اطلاعات اولیه

برخلاف بار الکتریکی که در طبیعت به صورت دو نوع بار مثبت و منفی وجود دارد، بارهای مغناطیسی به صورت منفرد یافت نمی‌شوند و به عبارت دیگر ظاهرا تک قطبی مغناطیسی وجود ندارد. یعنی هر چه قدر هم تلاش کنیم، نمی‌توان قطب‌های شمال (N) و جنوب (S) یک آهنربا را از هم جدا نمود و اگر یک آهنربایی را تا حد یک اتم هم بشکنیم، باز هم قطبهای مغناطیسی آن از هم جدا نمی‌شوند. ما در این نوشته بطور ساده امکان و اثرات وجود تک قطبی مغناطیسی را بررسی می‌کنیم.

سیر تحولی و رشد

در سال 1931 دیراک وجود ذراتی را پیشنهاد کرد که بطور ذاتی منبع تولید میدان مغناطیسی بوده و از این رو نام آنها را تک قطبی مغناطیسی گذاشت. هر چند قبل از وی نیز بحثهایی در زمینه تک قطبی مغناطیسی بطور پراکنده مطرح بود، از جمله در سال 1896 پوانکاره حرکت یک بار الکتریکی را در میدان یک سیم پیچ مغناطیسی طویل و باریک که انتهای آن میدانی شبیه به یک تک قطبی مغناطیسی تولید می‌کرد، را بررسی کرد. ولی بحث نظری جدی و تازه در مورد وجود ذراتی با این خاصیت ، اولین بار توسط دیراک صورت گرفت.

منظور از تک قطبی مغناطیسی ، ذراتی است مشابه ذرات باردار الکتریکی ، همانگونه که ذرات باردار الکتریکی ، منبع میدان الکتریکی هستند، تک قطبی مغناطیسی نیز منبع میدان مغناطیسی می‌باشند. این ذرات در حالت سکون میدان مغناطیسی شعاعی و عکس مجذور فاصله را تولید می‌کنند، پس میدان یک تک قطبی (در دستگاه یکاهای گوسی) با قدرت g در نقطه r به صورت زیر خواهد بود:

تقارن تک قطبی مغناطیسی

ایده تک قطبیهای مغناطیسی در فکر دیراک همزمان با پیشنهاد وی مبنی بر وجود ذراتی درست شبیه به الکترون ولی با بار مثبت بود، که نام آنها را پوزیترون نهاده بود. اساس به وجود آمدن چنین ایده‌هایی قبول تقارن در طبیعت است. وجود چنین تقارنی در معادلات میدان دیراک ، راهنمای وی برای پیشگویی وجود پوزیترونها بود. دیری نپایید که در سال 1932 پوزیترون در آزمایشگاه کشف شد. قبول این نظریه که طبیعت متقارن است، امروزه منجر به دستاوردهایی از قبیل نظریه میدانهای پیمانه‌ای ، ابر تقارن و ... بخصوص در حوزه بنیادی گردیده است. تک قطبی‌های مغناطیسی تقارنی را در معادلات اساسی الکترومغناطیسی یعنی معادلات ماکسول بوجود می‌آورند که الکترومغناطیس معمولی فاقد آن است. به عبارت دیگر ، میدان مغناطیس که یک اثر ثانوی از الکتریسیته است و توسط ذرات باردار متحرک تولید می‌شود، با فرض وجود تک قطبی‌های مغناطیسی ، می‌تواند مستقلا توسط این ذرات تولید شود و این خود تقارنی را بین میدانهای الکتریکی و مغناطیسی بوجود می‌آورد.

تک قطبی‌های مغناطیسی کیهانی

انتشار مقاله دیراک در زمینه تک قطبی‌های مغناطیسی تحرک زیادی در تحقیقات نظری و آزمایشگاهی فیزیکدانها در این زمینه بوجود آورد. هر چند که جستجو جهت آشکار نمودن تک قطبی‌های مغناطیسی تا به امروز ادامه دارد، تنها یک مورد توسط کابره در تأیید وجود تک قطبی‌های مغناطیسی گزارش شده است. وی آزمایشی دقیقا به همین منظور ترتیب داده بود که شامل یک حلقه کوچک ابر رسانا بود و از طریق مشاهده تغییر در جریانی که از درون حلقه ابر رسانا می‌گذرد و باعث تغییر در شارش محبوس در آن می‌شود. نتایج بررسیها حاکی از این بود که تک قطبی‌های مغناطیسی کیهانی ورودی بر سطح زمین آشکار شده در طول 151 روز ، فقط یک رویداد کشف شد که دقیقا حاکی از وجود تک قطبی مغناطیسی بود.

نظریه وحدت بزرگ در مورد تک قطبی مغناطیسی

تک قطبی‌های مغناطیسی توسط نظریه‌های وحدت بزرگ (GUT) نیز پیش‌بینی می‌شوند. در این نظریه تک قطبی‌ها در هنگام شکسته شدن خود به ‌خود گروه پیمانه‌ای وحدت بزرگ ، که در انرژی‌های بسیار بالا در حدود 10¹⁵Gev رخ می‌دهد، تشکیل می‌شوند. در این نظریه‌ها نشان داده می‌شود که تک قطبی‌های GUT باید جرم عظیمی حدود 10¹⁶Gev داشته باشند. همانند دیگر ذرات پیمانه‌ای در وحدت بزرگ ، هیچ احتمالی برای تولید اینگونه ذرات در شتاب دهنده‌های قابل تصور وجود ندارد. تنها یک آزمایش وجود دارد که در آن واکنشهایی با چنین انرژی بالایی صورت می‌گیرد و آن جهان آغازین بلافاصله پس از انفجار بزرگ اولیه است. در این صورت تک قطبی‌های GUT باید به تعداد بسیار زیاد در اوایل عمر جهان ^-3510 ثانیه پس از انفجار بزرگ تولید شده باشند.

این خود مسئله‌ای است که عدم وجود (مشاهده) این تک قطبی‌ها را چگونه باید توضیح داد. امروزه با استفاده از مدل جهان تورمی این مطلب را می‌توان توضیح داد. به این ترتیب که در لحظات آغازین پس از انفجار بزرگ ، جهان دچار یک انبساط ناگهانی و سریع شده است. به این دلیل تعداد تک قطبی‌های مغناطیسی در کیهان به شدت کاهش یافته است و ما امروزه آنها را مشاهده نمی کنیم.

مباحث مرتبط با عنوان

• ابر تقارن
• ابر رسانا
• الکترومغناطیس
• الکترون
• مدل جهان تورمی
• انفجار بزرگ
• بار الکتریکی
• بار مغناطیسی
• پوزیترون
• تقارن در طبیعت
• دوقطبی مغناطیسی
• فیزیک ذرات بنیادی
• فیزیک نظری
• کیهان شناسی
• معادلات ماکسول
• معادلات میدان دیراک
• میدان الکتریکی
• میدان مغناطیسی
• نظریه میدان‌های پیمانه‌ای
• نظریه وحدت بزرگ
• وحدت نیروها

اطلاعات اولیه

از مدتی پیش معلوم شده بود که در کانیهای رادیواکتیو همواره تعدادی گاز هلیوم محبوس است. علاوه بر این سرویلیام رامسی و فردریک سدی در سال 1903 کشف کرده بودند که از یک ماده مرکب رادیواکتیو ، از جمله رادیم برومید ، هلیم حاصل می شود. این امر موجب شد که رادرفورد نظریه ای را دنبال کند مبنی بر اینکه ذره α یک اتم هلیم دوبار پوینده است ، یعنی یک اتم هلیم که دو الکترون از دست داده است ، با آن چنان که امروزه مرسوم است ، هسته یک اتم هلیم است. رادرفورد در جریان آزمایشهایی که بین سالهای 1906 تا 1909 انجام داد موفق شد درستی فرضیه خود را در جهات مختلف به اثبات برساند. آخرین و قاطع ترین آزمایش در 1909 به کمک بات. د. رویدز ، به وسیله ساختن وسیله ای که سرجیمز جین آن وسیله تله موش ذرات آلفا نامید ، انجام شد.

منشا بخار دادن

در این آزمایش از عنصر رادیواکتیو رادن (Rn) استفاده می شد. رادن در سال 1901 توسط پی یر کوری و آندره دبیرن کشف شده بود. آن دو دریافته بودند که نوعی گاز از رادیم حاصل می شود. وقتی که مقدار کمی از این گاز جمع آوری شد ، معلوم گردید که گاز مزبور به شدت ذره آلفا گسیل می کند. همچنین مشخص گردید که این گاز یک عنصر جدید است. این گاز ابتدا بخار رادن ، و بعد رادن نامیده شد.

رامسی و سدمی دریافته بودند که وقتی رادن در یک ظرف مسدودی ذخیره شود ، همواره گاز هلیم نیز در ظرف پدیدار می گردد. پس معلوم می شد که گاز هلیم نه تنها بوسیله رادیم بلکه توسط رادن نیز ایجاد می شود.

تشریح تله موش رادرفورد

رادرفورد و رویدز مقدار کمی رادن را در یک لوله شیشه ای ظریفی که ضخامت جدار آن فقطmm 01/0 بود ، قرار دارند. جدار این لوله به اندازه ای نازک بود که ذرات آلفا از آن عبور می کردند ، اما خود رادن نمی توانست از آن بگذرد. این لوله ، در یک لوله شیشه ای بزرگتر که جدار ضخیمی داشت و یک قسمت تخلیه الکتریکی در بالای آن بود ، جای داده شده و به خوبی مسدود گردیده بود. سپس هوای لوله بیرونی توسط پمپ خارج شد و دستگاه به مدت یک هفته به حال خود باقی ماند.

در طول این مدت ، در حالی که ذرات آلفا از رادن تولید می شد و از دیواره لوله داخلی عبور می کرد ، معلوم شد که به تدریج گازی در فضای قبلا خالی شده جمع می گردد. در این موقع جیوه را ، از قسمت پایین ، به وسیله پمپ وارد لوله بیرونی کردند تا مقدار بسیار اندک گاز تولید شده را فشرده و در لوله تخلیه محصور کند. وقتی که یک اختلاف پتانسیل مناسب به الکترونهای لوله تخلیه متصل شد ، تخلیه الکتریکی در گاز صورت گرفته و نور حاصل توسط طیفنما مورد بررسی قرار گرفت. خطوط طیفی ، ویژگیهای خطوط طیفی ، ویژگیهای خطوط طیفی هلیم را نشان می داد.

نتایج تله موش رادرفورد

با این آزمایش رادفورد دریافت که چگونه باید نتایج خود را تعبیر کند. او با خاطر جمعی توانست نتیجه بگیرد که گاز جمع آوری شده در لوله خارجی ، بر اثر عبور ذرات آلفا از جدار لوله داخلی تشکیل شده است. نتیجه کار رادرفورد حاکی از نتایج مهمتر از تشخیص هویت ذرات آلفا بود. روشن شد که اتمی از یک عنصر (رادن) می تواند خود به خود پاره ای (یک ذره آلفا ) گسیل کند که هسته عنصر (هلیم) دیگری است. این فکری تکان دهنده بود. اما فقط آغازی بود از اندیشه های تکان دهنده تری که در پی آن می آمد.

مباحث مرتبط با عنوان