جهان اطراف ما از چهار نیروی بنیادی به نام گرانش، الکترومغناطیس، نیروی قوی و نیروی ضعیف ساخته شده است. اغلب نیروهایی که می‌شناسید و در اطراف خود آثار آن‌ها را مشاهده می‌کنید، جزء دو نوع اول یعنی گرانش و الکترومغناطیس هستند. برای مثال، اصطکاک منشا الکترومغناطیسی دارد. «نیروی هسته‌ای» (Nuclear Force) یا نیروی قوی و ضعیف، در اثر برهم‌کنش بین دو یا چند نوکلئون داخل هسته اتم‌ها ایجاد می‌شود. این نیروها موجب پیوند بین پروتون‌ها و نوترون‌ها شده و از از هم پاشیده شدن هسته جلوگیری می‌کنند. در این مطلب از مجله فرادرس توضیح می‌دهیم نیروی هسته ای چیست و در مقایسه با سایر نیروهای بنیادی چه ویژگی‌هایی دارد.
نیروی هسته ای چیست؟
نیروهای هسته‌ای که با عنوان برهم‌کنش‌های هسته‌ای نیز شناخته می‌شوند، نیروهای جاذبه کوتاه‌برد و بسیار قوی بین ذرات داخل هسته هستند و موجب پایداری هسته اتم‌ها می‌شوند. در حقیقت اگر نیروهای دافعه الکتروستاتیکی بین پروتون‌های با بار مثبت داخل هسته اتم را در نظر نگیریم، هر نیروی دیگری که بین دو پروتون، دو نوترون و یک پروتون و یک نوترون در هسته اتم وجود دارد، از نوع هسته‌ای است. این نیروها به دو گروه قوی و ضعیف تقسیم می‌شوند که در ادامه هر کدام را به‌طور کامل توضیح می‌دهیم تا بهتر متوجه شوید که نیروی هسته ای چیست.
اگر بخواهیم به شباهت نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف اشاره کنیم، می‌توانیم بگوییم هر دوی این نیروها نیروهای داخل هسته هستند و محل اثر هر دو نیز کوارک‌هایی هستند که پروتون‌ها و نوترون‌ها را می‌سازند. همچنین هر دو نیروی هسته‌ای قوی و ضعیف کوتاه‌برد بوده و از نظر قدرت از نیروهای گرانشی و الکترومغناطیسی قوی‌تر هستند. در جدول زیر تفاوت‌های بین این دو نیرو دقیق‌تر مشخص شده است:
| نیروی هسته‌ای قوی | نیروی هسته‌ای ضعیف | |
| تعریف | نیروی جاذبه بین ذرات بنیادی سازنده هسته اتم | عامل تبدیل نوترون به پروتون طی واپاشی پرتوزا از یک هسته خاص |
| آثار و نتایج | نگه داشتن کوارک‌ها در باریون و نگه داشتن نوترون‌ها و پروتون‌ها در هسته | واپاشی پرتوزا و سنتز هسته‌ای |
| قدرت نسبی | ||
| برد | ||
| حامل‌های نیرو | گلئون‌ها | بوزون‌های W و Z |
| شیوه توصیف | کرومودینامیک کوانتومی | تایپودینامیک کوانتومی |
| مثال | نیروی بین یک پروتون و یک نوترون در هسته | واپاشی بتای اورانیوم ۲۳۵ |
با اینکه آثار نیروهای هسته‌ای در زندگی ما خیلی محسوس نیست، اما اهمیت و کاربرد این نیروها بسیار گسترده است. برای مثال از قدرت فوق‌العاده بالای این نیروها می‌توان در طراحی سلاح‌های هسته‌ای استفاده کرد. کاربرد مهم و حیاتی این نیروها در تشخیص و درمان ناهنجاری‌ها و بیماری‌ها در حوزه پزشکی است. یکی دیگر از کاربردهای جالب‌توجه این نیروها در تاریخ‌گذاری رادیوکربن و تعیین سن مواد آلی از فراوانی ایزوتوپ‌های کربن است. همچنین از این نیرو می‌توان در تعیین سن زمین استفاده کرد. نیروی هسته‌ای یکی از مهم‌ترین عوامل وجود خورشید است.
یادگیری فیزیک هسته ای با فرادرس
پیش از اینکه توضیح دهیم انواع نیروی هسته ای چیست، در این بخش قصد داریم چند فیلم آموزشی تهیه شده در مجموعه فرادرس را با موضوع فیزیک هسته‌ای به شما معرفی کنیم. این مبحث در کتاب‌های فیزیک دبیرستان نیز مطرح شده است و درس بیست و یکم به بعد از کتاب فیزیک پایه دوازدهم (مختص رشته ریاضی) به توضیح کلیات فیزیک هسته‌ای مانند ساختار هسته، پرتوزایی طبیعی و نیمه‌عمر، شکافت و همجوشی هسته‌ای اختصاص داده شده است. همچنین در سطوح دانشگاهی نیز گرایش فیزیک هسته‌ای به‌عنوان یکی از مهم‌ترین گرایش‌های علم فیزیک مطرح می‌شود. به این ترتیب مشاهده این دوره‌ها و بهره‌گیری از آموزش تصویری باعث می‌شود یادگیری شما در این حوزه کامل‌تر شود:
- فیلم آموزش فیزیک پایه دوازدهم فرادرس
- فیلم آموزش فیزیک پایه دوازدهم – مرور و حل تمرین فرادرس
- فیلم آموزش فیزیک هسته ای ۱ – مکانیک کوانتومی تا واپاشی هسته ای + گواهینامه فرادرس
- فیلم آموزش فیزیک هسته ای ۲ فرادرس
نیروی هسته ای قوی چیست؟
اگر بخواهیم دقیق‌تر بدانیم نیروی هسته ای چیست، باید دو نوع نیروی هسته‌ای یعنی نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف را کاملا بشناسیم. نیروی هسته‌ای قوی نیروی جاذبه‌ای است که با کنار هم نگه داشتن تمام اجزای داخل هسته که شامل پروتون‌ها و نوترون‌ها (یا نوکلئون‌ها) و کوارک‌ها می‌شوند، موجب پایداری هسته اتمی می‌شود. همچنین این نیرو مسئول فرآیندی به نام «واپاشی آلفا» نیز هست.
اگر علاقه‌مند هستید در مورد انواع واکنش‌های هسته‌ای بیشتر بدانید، مشاهده فیلم آموزش فیزیک هسته ای ۱ – مکانیک کوانتومی تا واپاشی هسته ای + گواهینامه فرادرس را به شما پیشنهاد می‌کنیم که لینک آن نیز در ادامه برای شما قرار داده شده است:
تصویر زیر تفاوت بین نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف را به‌خوبی نشان می‌دهد. اگر دقت کنید نیروی قوی موجب کنار هم قرار گرفتن نوترون‌ها و پروتون‌ها داخل هسته می‌شود. با توجه به اینکه داخل هسته اتم تنها ذرات باردار پروتون‌ها هستند (پروتون‌ها دارای بار مثبت و نوترون‌ها ذراتی بدون بار هستند)، انتظار داریم پروتون‌ها توسط نیروهای دافعه الکتروستاتیکی به هم نیرو وارد کرده و در نتیجه از هم دور شوند.
بنابراین باید نیروی دیگری در هسته وجود داشته باشد که با این دافعه الکتروستاتیکی مقابله کرده و از ناپایداری هسته جلوگیری کند. این نیرو، نیروی هسته‌ای قوی است. اگر تمایل دارید در مورد هسته اتم و اجزای آن بیشتر مطالعه کنید می‌توانید به مطلب «هسته اتم یا نوکلید (Nuclide) – به زبان ساده» از مجله فرادرس مراجعه کنید.
نیروی هسته ای ضعیف چیست؟
مهم‌ترین تفاوت نیروهای قوی و ضعیف در این است که نیروهای قوی بین نوکلئون‌ها عمل می‌کنند، در حالی که نیروهای ضعیف نیروهایی هستند که داخل هر نوکلئون عمل کرده و باعث می‌شوند که یک نوترون به پروتون تبدیل شود یا تبدیلات دیگری نیز به این شکل داشته باشیم. این نیرو اغلب طی فرآیندی به نام «واپاشی بتا» اثر خود را نشان می‌دهد. تصویر بخش قبل تبدیل نوترون به پروتون را نشان می‌دهد که طی آن یک الکترون و یک آنتی‌نوترینو آزاد می‌شوند.
ویژگی‌های نیروی هسته ای در مقایسه با سایر نیروهای بنیادی
در بخش‌های قبل کاملا آموختیم که انواع نیروی هسته ای چیست. در آخرین بخش این مطلب از مجله فرادرس می‌خواهیم خصوصیات این نوع نیروها را با گرانش و الکترومغناطیس مقایسه کنیم تا با جنبه‌های مختلف این نیرو و به‌خصوص انرژی آزاد شده از آن (انرژی هسته‌ای) بهتر آشنا شوید.
در ادامه بخشی از مهم‌ترین خصوصیات این نیروها را لیست کرده‌ایم:
- هر دو نیروی هسته‌ای کوتاه‌برد هستند (به این معنا که محدوده عملکرد آن‌ها در حد و اندازه ابعاد یک پروتون است).
- نیروهای هسته‌ای به اسپین ذرات داخل هسته وابسته‌اند.
- نیروهای هسته‌ای از بار ذرات داخل هسته مستقل‌اند (به این معنا که با صرف‌نظر کردن از نیروهای الکترومغناطیسی، نیروهای بین دو پروتون، دو نوترون و یک پروتون و یک نوترون نقریبا یکسان هستند).
- نیروی هسته‌ای قوی ۱۳۷ برابر از نیروی الکترومغناطیسی قوی‌تر است.
- نیروهای هسته‌ای روی خواص فیزیکی و شیمیایی ماده اثر ندارند.
- آشکارسازی این نیروها توسط واکنش‌های هسته‌ای یا واپاشی است.
جدول زیر تفاوت این نیرو را با سایر نیروهای بنیادی نشان می‌دهد:
| نیروهای هسته‌ای | گرانش | الکترومغناطیس |
| خیلی قوی | ضعیف | قوی |
| کوتاه‌برد | برد نامحدود | برد نامحدود |
| اثرگذاری روی کوارک‌ها، فرمیون‌ها و هادرون‌ها | اثرگذاری روی اجرام | اثرگذاری روی ذرات باردار |
| ذرات واسطه گلئون‌ها | ذرات واسطه گراویتون‌‌ها | ذرات واسطه فوتون‌‌ها |
دانلود PDF مقاله
«فهیمه سکاکی» دانش‌آموخته مقطع دکتری فیزیک گرایش حالت جامد است. از جمله مباحث مورد علاقه او فیزیک لایه‌های نازک در سلول‌های خورشیدی است. او در حال حاضر، در زمینه آموزش‌های فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.
source