطرح شده بود، هنوز مورد بحث قرار داشت. فرمولی که جابه‌جایی کامپتون (Compton shift) در طول موج ناشی از پراکندگی را توصیف می‌کند، به‌صورت زیر است: که در آن λf طول موج نهایی فوتون پس از پراکندگی، λi طول موج اولیهٔ فوتون قبل از پراکندگی، h ثابت پلانک، me جرم سکون الکترون، c سرعت نور و θ زاویهٔ پراکندگی فوتون است. این برخورد باعث می‌شود طول موج فوتون بین صفر (برای زاویهٔ پراکندگی ۰ درجه) و دوبرابر طول موج کامپتون (برای زاویهٔ پراکندگی ۱۸۰ درجه) افزایش یابد. پراکندگی تامسون توصیف کلاسیک و کشسان از این فرایند است و برای فوتون‌های کم‌انرژی و میان‌انرژی صدق می‌کند. نظریهٔ کلاسیک موج الکترومغناطیس قادر به توضیح تغییرات کوچک طول موج نیست و تنها رفتار کشسان را توصیف می‌کند. در اخترفیزیک، پراکندگی کامپتون معکوس زمانی دیده می‌شود که یک فوتون کم‌انرژی (مانند فوتون‌های تابش زمینهٔ ریزموج کیهانی) با یک الکترون پرانرژی و نسبیتی برخورد می‌کند. | ## بخش 3: پراکندگی الکترون | در حلقه‌های ذخیره الکترونی و شتاب‌دهنده‌های حلقوی که سنکروترون نام دارند، الکترون‌ها در مسیر دایروی منحرف می‌شوند و معمولاً پرتوی ایکس گسیل می‌کنند. هنگامی که تکنسین با استفاده از یک آینه برای بررسی جرقه‌زدن لوله به اطراف حفاظ نگاه می‌کرد، یک قوس روشن نور از پرتوی الکترونی مشاهده کرد. در یک مدار دایروی مانند حلقهٔ ذخیره، در حالت غیر نسبیتی شتاب همان شتاب مرکزگرا است اما در یک حلقهٔ ذخیرهٔ واقعی، شتاب بسیار نسبیتی بوده و به‌صورت زیر به‌دست می‌آید: که در آن v سرعت دایره‌ای، r شعاع شتاب‌دهندهٔ دایره‌ای، m جرم سکون ذرهٔ باردار، p تکانه، τ زمان ویژه (t/γ) ، γ عامل لورنتس است. توان تابشی به‌صورت زیر محاسبه می‌شود: برای ذرات بسیار نسبیتی، به‌طوری که سرعت تقریباً ثابت می‌شود، عامل γ۴ متغیر غالب در تعیین نرخ اتلاف می‌شود، به این معنی که اتلاف به‌صورت توان چهارم انرژی ذره γmc۲ مقیاس می‌شود و وابستگی معکوس اتلاف تابش سنکروترون به شعاع، ساخت شتاب‌دهنده تا حد امکان بزرگ را توجیه می‌کند. ساخت این شتاب‌دهندهٔ خطی به‌طول ۳ کیلومتر (۲ مایل) در سال ۱۹۶۲ آغاز شد و در سال ۱۹۶۷ تکمیل گردید. این شتاب‌دهنده ظرفیت شتاب‌دهی الکترون تا ۲۰GeV را داشت؛ درحالی‌که آزمایش‌های آن شبیه آزمایش پراکندگی رادرفورد با ذرات آلفا و انرژی تنها ۷MeV انجام می‌شد. در مورد SLAC، ذرهٔ برخوردکنندهٔ الکترون و هدف پروتون بود و به‌دلیل طول موج کوتاه الکترون (ناشی از انرژی و تکانهٔ بالا)، امکان کاوش در داخل پروتون فراهم شد. هدف SLAC این است که به یک آزمایشگاه شتاب‌دهندهٔ برجسته تبدیل شود و برنامه‌های استراتژیک در زمینهٔ فیزیک ذرات، اخترفیزیک ذرات و کیهان‌شناسی و همچنین کاربردهای مرتبط با کشف داروهای جدید، مواد جدید برای الکترونیک، تولید انرژی پاک و پاکسازی محیط زیست دنبال شود. این مؤسسه به‌سرعت در اندازه و دامنهٔ فعالیت رشد کرده و امروزه به‌دلیل کیفیت بالای پژوهش‌هایش در دامنه‌ای گسترده از رشته‌های علمی مشهور است و شامل شبکه‌ای از مراکز و مؤسسات تحقیقاتی سطح جهانی در سراسر ژاپن می‌باشد. تا سال ۲۰۰۶، این مرکز دارای یک مجتمع شتاب‌دهندهٔ یون سنگین در سطح جهانی بوده است. همچنین این مرکز دارای جداسازی قطعات پرتابه‌ای (RIPS) است که پرتوهای ایزوتوپ رادیواکتیو (RI) با جرم اتمی کمتر از ۶۰amu فراهم می‌کند و شدت بالاتری نسبت‌به سایر پرتوهای RI سبک دارد. ترویج پژوهش‌های کاربردی شتاب‌دهنده‌ها یکی از مأموریت‌های مهم مرکز نی‌شینا است و شامل استفاده از تأسیسات شتاب‌دهندهٔ داخلی و خارجی می‌شود. هدف این پروژه، مطالعهٔ هسته‌های کوتاه‌عمر از طریق آزمون پراکندگی کشسان الکترون برای بررسی توزیع چگالی بار است که آزمایش‌های اولیه با هسته‌های پایدار انجام شده است. نخستین پراکندگی الکترون روی ایزوتوپ‌های ناپایدار قلع (Sn) قرار بود در سال ۲۰۱۴ انجام شود. پیش از این، مطالعهٔ هسته‌های رادیواکتیو کوتاه‌عمر (RI) با پراکندگی الکترون امکان‌پذیر نبود؛ زیرا نمی‌شد این هسته‌ها را به‌عنوان هدف آماده کرد. اصل این تکنیک بر پدیدهٔ به‌دام‌افتادن یون‌ها (ion trapping) مبتنی است که در تأسیسات حلقهٔ ذخیرهٔ الکترون مشاهده شده و معمولاً تأثیر منفی بر عملکرد حلقه‌های ذخیره دارد. ایدهٔ نوین به‌کار رفته در SCRIT، استفاده از به‌دام‌انداختن یون‌ها برای ایجاد هدفی از RI کوتاه‌عمر روی پرتوی الکترون است تا بتوان آزمایش‌های پراکندگی را انجام داد. | ## جمع‌بندی | در این مطالعه، هستهٔ پایدار ۱۳۳Cs به‌عنوان هدف استفاده شد و آزمایشی با مشخصات زیر انجام شد: انرژی پرتوی الکترون: ۱۲۰MeV جریان پرتوی ذخیره‌شده: ۷۵mA طول عمر پرتو: ۱۰۰s نتایج این مطالعه موفقیت‌آمیز بود و الکترون‌های پراکنده‌شدهٔ کشسان از Cs به‌وضوح قابل مشاهده بودند.